鋼- 混組合結構栓釘剪力連接件綜述

陳發楊

（廣州大學土木工程學院）

0 引言

鋼-混組合結構橋梁體系的剪力連接件的主要作用是使鋼梁與混凝土面板之間不產生相對錯動，確保沿著橋梁縱向的剪切荷載能夠沿著它們之間的結合面進行有效傳遞，并限制鋼梁與混凝土面板之間的法向分離。栓釘、高強螺栓、開孔鋼板以及型鋼剪力連接件是最為常見的剪力連接件[1]。本文將詳細介紹栓釘剪力連接件目前已有的相關成果。

1 栓釘剪力連接件簡介

在制作工藝以及成本上，栓釘剪力連接件由于具有生產成本低，易于制作并且不需要大型機械設備的優點，非常適合現代化的工業生產。在其基本力學方面，由于栓釘是各向同性材料，其極限抗剪承載力高，并且相較于其他形式的剪力連接件，栓釘連接件在發生界面之間的受剪破壞時延性好。在鋼-混組合構件施工過程中，栓釘連接件施工焊接十分簡單并且方便，其布置形式對混凝土面板中的鋼筋骨架的布置幾乎沒影響，使得鋼-混組合結構施工方便快捷，有助于縮短工期。栓釘構造上、力學性能和施工過程中所具有的優點使其能夠在組合結構中大量應用。

栓釘剪力連接件因其優良的力學性能，已經被廣泛用于各類鋼-混組合結構形式的橋梁中。然而，栓釘剪力連接件的承載力嚴格制約著鋼-混組合結構的整體承載力。栓釘剪力連接件的破壞將會導致鋼-混組合結構的連接界面發生分離和法向混凝土面板的掀起，使得鋼結構和混凝土面板不能協調變形和受力以及結構的整體剛度的降低。因此，對栓釘剪力連接件的抗剪性能的研究變得非常的重要。

2 影響栓釘剪力連接件極限抗剪承載力的因素

一般通過使用推出試驗和梁式試驗來評估栓釘連接件的抗剪能力。但是由于梁式試驗得出的栓釘抗剪承載力比推出試驗的高一些，并且梁式試驗周期長、耗資大，所以國內外學者在對栓釘連接件的荷載滑移性能、破壞模式以及抗剪剛度等進行研究時，一般采用較為簡單且試驗周期短、耗資較小的推出試驗。推出試驗的構件如圖1 所示。構件主要由H 型鋼梁、栓釘、鋼筋骨架（為方便看圖，圖1 中沒有畫出）以及混凝土面板組成。試驗時，通過豎向的壓力設備將試驗荷載施加于鋼梁上，并通過安裝位移計來全過程測量鋼梁與混凝土面板的相對滑移量，直至破壞為止。得出來的荷載滑移曲線用于分析該試驗試件的栓釘連接件的力學性能。

圖1 栓釘推出試件

由于栓釘剪力連接件的抗剪承載力直接影響到鋼梁與混組土面板之間能否協調變形和共同受力，在一定程度上關系到組合結構以及人們的生命安全，因此國內外眾多學者對栓釘連接件通過試驗或者有限元建模分析研究后發現，影響鋼梁與混凝土面板之間的栓釘連接件極限抗剪承載的因素主要有以下幾個：

⑴栓釘直徑。薛偉辰[2]通過推出試驗，對比直徑范圍為13～19mm 的栓釘對抗剪承載力的影響時發現，在強度大的混凝土中，構件的破壞模式為栓釘被剪斷而混凝土發生局部壓碎，承載力提高效果顯著，而在低強度混凝土中，試件由于混凝土發生壓碎而導致承載力提高的不多。

⑵栓釘高度。王文浩[3]通過分析，得到混凝土受壓區高度范圍。栓釘連接件的抗剪剛度則通過荷載-滑移曲線計算出來，最后通過反算得到栓釘的有效高度與其直徑的比值為7.5。

⑶栓釘屈服強度。丁發興[4]等人通過ABAQUS 軟件建模分析計算栓釘屈服強度fy對其抗剪承載力的影響時，發現抗剪承載力隨著栓釘屈服強度fy的提高而呈現線性增長趨勢。

⑷混凝土強度。薛偉辰[2]等人通過對比C30 和C50兩種強度等級混凝土對推出試件抗剪承載力的影響時發現，對于直徑為19mm 和16mm 的栓釘，栓釘的抗剪承載力在C30 混凝土中比在C50 中低11%左右。

⑸群釘效應。吳煒[5]通過推出試驗對直徑為19mm、高度為100mm 的栓釘，單側布置三排6 個栓釘，將栓釘縱向間距為4D、5D、6D、8D（D 為栓釘直徑）作為研究變量與單排栓釘進行對比，進行群釘效應影響研究。結果表明與單釘相比，栓釘縱向間距為4D、5D、6D、8D 時，栓釘抗剪承載力分別下降15.7%、13.6%、11.7%、10.9%，即隨著栓釘縱向間距的減小，栓釘的承載力呈現下降趨勢，且栓釘根部下方混凝土損傷范圍有顯著增大。張愛平[6]的研究結果表明當栓釘的縱向間距達到7.9d 時，群釘效應可以不用考慮。

⑹拉剪共同作用。藺釗飛[7]等人通過改進的推出試驗設計了6 組直徑為22mm、高度分別為200mm、300mm的栓釘，將拉力分別控制為栓釘抗拉強度的20%、40%、60%作為考慮的變量。結果表明，栓釘高度為200mm、拉力分別為20%、40%、60%時，栓釘抗剪承載力分別下降11%、22%、38%；即在拉剪共同作用下，隨著對推出試件施加的拉力的增大，栓釘連接件豎向抗剪承載力有明顯的折減趨勢。

3 栓釘剪力連接件計算公式

通過分析總結國內外文獻資料，得到栓釘承載力的計算公式，如表1 所示。

表1 栓釘承載力計算公式

4 研究趨勢

隨著裝配式鋼-混組合結構的快速發展以及廣泛應用，以及不同結構形式下的復雜荷載形式的出現，對栓釘連接件的力學性能提出了更高的要求，在這樣的研究背景下，栓釘連接件的研究趨勢可以總結為：

⑴大直徑栓釘連接件的研究，可在既能滿足抗剪承載力的前提下減少組合梁中栓釘連接件的布置數量，又能方便施工。

⑵隨著超高性能混凝土(UHPC)在組合結構中的廣泛應用，栓釘連接件在UHPC 中的抗剪性能研究顯得非常重要。

⑶多向復合荷載作用下連接件的抗剪性能研究。如組合梁支座處的負彎矩，使得該處的栓釘連接件處于拉力和剪力共同作用的復合受力狀態。