鋼—高強(qiáng)混凝土組合梁中栓釘連接件的分析

摘　要:在分析國(guó)內(nèi)外鋼—混凝土組合梁各種剪切連接件形式的基礎(chǔ)上,著重闡述了鋼—高強(qiáng)混凝土組合梁中栓釘連接件的受力性能和承載力計(jì)算方法,提出了有待完善的地方。

關(guān)鍵詞:組合梁,栓釘連接件,承載力

中圖分類號(hào): TU375. 1

　　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(diǎn)。而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,起到了傳遞混凝土與鋼梁之間縱向剪力的作用,同時(shí)還能抵抗使兩者分離的掀起作用。而高強(qiáng)混凝土在組合梁中的應(yīng)用表明,抗剪連接件的設(shè)置顯得尤為重要。

1 　常見的剪力連接件的形式

　　抗剪連接件的形式很多,一般按照變形能力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、T 型鋼、馬蹄型鋼、槽鋼等連接件;而栓釘、彎筋、角鋼、錨環(huán)、摩擦型高強(qiáng)螺栓等則屬于柔性抗剪連接件。剛性抗剪連接件通常用于不考慮剪力重分布的結(jié)構(gòu),后者則廣泛應(yīng)用于一般的房屋建筑及橋梁中。

2 　栓釘連接件的受力性能

2. 1 　栓釘連接件工作機(jī)理

　　栓釘在抵抗混凝土板與工字鋼的相對(duì)滑移與掀起時(shí),栓釘根部為拉—剪—彎復(fù)合受力形態(tài),其受力狀態(tài)類似于彈性地基梁。栓釘受到根部傳來的荷載與混凝土的被動(dòng)反力,如同一根“地基梁”,外層混凝土因?yàn)橐粋?cè)無橫向約束,抗壓強(qiáng)度較低,剛度較小,而另一側(cè)混凝土受到周圍混凝土的約束,抗壓強(qiáng)度較高,剛度較大。如圖1 所示,隨著荷載的增大,A 端混凝土首先進(jìn)入塑性,塑性區(qū)由A 端向B 端擴(kuò)展,滑移增加越來越快。當(dāng)栓釘截面達(dá)到極限強(qiáng)度或混凝土板不能承受栓釘傳來的更大壓力時(shí),即達(dá)到極限承載力。

2. 2 　栓釘連接件的破壞機(jī)理

　　栓釘連接件在破壞時(shí)破壞形式通常有三種:

　　1) 栓釘根部受剪受拉破壞。鋼—高強(qiáng)混凝土組合梁中通常栓釘相對(duì)于混凝土板較弱,即混凝土強(qiáng)度等級(jí)較高。破壞呈一定的脆性,破壞時(shí)栓釘斷口平整,根部下方小范圍內(nèi)的混凝土因栓釘擠壓而被壓成粉狀。其抗剪承載力與混凝土無關(guān), 僅與栓釘?shù)男吞?hào)和材質(zhì)有關(guān)。

　　2) 混凝土板壓潰破壞。當(dāng)混凝土等級(jí)相對(duì)較低,此時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度不足導(dǎo)致混凝土板壓潰破壞。破壞時(shí)栓釘前面根部的混凝土發(fā)生局部受壓破碎。此時(shí),栓釘表現(xiàn)出較好的延性,其極限承載力隨栓釘直徑的增大和混凝土等級(jí)的提高而增大。

　　3) 混凝土板的劈裂破壞。高強(qiáng)混凝土具有脆性大、延性差等特點(diǎn),當(dāng)混凝土板內(nèi)的橫向抗剪鋼筋配置不足時(shí),混凝土板將會(huì)因其抗剪能力不足而在栓釘根部產(chǎn)生劈裂破壞。

3 　栓釘承載力的計(jì)算方法

　　20 世紀(jì)60 年代后期,輕骨料混凝土得到了廣泛應(yīng)用。1971年J . W. Fisher 通過對(duì)推出試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,提出了可用于普通混凝土與輕骨料混凝土的栓釘抗剪承載力計(jì)算公式:

　　20 世紀(jì)60 年代后期,輕骨料混凝土得到了廣泛應(yīng)用。1971年J . W. Fisher 通過對(duì)推出試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,提出了可用于普通混凝土與輕骨料混凝土的栓釘抗剪承載力計(jì)算公式:

　　其中, Ast為栓釘?shù)臋M截面面積; Ec 為混凝土的彈性模量; f c′為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度。

　　各國(guó)學(xué)者在式(1) 的基礎(chǔ)上,結(jié)合本國(guó)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并考慮栓釘?shù)牟煌茐男问?提出了不同的栓釘抗剪承載力計(jì)算公式。

　　加拿大SI6. 1121974 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范在制定時(shí)采用了(1) 式,但加入了NcV ≤448 Ast的限制。日本規(guī)范也采用(1) 式,但比較保守的規(guī)定Ecf c′使用范圍為345 MPa～621 MPa。ECCS 于1981 年頒布的《組合結(jié)構(gòu)》規(guī)范規(guī)定:當(dāng)hst / dst ≥4. 2 時(shí),

　　其中, f ck′為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值; f u 為栓釘屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

　　我國(guó)在原GBJ 17288 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范引入鋼—混凝土組合梁設(shè)計(jì)的內(nèi)容,其中給出的栓釘受剪承載力表達(dá)式為:

　　其中, Ec 和f c 為混凝土彈性模量和軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值; f為栓釘抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

　　我國(guó)現(xiàn)行的GB 5001722002 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)鋼—混凝土組合梁設(shè)計(jì)條文進(jìn)行了較大改進(jìn),其中給出的栓釘承載力公式為:

　　其中,γ為栓釘材料抗拉強(qiáng)度最小值與屈服值之比。與舊規(guī)范相比,新規(guī)范改用栓釘材料的抗拉強(qiáng)度來計(jì)算其承載力。舊規(guī)范制定時(shí)限于經(jīng)驗(yàn)不足,采用了栓釘材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度來進(jìn)行其承載力的計(jì)算,從而導(dǎo)致了設(shè)計(jì)工作中栓釘數(shù)量過多,間距過小,施工不便。新規(guī)范在國(guó)內(nèi)大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,并借鑒了國(guó)外規(guī)范的相關(guān)規(guī)定,對(duì)栓釘承載力計(jì)算公式進(jìn)行了調(diào)整。

　　通過引入強(qiáng)屈系數(shù)γ,提高了栓釘承載力設(shè)計(jì)值,方便了設(shè)計(jì)和施工。但是這些大量的試驗(yàn)和研究也僅僅局限于普通強(qiáng)度的混凝土。

　　20 世紀(jì)90 年代末,清華大學(xué)通過對(duì)鋼—高強(qiáng)混凝土簡(jiǎn)支組合梁的大量試驗(yàn),對(duì)高強(qiáng)混凝土的基本性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,對(duì)栓釘承載力計(jì)算得出以下表達(dá)式:當(dāng)f u , st ≤564 MPa 且hst / dst ≤4. 0 時(shí),

f u , st為栓釘抗拉強(qiáng)度。

　　試驗(yàn)表明,對(duì)于高強(qiáng)混凝土我國(guó)規(guī)范規(guī)定的栓釘抗剪承載力計(jì)算公式上限過于保守,上述研究給出了建議性方法,對(duì)栓釘連接件在高強(qiáng)混凝土組合梁中的應(yīng)用研究起到了重大的推動(dòng)作用。

4 　結(jié)語

　　隨著建筑材料和施工技術(shù)的不斷發(fā)展,高強(qiáng)混凝土在工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是,高強(qiáng)混凝土脆性大、延性差等缺點(diǎn)導(dǎo)致其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系與普通混凝土相差很大,許多學(xué)者對(duì)

　　普通混凝土強(qiáng)度與連接件受力性能間的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析,但對(duì)高強(qiáng)混凝土組合梁的分析很有限,還需進(jìn)一步研究。

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