钢-混凝土组合梁抗剪连接件设计研究

钟义平

（大地建筑事务所（国际），北京 100195）

钢-混凝土组合梁抗剪连接件设计研究

钟义平

（大地建筑事务所（国际），北京 100195）

本文介绍了钢-混凝土组合梁抗剪连接件的形式，列出了各类抗剪连接件的承载力计算方法，阐述了抗剪连接件的弹性设计法和塑性设计法，对钢-混凝土组合梁抗剪连接件的设计具有一定的指导意义。

抗剪连接件；设计；抗剪承载力设计值

1 前言

随着我国建筑行业的飞速发展，各种各样新的结构形式不断地出现，并广泛应用于工程实践之中。由于钢-混凝土组合结构同时具备钢结构和混凝土结构的优点，大大提高了综合性能，因而组合结构在结构工程的各个领域中都占有一席之地，尤其是高层建筑与大型桥梁等领域。

组合结构中的钢一混凝土组合梁，是组合结构体系中极其重要的横向承重构件，在桥梁结构这一领域中的应用前景是无可估量的。在国内，大量的工业与民用建筑及桥梁中均应用了钢一混凝土组合梁结构，如1973年采用的平台组合梁的唐山陡河电厂，1993年主跨采用钢与混凝土叠合板连续组合梁的北京国贸桥，2000年采用预应力混凝土板与钢桁架组合梁的芜湖长江大桥；在国外，大量的大跨度桥梁中均应用了钢一混凝土组合梁结构，如1944年苏联建成了第一座组合公路桥，1955年瑞典建成的斯曹松特桥，跨径为182 m ，1975年日本建成 的大臣大和桥，跨径为83 m。

组合梁包括钢梁、混凝土板和抗剪连接件，其中抗剪连接件起连接作用，是保证钢梁和混凝土翼缘形成组合梁共同工作的关键元件，因此在组合梁结构中，抗剪连接件直接影响到结构的性能和工程造价。所以对于抗剪连接件的设计就显得尤为重要。

2 钢-混凝土组合梁抗剪连接件设计

2.1 钢-混凝土组合梁抗剪连接件的形式

钢-混凝土组合梁的连接件可分为栓钉、型钢和钢筋三种。

栓钉是在各国普遍应用的一种连接件。一般常用的栓钉钉杆直径为13mm，16mm，19mm，22mm，且不宜超过被焊接钢梁翼缘厚度的1.5倍，栓钉高与钉杆直径之比应不小于4。钉杆上部通常做成大头或弯钩（如图1所示），可以很好的抵抗掀起作用。一般作为连接件的型钢有槽钢、T型钢和方钢。槽钢上翼缘具有抵抗翼板掀起的功能，而T型钢和方钢则必须加焊直径小于12mm的箍筋才能防止翼板掀起。钢筋连接件一般有弯筋和螺旋筋两种。弯筋直径为12mm至20mm；螺旋筋直径为10mm至16mm，螺距为75mm至125mm。

图1

2.2 连接件的抗剪承载力设计值

我国《钢结构设计规范》（GB50017-2003）中规定，栓钉连接件的承载力设计值为

式（1）中，Ec为混凝土弹性模量，fc为混凝土轴心抗压强度设计值，f为栓钉抗拉强度设计值，As为栓钉杆截面面积，γ为栓钉材料抗拉强度最小值与屈服强度之比。

槽钢连接件的承载力设计值为

式（2）中，t为槽钢翼缘平均厚度，tw为槽钢腹板厚度，lc为槽钢长度。对于T型钢及方钢，我国规范尚未给出承载力设计值的表达式。

弯筋连接件的承载力设计值为

式（3）中，Ast为弯筋截面面积，fst为弯矩抗拉强度设计值。

2.3 抗剪连接件的弹性设计法

2.3.1 基本假定

钢材和混凝土均为理想弹性体；钢筋混凝土翼板与钢梁之间相对滑移忽略不计，平截面弯曲之后仍保持为平面；混凝土翼板按实体面积计算，包含其中受拉开裂的部分；不考虑混凝土翼板中的钢筋。

2.3.2 基本公式

由材料力学可知，第i个连接件所承受的纵向剪力为

式（4）中，Vi为荷载引起的竖向剪力，S为混凝土翼板的换算截面对整个换算截面形心轴的截面面积矩，Ui为连接件间距，Ieq为整个换算截面的截面惯性矩。

2.4 抗剪连接件的塑性设计法

连接件的工作并不是绝对刚性的，在承载力极限状态，叠合缝不可能没有丝毫的相对滑移，由于塑性滑移会使内力重新分配，受力大的连接件把增加的负担传给受力小的，最终叠合面上的各个连接件受力趋于相等，而与连接件的具体位置没有关系。

由于以上原因，应采用极限平衡的概念来对组合梁连接件的塑性设计进行考虑，具体的步骤是：

（1）求出组合梁中最大弯矩点与相邻零弯矩点之间在叠合面上总的纵向剪力Vs

（2）该叠合面上总的纵向剪力Vs由其间的所有连接件均摊，得到连接件总数及布置。

2.5 抗剪连接件的构造要求

（1）栓钉连接件钉头下表面或槽钢连接件上翼缘下表面与翼缘板底部钢筋顶面之间的距离应大于30mm。

（2）连接件的外侧边缘与钢梁翼缘板边缘之间的距离不应小于20mm，与混凝土翼缘板边缘之间的距离不应小于100mm。

（3）连接件沿梁跨度方向的最大距离应小于等于4倍的混凝土翼板厚度，且应小于等于400mm。

（4）连接件的顶面混凝土保护层的厚度应大于等于15mm。

结语

抗剪连接件作为钢-混凝土组合梁的关键部件，主要是用来承受钢梁与钢筋混凝土翼板之间的纵向剪力的，不仅如此，它还能抵抗混凝土板与钢梁之间的掀起作用。因此，组合梁的质量和效果深受抗剪连接件的设计的影响。如何在具体工程实例中合理有效地运用抗剪连接件提高结构工程的安全性，降低项目的工程造价，已经成为学者们研究组合梁抗剪连接构件的主要方向，抗剪连接件的研究对提高组合梁的整体性能具有极其重要的意义。

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TU31

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10.13612/j.cnki.cntp.2014.04.120