鋼-混凝土組合梁抗剪連接件設(shè)計研究

鐘義平

（大地建筑事務(wù)所（國際），北京 100195）

鋼-混凝土組合梁抗剪連接件設(shè)計研究

鐘義平

（大地建筑事務(wù)所（國際），北京 100195）

本文介紹了鋼-混凝土組合梁抗剪連接件的形式，列出了各類抗剪連接件的承載力計算方法，闡述了抗剪連接件的彈性設(shè)計法和塑性設(shè)計法，對鋼-混凝土組合梁抗剪連接件的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

抗剪連接件；設(shè)計；抗剪承載力設(shè)計值

1 前言

隨著我國建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，各種各樣新的結(jié)構(gòu)形式不斷地出現(xiàn)，并廣泛應(yīng)用于工程實踐之中。由于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)同時具備鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，大大提高了綜合性能，因而組合結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)工程的各個領(lǐng)域中都占有一席之地，尤其是高層建筑與大型橋梁等領(lǐng)域。

組合結(jié)構(gòu)中的鋼一混凝土組合梁，是組合結(jié)構(gòu)體系中極其重要的橫向承重構(gòu)件，在橋梁結(jié)構(gòu)這一領(lǐng)域中的應(yīng)用前景是無可估量的。在國內(nèi)，大量的工業(yè)與民用建筑及橋梁中均應(yīng)用了鋼一混凝土組合梁結(jié)構(gòu)，如1973年采用的平臺組合梁的唐山陡河電廠，1993年主跨采用鋼與混凝土疊合板連續(xù)組合梁的北京國貿(mào)橋，2000年采用預(yù)應(yīng)力混凝土板與鋼桁架組合梁的蕪湖長江大橋；在國外，大量的大跨度橋梁中均應(yīng)用了鋼一混凝土組合梁結(jié)構(gòu)，如1944年蘇聯(lián)建成了第一座組合公路橋，1955年瑞典建成的斯曹松特橋，跨徑為182 m ，1975年日本建成 的大臣大和橋，跨徑為83 m。

組合梁包括鋼梁、混凝土板和抗剪連接件，其中抗剪連接件起連接作用，是保證鋼梁和混凝土翼緣形成組合梁共同工作的關(guān)鍵元件，因此在組合梁結(jié)構(gòu)中，抗剪連接件直接影響到結(jié)構(gòu)的性能和工程造價。所以對于抗剪連接件的設(shè)計就顯得尤為重要。

2 鋼-混凝土組合梁抗剪連接件設(shè)計

2.1 鋼-混凝土組合梁抗剪連接件的形式

鋼-混凝土組合梁的連接件可分為栓釘、型鋼和鋼筋三種。

栓釘是在各國普遍應(yīng)用的一種連接件。一般常用的栓釘釘桿直徑為13mm，16mm，19mm，22mm，且不宜超過被焊接鋼梁翼緣厚度的1.5倍，栓釘高與釘桿直徑之比應(yīng)不小于4。釘桿上部通常做成大頭或彎鉤（如圖1所示），可以很好的抵抗掀起作用。一般作為連接件的型鋼有槽鋼、T型鋼和方鋼。槽鋼上翼緣具有抵抗翼板掀起的功能，而T型鋼和方鋼則必須加焊直徑小于12mm的箍筋才能防止翼板掀起。鋼筋連接件一般有彎筋和螺旋筋兩種。彎筋直徑為12mm至20mm；螺旋筋直徑為10mm至16mm，螺距為75mm至125mm。

圖1

2.2 連接件的抗剪承載力設(shè)計值

我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2003）中規(guī)定，栓釘連接件的承載力設(shè)計值為

式（1）中，Ec為混凝土彈性模量，fc為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值，f為栓釘抗拉強度設(shè)計值，As為栓釘桿截面面積，γ為栓釘材料抗拉強度最小值與屈服強度之比。

槽鋼連接件的承載力設(shè)計值為

式（2）中，t為槽鋼翼緣平均厚度，tw為槽鋼腹板厚度，lc為槽鋼長度。對于T型鋼及方鋼，我國規(guī)范尚未給出承載力設(shè)計值的表達式。

彎筋連接件的承載力設(shè)計值為

式（3）中，Ast為彎筋截面面積，fst為彎矩抗拉強度設(shè)計值。

2.3 抗剪連接件的彈性設(shè)計法

2.3.1 基本假定

鋼材和混凝土均為理想彈性體；鋼筋混凝土翼板與鋼梁之間相對滑移忽略不計，平截面彎曲之后仍保持為平面；混凝土翼板按實體面積計算，包含其中受拉開裂的部分；不考慮混凝土翼板中的鋼筋。

2.3.2 基本公式

由材料力學(xué)可知，第i個連接件所承受的縱向剪力為

式（4）中，Vi為荷載引起的豎向剪力，S為混凝土翼板的換算截面對整個換算截面形心軸的截面面積矩，Ui為連接件間距，Ieq為整個換算截面的截面慣性矩。

2.4 抗剪連接件的塑性設(shè)計法

連接件的工作并不是絕對剛性的，在承載力極限狀態(tài)，疊合縫不可能沒有絲毫的相對滑移，由于塑性滑移會使內(nèi)力重新分配，受力大的連接件把增加的負擔(dān)傳給受力小的，最終疊合面上的各個連接件受力趨于相等，而與連接件的具體位置沒有關(guān)系。

由于以上原因，應(yīng)采用極限平衡的概念來對組合梁連接件的塑性設(shè)計進行考慮，具體的步驟是：

（1）求出組合梁中最大彎矩點與相鄰零彎矩點之間在疊合面上總的縱向剪力Vs

（2）該疊合面上總的縱向剪力Vs由其間的所有連接件均攤，得到連接件總數(shù)及布置。

2.5 抗剪連接件的構(gòu)造要求

（1）栓釘連接件釘頭下表面或槽鋼連接件上翼緣下表面與翼緣板底部鋼筋頂面之間的距離應(yīng)大于30mm。

（2）連接件的外側(cè)邊緣與鋼梁翼緣板邊緣之間的距離不應(yīng)小于20mm，與混凝土翼緣板邊緣之間的距離不應(yīng)小于100mm。

（3）連接件沿梁跨度方向的最大距離應(yīng)小于等于4倍的混凝土翼板厚度，且應(yīng)小于等于400mm。

（4）連接件的頂面混凝土保護層的厚度應(yīng)大于等于15mm。

結(jié)語

抗剪連接件作為鋼-混凝土組合梁的關(guān)鍵部件，主要是用來承受鋼梁與鋼筋混凝土翼板之間的縱向剪力的，不僅如此，它還能抵抗混凝土板與鋼梁之間的掀起作用。因此，組合梁的質(zhì)量和效果深受抗剪連接件的設(shè)計的影響。如何在具體工程實例中合理有效地運用抗剪連接件提高結(jié)構(gòu)工程的安全性，降低項目的工程造價，已經(jīng)成為學(xué)者們研究組合梁抗剪連接構(gòu)件的主要方向，抗剪連接件的研究對提高組合梁的整體性能具有極其重要的意義。

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A

10.13612/j.cnki.cntp.2014.04.120