钢-混凝土组合梁中的抗剪连接件.pdf
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1、钢-混凝土组合梁中的抗剪连接件 摘要 本文简单介绍了钢混凝土组合梁结构组合作用的机理, 列举了抗剪连接件的分类, 介 绍了抗剪连接的试验方法和破坏形态以及一般的构造要求, 着重介绍了栓钉连接的特点, 受 力分析并列举了诸多国家规范中规定的栓钉承载力计算和设计方法, 并介绍其构造要求, 最 后简单介绍两种较为新型的抗剪连接件。 关键字:钢混凝土组合梁;抗剪连接件;栓钉;抗剪承载力 1 绪论 钢混凝土组合结构是指由钢和混凝土两种材料组成, 在荷载作用下具有整体作用, 在 钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构。其与木结构、砌体结构、钢筋混凝土 结构和钢结构并列,已经扩展成为第五大结构(组合
2、结构) 。它是通过连接件把钢梁和混凝 土板连接成整体而共同工作的构件:在荷载作用下,混凝土板受压而钢梁受拉。它充分发挥 钢材和混凝土二种材料的优点:同混凝土结构相比,可以减轻自重,减小构件截面尺寸,减 轻地震作用;同钢结构相比,可以减少用钢量,降低结构造价,增加结构的稳定性,增强结 构的防火性和耐久性。故因其兼有钢结构施工速度快和混凝土结构刚度大、造价低的优点, 虽然在我国发展起步较晚,但近几年来取得了不少成就,在多层工业厂房、高层建筑、桥梁 结构等方面都已经得到了较好的应用,取得了良好的经济效益和社会效益。 钢混凝土组合构件目前的主要形式有:钢混凝土组合梁、型钢混凝土组合结构、钢 管混凝土组
3、合结构、 外包钢混凝土结构及压型钢板混凝土组合楼板等。 当然, 随着建筑材料、 设计理论和设计方法的不断发展,也出现了钢-混凝土组合框架结构、框架-核心筒混合结构 等一系列新型的结构形式。然而,在组合结构中抗剪连接是一个重要特征,抗剪连接件是将 钢梁与混凝土板组合在一起共同工作的关键部件。 故本文将在钢混凝土组合梁中的抗剪连 接方面进行一些探讨。 2 钢-混凝土组合梁中的抗剪连接 2.1 组合结构的组合作用 组合结构的优越性在于结合了混凝土和钢材两种材料的的良好性能, 充分利用材料和截 面特性。两种材料的共同作用的机理,是由粘结力、抗剪连接件、及钢材对混凝土的约束作 用实现的。 压型钢板混凝土
4、组合结构的共同作用主要依靠钢板上压制的齿槽、 穿过压型钢板 焊在钢梁上的抗剪连接件的作用; 型钢混凝土组合结构的共同作用主要依靠箍筋的约束作用, 有时也设置抗剪连接件; 钢管混凝土组合结构的共同作用主要依靠钢管与混凝土的相互约束 及层间隔板等。 在钢混凝土组合梁中, 两钟材料的组合作用大小是由其关键部位抗剪连接件决定 的。其主要作用是: (1)抵抗和限制钢与混凝土板间的相对滑移(掀起作用) ,使结构在受 力后,整个截面仍符合或近似符合平截面假定。这样才能得要一个有效的组合截面,充分利 用钢梁的抗拉能力和混凝土板的抗压能力,并且增大抗弯刚度。 (2)承受并传递钢梁与混凝 土翼板交界面的纵向剪力。
5、 2.2 抗剪连接件分类 抗剪连接件按连接作用机理可分为:粘结型、胶结型、摩擦型、连接型(机械连接) 。 其中粘结型连接又可分为自然粘接和化学粘接;机械连接又可分为栓钉、型钢和钢筋三种。 按连接形式可分为:钢筋连接件(图 1) 、型钢连接件(图 2) 、高强螺栓连接件、圆柱 头焊钉连接件、开孔钢板连接件(PBL) 、钢与有机材料组合连接件等。 图 1 几种常见的钢筋连接件 图 2 几种常见的型钢连接件 按变形能力可分为:刚性连接、弹性连接、柔性连接、刚度滞后型连接。刚性连接件包 括方钢、马蹄形钢、T 形钢等连接件;弹性连接件包括钢筋连接件、焊钉连接件;柔性连接 件包括圆柱头栓钉、弯筋、锚环、L
6、 型钢、槽钢以及角钢等。 2.3 抗剪连接件的试验方法及破坏形态 2.3.1 试验方法 抗剪连接件常见的试验方法有两种:推出试验和梁式试验。前者较为简单实用,目前, 国际上以其作为连接件标准试验; 后者较为复杂, 但其能较好地反映连接件在组合梁中的受 力变形性能。 推出试验是将一段工字钢与两块混凝 土板通过焊接在工字钢上的抗剪连接件连 接在一起, 然后对工字钢的一端施加荷载, 使埋在混凝土板内的连接件受到剪切作用, 通过量测钢与混凝土板间的相对位移获得 抗剪连接件的荷载滑移曲线,以获得静 载下连接件的承载能力和抗剪刚度。 梁式试验是指对简支组合梁施加两点 对称荷载,在荷载作用下钢梁与混凝土板
7、接触面上水平受剪,纵向剪力随外荷载的增 加而增加,直至破坏。 图 4 梁式试验示意图 2.3.2 破坏形态 试验研究表明,根据连接件与其周围混凝土的相互关系,破坏形态分为两种: (1)连接件受剪破坏,一般在混凝土强度等级较高时发生。破坏呈一定的脆性,其抗 剪承载力与混凝土无关,仅与剪力连接件的类型和材质有关。 (2)连接件附近混凝土破坏,一般表现为栓钉前方根部混凝土局部破碎或劈裂、槽钢 连接件混凝土板劈裂等等。 一般的刚性连接件, 因刚度较大, 在在纵向剪力作用下混凝土传给连接件的压应力均匀 分布, 在保证钢梁与连接件焊接强度的前提下, 连接件的承载力极限状态是以连接件之间的 混凝土的剪切破坏
8、或连接件前混凝土的局压破坏为标志的。 一般的柔性连接件, 由于抗弯刚 度相对较小,在纵向剪力作用下发生变形,混凝土产生不均匀压应力,靠近连接件根部的混 凝土发生剪压破坏。 图表 3 推出试验示意图 图 3 推出试验示意图 2.4 抗剪连接件的一般要求。 在组合梁中,一般要求如下: (1)连接件的抗掀起力作用面高出翼缘板底部钢筋顶面不小于 30mm; (2)当设置板托时,板托中横向钢筋距连接件顶面位置应不小于 40mm; (3)连接件上部混凝土保护层厚度不小于 15mm,以防止栓钉被拉出或被腐蚀; (4)连接件的纵向间距不应大于 600mm 或混凝土翼缘板(托板)厚度的 4 倍,以控 制连接件间
9、的掀起力和避免混凝土板过大的应力集中; (5)连接件外侧边缘至钢梁翼缘边缘之间的距离不应小于 20mm,当有托座时不应小 于 40mm;至混凝土翼板边缘间的距离不应小于 100mm,以确保端部锚固良好。 3 栓钉连接 3.1 栓钉抗剪连接件的特点 刚性连接件由于在传递剪力时不能变形, 通常用于不考虑剪力重分布的结构, 其破坏形 式多为连接件周围混凝土被压碎或发生剪切, 甚至在连接件与钢梁焊接处发生破坏; 柔性剪 力连接件具有很好的变形能力, 这有利于组合梁内的剪力重分布, 使剪力连接件可以简单地 沿整个梁长或分段均匀布置, 便于剪力连接件的简化设计和施工操作。 故目前国内设计规范 推荐并得到大
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