完全抗剪连接组合梁
抗剪连接程度对组合梁受力性能影响
关键词：钢‒混凝土组合梁；抗剪连接程度；参数分析；试验
研究；承载力；界面滑移
中图分类号：U443. 35
文献标志码：A
Effect of Shear Connection Degree on Mechanical Behavior of Composite Beams
HUANG Qiao1，ZHENG Xing1，LI Wenxian2
1 建立有限元模型
1. 1 几何模型 运用大型通用有限元软件 ABAQUS，建立 4 个不
同焊钉间距的钢‒混凝土简支组合梁的有限元模型，分 别编号为SCB-1 至SBC-4。简支梁计算跨径为3. 0 m， 在建模时考虑到模型受力的对称性，为减小计算耗时， 仅建立二分之一模型，并相应在跨中处设置对称边界 约束。工字形钢梁的上翼缘板宽度为120 mm，下翼缘 板宽度为 160 mm，腹板高度为 150 mm。翼板和腹板 厚度均为10 mm。混凝土翼缘板断面尺寸为宽300 mm、 高 80 mm。按照构造要求，在混凝土板中共设置 6 根 Φ6 纵向钢筋和间距 200 mm 的 Φ6 箍筋。 组合梁的立 面构造图及横断面图如图 1 所示。
图 1 组合梁构造图（单位：mm） Fig. 1 General layout of composite beams (unit: mm)
抗剪连接程度 η 是本文中主要研究的对比参 数。模型中采用双排布置的 Φ13×60 焊钉，横向间 距为 60 mm。模型 SCB-1 为完全抗剪连接（η=1），
SCB-2 和 SCB-3 设计为部分抗剪连接（η<1），SCB4 则布置数量多于 SCB-1 的焊钉（η>1）。4 个模型 的焊钉布置情况见表 1。
中的上方设置一个参考点，并对其施加竖直向下的位 移。通过将参考点与混凝土顶面的一块区域进行耦合， 使参考点的位移刚性地传递至混凝土顶面。
组合梁完全抗剪和部分抗剪的构造要求
组合梁完全抗剪和部分抗剪的构造要求好嘞，今天我们来聊聊组合梁的事儿，尤其是完全抗剪和部分抗剪这两个概念。
听起来有点高深，其实说白了就是要让梁在受力的时候不那么容易变形。
说到组合梁，你可能会想到那些高楼大厦的钢筋混凝土结构，哎呀，那真是个让人心旷神怡的东西。
先说说完全抗剪，这玩意儿就像你一口气吃下了一大碗麻辣火锅，虽然吃得痛快，但肚子得受点儿委屈。
完全抗剪的设计意味着梁在受力的时候，能抵御各种剪切力，就像一位武艺高强的侠客，无论敌人怎么攻击都能稳如泰山。
这种结构可不是随便造的，得好好规划，材料的选择、尺寸的设计全得精细，真是个细致活儿。
想象一下，工程师们开会讨论这些细节，就像是在研究如何制作一份绝世美食，得把每一步都琢磨透了。
再说部分抗剪，这种梁就像是个调皮的小孩，有点儿抗压能力，但面对强大的剪切力时，可能就会显得有些力不从心。
就好比你试图用一根小木棍去撬动一块大石头，哎呀，真是难为自己。
部分抗剪的结构通常会在设计上有所妥协，虽然不如完全抗剪那么强大，但在一些情况下，还是能勉强应付。
毕竟，生活中总会有些不如意的事，大家都得学会应对。
你可能会想，为什么不都用完全抗剪的设计呢？这就好比你不可能天天吃火锅，偶尔也得换换口味。
完全抗剪虽然强大，但成本可不低，材料、施工、维护，各种费用一加起来，吓得人都想退缩。
部分抗剪的设计在某些情况下，能够省下不少钱，真是个聪明的选择。
不过，选择部分抗剪的设计时，得好好评估一下具体情况，就像选手机的时候，要考虑品牌、价格、功能，各种因素得统统纳入考虑。
要是你问我，完全抗剪和部分抗剪哪个更好，我告诉你，其实这要看你具体的需求。
有些地方，比如高层建筑或者大跨度的桥梁，完全抗剪就特别合适。
因为这些地方受力大，必须得有个稳稳的底盘。
反之，某些小型建筑或者局部受力较小的地方，部分抗剪就能派上用场，省钱又省心。
在实际施工中，抗剪的构造要求也得仔细考虑。
比如，混凝土的强度得足够，钢筋的配置得合理。
钢-混凝土组合梁中的抗剪连接件设计
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。
5、组合梁抗剪连接
•
•
•
adhesion and chemical bond
interface friction
mechanical interlock
dowel action
Test on shear connectors.
(a) Push-out specimen. (b) Non dimensional load-slip
non-ductile- as those which fracture when the
ultimate load PR of the connector is reached without
any significant slip; in this case, the subsequent shear
• For slip capacity su, EC 4 estimates that a value
greater than 6 mm allows shear connectors to be
considered as ductile.
• rigid shear connectors刚性（非延性）连接件, i.e.
with the connector is less than that provided in a pushout test, as may be the case when the slab is hunched连
接件周围砼侧向约束少于push-out test，如带托组合梁。
When lightweight concrete is to be used 轻质混凝土
stress.
Table 5.1 Nominal static strength of shear connectors
组合结构抗剪连接件讲解
1、抗剪连接件的作用、类型
抗剪连接件的主要作用是抵抗水平剪力和竖向的掀起力。 常用的抗剪连接件类型包括栓钉连接件、槽钢连接件、方钢连接件、
T型钢连接件和弯筋连接件等。 剪力连接件一般地可分为两类－刚性连接件（方钢、T型钢）和柔
性连接件（槽钢和栓钉）。刚性连接件容易引起其周围混凝土中较 高的应力集中，结果引起混凝土的压碎或者剪切破坏，有时也可引 起焊接破坏。柔性连接件的破坏形态较为协调一致。 共性：有限的变形能力；对混凝土施加集中梁中，交界面上钢与混凝土的粘结作用 很小，极易发生粘结破坏。为保证上下层结构有效的共 同工作，必须在交界面处设置抗剪连接件。抗剪连接件 的形状应保证既能抵抗剪切滑移有能抵抗掀起作用。
常用抗剪连接件类型：栓钉、槽钢、弯筋以及方钢和T 型钢等
6
1、抗剪连接件的作用、类型
与栓钉连接件类似，一般情况槽钢连接件的抗剪承载力随混凝土 强度的提高而提高，最后的破坏发生在混凝土上。当混凝土强度 较高时，槽钢抗剪连接件的抗剪能力不再随混凝土强度的提高而 增加，最后的破坏发生在槽钢。
若增大槽钢翼缘厚度，将会增大连接件根部混凝土的有效承压面 积而提高抗剪能力；若增大槽钢腹板厚度，会增加腹板抗弯刚度 和抗拉能力，从而提高抗剪承载力。
组合结构的性能取决于界面处剪应力的有效传递 钢－混凝土截面剪力传递：
化学粘结力（0-0.1N/mm2）; 摩擦力（摩擦系数：0.6） 剪力连接件承受 （1）纵向的剪力 （2）由于滑移和屈服，组合梁中板的弯矩对钢梁的弯矩之比沿长 度方向是变化的，同时板内的弯矩引起弯曲向上。因此剪力连接件 还受到向上的拉伸作用（掀起作用）；
对于钢－混凝土组合梁，但翼缘板采用压型钢板-混 凝土组合板的时候，栓钉所受到的力比较复杂，抗剪 承载力有所降低，因此应考虑相应的承载力计算的折 减系数。
对钢--混凝土组合梁抗弯承载力的认识
对钢--混凝土组合梁抗弯承载力的认识西平铁路后河村特大桥：有着亚洲铁路“第一跨”之称的西平铁路后河村特大桥８０米钢－混凝土组合桁架梁。
钢--混凝土组合梁由于能充分发挥钢材和混凝土各自的材料特性，使其在桥梁结构中大量被采用，成为第五大类结构。
钢--混凝土组合梁最初的计算方法是基于弹性理论的换算截面法，即假设钢材与混凝土均为理想弹性体，两者连接可靠，完全共同变形，通过弹性模量比将两种材料换算成一种材料进行计算。
然而，钢材和混凝土都是弹塑性材料，需要考虑塑性发展带来承载力的提高。
我国现行的涉及组合梁计算的规范中，《钢结构设计规范》和《钢--混凝土组合结构设计规程》规定，组合梁的计算可采用塑性设计方法，考虑全截面的塑性发展，但都没有考虑钢梁与混凝土桥面板的相对滑移对承载能力的影响。
钢-混凝土组合梁的欧洲分类《欧洲规范4》根据截面的转动能力将钢-混凝土组合梁分为四类。
第一类截面能够形成塑性铰，具有满足塑性分析所需要的转动能力，截面的最大承载力大于全塑性弯矩Mp1；第二类截面的最大承载力能够达到全塑性弯矩Mp1，但塑性铰的转动会受到局部屈曲或者混凝土破坏的限制；第三类截面中，由于局部屈曲阻碍了截面塑性抗弯能力的发展，截面的最大抗弯能力仅能达到弹性弯矩Me1；第四类截面为钢梁受压截面提前发生屈曲，使其不能达到屈服强度，截面的最大承载力不能达到弹性弯矩Me1。
四类截面的划分情况详见图1。
Mp1和Me1分别为截面的塑性抗弯强度和弹性抗弯强度。
图1 欧洲规范对四类截面的划分剪力连接键是组合梁的关键部位。
根据剪力连接键所能提供的抗力与组合梁达到完全塑性截面应力分布时纵向剪力的关系，可将组合梁分为完全抗剪连接组合梁和部分抗剪连接组合梁。
完全抗剪连接是指抗剪连接件的纵向水平抗剪承载力能够保证最大弯矩截面上抗弯承载力得以充分发挥的连接，否则则为部分抗剪连接。
从定义中可以看出，抗剪连接件的设计会影响到组合梁的抗弯承载力。
因此在《欧洲规范4》中分别给出了完全抗剪连接和部分抗剪连接下组合梁的抗弯承载能力。
钢_混凝土组合梁剪力计算
E1 A1E 2A2 h
( 10)
2 算例分析
2 1 算例 1
图 1 所示的 钢 混 凝土 组 合梁, 荷 载 P = 80kN, 梁
自重忽略 不计。混 凝土强 度等 级为 C20, f c = 9 6MPa, Ec = 25 5GPa, 钢梁采用 Q235B 级钢 制成的 ∃25a, f a =
215MPa, Ea = 200GPa。已知 混凝土 翼板截面 be ∀ hc =
由于栓钉的固定作用, 使组合梁的上、下 梁中产生了轴
向力 N 1, N 2, 同时 在上、下梁 中分 别有 弯矩 M1 ( x ) 和 M2( x) 的作用, 由图可 知: 上、下梁 的轴向 力 N 1, N2 应
满足下式:
N1+ N2 = 0
即:
N2 = - N1 = N
( 1)
钢 混凝土组合梁任意截面的弯矩应满足下式:
2 000mm ∀ 150mm, 梁长 l = 6m, 梁中选用 的抗剪连接件
为 d = 19mm 的圆柱头焊钉, 长 度为 160mm, 材 质为 4 6
级, f = 215MPa, = 1 67, 栓 钉 共 36 个, 沿梁 的全 跨对
称均匀布置。试求单个栓钉受到的剪力 并验算其强度
是否满足要求。
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式中: E1 I1 , E2I 2 分别 为组 合梁 中混 凝 土翼 板和 钢梁 相对各自中性 轴的弯 曲刚 度; A 1, A2 分别 为组合 梁中 混凝土翼板和钢梁各自的截面面积。
由式( 3) 可知 截面 a 与 截面 b 之 间混 凝土翼 板下
表面与钢梁上表面的伸长长度相等, 即:
组合结构设计原理 第2版 第6章 钢-混凝土组合梁
第六章 钢-混凝土组合梁
主讲人
目录
content
6.1 钢－混凝土组合梁的概念和特点 6.2 组合梁的构造要求 6.3 组合梁的设计方法 6.4 简支组合梁的弹性设计方法 6.5 简支组合梁的塑性设计方法 6.6 组合梁的纵向抗剪计算 6.7 组合梁抗剪连接件的计算 66.8 组合梁的变形计算 6.9 连续组合梁设计方法 本章小结
由混凝土板和钢梁组成的楼盖中，如果在两者交界面处没有连接构造措施，在弯矩作用下，混凝土板截面和 钢梁截面的弯曲变形相互独立，各自有其中和轴。如果忽略交界面处的摩擦力，两者之间必定发生相对水平滑移 错动，因此其受弯承载力为混凝土板受弯承载力和钢梁受弯承载力之和，这种梁称为非组合梁（图6-1）。
（a）交界面的滑移错动
（a）交界面的滑移错动
（b）交界面应力
应变
弹性应力 塑性应力
（c）截面应力、应变分布示意图
图6-2 组合梁受力情况及截面应力、应变分布示意图
剪应力
当钢梁与混凝土板间设置的抗剪连接件数量较少，受剪承载力不足时，梁在弯矩作用下的受力状态介于非组 合梁和组合梁之间，混凝土翼板和钢梁上翼缘交界面处产生一定的相互滑移，这种梁称为部分抗剪连接组合梁。 相应设置了足够数量抗剪连接件的组合梁也称为完全抗剪连接组合梁。部分抗剪连接组合梁的受弯承载力和刚度 介于非组合梁和完全抗剪连接组合梁之间。一般用于跨度不超过20m，以承受静力荷载为主、且没有太大集中荷 载的等截面组合梁。在满足设计要求的情况下，采用部分抗剪连接也可以获得较好的经济效益。
6.1 钢－混凝土组合梁的概念和特点
6.1.1 钢－混凝土组合梁的概念
组合梁有两类：一种是将钢筋混凝土板锚固在钢梁上形成的组合梁（Composite Beam）；另一种是将型钢 或焊接钢骨架埋入钢筋混凝土梁而形成的组合梁，又称为型钢混凝土梁（Steel Reinforced Concrete Beam，或 Concrete Encased Steel Beam）。本章介绍的组合梁是指第一种钢－混凝土组合梁。
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国家级精品课程——钢结构设计
第17讲— 组合梁的设计
2. 组合梁的计算
部分抗剪连接组合梁的强度计算:
正弯矩作用区段的受弯承载力：
M u,r 全部荷载产生的正弯矩设计值；
c Mu,r nr Nv y1 Ac fy2
c Ac 0.5( Af nr N v )/ f
n r 一个剪跨区的抗剪连接件数目；
2. 组合梁的计算
翼板的计算厚度： 翼板有效宽度be ： be=bo+b1+b2（边梁） be=bo+2b2 （中间梁） bo ：钢梁（板托）顶部宽度 b1：梁外侧的翼板计算宽度, min{l/6, 6hc , s1} b2：梁内侧的翼板计算宽度, min{l/6, 6hc , s0/2} 普通钢筋混凝土翼板：原厚度ho 带压型钢板的混凝土翼板：hc （压型钢板顶面以上混凝土板厚度）
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第17讲—组合梁的设计
现浇混凝土楼板的板托 板托的作用： 扩大梁与板的承压面积，防止混凝土板的局部承压破坏； 提高板在支承梁处的截面高度，进而提高板的抗冲切能力； 组合梁截面高度增加，提高其截面刚度与承载力
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第17讲— 组合梁的设计
A :钢梁截面面积 Ac:钢梁受压区截面面积 正弯矩作用区段的受弯承载力
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y2
y1
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第17讲— 组合梁的设计
2. 组合梁的计算
完全抗剪连接组合梁的强度计算:
负弯矩作用区段的受弯承载力
M ≤Ms Ast f st ( y3 y4 / 2)
Ast:翼板有效宽度范围内钢筋截面面积 Ms: 钢梁截面的全塑性弯曲承载力
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第17讲 组合梁的设计
楼面梁的设计 钢梁的设计 组合梁的设计
组合梁：在钢梁上铺设钢筋混凝土板或压型钢板组合板，梁板 共同工作，板可作为梁的一部分，发挥比钢梁更大的作用，其 强度和刚度提高。 应用：钢结构的厂房、高层建筑及桥梁结构。 优点： 发挥材料的特性，承载力相同时，比非组合梁节约钢材15～ 25%。 刚度要求相同时，组合梁比非组合梁减小截面高度26～30%。 提高钢梁的侧向刚度和稳定性，改善受压区的受力状态。 抗震性能好。
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第17讲— 组合梁的设计
2. 组合梁的计算
组合梁正截面受弯承载力计算方法：
（1）组合梁截面应力弹性分析方法 用于直接承受动力荷载或组合梁中受压板件的宽厚比不符
合表4-6(抗震等级2级)要求的组合梁的计算。
（2）组合梁截面应力塑性分析方法 用于不直接承受动力荷载，且组合梁中受压板件的宽厚
C
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第17讲— 组合梁的设计
集中力作用时栓钉连接件的布置
可将n个栓钉连接件按各分剪力区段的剪力图面积分配； 然后各自均匀分布于分剪力区段。
n1＝nA1 /( A1 A2 )
n2＝nA2 /( A1 A2 )
比符合表4-6((抗震等级2级))要求的组合梁的计算。
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第17讲— 组合梁的设计
2. 组合梁的计算
组合梁截面应力塑性分析方法的假定:
在混凝土翼板的有效宽度内，纵向钢筋和钢梁受拉及受压应力 均达到强度设计值；
塑性中和轴受拉侧的混凝土强度设计值可忽略不计；
塑性中和轴受压侧的混凝土截面均匀受压，并达到弯曲抗压强 度设计值。
Ms =Ws f
y4 =Ast fst /(2tw f )
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第17讲— 组合梁的设计
2. 组合梁的计算
完全抗剪连接组合梁的强度计算:
受剪承载力：
视全部剪力由钢梁腹板承受：
V ≤hwtw fv
hw、tw:分别为钢梁腹板的高度和厚度； fv ：塑性设计时钢梁钢材的抗剪强度设计值. 钢梁局部稳定： 板件宽厚比可偏于安全地按塑性设计的规定选取。
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第17讲— 组合梁的设计
1. 组合梁的形式与特点
无组合作用梁
楼板和钢梁独立发生弯曲变形； 楼板和钢梁间相对剪切滑动； 楼板和钢梁作为独立构件联合承
担荷载。
变形图 应力分布
完全抗剪连接组合梁 楼板 钢梁
组合梁 （整体承受荷载）
抗剪连接件
变形图
应力分布
2
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第17讲— 组合梁的设计
1. 组合梁的形式与特点（续）
部分抗剪连接的组合梁
抗剪连接件数量较少。
抗剪连接件数量小于完全抗剪连
接组合梁所需数量的50%，实际 设计时不再考虑板梁的组合作用。 压型钢板混凝土组合板作为翼板 的组合梁，宜按部分抗剪连接组 合梁设计。 部分抗剪连接限用于跨度不超过 20m的等截面组合梁。
N
c v
每个抗剪连接件的纵向抗剪承载力.
c x nr N v /(be 1 f c )
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第17讲—组合梁的设计
2. 组合梁的计算
部分抗剪连接组合梁的强度计算:
负弯矩作用区段的受弯承载力：
c ( y3 y4 / 2) M M s minAst f st , nr N v
M s Wsp f
受剪承载力和局部稳定性： 同完全抗剪连接组合梁。
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第17讲— 组合梁的设计
2. 组合梁的计算
组合梁抗剪栓钉的验算
剪跨区段的划分：
在混凝土翼板上的力取抗剪连接件所能传递的纵向剪力
要求：钢梁翼缘及腹板的板件宽厚比满足塑性设计要求。
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第17讲— 组合梁的设计
2. 组合梁的计算
完全抗剪连接组合梁的强度计算:
Af ≤1 fc hcbe时，
M ≤be x1 fc y
Af 1 fc hcbe时，
M ≤be hc1 fc y1 Ac fy2
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第17讲—组合梁的设计
组合梁抗剪栓钉的验算
正弯矩区剪跨段
V=Af (塑性中和轴位于混凝土翼板内) V = be hc fc (塑性中和轴位于钢梁截面内)
负弯矩区剪跨段
V = Ast fst
V :剪跨区内混凝土与钢梁叠合面上的纵向剪力 n个栓钉连接件均匀分布于 其剪跨区段内
每个剪跨区内所应配置的栓钉连接件总数： n V / NV