2第二章 钢与混凝土的连接与组合

1 3 1 3 bh bh 12 6 1 2 I b(2h) 3 bh 3 12 3
增大了4倍。
另外，“组合”还有另一种意义。 如下图2.3 所示两个刚度不同的梁简单叠合后受力，则由于刚度差。
( EI ) CD （例如 ( EI ) AB 比 截面高度的梁的叠合）
大得多。因为是两种不同材料与不同
根据试验结果，并考虑满足可靠指标的要求，一个带头栓钉仅受纵 向剪力 的剪切承载能力可按下式计算
0.43 As f c Ec 0.7 As f c 当 h d 3.0 时， NV 0.33 As f c Ec 0.7 As f
当h
d 4.2
时， NV
c
（2.2） （2.3）
当 在 3.0～4.2之间，可用线性插入法确定。 h/d h—栓钉全长； d—栓钉杆直径；
一个槽钢连接件的设计承载能力(kN) 槽钢型号
C20 6.3 8 10 12,12.6 130 138 146 154
C30 173 183 194 205
C40 205 217 231 243
3.弯筋连接件
弯筋连接件的抗剪作用主要通过与泥凝土的锚固作用获得，当弯筋的锚团长 度在构造上满足要求时，影响抗剪承载力的主要因素为钢筋截面面积和强度。当
图2.4 槽口槽纹的不同形式 各种槽口槽纹的压型钢板型式见P35图3.1.1, P36图3.2.1
组合梁上的剪力件分两类： 1.柔性剪力件 一般为带头栓钉，如图2.5.
2.刚性剪力件 柔性剪力件，虽然能抵抗纵向剪力及掀起力，但是由于其 刚度较小，在纵向剪力作用下，由于栓钉杆的变形，引起 被连接两部件在界面上的滑移。对于一些需要严格控制滑 移的构件，可采用刚性连接件。刚性连接件由方钢、丁字 钢、槽钢或马蹄形钢来制作。为了有效抵抗掀起力，一般 在其上焊接“U”形钢筋或带钩斜筋。如图2.6所示。
8.5剪切连接件的承载能力计算
1．栓钉连接件 试验表明，栓钉连接件在混凝土中 的受力状态类似“弹性地基粱” (图8— 12A)。该“地基梁”在A端受到混凝土 向上的作用力，由于A端发生较大的 “沉陷”，使整个栓钉有一个按图示虚 线 方间转动的趋势，而B端上入混凝上对 这种趋势给予约束，产生与A端反向的 约束力，AB段的混凝土作用力分布见图 8—l 2(b)。 随着材裁荷载的增加，A端混凝土上首 先进入塑件， 塑性区不断由 A端向B端扩展，当混凝 土反力分布如图 8—12(c)时，栓钉达到极限展载力。
栓钉的直径而且影响到组合结构的破坏形态，直径大的栓钉，达到 最大破坏荷载时可能是由于栓钉周围混凝土的破坏；而直径小的栓钉， 一般是由于栓钉的剪切破坏。两种破坏形态的界限大致为直径16mm～ 19mm，并与混凝土强度有关。
确定连接件强度的一种方法是至少做相同的10个试件，测得它们的 极限荷载，然后取概率曲线上的0.05分位值作为连接件的极限荷载Pu 。剪力件的设计承载能力按下式计算： (2.1) 式中，f y 为连接件材料的设计强度； 为连接件材料的实际屈服应力
梁的支座处最大剪应力
1 V ql 2
max
1 ql 3 V 3 2 3 ql 2 b(2h) 2 b(2h) 8 bh
ql 4 5 ql 4 3 b( 2h) 256 Ebh3 E 12
最大挠度（跨中）
5 ql 4 5 f 384 EI 384
完全组合的梁与两者简单叠合（未组合）的梁相比：
8．4 疲劳荷载下抗剪连接件 的工作性能
承受疲劳荷载的钢—混凝土组合梁在丁程结构中的应用也比较普遍，如各种桥梁， 吊车梁等。试验研究表明，抗剪连接件是影响组合粱疲劳性能的重要因素。在保证焊接质 量的前提下，组合梁的疲劳破坏在很多情况下都是由抗剪连接件的剪切疲劳破坏造成的。 抗剪连接件的抗疲劳性能受到混凝土类型、强度等级、横向钢筋配筋率等多种因素的影响 2002年清华大学进行厂组合梁的疲劳试验。试验表明，随着疲劳荷载作用次数的增 加，栓钉的承载力不断降低，降低的速率取决于作用在栓钉上的疲劳荷载幅。荷载幅越 大，栓钉的极限强度下降也越快。目前，我国在钢—混凝土组合梁疲劳方面的研究工作比 较少，有待于进一步开展和深入。
图2.5 带头栓钉
2.6
图 剪 切 连 接 件
在早期的建筑工程中常采用槽钢、方钢等，但由于构造及加工均较复杂，现在 已很少采用。有些工程由于缺少专用的设备，也有采用弯筋剪力连接件。 槽钢连接件抗剪能力强，重分布剪力的性能好，翼缘同时可以起到抵抗掀起的 作用。槽钢型号多，取材方便，选择范围大，同时便于手工焊接，具有适用性广的 特点，但是槽钢连接件现场焊接的工作量较大，不利于加快施工进度。 栓钉连接件制造工艺简单，不需要大型轧制设备，使用工业化生产。用半自动拉弧 焊机施工非常迅速，受专业环境的限制较少，便于现场的焊接和质量的控制，栓钉 连接件各向同性，受力性能好，沿任何方向的强度和刚度相同，对混凝土板中钢筋 的布置影响也较小，因此，栓钉连接件已经成为目前应用最广泛的抗剪连接件。
y
c 为连接件的抗剪设计承载能力。 ；P 为连接件的剪切极限荷载； N u V
在
8．3 抗剪连接件的静力工作性能
推出试件在荷载作用下，除少部分荷载以摩擦力的形式且接传给混凝土板外、绝大
部分荷载均直接传递给抗剪连接件，造成连接件根部的混凝土在高应力作用下发生变形， 使工字钢与混凝土之间发生相对沿移。此时混凝土板处于偏心受压状态，在弯矩的作用
目前我国的栓钉常为标准件厂生产，一般采用圆钢冷镦而成。栓钉的制作工艺简单、 标准，质量均有保证。栓钉一般采用专用称为半自动拉弧焊机的设备进行焊接，栓钉焊 接时还需要在栓钉焊接端外套专用瓷环。在焊接过程中，栓钉与钢板接触接通焊接电流， 将栓钉熔化并在钢板上形成熔池，通过专用焊枪将栓钥“‘植”于熔池中。所以这种焊 接在一些地方也称之为植焊。栓钉的焊接质量检验也较为方便，焊接外观要求栓钉根部 焊脚均匀，在360度范围焊脚均应融合，否则应该补焊。对ห้องสมุดไป่ตู้焊接栓钉应该进行每批次 10%，且不少于10个的抽检，检查时通过敲击法将栓钉弯曲30度。要求焊接区和热影
第二章 钢与混凝土的连接与组合
2.1 概述
前已述所谓组合构件、组合结构，是两种或两种以上的材料组合在一 起，共同工作的构件或结构。组合构件的关键是“组合”，必须是组合 在一起共同工作的构件才是组合构件。 举一简单例子。若两个梁无结合叠合在一起，受力及变形情况如图2.1 ，根据材料力公式可得： 最大正应力：
响区没有肉眼可见的裂纹。
2.3 剪切连接件的实验研究
连接件的强度与荷 载-滑移关系和组合 构件的设计密切相 关。连接件的强度 与荷载滑移曲线一 般可用推出实验直 接测得。标准试件 的尺寸与型钢截面 的要求见图2.7。
图2.7
推出试验的试件形式尺寸
剪力件的极限强度与混凝土强度、栓钉直径、栓钉材料的强度等因 素有关。
(0.4~0.6）PU(PU为极限荷载）时，连接件位置处开始出现第一条水平裂缝I,如图8—9所
示(图中标号表示裂缝出现的先后顺序)。第一条裂缝的出现并小明显改变连接件的工作 件能，有一个较长的稳定过程。当荷载增加到(0.65~0.95) PU时，裂缝I继续延伸发展并 且出现第二条裂缝II。此后滑移和掀起迅速增加，在温凝土板外侧面也出现裂缝。随着
q
A
h
L/2 L/2
h
b
max
max
max
max
图2.1 非组合梁
如果上下两梁完全组合在一起，按下图受力及变形
q
A
h
L/2 L/2
h
b
max
max
图2.2 组合梁
1 2 M ql max 按材料力学公式求得： 8
梁上下纤维的最大正应力（跨中）
max
My max I ql 2 h 3 ql 2 8 3 16 bh2 b( 2h) 12
随着裂缝的延伸和加宽，混凝土板不能能抵抗更大的荷载，即达到极限荷载PU，这种破坏
以裂缝II的出现为标志，栓钉能够产生较大的塑性变形，具有较好的延性和较高的承载力 (2)栓钉剪断破坏 当混凝土强度较高而栓钉较弱时，发生这种破坏模式。这种破坏以栓钉剪断为标志 温凝土板外观无明显裂缝或微裂，栓钉根部的混凝土被压碎： (3)混凝土板劈裂破坏 当混凝土板内栓钉沿荷载方向布置时易发生这种破坏(如图8—10)。混凝土翼板下 部出现斜裂缝时达到破坏：劈裂破坏荷载明显低于前述两种类型的破坏荷载，在实际工程 中应采取措施予以避免。 除上述三种主要破坏形态外，推出试件 还可能出现炽缝破坏和栓订报出破坏，但可 以通过摔制焊缝质量、限定栓钉长径比的下 限值或控制混凝土板掀起子以避免。
正应力：由
3 ql 8 bh2
2
3 ql 2 16 bh2
减小一半
3 ql 剪应力：由 8 bh
挠度：由
3 ql 8 bh 两者相等，
5 ql 4 256 Ebh3
减为1/4，大大减小。
不过并非h/2处而是两梁交界面处。
5 ql 4 64 Ebh3
I 2
这是因为组合以后的惯性矩由原来的
增大为：
380.1
17 28.8 43.7 61.6
82.5
22.6 38.3 58.0 81.8
109.6
26.9 45.4 68.8 97.0
130.1
11.8 20.0 30.3 42.7
57.2
2.槽钢连接件 影响槽钢连接件承载力的主要因素有混凝土强度及槽钢的几何尺
寸和材质等。混凝土强度越高，承载力越大；槽钢高度大有利于腹板
max
Mymax ql 2 h I 16 2
bh3 3 ql 2 12 8 bh2
最大剪应力：
max
最大挠度：
3V 3 ql 2 bh 2 4 q 4 l 5 2 5 f 384 EI 384
1 3 ql bh 8 bh q 4 l 4 5 ql 2 3 bh 64 Ebh3 E 12
图2.3
组合梁中的“掀起力”
( EI )CD 若 ( EI ) AB ，则上梁 AB的挠度比下梁CD少得多，使上下梁就产生 分离，似乎有一种“掀起力”。因此要达到完全组合，界面上发生 共同变形不仅要克服界面上的纵向剪力，彼此纵向滑移，而且要克 服掀起力，阻止两者上下分离。
2.2 连接方式
组合构件中混凝土与钢连接应视构件的形式与受力性能采取不同的方式。 对于不同的组合构件，对组合作用有不同要求。因而有不同形式。本章主 要是讲用于组合梁中的剪切连接件。 钢—混凝土组合板主要是靠压型钢板压制成凸凹的纵肋与槽口，槽纹起到 混凝土与压型钢板的连接作用。压型钢板压成纵肋，不仅增强粘结作用，又 大大提高了钢板的刚度，使其可以作为模板而不加支撑（或只设少量支撑）
表2.2 直径 (mm) 8 截面面积 (mm) 50.3
一个带头栓钉的抗剪承载力 栓钉承载力(kN)0.43As / f c E c C20 10.9 C30 14.5 C40 17.2 栓钉承载力(kN) 0.7 As f 7.6
10 13 16 19
20
78.5 132.7 201.1 283.5
下发生如图8—8所示的转动，工字钢和混凝土在连接件上入基本处于挤压状态，而靠近
混凝土板底部则出现相对分离的趋势，这就是通常所指的混凝土翼板的掀起。 根据混凝土翼板的构造和栓钉的强度，栓钉推出试验可能产生以下几种破坏形态。
(1)混凝土板压碎破坏
对于标准推出试件，当栓钉直径在19mm左右、混凝土立方体强度fcu ≤ 35N/mm² 时大都发生这种破坏。加载初期，滑移和掀起效应都比较小且增长缓慢。在荷载增加至
As —栓钉杆截面积； f c—混凝土轴心抗压强度； Ec —混凝土弹性模量； f —栓钉材料抗拉设计强度.
表2.2给出了相应于常用混凝土强度等级、多种规格栓钉的抗剪承载力
1.一无头栓钉剪力连接件的承载力
如果栓钉的抗拔力得到可靠保证 , 亦可用无头栓钉 , 其承载力可按上述 (2.2) 、(2.3)式计算,并参考表2.2。
抗拉强度的发挥，同时混凝土板的“套箍”作用也更大；翼缘宽度的 大小则直接决定丁内冀缘传送压应力的区域和内翼缘界面摩接力的大 小。《钢结构设计规范》(GD50017—2003)规定的槽钢连接件抗剪承 载力设计值计算公式为：
c NV 0.26(t f 0.5t w )lc Ec f c
表2.3 一个槽钢连接件的设计承载能力