摘 要:在分析國內外鋼—混凝土組合梁各種剪切連接件形式的基礎上,著重闡述了鋼—高強混凝土組合梁中栓釘連接件的受力性能和承載力計算方法,提出了有待完善的地方。
關鍵詞:組合梁,栓釘連接件,承載力
中圖分類號: TU375. 1
鋼—混凝土組合梁是一種重要的橫向承重組合構件,通過抗剪連接件將鋼梁和混凝土板組合成整體共同受力,從而能夠充分發揮鋼材抗拉、混凝土抗壓性能好的優點。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,同時還能抵抗使兩者分離的掀起作用。而高強混凝土在組合梁中的應用表明,抗剪連接件的設置顯得尤為重要。
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、摩擦型高強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構,后者則廣泛應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 栓釘連接件工作機理
栓釘在抵抗混凝土板與工字鋼的相對滑移與掀起時,栓釘根部為拉—剪—彎復合受力形態,其受力狀態類似于彈性地基梁。栓釘受到根部傳來的荷載與混凝土的被動反力,如同一根“地基梁”,外層混凝土因為一側無橫向約束,抗壓強度較低,剛度較小,而另一側混凝土受到周圍混凝土的約束,抗壓強度較高,剛度較大。如圖1 所示,隨著荷載的增大,A 端混凝土首先進入塑性,塑性區由A 端向B 端擴展,滑移增加越來越快。當栓釘截面達到極限強度或混凝土板不能承受栓釘傳來的更大壓力時,即達到極限承載力。
2. 2 栓釘連接件的破壞機理
栓釘連接件在破壞時破壞形式通常有三種:
1) 栓釘根部受剪受拉破壞。鋼—高強混凝土組合梁中通常栓釘相對于混凝土板較弱,即混凝土強度等級較高。破壞呈一定的脆性,破壞時栓釘斷口平整,根部下方小范圍內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, 僅與栓釘的型號和材質有關。
2) 混凝土板壓潰破壞。當混凝土等級相對較低,此時混凝土抗壓強度不足導致混凝土板壓潰破壞。破壞時栓釘前面根部的混凝土發生局部受壓破碎。此時,栓釘表現出較好的延性,其極限承載力隨栓釘直徑的增大和混凝土等級的提高而增大。
3) 混凝土板的劈裂破壞。高強混凝土具有脆性大、延性差等特點,當混凝土板內的橫向抗剪鋼筋配置不足時,混凝土板將會因其抗剪能力不足而在栓釘根部產生劈裂破壞。
3 栓釘承載力的計算方法
20 世紀60 年代后期,輕骨料混凝土得到了廣泛應用。1971年J . W. Fisher 通過對推出試驗數據的分析,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算公式:
20 世紀60 年代后期,輕骨料混凝土得到了廣泛應用。1971年J . W. Fisher 通過對推出試驗數據的分析,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算公式:
其中, Ast為栓釘的橫截面面積; Ec 為混凝土的彈性模量; f c′為混凝土圓柱體抗壓強度。
各國學者在式(1) 的基礎上,結合本國的試驗數據并考慮栓釘的不同破壞形式,提出了不同的栓釘抗剪承載力計算公式。
加拿大SI6. 1121974 鋼結構設計規范在制定時采用了(1) 式,但加入了NcV ≤448 Ast的限制。日本規范也采用(1) 式,但比較保守的規定Ecf c′使用范圍為345 MPa～621 MPa。ECCS 于1981 年頒布的《組合結構》規范規定:當hst / dst ≥4. 2 時,
其中, f ck′為混凝土圓柱體抗壓強度標準值; f u 為栓釘屈服強度設計值。
我國在原GBJ 17288 鋼結構設計規范引入鋼—混凝土組合梁設計的內容,其中給出的栓釘受剪承載力表達式為:
其中, Ec 和f c 為混凝土彈性模量和軸心抗壓強度設計值; f為栓釘抗拉強度設計值。
我國現行的GB 5001722002 鋼結構設計規范對鋼—混凝土組合梁設計條文進行了較大改進,其中給出的栓釘承載力公式為:
其中,γ為栓釘材料抗拉強度最小值與屈服值之比。與舊規范相比,新規范改用栓釘材料的抗拉強度來計算其承載力。舊規范制定時限于經驗不足,采用了栓釘材料的設計強度來進行其承載力的計算,從而導致了設計工作中栓釘數量過多,間距過小,施工不便。新規范在國內大量試驗研究的基礎上,并借鑒了國外規范的相關規定,對栓釘承載力計算公式進行了調整。
通過引入強屈系數γ,提高了栓釘承載力設計值,方便了設計和施工。但是這些大量的試驗和研究也僅僅局限于普通強度的混凝土。
20 世紀90 年代末,清華大學通過對鋼—高強混凝土簡支組合梁的大量試驗,對高強混凝土的基本性能進行了試驗研究,對栓釘承載力計算得出以下表達式:當f u , st ≤564 MPa 且hst / dst ≤4. 0 時,
f u , st為栓釘抗拉強度。
試驗表明,對于高強混凝土我國規范規定的栓釘抗剪承載力計算公式上限過于保守,上述研究給出了建議性方法,對栓釘連接件在高強混凝土組合梁中的應用研究起到了重大的推動作用。
4 結語
隨著建筑材料和施工技術的不斷發展,高強混凝土在工程中得到了越來越廣泛的應用。但是,高強混凝土脆性大、延性差等缺點導致其應力—應變關系與普通混凝土相差很大,許多學者對
普通混凝土強度與連接件受力性能間的關系進行了試驗研究和理論分析,但對高強混凝土組合梁的分析很有限,還需進一步研究。
參考文獻:
[1 ]趙鴻鐵. 鋼與混凝土組合結構[M] . 北京:科學出版社,2001.
[2 ]胡夏閩,劉子彤,趙國藩. 鋼與混凝土組合梁栓釘連接件的設計承載力[M] . 北京:建筑工業出版社,2000.
[3 ] GB 5001722002 ,鋼結構設計規范[ S] .
[4 ]聶建國. 鋼—混凝土組合梁結構———試驗、理論與應用[M] .北京:科學出版社,2005.
[5 ]朱聘儒,朱 起. 組合梁的連接件與設計承載力[J ] . 工業建筑,1985 (10) :226.
