钢—混凝土组合结构抗剪连接构件承载力试验研究

张 瑾

(中核新能核工业工程有限责任公司，山西 太原 030012)



钢—混凝土组合结构抗剪连接构件承载力试验研究

张 瑾

(中核新能核工业工程有限责任公司，山西 太原 030012)

对PBL连接件在一些重要工程中能很好地满足使用要求的情况进行了分析，并在传统PBL连接件的基础上设计了两种改良型抗剪连接件，即波形开孔板抗剪连接件、开孔折板抗剪连接件，经过试验证实，这两种抗剪连接件能有效提高钢—混凝土构件的力学性能与两种材料间的协同工作能力。

钢—混凝土组合结构，抗剪连接件，PBL，试验研究

近年来随着建筑工业的蓬勃发展，钢—混凝土组合结构越来越多地出现在建设工程当中。作为一种新兴的建筑结构形式，钢—混凝土组合结构解决了钢结构刚度较小，用钢量较高，造价较高的缺点，而与普通的混凝土结构相比，钢—混凝土组合结构能够更加良好地发挥钢材抗拉能力强，变形能力强与混凝土抗压能力强的双重优势，实现钢与混凝土更加良好的协同工作机制。

钢—混凝土组合结构是由两种材料共同作用来实现其结构承载作用的，因此不同材料的自身属性与材料间结合形式都会对整体结构承载力产生较大影响。在钢—混凝土组合结构中，抗剪连接件的主要作用是承受钢构件与混凝土翼板接触面之间产生的纵向剪力，并通过锚固等措施来增大材料接触面的摩阻力，从而阻止因剪力而产生的相对滑动。为了满足多样化的连接形式与不同的承载力设计要求，抗剪连接件的形式多种多样，其中栓钉连接因其施工方便连接可靠而被广泛采用。但随着钢—混凝土组合结构的应用越来越广泛，栓钉连接易产生疲劳断裂，且施工质量不易控制的缺点逐渐显露，在较薄的钢构件上进行栓钉焊接时还容易产生焊透现象。PBL抗剪连接件作为一种新型连接方式具有连接可靠，抗疲劳寿命长[4-]6〗的优点，在一些重要工程的关键结构部位中越来越多地取代了栓钉连接。本文针对PBL抗剪连接件进行了改良，设计了两种新型PBL抗剪件，并试制了一批改良PBL连接小梁进行加载试验，与原PBL连接小梁进行对比，单因素讨论了抗剪连接形式对构件承载力的影响。

1 新型PBL抗剪连接件构造

1.1 波形开孔板抗剪连接件

这种新型连接方式将如图1所示的原PBL连接件的两块平行开孔钢板替换为波形开孔钢板，于波峰、波谷处分别设置一对贯通孔，然后在贯通孔中穿入钢筋，形成一套抗剪连接体系(见图2)。与传统的PBL连接件相比，这种连接方式有两大优势：其一，在连接件总长度不变的情况下通过设置波形钢板增大了钢—混凝土接触面积，从而增加了两种材料间的摩擦力；其二，波形钢板波峰波谷间的混凝土与钢构件相互接槎，形成了沿钢板纵向的抗拔体系，提高了连接件与混凝土的纵向摩阻力。但是在应用此类连接件时应注意相邻两块钢板的间距，防止间距过小而导致混凝土不能浇筑到钢板间，影响其工作性能。

1.2 开孔折板抗剪连接件

开孔折板抗剪连接件的设计思路是把原PBL连接件的两条平行钢板等分后进行隔块切割，然后将钢板的被切割部分进行向左或向右的90°弯折并焊接在翼缘板上，在最终形成的L形钢板的两肢设置相对应的贯通孔，最后在贯通孔中插入钢筋，组成上下的正交贯通钢筋，构成一套新型抗剪连接体系(见图3)。与原PBL连接件相比，这种连接件增加了折形钢板来承受纵向剪力，而纵横向的贯通钢筋形成了一层钢筋网片，与钢筋间的混凝土共同作用阻止钢构件与混凝土接触面在两个方向的相对滑移。

2 对比试验

2.1 试件设计

为验证改进抗剪件连接形式对钢—混凝土构件力学性能有影响，现设计三组采用不同抗剪连接件的小梁进行集中力加载试验，每个实验组含7个相同小梁，各组试件钢结构部分均采用8 mm厚Q345钢焊接而成，钢筋采用HRB335(Ⅱ级钢)，试件的其余参数如表1所示。

表1 各组试件参数 mm

2.2 试验方式

试件制作完成后安装在1 000 kN加载试验架上，并用一台1 500 t油压千斤顶进行跨中两点对称集中加载试验，加载形式如图4所示。

试件安装完毕后，一次在试验梁的两端支点，跨中，对称荷载加载点这5处安装位移计和千分表，用来测量试验加载时试件钢—混凝土界面的相对滑移和试件这几个点的竖向变形。本试验中采用阶段性匀速加载并在不同的荷载范围内逐级递减的方式进行加载试验，直至试件破坏，具体加载速度如表2所示。

2.3 试验结果

对每组取得的荷载与相对滑移值，去掉最小与最大值，取剩余数据的平均值为最终结果，最后得到的荷载—相对滑移曲线如图5所示。

表2 试件加载速度

每组随机选取一条梁进行加载，观测可得出：在加载试验过程中，当荷载达到410 kN时OP-1试件的钢—混凝土接触面开始出现裂缝，当荷载达到470 kN时，OP-1试件的跨中混凝土结构部分开始出现竖向裂缝，当荷载达到510 kN时混凝土部分未完全被压碎，但钢—混凝土结合部分完全撕裂，小梁整体已经破坏，加载停止。而NP-1与NP-2试件均在荷载达到470 kN时，钢—混凝土接触面与混凝土跨中开始出现裂缝，在荷载达到550 kN时试件混凝土部分被压碎，从而试件整体结构破坏，加载停止。

3 结果分析

由以上实验结果可以得知，在改进抗剪连接件连接形式后，钢—混凝土组合构件的极限承载力略有提高，钢—混凝土相对滑移有一定下降，二者结合能力大幅度提高，在配筋相同的情况下，改进连接件前试件破坏主要是钢—混凝土连接破坏，但改进连接件后试件破坏原因是混凝土受压破坏。这表明新型钢—混凝土组合小梁中，钢构件与混凝土之间的接槎咬合作用提高了两种材料的结合作用，能够充分发挥混凝土的承压能力，有效地提升构件的整体性与变形协调能力。且纵横向贯穿钢筋也在一定程度上提升了钢—混凝土构件结合力，这也是在加载试验中NP-2组表现优于NP-1组的原因之一。

4 结语

1)改进后的两种新型连接方式均可以有效加强钢—混凝土组合结构的整体性与协调工作能力。2)抗剪连接件中钢构件与混凝土之间的接触面积与接触方式会对连接件的力学性能产生较大影响。3)开孔折板抗剪连接件的工作性能优于波形折板抗剪连接件。4)贯通钢筋的数量与摆放方式也能在一定程度上影响钢—混凝土组合构件中两种材料的结合能力，需要进一步设计实验进行研究。

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The analyze of bearing capacity of the shear connector of the steel-concrete composite structures

Zhang Jin

(CNNCXinnengNuclearEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030012,China)

The paper analyzes PBL connectors’ role in some important engineering, design two improved connectors on the basis of traditional PBL connectors including wave-style hole-opening anti-shearing connector and hole-opening anti-shearing connector. Experimental results show that: both of the connectors improved mechanical performance of steel-concrete structure and their coordinative capacities as well.

steel-concrete composite structure, anti-shearing connector, PBL, experimental research

1009-6825(2015)01-0055-03

2014-10-25

张 瑾(1987- )，男，助理工程师

TU398

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