鋼‐混凝土組合梁中的剪力連接件

崔強強 段本碩

（山東科技大學 土木工程與建筑學院， 山東 青島 266590）

0 緒論

鋼-混凝土組合結構形式相對合理，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載的橋梁工程中。相對于混凝土而言承載力提高，施工快速方便，縮短施工周期，減小結構高度，同時結構延性和抗震性能有了顯著提升；相對于鋼結構提高耐火性，提高穩定性和整體性等[1]。抗剪連接件最早在上世紀20年代外包組合梁中開始出現，早期的連接件都是通過握裹力、機械咬合力及摩擦力作用實現[2]。隨著焊接技術飛速發展，抗剪連接件連接形式被焊接取代。20世紀30年代國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40-70年代對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。現在隨著研究的深入各種新型抗剪連不斷出現[3]。

1 剪連接件的類型

1.1 化學膠體型連接

1.1.1 自然形式粘接

自然形式粘接一般通過組合結構中鋼梁與混凝土的接觸實現，通過兩者的自然作用結合在一起。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現。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彎矩，此時沒有正向壓力，端部的粘結基本沒有結構容易發生破壞。

1.1.2 化學粘結劑連接

化學粘結劑性連接一般通過樹脂類、烯類等化學粘結劑將鋼構件與混凝土構件組合在一起。此類連接形式通過人工涂刷粘結劑，組合結構中粘結力分布比較均勻，受力比自然粘結合理，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合應用，其突出的缺點是難以抵抗組合結構中構件的掀起力，因此不能在受疲勞荷載以及動荷載的結構中采用。但是化學粘結劑配合摩擦型高強螺栓使用將大大提高其連接作用，明顯改善化學粘結劑在受疲勞荷載以及動荷載的結構中的不利。我國化學粘結劑多數用來對危險梁、柱結構進行加固，強度得到了保證取得了不錯效果。

1.2 機械連接

1.2.1 柔性連接件。

現在柔性連接件有了更多的種類包括栓釘、摩擦型高強螺栓、鋼筋、L形連接件、角鋼錨和環鉤等。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應力重分布，大部分連接件可以達到最大的承載力，為延性破壞。其中槽鋼連接件可以同時抵抗剪力和掀起力，種類多樣，適用范圍廣，適應性強的特點。但是現場焊接，不利于施工進度。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，不應選用彎筋剪力連接件。栓釘連接件其施工簡單方便，力學性能良好，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“拉鏈式”破外屬于脆性破壞。其承載能力基本上由受力最大的連接件決定。剛性連接件破外時容易導致混凝土壓碎或剪切破壞具有突發性，一般難以提前做出預防。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。

為提高梁的負彎矩區承載能力，可以采用預應力施工。在施工預應力組合梁時，需注意預應力對鋼梁的不利。施工階段抗剪連接件不需要剛度，使用階段希望將鋼梁構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80年代剛度滯后型連接件首次在國外出現。為消除剛度滯后降低預應力的不利影響，此類剪力連接件在剪力連接件底部設置硬化型環氧樹脂，通過控制樹脂用量的方法達到目的。為保證剪力滯后抗剪連接性能與焊接時一致，在制作環氧樹脂的時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螺栓，最早可以追述到20世紀60年代末[4]。高強螺栓剪切連接件在有或沒有預緊螺栓的情況下，可以將有或無螺母嵌入板坯中的復合作用建立起來，此類連接件具有更好的強度和延性性能。用扭矩扳手施加預緊力，可進一步加強接觸面的擠壓，提高相應的摩擦力。通過螺栓栓桿的變形以及通過扭矩扳手施加的預應力直接承受剪力，一般在預制結構中使用。高強螺栓具有強度高，剛度較小的特點，在進行抗剪連接件的布置時較少的螺栓就可以承受很大剪力，便于施工。同時螺栓抗剪連接件的破壞是延性的，破壞具有顯著的變形，同時摩擦型連接的所有構件都可以工廠加工，現場進行簡單的安裝，此類連接的組合結構在施工現場可以迅速完成架設，在橋梁中遇到復雜及特殊情況時優先選用。其在施工速度、環境保護、施工條件等方面比現澆混凝土優勢突出，更符合國家綠色發展的要求

2 抗剪連接件研究

目前的研究，多數研究集中于栓釘和PBL連接件，其中栓釘抗剪連接，研究了栓釘直徑、混凝土強度以混凝土板中的配筋等不同因素，對抗剪連接件破壞方式、承載能力、剪切剛度等的影響，將實驗數據與已有計算公式計算的承載力及抗剪剛度進行詳細對比研究。20世紀80年代PBL抗剪連接件首先由德國研究人員發明，目前國內主要研究研究混凝土強度、開孔板的開孔大小、孔內鋼筋類型、開孔板本身的高度和厚度等因素對組合構件的破壞形式、荷載-滑移性能和抗剪承載能力等的影響。隨著時代的發展型鋼連接件、栓釘加鋼板連接件、傳統PBL連接及改進形式、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。上述幾種抗剪連接件都增大了抗壓區混凝土的面積，避免因混凝土破外導致構件提前喪失承載能力，因此他們有更好的力學性能。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較小。因此在滿足基本要求的同時，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

為進一步加強抗剪連接件的組合作用，依據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上焊接鋼板，此時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，根據有關的模擬分析及試驗的結果可以得到結論：影響新型抗剪連接件承載力的因素有鋼板長度及厚度、螺栓強度等級、焊接的質量、螺栓和鋼板的埋入長度等。鋼板的厚度及長度越大，整體的剛度就越大，抗彎曲變形能力更好；螺栓的強度等級越高、焊接質量越好承載力越高；螺栓和鋼板的埋入長度在合理范圍內埋入長度越大，承載力越高。

4 結論

抗剪連接件在組合結構中起著決定性作用。直接決定了組合結構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方面的，一方面減少抗剪連接件的數量，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,周東華,王文達,郝際平.鋼與混凝土組合結構設計原理[M].北京:科學出版社,2005

[2] 胡少偉.鋼-混凝土組合結構[M].鄭州,黃河水利出版社,2005

[3] 胡夏閩.歐洲規范 4鋼一混凝土組合梁設計方法(6)一剪力連接件.工業建筑,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.