【毕业学位论文】钢－混凝土组合梁栓钉剪力连接件的研究-结构工程

分类号 密级 U D C 编号 士学位论文 论文题目 钢混凝土组合梁 栓钉剪力连接件的研究 学科、专业 结 构 工 程 研究生姓名 罗 应 章 导师姓名及 专业技术职务 余志武 教授 二八年五月 I 摘 要 剪力连接件是钢的性能直接影响到钢我国目前应用最广泛的是栓钉连接件，因此对栓钉连接件的研究显得很重要。由于栓钉是柔性的剪力连接件，相对于刚性连接件来说其承载力较低，抗滑移能力较差， 因此本文将通过对栓钉连接件进行改造得到新的栓钉构造型式，来改善栓钉连接件的各项性能。 本文通过对不同栓钉构造（将混凝土板中钢筋和栓钉焊接）和不同栓钉直径的 8 个推出试件进行的静力试验比较研究， 得到了栓钉连接件的荷载极限承载力，通过分析比较得到：栓钉和钢筋焊接的比不焊接的试件其极限承载力要大， 而极限滑移量要小；栓钉直径大的试件比直径小的试件其承载力大，而极限滑移量要小； 同时通过比较发现试验得到的栓钉极限承载力比各种规范的承载力计算值要偏大。 同时通过对不同栓钉构造的 4 个推出试件进行了不同荷载幅的疲劳试验，试验结果表明：栓钉和钢筋焊接的试件其疲劳寿命要长，且其抗滑移性能要好；荷载幅越大其疲劳寿命越短，滑移量也越大。 本文还利用有限元软件 推出试件进行了静力模拟分析，并和试验数据进行了比较，有限元计算值和试验值吻合比较好。 通过本文的试验和理论研究， 发现栓钉和钢筋焊接这种新的栓钉连接件的抗剪承载能力和抗滑移能力 均比传统的栓钉连接件要好， 是一种有发展和应用领域的新型剪力连接件。 关键词 栓钉，组合梁，推出试验，横向钢筋，有限元分析 he is ey of is in so of is so is to of to of of of of in of of of is of is of of is is of is of of of in is of is of is is of it EM it of of its a is 录 第一章 绪论 .言 . . 钢 . 钢 . 剪力连接件的研究现状 . 组合梁连接件疲劳问题的研究发展概况 .钉连接件的基本要求 . 栓钉连接件的抗掀起要求 . 栓钉连接件的受剪承载力要求 . 栓钉连接件承载力与滑移的影响因素 .文的研究工作 .二章 栓钉连接件的推出试验 .言 .出试件的设计和制作 .验装置及加载方案 .验结果和试验现象 . 试验现象 . 试验数据 . 钢与混凝土之间的荷载. 栓钉剪力连接件的承载力 .章小结 .三章 栓钉连接件的疲劳试验 .言 .劳试验的内容和目的 .件的设计和制作 .载装置图及加载方案 . 加载装置 . 加载方案 .验结果及试验现象描述 . 试验现象描述 . 荷载 . 推出试件的疲劳寿命 .章小结 .四章 有限元分析 .言 .型单元 . 元 . 元 . 元 . 材料本构关系 .限元模型的建立 . 实体模型的建立 .解 . 位移约束 . 施加载荷 . 求解 .限元计算结果 . 钢与混凝土之间的滑移 . 计算极限荷载 .章小结 .五章 结论与展望 .文主要结论 .望 .考文献 . 谢 .士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 言 钢钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构。利用剪力连接件将钢梁与混凝土板连 接在一起，使钢与钢结构相比，钢一定程度上避免了钢结构的局部失稳及屈曲问题，从而可以节省钢材；与 钢筋混凝土结构相比，钢加构件或结构 的延性、提高结构的抗震能力，并且可以减少施工工作量，减小构件截面尺 寸，增加有效使用空间，降低基础造价，节省支模工序和模板，缩短施工周期等优点123。常见的钢混凝土组合梁的截面形式如图 示4。 混凝土实心板钢梁栓钉图 型的组合梁截面形式 虽然钢有着防火性能较差，维护费用较高的问题5,但实践证明它是一种具有显著 技术经济效益和社会效益的新型结构体系，应用前景广阔，适用 我国基本建设的国情。可以预计，钢1 世纪结构体系的重要发展方向之一， 对这一结构形式的研究有着很重要的现实意义。 硕士学位论文 第一章 绪论 2 钢本、 欧洲等发达国家研究得比较早，而且已得到了广泛的应用。其基本发展过 程可以简单分为以下三个阶段6： （ 1）钢0 年代， 1922 年，加拿大的两根外包混凝土钢梁做了试验，同年 英国国家物理实验室也对外包混凝土钢梁做了试验。 1923 年 次进行了 6 根 T 型组合梁试验，建议可以根据材料力学方法进行设计。 1929 年美国的 次提出了在组合梁中的钢与混凝土板之间应该有机 械连接件来承受纵向水平剪力。1933 年 次设计了推出试验来研究抗剪连接件，该方法一直沿用至今。1935 , Vo l l m y 进行丁螺旋筋剪力连接件组合 梁试验。随后即出现了在钢梁与覆盖的混凝土之间加入各类连接件的 构造方法。这个时期可以认为是组合梁的创始阶段。 （ 2） 20 世纪 40 年代至 60 年代是组合梁发展的第二阶段。在这一阶段许多国家对组合梁进行了比较深入的试验研 究，并制定了相关的设计规范和规程。美国州际公路协会 ( 1941 年制定的公路桥梁设计规范中纳入关于组合梁的相关规定，这是 公布最早的组合梁设计规范。在 20 世纪60 年代之前，组合梁基本上都 是按弹性理论进行分析的，在 60 年代末，组合梁的设计理论取得了重大进展，由原来传 统的弹性理论分析开始逐步转为按照塑性理论的极限荷载设计( 应用范围也由原来的主要为桥梁结构迅 速扩展到工业与民用建筑中。 （ 3）从 20 世纪 70 年代开始是组合梁发展的第三阶 段。组合梁开始在工业建筑、民用建筑等领域得到广泛应用。它 的发展几乎与钢结构并驾齐驱，并在一定领域能够替代钢结构 和钢筋混凝土结构。 20 世纪 70 年代末，西方各国陆续开始制订或修订相关的规范。 1981 年，在理论研究和实践应用的基础上，由欧洲混凝土委员会( 欧洲钢结构协会( 国际预应力联合会 (及国际桥梁与结构工程协会 (同组成的组合结构委员会联合颁布了组合结构规范 。在组合结构规范的基础上欧洲共同体委员会（ 1985 年首次颁布了关于钢 洲规范 4 （ ，这是目前世界上第一本最完整的组合结构规范7，为组合结构的研究和应用做了归纳和总结。 我国从 20 世纪 50 年代开始研究并应用组合梁。武 汉长江大桥上层公路桥的纵梁就采用了组合梁。 沈阳煤矿设计院在 1968 年把组合梁用于煤矿井塔结构。黑龙江电力设计院也曾多次将组 合梁应用于实际生产。在 20 世纪 60硕士学位论文 第一章 绪论 3 年代，我国工程技术人员开始把组合梁用于 重载工业厂房的吊车梁，提高了其承载力和刚度。从 20 世纪 70 年代开始，组合梁在我国的建筑及桥梁领域内逐渐得到了广泛的应用。交通部 1974 年颁发的必公路桥涵设计规范及1986 年颁发的公路桥涵钢结构及木结构设计规范 （ 组合梁的构造与计算做了有关规定8。 1993 年由北京市政设计研究院设计的北京国贸桥的三个主跨采用丁连续组合梁结构，这 是该结构在国内城市立交桥中首次应用。 近 20 年来， 组合梁在我国的应用得到了广泛的发展， 深圳赛格广场、上海世界金融大厦、金茂大厦等超高层建筑 都采用了压型钢板混凝土组合楼盖； 1993 年由北京市市政工程设计研究总院设计 的北京国贸大跨度立交桥，其三个主跨均采用了钢 后，北京又有多座大跨度立交桥的主跨采用了这种 结构形式，最大跨度为 70m，均取得了显著的技术经济效益和社会效益。目前国内深圳、 长沙、岳阳、海口、鞍山、石家庄、济南、西安等城市也正在建造大跨度钢 大跨度已达到 95m， 交通部西安公路研究所正在把钢 还有著名的上海南浦大桥和杨浦大桥采用了钢 在我国，组合梁结构的研究比较晚，在上世纪 80 年代之前，钢少数使用的也只是 把它作为一种安全储备或者是为了方便施工而已，并没有考虑它们之间的组合效应1。 上世纪 70 年代后期，哈尔滨工业大学 、郑州工业大学、清华大学、东北大学等单位开始对钢一混凝土组合梁的性 能进行较为系统的研究，并取得了一系列有重要理论意义和实用价值的成果9。我国对钢 0 年代得到了蓬勃的发展，并且于 1988 年首次将组合梁纳入钢结构设计规范 。 20 世纪 80 年代，郑州工学院对采用槽钢剪力连接件的钢 证明了截面应变近似符合平截面假定。 从 80 年代中期开始，郑州工学院、清华大学等单位对采用栓钉剪 力连接件的组合梁进行了深入的试验研究与理论分析，包括组合梁的抗弯承载力10、刚度11、滑移效应12、抗扭特性、纵向抗剪13和栓钉的实际抗剪承载力14以及混凝土板的纵向抗剪计算方法等1516。提出考虑滑移效应的钢一混凝土组合梁变形计算的折减刚度法，并且建立了考虑滑移效应的组合梁的 截面刚度和抗弯强度的简化实用计算公式1718。证明了当时组合梁计算采 用的换算截面法不能考虑钢梁与混硕士学位论文 第一章 绪论 4 凝土翼缘界面之间的滑移效应，导致挠度计 算值偏小，结构偏不安全。折减刚度法的理论是对组合梁的计算分析的换算 截面法进行了改进，是对组合梁计算理论的重要发展。建立的考虑滑移效应 的组合梁长期刚度的计算公式，同时考虑了混凝土的徐变和混凝土收缩的影响19。建立的组合梁的纵向抗剪计算公式，为组合梁的横向钢筋的设计提供 了依据。在试验的基础上还建立了组合梁的极限变形和延性指标的计算公式。 力连接件的研究现状 钢梁与混凝土板两种不同性能的材料之所以 能够组合在一起，发挥各自的长处，其关键在于剪力连接件的连接作用 ，只有将两种不同的材料组合成一体才能显示其优越性。目前，栓钉是最常 用的抗剪连接件。确定栓钉抗剪承载力的试验方法有推出试验和梁式试验两 种，推出试验的结果通常低于梁式试验，但由于其试验方法简 单而得到了广泛的应用。 （ 1）国外研究概况 瑞士在 20世纪 30年代最早进行了钢 0。 20 世纪 50 年代， 人采用推出试验方法对栓钉连接件的受力性能进行了系统的研究，并 提出了确定抗剪连接件承载力的经验公式。 上世纪 60 年代初， 比了不同的推出试验和梁式试验的数据，得出推出试验的结果是梁式试验结果下限的结论21。但梁中连接件的受力性能可以通过推出试验反映，一般情 况下能够以推出试验的结果作为制定规范的依据。研究还发现如果抗剪连接 件的总体抗剪强度能够抵抗混凝土的极限抗压强度，那么钢梁与混凝土板交 界面滑移量的大小将不会对组合梁正截面极限弯矩产生很大的影响。此外， 研究还表明钢，如果剪跨段内的栓钉极限抗剪承载力之和可以满足极限荷载下的平衡条 件，那么理论上极限抗弯强度是可以达到的。如果抗剪连接件的数量能满足 理论上极限抗弯强度，那么滑移对荷载 1971 年， 根据推出试验的结果，经过研 究分析，对栓钉高度与栓钉直径的比值大于 4 的抗剪连接件，提出了如下式所示的抗剪承载力计算公式22： s cc （ 1 式中，栓钉的抗剪承载力；栓钉的横截面面积；混凝土的圆柱硕士学位论文 第一章 绪论 5 体抗压强度；混凝土的弹性模量；栓钉的极限抗拉强度。 人得到的栓钉承载力计算公式形式简单，既适用于普通混凝土，又适用于轻质混凝土，并且与试验结果 吻合得比较好，因此被世界各国规范广泛采用。 20 世纪 70 年代以后，欧洲、美国、加拿 大和日本等国对栓钉连接件开展进一步的深入研究。 1981 年，由 次颁布的组合结构规范2324给出的栓钉连接件承载力的设计公式为： （ 1 式中， d 为栓钉的直径；混凝土圆柱体标准抗压强度；栓钉的钢材屈服强度；栓钉的材料分项系数。 （ 2）国内研究概况 20 世纪 80 年代初，我国还没有栓钉焊接的专用设备，即使有工程应用到组合梁， 组合梁的设计只能采用较早期的连接件形式一槽钢和弯筋连接件。 1983年，原郑州工学院对槽钢连接件进行了较为系 统的试验研究，得到了槽钢剪力连接件的破坏形态、极限承载力计 算公式和极限承载力上限值等25。原哈尔滨建筑工学院在 1984 年开始对弯筋连接件进行了系统的试验，发现弯筋处于拉 梁与混凝土板之间的 摩擦作用不容忽略，其承载能力均超过钢筋的极限抗拉强度26。这些试验研究为工程中应用组合梁结构时，对连接件的设计建立了比较初期的设计计算理论。 从 1984 年开始，我国原郑州工学院、冶金部建筑科学研究院等先后研制出国产的栓钉焊接设备，为栓钉连接件的推广奠定了基础。郑州工学院从 1986年开始通过推出实验对栓钉剪力连接件进行了系统研究27。 1996 年，崔玉萍对部分剪力连接钢 出剪力连接件的承载力与组合梁混凝土翼缘的横向配筋率关，组合梁的极限抗弯能力随增大而增大28。还有以胡夏闽为代表的科研人员也对剪力连接件受剪承载力的确定29、组合梁中剪力连接件的设计方法30、考虑栓钉连接件抗力分项系数的影响对栓钉受剪承载力设计公式的修正31等方面进行了一系列的试验研究与理论分析。同时对栓钉在受拉状态下的受力性能32与格构式试件中栓钉的极限承载力33进行了较系统的试验研究，取得了一些剪力连接件的设计成果。这些成果为制定我国钢结构设计规范 中有关剪力连接件计算的条文提供了依据。 1996 年，聂建国、沈聚敏等人通过对 40 根钢 出当时的栓钉剪力连接件承载力计算公式偏 于保守，建议放宽对其承载力公式的限制条件，同时指出剪力连接件在部分剪 力连接件组合梁中的抗剪承载力硕士学位论文 第一章 绪论 6 潜力更大34。 1999 年，清华大学通过对钢组合梁的大量试验，对高强混凝土的基本性能进行了试验研究 ，对栓钉承载力计算得出以下表达式35： 当,564 / 时， , （ 1 （ 40 其中， = 40） (40 50 ( 50式中，,合梁连接件疲劳问题的研究发展概况 国内对组合梁的研究主要集中在结构的静力 方面，在疲劳方面的研究还是比较少。国外对组合梁的疲劳研究已经 比较多，给出的公式、规范也较多。影响组合梁结构疲劳性能的因素较多，但主 要影响因素是剪力连接件影响。而现在组合梁一般采用的都是柔性连接的栓 钉剪力连接件，因此研究栓钉剪力连接件的疲劳问题尤为重要。栓钉连接件 的疲劳强度及疲劳寿命主要依靠推出试验。 1967 年 人通过对栓钉连接件的疲劳试验证明栓钉连接件的疲劳破坏发生在焊缝处，剪应力幅 与循环次数 n 的关系式为36： = （ 1式的计算结果见表 1 1 与 n 的关系 循环次数 n 1105 5105 2106 剪应力幅 （ N/ 982 年日本大阪理工大学教授 行了推出试件的疲劳试验，该试验考虑了混凝土浇注位置 对栓钉疲劳的影响，把推出试件分成了四种类型，见表 1可靠性分析的基础上得到了栓钉的疲劳计算硕士学位论文 第一章 绪论 7 式，见表 1于该试验所作的试件比较多，因而其试验结果更具有广泛性36。 表 1件类型 类型 混凝土放置方向 类型 混凝土放置方向 A B C D 表 1计特性 系 失效概率 系数 参数 类型 a b 形状（ m） 尺度 位置 式 P=( m 剪应力范围 P：效率概率 x：偏差 1986 年爱尔兰 学 英格兰 究了 116个受单向循环和反向循环加载的推出试验数 据，显示疲劳循环加载引起的残余滑移变形量（ 由式（ 1到 式中： R 表示作用在单个栓钉上重复荷载的幅值。 同年， 人研究了受单向循环和反向循环加载的 116 个推出试验的结果，研究得到了每次疲劳循环加载引 起的残余滑移变形量。结果显示疲劳破坏发生时的滑移量大约为栓钉直径的 1/3，大部分变形为不可恢复变形。混凝土强度对栓钉刚度有较大影响，混 凝土强度等级越高，栓钉的刚度也相应越大37。 1990 年，日本大阪大雪的 硕士学位论文 第一章 绪论 8 Y. F U K U M O 结了包括自己的共 179 个静态试验数据和 145 个疲劳试验数据，采用回归分析的方法得 到了栓钉的疲劳强度计算式38： R/05 （ 1 式中 R 表示作用在栓钉上的剪力幅， 算式如下： 0)s （ 1 式中 1999 年长沙铁道学院的叶梅新和侯文崎通过对 8 个 22 件和 7 个 25栓钉共 15 个推出试件的等幅疲劳试验，得到如下的结论39： （ 1） 栓钉的疲劳寿命主要取决于栓钉所受的剪应力幅 ； （ 2） 经回归分析，得到了 22 栓钉 n 关系的下限表达式为： = （ 3） 疲劳破坏主要有三种情况：焊缝 处母材被栓钉撕下一块；栓钉焊缝半边拉脱母材；栓钉靠近焊缝处断开。 钉连接件的基本要求钢 合截面整体作用的最终承载力和变形发展，单 靠自然粘结不足以保证组合梁在大荷载时界面处有足够的共同作用，在此时剪 力连接件的设计对组合梁的工作性能是一个决定性的因素。通过许多试验证明 ，理想的剪力连接件的设计，应当为组合梁结构提供足够的、完整的组合作用 。因此，对组合结构设计机械剪力连接件是十分必要的，至于连接件的形式有 多种多样，可以根据组合材料、制作工艺、焊接技术、现场的条件等具体的条 件加以考虑。剪力连接件能否保证组合截面的整体工作则通常通过试验确定。 一般情况下，剪力连接件要满足剪力、拉力、疲劳强度等三种功能要求。在桥 梁与吊车梁中，连接件的疲劳强度尤其重要，而在一般的构件中，连接件的抗弯、抗剪以及抗拉力起控制作用。 钉连接件的抗掀起要求 剪力连接件是保证钢梁与混凝土翼缘 共同工作的关键元件，其主要作用是不仅传递钢梁与混凝土板之间的纵向剪力、同 时还要抵抗混凝土板与钢梁之间的掀起作用。因为在组合梁中，随上翼缘混凝 土板与钢梁上翼缘的相对滑移，必然伴随着连接件的掀起。以简支梁为例，梁 端部向上掀起比跨中向上掀起要硕士学位论文 第一章 绪论 9 大，连接件向上掀起很小，只要连接件的顶部有足够的锚固(要求栓钉顶部的底面有足够的面积)，同时连接件的顶部必须完全埋在混凝土里的受压区内，使连接件的长度与底部都有足够的尺寸，就能够保 证栓钉不会在组合梁达到极限承载能力前破坏。根据同济大学建筑设计研究院 等科研机构针对掀起做的试验与大量的理论分析，现行规范（钢结构设计规范 规定：栓钉剪力连接件的抗掀起作用可以通过构造措施来处理 ，所以为组合梁设计栓钉时不需要计算栓钉的抗掀起力，只要直接套用组合结 构设计规范的构造要求设计，就能够满足栓钉的抗掀起性能40。 钉连接件的受剪承载力要求 栓钉抗剪承载力的试验方法有推出试验与梁式 试验两种，现在应用比较多的是推出试验来确定栓钉的实际承载能力，目 前存在的栓钉设计规范也是用推出试验的结论作为依据。 连接件的推出试验是观察静载作用下连接件承载能力的大小，其由短工字钢、连接件及 2 个现浇的小混凝土板组成的试件，为防止界面产生粘结力，在浇注混凝土前，在短工字钢翼缘涂油脂。试验 加压时用同一传感器保证轴心加载。在试验中能够得到整个荷载 推出试验的主要目的是得到栓钉的极限承载能力。试验也可以检查向上的分离 (掀起)，通常其比相应荷载作用下的表面滑移一半还要小。在组合梁中连接件的荷载 是整个梁的特性与滑移状 态能用推出试验来描述，但梁里的混凝土是在高压状态下，所以根据推出试验确定的连接件强度是保守的。 栓钉作为一种柔性连接件，其变形能力较大， 不仅栓钉连接件与周围混凝土作用力出现应力重分布，而且会在钢梁翼缘 和混凝土板界面产生相对滑移而引起水平纵向剪力沿纵向发生剪力重分布。 栓钉的工作机理与周围混凝土 的约束程度联系密切。 栓钉受底部焊缝传递的剪力和约束弯矩及混凝土产 生的被动的反作用力， 使得栓钉处于受剪、 受弯、轴向受拉的复杂受力状态。在弹性状态下 ，如同弹性地基梁，周围反作用的混凝土相当于弹性地基。栓钉对周 围混凝土产生局压作用，而受压混凝土又受周围混凝土较强的约束作用，因而受压区域 混凝土具有良好的塑性变形能力，并且受压混凝土的强度与延性大为提高，其 对于栓钉作用相当于弹性地基。地基梁在栓钉底端沿垂直于栓钉轴向有较大的相对滑移 ，另一端混凝土约束限 制转动趋势，就产生与底端反向的约束力，硕士学位论文 第一章 绪论 10 钉受力情况 当荷载增大，变形加剧时，栓钉底端率 先进入塑性，约束反力不再增加。但另一侧的混凝土反力持续增加，以承受 荷载的增量。混凝土塑性区就朝栓钉顶端不断发展，并且试验的荷载曲线表明，滑移增加愈大，非线性特征愈加明显。当栓钉截面尺寸相对较小，而 混凝土强度相对较高时，由于栓钉根部混凝土受到栓钉、钢梁翼缘及周围混凝 土的约束作用，其局部抗压强度大为提高，使得栓钉达到抗剪极限强度而被剪 断；但当混凝土强度相对较低时，混凝土在局部压力作用下， 导致混凝土被压碎； 或者混凝土横向约束程度不够时，导致混凝土的纵向劈裂破坏。 如上所述，栓钉连接件在混凝土中的工作 状态是接近于弹性地基梁，它的破坏形式属于栓钉附近的混凝土破坏或者栓钉 被拉断，栓钉在混凝土内的变形表现为沿栓钉杆轴线弯曲。如果栓钉长度不够 ，在拔出后的栓钉后面会有一块锲型混凝土。 栓钉连接件的抗剪承载力除栓钉本身的规格（ 直径与长度）有关之外，主要取决于混凝土的强度等级与弹性模量。很多 试验表明，当栓钉的长度与直径比时，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，而且会转化为栓钉拔出破坏形态。常见的 栓钉连接件的破坏形态主要有以下两类: （1) 栓钉附近混凝土的破坏。如果混凝土板相对栓钉较弱，破坏时在栓钉前面根部的混凝土局部受压破坏(混凝土破碎 或劈裂)，极限承载能力随栓钉直径的增大和混凝土强度等级的提高而增大，栓 钉会表现良好的延