装配式结构组合栓钉连接件设计与应用分析

摘 要：为了研究装配式结构构件与构件之间的新型连接方式，分别设计了锥形和L形两种组合栓钉连接件，并对该连接件的抗拉性能、抗剪性能等受力性能进行了分析；同时，针对锥形和L形两种组合栓钉连接件各自的特点从施工的角度介绍了组合连接件的应用方法，为装配式结构在连接方面提供了新的参考。

关键词：连接件；栓钉；装配式结构；连接设计

前言

近些年，以现浇整体式鋼筋混凝土结构为主要代表的建筑结构发展迅猛，该类型的结构具有整体性能好，抗震性能好，刚度大，耐火性能好等优点，但同时其也具有受气候影响大，施工周期长，模板需求量大，现场作业强度大等缺点[1-2]；于是装配式结构受到广泛关注并迅速发展，其是指用预制的构件在工地装配而成的结构，这种结构的优点是受气候影响小，施工周期短，节约劳动力并可提高建筑质量[3-4]。2016年中央文件指出：要发展新型建造方式；大力推广装配式建筑，减少建筑垃圾和扬尘污染，缩短建造工期，提升工程质量；加大政策支持力度，力争用10年左右时间，使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%[5]。装配式结构预梁和柱子、楼板与梁等制构件与构件之间连接的好坏是建筑成品好坏的关键，通过连接件对预制构件进行连接是常用的工程施工手段，连接件的研究有很多，例如，周绪红[6]用有限元方法分析了钢锚箱栓钉群钉剪力连接件的受力性能；俞宏[7]用试验方法研究了竹-混凝土组合结构螺钉剪力连接件抗剪承载能力；张彦玲[8]对栓钉连接件在钢-混凝土组合梁施工阶段的受力性能进行了研究；丁发兴[9]采用推出试验对10个栓钉连接件进行分析并建立了相应的计算方法，与Ollgaard[10]提出的计算方法比较表明该方法具有较广泛的适用性。然而，以上的研究都是对单一的栓钉试件进行的研究分析，对由栓钉和混凝土等共同组成的组合栓钉连接件的研究尚少，因此，本文对装配式结构组合栓钉连接件进行设计，并探讨其应用。

1 组合栓钉连接件设计

目前研究的单一栓钉连接件大多是以电焊加工的方法焊接在钢梁、钢柱等目标构件上，但对于混凝土结构而言，其加工较为复杂。针对混凝土结构，尤其是装配式混凝土结构，本文设计了一种新型的锥形组合栓钉连接件（见图1）和一种L形组合栓钉连接件（见图2）。

图1（a）和（b）分别为锥形组合栓钉连接件的平面图和立体图，从其平面图中可以看出组合栓钉连接件由栓钉、混凝土、锥形钢板、上部盖板（钢板）、下部盖板（也为钢板）共同组成；具体的制作方式为：将锥形钢板上下两端分别与上部盖板和下部盖板焊接相连，上部盖板和下部盖板中间设置开孔，其中上部盖板的开孔与栓钉的直径相当，下部盖板的开孔较栓钉底部的螺帽稍大，锥形钢板外壁厚度相同，将栓钉从下部盖板的开孔置入锥形钢板腔体中，此时栓钉头部从上部盖板的开孔穿出，栓钉螺帽在钢板内部，采用固定装置将栓钉与锥形钢板构件固定住，然后从下部盖板的开孔向锥形钢板的腔体内填充混凝土，养护之后形成锥形钢板混凝土组合栓钉。

图2（a）和（b）分别为L形组合栓钉连接件的平面图和立体图，从其平面图中可以看出组合栓钉连接件由栓钉、混凝土、L形钢管、水平盖板、竖向盖板共同组成；具体的制作方式为：将L形钢管固定，将栓钉从L形钢管的水平端口放入钢管内部，使栓钉的螺帽部分与钢管的折角出现重合，即栓钉的螺帽有“勾住”钢管的趋势，然后固定住栓钉，将水平盖板和竖向盖板分别焊接于L形钢管的水平端口和竖向端口，两钢板都分别留有开孔，然后从水平盖板的开孔向L形钢管的腔体内浇筑混凝土，养护之后形成L形钢板混凝土组合栓钉。

2 组合栓钉的受力分析与应用研究

对组合栓钉连接件而言，锥形钢板和L形钢管对其内腔的混凝土具有一定的套箍作用，在套箍作用下栓钉的抗拉性能获得一定的提高；同时，对比于单一的栓钉构件，组合栓钉由于加入了钢管具有更大的刚度，从而使组合栓钉的抗剪切性能提高；此外，锥形组合栓钉的上部、下部盖板和L形组合栓钉的水平、竖向盖板可以增加构件与混凝土之间的粘结作用，也可以增大构件与钢构件之间的焊接面积。

利用组合栓钉抗拉性能强的特点，可将其应用到承受拉力的结构中，例如：装配式结构或钢结构框架柱子与基础之间的连接，大型电线杆杆脚与基础之间的连接，大型广告牌柱子与基础之间的连接，公交站台柱脚与基础之间的连接，工业厂房柱子与基础之间的连接，桥梁结构常用的锚箱-钢牛腿等构件与混凝土结构之间的连接等等。

利用组合栓钉抗剪性能好的特点，可将其运用于装配式结构梁与柱子的连接，梁与剪力墙的连接，梁与楼板之间的连接，柱子与楼板之间的连接，楼板与剪力墙之间的连接等等。

在施工方面，锥形组合栓钉连接件和L形组合栓钉连接件都具有施工方便快捷的特点。如图3所示，从（a）图可以看出，锥形组合栓钉可以用于竖向或水平构件之间的连接，如梁与剪力墙之间的连接，从（b）图可以看出，L形组合栓钉可以用于竖向与水平构件之间的连接，如梁与柱子之间的连接。进行装配式混凝土结构预制件的制作时，可将组合连接件预先设置于混凝土模板中，然后再浇筑混凝土养护成型，栓钉的埋置数量和深度可根据实际需求设计，可以使用单个组合栓钉，也可以使用多个组合栓钉制成栓钉群，增强组合栓钉的受力性能；进行装配式钢-混凝土结构构件的制作时，可将两种组合栓钉分别焊接与钢构件之上再与混凝土构件组合，也可以先将组合栓钉预先埋置与混凝土结构之中再与钢构件焊接相连。

3 结束语

针对目前单一的栓钉连接件，本文设计了锥形和L形两种组合栓钉连接件，并在受力性能和应用方面对其进行了探讨，表明了对于单一的栓钉连接件，组合栓钉连接件的抗拉性能和抗剪性能相对有所提高，并且组合栓钉连接件施工方便快捷，对装配式结构连接件的发展和应用有一定的借鉴意义。

参考文献

[1]高燕青，张春生，丁亚红.钢筋混凝土结构体系抗震加固技术综述[J].混凝土，2015（11）：129-133.

[2]王泰斌，刘永军.震后火灾下钢筋混凝土结构性能的研究进展[J].控制工程，2014，21（5）：797-802.

[3]张爱林.工业化装配式高层钢结构体系创新、标准编制及产业化关键问题[J].工业建筑，2014（8）：1-6.

[4]谭平，李洋，匡珍，等.装配式隔震结构中隔震节点抗震性能研究[J].土木工程学报，2015，42（8）：10-17.

[5]中央政府门户网站.中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见[EB/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/2016-02/21/co

ntent_5044367.htm.

[6]周绪红，逯文茹，狄谨，等.钢锚箱栓钉剪力连接件群钉效应及抗剪承载力计算方法[J].中国公路学报，2014，27（12）：33-45.

[7]俞宏，吴文清，张立志，等.竹-混凝土组合结构螺钉剪力连接件推出试验研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2015，39（1）：65-69.

[8]张彦玲，李运生，赵志杨.栓钉连接件时变受剪承载力对组合梁施工阶段受力性能的影响[J].建筑结构学报，2013，34（8）：150-157.

[9]丁发兴，倪鸣，龚永智，等.栓钉剪力连接件滑移性能试验研究及受剪承载力计算[J].建筑结构学报，2014，35（9）：98-106.

[10]Ollgaard J G，Slutter R G，Fisher J W.Shear strength of stud connectors in lightweight and normal-weight concrete[J].AISC Engineering Journal，1971，8（2）：55-64.

作者简介：邹传龙（1988-），男，广西合浦人，南宁学院助教，硕士，主要从事土木工程方面的研究。