CN106758773A

CN106758773A - 一种钢混组合梁桥的剪力连接件

Info

Publication number: CN106758773A
Application number: CN201611189300.4A
Authority: CN
Inventors: 王新定; 李健; 郭瑞琦
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2017-05-31

Abstract

本发明公开了一种钢混组合梁桥的剪力连接件，包括集束式剪力连接件与开口板剪力连接件。本发明的有益效果为：施工简单，钢板上只需开孔，无需特殊加工；焊接方便，沿钢板两侧用贴脚焊缝焊接，不需要专用的焊接设备；开孔板沿着翼板纵桥向布置，可起到加劲板的作用；连接件的抗疲劳性能好，刚度大，滑移小；提高结构受力性能，简化施工。

Description

一种钢混组合梁桥的剪力连接件

技术领域

本发明涉及土木建筑领域，尤其是一种钢混组合梁桥的剪力连接件。

背景技术

预应力混凝土梁桥是我国公路桥梁建设中广为应用的桥梁结构形式，50～100米跨径的大中桥梁多采用预应力混凝土梁。相对于发达国家，我国钢桥技术发展极不平衡，一方面是特大桥、大桥高水准应用；另一方面是中小桥低水准应用且总量很小。

因技术发展不平衡，我国一般混凝土桥梁存在质量问题较多，预应力后张梁工艺存在堵孔、张拉预应力控制不准、压浆不密实等技术瓶颈。预应力混凝土连续梁桥混凝土箱梁腹板承受较大的主拉应力，混凝土材料易开裂，致使结构刚度降低，影响结构的耐久性；而且混凝土箱梁自重较大，在自重、徐变等因素作用下，跨中挠度会持续增大，严重影响结构的承载力，降低结构的安全度，为桥梁带来很大安全隐患。

工程界有识之士正在大力呼吁采用高性能高强混凝土、采用钢－混组合结构，推广钢结构，以彻底改变我国工程结构以混凝土为主的现状，与发达国家工程结构、桥梁结构发展趋势保持一致。

钢混凝土组合梁，通过较为简单的处理方式综合了混凝土梁和钢梁的优势。组合梁保留受压区的混凝土翼板，受拉区则只配置钢梁，二者之间通过抗剪连接件组合成整体。这样，既不会产生混凝土受拉开裂的问题，也不会因钢梁受压侧刚度较弱而发生失稳，同时还具备较高的刚度和较轻的自重。

钢－混凝土结合梁桥在中等跨度(20m～90m)桥梁中已在世界各地广泛应用。它的主要优点是组合结构桥梁可以充分合理地发挥钢与混凝土两种材料的各自优势，可以最大程度地实现工厂化制造，减少现场操作，场地清洁较有保证，钢材部分可回收利用，有利于环保、节能，且具有整体受力的经济性与工程质量的可靠性。

与钢桥相比有：节省钢材；降低建筑高度；减少冲击，耐疲劳；减少钢梁腐蚀；减少噪音；维修养护工作量较少等。与混凝土桥相比有：重量较轻；制造安装较为容易；施工速度快、工期短等。

钢—混组合梁桥是通过剪力钉连接混凝土桥面板与钢主梁，以保证二者共同作用。目前，剪力钉布置方式主要采用均布式，其剪力钉受力具有比较均匀的特征，但是也造成混凝土桥面板分块和湿接缝较多，引起施工不便和增加工期。因此，对于剪力连接件连接方式的优化改进十分必要。对钢混组合梁桥剪力连接件进行设计优化，对掌握钢—混组合梁桥的设计方法和受力性能具有重要的意义。

环保、节能和实现可持续发展是使社会经济同能源、资源、环境实现良性循环的措施，是社会发展与自然关系的协调与保证。钢结构产业特点：钢结构建筑是一种新型的节能环保的建筑体系，被誉为21世纪的“绿色建筑”。钢结构是一种节能环保型、能循环使用的建筑结构，符合发展节能建筑和经济持续健康发展的要求。

我国又是钢铁大国，适时的发展我国桥梁钢结构，改变我国混凝土桥梁占多数的现状，才能实现可持续发展。设计更为优化的钢混结构，不仅对土木工程的发展有着巨大的意义，并且对产业结构、国民经济产生巨大的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种钢混组合梁桥的剪力连接件，可以提高结构受力性能，简化施工。

为解决上述技术问题，本发明提供一种钢混组合梁桥的剪力连接件，包括：集束式剪力连接件与开口板剪力连接件。

优选的，集束式剪力连接件采用相邻剪力钉集群边界间隔为500-800mm的布置形式，单个剪力钉集群的长度应等于相邻剪力钉集群边界的间隔距离；当钢梁跨径小于35米时，单个剪力钉集群的长度应取为500mm，当钢梁跨径大于50米时，单个剪力钉群的长度应取为800mm，其余跨径可线性内插取得；单个剪力钉集群的宽度与钢梁顶板同宽，并且剪力钉沿梁长均匀分布；单一剪力钉的间距在顺桥向方面与原有的均布式剪力连接件剪力钉间距保持一致，一般取100～150mm，在横桥方向亦保持不变；剪力钉的长度、直径、钢筋标号与原有均布式剪力连接件剪力钉维持一致，一般取钉长200mm，直径22mm。

优选的，开孔板采用Q345D钢材，高度100mm，厚度16mm，开孔孔径60mm，圆孔中心距上下边缘各20mm，两孔中心间距90mm，在钢梁横向两排之间的轴线距离500mm；在开孔中贯穿钢筋采用直径25mm的HRB400钢筋。

本发明的有益效果为：施工简单，钢板上只需开孔，无需特殊加工；焊接方便，沿钢板两侧用贴脚焊缝焊接，不需要专用的焊接设备；开孔板沿着翼板纵桥向布置，可起到加劲板的作用；连接件的抗疲劳性能好，刚度大，滑移小；提高结构受力性能，简化施工。

附图说明

图1为本发明的集束式剪力钉分布概念示意图。

图2为本发明的安徽省北沿江高速巢湖至无为段裕溪河特大桥混凝土桥面板边支点处预制板形式示意图。

图3为本发明安徽省北沿江高速巢湖至无为段裕溪河特大桥混凝土桥面板边中支点处预制板形式示意图。

图4为本发明优化后①区开孔板示意图。

图5为本发明优化后②、③区开孔板示意图。

图6为本发明优化后④、⑤区开孔板示意图。

图7为本发明优化后开孔桥面板吊装示意图。

具体实施方式

本发明的目的在于对于现有的钢梁形状为工字形梁(U形梁)的钢混组合梁桥的剪力连接键的设计模式进行改进。

目前，对于钢梁形状为工字形梁(U形梁)的钢混组合梁桥的剪力连接件布置方式普遍采用均布式的布置方法。即钢混组合梁桥的剪力钉均匀分布在工字形钢梁(U形钢梁)的上翼缘板顶面。这种剪力钉的布置方式虽然在连接结构中受力效果良好，但是这种设计结构会造成在结构的施工过程中混凝土板块分块过多，连接施工中现浇湿接缝过多等问题，间接影响了钢混组合结构的整体性能，破坏了混凝土结构的连续性，由于施工工艺、施工设备的限制，会造成由于施工不当而严重影响结构的受力性能。

为了降低施工难度、加快施工进度、提高施工质量，本发明提出了一种对于钢梁形状为工字形梁(U形梁)的钢混组合梁桥均布式剪力连接件群的布置设计方案的优化设计、改进方法。

本发明提出对于钢梁形状为工字形梁(U形梁)的钢混组合梁桥均布式剪力连接件布置结构可以将原有的均布式剪力连接件改为集束式剪力连接件布置方式。当结构对于受力性能的要求较高时，亦可以将原有均布式栓钉剪力连接件布置模式改为开孔板连接件构造模式。改进方式如下：

对于均布式群钉剪力连接件布置模式，现行《桥规》并没有给出明确的布置要求规范，故均布式剪力连接件面向集束式剪力连接件的优化方式同样基于现有的工程经验及有限元模型计算。

在原有的均布式剪力连接件结构基础上，集束式剪力连接件推荐采用相邻剪力钉集群边界间隔500-800mm的布置形式，单个剪力钉集群的长度应等于相邻剪力钉集群边界的间隔距离。当钢梁跨径小于35米时，单个剪力钉集群的长度应取为500mm，当钢梁跨径大于50米时，单个剪力钉群的长度应取为800mm，其余跨径可线性内插取得，即：

其中，L_s——单个剪力钉集群的长度(毫米)；

L——梁跨径(米)。

单个剪力钉集群的宽度与钢梁顶板同宽，并且剪力钉沿梁长均匀分布。

单一剪力钉的间距在顺桥向方面与原有的均布式剪力连接件剪力钉间距保持一致，在横桥方向亦可保持不变，但建议缩短1/4-1/3的间距，以保证结构的受力性能。

剪力钉的长度、直径、钢筋标号与原有均布式剪力连接件剪力钉维持一致。

通过比较发现剪力钉集束分布与均匀分布分别在恒载、最不利汽车活载作用下钢-混组合梁挠度、混凝土桥面板应力和钢梁应力基本相同，得到剪力钉集束分布和均匀分布对钢-混组合梁桥整体受力性能影响较小。剪力钉横向剪力主要受成桥阶段恒载作用影响，两种分布形式剪力钉的横向剪力都很小，集束式分布剪力钉剪力略小于集中分布式。

选取纵向剪力最大位置剪力钉进行抗剪强度验算，集束分布与均匀分布组合后剪力都小于抗剪使用状态承载力，满足正常使用要求。选取拉拔力最大位置剪力钉进行抗拉验算和剪拔验算，集束分布与均匀分布组合后拉拔力都小于抗拔使用承载力，剪力都小于折减后抗剪使用承载力，满足正常使用要求。由此说明，剪力钉集束分布与均匀分布均可满足钢-混组合连续梁桥正常使用要求。

本发明认为，当集束式剪力连接件的构造方式不能满足结构的受力要求时，可将原有的均布式剪力连接件栓钉连接形式转变为开孔连接件形式。

本发明推荐开孔连接件的具体构造形式如下：开孔板采用Q345D钢材，高度100mm，厚度16mm，开孔孔径60mm，圆孔中心距上下边缘各20mm，两孔中心间距90mm，横向分两排布置，轴线距离500mm。孔中贯钢筋采用直径25mm的HRB400钢筋。布置区位同栓钉连接件。具体可根据工程实例进行调整，也可根据推荐构造取值。

以下结合具体附图和实施例对本发明作进一步的阐述。

实施例：安徽省北沿江高速巢湖至无为段裕溪河特大桥工程：

1.工程概况

本项目起点顺接北沿江高速公路马鞍山至巢湖段终点，设置巢湖枢纽互通立交连接合巢芜高速；终点在塔桥设T型枢纽互通立交连接规划的铜陵长江公铁大桥公路接线。

本项目包含裕溪河主桥,跨锥三河桥以及裕溪河特大桥等桥梁的工程设计、施工、建设、监控，项目包含了组合钢板梁桥、矮塔斜拉桥、连续刚构桥以及连续箱型梁桥等多种桥型。项目设计理念先进，桥梁结构复杂，建设规模大，施工难度高，代表了国内高速公路桥梁施工的先进水平。

其中，裕溪河主桥采用75+130+75m预应力混凝土矮塔斜拉桥，跨锥三河桥采用41.5+70+41.5m连续钢构，跨线铁路桥采用64.8+108+64.8m连续箱梁，其余以裕溪河特大桥为代表的引桥均采用连续组合钢板桥。

其中钢混组合梁桥裕溪河特大桥主梁采用双工字钢板组合梁，单幅组合梁桥面宽16.75m，双幅全宽34.5m，钢梁中心线处的梁高均为1.7m。

钢主梁采用Q345D工字形直腹板钢梁，混凝土桥面板和钢主梁通过剪力钉连接。双主梁之间采用横梁加强横向联系，跨内中横梁为小横梁，支点端横梁为大横梁。横梁标准间距为7.0m，钢主梁与横梁之间采用焊接连接。钢板梁腹板结构的中心线处梁高均为1.7m。

桥面板采用预制桥面板，纵向采用钢筋混凝土湿接缝连接，横向采用全宽预制，并且设置横向预应力，从而达到改善桥面板受力特性的功能。桥面板预留孔洞，孔洞处的钢梁钢梁上翼缘和湿接缝处设置剪力钉，通过后浇筑的方式实现混凝土桥面板和钢梁的连接。

钢板组合梁下部结构为桩柱式桥墩，墩柱直径1.6m，桩基直径1.7m；在墩顶设置哑铃型盖梁，盖梁高1.85m，盖梁中部宽2.1m。钢板梁桥桥墩采用桩基础，桩基直径1.7m，下伏基岩包含中风化灰岩，以中风化灰岩为桩基持力层的按嵌岩桩设计，其他桩基按摩擦桩设计。

钢梁采用在工厂分节段构造，制造完成后并预拼，钢板梁要求5节一起拼装，钢板梁预拼底面线性与设计线性一致。预拼后留一节与待制造段匹配。然后按拼装顺序运至桥位处(固定吊架下方)，由固定吊架直接提升并滑移至拼装位置。

钢梁按成桥线性进行主梁节段的预制，预制时各梁段首尾相接以利试拼，主梁梁段钢结构部分制作完毕，应进行钢结构的试拼。全部梁段均要试拼，以保证节段架设的顺利进行。因为存梁的时间关系，梁体的变形难以避免；预制梁段调运架设前模拟架梁时的受力，进行试拼。

顶推系统采用多点顶推装置以及配套液压系统、分控箱、计算机控制总控制台等。设备安装就位后，进行系统空载调试。对于顶推需要用到的特殊装置，如钢导梁、纠偏装置、监控方案等，由施工单位进行自主设计，顶推过程要求做好各项指标监控，并根据监控情况及时调整监控方案。

2.有限元计算分析模型

此次分析针对数量较多的4×35m钢混组合结构桥梁进行分析，分析剪力连接件集中布置的可行性。

全桥采用Midas Civil建模分析、主梁桥墩均采用梁单元进行模拟，二期恒载以梁单元荷载形式添加，考虑的荷载有恒载、活载、支座沉降(按1.0cm计)，温度变化(升、降温各20℃)、非线性温度(升温14℃，降温7℃)等。

3.内力分析

对桥梁结构进行静力计算，考虑桥梁结构在恒载和活载等荷载作用，并按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)的规定进行荷载组合。通过有限元模型分析后得到的应力包络图、各施工阶段的应力水平可知，钢结构施工阶段最大应力为180MPa，小于规范要求中考虑结构安全系数后的标准应力210MPa，满足《公路钢结构桥梁设计规范》及《钢—混凝土组合桥梁设计与施工细则》中对于应力的具体要求。

4.原设计方案中剪力连接件验算分析

根据《公路钢结构桥梁设计规范》及《钢—混凝土组合桥梁设计与施工细则》对原设计方案剪力连接件进行受力分析。

按照图纸S4-3(1)-18中组合梁剪力钉布置图，对剪力较大的几个区段进行栓钉验算。

(1)混凝土翼缘板有效宽度：

表1混凝土翼缘板有效宽度

距离边支座距离(m)	0	7	28	35	42	63	70
								有效宽度	5.89	7.84	7.84	5.2	6.67	6.67	5.2

(2)换算截面特性

本桥桥面板采用预制板，主要收缩徐变在形成组合梁前已经基本完成，因此本桥计算不考虑收缩徐变的影响。

表2组合截面特性值

(3)主梁内力计算

按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)对有关荷载进行组合，求得关键截面内力，如表3所示。

表3关键截面内力

距离边支座距离(m)	0	17	35	52	70
						最大剪力(kN)	-150	637	1806	585	1728
最小剪力(kN)	-1544	-495	-1741	-676	-1698
						最大弯矩(kN·m)	0	8200	-581	5494	-230
最小弯矩(kN·m)	0	-669	-7759	-887	-7587

上表验算位置基本位于最大剪力、最大弯矩处；此处内力值主要是为计算剪力钉剪力，因而荷载组合时不包含组合梁自重。(铺设钢梁和铺设混凝土桥面板时，钢梁和混凝土板并未连接成整体，此时剪力钉未受力；从铺设二期恒载开始，钢梁和混凝土板连接成整体，剪力钉开始受力。此处的关键截面内力是为验算剪力钉的剪力而求，因而未包括钢梁及混凝土板的自重。)

(4)连接件抗剪验算。

按弹性方法验算

单个栓钉抗剪能力

①边跨支座处：

单个长度纵向剪力

单个栓钉剪力设计值V_dr＝28.6kN＜86kN，满足要求。

滑移量满足要求。

②中支座处

单位长度纵向剪力

单个栓钉剪力设计值V_dr＝34.2kN＜86kN，满足要求。

滑移量满足要求。

5.剪力连接键优化设计分析

目前，连接件布置方式主要采用均布式，其连接件受力具有比较均匀的特征，对于间隔式的布置方案，国内外尚无明确规范指导设计，应用也十分稀少，目前国内仅在港珠澳大桥钢箱梁组合结构中有过实际应用。优化设计分别采用栓钉连接件和开孔板连接件进行计算分析。

布置方式：

综合考虑现有设计方案和主梁受力情况，混凝土板预制形状如附图2和附图3所示。

剪力计算：假设无锚固区剪力由两侧锚固区承担，并按剪力钉的刚度进行分配。边支点处对剪力较大的①～⑤区进行验算

(1)栓钉连接件：

栓钉连接件横桥向分布不变，

①区布置9×100mm，，②区③区布置4×110mm

④区⑤区布置5×90mm

横向按原设计方案4排设置

①区剪力验算：①区总剪力

单个钉承担剪力V_dr＝41.1kN＜86kN，满足要求

滑移量满足要求。

②区剪力验算：

②区总剪力

单个钉承担剪力V_dr＝47.3kN＜86kN，满足要求

滑移量满足要求。

同理，③区单个钉承担剪力V_dr＝46.6kN＜86kN，满足要求

滑移量满足要求。

④区单个钉承担剪力V_dr＝47.6kN＜86kN，满足要求

滑移量满足要求。

⑤区单个钉承担剪力V_dr＝59.2kN＜86kN，满足要求

滑移量不满足要求。

通过以上分析可以看出各处剪力钉剪力均满足要求，但中支点附近滑移量较大，超出规范要求。可见此时主要由抗剪滑移量控制设计，为降低滑移量，采取以下措施：增加栓钉数量，增大栓钉直径，提高混凝土强度等级等。

本桥中栓钉纵向间距100mm，直径22mm，混凝土强度40MPa，横向间距为3×180mm，现将方案更改为横桥向加密为5×120mm，同时考虑到提高湿接缝处混凝土强度不仅对剪力钉受剪有利，同时可减小现浇混凝土的收缩，有利于新旧混凝土的结合，因此将混凝土强度等级提高为C50，其它不变。

此时，

①区剪力验算：

单个钉承担剪力V_dr＝27.4N＜86kN，满足要求

滑移量满足要求。

②区剪力验算：

单个钉承担剪力V_dr＝31.5kN＜86kN，满足要求

滑移量满足要求。

同理，③区单个钉承担剪力V_dr＝31.1kN＜86kN，满足要求

滑移量满足要求。

④区单个钉承担剪力V_dr＝31.8kN＜86kN，满足要求

滑移量满足要求。

⑤区单个钉承担剪力V_dr＝39.5kN＜86kN，满足要求

滑移量满足要求。

对于其它位置的剪力钉，由于承受剪力较小，能满足要求。

(2)开孔板连接件：

布置形式：

开孔板连接件按附图4、附图5和附图6方式布置：

开孔板采用Q345D钢材，高度100mm，厚度16mm，开孔孔径60mm，圆孔中心距上下边缘各20mm，两孔中心间距90mm，横向分两排布置，轴线距离500mm。孔中贯钢筋采用直径25mm的HRB400钢筋。布置区位同栓钉连接件，计算说明如下：

开孔板单孔抗剪承载力

①区剪力验算：①区总剪力

单孔剪力V_dr＝76.4N＜190.2kN，满足要求

滑移量满足要求。

②区总剪力

单孔承担剪力V_drw113.5kN＜190.2kN，满足要求

滑移量满足要求。

同理，③区单孔钉承担剪力V_dr＝116.7kN＜190.2kN，满足要求

滑移量满足要求。

④区单孔承担剪力V_dr＝114kN＜190.2kN，满足要求

滑移量满足要求。

⑤区单孔承担剪力V_dr＝143kN＜190.2kN，满足要求

滑移量满足要求。

6.预制混凝土板的吊装示意图

由于混凝土桥面板中间开孔形成薄弱截面，在吊装施工过程中容易造成局部应力过大，因而需要对其进行验算。

取边支座处Z4板进行验算：

经计算可得，开孔位置单个连接处受力最大值如表4所示。

表4单个连接处最大内力

受力验算：

按原设计图纸给出的钢筋布置间距为120mm，直径25mm，按照规范，单个连接处受弯承载力极限值Mu＝183kN·m，可以满足吊装及安装要求，剪力承载能力，取箍筋直径12mm，间距150mm，抗剪承载力极限值Nu＝195kN，满足要求。

为了便于施工，从受力计算分析可知，将原设计方案中的边板和中板合成一块板进行预制吊装施工是可行的。通过使用有限元模型对此钢混组合梁桥的施工阶段进行定义和细化，详细分析边板和中板合成一块板进行预制吊装的施公过程受力情况可知：在吊装施工的全部过程中，虽然在预制板开孔处会有一定程度的应力集中，但最大拉、压应力均满足材料的强度需求，其中最大拉应力为3.66MPa，最大压应力为3.17MPa，满足《公路钢结构桥梁设计规范》及《钢—混凝土组合桥梁设计与施工细则》中对于应力的具体要求。从受力计算分析可知，将剪力连接件由连续布置设计优化为间隔式布置设计能满足受力和变形要求。从受力、变形和施工角度，开孔板连接件的性能优于栓钉连接件，建议优先采用。对于无剪力连接件的区域采取涂刷环氧树脂胶或采用橡胶条密封等措施。由于此类设计方法尚无成熟的设计规范，因此在实际应用过程中，建议通过室内实验的方法加以验证。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims

1.一种钢混组合梁桥的剪力连接件，其特征在于，包括：集束式剪力连接件与开口板剪力连接件。

2.如权利要求1所述的钢混组合梁桥的剪力连接件，其特征在于，集束式剪力连接件采用相邻剪力钉集群边界间隔为500-800mm的布置形式，单个剪力钉集群的长度应等于相邻剪力钉集群边界的间隔距离；当钢梁跨径小于35米时，单个剪力钉集群的长度应取为500mm，当钢梁跨径大于50米时，单个剪力钉群的长度应取为800mm，其余跨径可线性内插取得；单个剪力钉集群的宽度与钢梁顶板同宽，并且剪力钉沿梁长均匀分布；单一剪力钉的间距在顺桥向方面与原有的均布式剪力连接件剪力钉间距保持一致，一般取100～150mm，在横桥方向亦保持不变；剪力钉的长度、直径、钢筋标号与原有均布式剪力连接件剪力钉维持一致，一般取钉长200mm，直径22mm。

3.如权利要求2所述的钢混组合梁桥的剪力连接件，其特征在于，线性内插的具体过程为：其中，L_s——单个剪力钉集群的长度(毫米)；L——梁跨径(米)。

4.如权利要求1所述的钢混组合梁桥的剪力连接件，其特征在于，开孔板采用Q345D钢材，高度100mm，厚度16mm，开孔孔径60mm，圆孔中心距上下边缘各20mm，两孔中心间距90mm，在钢梁横向两排之间的轴线距离500mm；在开孔中贯穿钢筋采用直径25mm的HRB400钢筋。