鋼- 混組合結(jié)構(gòu)栓釘剪力連接件綜述

陳發(fā)楊

（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院）

0 引言

鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁體系的剪力連接件的主要作用是使鋼梁與混凝土面板之間不產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，確保沿著橋梁縱向的剪切荷載能夠沿著它們之間的結(jié)合面進(jìn)行有效傳遞，并限制鋼梁與混凝土面板之間的法向分離。栓釘、高強(qiáng)螺栓、開(kāi)孔鋼板以及型鋼剪力連接件是最為常見(jiàn)的剪力連接件[1]。本文將詳細(xì)介紹栓釘剪力連接件目前已有的相關(guān)成果。

1 栓釘剪力連接件簡(jiǎn)介

在制作工藝以及成本上，栓釘剪力連接件由于具有生產(chǎn)成本低，易于制作并且不需要大型機(jī)械設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，非常適合現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)。在其基本力學(xué)方面，由于栓釘是各向同性材料，其極限抗剪承載力高，并且相較于其他形式的剪力連接件，栓釘連接件在發(fā)生界面之間的受剪破壞時(shí)延性好。在鋼-混組合構(gòu)件施工過(guò)程中，栓釘連接件施工焊接十分簡(jiǎn)單并且方便，其布置形式對(duì)混凝土面板中的鋼筋骨架的布置幾乎沒(méi)影響，使得鋼-混組合結(jié)構(gòu)施工方便快捷，有助于縮短工期。栓釘構(gòu)造上、力學(xué)性能和施工過(guò)程中所具有的優(yōu)點(diǎn)使其能夠在組合結(jié)構(gòu)中大量應(yīng)用。

栓釘剪力連接件因其優(yōu)良的力學(xué)性能，已經(jīng)被廣泛用于各類鋼-混組合結(jié)構(gòu)形式的橋梁中。然而，栓釘剪力連接件的承載力嚴(yán)格制約著鋼-混組合結(jié)構(gòu)的整體承載力。栓釘剪力連接件的破壞將會(huì)導(dǎo)致鋼-混組合結(jié)構(gòu)的連接界面發(fā)生分離和法向混凝土面板的掀起，使得鋼結(jié)構(gòu)和混凝土面板不能協(xié)調(diào)變形和受力以及結(jié)構(gòu)的整體剛度的降低。因此，對(duì)栓釘剪力連接件的抗剪性能的研究變得非常的重要。

2 影響栓釘剪力連接件極限抗剪承載力的因素

一般通過(guò)使用推出試驗(yàn)和梁式試驗(yàn)來(lái)評(píng)估栓釘連接件的抗剪能力。但是由于梁式試驗(yàn)得出的栓釘抗剪承載力比推出試驗(yàn)的高一些，并且梁式試驗(yàn)周期長(zhǎng)、耗資大，所以國(guó)內(nèi)外學(xué)者在對(duì)栓釘連接件的荷載滑移性能、破壞模式以及抗剪剛度等進(jìn)行研究時(shí)，一般采用較為簡(jiǎn)單且試驗(yàn)周期短、耗資較小的推出試驗(yàn)。推出試驗(yàn)的構(gòu)件如圖1 所示。構(gòu)件主要由H 型鋼梁、栓釘、鋼筋骨架（為方便看圖，圖1 中沒(méi)有畫出）以及混凝土面板組成。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)豎向的壓力設(shè)備將試驗(yàn)荷載施加于鋼梁上，并通過(guò)安裝位移計(jì)來(lái)全過(guò)程測(cè)量鋼梁與混凝土面板的相對(duì)滑移量，直至破壞為止。得出來(lái)的荷載滑移曲線用于分析該試驗(yàn)試件的栓釘連接件的力學(xué)性能。

圖1 栓釘推出試件

由于栓釘剪力連接件的抗剪承載力直接影響到鋼梁與混組土面板之間能否協(xié)調(diào)變形和共同受力，在一定程度上關(guān)系到組合結(jié)構(gòu)以及人們的生命安全，因此國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)栓釘連接件通過(guò)試驗(yàn)或者有限元建模分析研究后發(fā)現(xiàn)，影響鋼梁與混凝土面板之間的栓釘連接件極限抗剪承載的因素主要有以下幾個(gè)：

⑴栓釘直徑。薛偉辰[2]通過(guò)推出試驗(yàn)，對(duì)比直徑范圍為13～19mm 的栓釘對(duì)抗剪承載力的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)度大的混凝土中，構(gòu)件的破壞模式為栓釘被剪斷而混凝土發(fā)生局部壓碎，承載力提高效果顯著，而在低強(qiáng)度混凝土中，試件由于混凝土發(fā)生壓碎而導(dǎo)致承載力提高的不多。

⑵栓釘高度。王文浩[3]通過(guò)分析，得到混凝土受壓區(qū)高度范圍。栓釘連接件的抗剪剛度則通過(guò)荷載-滑移曲線計(jì)算出來(lái)，最后通過(guò)反算得到栓釘?shù)挠行Ц叨扰c其直徑的比值為7.5。

⑶栓釘屈服強(qiáng)度。丁發(fā)興[4]等人通過(guò)ABAQUS 軟件建模分析計(jì)算栓釘屈服強(qiáng)度f(wàn)y對(duì)其抗剪承載力的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)抗剪承載力隨著栓釘屈服強(qiáng)度f(wàn)y的提高而呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。

⑷混凝土強(qiáng)度。薛偉辰[2]等人通過(guò)對(duì)比C30 和C50兩種強(qiáng)度等級(jí)混凝土對(duì)推出試件抗剪承載力的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于直徑為19mm 和16mm 的栓釘，栓釘?shù)目辜舫休d力在C30 混凝土中比在C50 中低11%左右。

⑸群釘效應(yīng)。吳煒[5]通過(guò)推出試驗(yàn)對(duì)直徑為19mm、高度為100mm 的栓釘，單側(cè)布置三排6 個(gè)栓釘，將栓釘縱向間距為4D、5D、6D、8D（D 為栓釘直徑）作為研究變量與單排栓釘進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行群釘效應(yīng)影響研究。結(jié)果表明與單釘相比，栓釘縱向間距為4D、5D、6D、8D 時(shí)，栓釘抗剪承載力分別下降15.7%、13.6%、11.7%、10.9%，即隨著栓釘縱向間距的減小，栓釘?shù)某休d力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且栓釘根部下方混凝土損傷范圍有顯著增大。張愛(ài)平[6]的研究結(jié)果表明當(dāng)栓釘?shù)目v向間距達(dá)到7.9d 時(shí)，群釘效應(yīng)可以不用考慮。

⑹拉剪共同作用。藺釗飛[7]等人通過(guò)改進(jìn)的推出試驗(yàn)設(shè)計(jì)了6 組直徑為22mm、高度分別為200mm、300mm的栓釘，將拉力分別控制為栓釘抗拉強(qiáng)度的20%、40%、60%作為考慮的變量。結(jié)果表明，栓釘高度為200mm、拉力分別為20%、40%、60%時(shí)，栓釘抗剪承載力分別下降11%、22%、38%；即在拉剪共同作用下，隨著對(duì)推出試件施加的拉力的增大，栓釘連接件豎向抗剪承載力有明顯的折減趨勢(shì)。

3 栓釘剪力連接件計(jì)算公式

通過(guò)分析總結(jié)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料，得到栓釘承載力的計(jì)算公式，如表1 所示。

表1 栓釘承載力計(jì)算公式

4 研究趨勢(shì)

隨著裝配式鋼-混組合結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展以及廣泛應(yīng)用，以及不同結(jié)構(gòu)形式下的復(fù)雜荷載形式的出現(xiàn)，對(duì)栓釘連接件的力學(xué)性能提出了更高的要求，在這樣的研究背景下，栓釘連接件的研究趨勢(shì)可以總結(jié)為：

⑴大直徑栓釘連接件的研究，可在既能滿足抗剪承載力的前提下減少組合梁中栓釘連接件的布置數(shù)量，又能方便施工。

⑵隨著超高性能混凝土(UHPC)在組合結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用，栓釘連接件在UHPC 中的抗剪性能研究顯得非常重要。

⑶多向復(fù)合荷載作用下連接件的抗剪性能研究。如組合梁支座處的負(fù)彎矩，使得該處的栓釘連接件處于拉力和剪力共同作用的復(fù)合受力狀態(tài)。