钢- 混组合结构栓钉剪力连接件综述

2022-05-09陈发杨

广东建材 2022年4期

陈发杨

（广州大学土木工程学院）

0 引言

钢-混组合结构桥梁体系的剪力连接件的主要作用是使钢梁与混凝土面板之间不产生相对错动，确保沿着桥梁纵向的剪切荷载能够沿着它们之间的结合面进行有效传递，并限制钢梁与混凝土面板之间的法向分离。栓钉、高强螺栓、开孔钢板以及型钢剪力连接件是最为常见的剪力连接件[1]。本文将详细介绍栓钉剪力连接件目前已有的相关成果。

1 栓钉剪力连接件简介

在制作工艺以及成本上，栓钉剪力连接件由于具有生产成本低，易于制作并且不需要大型机械设备的优点，非常适合现代化的工业生产。在其基本力学方面，由于栓钉是各向同性材料，其极限抗剪承载力高，并且相较于其他形式的剪力连接件，栓钉连接件在发生界面之间的受剪破坏时延性好。在钢-混组合构件施工过程中，栓钉连接件施工焊接十分简单并且方便，其布置形式对混凝土面板中的钢筋骨架的布置几乎没影响，使得钢-混组合结构施工方便快捷，有助于缩短工期。栓钉构造上、力学性能和施工过程中所具有的优点使其能够在组合结构中大量应用。

栓钉剪力连接件因其优良的力学性能，已经被广泛用于各类钢-混组合结构形式的桥梁中。然而，栓钉剪力连接件的承载力严格制约着钢-混组合结构的整体承载力。栓钉剪力连接件的破坏将会导致钢-混组合结构的连接界面发生分离和法向混凝土面板的掀起，使得钢结构和混凝土面板不能协调变形和受力以及结构的整体刚度的降低。因此，对栓钉剪力连接件的抗剪性能的研究变得非常的重要。

2 影响栓钉剪力连接件极限抗剪承载力的因素

一般通过使用推出试验和梁式试验来评估栓钉连接件的抗剪能力。但是由于梁式试验得出的栓钉抗剪承载力比推出试验的高一些，并且梁式试验周期长、耗资大，所以国内外学者在对栓钉连接件的荷载滑移性能、破坏模式以及抗剪刚度等进行研究时，一般采用较为简单且试验周期短、耗资较小的推出试验。推出试验的构件如图1 所示。构件主要由H 型钢梁、栓钉、钢筋骨架（为方便看图，图1 中没有画出）以及混凝土面板组成。试验时，通过竖向的压力设备将试验荷载施加于钢梁上，并通过安装位移计来全过程测量钢梁与混凝土面板的相对滑移量，直至破坏为止。得出来的荷载滑移曲线用于分析该试验试件的栓钉连接件的力学性能。

图1 栓钉推出试件

由于栓钉剪力连接件的抗剪承载力直接影响到钢梁与混组土面板之间能否协调变形和共同受力，在一定程度上关系到组合结构以及人们的生命安全，因此国内外众多学者对栓钉连接件通过试验或者有限元建模分析研究后发现，影响钢梁与混凝土面板之间的栓钉连接件极限抗剪承载的因素主要有以下几个：

⑴栓钉直径。薛伟辰[2]通过推出试验，对比直径范围为13～19mm 的栓钉对抗剪承载力的影响时发现，在强度大的混凝土中，构件的破坏模式为栓钉被剪断而混凝土发生局部压碎，承载力提高效果显著，而在低强度混凝土中，试件由于混凝土发生压碎而导致承载力提高的不多。

⑵栓钉高度。王文浩[3]通过分析，得到混凝土受压区高度范围。栓钉连接件的抗剪刚度则通过荷载-滑移曲线计算出来，最后通过反算得到栓钉的有效高度与其直径的比值为7.5。

⑶栓钉屈服强度。丁发兴[4]等人通过ABAQUS 软件建模分析计算栓钉屈服强度fy对其抗剪承载力的影响时，发现抗剪承载力随着栓钉屈服强度fy的提高而呈现线性增长趋势。

⑷混凝土强度。薛伟辰[2]等人通过对比C30 和C50两种强度等级混凝土对推出试件抗剪承载力的影响时发现，对于直径为19mm 和16mm 的栓钉，栓钉的抗剪承载力在C30 混凝土中比在C50 中低11%左右。

⑸群钉效应。吴炜[5]通过推出试验对直径为19mm、高度为100mm 的栓钉，单侧布置三排6 个栓钉，将栓钉纵向间距为4D、5D、6D、8D（D 为栓钉直径）作为研究变量与单排栓钉进行对比，进行群钉效应影响研究。结果表明与单钉相比，栓钉纵向间距为4D、5D、6D、8D 时，栓钉抗剪承载力分别下降15.7%、13.6%、11.7%、10.9%，即随着栓钉纵向间距的减小，栓钉的承载力呈现下降趋势，且栓钉根部下方混凝土损伤范围有显著增大。张爱平[6]的研究结果表明当栓钉的纵向间距达到7.9d 时，群钉效应可以不用考虑。

⑹拉剪共同作用。蔺钊飞[7]等人通过改进的推出试验设计了6 组直径为22mm、高度分别为200mm、300mm的栓钉，将拉力分别控制为栓钉抗拉强度的20%、40%、60%作为考虑的变量。结果表明，栓钉高度为200mm、拉力分别为20%、40%、60%时，栓钉抗剪承载力分别下降11%、22%、38%；即在拉剪共同作用下，随着对推出试件施加的拉力的增大，栓钉连接件竖向抗剪承载力有明显的折减趋势。