钢—混凝土组合梁抗剪连接件承载力计算研究

张鹏飞

1 概述

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。

2 剪力连接件的分类及特点

剪力连接件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连接件、U形连接件、T形连接件和马蹄形连接件;而圆柱头栓钉、摩擦型高强螺栓、锚型连接件、L形连接件以及角钢则属于柔性连接件。刚性连接件在传递交界面的剪力时不能变形，而柔性剪力连接件在传递交界面的剪力时具有很好的变形能力，这有利于交界面连接件之间的剪力重分布，为剪力连接件的简化设计和施工奠定了基础，也就是说在设计剪力连接时，可以不按照剪力图形布置连接件，而可以简单地沿整个梁长或分段均匀布置。这两类连接件除了在刚性(每单位滑移的荷载量)方面有明显的不同外，在破坏形态方面也有所不同，刚性连接件易于在周围混凝土中引起较高的应力集中，使混凝土压碎或剪切破坏，甚至焊接破坏;柔性连接件的破坏形态则较为协调一致，很少突然破坏。故从结构的安全角度出发，应该偏向于使用柔性连接件。所以目前国内设计规范推荐并得到大量实际应用的钢—混凝土组合梁用剪切连接件有圆柱头栓钉连接件、槽钢连接件和弯起钢筋连接件三种(见图1)。

3 抗剪连接件承载力计算

为了确定栓钉连接件的抗剪能力，可以根据组合梁截面极限抗弯承载力计算方法，并考虑剪跨混凝土翼板隔离体的平衡条件来确定栓钉受到的剪力。其中需要确定弯曲极限状态时临界截面混凝土翼板压应力的合力C，而C的计算精度取决于极限抗弯能力的计算精度。组合梁临界截面的理论极限抗弯能力 Mu可以按照如图2，图3所示的模型确定，设在弯曲极限状态时临界截面的简化等效矩形应力块如图 2b)，图 2c)，图 3b)及图3c)所示。图2b)，图2c)和图3b)，图3c)所示的等效矩形应力块模型分别表示塑性中和轴位于混凝土翼板和钢梁截面两种情况。

在弯曲极限状态时，组合梁剪跨内栓钉的抗剪承载力理论平均值 Vu可以按下式确定:

单面截面处:

双面截面上翼缘混凝土板和钢梁交界面处:

双面截面下翼缘混凝土板和钢梁交界面处:

根据我国GB 50017-2003钢结构设计规范规定:

其中，As=πd2/4;Ec为混凝土弹性模量;fc为混凝土轴心抗压强度设计值;f为栓钉的抗拉强度设计值;γ为栓钉材料抗拉强度最小值与屈服强度之比。

当栓钉材料性能等级为 4.6级时，取 f=215 N/mm2，γ=1.67。

根据本次试验梁的加载形式，进行剪跨区划分。其划分形式如图4所示。

跨中截面处:Vs=fAs(f为钢梁的屈服强度;As为钢梁的横截面面积)。

中支座上翼缘混凝土板处:Vs=frAr。

中支座下翼缘混凝土板处:Vs=C。

由此可得每个剪跨区所需栓钉数目。

m1区，m2区，m5区，m6区需要栓钉的最大个数为:

m3区，m4区顶板需栓钉个数为:

m3区，m4区底板需栓钉个数为:

4 结语

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。抗剪连接件在组合梁中主要用于抵抗钢梁与混凝土翼板之间的纵向剪力，同时还起到防止与钢梁竖向分离的作用。

通过国内外的试验和分析表明，在焊缝质量得到保证的前提下，即使在抗剪连接程度很低时，组合梁中的栓钉抗剪连接件本身也不会发生破坏，栓钉在组合梁中的实际抗剪承载能力比推出试件中要高，并随着 n/nf的减小而增大。当 n/nf≤1.0时，栓钉的实际承载能力比我国规范里面规定的栓钉承载能力要大很多。这就造成了栓钉抗剪承载力计算公式偏于保守，导致计算所需栓钉数量偏多，间距偏小，除不利于设计构造和施工外，还增加了造价，因此，我国规范有关于栓钉抗剪承载力的计算还有待于完善。

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