组合结构桥梁设计新理念
0
钢与混凝土的连接
组合结构桥梁设计新理念
1
钢与混凝土的连接 —主要内容
◇ 钢与混凝土连接
◆ 连接形式的分类与特点
◆ 连接件按照应用形式分类
◆ 连接件按照刚度分类
◆ 圆柱头焊钉连接件
◆ 开孔钢板连接件
◆ 组合连接件
组合结构桥梁设计新理念
2
钢与混凝土的连接 —连接形式 的分类及其特点
◆ 粘结型连接 --依靠水泥砂浆的自然粘结作用
◇ 连接形式
◆ 粘结型连接
◆ 胶结型连接
◆ 摩擦型连接
◆ 连接件使用型
组合结构桥梁设计新理念
3
钢与混凝土的连接 —连接形式 的分类及其特点
◆ 胶结型连接 —利用环氧树脂等有机材料
*环氧树脂相对于砂浆粘结力大。
*环氧树脂不浸透混凝土内部，抗分离能力弱。
胶结剂
粘结力
组合结构桥梁设计新理念
4
钢与混凝土的连接 —连接形式 的分类及其特点
◆ 摩擦型连接 —利用高强螺栓增大压力，从而提高摩擦力
*抗剪强度增大的同时，抗拉拔力也增强。
*伴随着高轴力，轴力会因徐变降低。
摩擦力 拉拔力
高强螺栓
组合结构桥梁设计新理念
5
钢与混凝土的连接 —连接形式 的分类及其特点
◆ 连接件使用型 —利用圆柱头焊钉等
◆ 剪力钉
◆ 剪力键
◆ 剪力连接件
◆ 栓钉
◆ 焊钉
通称为 连接件
组合结构桥梁设计新理念
6
钢与混凝土的连接 —连接件 按照应用形式分类
◆ 钢筋 连接件 —弯起钢筋、轮形钢筋、螺旋钢筋
◇ 连接件
◆ 钢筋连接件
◆ 型钢连接件
◆ 圆柱头焊钉连接件
◆ 开孔钢板连接件
◆ 钢与有机材料组合连接件
组合结构桥梁设计新理念
7
钢与混凝土的连接 —连接件 按照应用形式分类
◆ 型钢 连接件 —角钢,T形钢、槽钢、工字钢
*抗剪强度大
*抗分离能力稍差
*用贴角焊缝，焊接量大
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8
钢与混凝土的连接 —连接件 按照应用形式分类
◆ 焊钉 连接件 —圆柱头型、螺纹型、螺丝型
*力学性能不依存方向
*抗分离能力强
*使用专用焊接机，质量容易保证
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9
钢与混凝土的连接 —连接件 按照应用形式分类
◆ 开孔钢板 连接件 —受力方向焊接的开孔钢板
*抗剪刚度大，抗疲劳性能好
*圆孔中贯通钢筋，抗剪强度增大
*焊接容易
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10
钢与混凝土的连接 —连接件 按照应用形式分类
◆ 钢与有机材料组合 连接件 —焊钉根部或型钢腹板等处
设置泡沫塑料、环氧树脂等，
刚度容易调节。
泡沫塑料
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11
钢与混凝土的连接 —连接件按照 刚度 分类
◆ 刚性 连接件 —型钢连接件、开孔钢板连接件等
◇ 连接件
◆ 刚性连接件
◆ 弹性连接件
◆ 柔性连接件
◆ 刚度滞后连接件
支压力
组合结构桥梁设计新理念
12
钢与混凝土的连接 —连接件按照 刚度 分类
◆ 弹性连接件 —钢筋连接件、焊钉连接件
焊钉连接件,随着杆部弯曲变形，
产生一定相对滑移。
支压力
◆ 柔性 连接件 —钢与有机材料 组合连接件
◆ 刚度滞后型 连接件 —钢与有机材料 组合连接件
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钢与混凝土的连接 —圆柱头焊钉 连接件
◇ 焊钉 应用形式 —按头部朝向分为 正立、倒立、侧立、面立
◆ 随着焊钉所处位置的不同，根部的混凝土密实度不同，而焊钉根部附近
受到的支压应力在高度方向上最大,根部周围混凝土 的密实度极大地影响
着其力学性能。
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14
钢与混凝土的连接 —圆柱头焊钉 连接件
◇ 抗剪性能
试验方法, ◆ 片侧加载,是 H型钢片侧用焊钉连接混凝土块，这是美国在进
行疲劳剪切强度试验时较采用的形式之一，比较接近组合梁的力学状态，但是
作用在混凝土块上的荷载容易产生偏心，并不常用。
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15
钢与混凝土的连接 —圆柱头焊钉 连接件
◇ 抗剪性能
试验方法：
◆ 两侧加载,是 H型钢
两侧都用焊钉连接混凝
土块，两侧焊钉基本上
可以保持纯剪切状态，
是许多国家的相关规范
推荐使用的方法之一。
砂
浆
球支座
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16
钢与混凝土的连接 —圆柱头焊钉 连接件
◇ 抗剪性能试验 —需要测试的 连接件力学参数
◆ 最大剪切作用力：是指每根连接件抗剪承载力。
◆ 最大滑移量：是指最大剪切作用力所对应的滑移量。
◆ 剪切刚度：依据剪切作用力与滑移量关系曲线，把通过最大
剪切作用力 1/3大小处的割线倾斜度设为剪切刚度。
◆ 残余滑移量：是指当荷载卸载为零时的滑移量。
◆ 屈服剪切作用力：是指剪切作用力与滑移量的变化曲线开始
显著倾斜时所对应的剪切作用力。
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研究代表者 表 现 形式 计 算式
Slutter,R,G,公式
Menzies,J,B,图 表
Ollgaard,J,G,公式
Hawkins,N,M,公式
Roik,K.
公式
图 表
Hiragi,H,公式
钢与混凝土的连接 —圆柱头焊钉 连接件
◇ 焊钉连接件的力学性能 --抗剪承载力的计算
)2.4/(
)2.4/(
2
2
1
??
??
sscssu
sscsu
dhfhdkQ
dhfdkQ
cu fQ ~
ccsu EfAkQ 3?
sycsu dffAkQ /4?
ysu fdkQ 25?
csu fdQ ~/ 2
76 )/( kfdhAkQ csssu ??
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钢与混凝土的连接 —圆柱头焊钉 连接件
◇ 焊钉连接件的力学性能 --抗剪承载力的影响因素
◆ 焊钉的杆部直径 ds
◆ 包括头部的高度 hs
◆ 焊钉屈服强度 fy
◆ 混凝土的抗压强度 fc
◆ 弹性模量 Ec
◆ 焊钉杆部的截面积 As
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钢与混凝土的连接 —圆柱头焊钉 连接件
◇ 焊钉连接件的力学性能 --抗剪承载力回归计算式
◆ 主要影响因素，有焊钉杆部直径 ds、高度 hs及其混凝土抗压强度 fc
◆ 通过回归分析 179个试件的试验数据，得出的抗剪承载力计算式：
10000)/(30 ?? csssu fdhAQ
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钢与混凝土的连接 —圆柱头焊钉 连接件
◇ 焊钉连接件的力学性能 --拉拔破坏模式
◆ 焊钉拉断：当埋设较深、混凝土强度较高时 焊钉拉断 。
◆ 焊钉拔出：当埋设较浅、头部直径小时焊钉 从混凝土中拔出 。
◆ 混凝土圆锥形破坏：当埋设较浅、头部直径大时,形成圆锥形破坏面 。
◆ 混凝土压裂破坏, 当埋设较深、并位于构件边缘时,混凝土被挤压破坏 。
◆ 混凝土割裂破坏：当混凝土构件较薄时,混凝土发生割裂破坏 。
(b)焊钉拔出(a) 焊钉拉断
(c)混凝土圆锥形破坏 (d)混凝土割裂(d)混凝土压裂
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钢与混凝土的连接 —圆柱头焊钉 连接件
◇ 焊钉连接件的力学性能 --抗拉拔承载力的计算
表 2.2.2 抗拉拔承载力的既往研究
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cssu fHDkN 0?
3/220 csu fHkN ?
csu fhkN 20?
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csssu fHHDkN )(0 ??
csssu fHHDkN )(20 ?? ?
csssu fHHDkN )(0 ??
研究代表者 计 算式 系数 k0值
Leigh-University 1.207
Sattler,K,0.953
Utescher,G,0.964
CEB-ECCS 1.283
PCI Dsign Data Book 1.207
Bode,H,11.3
McMackin,P,J,0.272
Otani,Y,11.3
Hiragi,H,0.2273/20 )( csssu fHHDkN ?? ?
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钢与混凝土的连接 —圆柱头焊钉 连接件
◇ 焊钉连接件的力学性能 –拉拔力与剪力共同作用的试验结果
◆ 焊钉直径 19mm、全长 80mm。
◆ 每根焊钉所施加的拉应力为 0.965MPa。
◆ 当有拉力时，剪切刚度与残余滑移量减少，抗剪承载力降低 。
(b) 有拉应力(a) 无拉应力
剪力 (kN)
滑移量 (mm) 滑移量 (mm)
剪力 (kN)
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钢与混凝土的连接 —圆柱头焊钉 连接件
◇ 焊钉连接件的力学性能 –焊钉群 的使用背景
◆ 把几个焊钉以较小的间距集中设置即形成
群体，再以较大的间距把焊钉群设置
在翼缘长度方向上，施加预应力后，
再用无收缩砂浆填充预留孔。
◆ 在桥面板纵橫向上能够有效地施加预应力
◆ 钢梁不会因预应力的施加而产生附加应力
◆ 可应用于现场浇灌或预制的桥面板
◆ 减轻干燥收缩对混凝土桥面板的影响
◆ 可以用于组合桁架梁的节点附近
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钢与混凝土的连接 —开孔钢板连接件
◇ 开孔钢板连接件的 力学性能 --作用机理
◆ 作用机理主要有三个方面：
一、依据孔中混凝土的抗剪作用承担沿钢板的 纵向剪力 ；
二、依据孔中混凝土的抗剪作用承担钢与混凝土间的 掀起力 ；
三、与型钢连接件相同、依据钢板受压承担面外的 横向剪力 。
面内方向滑移
面内方向掀起面外方向滑移
开孔钢板连接件
钢板
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钢与混凝土的连接 —开孔钢板连接件
◇ 开孔钢板连接件的力学性能 –破坏模式
◆ 两孔之间的钢板发生剪切破坏；
◆ 圆孔中的混凝土发生割裂破坏；
◆ 圆孔中的混凝土发生剪切破坏；
◆ 圆孔中的混凝土发生压缩破坏。
圆孔中混凝土的破坏模式
(c) 压缩破坏(a) 割裂破坏 (b)剪切破坏
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钢与混凝土的连接 —开孔钢板连接件
◇ 开孔钢板连接件的力学性能 –抗剪强度影响因素
◆ 开孔钢板的厚度
◆ 开孔钢板的孔径
◆ 开孔钢板的圆孔间距
◆ 多块 开孔钢板的间距
◆ 混凝土强度
◆ 贯通钢筋的有无
◆ 贯通钢筋的直径
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钢与混凝土的连接 —开孔钢板连接件
◇ 开孔钢板连接件的力学性能 --抗剪强度的计算
◆ 开孔钢板连接件属于刚性连接，一般在设计时需要先验算板厚及其孔距，
保证在孔中混凝土发生剪切破坏前，圆孔间钢板不会发生剪切破坏
◆ 最早基于试验结果，贯通钢筋的影响不直接反映在抗剪强度计算中，提
出的抗剪强度与孔径、混凝土强度有关的计算式为：
cu fdQ 279.1?
◆ 认为贯通钢筋的影响较大，应该加以直接考虑，并通过试验数据的回归
分析，提出的计算式为：
1.26])[(45.1 222 ???? yscsu fdfddQ
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钢与混凝土的连接 —开孔钢板连接件
◇ 开孔钢板连接件的力学性能 --技术特点
◆ 仅仅是普通的钢板上设置园孔,不需要特别进行加工 ；
◆ 沿钢板两面用角焊缝焊接,不需要专用的焊接设备 ；
◆ 圆孔中可以贯通主钢筋,改善了钢筋布置的施工性 ；
◆ 开孔钢板沿着翼缘纵向布置,可以起到加劲板的作用 ；
◆ 抗剪刚度、强度较大,当设置贯通钢筋后进一步增大 ；
◆ 破坏是孔中混凝土剪切破坏,不受疲劳的影响 。
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钢与混凝土的连接 —开孔钢板连接件
◇ 开孔钢板连接件 –应用实例
◆ 日本高速铁路上的高架桥
◆ 钢管混凝土主梁与混凝土顶板的组合梁
◆ 跨径,34.95m+36.0m+34m
◆ 钢管内填充轻质混凝土
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钢与混凝土的连接 —钢与有机材料组合连接件
◇ 柔性连接件 —使用底硬度环氧树脂、或泡沫塑料包裹根部
◆ 使用背景：
在非组合梁或非组合段设置的连接件仅仅起到固定桥面板的
作用，设计时并不加以考虑，但是，剪力的作用是不可避免的，
连接件时常发生疲劳断裂等现象。这种情况下就要求使用刚度较
小、而且又可以起到固定作用的连接件。
◆ 力学特点：
达到降低剪切刚度的目的，同时焊钉的头部或型钢的翼缘所
承担的抗拉拔作用又可以保持 。
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钢与混凝土的连接 —钢与有机材料组合连接件
◇ 柔性连接件 —剪力与相对滑移曲线的试验结果
◆ 焊钉为直径 19mm、高度 120mm，其中一根在高度 30mm范围内沿圆周方向涂
抹厚度 9mm的树脂。
◆ 柔性焊钉初期刚度小，剪力维持在强度的 1/3左右持续滑移变形，然后上升。
◆ 对应于最大剪切作用力时的滑移量增加了大约 3倍，抗剪强度略有提高。
◆ 设置与否，最终焊钉都是杆部剪断，所以抗剪强度的增加极其有限。
◆ 焊钉根部不予混凝土直接接触，靠杆部弯曲性能承担剪力，抗疲劳性能较好。
(b)柔性焊钉(a) 普通焊钉
剪力 (kN)
剪
力
(kN)
滑移量 (mm) 滑移量 (mm)
剪力 (kN)
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钢与混凝土的连接 —钢与有机材料组合连接件
◇ 刚度滞后连接件 —使用高硬度环氧树脂、并配合硅砂
◆ 构造特点：
1.使用树脂砂浆为高硬度；
2.包裹高度大约需要焊钉杆部高度的
2/3；
3.厚度要依据对焊钉自由滑移量的要
求来决定；
4.要求涂抹在钢板表面上的粘度要低；
5.包裹在焊钉杆部的粘度要高。
圆柱头焊钉
包裹树脂
涂抹树脂
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钢与混凝土的连接 —钢与有机材料组合连接件
◇ 刚度滞后连接件 —树脂试件的压缩试验结果
◆ 硬化后树脂砂浆的压缩强度远远高于混凝土的强度，与硅砂的配合无关。
◆ 包裹焊钉杆部、粘度高的树脂砂浆的弹性模量，
当硅砂配合比为 0.8时大约是混凝土的 1/2。
◆ 涂抹钢板表面、粘度低的树脂砂浆的弹性模量，
当硅砂配合比为 0.3时大约是混凝土的 1/5。
◆ 所有的树脂砂浆的泊松比与硅砂的配合无关，大约为 0.35。
粘度
高低
硅砂
配合比
压缩强 度
(MPa)
弹 性模量
(GPa)
泊松比
ν
高粘度
0.0 103 6.8 0.37
0.7 121 13.0 0.29
0.8 134 15.3 0.32
低粘度 0.0 130 4.1 0.380.3 131 6.5 0.35
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钢与混凝土的连接 —钢与有机材料组合连接件
◇ 刚度滞后连接件 —剪力与相对滑移曲线的试验结果
◆ 不管是否配合硅砂、硬化前还是硬化后，抗剪承载力最终都与无树脂包裹
的焊钉非常接近。
◆ 硬化前，连接件的作用力在滑移量，一直到 8mm左右都保持着抗剪承载力
的约 1/5，然后开始上升，这个滑移量与树脂砂浆包裹厚度相对应。
◆ 与无树脂包裹焊钉相比较，硬化后，硅砂配合比为 0.8的包裹焊钉的剪切刚
度几乎相同，抗剪承载力稍大；而不添加硅砂时剪切刚度降低许多。
滑移量 (mm)
剪力 (kN)
滑移量 (mm) 滑移量 (mm)
(a) 无包裹焊钉 (b) 含硅砂焊钉 (c) 无硅砂焊钉
剪力 (kN) 剪力 (kN)
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钢与混凝土的连接 —钢与有机材料组合连接件
◇ 刚度滞后连接件 —应用背景
◆ 用于组合梁
使用普通焊钉连接件时,部分预应力被钢梁分担 ；使用
刚度滞后型连接件时，预应力就能够 有效地施加给混凝土 。
(a) 无包裹焊钉
(b)有包裹焊钉
组合梁上施加预应力时
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钢与混凝土的连接 —钢与有机材料组合连接件
◇ 刚度滞后连接件 —应用背景
(a) 无包裹焊钉 (b)有包裹焊钉
连续组合梁的负弯矩区
◆ 降低收缩变形的影响
在负弯矩区用普通焊钉连接件时，混凝土桥面板硬化后，钢与混凝
土就完全组合，这时由于混凝土桥面板的 收缩变形受到钢梁的约束 而时
常出现裂缝。
使用刚度滞后型连接件时，可以确保一直到桥梁开始使用为止,混
凝土桥面板不受钢梁的约束,具有较长的自由收缩时间。
0
钢与混凝土的连接
组合结构桥梁设计新理念
1
钢与混凝土的连接 —主要内容
◇ 钢与混凝土连接
◆ 连接形式的分类与特点
◆ 连接件按照应用形式分类
◆ 连接件按照刚度分类
◆ 圆柱头焊钉连接件
◆ 开孔钢板连接件
◆ 组合连接件
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钢与混凝土的连接 —连接形式 的分类及其特点
◆ 粘结型连接 --依靠水泥砂浆的自然粘结作用
◇ 连接形式
◆ 粘结型连接
◆ 胶结型连接
◆ 摩擦型连接
◆ 连接件使用型
组合结构桥梁设计新理念
3
钢与混凝土的连接 —连接形式 的分类及其特点
◆ 胶结型连接 —利用环氧树脂等有机材料
*环氧树脂相对于砂浆粘结力大。
*环氧树脂不浸透混凝土内部，抗分离能力弱。
胶结剂
粘结力
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钢与混凝土的连接 —连接形式 的分类及其特点
◆ 摩擦型连接 —利用高强螺栓增大压力，从而提高摩擦力
*抗剪强度增大的同时，抗拉拔力也增强。
*伴随着高轴力，轴力会因徐变降低。
摩擦力 拉拔力
高强螺栓
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钢与混凝土的连接 —连接形式 的分类及其特点
◆ 连接件使用型 —利用圆柱头焊钉等
◆ 剪力钉
◆ 剪力键
◆ 剪力连接件
◆ 栓钉
◆ 焊钉
通称为 连接件
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钢与混凝土的连接 —连接件 按照应用形式分类
◆ 钢筋 连接件 —弯起钢筋、轮形钢筋、螺旋钢筋
◇ 连接件
◆ 钢筋连接件
◆ 型钢连接件
◆ 圆柱头焊钉连接件
◆ 开孔钢板连接件
◆ 钢与有机材料组合连接件
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钢与混凝土的连接 —连接件 按照应用形式分类
◆ 型钢 连接件 —角钢,T形钢、槽钢、工字钢
*抗剪强度大
*抗分离能力稍差
*用贴角焊缝，焊接量大
组合结构桥梁设计新理念
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钢与混凝土的连接 —连接件 按照应用形式分类
◆ 焊钉 连接件 —圆柱头型、螺纹型、螺丝型
*力学性能不依存方向
*抗分离能力强
*使用专用焊接机，质量容易保证
组合结构桥梁设计新理念
9
钢与混凝土的连接 —连接件 按照应用形式分类
◆ 开孔钢板 连接件 —受力方向焊接的开孔钢板
*抗剪刚度大，抗疲劳性能好
*圆孔中贯通钢筋，抗剪强度增大
*焊接容易
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钢与混凝土的连接 —连接件 按照应用形式分类
◆ 钢与有机材料组合 连接件 —焊钉根部或型钢腹板等处
设置泡沫塑料、环氧树脂等，
刚度容易调节。
泡沫塑料
组合结构桥梁设计新理念
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钢与混凝土的连接 —连接件按照 刚度 分类
◆ 刚性 连接件 —型钢连接件、开孔钢板连接件等
◇ 连接件
◆ 刚性连接件
◆ 弹性连接件
◆ 柔性连接件
◆ 刚度滞后连接件
支压力
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钢与混凝土的连接 —连接件按照 刚度 分类
◆ 弹性连接件 —钢筋连接件、焊钉连接件
焊钉连接件,随着杆部弯曲变形，
产生一定相对滑移。
支压力
◆ 柔性 连接件 —钢与有机材料 组合连接件
◆ 刚度滞后型 连接件 —钢与有机材料 组合连接件
组合结构桥梁设计新理念
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钢与混凝土的连接 —圆柱头焊钉 连接件
◇ 焊钉 应用形式 —按头部朝向分为 正立、倒立、侧立、面立
◆ 随着焊钉所处位置的不同，根部的混凝土密实度不同，而焊钉根部附近
受到的支压应力在高度方向上最大,根部周围混凝土 的密实度极大地影响
着其力学性能。
组合结构桥梁设计新理念
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钢与混凝土的连接 —圆柱头焊钉 连接件
◇ 抗剪性能
试验方法, ◆ 片侧加载,是 H型钢片侧用焊钉连接混凝土块，这是美国在进
行疲劳剪切强度试验时较采用的形式之一，比较接近组合梁的力学状态，但是
作用在混凝土块上的荷载容易产生偏心，并不常用。
组合结构桥梁设计新理念
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钢与混凝土的连接 —圆柱头焊钉 连接件
◇ 抗剪性能
试验方法：
◆ 两侧加载,是 H型钢
两侧都用焊钉连接混凝
土块，两侧焊钉基本上
可以保持纯剪切状态，
是许多国家的相关规范
推荐使用的方法之一。
砂
浆
球支座
组合结构桥梁设计新理念
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钢与混凝土的连接 —圆柱头焊钉 连接件
◇ 抗剪性能试验 —需要测试的 连接件力学参数
◆ 最大剪切作用力：是指每根连接件抗剪承载力。
◆ 最大滑移量：是指最大剪切作用力所对应的滑移量。
◆ 剪切刚度：依据剪切作用力与滑移量关系曲线，把通过最大
剪切作用力 1/3大小处的割线倾斜度设为剪切刚度。
◆ 残余滑移量：是指当荷载卸载为零时的滑移量。
◆ 屈服剪切作用力：是指剪切作用力与滑移量的变化曲线开始
显著倾斜时所对应的剪切作用力。
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研究代表者 表 现 形式 计 算式
Slutter,R,G,公式
Menzies,J,B,图 表
Ollgaard,J,G,公式
Hawkins,N,M,公式
Roik,K.
公式
图 表
Hiragi,H,公式
钢与混凝土的连接 —圆柱头焊钉 连接件
◇ 焊钉连接件的力学性能 --抗剪承载力的计算
)2.4/(
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2
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ccsu EfAkQ 3?
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ysu fdkQ 25?
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钢与混凝土的连接 —圆柱头焊钉 连接件
◇ 焊钉连接件的力学性能 --抗剪承载力的影响因素
◆ 焊钉的杆部直径 ds
◆ 包括头部的高度 hs
◆ 焊钉屈服强度 fy
◆ 混凝土的抗压强度 fc
◆ 弹性模量 Ec
◆ 焊钉杆部的截面积 As
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钢与混凝土的连接 —圆柱头焊钉 连接件
◇ 焊钉连接件的力学性能 --抗剪承载力回归计算式
◆ 主要影响因素，有焊钉杆部直径 ds、高度 hs及其混凝土抗压强度 fc
◆ 通过回归分析 179个试件的试验数据，得出的抗剪承载力计算式：
10000)/(30 ?? csssu fdhAQ
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钢与混凝土的连接 —圆柱头焊钉 连接件
◇ 焊钉连接件的力学性能 --拉拔破坏模式
◆ 焊钉拉断：当埋设较深、混凝土强度较高时 焊钉拉断 。
◆ 焊钉拔出：当埋设较浅、头部直径小时焊钉 从混凝土中拔出 。
◆ 混凝土圆锥形破坏：当埋设较浅、头部直径大时,形成圆锥形破坏面 。
◆ 混凝土压裂破坏, 当埋设较深、并位于构件边缘时,混凝土被挤压破坏 。
◆ 混凝土割裂破坏：当混凝土构件较薄时,混凝土发生割裂破坏 。
(b)焊钉拔出(a) 焊钉拉断
(c)混凝土圆锥形破坏 (d)混凝土割裂(d)混凝土压裂
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钢与混凝土的连接 —圆柱头焊钉 连接件
◇ 焊钉连接件的力学性能 --抗拉拔承载力的计算
表 2.2.2 抗拉拔承载力的既往研究
csssu fHHDkN )(0 ??
cssu fHDkN 0?
3/220 csu fHkN ?
csu fhkN 20?
csssu fHHDkN )(0 ??
csssu fHHDkN )(0 ??
csssu fHHDkN )(20 ?? ?
csssu fHHDkN )(0 ??
研究代表者 计 算式 系数 k0值
Leigh-University 1.207
Sattler,K,0.953
Utescher,G,0.964
CEB-ECCS 1.283
PCI Dsign Data Book 1.207
Bode,H,11.3
McMackin,P,J,0.272
Otani,Y,11.3
Hiragi,H,0.2273/20 )( csssu fHHDkN ?? ?
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钢与混凝土的连接 —圆柱头焊钉 连接件
◇ 焊钉连接件的力学性能 –拉拔力与剪力共同作用的试验结果
◆ 焊钉直径 19mm、全长 80mm。
◆ 每根焊钉所施加的拉应力为 0.965MPa。
◆ 当有拉力时，剪切刚度与残余滑移量减少，抗剪承载力降低 。
(b) 有拉应力(a) 无拉应力
剪力 (kN)
滑移量 (mm) 滑移量 (mm)
剪力 (kN)
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钢与混凝土的连接 —圆柱头焊钉 连接件
◇ 焊钉连接件的力学性能 –焊钉群 的使用背景
◆ 把几个焊钉以较小的间距集中设置即形成
群体，再以较大的间距把焊钉群设置
在翼缘长度方向上，施加预应力后，
再用无收缩砂浆填充预留孔。
◆ 在桥面板纵橫向上能够有效地施加预应力
◆ 钢梁不会因预应力的施加而产生附加应力
◆ 可应用于现场浇灌或预制的桥面板
◆ 减轻干燥收缩对混凝土桥面板的影响
◆ 可以用于组合桁架梁的节点附近
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钢与混凝土的连接 —开孔钢板连接件
◇ 开孔钢板连接件的 力学性能 --作用机理
◆ 作用机理主要有三个方面：
一、依据孔中混凝土的抗剪作用承担沿钢板的 纵向剪力 ；
二、依据孔中混凝土的抗剪作用承担钢与混凝土间的 掀起力 ；
三、与型钢连接件相同、依据钢板受压承担面外的 横向剪力 。
面内方向滑移
面内方向掀起面外方向滑移
开孔钢板连接件
钢板
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钢与混凝土的连接 —开孔钢板连接件
◇ 开孔钢板连接件的力学性能 –破坏模式
◆ 两孔之间的钢板发生剪切破坏；
◆ 圆孔中的混凝土发生割裂破坏；
◆ 圆孔中的混凝土发生剪切破坏；
◆ 圆孔中的混凝土发生压缩破坏。
圆孔中混凝土的破坏模式
(c) 压缩破坏(a) 割裂破坏 (b)剪切破坏
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钢与混凝土的连接 —开孔钢板连接件
◇ 开孔钢板连接件的力学性能 –抗剪强度影响因素
◆ 开孔钢板的厚度
◆ 开孔钢板的孔径
◆ 开孔钢板的圆孔间距
◆ 多块 开孔钢板的间距
◆ 混凝土强度
◆ 贯通钢筋的有无
◆ 贯通钢筋的直径
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钢与混凝土的连接 —开孔钢板连接件
◇ 开孔钢板连接件的力学性能 --抗剪强度的计算
◆ 开孔钢板连接件属于刚性连接，一般在设计时需要先验算板厚及其孔距，
保证在孔中混凝土发生剪切破坏前，圆孔间钢板不会发生剪切破坏
◆ 最早基于试验结果，贯通钢筋的影响不直接反映在抗剪强度计算中，提
出的抗剪强度与孔径、混凝土强度有关的计算式为：
cu fdQ 279.1?
◆ 认为贯通钢筋的影响较大，应该加以直接考虑，并通过试验数据的回归
分析，提出的计算式为：
1.26])[(45.1 222 ???? yscsu fdfddQ
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钢与混凝土的连接 —开孔钢板连接件
◇ 开孔钢板连接件的力学性能 --技术特点
◆ 仅仅是普通的钢板上设置园孔,不需要特别进行加工 ；
◆ 沿钢板两面用角焊缝焊接,不需要专用的焊接设备 ；
◆ 圆孔中可以贯通主钢筋,改善了钢筋布置的施工性 ；
◆ 开孔钢板沿着翼缘纵向布置,可以起到加劲板的作用 ；
◆ 抗剪刚度、强度较大,当设置贯通钢筋后进一步增大 ；
◆ 破坏是孔中混凝土剪切破坏,不受疲劳的影响 。
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钢与混凝土的连接 —开孔钢板连接件
◇ 开孔钢板连接件 –应用实例
◆ 日本高速铁路上的高架桥
◆ 钢管混凝土主梁与混凝土顶板的组合梁
◆ 跨径,34.95m+36.0m+34m
◆ 钢管内填充轻质混凝土
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钢与混凝土的连接 —钢与有机材料组合连接件
◇ 柔性连接件 —使用底硬度环氧树脂、或泡沫塑料包裹根部
◆ 使用背景：
在非组合梁或非组合段设置的连接件仅仅起到固定桥面板的
作用，设计时并不加以考虑，但是，剪力的作用是不可避免的，
连接件时常发生疲劳断裂等现象。这种情况下就要求使用刚度较
小、而且又可以起到固定作用的连接件。
◆ 力学特点：
达到降低剪切刚度的目的，同时焊钉的头部或型钢的翼缘所
承担的抗拉拔作用又可以保持 。
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钢与混凝土的连接 —钢与有机材料组合连接件
◇ 柔性连接件 —剪力与相对滑移曲线的试验结果
◆ 焊钉为直径 19mm、高度 120mm，其中一根在高度 30mm范围内沿圆周方向涂
抹厚度 9mm的树脂。
◆ 柔性焊钉初期刚度小，剪力维持在强度的 1/3左右持续滑移变形，然后上升。
◆ 对应于最大剪切作用力时的滑移量增加了大约 3倍，抗剪强度略有提高。
◆ 设置与否，最终焊钉都是杆部剪断，所以抗剪强度的增加极其有限。
◆ 焊钉根部不予混凝土直接接触，靠杆部弯曲性能承担剪力，抗疲劳性能较好。
(b)柔性焊钉(a) 普通焊钉
剪力 (kN)
剪
力
(kN)
滑移量 (mm) 滑移量 (mm)
剪力 (kN)
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钢与混凝土的连接 —钢与有机材料组合连接件
◇ 刚度滞后连接件 —使用高硬度环氧树脂、并配合硅砂
◆ 构造特点：
1.使用树脂砂浆为高硬度；
2.包裹高度大约需要焊钉杆部高度的
2/3；
3.厚度要依据对焊钉自由滑移量的要
求来决定；
4.要求涂抹在钢板表面上的粘度要低；
5.包裹在焊钉杆部的粘度要高。
圆柱头焊钉
包裹树脂
涂抹树脂
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钢与混凝土的连接 —钢与有机材料组合连接件
◇ 刚度滞后连接件 —树脂试件的压缩试验结果
◆ 硬化后树脂砂浆的压缩强度远远高于混凝土的强度，与硅砂的配合无关。
◆ 包裹焊钉杆部、粘度高的树脂砂浆的弹性模量，
当硅砂配合比为 0.8时大约是混凝土的 1/2。
◆ 涂抹钢板表面、粘度低的树脂砂浆的弹性模量，
当硅砂配合比为 0.3时大约是混凝土的 1/5。
◆ 所有的树脂砂浆的泊松比与硅砂的配合无关，大约为 0.35。
粘度
高低
硅砂
配合比
压缩强 度
(MPa)
弹 性模量
(GPa)
泊松比
ν
高粘度
0.0 103 6.8 0.37
0.7 121 13.0 0.29
0.8 134 15.3 0.32
低粘度 0.0 130 4.1 0.380.3 131 6.5 0.35
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钢与混凝土的连接 —钢与有机材料组合连接件
◇ 刚度滞后连接件 —剪力与相对滑移曲线的试验结果
◆ 不管是否配合硅砂、硬化前还是硬化后，抗剪承载力最终都与无树脂包裹
的焊钉非常接近。
◆ 硬化前，连接件的作用力在滑移量，一直到 8mm左右都保持着抗剪承载力
的约 1/5，然后开始上升，这个滑移量与树脂砂浆包裹厚度相对应。
◆ 与无树脂包裹焊钉相比较，硬化后，硅砂配合比为 0.8的包裹焊钉的剪切刚
度几乎相同，抗剪承载力稍大；而不添加硅砂时剪切刚度降低许多。
滑移量 (mm)
剪力 (kN)
滑移量 (mm) 滑移量 (mm)
(a) 无包裹焊钉 (b) 含硅砂焊钉 (c) 无硅砂焊钉
剪力 (kN) 剪力 (kN)
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钢与混凝土的连接 —钢与有机材料组合连接件
◇ 刚度滞后连接件 —应用背景
◆ 用于组合梁
使用普通焊钉连接件时,部分预应力被钢梁分担 ；使用
刚度滞后型连接件时，预应力就能够 有效地施加给混凝土 。
(a) 无包裹焊钉
(b)有包裹焊钉
组合梁上施加预应力时
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钢与混凝土的连接 —钢与有机材料组合连接件
◇ 刚度滞后连接件 —应用背景
(a) 无包裹焊钉 (b)有包裹焊钉
连续组合梁的负弯矩区
◆ 降低收缩变形的影响
在负弯矩区用普通焊钉连接件时，混凝土桥面板硬化后，钢与混凝
土就完全组合，这时由于混凝土桥面板的 收缩变形受到钢梁的约束 而时
常出现裂缝。
使用刚度滞后型连接件时，可以确保一直到桥梁开始使用为止,混
凝土桥面板不受钢梁的约束,具有较长的自由收缩时间。
