钢-混凝土组合梁中的抗剪连接件设计

钢-混凝土组合梁中的抗剪连接件摘要本文简单介绍了钢—混凝土组合梁结构组合作用的机理，列举了抗剪连接件的分类，介绍了抗剪连接的试验方法和破坏形态以及一般的构造要求，着重介绍了栓钉连接的特点，受力分析并列举了诸多国家规范中规定的栓钉承载力计算和设计方法，并介绍其构造要求，最后简单介绍两种较为新型的抗剪连接件。关键字：钢—混凝土组合梁；抗剪连接件；栓钉；抗剪承载力1．绪论钢—混凝土组合结构是指由钢和混凝土两种材料组成，在荷载作用下具有整体作用，在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构。其与木结构、砌体结构、钢筋混凝土结构和钢结构并列，已经扩展成为第五大结构（组合结构）。它是通过连接件把钢梁和混凝土板连接成整体而共同工作的构件：在荷载作用下，混凝土板受压而钢梁受拉。它充分发挥钢材和混凝土二种材料的优点：同混凝土结构相比，可以减轻自重，减小构件截面尺寸，减轻地震作用；同钢结构相比，可以减少用钢量，降低结构造价，增加结构的稳定性，增强结构的防火性和耐久性。故因其兼有钢结构施工速度快和混凝土结构刚度大、造价低的优点，虽然在我国发展起步较晚，但近几年来取得了不少成就，在多层工业厂房、高层建筑、桥梁结构等方面都已经得到了较好的应用，取得了良好的经济效益和社会效益。钢—混凝土组合构件目前的主要形式有：钢—混凝土组合梁、型钢混凝土组合结构、钢管混凝土组合结构、外包钢混凝土结构及压型钢板混凝土组合楼板等。当然，随着建筑材料、设计理论和设计方法的不断发展，也出现了钢-混凝土组合框架结构、框架-核心筒混合结构等一系列新型的结构形式。然而，在组合结构中抗剪连接是一个重要特征，抗剪连接件是将钢梁与混凝土板组合在一起共同工作的关键部件。故本文将在钢—混凝土组合梁中的抗剪连接方面进行一些探讨。2．钢-混凝土组合梁中的抗剪连接2.1组合结构的组合作用组合结构的优越性在于结合了混凝土和钢材两种材料的的良好性能，充分利用材料和截面特性。两种材料的共同作用的机理，是由粘结力、抗剪连接件、及钢材对混凝土的约束作用实现的。压型钢板混凝土组合结构的共同作用主要依靠钢板上压制的齿槽、穿过压型钢板焊在钢梁上的抗剪连接件的作用；型钢混凝土组合结构的共同作用主要依靠箍筋的约束作用，有时也设置抗剪连接件；钢管混凝土组合结构的共同作用主要依靠钢管与混凝土的相互约束及层间隔板等。在钢—混凝土组合梁中，两钟材料的组合作用大小是由其关键部位——抗剪连接件决定的。其主要作用是：（1）抵抗和限制钢与混凝土板间的相对滑移（掀起作用），使结构在受力后，整个截面仍符合或近似符合平截面假定。这样才能得要一个有效的组合截面，充分利用钢梁的抗拉能力和混凝土板的抗压能力，并且增大抗弯刚度。（2）承受并传递钢梁与混凝土翼板交界面的纵向剪力。2.2抗剪连接件分类抗剪连接件按连接作用机理可分为：粘结型、胶结型、摩擦型、连接型（机械连接）。其中粘结型连接又可分为自然粘接和化学粘接；机械连接又可分为栓钉、型钢和钢筋三种。按连接形式可分为：钢筋连接件（图1）、型钢连接件（图2）、高强螺栓连接件、圆柱头焊钉连接件、开孔钢板连接件（PBL）、钢与有机材料组合连接件等。图1几种常见的钢筋连接件图2几种常见的型钢连接件按变形能力可分为：刚性连接、弹性连接、柔性连接、刚度滞后型连接。刚性连接件包括方钢、马蹄形钢、T形钢等连接件；弹性连接件包括钢筋连接件、焊钉连接件；柔性连接件包括圆柱头栓钉、弯筋、锚环、L型钢、槽钢以及角钢等。2.3抗剪连接件的试验方法及破坏形态2.3.1试验方法抗剪连接件常见的试验方法有两种：推出试验和梁式试验。前者较为简单实用，目前，国际上以其作为连接件标准试验；后者较为复杂，但其能较好地反映连接件在组合梁中的受力变形性能。推出试验是将一段工字钢与两块混凝土板通过焊接在工字钢上的抗剪连接件连接在一起，然后对工字钢的一端施加荷载，使埋在混凝土板内的连接件受到剪切作用，通过量测钢与混凝土板间的相对位移获得抗剪连接件的荷载－滑移曲线，以获得静载下连接件的承载能力和抗剪刚度。梁式试验是指对简支组合梁施加两点对称荷载，在荷载作用下钢梁与混凝土板接触面上水平受剪，纵向剪力随外荷载的增加而增加，直至破坏。图4梁式试验示意图2.3.2破坏形态试验研究表明，根据连接件与其周围混凝土的相互关系，破坏形态分为两种：（1）连接件受剪破坏，一般在混凝土强度等级较高时发生。破坏呈一定的脆性，其抗剪承载力与混凝土无关，仅与剪力连接件的类型和材质有关。（2）连接件附近混凝土破坏，一般表现为栓钉前方根部混凝土局部破碎或劈裂、槽钢连接件混凝土板劈裂等等。一般的刚性连接件，因刚度较大，在在纵向剪力作用下混凝土传给连接件的压应力均匀分布，在保证钢梁与连接件焊接强度的前提下，连接件的承载力极限状态是以连接件之间的混凝土的剪切破坏或连接件前混凝土的局压破坏为标志的。一般的柔性连接件，由于抗弯刚度相对较小，在纵向剪力作用下发生变形，混凝土产生不均匀压应力，靠近连接件根部的混凝土发生剪压破坏。图表3推出试验示意图图3推出试验示意图2.4抗剪连接件的一般要求。在组合梁中，一般要求如下：（1）连接件的抗掀起力作用面高出翼缘板底部钢筋顶面不小于30mm；（2）当设置板托时，板托中横向钢筋距连接件顶面位置应不小于40mm；（3）连接件上部混凝土保护层厚度不小于15mm，以防止栓钉被拉出或被腐蚀；（4）连接件的纵向间距不应大于600mm或混凝土翼缘板（托板）厚度的4倍，以控制连接件间的掀起力和避免混凝土板过大的应力集中；（5）连接件外侧边缘至钢梁翼缘边缘之间的距离不应小于20mm，当有托座时不应小于40mm；至混凝土翼板边缘间的距离不应小于100mm，以确保端部锚固良好。3．栓钉连接3.1栓钉抗剪连接件的特点刚性连接件由于在传递剪力时不能变形，通常用于不考虑剪力重分布的结构，其破坏形式多为连接件周围混凝土被压碎或发生剪切，甚至在连接件与钢梁焊接处发生破坏；柔性剪力连接件具有很好的变形能力，这有利于组合梁内的剪力重分布，使剪力连接件可以简单地沿整个梁长或分段均匀布置，便于剪力连接件的简化设计和施工操作。故目前国内设计规范推荐并得到大量实际应用的钢一混凝土组合梁剪切连接件有栓钉连接件、槽钢连接件和弯起钢筋连接件三种。其中栓钉连接件因其有如下优点：（1）受力性能好。栓钉连接件各向同性，沿任意方向的强度和刚度相同；（2）工艺简单。制造栓钉连接件不需要大型轧制设备，适合工业化生产；（3）便于施工。栓钉连接件对混凝土板中钢筋布置的影响较小，施工方便，可靠性高。（4）其大圆头起到限制混凝土构件和钢构件之间分离的作用。故栓钉连接件已成为目前国内外应用最广泛的剪力连接件形式。3.2栓钉受力分析组合梁中的栓钉连接件主要承受侧压力，一般情况下掀起作用在栓钉中产生的拉力很小，可以忽略不计，栓钉承载力可按纯剪受力模型计算；当其所受拉力不可忽略时，需按拉、剪组合作用计算。实际上，栓钉上会产生拉力是因为混凝土是由骨料和水泥浆结合的粒状体组成，混凝土板受压时，伴随着剪切变形，导致栓钉承受拉力。当栓钉的抗剪强度比混凝土的抗压强度大是（大致当混凝土强度立方体抗压强度𝑓𝑐𝑢35𝑁𝑚𝑚2时），栓钉周边混凝土的承压和剪切达到极限状态时产生破坏，单根栓钉的受剪承载力与栓钉截面积、混凝土轴心抗压强度𝑓𝑐和弹性模量𝐸𝑐有关；当栓钉的抗剪强度比混凝土的抗压强度小时（大致当混凝土强度𝑓𝑐𝑢≥35𝑁𝑚𝑚2时），栓钉的最大受剪承载力取决于栓钉的抗剪能力。3.3栓钉连接件的设计计算方法3.3.1单个栓钉抗剪承载力计算经过人们的大量实验与研究，各国规范对栓钉的承载力都已有了明确的规定。（1）欧洲规范栓钉抗剪承载力计算公式为下面两者的最小值：𝑉𝑢=0.29α𝑑2𝐸𝑐𝑓𝑐𝑘𝛾v𝑉𝑢=0.8𝐴𝑠𝑓𝑢𝑘𝛾v式中：α为栓钉长度影响系数；d为栓钉直径（mm）；h为栓钉高度（mm），ℎ≥3𝑑；𝑓ck为混凝土圆柱体标准抗压强度（MPa）；𝑓uk为栓钉的标准抗拉强度；𝛾v为分项安全系数，一般取为1.25。其中，当3≤ℎ𝑑≤4时，𝛼=0.2（ℎ𝑑+1）≤1.0；当ℎ𝑑4时，𝛼=1.0。（2）美国规范在2005年颁布美国组合结构新规范中，对剪力连接件的承载能力作了最新规定为：𝑉𝑢=0.5𝐴𝑠𝐸𝑐𝑓𝑐′≤𝐴𝑠𝑓𝑢式中，𝑉𝑢为栓钉抗剪承载力设计值（N）；𝐴𝑠为栓钉截面积（mm2）；𝐸𝑐为混凝土弹性模量（MPa）；𝑓𝑐′为混凝土圆柱体抗压强度（MPa）；𝑓𝑢为栓钉的极限抗拉强度（MPa）。（3）加拿大规范加拿大《钢结构设计规范》的栓钉抗剪承载力计算公式为：𝑉𝑢=0.5𝜑𝑠𝑐𝐴𝑠𝐸𝑐𝑓𝑐′≤𝜑𝑠𝑐𝐴𝑠𝑓𝑢式中，𝜑𝑠𝑐为承载力系数，取0.8，其余符号意义同上。（4）英国规范英国规范规定的承载力设计值需先查表1得栓钉承载力标准值𝑄𝑘，则设计值为𝑄𝑑=0.8𝑄𝑘。同时，表1也说明了栓钉承载力与栓钉尺寸（栓钉直径、高度、焊接高度）及混凝土强度有关。表1栓钉连接件的承载力标准值（5）中国规范我国GBJ17—88钢结构设计规范中首次引进组合梁的设计内容，其中对栓钉承载力给出了规定。在现行的2003年的规范中，又近一步作了改进，给出栓钉承载力公式为：𝑉𝑢=0.43𝐴𝑠𝐸𝑐𝑓𝑐≤0.7𝐴𝑠𝛾𝑓式中，𝛾为栓钉材料抗拉强度最小值与屈服值之比；𝑓为栓钉抗拉强度设计值（MPa）。与前面几个国家的规范相比，中国的规范相对而言是偏于保守的。3.3.2栓钉数量计算设计时，按照底部钢板屈服时的拉力确定剪跨段内需要的栓钉数量𝑛𝑓，并按完全抗剪连接设计。则计算式如下：𝑛𝑓=𝐴𝑠𝑝𝑓𝑠𝑝𝑣/Vu式中，𝐴𝑠𝑝𝑓𝑠𝑝𝑣分别为钢板的截面面积和屈服强度，Vu为单个栓钉极限抗剪承载力。3.4栓钉连接构造要求栓钉连接件除应满足上述统一要求外还应符下列规定：（1）栓钉采用自动栓钉焊接机焊接于钢梁翼缘上，各个方向具有相同的强度与刚度，为了保证钢板可靠地焊接并传递连接件与钢板之间的荷载，栓钉杆直径与钢梁上翼缘厚度间应符合以下规定：当栓钉位置不正对钢梁腹板时，如钢梁上翼承受拉力，则栓钉杆直径不应大于钢梁上翼缘厚度的1.5倍；如钢梁上翼缘不承受拉力，则栓钉杆直径不应大于钢梁上翼缘厚度的2.5倍，（2）栓钉长度不应小于其杆径的４倍，以确保最有效地利用钢材，因为当栓钉长度与直径之比超过４后，承载力增加极为有限，且栓钉长度较小时，承载力低，并可能发生栓钉拔出破坏。（3）栓钉沿梁轴线方向的间距不应小于杆径的６倍，垂直于梁轴线方向的间距不应小于杆径的４倍，以控制连接件间的掀起力和避免混凝土板过大的应力集中。（4）用压型钢板做底膜的组合梁，为保证压型钢板组合板可靠地锚固在钢梁上，确保混凝土板与钢梁的组合作用。栓钉杆直径不宜大于19mm，混凝土凸肋宽度不应小于栓钉杆直径的2.5倍，以保证栓钉焊穿压型钢板。栓钉高度ℎ𝑑应符合ℎ𝑠+30≤ℎ𝑑≤ℎ𝑠+75的要求，ℎ𝑠为混凝土凸肋的高度。4．新型抗剪连接件当然，抗剪连接件的种类纷繁复杂，同时，这些年来，在不断的实践与研究中，又有许多新型的连接件不断应用于实践，如：PBL开孔钢板连接件、波形弯筋连接件等等。PBL连接件是德国的雷昂哈特教授和Partners公司发明的一种新的剪力连接器，它由带孔钢板组成，穿过这些钢板孔灌注混凝土，在成型后形成一系列混凝土榫来抵抗剪力。日本在鹤见航道桥中则在此基础上采用了穿过钢板的钢棒作为剪力连接器，并且进行了小试块的1:1剪力连接器比较试验及大试块40%模拟实际结构试验，经过反复试验研究，最终成功地应用在该桥索塔钢—混凝土结合段上。波形弯筋连接件是将直径不小于10mm的钢筋首尾依次焊接而成的，施工非常简便易行，且钢筋与钢梁上翼缘形成封闭的波形，钢筋与混凝土间几乎无法相对移动，抗剪切和抗掀起能力极强，连接非常可靠。图5PBL开孔钢板连接器图6波形连接件以上两种连接件虽然已经得到很