CN106088469B - 约束混凝土劈裂及劈裂发展的栓钉抗剪连接件 - Google Patents
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Abstract
约束混凝土劈裂及劈裂发展的栓钉抗剪连接件，包括用于连接钢梁翼缘以及钢筋混凝土翼缘的栓钉，所述栓钉通过螺栓栓接和焊接的方式与钢梁翼缘固连，且在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。本发明能提高栓钉抗剪接件纵向受剪承载力，提高其在钢‑混凝土组合梁中正常使用极限状态的有效荷载，从而解决钢‑混凝土组合梁的设计应用现状中的障碍。
Description
技术领域
本发明涉及建筑技术领域的钢-混凝土组合梁中广泛使用的基础性圆柱头栓钉抗剪连接件，具体为约束混凝土劈裂及劈裂发展的栓钉抗剪连接件。
背景技术
现行的《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)11.3章节中给出了现有技术中圆柱头焊钉(栓钉)连接件抗剪承载力公式：即该公式是建立在栓钉材料性能等级4.6级钢材和栓钉直接埋置于现浇砼翼缘板内抵抗“剪撬”局压作用的理论与试验研究基础上的，是对传统栓钉承载力计算的规范应用。但在实际应用过程中，由于栓钉与混凝土翼缘板的抗剪传力类似于线接触的圆柱形铰，栓钉周边3d(d-为栓钉直径)的范围内混凝土翼缘板受栓钉“剪撬”的局压集中作用，由于3d(d-为栓钉直径)范围内没有螺旋钢筋和间接钢筋约束，不可避免在砼翼缘板内产生纵向劈裂，栓钉抗剪连接件纵向受剪承载力受制于翼缘板混凝土弹性模量(EC)、与抗压强度(fc)，因此，材料性能等级为8.8级甚至10.8级及以上的高强度钢材作为栓钉无法在钢-混凝土组合梁中得到推广应用。
并且，该纵向劈裂继续扩展仅当遇到按《高层民用建筑钢结构技术规程》第7.2.16、7.2.17条要求配置的足够多的横向抗剪钢筋处才得到横向钢筋的有限约束。此处的横向抗剪钢筋与混凝土翼缘板沿纵向剪切方向分布的混凝土翼缘板支座处的负弯矩计算所需钢筋不能相互替代，叠加后将导致混凝土板内的横向布置的钢筋密集到无法布置(在钢-混凝土组合梁完全抗剪连接的设计中尤为显著)，导致钢-混凝土组合梁大多采用部分抗剪连接设计，且这种部分抗剪连接的组合梁的最大跨度也被限制在20m以内。
目前，传统的栓钉抗剪连接件的这种无法抑制的劈裂效应加剧了钢-混凝土组合梁之间的界面滑移，这种无有效约束的纵向劈裂及界面滑移一直是组合梁(结构)研究的热点与难点，《钢结构设计规范》11.4章节中虽然给出了组合梁的刚度折减系数，但是公式复杂且不便于应用。纵向劈裂效应降低了钢-混凝土组合梁中的组合作用，减小了正常使用极限状态的有效荷载。钢-混凝土组合梁的实际设计应用中受正常使用极限状态的制约，只能采用部分抗剪连接的设计。正常使用极限状态下，钢-混凝土组合梁传统的圆柱头栓钉抗剪连接件不进行改良，不能更充分发挥钢与混凝土材料各自的优点，制约了钢-混凝土组合梁及其他组合结构或混合结构中的广泛推广应用。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一类能约束混凝土劈裂及劈裂发展的栓钉抗剪连接件，这种栓钉抗剪连接件能有效约束限制栓钉周边3d(d-为栓钉直径)范围内的混凝土劈裂及其劈裂发展，提高栓钉抗剪接件纵向受剪承载力以及正常使用极限状态下的有效荷载。从而解决钢-混凝土组合梁的设计应用现状中的障碍，推动钢-混凝土组合梁及其他组合结构或混合结构的应用。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
约束混凝土劈裂及劈裂发展的栓钉抗剪连接件，包括用于连接钢梁翼缘以及钢筋混凝土翼缘的栓钉，此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。
作为上述技术方案的进一步限定：
所述高强细石砼的外径尺寸为栓钉外径尺寸的三倍，优选采用C50～C80高强度细石砼，该细石砼卵石的最大公称粒径为10mm。
所述螺旋筋的内径尺寸为栓钉外径尺寸的六倍。
所述抗拉单元为环绕在高强细石砼外柱面的高强金属丝或者弹性纤维绳或者高强纤维织物，优选采用300g/m2的碳纤维织物密贴缠绕包裹2～3周或者高强度钢丝采用绕丝法成型在高强细石砼圆柱体上并对其进行有效约束并锚固。另外，为了减少栓钉位置处的混凝土劈裂的可能性，还可以对高强细石砼施加环向预应力，该环向预应力通过一个埋入高强细石砼的锚座实现，该锚座为一个矩形块结构，其上设置有若干成组设置的供预应力钢丝穿过的孔，这些孔用于预应力钢丝的螺旋形张拉与锚固，还用于锚固提供环向预应力的锚固夹片。这种预应力锚具结构对栓钉周边核心范围内的高强度混凝土圆柱体施加环向预应力，杜绝在栓钉周边核心范围内混凝土的劈裂。从而提高连接件的承载能力，大大减小由于劈裂产生的滑移。
所述螺旋筋优选采用Φ4螺旋筋，圈数不少于4圈，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。
所述栓钉与钢梁翼缘的连接方式包括螺栓栓接和焊接两种。其中，采用焊接方式进行连接时，在栓钉抗剪连接件中的栓钉端部与钢梁翼缘的接触部分设置有焊接根部构造，所述焊接根部构造通过套装在栓钉端部的环形内胎模实现，拆除内胎膜与外模即可在高强细石砼中形成电弧螺柱焊接需要的焊接根部构造。所述焊接根部构造包括套装在栓钉端部并部分预埋在高强细石砼中的环形内胎模，该环形内胎模为塑料模，且在其下部外边缘套装有一个防止焊接钢水外溢的钢质焊接辅助环，此辅助环厚度优选为1mm。
考虑到采用有效约束劈裂发展后的栓钉抗剪连接件的纵向抗剪承载力较大增加后，栓钉的剪橇作用效应中撬起力随之有较大增加，在栓钉抗剪连接件浇筑到钢筋混凝土翼缘中前，还应在钢筋混凝土翼缘中对称设置抗掀起钢筋，这些对称设置的抗掀起钢筋以栓钉为中心对称设置，这些抗掀起钢筋结构一致，包括倒U型的钢筋，底边长度为六倍栓钉直径，并在两侧边边缘处设置有水平焊接段用于与钢梁翼缘进行焊接，且对称设置的倒U型钢筋平行间距为2～3倍栓钉直径长度，浇筑成型在钢筋混凝土翼缘中。
传统的栓钉抗剪连接件的“剪撬”局压集中作用，导致钢-混凝土组合梁砼翼缘板的纵向劈裂，加剧了界面滑移，其栓钉抗剪连接件受剪承载力受制于翼缘板砼弹性模量EC受砼强度等级fc的限制，限制了高强度螺栓的强度优势发挥，减小了正常使用状态的有效荷载，降低了组合结构梁(结构)中组合作用。而在本发明中采用高强度的碳纤维织物有效约束栓钉周边3d(d-为栓钉直径)的核心范围内高强度混凝土圆柱体，栓钉在该范围内的劈裂及劈裂发展受到高强度的碳纤维织物有效约束无法扩展，从而有效提高连接件的承载能力。
有益效果：本发明采用的栓钉抗剪连接件通过约束限制栓钉周边范围内混凝土劈裂及其劈裂发展，提高栓钉抗剪连接件纵向受剪承载力，提高正常使用极限状态的有效荷载，栓钉的材质可突破4.6级的规范理论限制。当采用8.8级甚至10.8级高强度螺栓时，与钢翼缘的连接可采用承压型高强度螺栓连接技术的理论。既可高效应用到大跨度桥梁结构中，也可广泛应用到钢-混凝土组合桁架、钢管混凝土组合柱、钢骨混凝土柱及各种高层钢-混凝土混合结构中。
附图说明
图1为本发明中采用焊接连接的实施例一的横截面示意图。
图2为图1的实施例一的A-A截面示意图。
图3为实施例一单排连接件装配后沿钢梁轴线方向的平面布置图。
图4为图3的实施例一的B-B截面示意图。
图5为实施例一装配抗掀起钢筋的平面布置图。
图6为图5的实施例一的C-C截面示意图。
图7为本发明中采用栓接连接的实施例二两排连接件装配后沿钢梁轴线方向的平面布置图。
图8为图7的实施例二的D-D截面示意图。
图9为本发明中用于施加预应力的锚座的实施例二的高强细石砼部分的剖面俯视图。
图10为本发明中用于施加预应力的锚座的实施例二的高强细石砼部分的剖面仰视图。
图11为图9的实施例二的预应力锚座的结构正视图。
图12为图9的实施例二的E-E截面示意图。
图13为图9的实施例二的F-F截面示意图。
其中：1、钢梁翼缘；2、钢筋混凝土翼缘；3、栓钉；4、栓钉扩大头投影线；5、高强细石砼；6、碳纤维织物；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、环形内胎模；12、板顶横向钢筋；13、板底横向钢筋；14、板顶纵向钢筋；15、板底纵向钢筋；16、抗掀起钢筋；17、抗掀起钢筋拐点；18、高强度螺栓扩大头投影线；19、高强度螺栓；20、配套螺母；21、连接螺纹面；22、预应力钢丝；23、预应力钢丝外边线；24、预应力钢丝正面穿入孔；25、预应力钢丝背面穿出孔；26、预应力钢丝锚座。
具体实施方式
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，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
实施例一：
参见图1～图6的约束混凝土劈裂及劈裂发展的栓钉抗剪连接件的实施例一，在本实施例中，栓钉抗剪连接件在制作时以栓钉3作为连接基础，该栓钉3采用市售16mm圆柱头栓钉，在栓钉3的焊接端根部套装塑料成型的尺寸结构为3.5mmx10mm的环形内胎膜11，此环形内胎膜11外侧还套装有一个内径为23mm、厚1mm的焊接辅助环10，并将栓钉焊接引弧点8露出模具底端中心预留孔。将内径为48mm的高强细石砼模具9同心套装在栓钉3的外侧，结构展示如图2所示，在高强细石砼模具9内浇筑C50～C80的高强度细石砼5，浇筑的高强度细石砼5中的卵石最大公称粒径为10mm。砼硬化后，将栓钉3连带高强度细石砼5从高强细石砼模具9中拆出，养护28天，然后采用300g/m2的碳纤维织物6作为抗拉单元(其满足《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367-2013)重要构件的相应要求)在高强度细石砼5柱体侧表面贴缠绕包裹2～3周，这种抗拉单元为针对栓钉3周边3d的范围内混凝土局压集中作用下的缺陷所设计的。这样，一方面通过局部设置的高强度细石砼5提高了抗劈裂能力，另一方面通过碳纤维织物6作为抗拉单元来提供环抱约束，能有效约束栓钉3外缘混凝土劈裂及劈裂发展，从源头解决传统钢-混凝土组合结构中混凝土易被栓钉劈裂的问题。
另外，由于环形内胎膜11预先在栓钉焊接根部形成了3.5mmx5mm环形空腔，在螺柱焊接过程中，栓钉端头熔融会在焊接根部形成3.5mmx5mm的环形加粗段。实施例一的栓钉抗剪连接件中的栓钉与钢梁翼缘1采用电弧螺柱焊进行焊接连接，在如图2所示的栓钉3的融化长度内，焊接辅助环10在电弧螺柱焊的栓钉融化过程中被压入环形空腔内，使得栓钉3的栓钉连接件螺柱焊焊接后的根部细部构造能完全满足相关规范的焊接要求，确保了连接件能按现行规范的要求采用电弧螺柱焊焊接于钢梁翼缘1上。
而在按电弧螺柱焊的规范要求将栓钉抗剪连接件焊接到钢梁翼缘，浇筑钢筋混凝土前，在高强细石砼5的外侧同圆心固定一内径为96mm的Φ4螺旋筋7，螺旋筋7的缠绕圈数为4圈，螺旋筋7固定后开始浇筑混凝土，并最终成型在钢筋混凝土中，栓钉扩大头的保护层厚度满足规范要求即可。
此时，栓钉抗剪连接件中的高强细石砼5成型在钢筋混凝土翼缘2中充当钢-混凝土界面抗剪连接件，其外侧受到碳纤维织6的有效约束，其抵抗栓钉的局压承载能力得到有效提高。栓钉的局压集中作用经过栓钉3d周边的核心抗局压砼扩散后，传递到6d(d-栓钉直径)范围处的砼局压应力大大降低，而螺旋筋7则用于混凝土抵抗扩散至6d(d-栓钉直径)范围处的砼局压应力，避免混凝土翼缘2的纵向劈裂破坏。结合图3、图4进行受力分析可知，栓钉3的栓钉“剪撬”局压作用导致栓钉周边3d(在实施例一中即为16mm)的范围内混凝土受力劈裂后，受到高强细石砼5的加强作用以及碳纤维织物6的有效约束后，该劈裂无法进一步向外扩展，使得栓钉周边3d的范围内混凝土局压承载能力极大提高，栓钉局压作用经过3d抗局压混凝土的扩散至6d(d-为栓钉直径)范围的砼时，砼所受的局压作用应力大大降低。同时，钢筋混凝土翼缘2内的纵向剪力在相邻的两个栓钉抗剪连接件之间的扩散也受到内径6d的螺旋筋7的有力约束，使得相邻的两个栓钉连接件之间也不会产生砼纵向劈裂裂缝。基本解决了钢筋混凝土翼缘2由于栓钉抗剪连接件受剪产生的沿栓钉3中轴线上的纵向劈裂裂缝。因此混凝土翼缘板在支座处的负弯矩产生的裂缝也只能产生在栓钉3中轴线3d以外，也基本不再需要配置更多的抗剪板顶横向钢筋12与抗剪板底横向钢筋13。
同时，在图4的结构中，其在使用的单根钢筋的规格和截面尺寸确定的情况下，板顶横向钢筋12的数量可以由混凝土板支座的负弯矩计算确定，而板底横向钢筋13的数量则由翼缘板的跨中弯矩计算确定，但是必须要求翼缘板的板底横向钢筋13在支座处，按照板顶横向钢筋12一样按受拉钢筋拉通或按受拉钢筋分别锚固。而在组合梁负弯矩区，钢筋混凝土翼缘2沿纵向剪切方向的板顶纵向钢筋14可根据组合梁负弯矩受拉区的转动要求及能力计算确定。正常使用极限状态下，组合梁(结构)负弯矩区裂缝宽度的计算，可以参考组合梁(结构)中负弯矩受拉区配筋的综合力比(Rp)相关情况将组合梁(结构)按抗弯刚度等效换算为钢筋砼结构进行验算。混凝土翼缘板沿纵向剪切方向的板底纵向钢筋15可按受拉钢筋的最小配筋率不小于0.20％的要求配置以与现行钢结构及混凝土规范良好衔接的要求配置，便于与现行钢结构及混凝土规范良好衔接。
在实施例一中，考虑到实施例一结构的栓钉抗剪连接件在应用于某些具有较大纵向承载力场合时(如斜拉索桥等结构中)，纵向抗剪承载力相对于常规受力状况下有了较大增加后，栓钉3的“剪橇”作用效应中“撬起力”同时有较大增加，因而有必要在配置如图5、图6所示的抗掀起钢筋16作为加强组件。该加强组件以连接件与钢梁翼缘连接点为中心，在纵横2个方向对称配置有2根倒U形弯起钢筋，弯起钢筋上边宽度取六倍栓钉直径，弯起钢筋间距取三倍栓钉直径，抗掀起钢筋拐点17处的弯起角度为60°，抗掀起钢筋16下部为与钢梁翼缘1焊接的平直段，贴焊的焊缝长度满足抗拉锚固的规范要求。该抗掀起钢筋的截面面积根据跨中最大掀起力计算配置。
实施例二：
图7～图13为本发明的实施例二，本实施例，栓钉3采用材料性能等级为10.8级的高强度钢材栓钉，该栓钉3采用承压型高强度螺栓连接技术进行连接，其与栓钉3配合的高强度螺栓19、配套螺母20、连接螺纹面21受力要求均应应符合相关规范的相应要求，由于在实施例二中栓钉3采用了10.8级的直径为16mm的高强度钢材栓钉配合配套螺母20来与钢梁翼缘1进行固定连接，因而这种结构对抗剪连接件对钢筋混凝土翼缘2的纵向剪切提出了更高的要求，在此条件下，若要求基本杜绝在栓钉周边3d的核心范围内混凝土劈裂，可以对图1中的核心区48mm范围内的高强细石砼5施加指向高强度螺栓扩大头投影线18的环向预应力来有效约束限制栓钉周边3d核心范围内的钢筋混凝土翼缘2劈裂及其劈裂发展，使高强度钢材作为栓钉抗剪连接在组合梁中的应用成为可能。
在本实施例中，这种结构的实现方式通过如图9～图13中所设置的预应力钢丝锚座26实现，在实施例中，预应力钢丝锚座26为尺寸为20x20x86mm的长方体块状钢结构，此预应力钢丝锚座26部分埋入高强细石砼5中，且在预应力钢丝锚座26的左、右侧面按图12、13位置钻有4组孔来分别作为预应力钢丝正面穿入孔24以及预应力钢丝背面穿出孔25，确保能施加4圈的环向预应力钢丝22的螺旋形张拉与锚固并保持如图所示的预应力钢丝外边线23。在本实施例中，预应力钢丝22以及锚固夹片为QM预应力厂家定做。按图9-13所示的定位与核心区3d范围内的高强细石砼5浇筑成一体后，便可采用后张法施加有效的环向预应力。施加预应力后，即可类比实施例一的装配方式进行广泛使用。
由于实施例二的结构的栓钉抗剪连接件杜绝了栓钉周边3d的核心范围内钢筋混凝土翼缘2的劈裂，工程中可以基本不考虑该项因素引起的界面滑移。这样，钢-混凝土组合梁(结构)界面滑移量值中仅剩下由于砼与钢材料各自的弹性模量的差异而引起的钢-混凝土组合梁(结构)间可控的界面滑移后，组合梁(结构)的极限承载能力的计算更符合设计规范的计算假定。
在实施例中，图1-13中的实施例一以及实施例二均以直径16mm的栓钉为例，而在实际操作过程中，以规范常用的16、19、22、25mm的栓钉以及其他的非标尺寸栓钉也均可作为连接件中的钢结构连接件部分，其中，在实施例一中的相关结构和装配方式可直接在现行传统的圆柱头栓钉(材料性能性能等级为4.6级)直接应用，而实施例二中的相关结构和装配方式可以确保3d(d-为栓钉直径)的范围内混凝土不发生劈裂，约束效果更好，但需要预应力厂家加工制作相应的预应力锚具施加有效的环向预应力。
现行圆柱头栓钉采用的材料性能等级为4.6级钢材，并采用电弧螺柱焊接的方式与组合梁(结构)连接，本发明的实施例一在图1-6中给出的详细细部构造与措施能满足现行的焊接规范的焊接要求，可直接在现行圆柱头栓钉(材料性能性能为4.6级)应用，易于在现行组合梁(结构)工程中广泛应用。
实施例一和实施例二的结构均能有效约束限制了栓钉周边3d(d-为栓钉直径)的范围内混凝土劈裂及其劈裂发展，还可使高强度钢材作为栓钉抗剪连接件在组合梁(结构)中的应用成为可能。而当栓钉采用材料性能等级为8.8级甚至10.8级及以上的高强度钢材，并采用高强度螺栓连接技术时，采用实施例二中类似图7-8中栓钉的要求及其连接螺纹的受力要求符合规范要求；对应在钢翼缘上的“钻孔”要求应符合受力的相关规范的要求。
抗剪连接件是钢-混凝土组合梁中连接钢梁-混凝土翼缘板体，并传递相互作用的关键构件，其受力状态复杂。极限状态的破坏基本分为2种：一为混凝土翼缘板砼劈裂破坏，二为栓钉钢材的剪拉破坏。本发明中提出的抗剪连接件的极限抗剪承载力设计值取决于混凝土翼缘板抗局压劈裂的承载力设计值和栓钉钢材的剪拉破坏承载力设计值两者的低值。
通过对本发明中提出的各种典型抗剪连接件的混凝土翼缘板抗局压劈裂、栓钉钢材的抗剪拉破坏承载能力设计值进行计算对比，以规范常用的市场有售而无需定制的直径为16、19、22、25mm的栓钉及直径为27、30mm的10.8级高强度螺栓为例，分别对钢质栓钉的抗剪承载力设计值、和栓钉0.5d～3d(d-为栓钉直径)范围内被有效约束后的核心砼抗局压承载能力设计值进行计算，该设计值对比数据如表1所示。在表1中，砼翼缘板在混凝土翼缘板抗局压劈裂的承载力设计值的计算标准为：均取100mm厚的C30砼翼缘板中扩展至3d(d-为栓钉直径)时混凝土翼缘板抗局压劈裂的承载力设计值。局压应力扩散至6d范围以外后，局压应力已扩散至足够小，采用螺旋筋7与板顶横向钢筋12、板底横向钢筋13、板顶纵向钢筋14、板底纵向钢筋15及抗掀起钢筋16的综合作用，显然能满足抵抗该局压应力的需要。
表1：典型连接件中混凝土抗局压与栓钉抗剪承载力设计值比较表
从表1中数据可见：
(1)本发明专利中的所有抗剪连接件，混凝土翼缘板抗局压劈裂的承载力设计值都远大于栓钉钢材的剪拉破坏承载力设计值。
(2)与传统的栓钉抗剪连接件(4.6材质)相比较，专利提出的抗剪连接件有效约束限制栓钉周边3d(d-为栓钉直径)的范围内混凝土劈裂及其劈裂发展，能极大地提高了正常使用极限状态的有效荷载，提高翼缘板的抗剪承载力设计值，拓宽大直径连接件的应用范围。
从数据规律可得以下结论：(1)当连接件受力增大至栓钉钢材发生剪拉破坏时，混凝土翼缘板基本不发生局压劈裂破坏，即使发生，其劈裂限制也能可靠限制在3d(d-栓钉直径)范围内，完全在工程允许的范围内。(2)本发明中提出的抗剪连接件的极限抗剪承载力设计值完全取决于栓钉钢材发生剪拉破坏时的极限承载力，再也不必考虑混凝土的劈裂带来的随机的不确定影响。(3)抗剪连接件的连接可靠度与安全系数完全取决于栓钉钢材及与钢梁翼缘的连接方式的可靠度与安全系数。
另外：需要指出的是：表1数据分析显示的上述3项结论，本发明专利中的典型抗剪连接件实际抗剪承载力实测值也完全可以通过钢-混凝土组合梁抗剪连接件的推出试验、梁式试验中获取的试验数据得到佐证。
目前，由于钢结构焊接技术的发展，调制中碳钢、高强度钢材20MnTiB合金钢等8.8级材料性能等级的栓钉可靠的焊接在现有Q235B、Q345B主体结构钢材上已经逐步日趋成熟。
本发明提出的两种实施例的构造措施能有效应用于调制中碳钢、高强度钢材20MnTiB合金钢等材料性能(高强度等级8.8级)的栓钉上，使其更具工程应用的价值与前景。其中，高强材质的栓钉采用本发明提出的相关技术方案的构造措施能匹配高强度等级8.8级的栓钉，有效提高栓钉(焊钉)连接件抗剪承载力，使其较目前正普遍使用4.6级材质的栓钉能得到较大提高，从而使组合梁(结构)抗剪连接件抗剪承载力足够并不会发生纵向劈裂，确保实现完全抗剪连接的设计，钢栓钉材料及连接的可靠性亦决定了组合梁(结构)组合作用的可靠度，能与现有的钢结构及混凝土规范更好的相衔接，组合结构的设计理论更简洁和便于推广应用。
本发明提出的这种抗剪连接件可应用在现有的钢-混凝土组合梁中，还可广泛应用到钢一混凝土组合桁架、钢管混凝土组合柱、钢骨混凝土柱及各种高层钢-混凝土混合结构中，能产生巨大的工程经济效益和社会效益。
以上显示和描述的内容详细阐述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.约束混凝土劈裂及劈裂发展的栓钉抗剪连接件，其特征在于，包括用于连接钢梁翼缘以及钢筋混凝土翼缘的栓钉，所述栓钉通过螺栓栓接和焊接的方式与钢梁翼缘固连，且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。
2.根据权利要求1所述的栓钉抗剪连接件，其特征在于，所述高强细石砼的外径尺寸为栓钉外径尺寸的三倍，为C50～C80高强度细石砼，且该细石砼卵石的最大公称粒径为10mm。
3.根据权利要求1所述的栓钉抗剪连接件，其特征在于，所述螺旋筋的内径尺寸为栓钉外径尺寸的六倍。
4.根据权利要求1所述的栓钉抗剪连接件，其特征在于，所述抗拉单元为环绕在高强细石砼外柱面的高强金属丝或者弹性纤维绳或者高强纤维织物。
5.根据权利要求4所述的栓钉抗剪连接件，其特征在于，所述高强纤维织物为密贴缠绕包裹在高强细石砼外柱面2～3周的密度为300g/m2的碳纤维织物。
6.根据权利要求4所述的栓钉抗剪连接件，其特征在于，所述高强金属丝为采用绕丝法成型并锚固在高强细石砼圆柱体上的高强度钢丝。
7.根据权利要求4所述的栓钉抗剪连接件，其特征在于，所述抗拉单元为对高强细石砼施加环向预应力的结构，该结构为一个埋入高强细石砼的锚座，所述锚座为一个矩形块结构，其上设置有若干成组设置的供预应力钢丝穿过的孔，这些孔用于预应力钢丝的螺旋形张拉与锚固，还用于锚固提供环向预应力的锚固夹片。
8.根据权利要求1所述的栓钉抗剪连接件，其特征在于，所述螺旋筋为Φ4螺旋筋，圈数不少于4圈，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。
9.根据权利要求1所述的栓钉抗剪连接件，其特征在于，栓钉与钢梁翼缘为焊接连接时，在栓钉抗剪连接件中的栓钉端部与钢梁翼缘的接触连接部分设置有焊接根部构造，所述焊接根部构造通过套装在栓钉端部的环形内胎模在高强细石砼中形成环形内腔，在螺柱焊接过程中栓钉端头熔融会在焊接根部形成的环形加粗构造，包括套装在栓钉端部并部分预埋在高强细石砼中的塑料成型的环形内胎模，且在此环形内胎模下部外边缘套装有一个钢质焊接辅助环。
10.一种抗掀起结构，其特征在于，该抗掀起结构与权利要求1～9中任一一种栓钉抗剪连接件配套使用，包括有抗掀起钢筋，该抗掀起钢筋以栓钉中心对称设置，包括倒U型的钢筋，底边长度为六倍栓钉直径，并在两侧边边缘处设置有水平焊接段用于与钢梁翼缘进行焊接，且对称设置的倒U型钢筋平行间距为2～3倍栓钉直径长度，浇筑成型在钢筋混凝土中。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1993022082A1 (en) * | 1992-05-06 | 1993-11-11 | Trw Inc. | Welding stud and method of forming same |
| CN1816672A (zh) * | 2003-03-01 | 2006-08-09 | 查尔斯·T·布雷克特 | 钢索螺栓 |
| US20060272251A1 (en) * | 2005-04-13 | 2006-12-07 | Michael Hatzinikolas | Composite floor system with fully-embedded studs |
| WO2007009160A1 (en) * | 2005-07-15 | 2007-01-25 | Fielders Australia Pty Ltd | Shear connector for use in a concrete and steel structure |
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1993022082A1 (en) * | 1992-05-06 | 1993-11-11 | Trw Inc. | Welding stud and method of forming same |
| CN1816672A (zh) * | 2003-03-01 | 2006-08-09 | 查尔斯·T·布雷克特 | 钢索螺栓 |
| US20060272251A1 (en) * | 2005-04-13 | 2006-12-07 | Michael Hatzinikolas | Composite floor system with fully-embedded studs |
| WO2007009160A1 (en) * | 2005-07-15 | 2007-01-25 | Fielders Australia Pty Ltd | Shear connector for use in a concrete and steel structure |
| CN103982506A (zh) * | 2014-05-16 | 2014-08-13 | 深圳大学 | 一种有效提高焊接质量兼延性破坏特征的栓钉剪力键 |
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