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第二章

剪切连接

2.1介绍

钢筋混凝土和钢结构的设计方法对钢筋和混凝土的连接没有帮助。这种联系是纵向剪切，但不完全是。对于螺栓连接和焊接接头地区的关键以及复杂的压力,无法准确分析,所以连接方式已经在基于经验和验证的方法测试。他们在被描述在2.4节。

最简单的类型的组合件用于实践发生在地板上图3.1所示的结构类型。混凝土楼板是连续的工字钢截面,并起支撑作用。它是在y方向上以同样的方式被墙壁或钢筋混凝土t形梁的肋板支撑。当钢构件和混凝土板之间以剪切方式连接时，他们在x方向上是一个复合梁。钢构件没有被描述为一个“梁”,因为它的主要功能在跨中上抵抗张力, t形梁的钢筋也是这个作用。抗压强度假设是一个板的有效宽度，解释在3.5.1部分。

在建筑中,而不是桥梁,这些混凝土板通常是合成的压形钢板(图2.8),这取决于钢梁的翼缘。其他的会出现在复合梁中的截面会在图2.1中展示。

用于建筑中梁和柱的剪切连接的极限强度设计方法分别描述在章节3.6和5.6.6中。

本章的主题是: 剪切连接在简单的梁的行为，目前的剪切连接的方法,标准测试剪切连接器,和在复合剪力连接板中的影响。

图2.1典型复合梁的横截面

2.2 矩形截面简支梁

在中世纪，组合板梁的强度取决于平行的木材间的剪切连接，在今天，它以胶合板的建筑形式出现。我们将研究的是由两个同等大小的梁组合而成的一个大梁(图2.2)。它单位长度L上的负载是w，而且其组件是由一个弹性材料杨氏模量e 。梁的重量是被忽视的。

图2.2剪切连接在弯曲和剪切应力的影响

2.2.1无剪切连接

首先认为，AB界面不能有剪切连接或摩擦。上横梁不能偏转超过低的一个，所以每个单位长度负载w / 2好像它是一个孤立的梁的截面惯性矩bh3/12，而且接口的垂直压力是w/2b。每个梁的跨中弯矩是wL2/16。通过基础的梁理论,给出应力分布在中跨的虚线图2.2(c),在每个组件的最大弯曲应力,sigma;,是由

(2.1)

最大剪应力tau;,出现在支撑的附近。两个抛物线分布由简单的弹性理论所示图2.2(d);在每一个成员的轴线,

(2.2)

最大挠度,delta;,是由通常的公式

(2.3)

每个梁的弯矩在离跨中距离X时是Mx = w(L2 minus; 4x 2)/16，以至于在顶梁底部的纵向应变εx是

(2.4)

有一个大小相等,方向相反的压力在下梁上表面，以至于在相邻表面产生差别，这就是所知的滑移应变,大小是2εx。

很容易通过实验显示两个或更多的光滑的木制板条或尺子，在负载下,最终出现的双组分梁图2.3所示的形状(a)。界面相对位移S，当X=0时是0，当X=plusmn;L/2时是最大值。x = 0的横截面是唯一一个在平面部分保持平面的截面。上面所定义的滑动应变是不一样的。与应力和偏移成比例的关系一样，滑移应力与沿着梁表面滑动的改变量成比例。因此从方程2.4,

(2.5)

积分得出

(2.6)

积分常数为零,因为s = 0 x = 0时,方程2.6给出滑移沿梁的分布。

2.7节中得出的(2.5)和(2.6)的梁的结果绘制在了图2.3。这表明在跨中滑移应力最大，滑移值最小；在梁的端部则相反，滑移最大，应力最小。从方程2.6,最大滑移(当x = L / 2)是wL3/4Ebh2. 这个滑动的大小是由相关的两个梁的最大挠度得知的。从方程2.3可知，滑差比是3.2h/L。梁的跨高比（L/2h）通常大约是20。这样末端滑移小于十分之一的偏转。这表明如果剪切连接是有效的，那么它必须是非常僵硬的。

图2.3挠度，滑移应变和滑移

2.2.2充分的相互作用

现在假定梁的两半,图2.2所示连接在一起的无限的剪切连接。把两个物体看作一个。滑移,滑移应变到处都是零,它可以假定平面部分保持平面。这种情况被称为完整的交互（充分的相互作用）。除了部分的剪切连接设计（3.5.3和 3.7.1部分），所有复合梁、柱的设计在实践中基于充分相互作用的假设。复合梁的宽度b和深度2h,I = 2 bh3/3,基本理论给出了跨中wL2/8弯矩。极端表面的弯曲应力是

（2.7）

垂直剪切部分X是

（2.8）

所以在中性轴的剪切应力

（2.9）

最大的剪应力是

（2.10）

图2.2中（c）和（d）展示出了复合梁和非复合梁在弯曲应力和剪切应力之间的区别。提供的剪切连接不改变最大剪切应力,但最大弯曲应力减半。

跨中挠度是

（2.11）

这是之前挠度方程（2.3）的四分之一。因此提供剪切连接会增加给定大小的梁的强度和刚度，这样可以在满足荷载要求的情况下减小梁的尺寸，而达到降低成本的目的。

在这个例子中——而不是总是这样——界面AOB同时是组合件的中性轴，以至于这个界面上纵向剪切应力的最大值等于垂直剪切应力的最大值，且是当X=plusmn;L/2时是3wL/8bh，从方程2.10可得知。

纵向剪切的剪切连接必须设计单位长度, vL,称为剪切流。在这个例子中可以由下式得出

（2.12）

总剪切流中找到一半跨度，通过（2.12）积分可以得到3wL2/(32h)。

通常，跨高比是20，所以整个跨度的剪切连接必须抵抗所有的剪切力

因此,这种剪切力是梁负重的8倍。一个有用的经验法则是,梁的剪力连接的抵抗值应该比梁负载大一个数量级;这表明剪切连接必须是很稳固的。

在弹性设计中,剪切连接物中的空隙应该根据剪切流来决定。因此，如果设计的剪力抵抗值是PRd，它们之间应留的间隔，p，给定pvL,x n PRd。根据方程2.12可知

（2.13）

这就是所谓的“三角形”的间隔,从图表的形状可以看出

图2.4连接器的三角形间距的剪切流

图2.5隆起力

2.3 隆起变形

在前面的例子中, 应力垂直于界面AOB (图2.2)，到处都是有压力的，而且等于w/2b，除了梁的两端。如果荷载w作用在较弱的一个上，压力会被拉伸。这样的荷载是不可能的,除了当移动式起重机悬挂在钢复合地板上面, 但是这还有其他情况,使应力可能在界面导致隆起。这种隆起由很多复杂的原因形成，例如复合梁的钢筋混凝土的边缘的扭转刚度，剪切连接物之间的三轴压力，在箱梁桥中钢箱的扭转刚度。

张力会出现在梁的不均匀部分或者均匀部分的边缘。两个物体没有剪切连接,如2.5图所示,提供了一个简单的例子。AB是由CD支撑，并且均布荷载。如果AB的抗弯刚度超过CD的十分之一,然后在A点和B点之间的整个AB的负载转移到CD,且梁重量均匀分布。如果AB连接到CD,会有上升力在跨中。

因此几乎所有在实践中用于连接的物体形状都很明显，以至于它们能够抵抗隆起变形和滑移。隆起变形的力量远远小于剪切力,通常不需要作为计算或估计的设计目的,只要在连接部分使用一些抗隆起即可。

2.4剪力连接的方法

2.4.1 连接

直到螺纹钢被广泛使用之前，大多数混凝土之间的连接都是用光滑的钢筋完成的。从由钢筋转移到混凝土的剪力被认定是发生在钢筋和混凝土连接或粘结的界面。钢筋组件被混凝土环绕包围，像嵌入在梁中如图2.1（c），或者像包裹的柱子如图5.14，这个类比说明了钢筋混凝土不需要提供特别的剪切部分。测试表明，在弹性范围内连接处的压力通常都很小，这对套管柱，填充管和包裹梁都适用。设计需要将粘结应力限制在一个较低的值，为混凝土收缩无法估量的影响和钢底面附着力差以及由于温度变化引起的应力留一定的盈余。

钢管混凝土梁的极限强度的研究表明,在高荷载下，由于开裂和局部粘结破坏的极限强度的研究，计算出的粘结应力意义不大。如果纵向剪切破坏发生时,它总是在一个表面上如AA在图2.1(c),而不是钢铁部分的四周。由于这些原因, 一般守则不允许极限强度设计方法用于没有在剪切部位进行特殊设计的复合梁。

大多数复合梁截面的类型都是图2.1 中(a)或(b)的类型。大量对梁的实验表明，在低载下，大部分的纵向剪切力通过连接转移到连接面，但是在高荷载下这个界面将会被破坏，一旦被破坏就是不可逆的。所以在设计计算中，连接强度被当作是0，并且在研究中这个连接通过在混凝土凝固之前光滑处理钢筋的方式被故意破坏掉。

2.4.2 剪力连接件

图2.6双头螺柱剪力连接件

使用最广泛的剪力连接件是双头螺栓（图2.6）。这些螺栓的直径范围从13 - 25毫米,长度,h,从65到150毫米,尽管有时用更长的螺钉。应该有一个至少450牛/平方毫米的极限抗拉强度和至少15%的伸长率。螺柱连接器的优点是焊接过程快速,他们对钢筋混凝土板的阻碍小, 它们在所有方向上都同样强大，而且在所有方向上都有很强的剪切力。

有两个因素影响螺栓的直径. 一个是焊接过程, 当螺栓的直径超过20毫米时它变得越来越困难和昂贵，另一个是与螺栓连接的板或者接管的厚度t（图2.6）。在美国的一项研究[23]发现螺栓完整的静强度的可以提高如果d / t的比值小于2.7，但是不能超过给出1994-1-1给出的限制值2.5。通过重复的加载测试得出了结果，当螺栓套管受到拉应力波动时，d / t的比值不应超过1.5。这个规范可以防止焊接螺钉在组合件中承受剪力。一个直径为25mm的螺栓能够抵抗的最大剪应力是非常低的，大概只有130KN。其他的高强度的连接件已经研发出来了，主要应用于桥梁。这是夹箍，三通箍，马蹄铁和通道。夹箍是这些连接件中强度最大的，它的极限剪切强度达到了1000 kN。设计规则BS 5400中给出了：在初步《欧洲规范 4》,ENV 1994-1-1中的第5部分,但在EN 1994 - 1 – 1中省略了,因为它们现在很少被使用。环氧胶粘剂已经试过了,但是还不清楚在板附着在钢构件低表面时隆起的力由哪里提供。

图2.7其他类型的剪力连接件

图2.8复合板

2.4.3 剪压型钢板连接

这种材料通常是永久的建筑框架作为建筑楼板出现在建筑中,一般被称为复合板材。典型截如图2.8,2.14,2.20和3.12所示。因为它是焊接剪力连接件的材料，所以可能不到1毫米的厚度不切实际，抗剪都是通过挤压或者卷曲的凹痕放入混凝土中提供的，或者是由有凹角的钢筋提供防止中间产生分离。

复合板对纵向剪切的抵抗力在2.8节，设计在3.3节中。

2.5 剪力连接件的特性

图2.9标准推动试验

图 2.10 一种复合板中典型的19毫米荷载-滑移曲线

剪切连接器中与设计最相关的属性是剪切力传播之间的关系,P,和滑动界面,s。这种荷载-滑移曲线在组合梁的测试中应该是很理想的，但在实践中，一个简单的试样是必要的。大部分连接器的数据已经从各种类型的“推送”或“推”测试获得。一小段钢工字法兰连接到两个小的混凝土板。EN 1994-1-1中的标准推动测试的细节如图2.9所示。砖层在压缩试验机的下压板或框架，负载作用于钢管截面的上端。在几点上测量了钢件和2块板之间的滑动，并且在每个连接器的负载上绘制平均滑移。从测试使用复合板[ 24 ]可以得到一个典型的负载-滑移曲线如图2.10所示。在实践中，测试人员通常要明确已知连接件的强度，因为它在对一个新类型的连接件进行充分的测试中很重要。如果要获得可靠的结果，测试必须非常详细，因为负载-滑移关系是由许多变量影响的，包括：

1. 测试样本中的连接器的数目，
2. 连接件周围的混凝土板的平均纵向应力，
3. 连接器附近的加固板的大小、布置及强度，
4. 连接件周围的混凝土厚度，
5. 每一个板的基础的自由移动横向，并因此强加 上拔力，
6. 钢和混凝土界面的粘结，
7. 混凝土板的强度
8. 连接件基础周围的混凝土的压实度

图2.9中所示的细节包括1至6项的相关要求。钢筋的数量和规模的钢筋都大于英国标准测试，因为这在1965后就几乎没有改变。欧洲规范测试给出的结果是不受影响的板裂，因此更好地对梁[ 17 ]连接器的行为预测。

测试必须做一系列的混凝土强度，因为混凝土的强度影响了破坏的方式，以及破坏的荷载。当它旁边的混个凝土

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