CN109736198B - 一种复合式界面预紧连接高性能钢-uhpc薄板组合结构体系 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种复合式界面预紧连接高性能钢‑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，与高强钢匹配使用，形成组合结构体系，充分发挥钢与UHPC的高效材料性能，钢‑UHPC界面处通过大直径栓钉和高强摩擦型螺栓混合连接形成新型可替换复合式高效组合结构体系。所述的混合型连接件中大直径短钉直接焊接在钢梁上翼缘，而高强螺栓则通过在钢梁上的预留孔中预埋的PVC管，与UHPC薄板采用无粘结技术连接形成整体。本发明采用UHPC作为桥面板材料时，能够降低结构自重，增强结构跨越能力。同时在界面采用大直径短钉和高强螺栓混合连接作为剪力件时，可以发挥栓钉和螺栓连接的协同优势。
Description
技术领域
本发明属于土木工程领域中的组合结构领域，具体涉及一种复合式界面预紧连接高性能钢-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，本发明公开了一种复合式界面预紧连接高性能钢-UHPC薄板组合结构体系，这是一种新型可替换复合式界面连接高性能钢-UHPC薄板组合结构体系及与之相适应的界面连接技术。主要利用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，通过使用大直径短钉和高强摩擦型螺栓混合配置形成复合连接技术，既提高了界面连接效率，同时减小栓钉焊接工作量，加快施工效率。而且，当螺栓发生断裂时，可以对螺栓进行快速替换，使结构恢复承载功能。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种复合式界面预紧连接高性能钢-UHPC薄板组合结构体系，包括钢梁、栓钉、UHPC薄板、PVC管、高强螺栓，所述UHPC薄板设置在钢梁上，钢梁上设有N组连接孔，所述PVC管插入连接孔内，所述栓钉间隔设置在相邻两组连接孔之间，所述栓钉高度低于UHPC薄板高度，所述高强螺栓插入PVC管内，高强螺栓的尾端连接垫片和螺母。
一种复合式界面预紧连接高性能钢-UHPC薄板组合结构体系的制作方法，先在钢梁上对应于高强螺栓的位置预先钻连接孔，在对应的孔内插入PVC管；然后在钢梁上布置栓钉的位置焊接大直径短钉，其中大直径短钉和PVC管等间距间隔布置；在钢梁上浇筑UHPC薄板，将高强螺栓插入PVC管内并安装垫片，拧紧螺母，使钢梁与UHPC薄板形成整体组合结构体系。
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薄板厚相适应。
进一步的，所述的高强螺栓采用强度等级为8.8级及以上，高强螺栓直径不超过栓钉直径。
进一步的，所述的UHPC薄板内掺入混杂纤维的UHPC进行制作，具体是采用体积掺量分别为1%的平直钢纤维和1%的端部弯钩纤维。
进一步的，所述的PVC管的直径和钢梁上连接孔直径大于高强螺栓的直径2-4mm。
本发明的有益效果是：
1.该发明在界面处采用直径为30mm的短钉连接，超过了常规尺寸的栓钉，既增大了界面抗剪强度，也减少了所需栓钉的数量。同时采用部分螺栓代替栓钉，能够简化施工过程，加快施工速度，提高了界面施工效率。
2.该发明综合运用了大直径栓钉和高强螺栓作为剪力连接件各自的优势。在外荷载作用前期，主要依靠大直径短钉较大的界面连接抗剪刚度和高强螺栓的预紧力所产生的界面摩擦作用来增强界面组合作用，减小界面滑移，弥补了高强螺栓作为剪力连接件滑移起始刚度小和动力性能差的缺陷。在荷载作用后期，针对栓钉作为界面剪力连接件时产生的界面相对滑移量较小的特点，部分采用螺栓代替栓钉，可以利用螺栓较大滑移能力来使结构满足延性要求。
3.采用大直径短钉连接时，由于栓钉长细比相对于普通栓钉要小，其抗拔能力相对普通栓钉要弱，采用栓钉和螺栓混合界面连接，可以利用高强螺栓的预紧力，提高界面大直径短钉的竖向抗拔能力，从而提高截面整体组合作用。
4.所采用的UHPC（超高性能混凝土）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。
5.该组合结构体系可以通过调整高强螺栓不同的直径和初始预紧力实现不同的界面连接刚度和极限承载能力，从而控制界面在不同受力状态下的连接性能，满足不同阶段的滑移特性。
6.该结构体系可以采用不同螺栓连接，通过控制螺栓的直径和预紧力，使其先于栓钉发生破坏。在螺栓剪坏后，可以对螺栓进行替换，保持结构继续承载。
7.该结构体系在负弯矩区采用螺栓和栓钉间隔布置，能够部分释放掉由于温度应力或收缩徐变在混凝土中产生的拉应力，降低UHPC板中受拉裂缝出现的风险。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的结构纵向剖面图；
图3是本发明中用到的界面处高强螺栓外侧PVC管布置图；
图4是本发明中用到的界面栓钉连接处剖面图；
图5是本发明中用到的界面螺栓连接处剖面图。
附图标记列表：
1-钢梁、2-UHPC薄板、3-栓钉、4-高强螺栓、5-钢梁连接孔、6-PVC管、7-螺母、8-垫片。
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：
本发明是一种复合式界面预紧连接高性能钢-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和在钢梁1上布置的大直径栓钉3和高强摩擦型螺栓4，最后大直径栓钉3均埋入在UHPC薄板2中，而高强螺栓4通过螺母7和垫片8，将UHPC薄板2和钢梁1连接成为一个整体，而且在界面横向，连接件关于纵向中心线对称布置，最终使得钢梁1和UHPC薄板2通过界面复合式剪力连接件形成新型组合结构体系。
所述的栓钉3和高强螺栓4数量均通过计算所得，栓钉3和螺栓4布置时沿梁轴线方向等间距布置，其纵向间距不小于5倍栓钉直径（150mm），垂直于梁轴线方向间距不小于4倍栓钉直径（120mm）。
所述的桥面板采用混杂纤维配置的50-80mm的UHPC薄板，混杂纤维采用体积纤维含量分别为1%的端部弯钩纤维和1%的平直纤维。
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孔定位，孔的直径略大于螺杆的直径；
步骤2：在钢梁上布置栓钉的位置焊接大直径栓钉（短钉）；
步骤3：在上述钻孔的位置插入PVC管，PVC管的直径比孔略小，比螺杆直径略大；
步骤4：浇筑UHPC薄板层；
步骤5：待UHPC薄板达到其设计强度后，插入螺杆，采用螺母和垫片进行固定，按照设计要求，施加预紧力，使钢梁和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，其厚度根据实际力学性能要求取得。
本实例具体采用了钢梁与UHPC薄板通过大直径短钉和高强摩擦型螺栓进行界面混合连接形成的新型复合式组合结构体系，综合利用了栓钉和高强螺栓各自的优势，形成了使用状态下刚度大和极限状态下延性好等特征。在负弯矩区，该结构体系能够释放温度应力和收缩徐变等在混凝土中产生的拉应力，有效降低了混凝土开裂的风险。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。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 (7)
1.一种复合式界面预紧连接高性能钢-UHPC薄板组合结构体系，其特征在于：包括钢梁（1）、栓钉（3）、UHPC薄板（2）、PVC管（6）、高强螺栓（4），所述UHPC薄板设置在钢梁（1）上，钢梁（1）上设有N组连接孔（5），所述PVC管（6）插入连接孔（5）内，所述栓钉（3）间隔设置在相邻两组连接孔之间，所述栓钉（3）高度低于UHPC薄板（2）高度，所述高强螺栓（4）插入PVC管（6）内，高强螺栓（4）的尾端连接垫片（8）和螺母（7）。
2.根据权利要求1所述的一种复合式界面预紧连接高性能钢-UHPC薄板组合结构体系，其特征在于所述的PVC管（6）的直径比高强螺栓（4）直径大。
3.根据权利要求1所述的一种复合式界面预紧连接高性能钢-UHPC薄板组合结构体系，其特征在于：所述的UHPC薄板（2）内掺入混杂纤维的UHPC进行制作，具体是采用体积掺量分别为1%的平直钢纤维和1%的端部弯钩纤维。
4.根据权利要求1所述的一种复合式界面预紧连接高性能钢-UHPC薄板组合结构体系，其特征在于：栓钉（3）与高强螺栓（4）等间距间隔布置。
5.根据权利要求1所述的一种复合式界面预紧连接高性能钢-UHPC薄板组合结构体系，其特征在于：栓钉（3）采用直径30mm的大直径短钉。
6.根据权利要求1所述的一种复合式界面预紧连接高性能钢-UHPC薄板组合结构体系，其特征在于：高强螺栓（4）强度等级在8.8级及以上，其直径不超过栓钉（3）直径。
7.根据权利要求1所述的一种复合式界面预紧连接高性能钢-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（1）上预先根据高强螺栓的直径和相应的螺栓位置钻连接孔（5）定位，连接孔的直径大于螺栓的直径；
步骤2：在钢梁上布置栓钉的位置焊接大直径栓钉（3）；
步骤3：在步骤（1）钻孔的位置插入PVC管（6），PVC管（6）的直径比连接孔（5）小，比螺栓直径大；
步骤4：浇筑UHPC薄板层；
步骤5：待UHPC薄板（2）达到其设计强度后，插入高强螺栓，用螺母（7）和垫片（8）进行固定，按照设计要求，施加预紧力，使钢梁（1）和UHPC薄板（2）连接形成组合结构整体。
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