第二章钢与混凝土的连接

1、组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念0钢与混凝土的连接组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念1钢与混凝土的连接主要内容钢与混凝土连接连接形式的分类与特点连接件按照应用形式分类连接件按照刚度分类圆柱头焊钉连接件开孔钢板连接件组合连接件组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念2钢与混凝土的连接连接形式的分类及其特点粘结型连接-依靠水泥砂浆的自然粘结作用连接形式粘结型连接胶结型连接摩擦型连接连接件使用型组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念3钢与混凝土的连接连接形式的分类及其特点胶结型连接利用环氧树脂等有机材料 *环氧树脂相对于砂浆粘结力大。 *环氧树脂不浸透混凝土内部，抗分

2、离能力弱。胶结剂粘结力组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念4钢与混凝土的连接连接形式的分类及其特点摩擦型连接利用高强螺栓增大压力，从而提高摩擦力 *抗剪强度增大的同时，抗拉拔力也增强。 *伴随着高轴力，轴力会因徐变降低。摩擦力拉拔力高强螺栓组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念5钢与混凝土的连接连接形式的分类及其特点连接件使用型利用圆柱头焊钉等剪力钉剪力键剪力连接件栓钉焊钉通称为连接件组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念6钢与混凝土的连接连接件按照应用形式分类钢筋连接件弯起钢筋、轮形钢筋、螺旋钢筋连接件钢筋连接件型钢连接件圆柱头焊钉连接件开孔钢板连接件钢与有机材料组合连接

3、件组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念7钢与混凝土的连接连接件按照应用形式分类型钢连接件角钢、T形钢、槽钢、工字钢 *抗剪强度大 *抗分离能力稍差 *用贴角焊缝，焊接量大组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念8钢与混凝土的连接连接件按照应用形式分类焊钉连接件圆柱头型、螺纹型、螺丝型 *力学性能不依存方向 *抗分离能力强 *使用专用焊接机，质量容易保证组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念9钢与混凝土的连接连接件按照应用形式分类开孔钢板连接件受力方向焊接的开孔钢板 *抗剪刚度大，抗疲劳性能好 *圆孔中贯通钢筋，抗剪强度增大 *焊接容易组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理

4、念10钢与混凝土的连接连接件按照应用形式分类钢与有机材料组合连接件焊钉根部或型钢腹板等处 设置泡沫塑料、环氧树脂等， 刚度容易调节。泡沫塑料组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念11钢与混凝土的连接连接件按照刚度分类刚性连接件型钢连接件、开孔钢板连接件等连接件刚性连接件弹性连接件柔性连接件刚度滞后连接件支压力组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念12钢与混凝土的连接连接件按照刚度分类弹性连接件钢筋连接件、焊钉连接件 焊钉连接件：随着杆部弯曲变形， 产生一定相对滑移。支压力柔性连接件钢与有机材料组合连接件刚度滞后型连接件钢与有机材料组合连接件组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理

5、念13钢与混凝土的连接圆柱头焊钉连接件焊钉应用形式按头部朝向分为正立、倒立、侧立、面立随着焊钉所处位置的不同，根部的混凝土密实度不同，而焊钉根部附近受到的支压应力在高度方向上最大，根部周围混凝土的密实度极大地影响着其力学性能。组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念14钢与混凝土的连接圆柱头焊钉连接件抗剪性能试验方法：片侧加载：是H型钢片侧用焊钉连接混凝土块，这是美国在进行疲劳剪切强度试验时较采用的形式之一，比较接近组合梁的力学状态，但是作用在混凝土块上的荷载容易产生偏心，并不常用。 组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念15钢与混凝土的连接圆柱头焊钉连接件抗剪性能 试验方法：两侧加

6、载：是H型钢两侧都用焊钉连接混凝土块，两侧焊钉基本上可以保持纯剪切状态，是许多国家的相关规范推荐使用的方法之一。砂浆球支座组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念16钢与混凝土的连接圆柱头焊钉连接件抗剪性能试验需要测试的连接件力学参数最大剪切作用力：是指每根连接件抗剪承载力。最大滑移量：是指最大剪切作用力所对应的滑移量。剪切刚度：依据剪切作用力与滑移量关系曲线，把通过最大剪切作用力1/3大小处的割线倾斜度设为剪切刚度。残余滑移量：是指当荷载卸载为零时的滑移量。屈服剪切作用力：是指剪切作用力与滑移量的变化曲线开始显著倾斜时所对应的剪切作用力。 组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念17

7、研究代表者表现形式计算式Slutter, R. G.公式Menzies, J. B.图表Ollgaard, J. G.公式Hawkins, N. M.公式Roik, K.公式图表Hiragi, H.公式钢与混凝土的连接圆柱头焊钉连接件焊钉连接件的力学性能 -抗剪承载力的计算)2 . 4/( )2 . 4/( 221sscssusscsudhfhdkQdhfdkQcufQ ccsuEfAkQ3sycsudffAkQ/4ysufdkQ25csufdQ/276)/(kfdhAkQcsssu组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念18钢与混凝土的连接圆柱头焊钉连接件 焊钉连接件的力学性能 -抗剪承

8、载力的影响因素 焊钉的杆部直径ds 包括头部的高度hs 焊钉屈服强度fy 混凝土的抗压强度fc 弹性模量Ec 焊钉杆部的截面积As 组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念19钢与混凝土的连接圆柱头焊钉连接件焊钉连接件的力学性能 -抗剪承载力回归计算式主要影响因素，有焊钉杆部直径ds、高度hs及其混凝土抗压强度fc通过回归分析179个试件的试验数据，得出的抗剪承载力计算式： 10000)/(30csssufdhAQ 组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念20钢与混凝土的连接圆柱头焊钉连接件焊钉连接件的力学性能 -拉拔破坏模式焊钉拉断：当埋设较深、混凝土强度较高时焊钉拉断。焊钉拔出：当

9、埋设较浅、头部直径小时焊钉从混凝土中拔出。混凝土圆锥形破坏：当埋设较浅、头部直径大时，形成圆锥形破坏面。混凝土压裂破坏: 当埋设较深、并位于构件边缘时，混凝土被挤压破坏。混凝土割裂破坏：当混凝土构件较薄时，混凝土发生割裂破坏。 (b) 焊钉拔出(a) 焊钉拉断(c) 混凝土圆锥形破坏(d) 混凝土割裂(d) 混凝土压裂组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念21钢与混凝土的连接圆柱头焊钉连接件焊钉连接件的力学性能-抗拉拔承载力的计算表2.2.2 抗拉拔承载力的既往研究csssufHHDkN)(0cssufHDkN03/220csufHkN csufhkN20csssufHHDkN)(0cs

10、ssufHHDkN)(0csssufHHDkN)(20csssufHHDkN)(0研究代表者计算式系数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组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念22钢与混凝土的连接圆柱头焊钉连接件焊钉连接件的力学性能 拉拔力与剪力共同作用的试验结果焊钉直径19mm、全长8

11、0mm。每根焊钉所施加的拉应力为0.965MPa。当有拉力时，剪切刚度与残余滑移量减少，抗剪承载力降低。 (b) 有拉应力(a) 无拉应力剪力 (kN)滑移量 (mm)滑移量 (mm)剪力 (kN)组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念23钢与混凝土的连接圆柱头焊钉连接件 焊钉连接件的力学性能 焊钉群的使用背景 把几个焊钉以较小的间距集中设置即形成群体，再以较大的间距把焊钉群设置在翼缘长度方向上，施加预应力后，再用无收缩砂浆填充预留孔。在桥面板纵橫向上能够有效地施加预应力钢梁不会因预应力的施加而产生附加应力可应用于现场浇灌或预制的桥面板减轻干燥收缩对混凝土桥面板的影响可以用于组合桁架梁的

12、节点附近组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念24钢与混凝土的连接开孔钢板连接件 开孔钢板连接件的力学性能-作用机理 作用机理主要有三个方面：一、依据孔中混凝土的抗剪作用承担沿钢板的纵向剪力；二、依据孔中混凝土的抗剪作用承担钢与混凝土间的掀起力；三、与型钢连接件相同、依据钢板受压承担面外的横向剪力。 面内方向滑移面内方向掀起面外方向滑移开孔钢板连接件钢板组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念25钢与混凝土的连接开孔钢板连接件 开孔钢板连接件的力学性能 破坏模式 两孔之间的钢板发生剪切破坏；圆孔中的混凝土发生割裂破坏；圆孔中的混凝土发生剪切破坏；圆孔中的混凝土发生压缩破坏。 圆孔中混

13、凝土的破坏模式(c) 压缩破坏(a) 割裂破坏(b) 剪切破坏组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念26钢与混凝土的连接开孔钢板连接件 开孔钢板连接件的力学性能 抗剪强度影响因素 开孔钢板的厚度开孔钢板的孔径开孔钢板的圆孔间距多块开孔钢板的间距混凝土强度贯通钢筋的有无贯通钢筋的直径组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念27钢与混凝土的连接开孔钢板连接件 开孔钢板连接件的力学性能 -抗剪强度的计算 开孔钢板连接件属于刚性连接，一般在设计时需要先验算板厚及其孔距，保证在孔中混凝土发生剪切破坏前，圆孔间钢板不会发生剪切破坏 最早基于试验结果，贯通钢筋的影响不直接反映在抗剪强度计算中，提出

14、的抗剪强度与孔径、混凝土强度有关的计算式为： cufdQ279. 1 认为贯通钢筋的影响较大，应该加以直接考虑，并通过试验数据的回归分析，提出的计算式为： 1 .26)(45. 1222yscsufdfddQ 组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念28钢与混凝土的连接开孔钢板连接件 开孔钢板连接件的力学性能 -技术特点 仅仅是普通的钢板上设置园孔，不需要特别进行加工；沿钢板两面用角焊缝焊接，不需要专用的焊接设备；圆孔中可以贯通主钢筋，改善了钢筋布置的施工性；开孔钢板沿着翼缘纵向布置，可以起到加劲板的作用；抗剪刚度、强度较大，当设置贯通钢筋后进一步增大；破坏是孔中混凝土剪切破坏、不受疲劳的

15、影响。 组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念29钢与混凝土的连接开孔钢板连接件 开孔钢板连接件 应用实例 日本高速铁路上的高架桥钢管混凝土主梁与混凝土顶板的组合梁跨径：34.95m+36.0m+34m钢管内填充轻质混凝土组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念30钢与混凝土的连接钢与有机材料组合连接件 柔性连接件使用底硬度环氧树脂、或泡沫塑料包裹根部 使用背景： 在非组合梁或非组合段设置的连接件仅仅起到固定桥面板的作用，设计时并不加以考虑，但是，剪力的作用是不可避免的，连接件时常发生疲劳断裂等现象。这种情况下就要求使用刚度较小、而且又可以起到固定作用的连接件。力学特点： 达到降低剪

16、切刚度的目的，同时焊钉的头部或型钢的翼缘所承担的抗拉拔作用又可以保持 。组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念31钢与混凝土的连接钢与有机材料组合连接件 柔性连接件剪力与相对滑移曲线的试验结果 焊钉为直径19mm、高度120mm，其中一根在高度30mm范围内沿圆周方向涂抹厚度9mm的树脂。柔性焊钉初期刚度小，剪力维持在强度的1/3左右持续滑移变形，然后上升。对应于最大剪切作用力时的滑移量增加了大约3倍，抗剪强度略有提高。设置与否，最终焊钉都是杆部剪断，所以抗剪强度的增加极其有限。焊钉根部不予混凝土直接接触，靠杆部弯曲性能承担剪力，抗疲劳性能较好。 (b) 柔性焊钉(a) 普通焊钉剪力 (

17、kN)剪力 (kN)滑移量 (mm)滑移量 (mm)剪力 (kN)组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念32钢与混凝土的连接钢与有机材料组合连接件 刚度滞后连接件使用高硬度环氧树脂、并配合硅砂 构造特点： 1.使用树脂砂浆为高硬度； 2.包裹高度大约需要焊钉杆部高度的2/3； 3.厚度要依据对焊钉自由滑移量的要求来决定； 4.要求涂抹在钢板表面上的粘度要低； 5.包裹在焊钉杆部的粘度要高。 圆柱头焊钉包裹树脂涂抹树脂组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念33钢与混凝土的连接钢与有机材料组合连接件刚度滞后连接件树脂试件的压缩试验结果 硬化后树脂砂浆的压缩强度远远高于混凝土的强度，与硅

18、砂的配合无关。包裹焊钉杆部、粘度高的树脂砂浆的弹性模量， 当硅砂配合比为0.8时大约是混凝土的1/2。涂抹钢板表面、粘度低的树脂砂浆的弹性模量， 当硅砂配合比为0.3时大约是混凝土的1/5。所有的树脂砂浆的泊松比与硅砂的配合无关，大约为0.35。 粘度高低硅砂配合比压缩强度(MPa)弹性模量(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组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念34钢与混凝土的连接钢与有机材料组合连接件刚度滞后连接件剪力与相对滑移曲线的试验结果 不管是否配合硅砂、硬化前还是硬化后，抗剪承载力最终都与无树脂包裹的焊钉非常接近。 硬化前，连接件的作用力在滑移量，一直到8mm左右都保持着抗剪承载力的约1/5，然后开始上升，这个滑移量与树脂砂浆包裹厚度相对应。 与无树脂包裹焊钉相比较，硬化后，硅砂配合比为0.8的包裹焊钉的剪切刚度几乎相同，抗剪承载力稍大；而不添加硅砂时剪切刚度降低许多。 滑移量 (mm)剪力 (kN)滑移量 (mm)滑移量 (mm)(a) 无包裹焊钉(b) 含硅砂焊钉(c) 无硅砂焊钉剪力 (kN)剪力 (kN)组合结构桥梁设计新理念组合结构桥梁设计新理念35钢与混凝土的连接钢与有机材料组合连接件刚度滞后连接件应用背景