钢-混凝土组合梁弯筋连接件的抗剪承载力.pdf

4 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 9卷第 3期 2 0 1 3年 6月 钢一 混凝土组合梁弯筋连接件的抗剪承载力 张中育， 李青宁， 姜维山 ( 西安建筑科技大学土木学院， 陕西 西安7 1 0 0 5 5 ) 摘要： 针对钢一 混凝土组合梁抗剪连接件中的弯筋连接件开展研究 ， 比较了目前各国规范中的弯筋连接件形式及 其抗剪承载力计算公式。分析了近年才开始用于实际工程中的蛇形弯筋连接件的特点及构造， 并在此基础上提出 蛇形弯筋连接件的抗剪承载力计算公式 ， 以供工程设计参考。 关键词： 钢一 混凝土组合梁 ； 抗剪连接件； 弯筋连接件； 抗剪承载力 中图分 类号 ： T U 3 7 5 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 4 0 4 S h e a r c a p a c i t y r e s e a r c h o n b e n d b a r c o n ne c t o r s o f s t e e 1 c o nc r e t e c o m p o s i t e b e a m s Z HA N G Z h o n g y u ， L I Q i n g n i n g ， J I A N G We i s h a n ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ，X i a n U n i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y ， X i a ll 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h i s a r t i c l e ma i n l y d o e s t h e r e s e a r c h o n b e n d b a r s h e a r c o n n e c t o r o f s t e e l - c o n c r e t e c o mp o s i t e b e a ms a n d c o mp a r e s t h e s h e ar c a p a c i t y c a l c u l a t i o n f o r mu l a s o f d i ff e r e n t s t an d a r d s i n ma n y c o u n t rie s ， b e s i d e s ， t h i s p a p e r a l s o a n aly s i s t h e c h ara c t e ris t i c a n d s t r u c t u r e o f s e r p e n t s b e n t c o n n e c t o r s wh i c h i s u s e d i n p r a c t i c a l e n g i n e e ri n g r e c e n t y e a r s B a s e d o n t h e s e， t h e s h e a r c a p a c i t y c alc u l a t i o n f o rm ulas a r e p r o p o s e d w h i c h c a n p r o v i d e r e f e r e n c e s f o r e n gi n e e ri n g d e s i g n Ke y wo r d s： s t e e l c o n c r e t e ； s h e a r i n g c o n n e c t o r ； be n d b a r c o n n e c t o r s ； l o a d i n g c a p a c i t y o f s h e ar c o n n e c t o r s 0 引 言 近年来 ， 对于钢一 混凝土组合结构抗剪连接件 的 研究大多是针对栓钉抗剪连接件或者一些新型的抗 剪连接件 J ， 如 P e r f o b o n d S t r i p连接件、 T w i n P B L抗 剪连接件、 S P B L抗剪连接形式等。对于弯筋的抗 剪承载力研究或者构造要求 ， 大多仅 限于规范上所 出现的那一小段文字， 资料甚少。虽然对于钢一 混凝 土组合梁而言， 弯筋连接件弯起段不利于横向钢筋 的布置， 但是弯筋连接 件在抗剪性 能方面有其独特 优势 ， 应当取长补短， 改进和发展。 1 弯筋抗剪连接件的构造及特点 弯筋抗剪连接件是钢一 混凝土组合结构抗剪连 接件的一种， 属于柔性抗剪连接件， 主要是通过在钢 板与混凝土之间布置有角度的钢筋， 来抵抗钢板和 混凝土界面之间的剪力流， 弯筋抗剪连接件有多种 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 O 一 1 4 作者简介： 张中育( 1 9 8 5 一) ， 女， 安徽六安人， 在读硕士研究生， 研究 方向： 高层建筑结构分析与设计。 基 金项 目： 国家 自然科 学基金 项 目( 1 0 5 7 2 1 0 7 ) ； 陕西 省 自然科 学基 础研究计划项 目( 2 0 0 1 C 2 9 ) ； 陕西省重点学科建设专项资金资助项 目( E 0 1 0 0 4) E m a i l ： a y u 8 1 9 5 2 0 1 6 3 e o m 形式 ， 图 1列举了常用的几种形式 。图 1 ( a 、 c ) 所示 为剪力方 向明确时 ， 沿剪力方向布置的弯筋连接件， 图 1 ( b 、 d ) 所示为剪力方 向不明确或者剪力方 向可 能发生改变的组合梁部位处所设置的弯筋连接件形 式_2 J ， 此时应将弯筋连接件做成双向弯起的形式， 以保证抗剪连接件的可靠性。 留 (c ) ( d ) 图 1 弯筋连接件示意 F i g 1 S c h e ma t i c d i a g r a m o f b e n d b a r c o n n e c t o r s 1 1 弯筋连接件的构造 1 ) 弯筋连接件宜在钢梁上成对布置， 双面焊接 长度4 d ( d为钢筋直径) ， 如 图 2所示。当连接件 2 0 1 3 N o 3 张中育 ， 等： 钢一 混凝土组合梁弯筋连接件的抗剪承载力 5 采用 Q 3 4 5或 级钢筋时- 3 J ， 与钢梁焊接长度应 I5 d ， 见表 1 。 2 ) 弯筋连接件在混凝土板内弯起角度一般为 4 5 。 ， 弯折方向指向钢梁纵向水平剪力方向， 在梁跨 中纵向水平剪力方向变化的区段， 必须在两个方向 均设置弯筋 ， 如图 l ( b 、 d ) 所示 。 3 ) 弯筋连接件沿梁长度方向的间距不宜小于 混凝土翼板( 包括板托) 厚度的0 7倍； 最大间距不 应大于混凝土翼板( 包括板托) 厚度的4倍， 且不大 于 4 0 0 m m。 4 ) 弯筋连接件 的外侧边缘 与钢 梁翼缘边缘 间 的距离不应小于 2 0 m m； 弯筋连接件 的外侧边缘 至 混凝土翼板边缘 间的距离不应小于 1 0 0 mm； 连接件 顶面的混凝土保护层厚度不应小于 1 5 m m。 图2 弯筋连接件构造 Fi g 2 St r u c t ur e o f b e nd ba r c on ne c t or s 表 1 弯筋连接件的锚固要求 Ta b l e 1 An c h o r a g e r e q u i r e me n t s o f b e n d b a r c o n n e c t o r s 项次 钢筋种类 锚固长度 Z 仅水平段锚固长度 弯钩 注： 当 h 时 ， 锚固长度 1 从中和轴 00与弯筋 连接件 的交点算 起； 当 时， 从弯筋连接件的根部算起； 锚固长度z 不应小于 2 0 0 mm 。 1 2 弯筋连接件的特点 1 ) 弯筋连接件属于柔性连接件， 其破坏形态比 较协调一致 ， 很少发生突然破坏 ； 2 ) 弯筋连接件是沿梁跨度方向焊接的， 与混凝 土的结合十分紧密， 不容易产生横向裂缝， 故不会对 混凝土翼板的纵向抗弯刚度和强度产生大 的影响 ； 3 ) 弯筋连接件只能单向抗剪， 不能传递交变方 向的剪力 ， 故弯筋连接件的倾斜方向应顺向受力方 向 ； 对于在剪力方 向不明确或者剪力方向可能发生 改变的部位 ， 必须在两个方向上均设置弯筋 ； 4 ) 弯筋连接件的弯起段虽不利于混凝土中钢 筋 的布置， 但可就地取材 ， 且制作 简单 ， 施 焊时不需 要专用设备， 与混凝土和钢梁的结合力柔中有刚， 抗 剪切和抗掀起能力较强。 2 弯筋连 接件 的抗剪承载力计算公 式 各国规范根据所考虑 的因素不同， 得到各不相 同的弯筋连接件抗剪承载力计算公式。 欧洲规范在不考虑钢板和混凝土之间摩擦效应 的前提条件下 ， 按照弯筋的屈服条件 ， 得到如下抗剪 承载力计算公式： r 广 = c o s + ( 1 ) 式中A 弯筋截面面积 ； 弯筋与钢梁的夹角 ； 抗力分项系数 ； 弯筋的屈服强度。 当 O 4 5 。 时 ， 采用如下公式进行计算 ： 4， = ( 2 ) J二y 美国混凝土协会 ( A C I ) 根据摩擦 学理论 ， 假 定 钢筋单轴受拉 ， 并考虑钢板 和混凝土之间的摩擦作 用 ， 得到计算公式如下 ： = A 。 ( C O S O L + x s i n a ) ( 3 ) 式中， l 一混凝土和钢板之间的摩擦系数 ， 取 = 0 7。 另有学者建议 ， 在考虑弯筋焊接端混凝土局 部压力 P的情况下 ， 采用如下公式 ： =A , f r ( c o s + x s in ) + ( s in 一 tL C O S OL ) + P ( 4 ) 其中， P= 。 ， J B= 5 3一l 2 。 德国及前苏联则在忽略弯起角度影响和混凝土 摩擦作用的前提下 ， 给出如下公式 ： =A 。 ( 5 ) 因为弯筋连接件通过与混凝土锚固而获得抗剪 作用， 当弯筋的锚固长度在构造上满足要求后， 影响 抗剪承载力的主要因素则是弯筋的截面面积和弯筋 的强度等级。试验与分析表明， 当弯筋的弯起角度 为 3 5 。 一5 5 。 时， 弯起 角度的因素可 以忽略不计 ， 从 而得到如( 5 ) 式所示的抗剪承载力计算公式 。 试验表明， 实狈 0 结果和按式( 5 ) 计算结果之比 在 1 2以上， 故我国G B 5 0 0 1 7 -2 0 0 3 ( 钢结构设计规 范 给出的抗剪承载力设计值将弯筋的屈服强度 改用抗拉强度设计值 ， 不再乘折减系数， 即： = A 。 ( 6 ) 对于上式， 当弯筋连接件位于连续梁中间支座 6 四川建筑科学研究 第 3 9卷 负弯矩区则应乘以0 9 3的折减系数 ， 当位于悬臂梁 内端负弯矩段 内时应乘以 0 8的折减系数 。 3 蛇 形弯筋抗剪连接件的构 造及 特 占 ， 、 在弯筋连接件的基础上， 考虑地震作用方向是 正负反复循环 的， 故采用蛇形弯筋连接件 ( 或波形 弯筋连接件) ， 这种蛇形弯筋连接件就相当于是正 、 反弯筋连接件依次首尾相连而成 ， 如图 3所示。 堕查 塑塑 图 3 蛇形 弯筋连接 件 Fi g 3 Se r pe nt s be I l t c o nne c t o r s 蛇形弯筋连接件一般用直径不小 于 1 0 mm的 钢筋制作而成 ， 其构造和施焊要求与弯筋连接件类 似。由于蛇形弯筋连接件是连续的， 其弯起段长度 可较小， 并且上部水平段的长度可以远小于 1 0 d ( d 为钢筋直径) ， 甚至在为满足横向钢筋布置要求时 上部水平段可以缩减为零 ， 做成连续三角蛇形弯筋 连接件， 如图4 所示。为增强连接可靠性， 减小应力 集中， 宜在钢梁上翼缘焊双排蛇形弯筋连接件。 图4蛇形 弯筋连接 件( 三角形 ) F i g 4 S e r p e n ts b e n t c o n n e c t o r s ( t r i a n g l e ) 蛇形弯筋连接件相对于普通弯筋连接件来说有 以下两个特点 。 1 ) 刚度增大。普通弯筋连接件是单个的， 而蛇 形弯筋连接件是连续的， 在混凝土翼板内形成了类 似于“ 桁架” 的结构， 其刚度比普通弯筋的刚度要增 大很 多 。 2 ) 剪力传 递方 向不再单一。普 通弯筋连接件 只能单方 向传递剪力 ， 对 于在剪力方 向不 明确或 者 剪力方向可能发生改变 的部位， 必须在两个方向上 均设置弯筋 ， 而蛇形弯筋在摆放时只需将其沿梁跨 纵 向摆放 ， 不需为设置方向与水平纵 向剪力方 向是 否一致而担心。 虽然蛇形弯筋连接件的弯起段会不利于混凝土 中横向钢筋的布置 ， 但可 以通过合理设计摆放位置 而避免。蛇形弯筋连接件可方便取材， 就地施工 ， 不 需机加工和切割 ， 直接将直径不小于 1 0 m m 的钢筋 (I 级、 级均可) 弯成图 3或图 4所示 的连续形即 可 ， 制作简单 、 施焊方便 ， 不需专用设备和夹持工具 ； 另外， 蛇形弯筋连接件和钢梁上翼缘形成封闭波， 钢 筋与混凝土之间很难发生相对移动 ， 连接极为可靠 ； 且蛇形弯筋连接件不会在混凝土间形成横向裂隙， 不会削弱混凝土横向强度及刚度。 4 蛇形弯筋连接件 的抗剪承载 力的 计算 对于蛇形弯筋连接件的抗剪承载力计算 ， 国内 外规范均未给出相应计算公式 ， 设计 时一般 的做法 是参考我国规范给出的弯筋抗剪承载力计算公式。 但这样便忽略了与剪力相反方向设置的弯筋抗剪能 力 ， 如图 5 ( b ) 所示 ， 设计上偏于保守 。 考虑蛇形弯筋连接件上与剪力相反方向设置的 弯筋抗剪能力 ， 可参考反放弯筋 的抗剪承载力计算 公式 。文献 7 指出， 由于在离支座约 1 1 0梁跨 处容易造成脱空现象 ， 故可不考虑 Y方 向的分力 和 接触面上的摩阻力。那么由 X= 0 ， 并引入 得到 反弯筋连接件承载力标准值 ： v o = 0 8 6 h A 。 ， 经分 析并考虑各分项系数 和使 用经验不足 的折减 系数 后， 得到反放弯筋抗剪承载力设计值公式， 如式( 7 ) 所示。 通过这点 ， 可以在一定条件下类推 出蛇形弯筋 的抗剪承载力计算公式 ， 如图 5所示。 图5 ( a ) 所示的正放弯筋， 其抗剪承载力设计值 弯筋连接件 剪力方 向 图5 蛇形弯筋抗剪承载力计算简图 F i g 5 S h e a r c a p a c i t y c o mp u t i n g mo d e l o f s e r p e n t s b e n t b a r s 2 0 1 3 N o 3 张中育， 等 ： 钢一 混凝土组合梁弯筋连接件的抗剪承载力 7 如( 6 ) 式所示； 图 5 ( c ) 所示的反放弯筋， 其抗剪承 载力设计值根据文献 7 ， 当 O t = 4 5 。 一5 5 。 时 ： =0 7 5 h A ( 7 ) 其中， 7, 为弯筋肢数； 为弯筋与混凝土的锚固程度 系数 ； 对于 C 2 0 ， = 0 8 5 ； 对于 C 3 0 ， =1 0 0； 对于 C 4 0 ， = 1 1 5 ； 其他情况插值求之。 ， 对于图 5 ( b ) 所示 的蛇形弯筋 ， 笔者认为在左右 两段弯筋完全相同的情况下： 当 = 4 5 。 一 5 5 。 时， 其 一 个单元段的抗剪承载力设计值可以认为是图 5 ( a ) 和图 5 ( c ) 的叠加。因此在不考虑钢板和混凝土 之间摩擦力 的前提下 ， 整个蛇形弯筋 的抵抗力就可 以由两部分贡献， 即正放弯筋所贡献的部分和反放 弯筋所贡献 的部分。那 么， 在 凡=1时将 ( 6 ) 式 和 ( 7 ) 式相加 ， 引入系数 田便得到以下公式 ： =A 。 +0 7 5 A =A J ( 1+0 7 5 ) = q A 。 ( 8 ) ， 7 的取值 ： 当采用 C 2 0， = 1 6 4 ； 采用 C 3 0， = 1 7 5 ； 采用 C 4 0 ， =1 8 6 ； 其他情况插值求之。 5 蛇形弯筋连接件在工程中的应用 蛇形弯筋连接件已经应用在广西三江县高秀村 钢一 混凝 土组合梁 桥 中 。高秀村 桥跨径 9 m， 宽 5 1 m， 全桥采用长 9 m、 直径 1 2 m m 的蛇形弯筋连 接件共 4 条， 相当于 2 8 0多个普通弯筋连接件。用 钢量仅 4 O k g ， 3 个焊接工作 日即完成全部制作和施 焊工作。经计算， 高秀村钢一 混凝土组合桥所用的全 部剪切连接件总耗资不到 3 0 0元 。经实桥建造和荷 载试验证明： 蛇形弯筋连接件完全可 以代替规范推 荐的各种剪切连接件所能起到的抗剪切和抗掀起的 作用。 6 结 语 弯筋抗剪连接件在工程上的应用远少于栓钉 ， 其一 ， 是 由于弯起段不利于横向钢筋 的摆放 ； 再者 ， 考虑到单个弯筋连接件的钢材消耗比栓钉的要大的 多； 但弯筋连接件有其优点 ， 如 ： 相同截面的栓钉和 弯筋连接件相比， 弯筋的抗剪设计值比栓钉的要大 近 1 4 倍； 蛇形弯筋连接件的出现， 使得弯筋在混凝 土翼板 中形 成“ 小桁架 ” ， 改 变了栓钉 的 “ 悬 臂” 状 态， 增大了刚度， 减小了滑移； 另外， 蛇形弯筋连接件 可以作为钢筋混凝土翼板 的纵筋 ， 不需额外设置纵 筋， 从而大大节省了工时和材料。因此， 蛇形弯筋连 接件在工程上具有很好 的前景 ， 应在工程 中进行推 广。 参 考 文 献 ： 1 李淑琴 ， 万水， 陈建兵 一种新型抗剪连接件试验研究 J 桥梁建设 ， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 1 7 1 9 2 聂建国， 樊健生 钢与混凝土组合结构设计指导与实例精选 M j B 京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 8 3 张培信 钢 混凝土组合结构设计 M 上海： 上海科学技术出 版社 ， 2 0 0 4 4 占玉林 ， 赵人达 ， 毛学 明 钢 混凝土组合结构 中剪力连接 件承 载力的比较 J 四川建筑科学研究， 2 0 0 6 ( 1 2 ) ： 1 6 1 9 5 王连广 钢与混凝土组合结构理论与计算 M 北京： 科学出 版社 ， 2 0 0 5 6 G B 5 0 0 1 7 -2 0 0 3钢结构设计规范 S 7 周惟德， 白凤， 郑德尧， 等 反放弯筋连接件的格构式推出试 验研究关于钢- 混凝土组合桁架系列研究之三 J 合肥 工业大学学报 ： 自然科学版 ， 1 9 9 4 ( 3 ) ： 8 1 - 8 5 8 蔡耀中， 肖 杭 钢一 混凝土组合梁用剪切连接件的研究 J 世界桥梁 。 2 0 o 5 ( 1 ) ： 6 7 - 6 8