组合结构抗剪连接件讲解

钢-混凝土组合梁中的抗剪连接件摘要本文简单介绍了钢—混凝土组合梁结构组合作用的机理，列举了抗剪连接件的分类，介绍了抗剪连接的试验方法和破坏形态以及一般的构造要求，着重介绍了栓钉连接的特点，受力分析并列举了诸多国家规范中规定的栓钉承载力计算和设计方法，并介绍其构造要求，最后简单介绍两种较为新型的抗剪连接件。

关键字：钢—混凝土组合梁；抗剪连接件；栓钉；抗剪承载力1．绪论钢—混凝土组合结构是指由钢和混凝土两种材料组成，在荷载作用下具有整体作用，在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构。

其与木结构、砌体结构、钢筋混凝土结构和钢结构并列，已经扩展成为第五大结构（组合结构）。

它是通过连接件把钢梁和混凝土板连接成整体而共同工作的构件：在荷载作用下，混凝土板受压而钢梁受拉。

它充分发挥钢材和混凝土二种材料的优点：同混凝土结构相比，可以减轻自重，减小构件截面尺寸，减轻地震作用；同钢结构相比，可以减少用钢量，降低结构造价，增加结构的稳定性，增强结构的防火性和耐久性。

故因其兼有钢结构施工速度快和混凝土结构刚度大、造价低的优点，虽然在我国发展起步较晚，但近几年来取得了不少成就，在多层工业厂房、高层建筑、桥梁结构等方面都已经得到了较好的应用，取得了良好的经济效益和社会效益。

钢—混凝土组合构件目前的主要形式有：钢—混凝土组合梁、型钢混凝土组合结构、钢管混凝土组合结构、外包钢混凝土结构及压型钢板混凝土组合楼板等。

当然，随着建筑材料、设计理论和设计方法的不断发展，也出现了钢-混凝土组合框架结构、框架-核心筒混合结构等一系列新型的结构形式。

然而，在组合结构中抗剪连接是一个重要特征，抗剪连接件是将钢梁与混凝土板组合在一起共同工作的关键部件。

故本文将在钢—混凝土组合梁中的抗剪连接方面进行一些探讨。

2．钢-混凝土组合梁中的抗剪连接2.1 组合结构的组合作用组合结构的优越性在于结合了混凝土和钢材两种材料的的良好性能，充分利用材料和截面特性。

钢-混凝土组合结构设计理论及应用摘要：本文对钢—混凝土组合结构及其设计基本要求进行阐述,从理论层面具体分析了钢-混凝土组合结构设计中特别需要注重的问题，并以某工程为例从节点设计角度探讨了钢-混凝土组合结构设计的应用。

关键词：钢-混凝土组合结构；设计；应用；节点设计Abstract: in this paper, the steel - concrete composite structure and elaborates the design basic requirements, specific analysis from theoretical aspects in the design of the steel - concrete composite structure special need to pay attention to the problem, taking a project as an example from the node design Angle discusses the application of steel - concrete composite structure design.Keywords: steel - concrete composite structure; Design; Applications; Node design一、钢-混凝土组合结构及其设计的基本要求 由两种或两种以上性质不同的材料组合成整体，共同受力、协调变形的结构，称其为组合结构。

钢-混凝土组合结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构，是专指型钢或用钢板焊接成的钢骨架，与混凝土形成一体的结构，是继传统的木结构、砌体结构、钢结构和钢筋混凝土结构之后的第5大结构体系。

这种组合结构体系，主要有压型钢板组合板、组合梁、型钢混凝土、钢管混凝土和外包钢混凝土等5种类型。

1组合结构构造要求1.1栓钉的设置栓钉是组合结构中常见的抗剪连接件，用于抵抗钢材与混凝土交界面的剪力。

根据规范及图集规定一般下列位置需设置栓钉。

抗剪栓钉的直径规格宜选用19mm和22mm，其长度不宜小于4倍栓钉直径，水平和竖向间距不宜小于6倍栓钉直径且不宜大于200mm。

栓钉中心至型钢翼缘边缘不应小于50mm，栓钉顶面的混凝土保护层厚度不宜小于15mm。

1.1.1型钢混凝土梁栓钉设置要求对于配置实腹式型钢的托墙转换梁、托柱转换梁、悬臂梁和大跨度框架梁等主要承受竖向重力荷载的梁，型钢上翼缘应设置栓钉。

（组规5.5.14）剪力墙洞口连梁中配置的型钢或钢板，其高度不宜小于0.7倍连梁高度，型钢或钢板应伸入洞口边，其伸入墙体长度不应小于2倍型钢或钢板高度；型钢腹板及钢板两侧应设置栓钉。

（组规9.2.11）当框架柱一侧为型钢混凝土梁，另一侧为钢筋混凝土梁时，型钢混凝土梁中的型钢，宜延伸至钢筋混凝土梁1/4跨度处，且在伸长段型钢上、下翼缘设置栓钉。

栓钉直径不宜小于19mm，间距不宜大于200mm，且在梁端至伸长段外2倍梁高范围内，箍筋应加密。

（组规14.4.1）型钢混凝土悬臂梁自由端的纵向受力钢筋应设置专门的锚固件，型钢梁的上翼缘宜设置栓钉；型钢混凝土转换梁在型钢上翼缘宜设置栓钉。

栓钉的最大间距不宜大于200mm，栓钉的最小间距沿梁轴线方向不应小于6倍的栓钉杆直径，垂直梁方向的间距不应小于4倍的栓钉杆直径，且栓钉中心至型钢板件边缘的距离不应小于50mm。

栓钉顶面的混凝土保护层厚度不应小于15mm。

（组规14.4.2）1.1.2型钢混凝土柱栓钉设置要求各种结构体系中的型钢混凝土柱，宜在下列部位设置抗剪栓钉：1）埋入式柱脚型钢翼缘埋入部分及其上一层柱全高；2）非埋入式柱脚上部第一层的型钢翼缘和腹板部位；3）结构类型转换所设置的过渡层及其相邻层全高范围的翼缘部位；4）结构体系中设置的腰桁架层和伸臂桁架加强层及其相邻楼层柱全高范围的翼缘部位；5）梁柱节点区上、下各2倍型钢截面高度范围的型钢柱翼缘部位；6）受力复杂的节点、承受较大外加竖向荷载或附加弯矩的节点区，在节点上、下各1/3柱高范围的型钢柱翼缘部位；7）框支层及其上、下层的型钢柱全高范围的翼缘部位；8）各类体系中底层和顶层型钢柱全高范围的翼缘部位（组规14.7.1）在各种结构体系中，当结构下部楼层采用型钢混凝土柱，上部楼层采用钢筋混凝土柱时，在此两种结构类型间应设置结构过渡层，过渡层应符合下列规定：1）设计中确定某层柱由型钢混凝土柱改为钢筋混凝土柱时，下部型钢混凝土柱中的型钢应向上延伸一层或二层作为过渡层，过渡层柱的型钢截面可适当减小，纵向钢筋和箍筋配置应按钢筋混凝土柱计算，不考虑型钢作用；箍筋应沿柱全高加密；2）结构过渡层内的型钢翼缘应设置栓钉，栓钉的直径不应小于19mm，栓钉的水平及竖向间距不宜大于200mm，栓钉至型钢钢板边缘距离不宜小于50mm。

组合结构剪力连接件钢—混凝土组合结构的性能取决于钢和混凝土界面处剪应力的有效传递。

组合截面的整体作用的最终承载力和变形发展,单靠自然黏结不足以保证在大荷载时界面处有足够的共同作用,在这时连接件是一个决定因素。

试验证明,理想的剪力连接件设计,应当为结构提供完整的组合作用。

因此,对组合结构设计使用机械剪力连接件是十分必要的。

1 压型钢板与混凝土组合楼板的连接1)采用闭口型槽口的压型钢板,见图1a。

为了增强剪切粘结效应,有时还在压型钢板腹板上开<20mm的孔洞。

2)采用开口型槽口压型钢板,在其腹板翼缘上轧制凹凸槽纹作为剪力连接件。

槽纹剪力件一般等距分布,它的形式、数量、间距与尺寸对抗剪强度影响很大。

这类压型钢板的规格和槽纹形式很多,见图1b,应用也最广泛。

3)采用开口型槽口压型钢板,同时在它的翼缘上另焊附加钢筋,以增强抗剪切粘结能力,见图1c。

直径为<6mm,间距为150 mm~300 mm的附加横向钢筋,应焊接在组合板的剪跨区内、压型钢板的翼缘上,每个纵肋翼缘上焊缝长度不小于50 mm。

工程实践中,采用端部锚固也是提高楼板纵向抗剪能力的有效措施,即在组合楼板的端部(包括简支板端部及连续板的各跨端部),焊上带头的抗剪栓钉。

栓钉设置在端支座的凹肋处穿透压型钢板,并将栓钉和压型钢板焊于钢梁翼缘上。

2钢与混凝土组合梁抗剪连接件是组合梁设计的关键因素之一。

组合梁的连接件可分为栓钉、钢筋和型钢。

栓钉和钢筋的连接件如果布置得足够多,可以完全抵抗板中传来的纵向剪力,但是连接件本身的弯曲会使混凝土板与型钢梁之间产生一定的滑移,故称之为柔性连接件;而型钢连接件本身水平刚度大,滑移很小可以忽略,故称之为刚性连接件。

若在刚性连接件上加焊斜筋或环筋则可更有效地抵抗“掀起力”。

根据混凝土板与钢梁的组合连接程度,可把组合梁分为完全组合梁和部分组合梁。

完全组合梁是指组合梁中配有足够数量的剪切连接件可以完全承担梁截面极限弯矩作用下所产生的纵向剪力;部分组合梁是指剪力连接件所能承担的剪力小于在截面极限弯矩下所产生的纵向剪力。

钢—高强混凝土组合梁中栓钉连接件的分析在分析国内外钢—商品混凝土组合梁各种剪切连接件形式的基础上,着重阐述了钢—高强商品混凝土组合梁中栓钉连接件的受力性能和承载力计算方法,提出了有待完善的地方。

钢—商品混凝土组合梁是一种重要的横向承重组合构件,通过抗剪连接件将钢梁和商品混凝土板组合成整体共同受力,从而能够充分发挥钢材抗拉、商品混凝土抗压性能好的优点。

而抗剪连接件是将钢梁与商品混凝土板组合在一起共同工作的关键部件,起到了传递商品混凝土与钢梁之间纵向剪力的作用,同时还能抵抗使两者分离的掀起作用。

而高强商品混凝土在组合梁中的应用表明,抗剪连接件的设置显得尤为重要。

1 常见的剪力连接件的形式抗剪连接件的形式很多,一般按照变形能力可分为刚性连接件和柔性连接件两大类。

刚性连接件包括方钢、T 型钢、马蹄型钢、槽钢等连接件;而栓钉、弯筋、角钢、锚环、摩擦型高强螺栓等则属于柔性抗剪连接件。

刚性抗剪连接件通常用于不考虑剪力重分布的结构,后者则广泛应用于一般的房屋建筑及桥梁中。

2 栓钉连接件的受力性能2. 1 栓钉连接件工作机理栓钉在抵抗商品混凝土板与工字钢的相对滑移与掀起时,栓钉根部为拉—剪—弯复合受力形态,其受力状态类似于弹性地基梁。

栓钉受到根部传来的荷载与商品混凝土的被动反力,如同一根“地基梁”,外层商品混凝土因为一侧无横向约束,抗压强度较低,刚度较小,而另一侧商品混凝土受到周围商品混凝土的约束,抗压强度较高,刚度较大。

如图1 所示,随着荷载的增大,A 端商品混凝土首先进入塑性,塑性区由A 端向B 端扩展,滑移增加越来越快。

当栓钉截面达到极限强度或商品混凝土板不能承受栓钉传来的更大压力时,即达到极限承载力。

2. 2 栓钉连接件的破坏机理栓钉连接件在破坏时破坏形式通常有三种:1) 栓钉根部受剪受拉破坏。

钢—高强商品混凝土组合梁中通常栓钉相对于商品混凝土板较弱,即商品混凝土强度等级较高。

破坏呈一定的脆性,破坏时栓钉断口平整,根部下方小范围内的商品混凝土因栓钉挤压而被压成粉状。

1.试说明剪切连接件的作用和设置方法。

1.试说明剪切连接件的作用和设置方法。

答：剪切连接件，应具有足够的强度和刚度，其作用有三：首先必须能足以承受混凝土与钢界面上的纵向剪力；同时具有足够的剪切刚度，使界面处混凝土与钢的滑移不致过大；剪切连接件还必须具有足够的抵抗“掀起力”的能力，使混凝土与钢不致上下分离，界面处的纵向裂缝足够小。

剪切连接件按其变形能力可分为刚性剪切连接件和柔性剪切连接件。

刚性剪切连接件的形式主要为方钢、T 型钢和马蹄形钢等；柔性剪切连接件的形式主要为圆柱头栓钉、弯筋、槽钢、角钢、L 形钢、锚环以及摩擦型连接的高强度螺栓等。

目前，组合结构中常采用栓钉（圆柱头）剪切连接件，当不具备专用设备焊接栓钉时，也可以采用弯起钢筋、槽钢或其他有可靠连接保证的连接件。

（1）栓钉（圆柱头）连接件：主要利用栓杆来承受水平剪力、圆头来抵抗向上的掀起力。

此连接件施工便捷，栓钉下端带有焊剂，且外套瓷环，采用专门电焊机接触焊。

（2）弯起钢筋连接件：主要利用钢筋受拉来承受水平剪力和向上的掀起力，通过粘结力将拉力传给混凝土。

弯起钢筋的倾倒方向与受力方向一致。

（3）槽钢连接件：主要利用槽钢抗剪来抵抗水平剪力，槽钢的上翼缘用来承受向上的掀起力。

2. 试说明压型钢板与混凝土组合楼板在施工和使用阶段的变形特点和计算方法。

答：（1）施工阶段在施工阶段，混凝土尚未达到其设计强度，因此不能考虑压型钢板与混凝土的组合效应，变形计算中只考虑压型钢板的抗弯刚度，在此阶段，压型钢板应处于弹性阶段，不允许产生塑性变形而影响使用阶段组合板的工作。

均布荷载作用下压型钢板的挠度为：sss k I E l q 411α=? 式中k q 1—施工阶段作用在压型钢板计算宽度上的均布荷载标准值； ss E —压型钢板的弹性模量；s I —计算宽度上压型钢板的截面惯性矩；l —压型钢板的计算跨度；α—挠度系数，对简支板，3845=α，对两跨连续板，1851=α。

再生混凝土-钢组合结构PBL连接件抗剪力学性能研究发布时间：2022-12-09T08:14:00.841Z 来源：《中国建设信息化》2022年27卷8月15期作者：曾婧1[导读] 再生混凝土-钢组合结构凭借优越的性能在现代建筑中有广泛的应用。

曾婧1（湖南交通职业技术学院长沙 410000）摘要：再生混凝土-钢组合结构凭借优越的性能在现代建筑中有广泛的应用。

其中组合结构连接件最重要的两个力学性能指标是极限抗剪承载力和抗剪刚度。

本文应用ABAQUS有限元分析软件对PBL连接件进行精细三维实体有限元分析，混凝土的本构关系选用弹塑性本构模型和损伤力学模型，混凝土的破坏准则采用Willam Warnke5参数准则，采用实体推出试验来对PBL连接件的抗剪力学性能进行研究，建立了有限元数值模型。

对PBL连接件抗剪力学性能研究，并给出了研究结果。

关键词：抗剪力学性能；推出试验；有限元分析；中图分类号：TU398.9Abstract: The composite structure of recycled concrete and steel is widely used in modern buildings due to its superior performance. The two most important mechanical performance indexes of composite structure connectors are ultimate shear capacity and shear stiffness. In this paper, ABAQUS finite element analysis software is used to conduct a fine three-dimensional solid finite element analysis of the stud shear connector. The elasto-plastic constitutive model and damage mechanics model are used for the constitutive relationship of concrete. WillamWarnke 5 parameter criterion is used for the failure criterion of concrete. The physical pushout test is used to study the shear mechanical properties of PBL connectors, and a finite element numerical model is established. The shear mechanical properties of PBL connectors are studied, and the research results are given.Key words: shear mechanical property; Push out test; Finite element analysis;正文：背景概述近年来，随着我国经济、工业实力不断的增强，建筑领域也取得了新的突破。

组合结构剪力连接件钢—混凝土组合结构的性能取决于钢和混凝土界面处剪应力的有效传递。

组合截面的整体作用的最终承载力和变形发展,单靠自然黏结不足以保证在大荷载时界面处有足够的共同作用,在这时连接件是一个决定因素。

试验证明,理想的剪力连接件设计,应当为结构提供完整的组合作用。

因此,对组合结构设计使用机械剪力连接件是十分必要的。

1 压型钢板与混凝土组合楼板的连接1)采用闭口型槽口的压型钢板,见图1a。

为了增强剪切粘结效应,有时还在压型钢板腹板上开<20mm的孔洞。

2)采用开口型槽口压型钢板,在其腹板翼缘上轧制凹凸槽纹作为剪力连接件。

槽纹剪力件一般等距分布,它的形式、数量、间距与尺寸对抗剪强度影响很大。

这类压型钢板的规格和槽纹形式很多,见图1b,应用也最广泛。

3)采用开口型槽口压型钢板,同时在它的翼缘上另焊附加钢筋,以增强抗剪切粘结能力,见图1c。

直径为<6mm,间距为150 mm~300 mm的附加横向钢筋,应焊接在组合板的剪跨区内、压型钢板的翼缘上,每个纵肋翼缘上焊缝长度不小于50 mm。

工程实践中,采用端部锚固也是提高楼板纵向抗剪能力的有效措施,即在组合楼板的端部(包括简支板端部及连续板的各跨端部),焊上带头的抗剪栓钉。

栓钉设置在端支座的凹肋处穿透压型钢板,并将栓钉和压型钢板焊于钢梁翼缘上。

2钢与混凝土组合梁抗剪连接件是组合梁设计的关键因素之一。

组合梁的连接件可分为栓钉、钢筋和型钢。

栓钉和钢筋的连接件如果布置得足够多,可以完全抵抗板中传来的纵向剪力,但是连接件本身的弯曲会使混凝土板与型钢梁之间产生一定的滑移,故称之为柔性连接件;而型钢连接件本身水平刚度大,滑移很小可以忽略,故称之为刚性连接件。

若在刚性连接件上加焊斜筋或环筋则可更有效地抵抗“掀起力”。

根据混凝土板与钢梁的组合连接程度,可把组合梁分为完全组合梁和部分组合梁。

完全组合梁是指组合梁中配有足够数量的剪切连接件可以完全承担梁截面极限弯矩作用下所产生的纵向剪力;部分组合梁是指剪力连接件所能承担的剪力小于在截面极限弯矩下所产生的纵向剪力。

２０１７年第１０期97科教论坛钢-混凝土组合梁是一种应用较广泛的组合结构。

而剪力连接件是连接组合梁中钢和混凝土的关键所在，其作用在于分担混凝土翼板与钢腹板接触面之间的剪切应力，限制二者之间发生滑移，进而避免结构发生整体失稳破坏。

一、常用剪力连接件的种类目前常用的剪力连接件（图1），有型钢剪力连接件、栓钉剪力连接件、PBL剪力链接件,将按此顺序依次介绍各连接件。

a b c图1 a型钢剪力连接件;b栓钉剪力连接件；c.PBL剪力连接;型钢剪力连接件出现在20世纪20年代。

其抗剪刚度较大，抗滑移能力强，抵抗变形能力强，故此连接件适用于抗剪刚度要求高，且无掀起力作用时。

但其用钢量大，破坏时多为连接件周围的混凝土发生脆性破坏。

20世纪50年代提出的栓钉剪力连接件是目前在国内外被广泛使用的连接件之一，其力学性能良好、施工简单，制材方便且适合批量生产。

当钢与混凝土间作用剪力方向不明确，或作用有较大的掀起力时宜选用栓钉连接件。

20世纪80年代，德国研发了PBL剪力连接件。

其钢板圆孔中的混凝土隼可以钢筋和混凝土翼板形成一个整体，不仅可以使抗剪刚度、抗滑移变形能力增强，还减小了混凝土与钢之间的相对滑移量。

当栓钉连接件布置过密，或对抗剪刚度、抗疲劳性能有较高要求时宜选用PBL连接件。

二、剪力连接件的改进方案1 开孔波折板剪力连接件东南大学提出了一种新型的剪力连接件叫开孔波折板剪力连接件（图2a）。

将传统的PBL连接件的平钢板改进成斜向45°角（角度可任意选择）的波折形钢板。

这种改进方案已经获得专利。

与普通的PBL连接件相比，在钢板开孔个数相同的情况下，不设贯穿钢筋时，波折钢板剪力连接件的抗剪承载能力平均提高了38.3%；设置贯穿钢筋时，其抗剪承载能力平均提高了46%。

a b c图2 a.开孔波折板连接件;b.开孔波折板+焊接钢筋连接件;c. 翼缘型折板连接件在开孔波折板的基础上焊接钢筋形成开孔波折板的衍生式连接件（图2b）。