木-混凝土组合梁剪力连接件研究现状.pdf
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1、木 一混凝 土组合梁剪力连接件研究现状 俞宏 , 宋林 , 吴文 清 6 1 木 一混凝土组合梁剪 力连接件研究现状 俞宏 , 宋林 。 吴 文清 ( 1 江苏 省南 京市 交通运 输局 , 江 苏 南京 2 1 0 0 0 8 ;2 东 南大 学交通 学院 , 江苏 南 京 2 1 0 0 9 6 ) 摘要 :木一混凝土组合梁受力性能优劣 的关键在 于剪力 连接件 的设 置 , 为指导连接件设计 , 从剪力连接件构造 形式 、 连接件 破坏形式 、 连接件抗剪承载力计算方法 、 连接件抗剪刚度 计算方 法等方 面 , 全 面介绍 目前 国内、 外 学者 的研 究成果 , 并对 研究 中存在
2、的问题进行 了分 析。研究 分析可知 , 现 已有多种可靠 的连接件运用 于木 一混凝 土组合梁 工程实际 中, 并表现 出优 异 的 连接性能 。其 中, 剪力榫一锚钉型连接件是整体性能相对最好 的连接件形式 , 具有在相关土木建筑领域 的推广应用价值 。 关键词 :木一混凝土组合 梁; 剪力连接件 ; 荷载 滑移曲线; 抗剪承栽 力; 滑移模 量 中图分类号 : U4 4 3 3 5 ; U4 4 3 3 7 文献标 志码 : A 文章编 号: 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 0 6 1 0 7 1 引 言 近年来新型环保木 一混凝土组合结构的发展较 为
3、迅速 , 国内、 外大量学者开展了对木一混凝土组合 梁连接件的研究口 。木一混凝土组合梁受力性能 优劣 的关 键是 剪 力 连接 件 的设 置 , 连 接 件 的 剪切 性 能决定着组合梁的刚度、 承载力和破坏形式 。木 一 混凝 土组 合梁 在 弯 曲受 力 过 程 中 , 剪 力 连 接 件 承担 着传 递混 凝土 与木 材之 间纵 向剪 力 和抵抗 混凝 土结 构与 木结 构之 间掀 起 的重要 角色 。本 文 主要从 剪力 连接 件构 造形 式 、 连接件 破 坏形式 、 连 接件抗 剪 承载 力计算方法、 连接件抗剪刚度计算方法等方面 , 全面 总结 了 目前 国 内、 外学 者 的
4、研 究 内容 , 并对 研究 中存 在 的问题 进行 了分 析 。 2剪力 连接 件的 分类 2 1 按形 式分 类 木 一混凝 土组 合梁 剪力 连接 件按 照连 接件 形式 的不 同大 致可 分为 : 销钉 型 连接件 ( 钢 钉 、 螺 钉 、 螺栓 等) 、 管状 型连 接件 ( 刚性 环 连接件 、 空 心 圆柱体 连接 件 等 ) 、 剪 力榫 一锚 钉 型 连接 件 ( 凹 口式剪 力榫 加 上 螺 栓 、 螺杆 等 ) 、 胶合 金属 板 连接件 四大类 。 2 2 按 刚度分 类 木 一混凝土组合梁剪力连接件根据刚度 的大小 可 分 为刚性 连接 件 和柔性 连接 件两 大类
5、 。刚性 连接 件在传递交界面的剪力时变形很小 , 适合 于桥梁结 构等要求承载能力较大的结 构; 而柔性连接件传递 交界面的剪力时具有很好 的变形能力 , 适合于房屋 等要求承载力一般的结构 。 3国 内研究 现状 及分析 国内对 于 木 一混 凝 土组 合 梁 的研 究 有 限 , 仅有 少量 有关 该类 型剪 力连接 件 的研究 成果 。 兰旭 焘 ( 2 0 1 0 ) E 1 通 过 室 内推 出试 验 , 重 点研 究 了螺钉连接件的螺钉尺寸、 螺钉布局等因素对木 一 混凝 土组 合结 构抗 剪承 载力 和破坏 形态 的影 响 。试 验发 现 , 试 样 的破坏 形态 主要 有螺钉
6、 的拔 出破 坏 、 螺 钉的弯 曲破坏 和混凝 土压碎 破坏 , 同时参考 国外木 一 混凝 土组 合结构 连 接件抗 剪承 载力计 算公 式提 出 了 螺钉抗剪承载力计算公式 , 并建议采用 3 O 极限抗 剪承载力处的割线刚度作为螺钉的初始抗剪刚度。 曹雪 娇 ( 2 0 1 1 ) 【l 2 在 兰 旭 焘 的研 究 基 础 上 , 研 究 了工程 木 一混凝 土 的剪力 连 接 件 性 能 , 增 加 考虑 了 混凝 土强 度对螺 钉 连接件 抗剪性 能 的影 响 。试 验得 到 了与兰旭 焘相 似 的结 论 , 且证 实 了工 程木 一混 凝 土连接 件 的抗 剪 承 载 力 随混
7、 凝 土 强 度 的 增 大 而 增 大 , 提 出 了类似 的螺 钉连 接件抗 剪承 载力计 算公 式 , 以及取 滑移 值为 2 mm 时对应 的荷 载 滑移 曲线 割 线 斜率 作 为连接 件初 始抗 剪 刚度 。 兰旭 焘 和 曹雪 娇 的研 究 过 程基 本 相 似 , 连接 件 形式、 推出件试样、 考虑的因素类似, 但是兰旭焘采 用 的是普通木板 , 而曹雪娇采用的是工程木 , 两者材 料 存在 差别 , 得 到 的抗 剪 承 载力 和 滑 移模 量 计 算 公 式不同, 但形式类似。试验表明不 同的组成材料 , 其 剪 力件 的受 力性 能也存 在 少量差 异 。 4国 外研
8、究现 状及分 析 国外 目前 对 于木 一混凝 土组 合梁及 其剪 力连接 收稿 日期 : 2 0 1 4 0 4 1 4 作者简介 : 俞宏( 1 9 7 1 ) , 男 , 高级工程师 , 1 9 9 8年毕业 于南京林业大学土木工程专业 , 获学士学位( E ma i l : 2 4 4 5 7 3 6 5 7 1 q q c o rn) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 4 世 界 桥 梁 2 0 1 4, 4 2 ( 6
9、 ) L V L 4 0 0 R 型 P 型 A一 目 L T 型 吕 1 1 3 7 A A B B 胃 图 6 三种形式( R、 T、 P型) 连接件示意 4 2 剪力 连接件 的破 坏形 式 剪力 连接件 的破 坏形式 主要 取决 于连接 件 的刚 度 , 连接件 刚度 越 大 , 其破 坏 越 接 近 于脆 性 破 坏 ; 刚 度越小, 连接件破坏时滑移量越大, 越倾向于塑性破 坏 。破坏 形式 主要 有 3种 : 混 凝 土 沿 剪切 面剪 切 破 坏 ; 木 板剪 切破 坏 ; 连接 件 自身拉剪 破坏 。 4 2 1混凝 土沿剪 切 面剪切 破坏 S t e i n b e r
10、g E E 。 的试 验 中所有试 件破 坏形 式均 表 现为轻质混凝土的剪切破坏, 连接件本身都没有发 生 破坏 , 这说 明销 钉 型 连接 件 自身 的抗 剪 强 度 大 于 混 凝 土的剪 切强 度 , 销钉 并 没 有 充 分发 挥 其 抗 剪 能 力 。因此, 为使连接件能够充分发挥作用, 组合结构 中混凝 土强 度等 级不 能太低 。 Ye o h D 8 的试 验发 现 大 直 径 螺 钉 加 固 凹 口型 连接 件 的破 坏形 式均 为混凝 土沿 剪切 面发生 剪切 破 坏 , 大直径 螺钉 的存 在 使 连接 件 破 坏 时 表现 出较 好 的延 性 。 4 2 2 木 板
11、剪 切破 坏 Yo u s s e f G( 2 0 1 4 ) 等 人 考 虑 木板 与高 强 纤 维 增 强混凝 土形 成组 合 结 构 , 并仅 使 用 胶 粘 剂作 为剪 力 连接件 进行 推 出试 验 。研 究 表 明 , 当所 用胶 粘 剂 强 度很 高 , 且 与混凝 土 的粘结 很好 时 , 连接 件 的破坏 可 能表 现为 木板 的剪切破 坏 。 木板 的剪切破坏在一般连接件的推出试验 中较 少 出现 , 一般 剪切 面不会 出现 在木板 部分 , 木板 在试 验过程 中大多承受来 自连接件 的局部挤压作用 。 4 2 3 连接 件 自身拉 剪破坏 在 C l o u s t
12、 o n P L 的金 属 板剪 力 连 接 件研 究 中 , 连接 件破坏 形式 表 现 为钢 筋 网的屈 服断 裂 , 混 凝 土 板和 木板 均未发 生 破坏 , 胶粘 剂 也 没 有 明显 的破 坏 特征 。破 坏过 程 中金 属 板 连 接 件 形 成 了 1条 破 坏 单位 :m m 线 , 沿着 这条线 上 的钢筋 网发 生 了少 量交错 。 Ye o h D l_ 8 对 锯齿 状金属 板 连 接件 的 研究 中 , 由 于金属板抗剪强度高、 刚度大 、 变形能力 较小 , 其破 坏 形式 表现 为锯齿 状 金 属 板 的撕 裂 破 坏 , 破 坏 时延 性 很小 , 接 近于
13、脆 性破 坏 。 4 3 剪 力 连接件 的抗 剪承 载力及 抗剪 刚度研 究 剪 力 连接 件 的评 判 指标 主 要 有 2个 : 抗 剪 承 载能力 ; 抗 剪 刚度 ( 或滑 移模量 ) 。 4 3 1 剪 力连接 件抗 剪承 载力确 定方 法 目前 欧洲木 结构设 计 规范及 标准 中 尚无 准确 计 算木 一混凝 土组 合结 构剪 力连接 件抗 剪承载 力 的标 准公 式 , 通 常根 据推 出试验 所 得 连 接件 荷 载 滑 移 曲线 来确 定连接 件 抗 剪 承载 力 的大小 , 不 同 的研 究 者对于连接件抗剪承载力的确定方法也不尽相同。 ( 1 )经验 确定方 法 。M
14、a n t h e y M_ 4 研究 S B B连 接件 剪切 性 能时 , 定 义 S B B连 接件 抗 剪强 度 为试 样 破坏时所施加的最大荷载, 设计剪切强度为最大荷 载 0 7 6倍 。C l o u s t o n P _ 6 研究金 属板剪力连接件 时 , 取 多个推 出试 件 推 出试 验 所 得 连接 件 的 极 限荷 载平均值 作 为金属 板连 接件 的抗剪 承载 力 。 ( 2 ) 理 论 模 型 分 析 方 法 。 D i a s A M P G ( 2 0 0 7 ) l_ 】 。 _ 等人 在 试 验 研 究 不 同材 料 对 木 一混 凝 土 组合结构剪力连接
15、件受力影响时, 对 比了 3种理论 模型 , 用以分析和预测连接件 的抗剪承载力。这 3 种理论 模 型分别 为 : 假设 混凝 土表现 为弹 塑性 ; 假设 破坏前 混凝 土 表 现 为线 弹 性 , 破 坏形 式 为 木 材 或连 接件 破坏 ; 假设 破坏 前混凝 土 表现为 线弹性 , 且破坏形式为混凝土压碎破坏。3种模型分析结果 表明, 对于中低等级强度的混凝土材料, 模型理论 值与试验结果的相关性最大 , 但其预估承载力 比实 际 高 出 7 , 模 型 理论 值 比实 际低 5 , 模 型 理 I _ 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 木一混凝土
16、组合梁剪力连接件研究现状 俞宏 , 宋林 , 吴文清 6 5 论值 与 实际偏 差较 大 ; 对 于 高强度 混凝 土试 样 , 模 型 能 够较 准确 地 预测 连 接 件 的抗 剪 承 载 力 , 这 表 明 试验 中高强度 混凝 土实 际上 因其 高强度 而充 当着 连 接件 夹具 的作 用 。 ( 3 )公式 计 算 方 法 。Gi u r i a n i E( 2 0 0 2 ) l_ 1 等 人 通过 理论 分析 推导得 到 了螺栓 剪力 连接 件 的极 限抗 剪承 载力计 算公 式 , 推 导 中假 设 螺栓 剪 力 连 接 件破 坏机理 为 螺栓杆 出现 2 个 塑性 铰破 坏
17、 : V 一 2 My f h w d ( 1 ) 式 中, 为混凝土与竹胶板 的承载力 比值 ; My为螺 栓的塑性 弯 矩; f 为竹胶 板 的承 载力 ; d为螺栓 直 径 。 Ye o h Dl 8 依 据 试 验 结 果 提 出 了剪 力 榫 一锚 钉 型连接件在混凝土发生剪切破坏 的模式下, 其抗剪 强 度 的欧洲 标准 计算 公式 : F。 s h 一 5 b Z + f ( d f 7 c ) fw ( 2 ) 式 中, 口为剪切 力折减 系数 , 取 值方 法见参 考文献 9 ; b 为 凹 口宽 度 ; z 为 凹 口长 度 ; 为 混凝 土 剪切 开 裂后 的强 度折 减
18、 系数 , 取 0 5 1 6 ; f c 为混凝 土 抗压 强度; 为有效螺栓个数 , 假设为螺栓的实际个数 ; 声 。 为螺 栓直 径 ; f w为螺 栓垂 直 于纹理 方 向 的拔 出强 度 ; d 为螺栓外侧延伸深度 , 小于螺栓直径。 4 3 2 剪力 连接 件抗 剪 刚度确定 方 法研究 木一混凝土组合结构剪力连接件 的抗剪刚度即 为连接件的滑移模量值 , 目前欧洲设计标准和规范 中也 没 有相应 的计算 公 式 , 基 本 上 都 是 根 据 理论 分 析 和试 验所得 连 接件 荷 载 滑 移 曲线 确 定 的 , 并 提 出了建议 性 的计算 公式 。 ( 1 )理论分析方法
19、 。G i u r i a n i E 】 等人采用无 限长温克勒弹性地基梁假设 , 通过柔度系数求解方 法 , 并考 虑实 际螺 栓长 度有 限 , 推 导 出 了木 一混 凝土 组合 结 构螺栓 剪 力 连接 件 的抗 剪 刚度 计 算 公 式 , 并 通 过具 体试 验研究 证 实 了公 式 的可靠 性 : K 一 ( 3 ) 式 中 , E 为螺 栓弹性 模量 ; 为螺 栓截 面惯 性矩 ; z 为螺 栓 理想 长度 。 ( 2 )试验分析方法 。S t e i n b e r g E l_ 3 将木 一轻质 混凝 土组 合结 构 中销 钉 型 剪 力 连 接件 的 滑移 模 量 ,
20、定义 为荷 载 滑 移 曲线 上极 限 荷 载 的 4 O 与 此 时 对应的滑移量的 比值 。C l o u s t o n P _ 6 研究连续钢筋 网剪 力连 接件 时 , 将 连接 件 抗 剪 刚 度定 义 为荷 载 滑 移 曲 线 上 线 弹 性 部 分 的 斜 率 。 B r a n c o J M ( 2 0 0 9 ) l_ 】 在对 比研 究木板 与 混凝 土板 之 间有 、 无夹 层板对组合结构剪力连接件剪切性能的影响时, 对 比分析了 2 种滑移模量计算方法 : 一种是公式( 3 ) 计 算表达式 ; 另一种是对荷载滑移曲线上 0 1 0 4 倍 预估 承载力 之 间部
21、分 进 行线 性 回归 , 得 到 了 近似 回归 公式 ( 4 ) 。对 比分析 说 明公 式 ( 3 ) 所得 不 同试样 连接件刚度变异系数相对较大, 线性 回归方法所得 结果 变异 性较 小 , 且 能更 真实 、 可靠 地得 到连接 件 的 滑移 模量 。 Ks 一 砜 ( 4 ) 式中, F 为连接件预估抗剪承载力 ; 。 、 。 分别为 0 1 倍 、 0 4倍 预估 承载力 对应 的滑 移值 。 试验 研 究 方法 相 比理论 分 析方 法 , 能够 得 到更 为准 确 的结果 , 因为理 论 分 析 时采 用 了一 部 分 的假 设 条 件 , 在 实 际 中假设 不 一定成
22、 立 , 所 以理 论结 果与 实际会存在一定的偏差。而试验分析方法是建立在 推 出试验 的基 础上 , 对 试 验 数 据进 行 拟 合 分 析得 到 的结 果 , 也 更加 可靠 。公 式 ( 4 ) 是 目前 木 一混凝 土组 合结构剪力连接件抗剪刚度计算 中应用最普遍的计 算 公 式 。 5 研 究 中存在 的 问题 分 析 迄今 为 止 , 国外 木 一混 凝 土组 合梁 剪 力 连接 件 的研 究 已较为 成熟 , 连接 件 的形 式非 常丰 富 , 并 广泛 应用于木 一混凝 土组合梁实际工程 中。但现阶段 木 一混凝 土组合 结构 连接 件 的研 究 大多都 建立 在线 性 分
23、 析 的基 础 上 , 实 际工 程 中连接 件 表 现 出 明显 的 非线 性特 征 , 因此未 来 的研 究需 要 对 各 连 接件 形 式 进 行 非线性 分 析 , 以校核 线性分 析 的结果 。 目前几 乎所 有连 接件 的推 出试验 均采 用单 调加 载试 验 , 仅 Ma n t h e y M 等人 于 2 0 1 4年做 了 S B B连 接件 的反 复荷 载试 验 研究 , 而 实 际工 程 中连接 件 的 受力 工况是 反 复 的加 卸 载 , 因而单 调 加 载 所得 连 接 件剪 切性 能并 不一定 能够 准确地 代表 其真 实 的剪切 性 能 , 所 以后续 研究
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