CN108625278B - 一种空心板桥铰缝连接件及其应力验算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空心板桥铰缝连接件，包括至少两个空心板本体及其之间的铰缝，所述空心板本体的侧壁上间隔布设有锚板，所述铰缝上部布设有抗剪连接件、下部布设有抗弯连接件，所述抗剪连接件包括第一连接板，所述第一连接板与锚板焊接，所述第一连接板上以中线为对称轴纵向对称开设有一列连接孔，所述连接孔内均横向布设有剪力栓钉；所述抗弯连接件包括第二连接板，所述第二连接板呈长方形，第二连接板的两端分别对称固定布设有锚栓。本发明还提供了一种空心板桥铰缝连接件的应力验算方法，包括以下步骤：获取抗剪连接件的应力；得出抗弯连接件的应力并验算。本发明结构设计合理、连接性能优良、施工便捷、经济安全。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种空心板桥铰缝连接件及其应力验算方法。
背景技术
预制空心板体系梁桥因具有结构性能好、自重轻、标准化生产、运输安装、施工方便及工艺成熟等诸多优点而被广泛应用，是我国中小跨径梁桥上部结构常用的承重构件之一；据不完全统计，预制装配式混凝土梁桥约占全国公路梁桥总量的75％左右；预制空心板体系梁桥是由多片主梁依靠横向铰缝和桥面板联结成空间整体结构，使作用于行车道板上的局部荷载分配给各板梁共同承受；然而，若铰缝或横向联结破坏，当上部有车辆荷载作用时，梁板结构很容易会形成“单板受力”状态。而铰缝作为装配式板桥的主要横向传力部件，因其构造原因，在桥梁运营期极易出现损伤而致铰缝功能部分或全部丧失，致使板桥整体受力性能受到严重影响。铰缝病害的存在直接危及桥梁运营期的结构安全，诸多学者对此进行了许多有益的研究，认为施工质量、车辆超载、设计缺陷按照铰结计算荷载横向分配系数，而实际上铰缝的受力是介于铰结和刚接之间、铰缝混凝土收缩徐变等因素是造成运营期铰缝破坏的主要原因。如错台、开裂和失效倾覆等为常见板桥病害，因铰缝病害的存在，会对运营期桥梁的结构安全造成重大影响，如2011年杭州钱江三桥引桥右侧车道部分桥面突然塌落，发生塌陷的引桥上部结构为预应力混凝土空心板，板间铰缝构造较弱，在超载车的日积月累不断作用下，铰缝、整体化层和铺装层从产生裂缝到开裂、断裂，最后在超载货车冲击力作用下导致边部空心板翻转而塌陷，产生严重的后果。作为空心板梁桥重要部位的铰缝混凝土在桥面荷载作用下受到剪力和弯矩的共同作用，但由于铰缝空间狭小，施工不便，混凝土的浇筑质量及新旧混凝土间的粘结性能均无法得到保障，从而削弱铰缝承载力，最终影响板桥整体的受力性能，降低桥梁的最终使用寿命，且存在重大的安全隐患。
装配式空心板桥铰缝的损伤问题较为普遍，针对该问题目前国内预制板桥铰缝连接构造的规范做法是通过增设铰缝构造钢筋来加强铰缝与空心板之间的连接整体性，也有学者提出了改进的连接方式，如牛腿横向连接方式、榫卯横向连接方式、铰缝加楞构造改进连接方式和铰缝加工字钢连接方式。铰缝的规范做法能够保证成桥后板的整体性，但因需在狭小的缝隙中绑扎钢筋、浇筑混凝土，振捣和养护，铰缝的施工质量难以得到保障；牛腿连接传力机理明确，其截面形式及配筋率的确定已有完善的计算方法，但牛腿连接面处并未通过一定的构造措施进行刚性连接，连接面处容易分离，结构的整体性受到影响；榫卯连接的空心板桥整体性有所提高，且无铰缝连接，耐久性要优于铰缝连接，同时连接部位无需进行构造钢筋的绑扎及混凝土的浇筑，施工工艺相对简单，但因梁板截面不对称，在车辆荷载作用下，截面两侧位移变化不一致，易在连接处形成空隙，影响结构的受力性能；铰缝加工字钢的连接方式，工字钢的加入需进行除锈、吊装、混凝土浇筑等一系列工艺，同时，桥梁建设造价也会提高。同时工程实践也表明以上方法并没有很好的解决铰缝损伤的问题，施工工艺也较为复杂。基于以上分析，针对现有铰缝连接技术的缺陷和不足，设计一种的板桥铰缝连接件极为必要，该连接件提高了空心板桥梁上部结构的整体性，通过对连接件的应力验算使其满足了空心板桥的应力要求，本发明结构设计合理、连接性能优良、施工便捷、经济安全。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供一种空心板桥铰缝连接件及其应力验算方法，提高了空心板桥梁上部结构的整体性，通过对连接件的应力验算使其满足了空心板桥的应力要求。
为实现所述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种空心板桥铰缝连接件，包括至少两个空心板本体及其之间的铰缝，所述空心板本体的侧壁上间隔布设有锚板，所述锚板从上至下横向布设有至少三根钢筋，位于锚板上部的所述钢筋的一端向上设有直角折弯，位于锚板下部的所述钢筋的一端向下设有直角折弯；所述铰缝上部布设有抗剪连接件、下部布设有抗弯连接件，所述抗剪连接件包括第一连接板，所述第一连接板与锚板焊接，所述第一连接板上以中线为对称轴纵向对称开设有一列连接孔，所述连接孔内均横向布设有剪力栓钉；
所述抗弯连接件包括第二连接板，所述第二连接板呈长方形，第二连接板的两端分别对称固定布设有锚栓，所述锚栓上部位于空心板本体内，锚栓上部相对布设有直角折弯。
进一步地，所述锚板呈正方形，相邻空心板本体侧壁上布设的锚板前后错开；与锚板焊接的第一连接板前后错开，前后相连接的第一连接板上的连接孔相对应；所述第一连接板截面呈梯形。
进一步地，所述锚板与钢筋焊接。
进一步地，一列所述连接孔的数量至少为三个。
进一步地，所述第二连接板的中线与铰缝的中线重合。
进一步地，所述第二连接板每端的锚栓数量至少为一个。
基于一种空心板桥铰缝连接件的一种空心板桥铰缝连接件的应力验算方法，包括以下步骤：
所述空心板桥铰缝连接件的应力包括抗剪连接件的应力和抗弯连接件的应力；
步骤1：获取抗剪连接件的应力；假设所述抗剪连接件受力时只承担剪力作用，所述抗剪连接件的应力包括第一连接板的抗剪应力和剪力栓钉的抗剪应力；
步骤2：得出抗弯连接件的应力；假设抗弯连接件受力时只承担弯矩作用；所述抗弯连接件的应力为锚栓的抗弯应力；
步骤3：验算所述第一连接板5的抗剪应力τ1、剪力栓钉6的抗剪应力τ2是否小于其自身材料所承受的抗剪容许应力；验算所述锚栓8的抗弯应力τ3是否小于其自身材料所承受的抗弯容许应力。
进一步地，所述步骤1具体包括：
步骤1.1：计算第一连接板的抗剪应力；
确定第一连接板去除连接孔后的面积A0；
其中，t为第一连接板的板厚，h为第一连接板的高度，m为每个抗剪连接件上连接孔的个数为，d为连接孔的孔径，在使用的过程中每平米空心板本体所承受的总剪力为V；
计算每平米第一连接板去除连接孔后的面积A1；
其中，n为每平米抗剪连接件个数；
得出第一连接板的抗剪应力τ1为：
步骤1.2：计算剪力栓钉的抗剪应力；
确定剪力栓钉的面积A2；
其中，d′为剪力栓钉直径；i为剪力栓钉受剪面数目，此处i＝1，
计算每平米剪力栓钉的面积A3；
得出剪力栓钉的抗剪应力τ2为：
进一步地，所述步骤2具体包括：
步骤2.1：计算第二连接板的受压区高度x；
由正截面受弯承载力的基本公式可得：
α1fcbx＝fyAs(2.1)
其中，fc为铰缝混凝土强度，为混凝土受压区等效矩形应力图系数，b为第二连接板的宽度，fy为第二连接板的屈服应力；As为抗剪连接件应力截面积；
其中，h1为空心板梁高，t1为第二连接板的厚度；
式(2.1)和式(2.2)结合得出第二连接板的受压区高度x为：
其中，每平米抗弯连接件所承受的总弯矩为M；
步骤2.2：确定所述第二连接板的厚度b为：
b＝As/(t1·n1)(2.4)
步骤2.3：计算所述锚栓的截面面积A4为：
其中，d1为锚栓的直径；
步骤2.4：得出锚栓的抗弯应力τ3为：
其中，k为每平米抗弯连接件的个数，j为每个第二连接板上一端锚栓的数量。
本发明的有益效果是：
本发明一种空心板桥铰缝连接件及其应力验算方法，通过在空心板桥铰缝内分别布设抗剪连接件和抗弯连接件，通过抗剪连接件的安装及其应力的计算，使其满足了空心板桥抗剪应力的要求；抗剪连接件的结构设计简单合理，且便于大量的制作，成本低；抗剪连接件通过与锚板的焊接，增强了铰缝承载力，提高了空心板桥结构的整体性及整体的受力性能，同时，避免了由于混凝土的浇筑质量及新旧混凝土间的粘结性能对受力的影响；延长了桥梁的使用寿命；抗弯连接件的安装及其应力的计算，使其满足了空心板桥抗弯应力的要求，抗剪连接件和抗弯连接件分别满足了应力要求，因此两者结合更能满足空心板桥整体的受力，增强了桥梁整体的承载力，提高了桥梁的安全性。
本发明结构设计合理、连接性能优良、施工便捷、经济安全。
附图说明
图1是本发明一种空心板桥铰缝连接件的使用结构示意图。
图2是本发明一种空心板桥铰缝连接件的结构示意图。
图3是本发明一种空心板桥铰缝连接件的图1的俯视图。
图4是本发明一种空心板桥铰缝连接件的图3中A处的放大图。
图中标号为：1为空心板本体，2为铰缝，3为钢筋，4为锚板，5为第一连接板，6为剪力栓钉，7为第二连接板，8为锚栓，9为连接孔。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
实施例1：如图1～图4所示，一种空心板桥铰缝连接件，包括至少两个空心板本体1及其之间的铰缝2，所述空心板本体1的侧壁上间隔布设有锚板4，所述锚板4从上至下横向布设有至少三根钢筋3，位于锚板4上部的所述钢筋3的一端向上设有直角折弯，位于锚板4下部的所述钢筋3的一端向下设有直角折弯；所述铰缝2上部布设有抗剪连接件、下部布设有抗弯连接件，所述抗剪连接件包括第一连接板5，所述第一连接板5与锚板4焊接，所述第一连接板5上以中线为对称轴纵向对称开设有一列连接孔9，所述连接孔9内均横向布设有剪力栓钉6；所述抗弯连接件包括第二连接板7，所述第二连接板7呈长方形，第二连接板7的两端分别对称固定布设有锚栓8，所述锚栓8上部位于空心板本体1内，锚栓8上部相对布设有直角折弯。
所述锚板4呈正方形，相邻空心板本体1侧壁上布设的锚板4前后错开；与锚板4焊接的第一连接板5前后错开，前后相连接的第一连接板5上的连接孔9相对应；所述第一连接板5截面呈梯形；所述锚板4与钢筋3焊接；一列所述连接孔9的数量至少为三个；所述第二连接板7的中线与铰缝2的中线重合；所述第二连接板7每端的锚栓8的数量至少为一个。
本发明一种空心板桥铰缝连接件的安装方法如下：
(一)：在预制空心板本体1时，将锚板4与钢筋3提前埋进空心板梁中；
(二)：安装抗剪连接件：将相邻空心板本体1侧壁上的锚板4分别与第一连接板5焊接，并使第一连接板5交错布设，第一连接板5上的连接孔9前后对应；
(三)：在相邻的第一连接板5的连接孔9内安装剪力栓钉6，使两个第一连接板5固定在一起；
(四)：安装抗弯连接件：在空心板本体1的下部固定第二连接板7，并通过锚栓8将第二连接板7与空心板本体1连接；
(五)：抗弯连接件安装后，对空心板本体1下部的铰缝2采用水泥砂浆进行填充；抗剪连接件安装完成后，采用混凝土对铰缝2的空隙部位进行浇筑填充；通过上述方法完成了抗剪连接件和抗弯连接件的安装。
实施例2：基于一种空心板桥铰缝连接件的一种空心板桥铰缝连接件的应力验算方法，包括以下步骤：
所述空心板桥铰缝连接件的应力包括抗剪连接件的应力和抗弯连接件的应力；
步骤1：获取抗剪连接件的应力；假设所述抗剪连接件受力时只承担剪力作用，所述抗剪连接件的应力包括第一连接板5的抗剪应力τ1和剪力栓钉6的抗剪应力τ2；
步骤2：获取抗弯连接件的应力；假设抗弯连接件受力时只承担弯矩作用；所述抗弯连接件的应力为锚栓8的抗弯应力τ3；
步骤3：验算所述第一连接板5的抗剪应力τ1、剪力栓钉6的抗剪应力τ2是否小于其自身材料所承受的抗剪容许应力；验算所述锚栓8的抗弯应力τ3是否小于其自身材料所承受的抗弯容许应力。
所述步骤1具体包括：
步骤1.1：计算第一连接板5的抗剪应力；
确定第一连接板5去除连接孔9后的面积A0；
其中，t为第一连接板5的板厚，h为第一连接板5的高度，m为每个抗剪连接件上连接孔9的个数为，d为连接孔9的孔径，在使用的过程中每平米空心板本体1所承受的总剪力为V；
计算每平米第一连接板5去除连接孔9后的面积A1；
其中，n为每平米抗剪连接件个数；
得出第一连接板5的抗剪应力τ1为：
步骤1.2：计算剪力栓钉6的抗剪应力；
确定剪力栓钉6的面积A2；
其中，d′为剪力栓钉6直径；i为剪力栓钉6受剪面数目，此处i＝1，
计算每平米剪力栓钉6的面积A3；
得出剪力栓钉6的抗剪应力τ2为：
所述步骤2具体包括：
步骤2.1：计算第二连接板7的受压区高度x；
由正截面受弯承载力的基本公式可得：
α1fcbx＝fyAs(2.1)
其中，fc为铰缝2混凝土强度，为混凝土受压区等效矩形应力图系数，b为第二连接板7的宽度，fy为第二连接板7的屈服应力；As为抗剪连接件应力截面积；
值得注意的是：当混凝土强度等级≤C50时，取α1＝1.0；当混凝土强度等级为C80时，取α1＝0.94；对介于C50～C80之间的混凝土强度等级，α1值由线性内插法确定；
其中，h1为空心板梁高，t1为第二连接板7的厚度；
式(2.1)和式(2.2)结合得出第二连接板7的受压区高度x为：
其中，每平米抗弯连接件所承受的总弯矩为M；
步骤2.2：确定所述第二连接板7的厚度b为：
b＝As/(t1·n1) (2.4)
步骤2.3：计算所述锚栓8的截面面积A4为：
其中，d1为锚栓8的直径；
步骤2.4：得出锚栓8的抗弯应力τ3为：
其中，k为每平米抗弯连接件的个数，j为每个第二连接板7上一端锚栓8的数量。
对于所述步骤3中，验算所述第一连接板5的抗剪应力τ1、剪力栓钉6的抗剪应力τ2是否小于其自身材料所承受的抗剪容许应力；验算所述锚栓8的抗弯应力τ3是否小于其自身材料所承受的抗弯容许应力；若是，则抗剪连接件的抗剪应力和抗弯连接件的抗弯应力均满足容许应力要求，若否，则不满足应力要求。
其中，根据《机械设计手册》记载，对于不同材料自身所承受的许用切应力计算公式如下：
塑性材料的许用切应力：[τ]＝(0.5-0.7)*[σ]
脆性材料的许用切应力：[τ]＝(0.8-1)*[σ]
其中，对于不同材料自身所承受的许用挤压应力计算公式如下：
塑性材料的许用挤压应力：[β]＝(1.5-2.5)*[σ]
脆性材料的许用挤压应力：[β]＝(0.9-1.5)*[σ]
其中，[σ]为材料自身的许用应力；上述许用切应力即为抗剪容许应力，许用挤压应力即为抗弯容许应力。
通过一种空心板桥铰缝连接件的应力验算方法，对抗剪连接件和抗弯连接件中各个部件的抗剪应力和抗弯应力进行验算，其应力均能满足自身材料所承受的容许应力及空心板桥性能参数的要求，因此连接件能满足空心板桥整体的受力，增强了桥梁整体的承载力，提高了桥梁的安全性。
以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。
Claims (8)
1.一种空心板桥铰缝连接件的应力验算方法，其特征在于，一种空心板桥铰缝连接件，包括至少两个空心板本体(1)及其之间的铰缝(2)，所述空心板本体(1)的侧壁上间隔布设有锚板(4)，所述锚板(4)从上至下横向布设有至少三根钢筋(3)，位于锚板(4)上部的所述钢筋(3)的一端向上设有直角折弯，位于锚板(4)下部的所述钢筋(3)的一端向下设有直角折弯；所述铰缝(2)上部布设有抗剪连接件、下部布设有抗弯连接件，所述抗剪连接件包括第一连接板(5)，所述第一连接板(5)与锚板(4)焊接，所述第一连接板(5)上以中线为对称轴纵向对称开设有一列连接孔(9)，所述连接孔(9)内均横向布设有剪力栓钉(6)；
所述抗弯连接件包括第二连接板(7)，所述第二连接板(7)呈长方形，第二连接板(7)的两端分别对称固定布设有锚栓(8)，所述锚栓(8)上部位于空心板本体(1)内，锚栓(8)上部相对布设有直角折弯；
所述应力验算方法包括以下步骤：
所述空心板桥铰缝连接件的应力包括抗剪连接件的应力和抗弯连接件的应力；
步骤1：获取抗剪连接件的应力；假设所述抗剪连接件受力时只承担剪力作用，所述抗剪连接件的应力包括第一连接板(5)的抗剪应力τ1和剪力栓钉(6)的抗剪应力τ2；
步骤2：获取抗弯连接件的应力；假设抗弯连接件受力时只承担弯矩作用；所述抗弯连接件的应力为锚栓(8)的抗弯应力τ3；
步骤3：验算所述第一连接板（5）的抗剪应力τ1、剪力栓钉（6）的抗剪应力τ2是否小于其自身材料所承受的抗剪容许应力；验算所述锚栓（8）的抗弯应力τ3是否小于其自身材料所承受的抗弯容许应力。
2.根据权利要求1所述的一种空心板桥铰缝连接件的应力验算方法，其特征在于，所述锚板(4)呈正方形，相邻空心板本体(1)侧壁上布设的锚板(4)前后错开；与锚板(4)焊接的第一连接板(5)前后错开，前后相连接的第一连接板(5)上的连接孔(9)相对应；所述第一连接板(5)截面呈梯形。
3.根据权利要求1所述的一种空心板桥铰缝连接件的应力验算方法，其特征在于，所述锚板(4)与钢筋(3)焊接。
4.根据权利要求1所述的一种空心板桥铰缝连接件的应力验算方法，其特征在于，一列所述连接孔(9)的数量至少为三个。
5.根据权利要求1所述的一种空心板桥铰缝连接件的应力验算方法，其特征在于，所述第二连接板(7)的中线与铰缝(2)的中线重合。
6.根据权利要求1所述的一种空心板桥铰缝连接件的应力验算方法，其特征在于，所述第二连接板(7)每端的锚栓(8)数量至少为一个。
7.根据权利要求1所述的一种空心板桥铰缝连接件的应力验算方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
步骤1.1：计算第一连接板(5)的抗剪应力；确定第一连接板(5)去除连接孔(9)后的面积A0；
其中，t为第一连接板(5)的板厚，h为第一连接板(5)的高度，m为每个抗剪连接件上连接孔(9)的个数，d为连接孔(9)的孔径，在使用的过程中每平米空心板本体(1)所承受的总剪力为V；
计算每平米第一连接板(5)去除连接孔(9)后的面积A1；
其中，n为每平米抗剪连接件个数；
得出第一连接板(5)的抗剪应力τ1为：
步骤1.2：计算剪力栓钉(6)的抗剪应力；
确定剪力栓钉(6)的面积A2；
其中，d′为剪力栓钉(6)直径；i为剪力栓钉(6)受剪面数目，此处i＝1，
计算每平米剪力栓钉(6)的面积A3；
得出剪力栓钉(6)的抗剪应力τ2为：
。
8.根据权利要求1所述的一种空心板桥铰缝连接件的应力验算方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
步骤2.1：计算第二连接板(7)的受压区高度x；
由正截面受弯承载力的基本公式可得：
α1fcbx＝fyAs (2.1)
其中，fc为铰缝(2)混凝土强度，为混凝土受压区等效矩形应力图系数，b为第二连接板(7)的宽度，fy为第二连接板(7)的屈服应力；As为抗剪连接件应力截面积；
其中，h1为空心板梁高，t1为第二连接板(7)的厚度；
式(2.1)和式(2.2)结合得出第二连接板(7)的受压区高度x为：
其中，每平米抗弯连接件所承受的总弯矩为M；
步骤2.2：确定所述第二连接板(7)的厚度b为：
b＝As/(t1·n1) (2.4)
步骤2.3：计算所述锚栓(8)的截面面积A4为：
其中，d1为锚栓(8)的直径；
步骤2.4：得出锚栓(8)的抗弯应力τ3为：
其中，k为每平米抗弯连接件的个数，j为每个第二连接板(7)上一端锚栓(8)的数量。
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