剪力键作业.doc

课程作业 课程名称：钢-混凝土组合结构桥梁院 系： 土木工程学院 专 业：建筑与土木工程 2014 年 4 月 1.概念 钢-混凝土组合梁是继钢梁与混凝土梁之后出现的一种相对较新的结构形式, 目前在国内建筑、桥梁和井架等工程中的应用日益广泛。组合梁中的剪力连接件的主要作用是承受钢梁和混凝土翼板之间的纵向剪力, 从而保证组合梁作为一个整体构件受力的关键部件,钢混凝土组合梁是通过抗剪连接件将钢梁和混凝土板连成整体而共同工作的抗弯构件。剪力连接件是钢- 混凝土组合梁的关键部件, 剪力键作为钢-混凝土组合结构中的关键传力部件，能将钢材和混凝土两种不同性质的材料连接成受力整体，发挥各自的优点，改善结构的力学性能。 其主要作用有两个: 一是用来承受并传递钢梁与混凝土板间的纵向剪力; 二是用来抵抗混凝土板与钢梁之间的掀起作用。因此，剪切连接件设计和施焊的好坏直接决定着组合梁的质量和效果。2.分类2.1按连接件刚性与柔性的分类 按组合梁钢梁与混凝土组合的强与弱, 剪力连接件一般分为柔性连接件和刚性连接件两种,前者在极限状态时既限制钢梁与混凝土板之间的相对滑移, 又允许有一定的相对滑移值; 而后者完全不允许有相对滑移值。 常见的刚性连接件如图1所示。这种连接刚度大, 在连接件周围混凝土中引起较高的应力集中。在保证钢梁与连接件焊接强度的前提下, 连接件承载力极限状态是以连接件之间的混凝土的剪切破坏或连接件前混凝土的局压破坏为标志的。图1 刚性连接件常见的柔性连接件的形式如图2所示(箭头表示受力方向)。由于连接件的抗弯刚度相对较小,纵向剪力会使连接件变形, 试验表明, 组合梁试件破坏是由于跨中截面混凝土翼缘上表面达到了极限压应变, 而连接件仍有抗剪能力。图2 柔性连接件最近还出现了使用粘接剂(如环氧树脂类)连接的方法, 将钢与混凝土直接粘接在一起。这种连接多用于组合板中, 对于受力较大的组合梁通常配合高强螺栓的使用, 如图3。图3 采用粘接剂的组合板2.2按剪力隹接件的结构特点分类2.2.1栓钉连接件 栓钉连接件由于其受力性能好，施工方便，可靠性高，因此目前成为国内外运用最广泛的剪力建接件形式，它的作用首先是抵抗钢和混凝土界面处的水平剪力，防止二者之同的相对水平滑移；其次它的大圆头起到限制混凝土构件和钢构件之间分高的作用。 很多试验表明，当栓钉的长度与直径比h/d时，承载能力的增加量逐渐收敛；但当栓钉长度较小时，不仅承载能力比较低，而目会转化为栓钉拨出破坏形态t所以栓钉连接件一般采用直径较大一般取为12 -25 mm的栓钉，常用桂钉直径为16 - 19mm；抵抗掀起作用的圆柱头直径不小于其直径的1 5倍，而且桂钉直径不宜超过被焊钢梁翼缘厚度的2.5倍。同时，栓钉沿梁跨度方向的间距应不小于栓钉直径的6倍，垂直于跨度方向的间距应不小于栓钉直径的4倍。2.2.2弯起筋连接件 弯起筋连接件是利用钢筋的拉力即钢筋的锚固抗拔来抵抗交界面的剪力。因此，弯箭连接件的弯起方向应与钢梁上翼缘剪力流的方向一致，即与混凝土压翼缘压应力的方向一致。弯筋连接件的不足是其传递剪力的单向性，只能传递固定方向的剪力，不能传递交变方向的剪力。因此，对弯筋剪力连接件的设置方向很严，对施工要求很高，另外，弯筋的弯起段不利于混凝土中钢筋的布置。但其制作简单、施焊方便，与混凝土和钢粱的结合力既柔又强，抗剪切和抗掀起能力较强，是较常用的剪切连接件。弯起筋连接件一般采用直径不小于12 mm的I级钢筋制成，成对对称布置，用长度不小于4的双面侧向焊缝焊接在钢粱上翼缘上；其夸起角度一般为45。；每个弯起钢筋从弯起点算起的总长度不得小于25d(l级钢筋要加弯钩)，其中水平段长度不得小于10d水平段底部要高出混凝土翼板底部钢筋30 mm以上。2.2.3型钢剪力连接件 用作连接件的型铜常用的有槽钢(如图lb)、T形铜及方钢三种。槽钢常用的规格有80、100及120；T型钢在国外规格为100mmx 75mm高50mm；方钢规格为25mm25mm及50mm x38mm两种。槽钢的上肢（翼缘）有抗掀起功能，而T形钢及方铜必须加焊直径为12mm左右的箍筋才能保证不被掀起，并且箍筋的高度及连接件措跨度方向的布置要求与柔性连接件类似。 制作方法是将槽钢、T形钢或方钢截戒小段，直接焊接在钢粱上冀缘上，它们车身的刚度很大，艟承受很大的水平剪力，并且这三种型钢的肢尖不宜迎向压力方向以免混凝土受劈裂作用。但型钢有十不足之处就是连接件垂直于跨度方向的平面与混凝土结合处不可能完全咬台，形成缝隙或裂纹，会削弱混凝土翼板的强度。2.3两种新型的剪力连接件 2.3.1 Perfobond Strip剪切连接件 在德国，雷昂哈特教授和Partners公司发展了一种称为Pejfobond Strip的新的剪力连接器（如图5），德文称为Pefforbond - Leiste( PBL)英文称为Pefforhond strip( PBS)。诙剪力连接器最初就在组合粱上使用。这种剪力连接器由带孔钢板组成，孔内可以穿钢筋，也可以不穿钢筋。结构的纵向水平剪力主要由孔内混凝土抗剪蛸和孔间钢板来承担，另外孔内的混凝土和钢筋还具有防止混凝土板和钢槊分离的作用，与传统的剪力连接件相比还有一个优点，施工时水平钢板可以作为模板，比较方便。Twin - PBL连接件（如图5)是在单个PBL连接件的基础上发展起来的，将PBL连接件的单块带孔肋板变成两块带孔肋板，这样使得连接件的抗剪强度和整体刚度得到进一步的加强，且在连接部位内部形成抗扭的趋势，从而加强了整个箱粱的抗震能力。这种剪力连接件在日本已经广泛地用于高槊柝中，并且还有很多改进，日本的中野高梁桥、Yuurappu - River桥等桥梁都是采用Twin - PBL连接件。图5 PBL连接件及Twin-PBL连接件埋入式PBL 剪力连接件也是一种新型的剪力连接件（见图6），它也是在PBL剪力连接件基础上发明的，它除了贯穿钢筋和混凝土抗剪外，埋入部分的波纹钢腹板也抗剪。很显然，这种剪力莲接件不需焊缝连接，其焊缝疲劳问题也就不用考虑：波纹钢板特有的波纹状，对斜向钢板在水平剪力时是非常有利的。图6埋入式PBL剪力连接件2.3.2波形弯筋剪切连接件波形弯筋连接件（如图7）是用直径不小于10mm的钢筋首尾依次施焊连接而成，不需机加工和切割；施焊时不需要专用设备和夹持工具，极为方便快捷。其构造和施焊要求与普通弯筋连接件类似，只是其弯起段长度可较小，上部水平段长度可远小10d。为减小应力集中，增强连接可靠性，每片钢粱上翼缘上宜施焊双排波形弯筋连接件。图7 波形弯筋剪切连接件 另外由于连接件钢筋与钢粱上翼缘形成封闭波形，钢筋与据凝土间几乎无法相对移动，连接件抗剪切和抗敞起能力极强，连接极为可靠；连接件不会在混凝土间形成纵向或横向裂昧，不会削弱混凝土的纵向和横向强度及刚度。它不仅可以很好地满足结构的功能要求，而且还具有良好的技术经济效益，在建筑及桥粱结构等领域会有很好的推广前景。2.4小结 在各种连接件中，使用晟广泛的是栓钉连接件，这是因为有以下优点：第一，栓钉截面呈圆形，所受压应力无方向性，设计简单；第二，很容易焊在钢梁上，施工简便；第三，许多工程实例及试验均表明栓钉的实用效果良好。栓钉连接件属于柔性连接件，主要依靠其根部传递剪力，对其强度和变形，世界各国学者均进行了大量研究。但是由于栓钉的受力状态比较复杂，理论分析较困难，通常采用试验方法进行研究。3.破坏机理3.1栓钉连接件在破坏时其破坏形态可分为两类:(1) 栓钉拉剪破坏。一般发生在栓钉相对于混凝土板较弱时, 即混凝土等级较高的情况。破坏呈一定的脆性。其抗剪承载力与混凝土无关, 仅与栓钉的型号和材质有关。当然若焊缝质量太差, 也可能导致焊缝破坏。(2) 栓钉附近的混凝土破坏。发生在混凝土板相对于栓钉较弱时。破坏时栓钉前面根部的混凝土发生局部受压破碎或劈裂。此时, 栓钉表现出较好的延性, 其极限承载力随栓钉直径的增大和混凝土等级的提高而增大。3.2 剪力键的破坏机理研究成果 宗周红于1999年对栓钉和PBL剪力键进行了静载和疲劳试验。研究表明：栓钉连接件和PBL 连接件的破坏形态有很大区别，栓钉在破坏前处于弯剪受力状态，混凝土裂缝呈横向发展，只有相对滑移量较大时，在根部才出现斜裂缝；且裂缝一旦发生，随即快速发展，试件的破坏以栓钉的剪断为标志；而PBL剪力键只承受剪切作用，裂缝的形状和大小与贯穿钢筋的数量和位置有关，试件的破坏以混凝土的纵向劈裂为标志。 Nishiumi等人则认为，混凝土劈裂并不能作为PBL 剪力键失效的判别标准，原因是在劈裂之后抗剪承载力还有增长。通过试验，作者观察到在极限状态下，贯穿钢筋发生屈服，从而将贯穿钢筋屈服作为试件的失效标准。 Jiri Studnicka 和Josef Machacek采用EC4推荐的方法设计了推出试验模型，试验表明：在一定荷载下，剪力会产生塑性重分配，试验测得的特征滑移值范围在2.5-7.1mm；在轻骨料混凝土试件中测得的特征滑移值在1.519.2mm 之间，离散性又较大。 Candido-Martins认为：1)普通混凝土中PBL 剪力键塑性性能显著，但双排剪力键刚性特质更强；2)增加横向配筋率不仅能提高剪力键的极限承载力，并能在混凝土开裂阶段增加塑性性能，降低钢筋的拔出量。 Jin-Hee Ahn等人认为：剪力连接件的塑性性能与贯穿钢筋的弯曲刚度有关；PBL 剪力键失效模式主要表现为端承区和穿孔混凝土榫的劈裂，而不管是哪里的混凝土劈裂，钢板均没有发生变形。 Isabel Valente等人也采用EC4的方法研究了轻骨料混凝土中PBL 键的力学性能，研究表明：1) 在轻骨料混凝土中，所有试件的失效机理都与混凝土的失效有关，钢板在加载末期未见明显变形；2) 破坏从试件混凝土底部出现纵向裂纹开始，持续扩展至顶部；3) 在混凝土开裂之前，钢筋的应力保持在很低的水平，一旦裂缝产生，钢筋应力迅速增长，直至构件失效；4) 在轻骨料混凝土中PBL 剪力键没有表现出塑性性能。 在张清华等人则明确指出：PBL 剪力键的破坏形态与混凝土块和钢材的相对刚度有关，素混凝土榫连接件相对刚度低，破坏形态为混凝土榫被剪断，属于明显的脆性破坏；PBL 剪力键刚度相对高，虽然仍以钢筋剪断作为失效标准，但在破坏前有较大的相对滑移，钢筋断面发生屈服，表现出明显的延性。4.栓钉连接件承载力计算 连接件在混凝土中受力较为复杂, 难以通过力学分析方法来确定其承载力, 所以一般借助试验的手段。试验方法有推出法和梁式法两种, 现在通常采用推出试验作为研究栓钉剪力连接件抗剪强度及影响因素的方法。根据以往分析和试验表明, 推出试验结果为组合梁栓钉连接件承载力的下限。 美国AISC (1969) 规范关于栓钉的容许承载力根据公式(1) 制定, 该式与1964 年Chapman 等人试验研究的结论类似, 该结论最后成为了英国制定CP117 规范第一部分的依据。Qu = 37.145As (1)式中:Qu 为栓钉极限抗剪承载力; As 为栓钉截面面积;f c为混凝土的圆柱体强度。六十年代后期, 轻骨料混凝土得到了广泛应用。而当时试验仅采用了f c= 2 千磅/ 英寸2 的普通混凝土,所以试验的结论并不能很好的适用于轻骨料混凝土。1971 年J .W.Fisher提出了可用于普通混凝土与轻骨料混凝土的栓钉抗剪承载力计算公式:Vu = 0.15(2)式中:Ast 表示栓钉的横截面面积, Ec 表示混凝土的弹性模量, f c表示混凝土圆柱体抗压强度。 加拿大钢结构设计规范SI611 - 1974 制定时采用了上式,但加入了Qu 448As 的限制; 日本规范则保守的规定的使用范围为500 900MPa。 1981 年欧洲组合结构委员会颁布了组合结构规范,给出的栓钉连接件受剪承载力设计公式为:(3)式中: Pd 为栓钉受剪承载力设计值; d 为栓钉直径; f ck为混凝土圆柱体标准抗压强度; f y 为栓钉屈服强度设计值;mc 为混凝土强度分项系数,正常使用极限状态值取1 ,承载力极限状态值取1135;ms 为栓钉材料强度分项系数,值取1。新修订的欧洲规范4 ,搜集了世界各国75 个实体推出试验结果, 进行了分析和可靠度研究, 最后对原规范公式的系数进行了调整,给出栓钉的抗剪承载力取式(4) 和(5) 的最小值:式中: Ecm 为混凝土平均弹性模量; f uk 为栓钉极限抗拉强度标准值;v 为栓钉抗力分项系数,值取为1.25。我国现行的钢结构设计规范( GB50017 - 2002) 对钢-混凝土组合梁设计条文进行了较大改进,其中给出的栓钉承载力公式为:式中,为栓钉材料抗拉强度最小值与屈服值之比。与旧规范相比,新规范改用栓钉材料的抗拉强度来计算其承载力。旧规范制定时限于经验不足, 采用了栓钉材料的设计强度来进行其承载力的计算,从而导致了设计工作中栓钉数量过多,间距过小,施工不便。新规范在国内大量试验研究的基础上, 并借鉴了国外规范的相关规定, 对栓钉承载力计算公式进行了调整。通过引入强屈系数, 提高了栓钉承载力设计值,方便了设计和施工。5. 总结钢与混凝土组合结构的力学性能是受到自身材料性质影响的, 但受连接件力学性能的影响也很大。目前钢-混凝土组合结构中常用剪力连接件的抗剪和抗疲劳承载力, 目前栓钉连接件的使用是较为广泛的, 各国对栓钉抗剪承载力的研究也较为完善的。由于栓钉剪力连接件的复杂应力状态，所使用的承载力计算公式大多是依靠数据得来，而数据本身具有很强的随机性，因此公式就不是很完善，并且对于大型结构和尺寸的连接件实验数据也是相当有限，这就需要去寻找出更有效的方法来得出更加准确的计算公式。 尽管关于栓钉连接