鋼‐混凝土組合梁中的剪力連接件

崔強(qiáng)強(qiáng) 段本碩

（山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 山東 青島 266590）

0 緒論

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)形式相對(duì)合理，抗剪性能以及抵抗車載吸收能量的能力突出，較多的采用在承受動(dòng)載的橋梁工程中。相對(duì)于混凝土而言承載力提高，施工快速方便，縮短施工周期，減小結(jié)構(gòu)高度，同時(shí)結(jié)構(gòu)延性和抗震性能有了顯著提升；相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)提高耐火性，提高穩(wěn)定性和整體性等[1]?？辜暨B接件最早在上世紀(jì)20年代外包組合梁中開始出現(xiàn)，早期的連接件都是通過握裹力、機(jī)械咬合力及摩擦力作用實(shí)現(xiàn)[2]。隨著焊接技術(shù)飛速發(fā)展，抗剪連接件連接形式被焊接取代。20世紀(jì)30年代國(guó)外首先在組合梁中采用了螺旋筋和錨筋剪力連接件，兩種剪力連接件一直被沿用到40年代，隨著20世紀(jì)40-70年代對(duì)性能更好的栓釘和槽鋼剪力連接件性能研究的深入以及承載力公式的提出，螺旋筋和錨筋剪力連接件逐步被取代?，F(xiàn)在隨著研究的深入各種新型抗剪連不斷出現(xiàn)[3]。

1 剪連接件的類型

1.1 化學(xué)膠體型連接

1.1.1 自然形式粘接

自然形式粘接一般通過組合結(jié)構(gòu)中鋼梁與混凝土的接觸實(shí)現(xiàn)，通過兩者的自然作用結(jié)合在一起。兩者的自然粘接作用較弱，一般是通過改變鋼梁與混凝土的接觸面積實(shí)現(xiàn)。此類粘接形式和鋼筋混凝土中的鋼筋與混凝土的連接作用相似。但是完全依靠自然連接沒有足夠的接觸面積，并且粘接力主要來源于接觸面的摩擦力，梁端部的受力一般是負(fù)彎矩，此時(shí)沒有正向壓力，端部的粘結(jié)基本沒有結(jié)構(gòu)容易發(fā)生破壞。

1.1.2 化學(xué)粘結(jié)劑連接

化學(xué)粘結(jié)劑性連接一般通過樹脂類、烯類等化學(xué)粘結(jié)劑將鋼構(gòu)件與混凝土構(gòu)件組合在一起。此類連接形式通過人工涂刷粘結(jié)劑，組合結(jié)構(gòu)中粘結(jié)力分布比較均勻，受力比自然粘結(jié)合理，通常在鋼混組合板中較為常見。在其它受力較大的組合梁中通常與其它抗剪連接件聯(lián)合應(yīng)用，其突出的缺點(diǎn)是難以抵抗組合結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的掀起力，因此不能在受疲勞荷載以及動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)中采用。但是化學(xué)粘結(jié)劑配合摩擦型高強(qiáng)螺栓使用將大大提高其連接作用，明顯改善化學(xué)粘結(jié)劑在受疲勞荷載以及動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)中的不利。我國(guó)化學(xué)粘結(jié)劑多數(shù)用來對(duì)危險(xiǎn)梁、柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，強(qiáng)度得到了保證取得了不錯(cuò)效果。

1.2 機(jī)械連接

1.2.1 柔性連接件。

現(xiàn)在柔性連接件有了更多的種類包括栓釘、摩擦型高強(qiáng)螺栓、鋼筋、L形連接件、角鋼錨和環(huán)鉤等。柔性剪力連接件剛度小、變形能力大，連接件在受力變形過程中出現(xiàn)應(yīng)力重分布，大部分連接件可以達(dá)到最大的承載力，為延性破壞。其中槽鋼連接件可以同時(shí)抵抗剪力和掀起力，種類多樣，適用范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。但是現(xiàn)場(chǎng)焊接，不利于施工進(jìn)度。彎筋剪力連接件具有較大的局限性，抵抗剪力主要依靠它的抗拉強(qiáng)度。如果無法明確剪力方向或其方向可能存在改變的情況時(shí)，不應(yīng)選用彎筋剪力連接件。栓釘連接件其施工簡(jiǎn)單方便，力學(xué)性能良好，便于施工中鋼筋籠的綁扎，單位承載力用鋼量最少，現(xiàn)在柔性連接最先采用栓釘連接件，其次可以選用槽鋼或彎筋。

1.2.2 剛性連接件。

包括馬蹄形連接件、方鋼連接件、T形連接件、U形連接件等屬于剛性剪力連接件。剛性剪力連接件變形能力小、剛度大，破壞是“拉鏈?zhǔn)健逼仆鈱儆诖嘈云茐?。其承載能力基本上由受力最大的連接件決定。剛性連接件破外時(shí)容易導(dǎo)致混凝土壓碎或剪切破壞具有突發(fā)性，一般難以提前做出預(yù)防。因此一般剛性連接件上需要焊接鋼筋，保證一定延性。

1.2.3 剛度滯后型連接件。

為提高梁的負(fù)彎矩區(qū)承載能力，可以采用預(yù)應(yīng)力施工。在施工預(yù)應(yīng)力組合梁時(shí)，需注意預(yù)應(yīng)力對(duì)鋼梁的不利。施工階段抗剪連接件不需要?jiǎng)偠龋褂秒A段希望將鋼梁構(gòu)件和混凝土板連接成承載力很高的整體，為了工程上的要求，20世紀(jì)80年代剛度滯后型連接件首次在國(guó)外出現(xiàn)。為消除剛度滯后降低預(yù)應(yīng)力的不利影響，此類剪力連接件在剪力連接件底部設(shè)置硬化型環(huán)氧樹脂，通過控制樹脂用量的方法達(dá)到目的。為保證剪力滯后抗剪連接性能與焊接時(shí)一致，在制作環(huán)氧樹脂的時(shí)候可以再加入適量的硅砂。

1.3 摩擦型連接

摩擦型連接件一般是用高強(qiáng)螺栓，最早可以追述到20世紀(jì)60年代末[4]。高強(qiáng)螺栓剪切連接件在有或沒有預(yù)緊螺栓的情況下，可以將有或無螺母嵌入板坯中的復(fù)合作用建立起來，此類連接件具有更好的強(qiáng)度和延性性能。用扭矩扳手施加預(yù)緊力，可進(jìn)一步加強(qiáng)接觸面的擠壓，提高相應(yīng)的摩擦力。通過螺栓栓桿的變形以及通過扭矩扳手施加的預(yù)應(yīng)力直接承受剪力，一般在預(yù)制結(jié)構(gòu)中使用。高強(qiáng)螺栓具有強(qiáng)度高，剛度較小的特點(diǎn)，在進(jìn)行抗剪連接件的布置時(shí)較少的螺栓就可以承受很大剪力，便于施工。同時(shí)螺栓抗剪連接件的破壞是延性的，破壞具有顯著的變形，同時(shí)摩擦型連接的所有構(gòu)件都可以工廠加工，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的安裝，此類連接的組合結(jié)構(gòu)在施工現(xiàn)場(chǎng)可以迅速完成架設(shè)，在橋梁中遇到復(fù)雜及特殊情況時(shí)優(yōu)先選用。其在施工速度、環(huán)境保護(hù)、施工條件等方面比現(xiàn)澆混凝土優(yōu)勢(shì)突出，更符合國(guó)家綠色發(fā)展的要求

2 抗剪連接件研究

目前的研究，多數(shù)研究集中于栓釘和PBL連接件，其中栓釘抗剪連接，研究了栓釘直徑、混凝土強(qiáng)度以混凝土板中的配筋等不同因素，對(duì)抗剪連接件破壞方式、承載能力、剪切剛度等的影響，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與已有計(jì)算公式計(jì)算的承載力及抗剪剛度進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比研究。20世紀(jì)80年代PBL抗剪連接件首先由德國(guó)研究人員發(fā)明，目前國(guó)內(nèi)主要研究研究混凝土強(qiáng)度、開孔板的開孔大小、孔內(nèi)鋼筋類型、開孔板本身的高度和厚度等因素對(duì)組合構(gòu)件的破壞形式、荷載-滑移性能和抗剪承載能力等的影響。隨著時(shí)代的發(fā)展型鋼連接件、栓釘加鋼板連接件、傳統(tǒng)PBL連接及改進(jìn)形式、半圓鋼連接件、T形肋開孔GFRP抗剪鍵[5以及各種組合形式連接件等新型抗剪連接件不斷出現(xiàn)。上述幾種抗剪連接件都增大了抗壓區(qū)混凝土的面積，避免因混凝土破外導(dǎo)致構(gòu)件提前喪失承載能力，因此他們有更好的力學(xué)性能。有的抗剪連接件承載力高但是在有限的抗剪連接件的情況下抗剪的接觸面積相對(duì)較小。因此在滿足基本要求的同時(shí)，新型抗剪連接都盡可能增大了與混凝土的接觸面積。

3 新型抗剪連接件

為進(jìn)一步加強(qiáng)抗剪連接件的組合作用，依據(jù)以往的連接件類型提出一種新型抗剪連接件。在摩擦型螺栓抗剪連接件的基礎(chǔ)上焊接鋼板，此時(shí)螺栓明顯既受剪力作用，也受拉力作用，螺栓下方的混凝土受到擠壓作用。通過鋼板連接抗剪連接件增大了抗剪的接觸面積，根據(jù)有關(guān)的模擬分析及試驗(yàn)的結(jié)果可以得到結(jié)論：影響新型抗剪連接件承載力的因素有鋼板長(zhǎng)度及厚度、螺栓強(qiáng)度等級(jí)、焊接的質(zhì)量、螺栓和鋼板的埋入長(zhǎng)度等。鋼板的厚度及長(zhǎng)度越大，整體的剛度就越大，抗彎曲變形能力更好；螺栓的強(qiáng)度等級(jí)越高、焊接質(zhì)量越好承載力越高；螺栓和鋼板的埋入長(zhǎng)度在合理范圍內(nèi)埋入長(zhǎng)度越大，承載力越高。

4 結(jié)論

抗剪連接件在組合結(jié)構(gòu)中起著決定性作用。直接決定了組合結(jié)構(gòu)的整體工作性能好壞，因此新型抗剪連接件的研究具有非常重要的意義。本文介紹的抗剪連接件的研究通常都是在兩個(gè)方面的，一方面減少抗剪連接件的數(shù)量，另外在有限的抗剪連接件的情況下增大抗剪的接觸面積。

[1] 劉堅(jiān),周東華,王文達(dá),郝際平.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京:科學(xué)出版社,2005

[2] 胡少偉.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)[M].鄭州,黃河水利出版社,2005

[3] 胡夏閩.歐洲規(guī)范 4鋼一混凝土組合梁設(shè)計(jì)方法(6)一剪力連接件.工業(yè)建筑,1996,26(2):50-58

[4] Pavlovi? M, Markovi? Z, Veljkovi? M, etal. Bolted shear connectors vs. headed studs behaviour in push-out tests[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2013,88(9):134-149.