鋼—混凝土組合梁抗剪連接件承載力計(jì)算研究

張鵬飛

1 概述

鋼—混凝土組合梁是一種重要的橫向承重組合構(gòu)件，通過抗剪連接件將鋼梁和混凝土板組合成整體共同受力，從而能夠充分發(fā)揮鋼材抗拉、混凝土抗壓性能好的優(yōu)點(diǎn)。而抗剪連接件是將鋼梁與混凝土板組合在一起工作的關(guān)鍵部件，起到了傳遞混凝土與鋼梁之間縱向剪力的作用，同時(shí)還能抵抗使兩者分離的掀起作用。

2 剪力連接件的分類及特點(diǎn)

剪力連接件可分為剛性連接件和柔性連接件兩大類。剛性連接件包括方鋼連接件、U形連接件、T形連接件和馬蹄形連接件;而圓柱頭栓釘、摩擦型高強(qiáng)螺栓、錨型連接件、L形連接件以及角鋼則屬于柔性連接件。剛性連接件在傳遞交界面的剪力時(shí)不能變形，而柔性剪力連接件在傳遞交界面的剪力時(shí)具有很好的變形能力，這有利于交界面連接件之間的剪力重分布，為剪力連接件的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和施工奠定了基礎(chǔ)，也就是說在設(shè)計(jì)剪力連接時(shí)，可以不按照剪力圖形布置連接件，而可以簡(jiǎn)單地沿整個(gè)梁長(zhǎng)或分段均勻布置。這兩類連接件除了在剛性(每單位滑移的荷載量)方面有明顯的不同外，在破壞形態(tài)方面也有所不同，剛性連接件易于在周圍混凝土中引起較高的應(yīng)力集中，使混凝土壓碎或剪切破壞，甚至焊接破壞;柔性連接件的破壞形態(tài)則較為協(xié)調(diào)一致，很少突然破壞。故從結(jié)構(gòu)的安全角度出發(fā)，應(yīng)該偏向于使用柔性連接件。所以目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范推薦并得到大量實(shí)際應(yīng)用的鋼—混凝土組合梁用剪切連接件有圓柱頭栓釘連接件、槽鋼連接件和彎起鋼筋連接件三種(見圖1)。

3 抗剪連接件承載力計(jì)算

為了確定栓釘連接件的抗剪能力，可以根據(jù)組合梁截面極限抗彎承載力計(jì)算方法，并考慮剪跨混凝土翼板隔離體的平衡條件來確定栓釘受到的剪力。其中需要確定彎曲極限狀態(tài)時(shí)臨界截面混凝土翼板壓應(yīng)力的合力C，而C的計(jì)算精度取決于極限抗彎能力的計(jì)算精度。組合梁臨界截面的理論極限抗彎能力 Mu可以按照如圖2，圖3所示的模型確定，設(shè)在彎曲極限狀態(tài)時(shí)臨界截面的簡(jiǎn)化等效矩形應(yīng)力塊如圖 2b)，圖 2c)，圖 3b)及圖3c)所示。圖2b)，圖2c)和圖3b)，圖3c)所示的等效矩形應(yīng)力塊模型分別表示塑性中和軸位于混凝土翼板和鋼梁截面兩種情況。

在彎曲極限狀態(tài)時(shí)，組合梁剪跨內(nèi)栓釘?shù)目辜舫休d力理論平均值 Vu可以按下式確定:

單面截面處:

雙面截面上翼緣混凝土板和鋼梁交界面處:

雙面截面下翼緣混凝土板和鋼梁交界面處:

根據(jù)我國(guó)GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定:

其中，As=πd2/4;Ec為混凝土彈性模量;fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;f為栓釘?shù)目估瓘?qiáng)度設(shè)計(jì)值;γ為栓釘材料抗拉強(qiáng)度最小值與屈服強(qiáng)度之比。

當(dāng)栓釘材料性能等級(jí)為 4.6級(jí)時(shí)，取 f=215 N/mm2，γ=1.67。

根據(jù)本次試驗(yàn)梁的加載形式，進(jìn)行剪跨區(qū)劃分。其劃分形式如圖4所示。

跨中截面處:Vs=fAs(f為鋼梁的屈服強(qiáng)度;As為鋼梁的橫截面面積)。

中支座上翼緣混凝土板處:Vs=frAr。

中支座下翼緣混凝土板處:Vs=C。

由此可得每個(gè)剪跨區(qū)所需栓釘數(shù)目。

m1區(qū)，m2區(qū)，m5區(qū)，m6區(qū)需要栓釘?shù)淖畲髠€(gè)數(shù)為:

m3區(qū)，m4區(qū)頂板需栓釘個(gè)數(shù)為:

m3區(qū)，m4區(qū)底板需栓釘個(gè)數(shù)為:

4 結(jié)語

抗剪連接件是將鋼梁與混凝土板組合在一起共同工作的關(guān)鍵部件。抗剪連接件在組合梁中主要用于抵抗鋼梁與混凝土翼板之間的縱向剪力，同時(shí)還起到防止與鋼梁豎向分離的作用。

通過國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)和分析表明，在焊縫質(zhì)量得到保證的前提下，即使在抗剪連接程度很低時(shí)，組合梁中的栓釘抗剪連接件本身也不會(huì)發(fā)生破壞，栓釘在組合梁中的實(shí)際抗剪承載能力比推出試件中要高，并隨著 n/nf的減小而增大。當(dāng) n/nf≤1.0時(shí)，栓釘?shù)膶?shí)際承載能力比我國(guó)規(guī)范里面規(guī)定的栓釘承載能力要大很多。這就造成了栓釘抗剪承載力計(jì)算公式偏于保守，導(dǎo)致計(jì)算所需栓釘數(shù)量偏多，間距偏小，除不利于設(shè)計(jì)構(gòu)造和施工外，還增加了造價(jià)，因此，我國(guó)規(guī)范有關(guān)于栓釘抗剪承載力的計(jì)算還有待于完善。

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