CN114961102B - 基于榫结构的抗剪力连接件及组合梁 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钢‑混凝土组合梁，尤其涉及基于榫结构的抗剪力连接件及组合梁，包括钢板，所述钢板上设置有用于穿过贯穿筋的贯穿孔，所述贯穿孔内穿过有贯穿筋，所述贯穿筋与贯穿孔之间设置有榫结构，所述榫结构包括套装在贯穿筋上的榫壳，所述榫壳设置有剪力抵抗结构和剪力缓冲结构，所述剪力抵抗结构包括设置在榫壳中间位置的硬质壳体，通过设置剪力抵抗结构，所述剪力抵抗结构包括设置在榫壳中间位置的硬质壳体，能够避免剪力直接作用在贯穿筋上，保护贯穿筋，设置剪力缓冲结构，将剪力分散，进而能够避免应力集中，保护贯穿筋，进而提高长效抗剪力稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及钢-混凝土组合梁，尤其涉及基于榫结构的抗剪力连接件及组合梁。
背景技术
钢-混凝土组合梁以其充分发挥钢与混凝土的材料性能且具有良好的经济效益而发展迅速，为我国的土木工程事业发展作出了重要贡献，其中，剪力连接件是钢-混凝土组合的重要标志，也是保证钢构件与混凝土构件之间协同作用的关键构造。在施工方法为现场浇筑与钢-混凝土整体预制的组合梁中，应用最广泛的连接件形式为栓钉连接件和开孔钢板连接件，二者中开孔钢板连接件具有更优越的抗剪与抗疲劳性能，且不依赖于钢梁的上翼缘而存在，能够达到充分发挥组合梁的强度性能且节约用钢量的目的，开孔钢板连接件是由沿梁纵向焊接的开孔竖向钢板构成，并通过钢板孔内的填充混凝土来抵抗钢梁与混凝土间的纵向剪力及上拔力，为了提高孔内混凝土的横向约束作用，常在钢板孔中贯穿钢筋。
目前，剪力连接件通过装配化连接的方式主要包括以下两种：①将栓钉或螺栓预埋在预制混凝土板内，预制混凝土板与钢梁进行拼装时将连接件与钢梁进行焊接或栓接；②将栓钉与钢梁焊接，将其与带有预留孔的预制混凝土板对中就位，并在预留孔中灌注浆料完成拼接，这两种方式均依靠与钢梁上翼缘的连接完成拼装；对于无上翼缘的钢梁结构，目前多采用钢梁与混凝土板整体预制实现，钢梁与混凝土板采用开孔钢板连接件连接，此时，混凝土板需在钢梁制作完成后浇筑，钢梁与混凝土板不能平行施工，施工周期较长。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种施工效率高、抗剪力稳定性高的基于榫结构的抗剪力连接件及组合梁。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于榫结构的抗剪力连接件，包括钢板，所述钢板上设置有用于穿过贯穿筋的贯穿孔，所述贯穿孔内穿过有贯穿筋，所述贯穿筋与贯穿孔之间设置有榫结构，所述榫结构包括套装在贯穿筋上的榫壳，所述榫壳设置有剪力抵抗结构和剪力缓冲结构，所述剪力抵抗结构包括设置在榫壳中间位置的硬质壳体。
进一步地，所述硬质壳体自中间位置向两端位置外径值逐渐降低。
进一步地，所述剪力缓冲结构包括设置在榫壳端部的外伸部，所述外伸部端部的内壁设置为斜面。
进一步地，所述剪力缓冲结构包括设置在榫壳外的缓冲层。
进一步地，所述硬质壳体为球形壳体。
进一步地，所述钢板设置有剪力滑移结构，所述剪力滑移结构包括设置在钢板侧面的换向推力面。
进一步地，所述贯穿筋包括上层贯穿筋和下层贯穿筋，与上层贯穿筋对应的贯穿孔上侧开口。
一种组合梁，包括基于榫结构的抗剪力连接件。
本发明的有益效果在于：基于榫结构的抗剪力连接件，包括钢板，所述钢板上设置有用于穿过贯穿筋的贯穿孔，所述贯穿孔内穿过有贯穿筋，所述贯穿筋与贯穿孔之间设置有榫结构，所述榫结构包括套装在贯穿筋上的榫壳，所述榫壳设置有剪力抵抗结构和剪力缓冲结构，所述剪力抵抗结构包括设置在榫壳中间位置的硬质壳体，由于混凝土和钢板变形程度不同，导致混凝土和钢板之间存在相对移动，进而使贯穿筋在与钢板配合处受到较大剪力，长期受到变化的剪力载荷，贯穿筋强度降低，抗剪力变形能力变差，通过设置剪力抵抗结构，所述剪力抵抗结构包括设置在榫壳中间位置的硬质壳体，能够避免剪力直接作用在贯穿筋上，保护贯穿筋，设置剪力缓冲结构，将剪力分散，进而能够避免应力集中，保护贯穿筋，进而提高长效抗剪力稳定性。
附图说明
图1为组合梁结构示意图；
图2为钢梁与混凝土板连接关系示意图；
图3为实施例1钢梁与钢板连接关系示意图；
图4为实施例1钢板结构示意图；
图5为实施例1榫结构示意图；
图6为实施例2榫剖面示意图；
图7为实施例3榫剖面示意图；
图8为实施例4榫横截面示意图；
图9为实施例4榫与钢板连接关系示意图；
图10为实施例4导向环截面示意图；
图11为实施例5钢板与钢梁连接关系示意图；
图12为实施例6榫结构示意图；
图13为实施例7钢板与钢梁连接关系示意图；
其中：1、钢梁；2、混凝土板；3、钢板；4、贯穿筋；5、溢浆槽；6、下层贯穿筋；7、上层贯穿筋；8、贯穿孔；9、硬质壳体；10、外伸部；11、卡槽；12、支撑筋；13、浆槽；14、弹性层；15、溢浆口；16、导向环；17、插入环；18、连接板；19、高强度螺栓；20、榫壳；21、人造石层。
具体实施方式
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将结合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。
实施例1
如图1-5所示，一种基于榫结构的抗剪力连接件，包括钢板3，钢板侧立固定在钢梁1上，钢板可采用Q235、Q345、Q390和Q420钢，其质量应符合现行国家标准要求，为防止钢板过早被剪切破坏，钢板厚度不应小于12mm，钢板上加工有用于穿过贯穿筋4的贯穿孔8，本实施例中，贯穿筋包括上层贯穿筋7和下层贯穿筋6，上层贯穿筋和下层贯穿筋均贯穿混凝土板2，且上贯穿筋和下贯穿筋之间通过连接筋连接，形成混凝土板的架立钢筋，贯穿筋可选用HRB400、HRB500、HRBF400 和RRB400钢筋等螺纹钢筋，贯穿筋直径不宜小于12mm，进而保证抗剪性能，混凝土板强度等级不低于C25；当采用强度标准值400MPa及以上贯穿筋时，不低于C30；若配合预应力钢筋使用时混凝土板强度等级不低于C40，能够满足桥梁建设需求，贯穿孔内穿过有贯穿筋，具体为，相邻两块混凝土板中，其中一块混凝土板的上贯穿筋穿过贯穿孔，另一块混凝土板的下贯穿筋穿过贯穿孔，相应的，钢板上加工有两层贯穿孔，为方便安装，与上层贯穿筋对应的贯穿孔上侧开口，进而使上层贯穿筋能够卡装入钢板中，降低施工难度。
由于混凝土和钢板变形程度不同，导致混凝土和钢板之间存在相对移动，进而使贯穿筋在与钢板配合处受到较大剪力，长期受到变化的剪力载荷，贯穿筋强度降低，抗剪力变形能力变差，现有的贯穿钢筋与钢板的连接，贯穿孔中填充了混凝土，实际上也形成了榫结构，然而其强度低，易形成开裂，抗剪力效果随之消失，为提供更为稳定的抗剪力功能，本申请在贯穿筋与贯穿孔之间安装榫结构，榫结构包括套装在贯穿筋上的榫壳20，榫壳长度不小于钢板厚度，榫壳与贯穿钢筋直径之和不应大于开孔钢板开孔直径的1/2，榫壳可以选用Q235普通碳素结构钢等材料，该种钢材综合性能较好，易配合冲压制作成各种构件，榫壳有剪力抵抗结构和剪力缓冲结构，其中，剪力抵抗结构包括榫壳中间位置的硬质壳体9，混凝土板与钢板之间的剪力作用在硬质壳体上，进而避免剪力直接作用在贯穿筋上，保护贯穿筋，增加贯穿筋在钢板处的强度，剪力缓冲结构包括榫壳端部的外伸部10，外伸部端部的内壁为斜面，本实施例中，榫壳由两块卡瓣组成，外形为圆柱形，通过挤塑成型后裁切，制作方便，或者通过铸造制造，内壁端部进行打磨，形成斜面，进而增加剪切受力面积，避免应力集中，外伸部延伸至钢板外15-20mm，对剪切力进行缓冲，卡瓣捆扎在贯穿筋上即可，浇筑混凝土后位置固定，将剪力分散，进而能够避免应力集中，保护贯穿筋，进而提高长效抗剪力稳定性。
本实施例提供的基于榫结构的抗剪力连接件，施工过程如下，预制钢板，焊接固定在钢梁上，预制混凝土板，在混凝土板对应剪力连接件的一侧上表面预制溢浆槽5，贯穿筋与混凝土板一体预制，下层贯穿筋较长的混凝土板先进行铺设，铺设前套装榫，套装有榫的下层贯穿筋插入下层贯穿孔中，然后铺设上层贯穿筋较长的混凝土板，上层贯穿筋通过开口卡装至贯穿孔内，通过敲击调整榫的位置，使榫中间位置与钢板对应，进而保证两侧的伸出部长度相仿，应力分散均匀，调整混凝土板的位置后，将相应的上层贯穿筋、下层贯穿筋端部焊接连接，进而形成整体，焊接完成后在基于榫结构的抗剪力连接件出浇筑高强砂浆，确保高强砂浆的灌注质量，其流动度不低于300mm，强度不低于混凝土板的强度，振实后固化。
值得注意的是，本实施例中贯穿孔的孔径不宜小于贯穿钢筋外径值、榫结构外径值二者之和的1.5倍，保证高强砂浆能进入开孔钢板孔内。
在桥梁的使用过程中，中间位置受力为正弯矩，支座处受力为负弯矩，在负弯矩处的榫壳外套装缓冲层，缓冲层选用天然橡胶，缓冲层长度不小于开孔钢板厚度，缓冲层、榫壳与贯穿钢筋直径之和不应大于开孔钢板开孔直径的1/2，增强抗剪力连接件的延性，缓解群钉效应。
本实施例在增加极少量用钢量的情况下，增大贯穿筋抗剪位置的面积，以提高开孔钢板连接件的抗剪承载力。
实施例2
如图6所示，一种基于榫结构的抗剪力连接件，与实施例1不同的是，硬质壳体外壁预制成型与钢板相配合的卡槽11，通过卡槽进行定位，卡槽外壁阻挡于钢板两侧，进而提高抗剪力变形强度，为使硬质壳体与贯穿筋之间更好的贴合，在硬质壳体内壁一体成型有支撑筋12，贯穿筋为螺纹钢，支撑筋为螺旋状，与螺纹钢的螺纹相配合，与实施例1相比，结构强度更高，缺点在于不能通过挤塑成型，且位置调整难度较大，需要进行旋转。
实施例3
如图7所示，一种基于榫结构的抗剪力连接件，与实施例1不同的是，硬质壳体自中间位置向两端位置外径值逐渐降低，硬质壳体两端形成锥形结构，具有更好的抗剪强度，硬质壳体具体制作成椭球型，能够缩短外伸部的长度值，甚至不使用外伸部就能够达到缓冲剪力的作用，与实施例1相比，优点在于有更好的抗剪强度，缺点在于不能通过挤塑成型，需要通过模塑成型，且需要通过穿装的方式套装在贯穿筋上，硬质壳体与贯穿孔配合，通过敲击的方式使硬质壳体插入贯穿孔内。
椭球型内腔形成浆槽13，在穿装前，向椭球型内腔内填充高强砂浆，在穿装的过程中被压实，固化后与贯穿筋固定，进而使硬质壳体与贯穿钢筋之间形成高强度的填充体，填充体选用膨胀高强砂浆，具体选用北京中德新亚建筑技术有限公司的RGC75型高强聚合物砂浆。
实施例4
如图8-10所示，一种基于榫结构的抗剪力连接件，与实施例1不同的是，硬质壳体为球形壳体，在硬质壳体外套装硫化橡胶管层，得到弹性层14，与实施例1相比，优点在于有更好的抗剪强度，缺点在于不能通过挤塑成型，需要通过模塑成型，且需要通过穿装的方式套装在贯穿筋上，硬质壳体与贯穿孔配合，通过敲击的方式使硬质壳体插入贯穿孔内，不需要延伸部及可实现较好的剪力缓冲，具体为，剪力作用在硬质壳体上，因弹性层的作用，硬质壳体能够小角度转动，进而达到缓冲剪切力的作用，通过弹性层能够进行复位。
本实施例中，穿装前在球形壳体的开口处安装导向环16，导向环为尼龙环或者橡胶环，导向环一体成型有插入环17，插入环插入球形壳体内，通过导向环能够对贯穿筋进行导向，进而避免球形壳体与贯穿筋之间的干涉，方便进行安装，在使用时，还能起到剪力缓冲的作用。
在穿装前，球形壳体内腔内填充高强砂浆，在穿装的过程中被压实，在贯穿筋与球形壳体的开口之间形成溢浆口15，砂浆自溢浆口处压出，固化后与贯穿筋固定，进而使硬质壳体与贯穿钢筋之间形成高强度的填充体，填充体选用膨胀高强砂浆。
实施例5
如图11所示，一种基于榫结构的抗剪力连接件，与实施例1不同的是，在钢板下侧一体成形有横向的连接板18，连接板通过高强度螺栓19与钢梁固定，避免了焊接的环节，环境友好度高，缺点在于需要开孔。
实施例6
如图12所示，一种基于榫结构的抗剪力连接件，与实施例1不同的是，榫结构包括有Q235钢制成的榫壳，在榫壳外预制有人造石层，内侧的钢环起到在增加很少用钢量的同时增大贯穿钢筋的抗剪面积，提高连接件的抗剪承载力；外侧岩石榫和混凝土的弹性模量一致，能起到弹性地基梁的作用，先预制成型榫壳，在榫壳外预制人造石层，固化后得到预制件，方便制作，还能够减少钢材的用量。
在人造石层内或者人造石表面安装钢丝网，钢丝网的作用是防止岩石榫在抗剪过程中的受剪碎裂散开，也就是说岩石榫可以碎裂，但是它的位置还需要在贯穿钢筋周围包裹着，钢丝网起到了辅助岩石榫受剪、固定岩石榫位置的作用。
实施例7
如图13所示，一种基于榫结构的抗剪力连接件，与实施例1不同的是，钢板有剪力滑移结构，剪力滑移结构包括在钢板侧面的换向推力面，具体为，钢板有两块，顶部连接，通过焊接固定或者弯折成型，两块钢板倾斜，进而表面形成倾斜的换向推力面，剪切力被分散换向，进而抗剪力强度得到提高。
值得注意的是，实施例1-7中，榫结构的弹性模量取混凝土和钢的弹性模量之间的值，可供参考的区间为2.8×104~2.06×105MPa，在选材时，榫结构可以选用钢材，方便成型，也可以选用一些岩石、砂岩、花岗岩、灰岩、白云岩、大理岩等，弹性模量在预设范围内即可，优点在于取材范围广，岩石和混凝土的弹性模量一致，贯穿钢筋在混凝土中和岩石榫中的受力，可以将钢筋的边界条件都统一成弹性地基梁来处理，也就是说虽然岩石榫和混凝土是两种不同的材料，但是由于弹模一致，所以可以考虑成同一种材料来进行受力分析，缺点在于加工难度较大，也可以使用人造石。
实施例1-7中，高强砂浆选用海工混凝土，具体为，北京荣达信新技术有限公司的GFVC型防腐砂浆，具有良好的抗电腐蚀功能，避免钢板、榫壳、贯穿筋与混凝土之间的电化学腐蚀。
一种组合梁，包括实施例1-7中任一种基于榫结构的抗剪力连接件，还包括多根相互平行的钢梁，相邻两根钢梁之间铺设混凝土板，得到组合梁，主要用于桥梁建设。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于榫结构的抗剪力连接件，包括钢板，所述钢板上设置有用于穿过贯穿筋的贯穿孔，所述贯穿孔内穿过有贯穿筋，其特征在于，所述贯穿筋与贯穿孔之间设置有榫结构，所述榫结构包括套装在贯穿筋上的榫壳，所述榫壳设置有剪力抵抗结构和剪力缓冲结构，所述剪力抵抗结构包括设置在榫壳中间位置的硬质壳体，
所述硬质壳体自中间位置向两端位置外径值逐渐降低，
所述剪力缓冲结构包括设置在榫壳端部的外伸部，所述外伸部端部的内壁设置为斜面，
所述剪力缓冲结构包括设置在榫壳外的缓冲层，位于负弯矩处的缓冲层选用天然橡胶，缓冲层长度不小于开孔钢板厚度，缓冲层、榫壳与贯穿钢筋直径之和不应大于开孔钢板开孔直径的1/2，
所述钢板设置有剪力滑移结构，所述剪力滑移结构包括设置在钢板侧面的换向推力面，钢板有两块，顶部连接，通过焊接固定或者弯折成型，两块钢板倾斜，进而表面形成倾斜的换向推力面，剪切力被分散换向，
所述贯穿筋包括上层贯穿筋和下层贯穿筋，与上层贯穿筋对应的贯穿孔上侧开口，
在抗剪力连接件处浇筑高强砂浆，高强砂浆的强度不低于混凝土板的强度，流动性不低于300mm。
2.根据权利要求 1 所述的基于榫结构的抗剪力连接件，其特征在于，所述硬质壳体为球形壳体。
3.一种组合梁，其特征在于，包括权利要求 1-2 任一项所述的基于榫结构的抗剪力连接件。
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