本期说桥接上期，更新《基于创新剪力传递技术的预制耐久复合梁》第3、4、5章节的内容。

3 术语  

3.1 组件图纸  

图3-1 组合结构的集合参数  

图3-2 混凝土板剪切破坏的典型潜在表面  

3.2 符号说明  

A _b ：榫加强筋的截面面积  

A _D ：榫内混凝土的面积； A _D,CL =0.2 · e _x 2  

A _D,i ：贡献混凝土的面积； A _D,i =hc · e _x  

A _s,conf ：约束加强部分的截面面积  

A _sf ：在贡献混凝土区域内钢筋的截面面积； A _sf =A _b +A _t

A _t:   榫上部钢筋面积  

b _c :  混凝土梁腹板宽：  

c _o :  复合榫上面的混凝土高度  

c _u ：复合榫的混凝土覆盖高度  

d _V ：垂直剪力设计的有效深度  

E _cm ：混凝土的杨氏模量（平均模量）  

E _S   ：建筑钢材的杨氏模量（平均正割模量）  

e _x ：复合榫纵向排列间距 [ 毫米］  

e _y ：复合榫横向间距 [ 毫米］  

f _ck ：混凝土抗压强度设计值  

f _sd ：钢筋屈服强度设计值  

f _y ：建筑钢筋的理论屈服强度  

h _D ：钢榫高度； h _D,CL = 0.4 ·  e _x

h _po ：榫锥高度 [mm] ； min ( c _o  + 0.07 · e _x  , c _u  +0.13 ·  e _x  )

Lcr : C _NOM  + D _BR  ( 箍筋 )

P:  复合榫承受的力  

P _E ：复合榫的极限承载力  

P _ED(ser)  ：稀有（特征）荷载组合时的复合榫承受的力  

t _w ：钢腹板厚度  

g V :  根据相关技术标准（ EC 4 ）的部分安全系数  

h D :  混凝土榫面积的折减系数；  

h   D, CL  = 3 – e   x  / 180

3.3缩写列表  

CL ：回旋曲线状榫  

MCL ：改进回旋曲线状榫  

PZ ：拼图形状榫  

SA ：鳍状榫  

SLS ：服务极限状态  

ULS ：最终极限状态  

VFT ；预制复合构件  

VFT-rail ： VFT 梁实现减半填充梁设计的铁路桥  

VFT-WIB ： VFT 梁实现减半填充梁  

4 设计限制  

本技术报告中给出的所有设计方法均以（ Neue Systeme für Verbundbrücken   ）为基础。  

由于鳍状榫的抗疲劳性能较差，拼图状榫和回旋曲线状榫在实际问题中变得更加重要，因此也成为深入研究的内容。因此，本设计指南中介绍的所有设计概念仅适用于下列几何形状、模式和限制条件：  

图4-1 横向张力图

图4-2 横向张力  

4.1 概述  

拼图状榫和回旋曲线状榫被归类为钢 -   混凝土复合结构的剪力连接件。  

-    详细定义的复合榫可用于静态和动态荷载  

-    侧向拉力（图  4-1    和图  4-2   ）必须排除在榫条之外，并且不属于设计模型的一部分。  

-    为榫头创造提升力的预定外部力不是设计模型的一部分，因此必须排除或以适当的方式处理（锚固）。    

4.2 复合榫的几何形状  

根据本报告，在考虑以下（几何）限制的情况下，可以使用拼图状榫和回旋曲线状榫（图  4-3   ；图  4-4   ）。  

纵向间距  150mm      <  e   x     <  500mm

板厚    6 mm < tw < 40mm

限制  0.08 < t   _w /h   _D < 0.5

横向间距   e   _y  > 120mm

混凝土高度  c   _o  ;c   _u > 20mm

混凝土腹板宽度  b   _c  > 250mm

纵向最小边距：  > 2.5 h   _po  

横向最小边距：  > 5.0 h   _po  

如果将混凝土腹板固定在钢翼缘上，并根据给出的规则装配足够的约束钢筋，则可忽略横向的最小距离。  

-    在施工条件下， tw < 60mm

-    在计算时必须考虑  tw < 40mm    的情况，即使  40 < tw < 60mm    也是如此。  

4.2.1 回旋曲线形状  

图4-3 特定回旋曲线（ex）  

图4-4: 特定回旋曲线 (ex)  

4.3 材料  

以下章节中介绍的设计方法仅适用于以下材料和相关的制造工艺：  

4.3.1 混凝土  

- C20/25   至 C60/75   ，根据 EN 1992   和 EN 206   标准  

-    坍落度大于 F3   ，根据 DIN EN 1992   标准  

-    最大骨料尺寸不得超过 16mm

-    混凝土必须充分压实以包住榫钢条  

4.3.2 钢  

- S235   至 S460   ，根据 DIN EN 10025   标准  

-    根据预期用途，必须指定可焊性、延展性等额外要求和 Z   级钢等进一步特性  

根据原文内容，这段文字主要介绍了混凝土和钢这两种材料的规格和特性要求。混凝土的强度等级、坍落度、骨料尺寸和压实程度都有明确规定；而钢的牌号、可焊性、延展性等特性也都有具体要求。在进行相关设计和制造时，需要严格遵守这些规定和要求。  

4.3.3 榫钢条的制作  

-  榫钢条必须通过热自生切割或类似工艺进行切割，以确保在强度和疲劳行为方面具有相同的质量。  

-  切割和加工必须符合  EN 1090  标准  

-  对于循环载荷，切割质量必须符合 EN 1993 的要求，具体取决于疲劳类别：  

125    具有浅而规则拖曳线的机器气割边缘  

140    机气割或剪切材料，随后进行修整  

一般情况下，必须通过打磨（斜度  < 1/4 ）来改善重入角。  

-  生产设备必须符合  EN 1090  标准的制造要求  

-  加工必须符合  EN 1090  标准  

-  根据复合榫的具体几何形状，加工公差应小于 +2/-4 毫米  

-  在切割过程中必须防止火焰切割机停止，因为榫头的抗疲劳强度会显著降低

5 复合榫的结构行为

复合榫是一种连续的剪力连接件，必须在复合结构中传递钢和混凝土之间的纵向剪力。 承载行为的详细描述如下。

5.1 复合榫在静载荷下的结构行为

复合榫在超低荷载情况下具有很高的承载能力，在低荷载情况下具有很高的剪切连接刚度，在失效后的荷载阶段具有显著的延展性。在混凝土和钢结构失效的情况下，剪力连接可能会出现两种主要失效模式。  

对于腹板很薄且混凝土抗压强度很高的钢榫，最有可能出现钢榫失效（图 5-1 ）。由于剪应力和弯曲应力的共同作用，钢榫的屈服强度会被超过，从而导致榫发生显著变形。钢榫的这些巨大变形会导致周围混凝土的局部破坏，从而降低最大荷载。一般来说，钢结构破坏的特点是挠度大、塑化严重和具有明显的延展性。  

如果与周围混凝土相比，钢筋的刚度较大，混凝土的抗压强度适中，混凝土高度不足，则最有可能发生混凝土失效。这种失效模式的特点是在失效开始后直接出现适度的载荷下降和载荷曲线下滑。尽管有这些特点，但这种失效模式仍可被视为一种独特的延性连接，失效后具有足够的挠度  

一般来说，混凝土的破坏在很大程度上受到榫中的钢筋和周围混凝土中的钢筋模式的影响。某些钢筋的布置会导致荷载显著增加，因此在布置和完成钢筋模式时必须十分注意。  

一般来说，使用复合榫的剪力连接可被视为一种具有高承载能力的独特韧性连接。由于可以调整腹板厚度、钢筋直径和模式，复合榫的承载能力和结构性能可以根据具体的施工需要进行调整，效果显著。

图 5-1 ：失效模式下的复合榫钉的典型荷载位移曲线  

将荷载从混凝土传递到钢榫带的主要机制是由推入榫芯和榫根的斜柱提供的。在弧线长度（ s ）方面， SLS 中的特定榫几何形状会产生不同的接触压力曲线（图 5-2 ）。为了能够对不同形状进行比较，对弧长 s 进行了标准化。接触压力仅在作用力的一侧显示为与圆弧成正方形的部分面积压力。虽然力也可以通过摩擦力传递到作用力的另一侧，但由于影响较小，因此在分析中忽略了这些方面。详细分析进一步证明，螺旋曲线状榫顶部对传递载荷的影响不大，因此也忽略不计。  

鳍状榫和回旋曲线榫（ SA ； CL / MCL ）都在标准化弧长 s 的 0.4-0.6 时达到最大接触压力，而拼图状榫的最大接触压力可在标准化弧长 s 的 0.2 时达到（图 5-3 ）。这些接触压力是大量实验和数值研究的结果，适用于 SLS 。较大的变形和向 ULS 过渡的承受行为将导致作用力的重新分配，而这正是剪切连接所必需的延展性所提供的。  

图5-2   :  PZ 和 CL 在弧间的矢量压力  

图 5-3:   压力的标准化分布  

上述 SLS 结构特性仅适用于钢筋屈服或混凝土破坏前的弹性材料特性。因此，该特性适用于典型荷载 - 滑移曲线的线性弹性分支，连接刚度相当高。  

每种榫几何形状的 ULS 承载特性略有不同（图 5-4 ）。与其他几何形状相比，鳍状榫（ SA ）的承载能力最大。回旋曲线榫（ CL / MCL ）仅能达到总承载能力的 85% ，而拼图状榫（ PZ ）则能达到 95% 。与具体几何形状无关的是，大变形的独特延展性得到了保证。  

图 5-4:   不同榫钉几何形状的荷载位移图（推出试验   ）

5.1.1 钢榫的结构行为

用于 SLS 的钢榫结构行为受两个主要部分的影响：  

- 力从混凝土榫传递到钢榫，从而产生接触压力（局部榫作用）  

- 复合截面整体弯曲产生的应力  

SLS 钢榫的结构特性基于局部榫作用和整体弯曲产生的应力。如果榫条不位于复合横截面的中轴线上，则会产生整体弯曲应力（图 5-5 ）。由于榫头的切口，这些产生的法向应力将发生偏移，从而导致榫头处关键点（热点）的应力增加。因此，必须引入一个系数 f _G （ G = 整体），以考虑整体（弯曲）作用导致的结构应力增加。该系数 f _G 取决于钢榫的具体几何形状，以及榫根部缺口效应导致的应力集中。  

 

图 5-5:   不同复合材料横截面的钢应力分布  

混凝土榫的纵向剪切力引入钢榫（局部作用）会产生较大的应力集中，必须在整体效应之外加以考虑。同样，应力的增加也取决于所使用的特定镙栓形状及其在镙栓根部产生的缺口效应。在确定来自整体作用的应力时，考虑到（局部）应力增加，还引入了局部作用系数 f _L （ L= 局部）。

通过弹性关系和应力集中系数的引入，可以计算出钢榫的关键几何应力σ s ，既可用于整体作用，也可用于局部作用。  

应力集中系数 fG （全局）和 fL （局部）取决于所使用的具体几何形状，并在复合榫的设计标准中列出。

除了确定 SLS （和疲劳）应力外，钢榫还必须为 ULS 提供足够的承载能力。 ULS 只需注意混凝土榫对钢榫的局部作用力，而可以忽略整体弯曲的影响。将混凝土的纵向剪力引入钢带会对钢下部造成弯曲和剪切的综合应力情况（图 5-6 ）。通过充分利用塑性材料的特性，可以设计出适用于 ULS 的钢榫。剪切连接的钢失效会导致明显的韧性行为和较大的变形。这些特性为假设沿榫的剪力流恒定以及剪力连接的等距模式提供了可能，这就需要对引入的力进行重新分配。  

图 5-6: ULS   用传力杆的结构性能（剪切和弯曲组合）

5.1.2 混凝土榫的结构行为

混凝土的结构行为可分为三个主要部分（图 5-7 ）。第 1 部分代表连接的线弹性行为，受制于榫条上方混凝土的第一条裂缝。第 2 部分的特点是混凝土中形成更多裂缝，剪力连接的刚度显著降低。第 2 部分和第 3 部分之间的过渡是出现一种特殊的失效模式，这种失效模式启动了失效后的承载行为（第 3 部分）。这一失效后区域的特点是，在钢结构失效的情况下，会出现一个明显的水平分支，并产生较大的挠度。如果发生混凝土失效，则在整体延展性能保持不变的情况下，荷载分支会呈现出更明显的下降特征。  

荷载 - 滑移相关性的第一部分具有明显的高刚度特征，并受到 P _adh （荷载 -A 部分）的限制。该荷载传递的主要机制是混凝土和钢材之间的粘着摩擦。在超过最大摩擦力 P _adh 后，滑动摩擦开始起作用，其特点是刚度降低，但仍具有线性弹性特性。荷载的进一步增加会导致混凝土和钢筋之间产生不同的局部面积接触压力（荷载 B 部分）。由于复合榫被混凝土包围并得到充分加固，这种接触压力可在高荷载状态下保持稳定，而不会出现混凝土撬裂的情况。在多轴向应力的作用下，榫芯内的混凝土会发生粉化，从而保持这种高荷载状态（荷载 -C 部分）。由于混凝土的多轴向应力状态，荷载有可能进一步增加，并伴随着裂缝的形成和增长。这种独特裂缝的形成启动了关键的失效模式，失效后的荷载行为变得非常重要。在这种荷载状态（ D 部分荷载）下，周围混凝土的充分加固变得至关重要，因为缺乏足够的加固会导致连接坍塌。在这种荷载状态下，最初的失效模式可能会被连接的大挠度引起的附加失效所叠加。  

尽管混凝土失效的荷载分支呈下降趋势，但由于采用了足够的配筋模式，剪力连接的行为仍可被视为非常具有延展性。尤其是混凝土榫的两根钢筋，由于其独特的阻滞作用，导致其具有延展性（载荷 E 部分）。

图 5-7:   推出试验中复合材料销钉的典型荷载位移特性

5.1.3    设计标准

对于使用复合榫进行剪力连接的设计，必须分析几种不同的设计标准（图 5-8 ）  

如果钢条的屈服强度低且腹板较薄，而混凝土强度相当高，则最有可能发生钢筋破坏。 (a) 如果混凝土 榫 内没有布置横向钢筋，则混凝土板中可能会出现贯穿整个垂直裂缝，尤其是对于薄板。 (b) 此外，混凝土 榫 的剪切设计至关重要，而混凝土 榫 中的横向钢筋数量会对其产生重大影响。 (c). 混凝土的抗拉强度和有效剪切面也是这种失效模式的重要因素。如果混凝土在垂直方向没有足够的钢筋（箍筋），混凝土板的水平分裂可能是关键的失效模式。 (d) 对于嵌入混凝土腹板的外部钢筋，箍筋下方的混凝土覆盖层可能会剥落 (e). 这种失效模式是由 榫 下侧的支撑力引起的，混凝土或钢筋无法充分克服该支撑力。在这种情况下， 榫 芯中的多轴应力状态无法再维持，并且达到最大负载。对于混凝土板，混凝土保护层的剥落可以通过 榫 条下方或上方的撬出锥体来描述。（ f ）这两种失效模式本质上取决于混凝土覆盖层、 榫 条嵌入混凝土的深度以及约束钢筋的存在。  

综上所述，显而易见的是，足够的配筋对于剪力连接的延展性和良好的回火性能至关重要。在实际情况下，失效模式 a) c) 、 e) 和 f) 尤其重要。  

图 5-8:   复合材料榫失效的不同机制

5.1.4   比例因子

复合榫的主要优势之一是其灵活性高，适用于各种应用，例如桥梁、地板和工业建筑，这些应用需要不同的承载能力和不同的建筑高度。因此，复合榫的尺寸必须根据建筑需求进行调整，这就需要分析不同比例系数的承载行为。  

复合榫的承载能力在不同比例因子下是相等的。为了缩小榫尺寸（例如缩小 2 倍），可在梁的特定长度上使用双倍数量的销钉。这些榫中的每一个仅提供一半的承载能力，这由双倍数量的榫来平衡。此机制适用于缩小和放大比例（图 5-9 ）。剪力连接的荷载滑移行为与按特定因子缩放的不同尺寸的榫无关（图 5-10 ）。实际上，特征荷载滑移行为与比例因子成反比，这意味着按 2 倍缩小的榫条所产生的挠度仅达到参考尺寸的 0.5 左右。这种特征行为很重要，因为按比例缩小的榫提供相同的纵向剪切承载能力，同时延展性显著降低。假设沿榫条的力等距流动时，必须考虑这一特性，这需要独特的延展行为和重新分配力的能力才能实现 ULS 。  

图 5-9:   复合材料榫的尺度效应  

图 5-10:   考虑比例因子的 PZ   几何载荷滑移行为比较

5.2   循环载荷下复合材料榫的结构行为

对于需要高承载能力和高抗疲劳性的桥梁来说，复合榫是需要充足设置的剪力连接件。尤其对于铁路桥梁，疲劳设计时必须考虑显著的高载荷幅度，这是一项最重要的问题。  

一般来说，应力会因传力方向的变化而有所增加。应力集中通常集中在横截面上几何边界条件发生重大变化的点上。对于非常突出的几何变化，应力会显著增加（热点）。矩形边缘应力集中程度相当高，平滑的几何变化则导应力集中程度较小。导致一定应力集中的几何变化通常称为切口。此类几何变化导致的应力集中通常称为切口。此外，切口的有效性总是取决于力的流动和方向。  

由于切口是钢材裂纹的起点，因此确定特定的应力集中系数对于循环载荷下结构构件的真实和安全设计至关重要。

5.2.1    钢榫的承载行为

对于局部榫作用，使用钢榫将局部纵向剪力从对角撑杆引入榫条。剪力连接件在引入这些纵向剪力时构成了一个显著的几何切口，导致榫条上出现显著应力。由于这些局部力必须传递到钢腹板，因此力的方向发生了重大变化，导致明显的应力集中。这个应力集中系数fL通过实验测试确定，并通过大量的有限元计算得到验证。  

图 5-11: 用于说明fL计算的2D模型  

与局部作用相比，切口在整体作用下的有效性显著降低。钢腹板内的弯曲引起的全局力在钢榫处发生重定向，导致的应力集中系数约为15，具体取决于所使用的榫的几何形状。  

图 5-12:   计算   f   _G   时的整体应力载荷假设  

图 5-13:   回旋线形状的应力集中系数       f   _G   和       f   _L       沿角度   α  

对于 FLS ，主应力对于确定应力集中系数至关重要，而对于 SLS ，必须考虑减小的（ van Mieses ）应力。对于回旋形状， FLS （主应力）中的应力集中系数确定为 f _L =6,5 和 f _G =1,5 ，而对于 SLS （减小的应力），其结果是 f _L =7,95 和 f _G =1,5 。  

采用未通过实验测试和FE 分析明确确定的不同几何形状可能会导致集中系数增加。因此，务必遵循本设计指南中介绍的几何形状和相关应力集中系数。  

一般来说，我们需要着重考虑：对于动态载荷，纵向剪切力的设计值必须完全由榫承载力的包络线覆盖。  

应力的计算和具体集中系数的考虑可以通过以下设计假设来完成：  

5.2.2   混凝土榫的承载行为

只要装配了足够的钢筋，就不会出现混凝土榫疲劳现象，因此无需特别考虑。它通过特征载荷组合下的最大榫力的某些限制来处理。