利用负泊松比（NPR）钢筋改善嵌入超高性能混凝土（UHPC）中的Perfobond带连接器的剪切性能：实验、数值和理论研究

本文通过实验和有限元分析，研究负泊松比钢在UHPC中的PBL连接器性能，发现其剪切能力提升31.4%，延性提高45.3%，并建立预测方程及荷载滑移模型，为工程应用提供参考。

　　

高晓龙|尹从林|吴凯|郭俊元|毛敏

摘要

为了提高嵌入钢-UHPC复合梁UHPC板中的Perfobond带（PBL）连接器的剪切能力和变形性能，本研究首次提出使用负泊松比（NPR）钢筋作为PBL连接器的穿孔加固材料（简称NPR-PBL连接器）。为了研究嵌入UHPC中的NPR-PBL连接器的剪切行为，设计了13个抗拔试件并进行测试。分析了穿孔加固类型、排数、排间距和端支撑板对NPR-PBL连接器剪切行为的影响。然后，利用有限元（FE）模型研究了NPR-PBL连接器的剪切机制，并讨论了其他关键参数的影响。结果表明，使用NPR钢筋可以显著提高嵌入UHPC中的PBL连接器的剪切能力和变形性能。与使用相同直径HRB400钢筋的PBL连接器相比，试件的剪切能力和极限滑移分别增加了31.4%和45.3%。多排NPR-PBL连接器沿加载方向的荷载分布不均匀，受排数和间距的影响。基于测试结果和有限元分析，建立了适用于NPR-PBL连接器的剪切能力预测公式和荷载-滑移模型，为在钢-UHPC复合梁中推广和应用NPR-PBL连接器提供了参考。

引言

钢混凝土复合梁因其独特的结构特性而广泛应用于土木工程，能够有效利用钢和混凝土的优良力学性能[1]、[2]、[3]、[4]。超高性能混凝土（UHPC）作为一种先进的水泥基复合材料，由于其出色的力学性能和耐久性，受到了研究人员和工程师的广泛关注[5]、[6]、[7]。大量研究表明，用UHPC替代传统混凝土可以降低钢混凝土复合梁的自重，并显著提高结构的整体耐久性[8]、[9]、[10]。

对于由钢梁和UHPC板组成的钢-UHPC复合梁，UHPC板通常承受弯曲压缩应力，而钢梁通常承受弯曲拉伸应力[11]、[12]。在UHPC板和钢梁界面处设计可靠的剪切连接是确保所需复合性能的关键因素[13]。传统的钢混凝土复合梁中最常用的剪切连接器是带头螺栓[14]。然而，在钢-UHPC复合梁中使用带头螺栓时，由于UHPC板的较高抗压强度以及带头螺栓相对较低的剪切能力，需要在钢梁的上翼缘焊接非常密集的带头螺栓[12]。密集排列的剪切螺栓会阻碍钢筋在板内的合理布置，导致钢筋拥挤，可能使施工复杂化并影响结构性能[12]。此外，工程实践表明，尤其是在重交通荷载下，带头螺栓容易发生疲劳失效[15]、[16]。UHPC的高抗压强度（≥120MPa）导致钢-UHPC复合梁的界面剪切需求显著增加。传统的剪切连接器由于其有限的剪切能力和易受拥挤/疲劳影响而难以满足这一需求，因此需要开发改进的剪切连接器以确保可靠的复合效果。

Perfobond带（PBL）连接器由焊接在钢梁上的穿孔钢板和被混凝土包裹的穿孔钢筋组成，与带头螺栓相比，PBL连接器具有更好的剪切强度和抗疲劳性能[15]、[18]、[19]。为了提高钢-UHPC界面的剪切性能，多项文献对UHPC中PBL连接器的力传递机制和剪切能力进行了研究。由于UHPC的优异力学性能，PBL连接器在UHPC中的破坏模式与普通混凝土不同。抗拔试验结果显示，UHPC板外表面仅出现多条密集裂纹，这与普通混凝土板中的垂直贯通裂纹（脆性破坏）不同[20]、[21]。此外，不同混凝土中的PBL连接器由于周围约束条件的不同而表现出不同的破坏模式[22]、[23]、[24]、[25]。UHPC中的穿孔钢板会发生屈服甚至断裂，并伴随穿孔钢板的剪切破坏，这与普通混凝土中穿孔钢筋的剪切变形和穿孔钢板无结构变化的情况明显不同[21]、[26]、[27]、[28]。这些现象表明，UHPC中PBL连接器的性能得到了充分开发。先前的研究表明，PBL连接器的剪切性能主要来源于混凝土销钉和穿孔钢筋（对于无端支撑效应的试件）[21]、[26]、[29]。Tan等人[30]指出，UHPC中PBL连接器的剪切能力主要由穿孔钢筋、混凝土销钉和箍筋组成。Yang等人[21]发现，穿孔钢筋贡献了PBL连接器大部分的剪切性能。带有穿孔钢筋的试件的极限载荷和破坏位移分别增加了171.35%和958.9%。He等人[26]也表明，大部分滑移能力来自穿孔钢筋，占PBL连接器剪切能力的45%～48%。Cao等人[20]检查发现，增加UHPC中PBL连接器穿孔钢筋的直径可以提高剪切强度和初始剪切刚度。从综述的文献来看，穿孔钢筋是PBL连接器的关键组成部分，对连接器的整体性能起着关键作用。穿孔钢筋在穿孔条附近的断裂主要是由于UHPC对穿孔钢筋的高粘结强度以及穿孔钢筋的低强度和变形能力[20]、[21]。

负泊松比（NPR）钢筋具有高强度、优异的延展性和出色的抗腐蚀性[31]。NPR钢筋含有大量的纳米级和微纳米级负泊松比结构，使其泊松比范围为0.003至0.1，而普通钢筋的泊松比约为1。NPR钢筋在应变过程中会发生应变硬化并延迟颈缩，随着机械孪晶密度的增加，NPR钢筋同时具有高强度和高延展性的特点[32]。对NPR钢筋力学性能的研究表明，其屈服强度和抗拉强度分别可达约750 MPa和950 MPa，断裂后的延展率可达约30%，远高于普通钢筋（HRB400）[32]。此外，NPR钢筋的泊松比范围为0.003至0.01，有效延缓了颈缩的发展[33]。NPR钢筋与UHPC之间的优异粘结强度限制了裂纹的扩展，Gu等人研究NPR钢筋在UHPC复合梁中的弯曲性能时也证实了这一点[31]。本文使用的NPR钢筋由青岛能环国际新材料有限公司提供。由于NPR钢筋的优异性能，将其作为UHPC中PBL连接器的穿孔加固材料可以进一步提高其剪切能力并增强延展性，通过延缓穿孔钢筋的断裂。

本文旨在研究使用NPR钢筋（简称NPR-PBL连接器）作为穿孔加固材料的UHPC中PBL连接器的剪切行为和荷载传递。共设计了13个抗拔试件，并以穿孔钢筋类型、排数（n）、排间距（D）和端支撑板作为测试参数。通过分析破坏模式和荷载-滑移曲线，研究了NPR-PBL连接器的剪切抵抗机制。根据测试数据开发并校准了FE模型，同时探讨了UHPC强度、穿孔钢板厚度和孔径对NPR-PBL连接器剪切行为和荷载传递机制的影响。最后，根据测试结果和FE模型建立了NPR-PBL连接器的荷载-相对滑移曲线模型和剪切强度公式。

抗拔试件详细信息

设计了13个抗拔试件来研究PBL连接器的剪切性能，参考了Yang等人的详细试件[34]。所有抗拔试件由250×520×14×8 mm的H形钢制成，两侧焊接有340×50×14 mm的穿孔钢板，UHPC板的高度为520 mm，宽度为500 mm，厚度为75 mm。UHPC板配备了钢筋网

破坏模式

所有试件的最终破坏模式表现为横向钢筋的剪切或混凝土销钉断裂后穿孔钢板的断裂。图6展示了不同试件中UHPC板表面裂纹模式的比较。对于单排PBL连接器的试件（PHEU-1、PNEU-1），UHPC板的表面几乎没有裂纹特征

有限元模型

使用ABAQUS软件模拟了PBL剪切连接器抗拔试验中钢梁、穿孔钢板、混凝土销钉、穿孔钢筋和UHPC板之间的相互作用机制。根据测试结果验证了开发的FE模型。利用抗拔试件的几何对称性和加载对称性，通过对相关平面施加适当的对称约束，开发了四分之一对称的有限元模型

NPR-PBL连接器的剪切能力公式

公式（9）是根据Hes等人的研究[26]推导出的，考虑了穿孔钢板与UHPC、穿孔钢筋和混凝土销钉之间的粘结效应。

$$V_u表示NPR-PBL连接器的剪切能力；V_bv表示穿孔钢板与UHPC之间的粘结效应贡献；V_cv表示混凝土销钉；V_sv表示穿孔钢筋。

由……贡献的PBL连接器的剪切能力

NPR-PBL连接器的成本效益讨论

本文使用的NPR钢筋由青岛能环国际新材料有限公司提供。与传统钢筋相比，NPR钢筋克服了高强度和高均匀延展性之间的固有权衡，具有更好的耐久性。此外，由于其独特的微观结构和材料组成，NPR钢筋的制造成本大约是普通钢筋的1.5到3倍。

结论

通过13个抗拔试验（变量：加固类型、排参数、端支撑效应）和FE建模，研究了UHPC中NPR-PBL连接器的剪切性能，并提出了容量/荷载-滑移模型。主要结论如下：

(1)

PBL连接器因穿孔钢筋剪切或钢板损坏而失效。与使用普通钢筋的PBL连接器相比，使用NPR钢筋的穿孔钢筋的剪切表面表现出……

CRediT作者贡献声明

高晓龙：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件，方法论，数据管理，概念化。尹从林：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，数据管理。吴凯：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念化。郭俊元：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念化。毛敏：撰写 – 审稿与编辑，研究，概念化。

利益冲突声明

我们声明与任何可能不恰当地影响我们工作的人或组织没有财务和个人关系，对任何产品、服务和/或公司没有专业或其他性质的个人利益，这些利益可能会影响本文所述内容或手稿的评审

致谢

本工作得到了国家自然科学基金 [资助编号：52208242]、中国博士后科学基金 [资助编号：2025M783308]、郑州研发专项资助的研究项目[资助编号：22ZZRDZX36]以及河南工业大学的技术青年骨干教师培训计划的支持。他们的财政支持非常感谢。