CN111576181A - 一种混凝土受拉状态下钢-混凝土组合连接结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混凝土受拉状态下钢‑混凝土组合连接结构，通过利用自带约束构造的栓钉抗剪连接件利用其在钢‑混凝土界面抗剪刚度方面优越稳定的受力性能，提出了一系列新型结构构造方法。在混凝土轴心受拉或弯拉状态下采用上述新型结构构造方法可有效减小钢‑混凝土组合连接中混凝土受拉开裂的不利影响，可简单有效的补强或增强组合连接在轴心受拉或弯曲受拉状态下的连接强度及连接刚度。例如该新型连接构造方法应用在组合梁负弯矩区，可有效控制和防止组合梁负弯矩区混凝土受拉开裂，从而可补强或增强组合梁负弯矩区的抗弯刚度，解决负弯矩区钢‑混凝土组合连接由于混凝土开裂而导致组合应用程度低的工程难题。

Description

一种混凝土受拉状态下钢-混凝土组合连接结构

技术领域

本发明涉及栓钉抗剪连接件技术领域，特别是涉及一种混凝土受拉状态下钢-混凝土组合连接结构。

背景技术

钢-混凝土连续组合梁在负弯矩区会产生混凝土受拉、钢梁受压的不利情况，特别是混凝土板的开裂，会引起组合梁刚度的降低和耐久性的下降。因此，采取有效的设计、施工方法和处理措施，有效控制和防止负弯矩区混凝土开裂就成为连续组合梁设计的一个关键性的问题。目前常用的处理方法有：预加荷载法、支座预顶升法、施加预应力法、配筋限制混凝土裂缝宽度法、后结合预应力混凝土桥面板法、钢梁底板浇筑混凝土法、增强钢混凝土结合强度法等。

但是现有技术存在如下缺点：

(1)现场施工复杂、工作量大、施工周期长，且日后对组合梁的局部翻新比较困难；

(2)有些技术会造成局部的应力集中，需要采取必要的构造措施来改善应力集中问题，导致设计复杂；

(3)成本较高不经济，效果不理想，经常需要同时采用几种方法来解决组合梁负弯矩区的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种混凝土受拉状态下钢-混凝土组合连接结构，该结构增大了组合梁负弯矩区的抗弯刚度，解决了有效控制和防止组合梁负弯矩区混凝土开裂的难题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种混凝土受拉状态下钢-混凝土组合连接结构，包括用于连接钢梁翼缘以及钢筋混凝土翼缘板的栓钉，所述栓钉通过螺栓栓接和焊接的方式与钢梁翼缘固连，组合梁混凝土翼缘板的截面上还设置有斜向受拉短钢筋或受拉钢板中的任意一者或两者，所述斜向受拉短钢筋设置于所述组合梁混凝土翼缘板截面的中性轴处，所述受拉钢板设置于所述钢梁混凝土翼缘板截面的受拉应力最大处。

优选的，在所述栓钉外缘固定成型有一圈高强细石砼，所述高强细石砼强度大于浇筑的钢筋混凝土翼缘的砼强度，在其外缘通过环抱高强细石砼的抗拉单元来对高强细石砼及其内部组件施加一次环抱拉力，同时，在所述高强细石砼的抗拉单元外侧还设置有螺旋筋，此螺旋筋同心环绕在高强细石砼外侧并通过浇筑方式成型在钢筋混凝土翼缘中。

优选的，钢梁上翼缘钢板的顶面和附加钢板的底面均通过所述栓钉与钢筋混凝土翼缘板连接，顶面和底面的栓钉并排对应布置或者相互错列布置。

优选的，当钢梁混凝土翼缘板的截面上仅设置有斜向受拉短钢筋时，所述斜向受拉短钢筋可与钢梁混凝土翼缘板内的横向钢筋共同作用用于平衡栓钉传递的剪力。

优选的，当组合梁混凝土翼缘板的截面上仅设置有受拉钢板时，钢梁混凝土翼缘板受拉应力最大处设置的所述受拉钢板直接用于承受该部位的受拉应力。

优选的，当组合梁混凝土翼缘板的截面上同时设置有斜向受拉短钢筋和受拉钢板时，组合梁混凝土翼缘板内上下交错啮合错列布置的栓钉与所述斜向受拉短钢筋和受拉钢板共同用于抵抗拉应力。

优选的，钢翼缘板和组合梁混凝土翼缘板的连接方式可采用装配式连接。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提出的混凝土受拉状态下钢-混凝土组合连接结构，具体为连续组合梁负弯矩区的三种实施例，三种实施例中均采用带约束构造的栓钉剪力连接件，由于该抗剪连接件能有效约束混凝土的劈裂及劈裂发展，具有优越的界面抗剪承载力及强韧稳定的界面抗剪刚度，尤其是大直径栓钉(直径22mm、25mm及以上的栓钉)可以较为可靠的应用到组合梁结构连接中，通过组合梁混凝土部分与钢结构部分以及抗剪连接件的合理设计，而不发生抗剪连接件先于混凝土或钢梁的破环，完全可以满足强组合连接的组合结构的基本受力要求，做到充分发挥钢-混凝土各自材料的优点。该组合连接结构可广泛用于其他钢-混凝土组合连接共同受拉的其他部位。

与常用的处理方法相比，更能充分发挥钢与混凝土材料各自的优点，高效减小混凝土翼缘板中的拉应力水平，提高组合梁负弯矩区的有效刚度，增加组合梁负弯矩区延性耗能能力；施工简单，可操作性强。有效的解决钢-混凝土连续组合梁在负弯矩区开裂荷载低，不放松或降低连续组合梁负弯矩区的组合作用，借助该连接构造连续组合梁负弯矩区也能充分发挥钢-混凝土各自材料的优点，从而推动组合构件在实际工程中的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为典型的传统连续组合梁负弯矩区的组合截面的受力特征示意图。

图2为本发明提出的实施例三典型的连续组合梁负弯矩区的组合截面的受力特征示意图。

图3为实施例一中连续组合梁最大的负弯矩区段与最大的正弯矩区段弯距分布图。

图4为实施例一中连续组合梁负弯矩区段与最大的正弯矩区段内带栓钉的钢梁部分与混凝土部分各自平衡体受力平衡示意图。

图5为实施例一中连续组合梁负弯矩区段与最大的正弯矩区段内栓钉纵向布置示意图。

图6为实施例一中连续组合梁负弯矩区段内栓钉平面布置示意图。

图7为实施例一中图6所示的A-A截面栓钉横向布置示意图。

图8为实施例一中图6所示的B-B截面栓钉纵向布置示意图。

图9为实施例二中连续组合梁最大的负弯矩区段与最大的正弯矩区段弯距分布图。

图10为实施例二中连续组合梁负弯矩区段与最大的正弯矩区段内带栓钉的钢梁部分与混凝土部分各自平衡体受力平衡示意图。

图11为实施例二中连续组合梁负弯矩区段与最大的正弯矩区段内栓钉纵向布置示意图。

图12为实施例二中连续组合梁负弯矩区段内栓钉平面布置示意图。

图13为实施例二中图12所示的负弯矩区段内A-A截面栓钉横向布置示意图。

图14为实施例二中图12所示的负弯矩区段内C-C截面栓钉横向布置示意图。

图15为实施例二中图12所示的负弯矩区段内B-B截面栓钉纵向布置示意图。

图16为实施例三中连续组合梁最大的负弯矩区段与最大的正弯矩区段弯矩分布图。

图17为实施例三中连续组合梁负弯矩区段与最大的正弯矩区段内带栓钉的钢梁部分与混凝土部分各自平衡体受力平衡示意图。

图18为实施例三中连续组合梁负弯矩区段与最大的正弯矩区段内栓钉纵向布置示意图。

图19为实施例三中连续组合梁负弯矩区段内栓钉平面布置示意图。

图20为实施例三中图19所示的负弯矩区段内A-A截面栓钉横向布置示意图。

图21为实施例三中图19所示的负弯矩区段内C-C截面栓钉横向布置示意图。

图22为实施例三中图19所示的负弯矩区段内B-B截面栓钉纵向布置示意图。

图23为实施例三中连续组合梁负弯矩区段内(钢梁上布置1列栓钉)栓钉平面布置示意图。

图24为图23所示的负弯矩区段内(钢梁上布置1列栓钉)A-A截面横向栓钉布置示意图。

图25为实施例三中连续组合梁负弯矩区段内(钢梁上布置3列栓钉)栓钉平面布置示意图。

图26为图25所示的负弯矩区段内(钢梁上布置3列栓钉)A-A截面横向栓钉布置示意图。

图27为图25所示的负弯矩区段内(钢梁上布置3列栓钉)C-C截面横向栓钉布置示意图。

图28为图25所示的负弯矩区段(钢梁上布置3列栓钉)内B-B截面纵向栓钉布置示意图。

图29为图23所示的负弯矩区段内(钢梁上布置3列栓钉)D-D截面纵向栓钉布置示意图。

图30为实施例三中对2跨4m跨度的连续组合梁采用数值计算模拟，其跨中集中荷载300kN对应的钢梁及附加钢板的应力分布图。

图31为实施例三中对2跨4m跨度的连续组合梁采用数值计算模拟，其跨中集中荷载300kN对应的混凝土名义应力分布图。

图32为实施例三中对2跨4m跨度的连续组合梁采用数值计算模拟，其跨中集中荷载300kN对应的组合梁栓钉剪力分布图。

图33为实施例三中对2跨4m跨度的连续组合梁采用数值计算模拟，其跨中集中荷载300kN对应的组合梁挠度分布图。

其中，1钢梁翼缘板；2钢梁混凝土翼缘板；3栓钉；4栓钉扩大头；5高强细石砼；6高强受拉单元；7螺旋筋；8栓钉焊接引弧点；9高强细石砼模具；10焊接辅助环；11环形内胎膜；12混凝土翼缘板顶部横向钢筋；13混凝土翼缘板底部横向钢筋；14混凝土翼缘板顶部纵向钢筋；15混凝土翼缘板底部纵向钢筋；16受拉钢板；17斜向钢筋；18横向钢筋；19高强度螺栓。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种混凝土受拉状态下钢-混凝土组合连接结构，该结构连接方法增大了组合梁负弯矩区的抗弯刚度，解决了有效控制和防止组合梁负弯矩区混凝土开裂的难题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

典型的传统连续组合梁负弯矩区的组合截面的受力特征示意图如图1所示。主要体现在：传统组合梁负弯矩区砼翼缘板整体处于轴心受拉或弯曲受拉状态下，微观上讲，砼翼缘板内的钢筋传递拉力是依靠传统的钢筋与砼之间的锚固粘结传力机理来实现，目前的工程研究及实践采用的通用措施为:翼缘板内配置足够的受拉钢筋将混凝土板的裂缝宽度控制在允许值以内。通常混凝土的裂缝宽度限制在0.2mm以内时，可以满足结构的耐久性要求。通常配筋率在1％以上，且受拉钢筋应力在100MPa以下，混凝土裂缝宽度方可基本限制在0.2mm以下，如果要充分利用受拉钢筋应力强度在180～200MPa时，工程研究及实践证明需要控制混凝土翼缘板中受拉钢筋的周长率0.04mm/mm2以上，上述研究结论说明采用组合梁负弯矩区砼翼缘板采用受拉钢筋的方式材料利用效率低。并且现有规范规定仅考虑连续组合梁中支座Le范围内(Le-等效跨径，支座处的混凝土翼板有效宽度be约为正弯矩区的58％～67％)受拉钢筋的刚度，导致连续组合梁为变截面梁，给连续组合梁的计算分析，工程设计应用带来极大的不便。

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面以钢-混凝土连续组合梁在负弯矩区(混凝土翼缘板处于典型的轴心受拉或弯曲受拉状态)为例，结合具体图示，进一步阐述本发明提出的：在混凝土板处于轴心受拉或弯曲受拉状态下提高组合连接刚度的一系列简单有效的新型结构构造连接方法。

本发明采用的连接方法所解决的技术问题采用以下具体实施方式及技术方案来实现。

实施例一：

负弯矩区钢梁上翼缘采用带约束构造的栓钉抗剪连接件时，当组合截面中混凝土翼缘板基本处于轴心受拉或拉弯复合受拉状态下，混凝土始终处于全截面受拉状态下，根据单个栓钉3受剪三角桁架平衡单元可知：在混凝土整体处于受拉状态时，在混凝土翼缘板内无法像受压区的混凝土依托其形成斜向砼压杆，栓钉3抗剪需要翼缘板顶、板底的纵横向钢筋的斜向分力来提供栓钉3受剪三角桁架平衡单元中的斜杠拉力来平衡栓钉3纵向剪力，因此，为了平衡带约束构造的栓钉3抗剪连接件的纵向剪力，可在翼缘板中在带约束构造的栓钉3螺旋钢筋6d附近增设斜向拉筋形成在混凝土整体处于受拉状态下单个栓钉3受剪三角桁架平衡单元的平衡拉杆单元(如图6所示)。显然，可以显著提高负弯矩区组合截面砼翼缘板与钢梁翼缘板1的截面弹性抗剪承载力及抗剪刚度，这样有利于负弯矩区砼翼缘板内的混凝土翼缘板顶部纵向钢筋14、混凝土翼缘板底部纵向钢筋15充分利用。

在混凝土翼缘板截面的中性轴截面处增加抵抗栓钉3剪力的附加斜向钢筋17和附加横向钢筋18，与混凝土翼缘板内板顶、板底的钢筋共同平衡栓钉3传递的剪力。由栓钉3在混凝土板内的剪力传递的机理，三角桁架平衡单元可知：即使混凝土板处于轴心受拉或弯曲受拉状态下，新增的斜向受拉短钢筋能形成拉杆来有效满足钢筋混凝土整体处于受拉状态下无砼斜压杆平衡栓钉3剪力的受力需要。

实施例一可以广泛用于钢-混凝土连续组合次梁支座、或组合梁跨高(建议：L0/h≤15)较小的组合梁，连续组合梁支座不便或不需要增加附加钢板的情况。其主要受力需求特征为：依靠钢-混凝土连续组合梁支座处混凝土翼缘板顶部纵向钢筋14、钢梁混凝土翼缘板底部纵向钢筋15及中性轴截面处增加抵抗栓钉3剪力的附加斜向钢筋17来承担支座截面的拉力需求。

实施例二：

在混凝土翼缘板截面受拉应力最大处直接增加用于补偿强度、刚度的抵抗拉应力的钢板，即在钢梁混凝土翼缘板2顶部附加受拉钢板16，该位置附加的受拉钢板直接承受该部位混凝土翼缘板承受的截面受拉应力。连续组合梁负弯矩区采用带约束构造的栓钉3抗剪连接件与钢梁混凝土翼缘板2顶部的附加钢板形成钢-混凝土组合板，附加钢板传递拉力主要依靠附加钢板上的带约束构造的栓钉3抗剪连接件剪力传递能力来实现。由于采用了带约束构造的栓钉3抗剪连接件，该抗剪连接件有效的避免局压劈裂破坏，具有强韧的抗剪刚度，且剪力超过弹性极限状态时仍然有很好的内力重分布的性能。(偏安全不考虑界面的摩擦，附加钢板能传递的最大拉力可取0.15Le范围内布置的栓钉3抗剪承载力设计值的和，即Fta＝nNv)；由于带砼约束构造的栓钉3抗剪连接件的优越的界面抗剪承载力及强韧稳定的界面抗剪刚度(详见：湖南科技大学，陈攀的硕士研究生论文《带混凝土约束构造的栓钉剪力连接件受力性能研究》)，显然，附加钢板抗拉刚度大，能承担负弯矩区组合截面上部的大部分拉力，这样负弯矩区在组合截面受拉边缘处由钢板承担大部分拉力，组合截面在负弯矩区也可以充分利用钢-混凝土两种材料的受力性能。

实施例二可以广泛适用于钢-混凝土连续组合主次梁支座、或组合梁跨高(建议:15<L0/h≤18)较大的组合梁，连续组合梁支座可增加附加钢板的情况。其主要受力需求特征为：依靠钢-混凝土连续组合梁支座处混凝土翼缘板顶部纵向钢筋14、混凝土翼缘板底部纵向钢筋15、钢梁混凝土翼缘板2顶部的附加受拉钢板16来承担支座截面的拉力需求。

实施例三：

上述实施例一、实施例二，两种方式连接方法同时采用，即：在混凝土翼缘板截面的中性轴截面处增加抵抗栓钉3剪力的附加斜向钢筋17和附加横向钢筋18，在混凝土整体处于受拉状态下单个栓钉3受剪三角桁架平衡单元的平衡拉杆单元(如图19所示)并且在混凝土翼缘板截面受拉应力最大处直接增加抵抗拉应力的补偿组合梁强度、刚度的组合梁混凝土翼缘板2顶附加受拉钢板16，其本发明提出的典型的连续组合梁负弯矩区的组合截面的受力特征示意图如图2所示。

带约束构造的栓钉3剪力连接件组合板，利用混凝土板上表面钢板受拉，有效减小混凝土板的拉应力，通过混凝土板内上下两排剪力连接件的交错咬合效应，实施例采取附加抗拉应力的受拉钢板16，借助带约束构造的栓钉抗剪连接件强韧的抗剪性能让受拉钢板16承受大部分拉应力，就将原钢筋混凝土翼缘板2由反复受拉开裂的不利状态转化为钢筋混凝土板反复受压、受剪状态相对有利的状态，达到控制和减少混凝土板开裂的目的，极大的提高混凝土反复受拉状态下的受拉承载力及刚度。用于满足在混凝土板高受拉应力下保持良好稳定的持载能力及高组合连接刚度的需要。

实施例三可以广泛适用于钢-混凝土连续组合主次梁支座、或组合梁跨高比(建议:18<L0/h≤25)大的组合梁，例如：重要的组合框架连续梁中支座。连续组合梁支座需求中支座负弯矩区具有较大的极限承载能力，同时需求中支座负弯矩区具有较强韧性的塑性转动能力甚至设计为往复滞回耗能能力的部位。其主要受力需求特征为：依靠钢-混凝土连续组合梁支座处钢筋混凝土翼缘板顶纵向钢筋14、钢筋混凝土翼缘板底纵向钢筋15、中性轴截面处增加抵抗栓钉3剪力的附加斜向钢筋17及钢梁混凝土翼缘板2顶附加受拉钢板16来承担支座截面的拉力需求。在该实施例三中应相应增加连续组合梁中支座至组合梁反弯点之间的栓钉3抗剪连接件应具有更高的抗剪承载力设计值及更强韧性的栓钉3抗剪刚度来确保抗剪连接件连接钢-混凝土全过程共同受力。较强韧性的塑性转动能力甚至往复滞回耗能能力的部位。

实施例一、二、三中以连续组合梁负弯矩区混凝土翼缘板与钢梁(图示说明以“工字型”型钢梁为示例，显然也适用其他形式的钢梁。)上翼缘栓钉3连接以布置二列栓钉3为例说明上述实施例中的具体特征。

显然，当连续组合梁负弯矩区混凝土翼缘板与钢梁上翼缘连接布置1列栓钉3时，钢梁混凝土翼缘板2顶附加受拉钢板16上的采用2列栓钉3与钢梁(图示说明以“工字型”型钢梁为示例)上翼缘栓钉3布置可采用错列布置，并相互咬合，增强附加钢板与钢梁上翼缘钢板的组合作用。如图23、24所示；当连续组合梁负弯矩区混凝土翼缘板与钢梁上翼缘连接布置多列栓钉3时，钢梁混凝土翼缘板2顶附加受拉钢板16上的栓钉3与钢梁(图示说明以“工字型”型钢梁为示例)上翼缘栓钉3布置可采用错列布置，并相互咬合，增强附加钢板与钢梁上翼缘钢板的组合作用。如图25、26、27、28、29所示。以实施例三为例说明上述实施例中交错布置的具体特征。

本发明中的连接结构具有以下特点：

(1)首次提出在混凝土翼缘板截面的中性轴处增加抵抗栓钉3剪力的斜向受拉短钢筋，与混凝土翼缘板内横向钢筋共同平衡栓钉3传递的剪力的结构构造措施。

(2)首次提出在混凝土翼缘板截面受拉应力最大处直接增加抵抗拉应力的补偿强度、刚度的受拉钢板。通过在在附加钢板上焊接带砼约束构造的栓钉3剪力连接件与钢梁上翼缘板上的带砼约束构造的栓钉3剪力连接件相互作用，从而使在混凝土板在轴心受拉或弯曲受拉的不利受力状态下能以组合板的形式抵抗拉力，极大的提高了受拉承载力及受拉刚度。

(3)首次提出连续组合梁负弯矩区针对性的系统解决方案。连续组合梁负弯矩区应根据其受力需求决定采用不同的处理方法。例如：连续组合次梁的负弯矩区对后续的承载能力及刚度需求较低，采用能满足正常极限状态的简单结构计算及构造措施就可满足要求；而框架梁负弯矩区后续的承载能力及刚度有较高需求，就应该采取结构计算及构造措施，需要充分发挥钢-混凝土连续组合梁在负弯矩区钢材受拉，混凝土受压，从而充分利用材料各自受力性能的优点。

(4)首次提出利用大直径栓钉3(直径22mm、25mm及以上的栓钉3)优越的界面抗剪承载力及强健稳定的界面抗剪刚度将组合构件设计为强组合连接的结构构件。可以通过组合梁混凝土部分与钢结构部分以及抗剪连接件的合理设计，满足组合结构连接设计的强连接节点(带约束构造的抗剪连接件)弱构件(钢结构部分、混凝土部分)的基本设计原则及要求。真正做到充分发挥钢-混凝土各自材料的优点。

(5)本发明提出的在混凝土板处于轴心受拉或弯曲受拉状态下提高组合连接刚度的一系列简单有效的新型结构构造连接方法不但可以用于解决连续组合梁负弯矩的问题，还可以用于其他钢-混凝土组合结构共同受拉的问题。例如：解决外包式柱脚的外包混凝土与钢柱脚共同受拉的问题，小偏心受拉的钢板剪力墙共同受拉问题等。

(6)本发明提出的在混凝土板处于轴心受拉或弯曲受拉状态下提高组合连接刚度的一系列简单有效的新型结构构造连接方法，不受上述实施例的限制，其基本原理、主要特征和本发明的优点还可以广泛应用于钢-混凝土装配式结构中，能很好的满足建筑工业化的要求。

本发明中的混凝土受拉状态下钢-混凝土组合连接结构，基于授权专利号为ZL201610604260.9，发明名称为“能约束混凝土劈裂及劈裂发展的栓钉3抗剪连接件”的发明专利的基础上，带砼约束构造的栓钉3抗剪连接件的优越的界面抗剪承载力及强韧稳定的界面抗剪刚度。基于上述研究成果，进一步提出：在混凝土板处于轴心受拉或弯曲受拉状态下提高组合连接刚度的一系列简单有效的新型结构构造连接方法。该连接方法可以有效解决连续组合梁负弯矩区过早开裂的技术难题。在混凝土板处于轴心受拉或弯曲受拉状态下提高组合连接刚度的一系列简单有效的新型结构构造连接方法。利用大直径栓钉3(直径22mm、25mm及以上的栓钉3)优越的界面抗剪承载力及强韧稳定的界面抗剪刚度将组合梁设计为强组合连接的连续组合梁构件。可以通过组合梁混凝土部分与钢结构部分以及抗剪连接件的合理设计，满足组合结构连接设计的强连接节点(带约束构造的抗剪连接件)弱构件(钢结构部分、混凝土部分)的基本设计原则及要求。这样，在正常使用阶段，组合梁钢-混凝土间的滑移较小，其受力更接近平截面假定，只有荷载大到足够使钢-混凝土的出现足够大的界面滑移，组合梁进入明显的界面滑移阶段，可以采用组合结构的界面滑移计算理论进行研究。本发明研究的组合梁均为采用带砼约束构造的栓钉3抗剪连接件按完全抗剪连接或增强抗剪连接的组合梁为对象，从正常使用阶段，组合梁钢-混凝土间的滑移量值小于连接件的弹性极限，截面受力基本接近平截面应力假定为示例，以连续组合梁负弯矩区段与最大的正弯矩区段内带栓钉3的钢梁部分与混凝土部分各自平衡体受力平衡的力学基本原理来说明本文提出的构造措施的高效性，科学性。

现有规范规定：对于连续组合梁，在距中间支座两侧各0.15l(l为梁的跨度)范围内，不应计入受拉区混凝土对刚度的影响，但宜计入翼板有效宽度be范围内纵向钢筋的作用(Le-等效跨径，组合截面支座处的混凝土翼板有效宽度be约为正弯矩区的58％～67％)。图1为典型的传统连续组合梁负弯矩区的组合截面的受力特征示意图，图1中支座处翼板有效宽度be范围内的混凝土翼板顶钢筋为14、混凝土翼板底钢筋为15，由图1可见(示意图中不考虑腹板的贡献)，连续组合梁支座处典型的截面平衡条件为：

σb*Ab＝σt*At+σsb*Asb+σst*Ast (式1)

式1中：σb为钢梁受压应力，Ab为钢梁受压翼缘面积，σt为钢梁受拉应力，At为钢梁受拉翼缘面积，σsb为混凝土翼板底钢筋15的受拉应力；Asb为混凝土翼板底钢筋15的截面积，σst为混凝土翼板顶钢筋14的受拉应力Ast；Ast为混凝土翼板底钢筋14的截面积；

本发明以提出的实施例三的负弯矩区组合截面的受力特征示意图为例来说明本发明的受力优越性，其典型的连续组合梁负弯矩区的组合截面的受力特征示意图如图2所示。由图2可见(示意图中不考虑腹板的贡献)，连续组合梁支座处典型的截面平衡条件为：

σb*Ab＝σt*At+σsb*Asb+σst*Ast+σsc*Asc+f*Aa (式2)

式2中：σb为钢梁受压应力，Ab为钢梁受压翼缘面积，σt为钢梁受拉应力，At为钢梁受拉翼缘面积，σsb为混凝土翼板底钢筋15的受拉应力；Asb为混凝土翼板底钢筋15的截面积，σst为混凝土翼板顶钢筋14的受拉应力Ast；Ast为混凝土翼板底钢筋14的截面积；σsc为混凝土翼板中性轴截面处钢筋17的受拉应力Ast；Asc为混凝土翼板中性轴截面处钢筋17的截面积；f为钢梁混凝土翼缘板2顶附加钢板受拉应力，Aa为钢梁混凝土翼缘板2顶附加钢板面积。

由图2及式2和图1及式1的对比可知：无论在正常使用极限阶段还是在弹塑性承载能力极限状态，混凝土翼板中性轴截面处钢筋17和钢梁混凝土翼缘板2顶附加受拉钢板16可以显著增加连续组合梁中间支座处的抗拉承载力及抗拉刚度。

接下来下需要阐明，钢梁混凝土翼缘板2顶附加受拉钢板16如何有效承担拉力的工作方式及承担本该由混凝土截面承担的拉力限值。图17为实施例三：连续组合梁负弯矩区段与最大的正弯矩区段内带栓钉3的钢梁部分与混凝土部分各自平衡体受力平衡示意图。从图17可见：由于钢梁混凝土翼缘板2顶附加钢板采用了带砼约束构造的栓钉3抗剪连接件，带砼约束构造的栓钉3抗剪连接件的优越的界面抗剪承载力及强健稳定的界面抗剪刚度，该连接构造能全过程的约束混凝土劈裂及劈裂发展，其牢牢的将附加受拉钢板16与钢梁混凝土翼缘板2结合在一起。由附加钢板与钢梁混凝土翼缘板2力学平衡条件可知：附加受拉钢板16能传递的拉力应为与附加受拉钢板16相连接的带砼约束构造的栓钉3抗剪连接件抗剪承载力设计值的和，即naNv*。这样，附加受拉钢板16主要用于承受组合截面弯曲在截面受拉侧产生的最大拉力需求。由于负弯矩区的混凝土中性轴整体处于受拉状态，混凝土翼板中性轴截面处设置与中性轴受拉匹配的钢筋17，主要用于承受中性轴处截面拉应力。

由连续组合梁中间支座截面处的受力特征图17可见：附加受拉钢板16、钢梁混凝土翼缘板22、钢梁土翼缘板仍然存在截面的受拉错动的趋势，但是，此处钢梁土翼缘板垂直拉力方向的界面上压紧的趋势，显然附加受拉钢板16其上的带砼约束构造的栓钉3抗剪连接件可与钢梁上翼缘上布置的带砼约束构造的栓钉3抗剪连接件可以相互咬合，相互作用，连续组合梁中间支座截面处原来由混凝土板内的钢筋传递拉力，就转化为附加钢板承受拉力，钢筋混凝土板提供抗剪力na*来平衡附加受拉钢板16承受的拉力fAa，该处受力更接近钢-混凝土组合板的受力性能，极大的提高组合截面的承载能力及刚度。无论在正常使用阶段，组合截面基本呈现平截面假定，构件呈现线弹性特征，当材料进入弹塑性状态后，根据现有的连续组合梁计算理论及试验研究结果，该栓钉3抗剪连接件为明显的柔性抗剪连接件，由图17连续组合梁负弯矩区段与最大的正弯矩区段内带栓钉3的钢梁部分与混凝土部分各自平衡体受力平衡示意图可见，组合梁又具有优良的内力重分布的能力。这样，无论在正常使用极限阶段还是在弹塑性承载能力极限状态，采用合理的设计，可以充分发挥钢、混凝土材料各自的优点使构件截面发生预定的材料破环形式，可以显著增加连续组合梁中间支座处的抗拉承载力及抗拉刚度。

基于栓钉3连接的钢-混凝土组合梁计算模型分析方法(专利号：2018103862560.6)提供的数值计算分析方法，对4m跨度的2跨连续组合梁(工字形钢梁为20a，C40混凝土翼板宽800mm，厚120mm)采用本文提出的实施例三的新型结构构造连接方法，采用通用有限元软件midas对该2跨连续组合梁进行数值计算模拟，连续组合梁进行数值计算模拟典型计算结果详图30、31、32、33所示。采用本发明提出的实施例三，跨中挠度12mm下对应的荷载集中荷载数值模拟值(300kN，计算模拟结果详图30)较原实验研究值200kN(详曹华.钢－混凝土连续组合梁抗震性能试验研究及理论分析：[硕士学位论文].长沙：中南大学，2005)承载能力提高约为1.4～1.6倍。

图32为实施例三：对2跨4m跨度的连续组合梁采用数值模拟计算，其跨中集中荷载300kN对应的组合梁栓钉3剪力分布图，由图可见：连续组合梁在其跨中集中荷载300kN对应的组合梁栓钉3剪力分布并不均匀，在连续组合梁中支座至组合梁反弯点之间的栓钉3剪力较正弯矩区段增加较大，最大值达到97kN，而正弯矩区段得最大值仅为47kN，显然在续组合梁中支座至组合梁反弯点之间的栓钉3承受的剪力最大，即连续组合梁中支座至最不利反弯点，栓钉3抗剪连接件应具有更高的抗剪承载力设计值及更强韧性的栓钉3抗剪刚度来确保抗剪连接件连接钢-混凝土全过程共同受力。由组合梁的基本受力机理及数值模拟的结果结合现有的连续组合梁理论研究机理及实验研究成果(详佘志武，蒋丽忠编著的《钢-混凝土组合结构抗震及稳定性》著作，科学出版社，出版时间:2015年06月)，可知：本文提出的新型结构构造连接方法可以可简单有效的补强或增强组合连接在轴心受拉或弯曲受拉状态下的连接强度及连接刚度。解决受拉状态下钢-混凝土组合连接由于混凝土开而导致组合应用程度低的工程难题。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种混凝土受拉状态下钢-混凝土组合连接结构，其特征在于：包括用于连接钢梁翼缘以及钢筋混凝土翼缘板的栓钉，所述栓钉通过螺栓栓接和焊接的方式与钢梁翼缘固连，组合梁混凝土翼缘板的截面上还设置有斜向受拉短钢筋或受拉钢板中的任意一者或两者，所述斜向受拉短钢筋设置于所述组合梁混凝土翼缘板截面的中性轴处，所述受拉钢板设置于所述钢梁混凝土翼缘板截面的受拉应力最大处。

2.根据权利要求1所述的混凝土受拉状态下钢-混凝土组合连接结构，其特征在于：在所述栓钉外缘固定成型有一圈高强细石砼，所述高强细石砼强度大于浇筑的钢筋混凝土翼缘的砼强度，在其外缘通过环抱高强细石砼的抗拉单元来对高强细石砼及其内部组件施加一次环抱拉力，同时，在所述高强细石砼的抗拉单元外侧还设置有螺旋筋，此螺旋筋同心环绕在高强细石砼外侧并通过浇筑方式成型在钢筋混凝土翼缘中。

3.根据权利要求1所述的混凝土受拉状态下钢-混凝土组合连接结构，其特征在于：钢梁上翼缘钢板的顶面和附加钢板的底面均通过所述栓钉与钢筋混凝土翼缘板连接，顶面和底面的栓钉并排对应布置或者相互错列布置。

4.根据权利要求1所述的混凝土受拉状态下钢-混凝土组合连接结构，其特征在于：当钢梁混凝土翼缘板的截面上仅设置有斜向受拉短钢筋时，所述斜向受拉短钢筋可与钢梁混凝土翼缘板内的横向钢筋共同作用用于平衡栓钉传递的剪力。

5.根据权利要求1所述的混凝土受拉状态下钢-混凝土组合连接结构，其特征在于：当组合梁混凝土翼缘板的截面上仅设置有受拉钢板时，钢梁混凝土翼缘板受拉应力最大处设置的所述受拉钢板直接用于承受该部位的受拉应力。

6.根据权利要求3所述的混凝土受拉状态下钢-混凝土组合连接结构，其特征在于：当组合梁混凝土翼缘板的截面上同时设置有斜向受拉短钢筋和受拉钢板时，组合梁混凝土翼缘板内上下交错啮合错列布置的栓钉与所述斜向受拉短钢筋和受拉钢板共同用于抵抗拉应力。

7.根据权利要求1所述的混凝土受拉状态下钢-混凝土组合连接结构，其特征在于：钢翼缘板和组合梁混凝土翼缘板的连接方式可采用装配式连接。

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