鋼—混凝土組合梁抗剪連接件承載力計算研究

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。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

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不能變形，而柔性剪力連接件在傳遞交界面的剪力時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，為剪力連接件的簡化設(shè)計和施工奠定了基礎(chǔ)，也就是說在設(shè)計剪力連接時，可以不按照剪力圖形布置連接件，而可以簡單地沿整個梁長或分段均勻布置。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。所以目前國內(nèi)設(shè)計規(guī)范推薦并得到大量實際應(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)時臨界截面混凝土翼板壓應(yīng)力的合力C，而C的計算精度取決于極限抗彎能力的計算精度。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)時臨界截面的簡化等效矩形應(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，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GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(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度設(shè)計值;f為栓釘?shù)目估瓘姸仍O(shè)計值;γ為栓釘材料抗拉強度最小值與屈服強度之比。

當(dāng)栓釘材料性能等級為 4.6級時，取 f=215 N/mm2，γ=1.67。

根據(jù)本次試驗梁的加載形式，進行剪跨區(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€數(shù)為:

m3區(qū)，m4區(qū)頂板需栓釘個數(shù)為:

m3區(qū)，m4區(qū)底板需栓釘個數(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?？辜暨B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，同時還起到防止與鋼梁豎向分離的作用。

通過國內(nèi)外的試驗和分析表明，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，組合梁中的栓釘抗剪連接件本身也不會發(fā)生破壞，栓釘在組合梁中的實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，栓釘?shù)膶嶋H承載能力比我國規(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算公式偏于保守，導(dǎo)致計算所需栓釘數(shù)量偏多，間距偏小，除不利于設(shè)計構(gòu)造和施工外，還增加了造價，因此，我國規(guī)范有關(guān)于栓釘抗剪承載力的計算還有待于完善。

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