钢管混凝土边框与墙板竖向接合面抗剪性能计算分析

摘要: 本文对钢管混凝土边框与墙板竖向接合面的抗剪机理进行研究，分析比较国内外的建筑规范及专家学者提出的关于接合面抗剪承载力计算公式，对比钢管混凝土边框与墙板竖向接合面抗剪承载力的试验结果，提出更适合此类结构构件的抗剪承载力计算公式。

关键词: 竖缝抗剪抗剪承载力栓钉接合面

中图分类号：TU37文献标识码： A

0 引言

钢管混凝土边框剪力墙结构是一种新型钢-混凝土组合剪力墙，即利用抗剪连接键将钢管混凝土边框和剪力墙进行可靠连接。接合面连接的好坏是关系结构整体抗震性和稳定性的关键问题，目前国内外对该类结构竖缝抗震性能的研究并不多，各国规范对其抗剪强度的计算采用不同的破坏机理。

1 抗剪承载力计算公式

1.1栓钉连接件抗剪承载力计算公式

抗剪连接件的形式很多，一般按照变形能力可分为刚性连接件和柔性连接件两大类。目前最常用的抗剪连接件是栓钉，对栓钉抗剪连接承载力的计算研究的比较多，但是各国对其计算公式没有形成统一。

加拿大《钢结构设计规范》SI6.1-1974规定

≤448Ast

日本规范亦采用式(1)，但规定Ec和fc的适用范围为500～900 MPa，这是偏于保守。

Eurocode 4规定:当hst/dst≥4(hst和dst分别表示栓钉的高度和直径)时，有

≤0.64Astfu

其中，Ast表示栓钉杆的横截面面积，Ec表示混凝土的弹性模量，fck表示混凝土圆柱体抗压强度标准值(=0.83fcu)，fu为栓钉的极限抗拉强度。

美国钢筋混凝土房屋建筑规范（ACI318-83）基于摩剪理论给出保守计算公式

其中：Ac为抗剪混凝土面积；K1为系数，普通混凝土K1等于2.81MPa，全轻骨料混凝土K1等于1.41 MPa，轻砂混凝土K1等于1.76 MPa。

中国学者聂建国、沈聚敏、崔玉萍、胡夏闽等人对栓钉抗剪连接件进行了研究并取得一些成果。这些成果为制定我国《钢结构设计规范》中有关剪力连接件计算的条文提供了依据。

《钢-混凝土组合结构设计规程》(1997修订稿)规定，当hst/dst≥4.0时，有

≤0.7Astf

其中，Ast表示栓钉杆的横截面面积，Ec表示混凝土的弹性模量，fc表示混凝土轴心抗压强度设计值，f表示栓钉抗拉强度设计值

我国现行的GB50017-2002钢结构设计规范对钢-混凝土组合梁设计条文进行了较大改进，其中给出的栓钉承载力公式为:

≤0.7Astfλ

其中，λ为栓钉材料抗拉强度最大值与屈服值之比，f表示栓钉抗拉强度设计值。

本次试验栓钉的计算荷载采用美国钢筋混凝土房屋建筑规范（ACI318-83）。

1.2销键抗剪承载力计算公式

接缝处承载力验算还需包括抗剪销键的焊缝强度验算和混凝土的局部承压验算，焊缝在剪力作用下按纯剪切考虑，可按现行国家标准《钢结构设计规范》GB50017的规定计算；验算抗剪销键上混凝土的受压承载力时，局部承压混凝土的垂直抗压强度可取1.5fc。

2 试验概述

本试验共设计了5个试件，试件的配置方式是根据栓钉的配钢率在1%左右进行设计。因此在试件配置时选择6个栓钉（1.32%）和4个栓钉（0.88%）。试验中钢管采用120mm*120mm*4mm的普通Q345级方钢管； 销键为直径20mm的螺纹钢筋加工而成，长100mm，竖向间距225mm，焊接在钢管壁上；栓钉为ML15标准尺寸，直径13mm，长80mm，在竖向接合面上的水平间距均为60mm，竖向间距为200mm或250mm。通过栓钉抗拉强度试验得到栓钉抗拉强度为355.78Mpa。

试件墙体部分采用C30自密实混凝土，经过试配最终确定配合比比值为：0.41:1: 2.54:2.75。钢管内部混凝土为C50自密实混凝土，其配合比比值为：0.22:1:1.13:1.22。

本次试验用MTS作动器完成，加载点取在钢管与混凝土结合部钢管壁上，管壁上焊接30*120*15mm厚的钢条，以保证直剪面发生直剪破坏。试验采用国内外常用的拟静力加载方案以模拟地震作用，即对试件施加低周反复荷载直至破坏。

3 计算结果分析

本次试验试件破坏形式全部为混凝土破坏，栓钉未剪断。本次试验试验结果与各国规范计算值的比较见表1。

表1 竖缝抗剪试验值与各国规范计算值的对比

注：试件编号中“6S2P”是指6个栓钉和2个销键的组合连接方式，SP是指Shear Performance。

通过比较发现各国规范计算值均高于试验结果，原因有以下几点：

1）本次试验的栓钉为直剪破坏，与推出试验相似，各国规范是对组合梁中栓钉连接件的规定，而国内外的研究都表明，推出试验得到的栓钉抗剪承载力比组合梁中栓钉的实际抗剪承载力要低。

2）由于栓钉布置较密集，在试验时出现群钉效应导致每根焊钉承载力比普通单钉承载力要小。

4 抗剪承载力计算

各国的规范中有关于栓钉抗剪承载力的计算公式，但是对栓钉和销键组合抗剪的计算公式未见报道，因此，在研究国内外相关规范基础上，提出栓钉和销键组合抗剪承载力计算公式：

（1）

式中：

Ast是栓钉的横截面面积，Ec是混凝土的弹性模量，fck是混凝土圆柱体抗压强度标准值，l是抗剪销键长度，d为抗剪销键高度，fc是混凝土抗压设计强度，α为局部承压有效面积调整系数，建议取0.9。

表2 试件抗剪承载力实测值和计算值

按该计算公式（1）得出各试件的竖向接合面抗剪承载力计算值和实测值见表2，计算值和实测值吻合较好，试件SP-6S和SP-6S2P相对误差略微偏大原因可能是公式（1）中关于栓钉抗剪承载力计算的理论值偏大造成的。

结论

（1）钢管混凝土边框与墙板竖向接合面采用栓钉和销键的组合连接方式能够保证剪力有效传递，且能够保证接缝的稳定性。

（2）本次试验试件的破坏形式与推出试验相似，且试件的实际压力值均低于各国规范的计算值。

（3）对于采用栓钉和销键组合连接方式的构件，按照公式（1）进行计算，其计算值与实测值吻合良好，可以应用到工程设计中。

参考文献

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[5]聂建国. 钢-混凝土组合梁结构试验、理论与应用[M].北京:科学出版社，2005.