第二章鋼與混凝土的連接

1、組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念0鋼與混凝土的連接組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念1鋼與混凝土的連接主要內(nèi)容鋼與混凝土連接連接形式的分類與特點連接件按照應(yīng)用形式分類連接件按照剛度分類圓柱頭焊釘連接件開孔鋼板連接件組合連接件組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念2鋼與混凝土的連接連接形式的分類及其特點粘結(jié)型連接-依靠水泥砂漿的自然粘結(jié)作用連接形式粘結(jié)型連接膠結(jié)型連接摩擦型連接連接件使用型組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念3鋼與混凝土的連接連接形式的分類及其特點膠結(jié)型連接利用環(huán)氧樹脂等有機材料 *環(huán)氧樹脂相對于砂漿粘結(jié)力大。 *環(huán)氧樹脂不浸透混凝土內(nèi)部，抗分

2、離能力弱。膠結(jié)劑粘結(jié)力組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念4鋼與混凝土的連接連接形式的分類及其特點摩擦型連接利用高強螺栓增大壓力，從而提高摩擦力 *抗剪強度增大的同時，抗拉拔力也增強。 *伴隨著高軸力，軸力會因徐變降低。摩擦力拉拔力高強螺栓組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念5鋼與混凝土的連接連接形式的分類及其特點連接件使用型利用圓柱頭焊釘?shù)燃袅︶敿袅︽I剪力連接件栓釘焊釘通稱為連接件組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念6鋼與混凝土的連接連接件按照應(yīng)用形式分類鋼筋連接件彎起鋼筋、輪形鋼筋、螺旋鋼筋連接件鋼筋連接件型鋼連接件圓柱頭焊釘連接件開孔鋼板連接件鋼與有機材料組合連接

3、件組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念7鋼與混凝土的連接連接件按照應(yīng)用形式分類型鋼連接件角鋼、T形鋼、槽鋼、工字鋼 *抗剪強度大 *抗分離能力稍差 *用貼角焊縫，焊接量大組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念8鋼與混凝土的連接連接件按照應(yīng)用形式分類焊釘連接件圓柱頭型、螺紋型、螺絲型 *力學(xué)性能不依存方向 *抗分離能力強 *使用專用焊接機，質(zhì)量容易保證組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念9鋼與混凝土的連接連接件按照應(yīng)用形式分類開孔鋼板連接件受力方向焊接的開孔鋼板 *抗剪剛度大，抗疲勞性能好 *圓孔中貫通鋼筋，抗剪強度增大 *焊接容易組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理

4、念10鋼與混凝土的連接連接件按照應(yīng)用形式分類鋼與有機材料組合連接件焊釘根部或型鋼腹板等處 設(shè)置泡沫塑料、環(huán)氧樹脂等， 剛度容易調(diào)節(jié)。泡沫塑料組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念11鋼與混凝土的連接連接件按照剛度分類剛性連接件型鋼連接件、開孔鋼板連接件等連接件剛性連接件彈性連接件柔性連接件剛度滯后連接件支壓力組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念12鋼與混凝土的連接連接件按照剛度分類彈性連接件鋼筋連接件、焊釘連接件 焊釘連接件：隨著桿部彎曲變形， 產(chǎn)生一定相對滑移。支壓力柔性連接件鋼與有機材料組合連接件剛度滯后型連接件鋼與有機材料組合連接件組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理

5、念13鋼與混凝土的連接圓柱頭焊釘連接件焊釘應(yīng)用形式按頭部朝向分為正立、倒立、側(cè)立、面立隨著焊釘所處位置的不同，根部的混凝土密實度不同，而焊釘根部附近受到的支壓應(yīng)力在高度方向上最大，根部周圍混凝土的密實度極大地影響著其力學(xué)性能。組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念14鋼與混凝土的連接圓柱頭焊釘連接件抗剪性能試驗方法：片側(cè)加載：是H型鋼片側(cè)用焊釘連接混凝土塊，這是美國在進行疲勞剪切強度試驗時較采用的形式之一，比較接近組合梁的力學(xué)狀態(tài)，但是作用在混凝土塊上的荷載容易產(chǎn)生偏心，并不常用。 組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念15鋼與混凝土的連接圓柱頭焊釘連接件抗剪性能 試驗方法：兩側(cè)加

6、載：是H型鋼兩側(cè)都用焊釘連接混凝土塊，兩側(cè)焊釘基本上可以保持純剪切狀態(tài)，是許多國家的相關(guān)規(guī)范推薦使用的方法之一。砂漿球支座組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念16鋼與混凝土的連接圓柱頭焊釘連接件抗剪性能試驗需要測試的連接件力學(xué)參數(shù)最大剪切作用力：是指每根連接件抗剪承載力。最大滑移量：是指最大剪切作用力所對應(yīng)的滑移量。剪切剛度：依據(jù)剪切作用力與滑移量關(guān)系曲線，把通過最大剪切作用力1/3大小處的割線傾斜度設(shè)為剪切剛度。殘余滑移量：是指當荷載卸載為零時的滑移量。屈服剪切作用力：是指剪切作用力與滑移量的變化曲線開始顯著傾斜時所對應(yīng)的剪切作用力。 組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念17

7、研究代表者表現(xiàn)形式計算式Slutter, R. G.公式Menzies, J. B.圖表Ollgaard, J. G.公式Hawkins, N. M.公式Roik, K.公式圖表Hiragi, H.公式鋼與混凝土的連接圓柱頭焊釘連接件焊釘連接件的力學(xué)性能 -抗剪承載力的計算)2 . 4/( )2 . 4/( 221sscssusscsudhfhdkQdhfdkQcufQ ccsuEfAkQ3sycsudffAkQ/4ysufdkQ25csufdQ/276)/(kfdhAkQcsssu組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念18鋼與混凝土的連接圓柱頭焊釘連接件 焊釘連接件的力學(xué)性能 -抗剪承

8、載力的影響因素 焊釘?shù)臈U部直徑ds 包括頭部的高度hs 焊釘屈服強度fy 混凝土的抗壓強度fc 彈性模量Ec 焊釘桿部的截面積As 組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念19鋼與混凝土的連接圓柱頭焊釘連接件焊釘連接件的力學(xué)性能 -抗剪承載力回歸計算式主要影響因素，有焊釘桿部直徑ds、高度hs及其混凝土抗壓強度fc通過回歸分析179個試件的試驗數(shù)據(jù)，得出的抗剪承載力計算式： 10000)/(30csssufdhAQ 組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念20鋼與混凝土的連接圓柱頭焊釘連接件焊釘連接件的力學(xué)性能 -拉拔破壞模式焊釘拉斷：當埋設(shè)較深、混凝土強度較高時焊釘拉斷。焊釘拔出：當

9、埋設(shè)較淺、頭部直徑小時焊釘從混凝土中拔出。混凝土圓錐形破壞：當埋設(shè)較淺、頭部直徑大時，形成圓錐形破壞面?；炷翂毫哑茐? 當埋設(shè)較深、并位于構(gòu)件邊緣時，混凝土被擠壓破壞。混凝土割裂破壞：當混凝土構(gòu)件較薄時，混凝土發(fā)生割裂破壞。 (b) 焊釘拔出(a) 焊釘拉斷(c) 混凝土圓錐形破壞(d) 混凝土割裂(d) 混凝土壓裂組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念21鋼與混凝土的連接圓柱頭焊釘連接件焊釘連接件的力學(xué)性能-抗拉拔承載力的計算表2.2.2 抗拉拔承載力的既往研究csssufHHDkN)(0cssufHDkN03/220csufHkN csufhkN20csssufHHDkN)(0cs

10、ssufHHDkN)(0csssufHHDkN)(20csssufHHDkN)(0研究代表者計算式系數(shù)k0值Leigh-University1.207Sattler, K.0.953Utescher, G.0.964CEB-ECCS1.283PCI Dsign Data Book1.207Bode, H.11.3McMackin, P. J.0.272Otani, Y.11.3Hiragi, H.0.2273/20)(csssufHHDkN組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念22鋼與混凝土的連接圓柱頭焊釘連接件焊釘連接件的力學(xué)性能 拉拔力與剪力共同作用的試驗結(jié)果焊釘直徑19mm、全長8

11、0mm。每根焊釘所施加的拉應(yīng)力為0.965MPa。當有拉力時，剪切剛度與殘余滑移量減少，抗剪承載力降低。 (b) 有拉應(yīng)力(a) 無拉應(yīng)力剪力 (kN)滑移量 (mm)滑移量 (mm)剪力 (kN)組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念23鋼與混凝土的連接圓柱頭焊釘連接件 焊釘連接件的力學(xué)性能 焊釘群的使用背景 把幾個焊釘以較小的間距集中設(shè)置即形成群體，再以較大的間距把焊釘群設(shè)置在翼緣長度方向上，施加預(yù)應(yīng)力后，再用無收縮砂漿填充預(yù)留孔。在橋面板縱橫向上能夠有效地施加預(yù)應(yīng)力鋼梁不會因預(yù)應(yīng)力的施加而產(chǎn)生附加應(yīng)力可應(yīng)用于現(xiàn)場澆灌或預(yù)制的橋面板減輕干燥收縮對混凝土橋面板的影響可以用于組合桁架梁的

12、節(jié)點附近組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念24鋼與混凝土的連接開孔鋼板連接件 開孔鋼板連接件的力學(xué)性能-作用機理 作用機理主要有三個方面：一、依據(jù)孔中混凝土的抗剪作用承擔沿鋼板的縱向剪力；二、依據(jù)孔中混凝土的抗剪作用承擔鋼與混凝土間的掀起力；三、與型鋼連接件相同、依據(jù)鋼板受壓承擔面外的橫向剪力。 面內(nèi)方向滑移面內(nèi)方向掀起面外方向滑移開孔鋼板連接件鋼板組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念25鋼與混凝土的連接開孔鋼板連接件 開孔鋼板連接件的力學(xué)性能 破壞模式 兩孔之間的鋼板發(fā)生剪切破壞；圓孔中的混凝土發(fā)生割裂破壞；圓孔中的混凝土發(fā)生剪切破壞；圓孔中的混凝土發(fā)生壓縮破壞。 圓孔中混

13、凝土的破壞模式(c) 壓縮破壞(a) 割裂破壞(b) 剪切破壞組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念26鋼與混凝土的連接開孔鋼板連接件 開孔鋼板連接件的力學(xué)性能 抗剪強度影響因素 開孔鋼板的厚度開孔鋼板的孔徑開孔鋼板的圓孔間距多塊開孔鋼板的間距混凝土強度貫通鋼筋的有無貫通鋼筋的直徑組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念27鋼與混凝土的連接開孔鋼板連接件 開孔鋼板連接件的力學(xué)性能 -抗剪強度的計算 開孔鋼板連接件屬于剛性連接，一般在設(shè)計時需要先驗算板厚及其孔距，保證在孔中混凝土發(fā)生剪切破壞前，圓孔間鋼板不會發(fā)生剪切破壞 最早基于試驗結(jié)果，貫通鋼筋的影響不直接反映在抗剪強度計算中，提出

14、的抗剪強度與孔徑、混凝土強度有關(guān)的計算式為： cufdQ279. 1 認為貫通鋼筋的影響較大，應(yīng)該加以直接考慮，并通過試驗數(shù)據(jù)的回歸分析，提出的計算式為： 1 .26)(45. 1222yscsufdfddQ 組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念28鋼與混凝土的連接開孔鋼板連接件 開孔鋼板連接件的力學(xué)性能 -技術(shù)特點 僅僅是普通的鋼板上設(shè)置園孔，不需要特別進行加工；沿鋼板兩面用角焊縫焊接，不需要專用的焊接設(shè)備；圓孔中可以貫通主鋼筋，改善了鋼筋布置的施工性；開孔鋼板沿著翼緣縱向布置，可以起到加勁板的作用；抗剪剛度、強度較大，當設(shè)置貫通鋼筋后進一步增大；破壞是孔中混凝土剪切破壞、不受疲勞的

15、影響。 組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念29鋼與混凝土的連接開孔鋼板連接件 開孔鋼板連接件 應(yīng)用實例 日本高速鐵路上的高架橋鋼管混凝土主梁與混凝土頂板的組合梁跨徑：34.95m+36.0m+34m鋼管內(nèi)填充輕質(zhì)混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念30鋼與混凝土的連接鋼與有機材料組合連接件 柔性連接件使用底硬度環(huán)氧樹脂、或泡沫塑料包裹根部 使用背景： 在非組合梁或非組合段設(shè)置的連接件僅僅起到固定橋面板的作用，設(shè)計時并不加以考慮，但是，剪力的作用是不可避免的，連接件時常發(fā)生疲勞斷裂等現(xiàn)象。這種情況下就要求使用剛度較小、而且又可以起到固定作用的連接件。力學(xué)特點： 達到降低剪

16、切剛度的目的，同時焊釘?shù)念^部或型鋼的翼緣所承擔的抗拉拔作用又可以保持 。組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念31鋼與混凝土的連接鋼與有機材料組合連接件 柔性連接件剪力與相對滑移曲線的試驗結(jié)果 焊釘為直徑19mm、高度120mm，其中一根在高度30mm范圍內(nèi)沿圓周方向涂抹厚度9mm的樹脂。柔性焊釘初期剛度小，剪力維持在強度的1/3左右持續(xù)滑移變形，然后上升。對應(yīng)于最大剪切作用力時的滑移量增加了大約3倍，抗剪強度略有提高。設(shè)置與否，最終焊釘都是桿部剪斷，所以抗剪強度的增加極其有限。焊釘根部不予混凝土直接接觸，靠桿部彎曲性能承擔剪力，抗疲勞性能較好。 (b) 柔性焊釘(a) 普通焊釘剪力 (

17、kN)剪力 (kN)滑移量 (mm)滑移量 (mm)剪力 (kN)組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念32鋼與混凝土的連接鋼與有機材料組合連接件 剛度滯后連接件使用高硬度環(huán)氧樹脂、并配合硅砂 構(gòu)造特點： 1.使用樹脂砂漿為高硬度； 2.包裹高度大約需要焊釘桿部高度的2/3； 3.厚度要依據(jù)對焊釘自由滑移量的要求來決定； 4.要求涂抹在鋼板表面上的粘度要低； 5.包裹在焊釘桿部的粘度要高。 圓柱頭焊釘包裹樹脂涂抹樹脂組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念33鋼與混凝土的連接鋼與有機材料組合連接件剛度滯后連接件樹脂試件的壓縮試驗結(jié)果 硬化后樹脂砂漿的壓縮強度遠遠高于混凝土的強度，與硅

18、砂的配合無關(guān)。包裹焊釘桿部、粘度高的樹脂砂漿的彈性模量， 當硅砂配合比為0.8時大約是混凝土的1/2。涂抹鋼板表面、粘度低的樹脂砂漿的彈性模量， 當硅砂配合比為0.3時大約是混凝土的1/5。所有的樹脂砂漿的泊松比與硅砂的配合無關(guān)，大約為0.35。 粘度高低硅砂配合比壓縮強度(MPa)彈性模量(GPa)泊松比高粘度0.01036.80.370.712113.00.290.813415.30.32低粘度0.01304.10.380.31316.50.35組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念34鋼與混凝土的連接鋼與有機材料組合連接件剛度滯后連接件剪力與相對滑移曲線的試驗結(jié)果 不管是否配合硅砂、硬化前還是硬化后，抗剪承載力最終都與無樹脂包裹的焊釘非常接近。 硬化前，連接件的作用力在滑移量，一直到8mm左右都保持著抗剪承載力的約1/5，然后開始上升，這個滑移量與樹脂砂漿包裹厚度相對應(yīng)。 與無樹脂包裹焊釘相比較，硬化后，硅砂配合比為0.8的包裹焊釘?shù)募羟袆偠葞缀跸嗤?，抗剪承載力稍大；而不添加硅砂時剪切剛度降低許多。 滑移量 (mm)剪力 (kN)滑移量 (mm)滑移量 (mm)(a) 無包裹焊釘(b) 含硅砂焊釘(c) 無硅砂焊釘剪力 (kN)剪力 (kN)組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計新理念35鋼與混凝土的連接鋼與有機材料組合連接件剛度滯后連接件應(yīng)用背景