钢‐混凝土组合梁中的剪力连接件

崔强强 段本硕

（山东科技大学 土木工程与建筑学院， 山东 青岛 266590）

0 绪论

钢-混凝土组合结构形式相对合理，抗剪性能以及抵抗车载吸收能量的能力突出，较多的采用在承受动载的桥梁工程中。相对于混凝土而言承载力提高，施工快速方便，缩短施工周期，减小结构高度，同时结构延性和抗震性能有了显著提升；相对于钢结构提高耐火性，提高稳定性和整体性等[1]。抗剪连接件最早在上世纪20年代外包组合梁中开始出现，早期的连接件都是通过握裹力、机械咬合力及摩擦力作用实现[2]。随着焊接技术飞速发展，抗剪连接件连接形式被焊接取代。20世纪30年代国外首先在组合梁中采用了螺旋筋和锚筋剪力连接件，两种剪力连接件一直被沿用到40年代，随着20世纪40-70年代对性能更好的栓钉和槽钢剪力连接件性能研究的深入以及承载力公式的提出，螺旋筋和锚筋剪力连接件逐步被取代。现在随着研究的深入各种新型抗剪连不断出现[3]。

1 剪连接件的类型

1.1 化学胶体型连接

1.1.1 自然形式粘接

自然形式粘接一般通过组合结构中钢梁与混凝土的接触实现，通过两者的自然作用结合在一起。两者的自然粘接作用较弱，一般是通过改变钢梁与混凝土的接触面积实现。此类粘接形式和钢筋混凝土中的钢筋与混凝土的连接作用相似。但是完全依靠自然连接没有足够的接触面积，并且粘接力主要来源于接触面的摩擦力，梁端部的受力一般是负弯矩，此时没有正向压力，端部的粘结基本没有结构容易发生破坏。

1.1.2 化学粘结剂连接

化学粘结剂性连接一般通过树脂类、烯类等化学粘结剂将钢构件与混凝土构件组合在一起。此类连接形式通过人工涂刷粘结剂，组合结构中粘结力分布比较均匀，受力比自然粘结合理，通常在钢混组合板中较为常见。在其它受力较大的组合梁中通常与其它抗剪连接件联合应用，其突出的缺点是难以抵抗组合结构中构件的掀起力，因此不能在受疲劳荷载以及动荷载的结构中采用。但是化学粘结剂配合摩擦型高强螺栓使用将大大提高其连接作用，明显改善化学粘结剂在受疲劳荷载以及动荷载的结构中的不利。我国化学粘结剂多数用来对危险梁、柱结构进行加固，强度得到了保证取得了不错效果。

1.2 机械连接

1.2.1 柔性连接件。

现在柔性连接件有了更多的种类包括栓钉、摩擦型高强螺栓、钢筋、L形连接件、角钢锚和环钩等。柔性剪力连接件刚度小、变形能力大，连接件在受力变形过程中出现应力重分布，大部分连接件可以达到最大的承载力，为延性破坏。其中槽钢连接件可以同时抵抗剪力和掀起力，种类多样，适用范围广，适应性强的特点。但是现场焊接，不利于施工进度。弯筋剪力连接件具有较大的局限性，抵抗剪力主要依靠它的抗拉强度。如果无法明确剪力方向或其方向可能存在改变的情况时，不应选用弯筋剪力连接件。栓钉连接件其施工简单方便，力学性能良好，便于施工中钢筋笼的绑扎，单位承载力用钢量最少，现在柔性连接最先采用栓钉连接件，其次可以选用槽钢或弯筋。

1.2.2 刚性连接件。

包括马蹄形连接件、方钢连接件、T形连接件、U形连接件等属于刚性剪力连接件。刚性剪力连接件变形能力小、刚度大，破坏是“拉链式”破外属于脆性破坏。其承载能力基本上由受力最大的连接件决定。刚性连接件破外时容易导致混凝土压碎或剪切破坏具有突发性，一般难以提前做出预防。因此一般刚性连接件上需要焊接钢筋，保证一定延性。

1.2.3 刚度滞后型连接件。

为提高梁的负弯矩区承载能力，可以采用预应力施工。在施工预应力组合梁时，需注意预应力对钢梁的不利。施工阶段抗剪连接件不需要刚度，使用阶段希望将钢梁构件和混凝土板连接成承载力很高的整体，为了工程上的要求，20世纪80年代刚度滞后型连接件首次在国外出现。为消除刚度滞后降低预应力的不利影响，此类剪力连接件在剪力连接件底部设置硬化型环氧树脂，通过控制树脂用量的方法达到目的。为保证剪力滞后抗剪连接性能与焊接时一致，在制作环氧树脂的时候可以再加入适量的硅砂。

1.3 摩擦型连接

摩擦型连接件一般是用高强螺栓，最早可以追述到20世纪60年代末[4]。高强螺栓剪切连接件在有或没有预紧螺栓的情况下，可以将有或无螺母嵌入板坯中的复合作用建立起来，此类连接件具有更好的强度和延性性能。用扭矩扳手施加预紧力，可进一步加强接触面的挤压，提高相应的摩擦力。通过螺栓栓杆的变形以及通过扭矩扳手施加的预应力直接承受剪力，一般在预制结构中使用。高强螺栓具有强度高，刚度较小的特点，在进行抗剪连接件的布置时较少的螺栓就可以承受很大剪力，便于施工。同时螺栓抗剪连接件的破坏是延性的，破坏具有显著的变形，同时摩擦型连接的所有构件都可以工厂加工，现场进行简单的安装，此类连接的组合结构在施工现场可以迅速完成架设，在桥梁中遇到复杂及特殊情况时优先选用。其在施工速度、环境保护、施工条件等方面比现浇混凝土优势突出，更符合国家绿色发展的要求

2 抗剪连接件研究

目前的研究，多数研究集中于栓钉和PBL连接件，其中栓钉抗剪连接，研究了栓钉直径、混凝土强度以混凝土板中的配筋等不同因素，对抗剪连接件破坏方式、承载能力、剪切刚度等的影响，将实验数据与已有计算公式计算的承载力及抗剪刚度进行详细对比研究。20世纪80年代PBL抗剪连接件首先由德国研究人员发明，目前国内主要研究研究混凝土强度、开孔板的开孔大小、孔内钢筋类型、开孔板本身的高度和厚度等因素对组合构件的破坏形式、荷载-滑移性能和抗剪承载能力等的影响。随着时代的发展型钢连接件、栓钉加钢板连接件、传统PBL连接及改进形式、半圆钢连接件、T形肋开孔GFRP抗剪键[5以及各种组合形式连接件等新型抗剪连接件不断出现。上述几种抗剪连接件都增大了抗压区混凝土的面积，避免因混凝土破外导致构件提前丧失承载能力，因此他们有更好的力学性能。有的抗剪连接件承载力高但是在有限的抗剪连接件的情况下抗剪的接触面积相对较小。因此在满足基本要求的同时，新型抗剪连接都尽可能增大了与混凝土的接触面积。

3 新型抗剪连接件

为进一步加强抗剪连接件的组合作用，依据以往的连接件类型提出一种新型抗剪连接件。在摩擦型螺栓抗剪连接件的基础上焊接钢板，此时螺栓明显既受剪力作用，也受拉力作用，螺栓下方的混凝土受到挤压作用。通过钢板连接抗剪连接件增大了抗剪的接触面积，根据有关的模拟分析及试验的结果可以得到结论：影响新型抗剪连接件承载力的因素有钢板长度及厚度、螺栓强度等级、焊接的质量、螺栓和钢板的埋入长度等。钢板的厚度及长度越大，整体的刚度就越大，抗弯曲变形能力更好；螺栓的强度等级越高、焊接质量越好承载力越高；螺栓和钢板的埋入长度在合理范围内埋入长度越大，承载力越高。

4 结论

抗剪连接件在组合结构中起着决定性作用。直接决定了组合结构的整体工作性能好坏，因此新型抗剪连接件的研究具有非常重要的意义。本文介绍的抗剪连接件的研究通常都是在两个方面的，一方面减少抗剪连接件的数量，另外在有限的抗剪连接件的情况下增大抗剪的接触面积。

[1] 刘坚,周东华,王文达,郝际平.钢与混凝土组合结构设计原理[M].北京:科学出版社,2005

[2] 胡少伟.钢-混凝土组合结构[M].郑州,黄河水利出版社,2005

[3] 胡夏闽.欧洲规范 4钢一混凝土组合梁设计方法(6)一剪力连接件.工业建筑,1996,26(2):50-58

[4] Pavlović M, Marković Z, Veljković M, etal. Bolted shear connectors vs. headed studs behaviour in push-out tests[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2013,88(9):134-149.