摘 要:在分析国内外钢—混凝土组合梁各种剪切连接件形式的基础上,着重阐述了钢—高强混凝土组合梁中栓钉连接件的受力性能和承载力计算方法,提出了有待完善的地方。
关键词:组合梁,栓钉连接件,承载力
中图分类号: TU375. 1
钢—混凝土组合梁是一种重要的横向承重组合构件,通过抗剪连接件将钢梁和混凝土板组合成整体共同受力,从而能够充分发挥钢材抗拉、混凝土抗压性能好的优点。而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,起到了传递混凝土与钢梁之间纵向剪力的作用,同时还能抵抗使两者分离的掀起作用。而高强混凝土在组合梁中的应用表明,抗剪连接件的设置显得尤为重要。
1 常见的剪力连接件的形式
抗剪连接件的形式很多,一般按照变形能力可分为刚性连接件和柔性连接件两大类。刚性连接件包括方钢、T 型钢、马蹄型钢、槽钢等连接件;而栓钉、弯筋、角钢、锚环、摩擦型高强螺栓等则属于柔性抗剪连接件。刚性抗剪连接件通常用于不考虑剪力重分布的结构,后者则广泛应用于一般的房屋建筑及桥梁中。
2 栓钉连接件的受力性能
2. 1 栓钉连接件工作机理
栓钉在抵抗混凝土板与工字钢的相对滑移与掀起时,栓钉根部为拉—剪—弯复合受力形态,其受力状态类似于弹性地基梁。栓钉受到根部传来的荷载与混凝土的被动反力,如同一根“地基梁”,外层混凝土因为一侧无横向约束,抗压强度较低,刚度较小,而另一侧混凝土受到周围混凝土的约束,抗压强度较高,刚度较大。如图1 所示,随着荷载的增大,A 端混凝土首先进入塑性,塑性区由A 端向B 端扩展,滑移增加越来越快。当栓钉截面达到极限强度或混凝土板不能承受栓钉传来的更大压力时,即达到极限承载力。
2. 2 栓钉连接件的破坏机理
栓钉连接件在破坏时破坏形式通常有三种:
1) 栓钉根部受剪受拉破坏。钢—高强混凝土组合梁中通常栓钉相对于混凝土板较弱,即混凝土强度等级较高。破坏呈一定的脆性,破坏时栓钉断口平整,根部下方小范围内的混凝土因栓钉挤压而被压成粉状。其抗剪承载力与混凝土无关, 仅与栓钉的型号和材质有关。
2) 混凝土板压溃破坏。当混凝土等级相对较低,此时混凝土抗压强度不足导致混凝土板压溃破坏。破坏时栓钉前面根部的混凝土发生局部受压破碎。此时,栓钉表现出较好的延性,其极限承载力随栓钉直径的增大和混凝土等级的提高而增大。
3) 混凝土板的劈裂破坏。高强混凝土具有脆性大、延性差等特点,当混凝土板内的横向抗剪钢筋配置不足时,混凝土板将会因其抗剪能力不足而在栓钉根部产生劈裂破坏。
3 栓钉承载力的计算方法
20 世纪60 年代后期,轻骨料混凝土得到了广泛应用。1971年J . W. Fisher 通过对推出试验数据的分析,提出了可用于普通混凝土与轻骨料混凝土的栓钉抗剪承载力计算公式:
20 世纪60 年代后期,轻骨料混凝土得到了广泛应用。1971年J . W. Fisher 通过对推出试验数据的分析,提出了可用于普通混凝土与轻骨料混凝土的栓钉抗剪承载力计算公式:
其中, Ast为栓钉的横截面面积; Ec 为混凝土的弹性模量; f c′为混凝土圆柱体抗压强度。
各国学者在式(1) 的基础上,结合本国的试验数据并考虑栓钉的不同破坏形式,提出了不同的栓钉抗剪承载力计算公式。
加拿大SI6. 1121974 钢结构设计规范在制定时采用了(1) 式,但加入了NcV ≤448 Ast的限制。日本规范也采用(1) 式,但比较保守的规定Ecf c′使用范围为345 MPa～621 MPa。ECCS 于1981 年颁布的《组合结构》规范规定:当hst / dst ≥4. 2 时,
其中, f ck′为混凝土圆柱体抗压强度标准值; f u 为栓钉屈服强度设计值。
我国在原GBJ 17288 钢结构设计规范引入钢—混凝土组合梁设计的内容,其中给出的栓钉受剪承载力表达式为:
其中, Ec 和f c 为混凝土弹性模量和轴心抗压强度设计值; f为栓钉抗拉强度设计值。
我国现行的GB 5001722002 钢结构设计规范对钢—混凝土组合梁设计条文进行了较大改进,其中给出的栓钉承载力公式为:
其中,γ为栓钉材料抗拉强度最小值与屈服值之比。与旧规范相比,新规范改用栓钉材料的抗拉强度来计算其承载力。旧规范制定时限于经验不足,采用了栓钉材料的设计强度来进行其承载力的计算,从而导致了设计工作中栓钉数量过多,间距过小,施工不便。新规范在国内大量试验研究的基础上,并借鉴了国外规范的相关规定,对栓钉承载力计算公式进行了调整。
通过引入强屈系数γ,提高了栓钉承载力设计值,方便了设计和施工。但是这些大量的试验和研究也仅仅局限于普通强度的混凝土。
20 世纪90 年代末,清华大学通过对钢—高强混凝土简支组合梁的大量试验,对高强混凝土的基本性能进行了试验研究,对栓钉承载力计算得出以下表达式:当f u , st ≤564 MPa 且hst / dst ≤4. 0 时,
f u , st为栓钉抗拉强度。
试验表明,对于高强混凝土我国规范规定的栓钉抗剪承载力计算公式上限过于保守,上述研究给出了建议性方法,对栓钉连接件在高强混凝土组合梁中的应用研究起到了重大的推动作用。
4 结语
随着建筑材料和施工技术的不断发展,高强混凝土在工程中得到了越来越广泛的应用。但是,高强混凝土脆性大、延性差等缺点导致其应力—应变关系与普通混凝土相差很大,许多学者对
普通混凝土强度与连接件受力性能间的关系进行了试验研究和理论分析,但对高强混凝土组合梁的分析很有限,还需进一步研究。
参考文献:
[1 ]赵鸿铁. 钢与混凝土组合结构[M] . 北京:科学出版社,2001.
[2 ]胡夏闽,刘子彤,赵国藩. 钢与混凝土组合梁栓钉连接件的设计承载力[M] . 北京:建筑工业出版社,2000.
[3 ] GB 5001722002 ,钢结构设计规范[ S] .
[4 ]聂建国. 钢—混凝土组合梁结构———试验、理论与应用[M] .北京:科学出版社,2005.
[5 ]朱聘儒,朱 起. 组合梁的连接件与设计承载力[J ] . 工业建筑,1985 (10) :226.
