CN109629415B - 一种栓钉-螺栓嵌入式复合连接钢-uhpc薄板组合结构体系 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种栓钉‑螺栓嵌入式复合连接钢‑UHPC薄板组合结构体系，包括钢梁、UHPC薄板、高强螺栓、短钉，所述钢梁表面设有N列预留孔，所述高强螺栓穿过预留孔连接短钉，短钉与高强螺栓连接后在短钉内部形成真空，所述UHPC薄板浇筑在钢梁上方，本发明利用UHPC较高的抗压强度，减小板厚，从而达到减轻结构自重的目的。同时在UHPC中配有混杂纤维，提高UHPC的抗拉强度，达到防止UHPC桥面板开裂的效果。在界面连接上，通过使用大直径栓钉和高强螺栓进行嵌入式连接形成复合连接技术。既免除了栓钉焊接工作量，加快了施工效率。同时采用部分真空形成界面主动控制区域，提高了界面连接效率。而且降低结构拆除和替换时对起重设备的要求。

Description

一种栓钉-螺栓嵌入式复合连接钢-UHPC薄板组合结构体系
技术领域
本发明属于土木工程领域中的组合结构领域，具体涉及一种栓钉-螺栓嵌入式复合连接钢-UHPC薄板组合结构体系。
背景技术
传统钢混组合结构主要将钢梁与普通混凝土桥面板通过栓钉等剪力连接件形成组合截面共同受力。相对于钢桥结构体系，组合结构桥梁能够降低结构造价，而相对于混凝土桥梁，组合结构桥梁又能有效降低结构自重。因此该结构体系充分发挥了钢结构与混凝土结构在施工性能和力学性能方面的优势，同时又具备良好的经济性。但国内外学者的研究表明：普通钢混组合桥梁结构由于其混凝土桥面板自重大，限制了结构的跨越能力。而且上部结构的较大自重将导致下部结构的建设费用较高，进一步约束了组合结构的适用性。同时普通混凝土桥面板由于抗拉强度低等特性使得桥面板存在易开裂等问题，影响结构的耐久性等。传统的钢-混组合结构由于采用栓钉进行整体式焊接连接，在结构发生损伤和破坏时，不便于修复和替换。
为解决普通混凝土桥面板易发生开裂等问题，目前工程中应用的最广泛的技术手段是采用预应力技术施加一定的压应力储备，这些措施虽然在一定程度上能够对开裂问题等加以限制，但其增加了施工成本和难度，且混凝土本身的收缩徐变也容易导致部分预应力损失。
针对普通钢混组合结构桥梁的桥面板自重较大等问题，目前工程中主要采用空心截面或施加一定水平预应力等减轻结构自重。虽然这些措施在一定程度上能够减轻结构自重，但同时使得施工过程复杂，不便于实施。
针对现在的钢混组合结构体系进行修复和替换时，主要采用高强摩擦型螺栓连接，由于螺栓在穿过钢梁上的预留孔时，其表面的螺纹对钢梁或混凝土的孔壁将产生摩擦损伤，造成局部应力集中。尤其在动荷载作用下，严重降低界面连接的疲劳性能。
现行的钢混组合结构体系的界面直接采用高强螺栓进行连接时，螺栓同时穿过钢梁与混凝土板。当结构进行替换和拆除时，需要将混凝土板吊起高度至螺栓脱离钢梁孔后才能移除，其对起重设备提出了更高的要求。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种栓钉-螺栓嵌入式复合连接钢-UHPC薄板组合结构体系，利用UHPC较高的抗压强度，减小板厚，从而达到减轻结构自重的目的。同时在UHPC中配有混杂纤维，提高UHPC的抗拉强度，达到防止UHPC桥面板开裂的效果。在界面连接上，通过使用大直径栓钉和高强螺栓进行嵌入式连接形成复合连接技术。既免除了栓钉焊接工作量，加快了施工效率。同时采用部分真空形成界面主动控制区域，提高了界面连接效率。而且降低结构拆除和替换时对起重设备的要求。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种栓钉-螺栓嵌入式复合连接钢-UHPC薄板组合结构体系，包括钢梁、UHPC薄板、高强螺栓、短钉，所述钢梁表面设有N列预留孔，所述高强螺栓从下方穿过预留孔连接上方的短钉，所述短钉和高强螺栓形成的嵌入式复合剪力连接件，短钉与高强螺栓连接后在短钉内部形成真空，所述UHPC薄板浇筑在钢梁上方，所述短钉高度低于UHPC薄板高度。
进一步的，所述的短钉采用直径为30mm的大直径栓钉，其栓钉高度与UHPC板厚相适应。
进一步的，所述的高强螺栓采用强度等级为8.8级及以上的高强摩擦型螺栓，螺栓直径小于栓钉直径。
进一步的，所述的UHPC薄板需要采用掺入混杂纤维的UHPC进行制作，主要采用体积掺量分别为1.5%的平直钢纤维和0.5%的端部弯钩纤维。
进一步的，所述的钢梁上预留孔直径均略大于高强螺栓螺杆的直径。
本发明的有益效果是：
1.该发明在界面处采用直径为30mm的栓钉连接，超过了常规尺寸的栓钉（常规栓钉尺寸为13-25mm），既增大了界面抗剪强度，同时由于减少了所需栓钉的数量，提高了界面施工效率；同时采用高强螺栓进行嵌入式连接，既能够免除焊接过程，加快施工速度；同时避免了焊接过程对钢梁和栓钉的损伤，增强了界面连接的抗疲劳性能；
2.该发明体系采用高强螺栓嵌入大直径栓钉内部并形成部分真空段的连接形式，易于形成有效的薄弱的截面，构成主动控制破坏区域；
3.所采用的UHPC薄板因掺入混杂纤维而具有较高的抗拉强度，能够提高负弯矩区抗裂性，而且其较高的密实性和“窄而密”的裂缝分布特征有利于提高结构的耐久性；
4.该新型组合结构体系可以通过调整高强螺栓不同的直径和螺栓的嵌入深度实现不同的界面连接刚度，满足界面的滑移特性；
5.该复合式剪力件中的嵌入式螺栓在钢梁翼缘深度范围的表面无螺纹，可以有效避免螺纹对钢梁孔壁的损伤，减小在动荷载下的疲劳损伤；
6.该结构体系采用栓钉和高强螺栓嵌入式连接，能够充分发挥栓钉和高强螺栓的优点；界面处通过大直径栓钉能够发挥界面抗剪连接作用，当结构发生损伤或破坏需要修复和替换时，可以利用螺栓可替换的特点，完全拆卸螺栓，将UHPC板水平移除，对体系中的破坏部件进行替换。
附图说明
图1是本发明钢梁与UHPC薄板体系及界面连接示意图；
图2是本发明中钢梁及其界面连接构造纵向剖面图；
图3是本发明中钢梁及其界面连接构造横向剖面图；
图4是本发明中复合剪力连接件示意图。
附图标记列表：
1-短钉、2-栓钉内螺纹、3-高强螺栓、4-螺栓外螺纹、5-复合式剪力连接件、6-钢梁、8-垫片、9-UHPC薄板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
实施例：
本发明是一种栓钉-螺栓嵌入式复合连接的钢-UHPC薄板组合结构体系及与之相适应的界面连接技术。该结构体系主要包括铺在钢梁6上的UHPC薄板9和在钢梁6上布置的短钉1和嵌入式高强螺栓3形成的复合式剪力连接件5；在界面横向，连接件关于纵向中心线对称布置，最终使得钢梁6和UHPC薄板9通过界面复合式剪力连接件5形成新型组合结构体系。
所述的复合式剪力连接件5数量、高强螺栓3的嵌入深度和栓钉预制螺纹构造均通过界面滑移量的实际需求确定。
所述的桥面板采用混杂纤维配置的UHPC薄板9，其厚度根据结构实际力学性能需求计算确定。
本发明具体实施过程如下：
步骤1: 在钢梁上预先根据高强螺栓螺杆的直径和相应的螺栓位置钻预留孔定位，预留孔的直径略大于螺杆的直径；
步骤2: 对所采用的短钉预制相应直径和相应深度的内螺纹，使其与对应嵌入的螺杆相匹配，形成复合式剪力连接件；
步骤3: 在步骤（1）钻孔的位置布置短钉，由于短钉直径大于内部孔径，将其安放于钢梁上，将高强螺栓嵌入到短钉内部并采用垫片加以拧紧固定；
步骤4: 浇筑UHPC薄板层，使钢和UHPC薄板连接形成组合结构整体。
在本实例中，步骤4的UHPC薄板采用混杂纤维配制的UHPC浇筑而成的，包括平直钢纤维和端部带弯钩的钢纤维，其厚度根据结构实际力学性能要求确定。
本实例具体通过大直径短钉和高强螺栓所形成的嵌入式复合连接件形成的新型钢-UHPC薄板组合结构体系，综合利用了栓钉抗剪刚度大和螺栓连接可拆卸替换的优势，形成了使用状态下刚度大和极限状态下便于修复替换等结构特征，同时拆卸后的部分构件可以重复利用，有利于资源节约。该新型界面连接组合结构体系中采用UHPC桥面板，既减轻了结构自重，又提高了结构耐久性和材料的循环利用效率，因此该结构体系具有显著的技术和经济价值。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (5)

1.一种栓钉-螺栓嵌入式复合连接钢-UHPC薄板组合结构体系，其特征在于：包括钢梁、UHPC薄板、高强螺栓、短钉，所述钢梁表面设有N列预留孔，所述高强螺栓从下方穿过预留孔连接上方的短钉，所述短钉和高强螺栓形成的嵌入式复合剪力连接件，短钉与高强螺栓连接后在短钉内部形成真空，所述UHPC薄板浇筑在钢梁上方，所述短钉高度低于UHPC薄板高度。
2.根据权利要求1所述的一种栓钉-螺栓嵌入式复合连接钢-UHPC薄板组合结构体系，其特征在于：所述的短钉采用直径为30mm的大直径栓钉。
3.根据权利要求1所述的一种栓钉-螺栓嵌入式复合连接钢-UHPC薄板组合结构体系，其特征在于：所述的UHPC薄板采用掺入混杂纤维的UHPC进行制作，掺入量占总体积比分别为1.5%的平直钢纤维和0.5%的端部弯钩纤维。
4.根据权利要求1所述的一种栓钉-螺栓嵌入式复合连接钢-UHPC薄板组合结构体系，其特征在于：所述的钢梁上预留孔直径大于高强螺栓螺杆的直径。
5.根据权利要求1所述的一种栓钉-螺栓嵌入式复合连接钢-UHPC薄板组合结构体系的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1: 在钢梁上预先根据高强螺栓螺杆的直径和相应的螺栓位置钻预留孔定位，预留孔的直径大于螺杆的直径；
步骤2: 对所采用的短钉预制相应直径和相应深度的内螺纹，使其与对应嵌入的螺杆相匹配，形成复合式剪力连接件；
步骤3: 在步骤（1）钻孔的位置布置短钉，由于短钉直径大于内部孔径，将其安放于钢梁上，将高强螺栓嵌入到短钉内部并采用垫片加以拧紧固定；
步骤4: 浇筑UHPC薄板层，使钢和UHPC薄板连接形成组合结构整体。
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