CN109736197B - 一种钢板托-斜钉集簇式界面连接钢-uhpc薄板组合结构体系 - Google Patents
一种钢板托-斜钉集簇式界面连接钢-uhpc薄板组合结构体系 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种钢板托‑斜钉集簇式界面连接钢‑UHPC薄板组合结构体系，主要采用超高性能混凝土（UHPC）制成超薄的桥面板，与钢梁在界面处通过一种含钢板板托的集簇式斜钉进行连接形成新型高效组合结构体系。本发明采用UHPC作为桥面板材料，能够降低结构自重，增强结构跨越能力。采用该种连接件，可以发挥钢板托刚性连接和栓钉柔性连接的综合优势。在正常使用阶段利用钢板板托的刚性连接减小界面滑移量，在极限状态时，采用栓钉柔性连接件特点，弥补钢板托作为刚性连接件延性不足的缺陷。而且侧向布置的栓钉可以增强钢‑UHPC界面的抗剪性能。同时在UHPC板中，短斜钉的交错布置可以作为UHPC板的加劲桁架，提高UHPC板的刚度，从而增强组合截面的整体刚度。
Description
技术领域
本发明属于土木工程领域中的组合结构领域，具体涉及一种钢板托-斜钉集簇式界面连接钢-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结构存在易开裂等问题，影响结构的耐久性等。
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。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种钢板托-斜钉集簇式界面连接钢-UHPC薄板组合结构体系，利用UHPC较高的抗压强度来减小受压区板厚，从而达到减轻结构自重的目的。同时在UHPC中配有混杂纤维，能够较大提高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，通过使用大直径短钉和钢板托相结合形成组合式剪力连接技术，使得钢板托与栓钉连接件在正常使用阶段和极限状态分别发挥主要作用，形成不同阶段刚—柔可控的组合结构新体系。既提高了组合结构的极限承载力，同时弥补了刚性连接件延性不足的缺陷。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种钢板托-斜钉集簇式界面连接钢-UHPC薄板组合结构体系，包括钢梁、UHPC薄板、钢板托、短钉，所述钢板托的纵截面为等腰梯形结构，多个钢板托的底面与钢梁连接，所述短钉垂直设置在钢板托两侧的斜面以及前后两端，所述UHPC薄板浇筑在钢梁上方，钢板托与短钉的组合体均匀分布在UHPC薄板内部。
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，所述的侧向短钉直径与斜钉尺寸、形状相同。
进一步的，所述的钢板托斜边长度根据栓钉直径和斜边倾角确定，而钢板纵向焊缝长度根据斜边长度和倾角确定，钢板托的斜边最佳角度控制在30至60度之间。
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50-80mm厚的UHPC薄板要根据钢板板托厚度、栓钉倾角和栓钉高度确定。
本发明的有益效果是：
1.该发明在界面处采用直径为30mm的大短钉连接，将其焊接于板托斜边上，增大了栓钉和板托界面抗剪强度，提高了栓钉和板托连接的整体性；
2.该发明综合运用了钢板托和大直径短钉作为剪力连接件各自的优势。在正常使用阶段，主要依靠钢板作为刚性界面连接件的特征，减小其界面滑移，在荷载作用后期，由于栓钉的柔性抗剪特征，产生较大变形，满足了结构极限状态延性要求；
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.该组合结构体系可以通过调整钢板托的倾角来控制斜向栓钉的倾角，从而改变栓钉的抗侧刚度，使其满足极限状态和正常使用状态滑移性能的需求；
5.该结构体系通过板托的刚性连接提高界面的抗剪刚度，其刚性特性与UHPC的高抗压特点相适应，能够充分发挥其刚度大的优势。而且极限状态下，使栓钉先于钢板托发生破坏，既保证了界面连接效率，同时利用了栓钉柔性连接特点，提高结构延性水平；
6.该结构体系的侧向栓钉能够协助钢板托参与受力，增强钢板托的侧向约束作用，提高界面的抗剪性能；
7.该结构体系中斜短钉可以形成UHPC薄板的桁架腹杆，增加UHPC薄板的抗侧刚度，从而加强UHPC薄板的截面刚度。
附图说明
图1是本发明钢梁与UHPC薄板体系及界面连接件整体布置接示意图；
图2是本发明中用到的集簇式斜钉-钢板托组合连接件示意图；
图3是本发明中钢板托-斜钉集簇式界面连接钢-UHPC薄板组合结构体系剖面图。
图中标号说明：
1-钢梁、2-UHPC薄板、3-钢板托、4-斜向短钉、5-前后两端短钉。
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：
本发明是一种高性能钢-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1上的UHPC薄板2，其界面通过在钢梁1上焊接的组合式剪力件连接，组合式剪力件由钢板托3和大直径短钉4焊接组合而成，钢板托3为梯形块，短钉4设置在钢板托3的斜面和两端。
所述的斜短钉和两端短钉采用直径30mm的大短钉。
所述的钢板托3斜边长度满足短钉直径和焊接要求，钢板托厚度根据斜边长度和倾角确定。
所述的桥面采用混杂纤维配置的UHPC薄板，其厚度根据板托的厚度、栓钉的倾角和高度计算确定，混杂纤维采用平直钢纤维和端部带弯钩钢纤维。
本发明具体实施过程如下：
步骤1：在工厂加工好设计的钢板托3，将斜短钉焊接于钢板托的斜边上和前后两端面，形成钢板托-集簇式斜钉组合式剪力件；
步骤2：将组合式剪力件焊接于钢梁1上，其焊接要求符合钢结构设计规（GB50017-2003）中相关规定；
步骤3：浇筑UHPC薄板层，使钢梁和UHPC薄板通过组合式剪力件连接形成整体组合截面。
在本实例中，步骤3的UHPC薄板2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，其厚度根据实际力学性能需求及栓钉的布置构造确定。
本实例具体采用了通过钢板托-斜钉组合式连接件进行界面混合连接形成的钢与UHPC薄板组合结构体系，综合利用了栓钉和钢板托各自的优势，形成了使用状态下刚度大和极限状态下延性好等特征。
该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。因此该结构体系具有显著的技术和经济价值。
该组合结构体系中的侧向大直径短钉可以为钢板托的抗剪提供一定的侧向约束，有利于增强界面抗剪刚度。
设置在UHPC薄板中的集簇式斜钉形成桁架斜腹杆体系，该桁架腹杆可以提高UHPC薄板的抗侧刚度，提高组合截面的整体刚度。
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 (6)
1.一种钢板托-斜钉集簇式界面连接钢-UHPC薄板组合结构体系，其特征在于：包括钢梁（1）、UHPC薄板（2）、钢板托（3）、短钉，所述钢板托（3）的纵截面为等腰梯形结构，多个钢板托（3）的底面与钢梁（1）连接，所述短钉垂直设置在钢板托（3）两侧的斜面以及前后两端，所述UHPC薄板（2）浇筑在钢梁（1）上方，钢板托与短钉的组合体均匀分布在UHPC薄板（2）内部。
2.根据权利要求1所述的一种钢板托-斜钉集簇式界面连接钢-UHPC薄板组合结构体系，其特征在于：所述的UHPC薄板（2）采用掺入混杂纤维的UHPC进行制作，加入量为体积百分比分别为1%的平直钢纤维和1%的端部弯钩纤维。
3.根据权利要求1所述的一种钢板托-斜钉集簇式界面连接钢-UHPC薄板组合结构体系，其特征在于：所述短钉采用30mm的大直径栓钉。
4.根据权利要求1所述的一种钢板托-斜钉集簇式界面连接钢-UHPC薄板组合结构体系，其特征在于：钢板托（3）两侧的斜面以及前后两端的短钉尺寸、形状相同。
5.根据权利要求1所述的一种钢板托-斜钉集簇式界面连接钢-UHPC薄板组合结构体系，其特征在于：钢板托两侧斜边上的短钉关于斜边中心对称布置，且两斜边上的短钉关于板托中心线对称布置。
6.根据权利要求1所述的一种钢板托-斜钉集簇式界面连接钢-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：在工厂加工好钢板托（3），将短钉焊接于钢板托的斜边上和前后两端面，形成钢板托-集簇式斜钉组合式剪力件；
步骤2：将组合式剪力件焊接于钢梁（1）上；
步骤3：浇筑UHPC薄板层，使钢梁（1）和UHPC薄板（2）通过组合式剪力件连接形成整体组合截面。
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