采用组合榫作为组合梁抗剪连接件——静态荷载设计概念的背景（下）

5. 基于技术准则的设计理念根据 EN 1992 、 EN 1993 和 EN 1994 ，技术准则 Z-26.4-56 “组合榫” [1]

5. 基于技术准则的设计理念

根据 EN 1992 、 EN 1993 和 EN 1994 ，技术准则 Z-26.4-56 “组合榫” ^[1] 中对使用组合榫的组合梁的设计基于先前提出的设计方程，其中一些常数被简化。因此，技术准则仅适用于其他公认的欧洲标准未涵盖的设计部分。组合榫可用于施加静载荷和疲劳载荷的下挠区域和负弯矩区域。然而，在疲劳荷载作用下，不适用于具有垂直于组合榫的中心张力的结构构件，因为剪切连接可能会出现不可接受的退化。除了高承载能力外，组合榫最大的创新是在无上翼缘的组合截面中使用。

组合榫的几何形状限于回旋线和拼图形状，榫距离 ex 为 150 至 500mm 。下限确保了在混凝土剪切破坏模式下有足够的剪切区域用于延性行为。板厚度 tw 在 6 和 60mm 之间的范围内，厚度与高度之比 tw/hD 在 0.08 和 0.5 之间。尽管如此，由于缺乏大于 40 mm 钢厚度的试验数据，在设计公式中，只能考虑 40 mm 以下的厚度。两块钢板之间的最小垂直距离为 120mm ，以确保有足够的空间放置钢筋。根据参考文献 [38] ， S235 、 S355 和 S460 级结构钢可用于组合榫。

混凝土表面与组合榫边缘之间的最小距离 co （见图 1 ）以及到组合榫底座的距离 cu （图 1 ）应为 20mm 。从开口到混凝土边缘的纵向距离应大于混凝土撬出锥高度 hpo （见图 11 ）的 2.5 倍，垂直方向大于 5 倍 hpo 。这个距离保证了混凝土撬锥的充分发展。然而，垂直方向上的最小距离可以忽略不计。组合段范围内的混凝土容许强度范围为 C20/25 至 C60/75 。

下表总结了设计概念的应用限制：

材料	C20/25-C60/75
材料	S235-S460
榫间距	150mm ≤ e x ≤ 500mm
钢腹板厚度	6mm ≤ t w ≤ 40mm
厚度与高度之比	0.08 ≤ t w/ h D ≤ 0.5
纵向边缘距离	2.5 h po
垂向边缘距离	5.0 h po
两块钢板之间的垂直距离	≥ 120mm
混凝土保护层	C 0 ≥ 20mm
混凝土保护层	C u ≥ 20mm

5.1. 纵向静态剪切抗力

组合榫的特征纵向静态剪切抗力 P _Rk （公式 9 ）由钢筋破坏 P _pl _{， k} （公式 10 ）、混凝土剪切 P _sh _{， k} （方程 11 ）和混凝土撬出 P _po _{， k} （等式 12 ）的最小值产生。为了确定极限状态的设计值，考虑了分项系数γ _v =1.25 。对于位于受拉区的组合榫，在正常使用极限状态下，裂纹宽度限制为 0.3mm 。

式中

根据参考文献 [2] ，组合榫是一种延性剪切连接件。为了实现延性性能，在板式截面中，应使用直径 8 mm 的箍筋，最大间距应小于 4.5 倍 hpo 或 300 mm ，以确保任何混凝土锥体中至少有两根钢筋（见图 13 ）。混凝土板中纵向剪力的验证可以根据参考文献 [2] 进行，其中下部横向钢筋必须位于榫的混凝土部分中。

图 13 带钢筋混凝土板和组合榫的组合梁中钢筋布置的细节

5.2. 梁截面的附加验证

在使用组合榫作为外部加强的混凝土 T 梁截面中，可能会发生混凝土水平劈裂方面的破坏。在混凝土腹板较薄的情况下，劈裂拉力超过混凝土拉应力，这会导致组合榫水平方向出现水平裂缝。这种破坏模式被认为是非延性的，需要通过足够数量的约束箍筋来防止。所需的钢筋 A _s, _conf 可以使用预测预应力孔径角度的模型来确定，在这种情况下，预应力孔的展开角为 33 °。

重要的是要确保约束箍筋包围混凝土柱，其间距应小于 e _x 及 300mm 。此外，箍筋布置深入榫底座下方的距离至少为 0.15 倍 e _x 。为了获得延性性能，每个开口至少需要两个直径为 10 mm 的箍筋（见图 14 ）。此外，混凝土腹板中的剪力应根据文献 [39] 进行计算。有效高度 dv 从榫高度的一半开始。

图 14 带钢筋混凝土腹板和组合榫的组合梁中钢筋布置的细节

5.3. 剪切连接的检验

纵向剪切连接的检验应符合文献 [2] 的规定。所需抗剪连接件的数量等于钢板中的开口数量。确定所需的横向钢筋数量是基于 45 °支撑连接模型：

如果满足文献 [2] 中规定的最小抗剪连接度，则承担上拱和下挠力矩的抗剪连接件间距允许相等。与文献 [2] 相反，如果满足以下要求，则无上翼缘型钢也允许相等的间距：

剪切连接度η≥ 0.5 ；

跨径 L ≤ 18m

组合截面的塑性弯矩承载力等于或小于型钢塑性弯矩承载力的 10 倍；

榫承载力的缩减不得大于设计纵向剪切力的 N25%

5.4. 制造和施工

组合榫应通过气割制造，或者是切割工艺，其强度和疲劳性能方面与气割相似。标称几何值如图 15 所示。公差为 +2/-4 mm 是可以接受的（“ + ”是钢材的放大）。在考虑执行等级的情况下，切割质量应符合文献 [40 ， 41] 。切割质量的检查和记录非常重要，因为在混凝土浇筑后不可能直接检查剪切连接件。为了防止组合榫附近的混凝土出现气孔，混凝土骨料最大粒径限制在 16 毫米以内，新浇混凝土的稠度应在柔软到可流动的范围内。

图 15 拼图形（顶部）和回旋形（底部）组合榫的几何形状

6. 进一步的调查研究

先前推导的力学模型和设计概念形成了坚实的基础。在此基础上，近年来， RWTH Aachen 对组合榫的系统研究在多个方向上继续进行，以扩大应用领域。因此，在两个研究项目 ^[42 ^{， 43]} 中，组合榫作为整个组合体系的一部分进行了研究，该体系具有集成的建筑结构和设施 ^[44-47] 。在负弯矩区，当混凝土板在横向出现裂缝时，发生撬出破坏的组合榫的抗剪强度显著降低。因此，对开裂混凝土的抗剪强度退化和变形行为进行了广泛的研究 ^[48-51] ，并详细阐述了一个力学工程模型，该模型可以评估横向开裂混凝土的剪切强度 ^[52 ^{， 53]} 。除此之外，在项目 P967 ^[54] 中，已经探讨了横向张力和纵向混凝土裂缝的影响 ^[55] 。此外，项目 P967 已经研究讨论了在外部刚性约束的情况下组合榫的锚固性能 ^[56] 。这种承载性能对于具有外部约束的刚构桥非常重要，因为刚构桥必须和桥墩固结。在外部约束构件同混凝土梁固结的部位，榫必须承受上拔力。文献 [57 ， 58] 中研究了组合榫在拉力作用下的承载性能。除了静态试验外，还对循环载荷下的性能进行了研究 ^[59 ^{， 60]} 。

在许多实际应用中，组合榫既不受纯剪切应力也不受纯拉伸应力，而是受到这两种作用的组合。因此，在文献 [61 ， 62] 中，研究了组合榫在剪切和拉伸联合载荷下的力学性能，并提出了评估力学性能的模型。

文献 [12] 中研究了组合榫的疲劳行为，特别是对钢疲劳的研究。除此之外，文献 [63 ， 64] 中还探讨了组合榫中混凝土疲劳的影响。在目前的一个研究项目 ^[65] 中，详细研究了混凝土和钢疲劳的相互作用效应。此外，另一个研究项目 ^[66] 研究了热浸镀锌组合榫的疲劳强度 ^[67] 。虽然循环荷载和疲劳对桥梁结构中的组合榫具有重要意义，但高层建筑也有一些有趣的研究课题。除了在具有腹板开口的组合梁中使用组合榫 ^[68] 外，研究组合材料连接中剪切力的塑性重分布也是非常重要的。因此，文献 [69-71] 中分析了组合榫的延性和滑动变形行为。基于这些研究，文献 [72] 中推导出了局部剪切连接的局限性，并详细阐述了最小局部剪切连接程度的力学模型。

此外，慕尼黑工业大学 ^[73] 、慕尼黑联邦国防军大学 ^[74] 和弗罗茨瓦夫大学 ^[75-77] 对组合榫的性能进行了更多的研究。

7. 结论

本文介绍了一般技术准则 [1] 中规定的具有回旋线和拼图形状的组合榫的静态设计概念的背景信息。此外，还从广泛的数据库中推导出了三种不同失效模式的力学模型。此外，文中还提出了纵向静力抗剪设计公式，梁型截面和抗剪连接的验算，并对其制作和施工提出了建议。

总体技术准则反映了组合榫标准化发展的持续性。目前，它预计将分别纳入欧洲规范 4 的更新工作，并转换为欧洲规范 4 ^[2] 的一部分。

致谢

我们非常感谢以下研究所和工业合作伙伴的合作和支持： Verein Deutscher Eisenh ü ttenleute （ VDEh ）、 Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. （ FOSTA ）、 SSF IngenieureAG 、 ArcelorMittal 、 Salzgitter AG 、 Max B?gl 、 Donges SteelTec GmbH

翻译：张贤卿

编辑：林光毅

审核：王昌将