摘 要:在分析國內(nèi)外鋼—混凝土組合梁各種剪切連接件形式的基礎(chǔ)上,著重闡述了鋼—高強(qiáng)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(guān)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(gòu)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(fā)揮鋼材抗拉、混凝土抗壓性能好的優(yōu)點(diǎn)。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(guān)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(qiáng)混凝土在組合梁中的應(yīng)用表明,抗剪連接件的設(shè)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(huán)、摩擦型高強(qiáng)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(jié)構(gòu),后者則廣泛應(yīng)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(jī)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(fù)合受力形態(tài),其受力狀態(tài)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(cè)無橫向約束,抗壓強(qiáng)度較低,剛度較小,而另一側(cè)混凝土受到周圍混凝土的約束,抗壓強(qiáng)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(jìn)入塑性,塑性區(qū)由A 端向B 端擴(kuò)展,滑移增加越來越快。當(dāng)栓釘截面達(dá)到極限強(qiáng)度或混凝土板不能承受栓釘傳來的更大壓力時,即達(dá)到極限承載力。
2. 2 栓釘連接件的破壞機(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(nèi)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(guān), 僅與栓釘?shù)男吞柡筒馁|(zhì)有關(guān)。
2) 混凝土板壓潰破壞。當(dāng)混凝土等級相對較低,此時混凝土抗壓強(qiáng)度不足導(dǎo)致混凝土板壓潰破壞。破壞時栓釘前面根部的混凝土發(fā)生局部受壓破碎。此時,栓釘表現(xiàn)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(qiáng)混凝土具有脆性大、延性差等特點(diǎn),當(dāng)混凝土板內(nèi)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(chǎn)生劈裂破壞。
3 栓釘承載力的計算方法
20 世紀(jì)60 年代后期,輕骨料混凝土得到了廣泛應(yīng)用。1971年J . W. Fisher 通過對推出試驗數(shù)據(jù)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(jì)60 年代后期,輕骨料混凝土得到了廣泛應(yīng)用。1971年J . W. Fisher 通過對推出試驗數(shù)據(jù)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?shù)臋M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(qiáng)度。
各國學(xué)者在式(1) 的基礎(chǔ)上,結(jié)合本國的試驗數(shù)據(jù)并考慮栓釘?shù)牟煌茐男问?提出了不同的栓釘抗剪承載力計算公式。
加拿大SI6. 1121974 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范在制定時采用了(1) 式,但加入了NcV ≤448 Ast的限制。日本規(guī)范也采用(1) 式,但比較保守的規(guī)定Ecf c′使用范圍為345 MPa～621 MPa。ECCS 于1981 年頒布的《組合結(jié)構(gòu)》規(guī)范規(guī)定:當(dāng)hst / dst ≥4. 2 時,
其中, f ck′為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值; f u 為栓釘屈服強(qiáng)度設(shè)計值。
我國在原GBJ 17288 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范引入鋼—混凝土組合梁設(shè)計的內(nèi)容,其中給出的栓釘受剪承載力表達(dá)式為:
其中, Ec 和f c 為混凝土彈性模量和軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值; f為栓釘抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。
我國現(xiàn)行的GB 5001722002 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對鋼—混凝土組合梁設(shè)計條文進(jìn)行了較大改進(jìn),其中給出的栓釘承載力公式為:
其中,γ為栓釘材料抗拉強(qiáng)度最小值與屈服值之比。與舊規(guī)范相比,新規(guī)范改用栓釘材料的抗拉強(qiáng)度來計算其承載力。舊規(guī)范制定時限于經(jīng)驗不足,采用了栓釘材料的設(shè)計強(qiáng)度來進(jìn)行其承載力的計算,從而導(dǎo)致了設(shè)計工作中栓釘數(shù)量過多,間距過小,施工不便。新規(guī)范在國內(nèi)大量試驗研究的基礎(chǔ)上,并借鑒了國外規(guī)范的相關(guān)規(guī)定,對栓釘承載力計算公式進(jìn)行了調(diào)整。
通過引入強(qiáng)屈系數(shù)γ,提高了栓釘承載力設(shè)計值,方便了設(shè)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(qiáng)度的混凝土。
20 世紀(jì)90 年代末,清華大學(xué)通過對鋼—高強(qiáng)混凝土簡支組合梁的大量試驗,對高強(qiáng)混凝土的基本性能進(jìn)行了試驗研究,對栓釘承載力計算得出以下表達(dá)式:當(dāng)f u , st ≤564 MPa 且hst / dst ≤4. 0 時,
f u , st為栓釘抗拉強(qiáng)度。
試驗表明,對于高強(qiáng)混凝土我國規(guī)范規(guī)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(qiáng)混凝土組合梁中的應(yīng)用研究起到了重大的推動作用。
4 結(jié)語
隨著建筑材料和施工技術(shù)的不斷發(fā)展,高強(qiáng)混凝土在工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是,高強(qiáng)混凝土脆性大、延性差等缺點(diǎn)導(dǎo)致其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系與普通混凝土相差很大,許多學(xué)者對
普通混凝土強(qiáng)度與連接件受力性能間的關(guān)系進(jìn)行了試驗研究和理論分析,但對高強(qiáng)混凝土組合梁的分析很有限,還需進(jìn)一步研究。
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