CN112176850B - 一种钢-uhpc组合结构剪力连接件及其制作安装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钢‑UHPC组合结构剪力连接件及其制作安装方法,其包括成型钢筋和栓钉，所述成型钢筋的两端设置为平直段，中部弯折为弧形段，所述平直段与所述弧形段之间通过过渡段平滑连接，所述成型钢筋为四根，四根成型钢筋相互正交拼接成口型结构，且所述四根成型钢筋的平直段位于同一水平面内，弧形段竖直朝上设置，所述口型结构内侧的四个角上对称布置所述栓钉。钢梁的上表面设置横截面为U型的坡口，所述成型钢筋的平直段置于所述坡口中，且所述平直段与所述钢梁通过双面坡口焊连接。本发明能实现钢梁与UHPC板的牢固连接，从而能充分利用钢材和超高性能混凝土的材质特性。

Description

一种钢-UHPC组合结构剪力连接件及其制作安装方法
技术领域
本发明涉及桥梁工程，特别是一种钢-UHPC(超高性能混凝土)组合结构剪力连接件及其制作安装方法。
背景技术
目前大跨桥梁结构多以钢混组合结构为主，该结构充分结合了钢桥和混凝土桥的性能，但受混凝土自重大的影响，在轮载的反复作用下钢桥面板易产生疲劳裂纹、铺装层开裂及钢混结合面脱空等病害，从而影响结构的安全和使用寿命。超高性能混凝土(简称UHPC)是一种基于最大密实度原理配制的水泥基复合材料，具有优异的力学性能(抗压强度一般为120MPa以上，抗拉强度一般为7-10MPa)和耐久性，且超高性能混凝土能有效解决钢桥面板负弯矩位置的开裂问题，被认为是20世纪最具创新性的水泥基工程材料之一。因此，发展钢-UHPC组合结构可大大减轻桥梁结构自重，提高桥梁结构整体的力学性能和使用寿命。
剪力连接件是防止钢-UHPC组合结构界面产生水平相对滑移和分离，保证结构整体受力的关键部件之一。目前应用在钢-UHPC组合结构中的剪力连接件形式有很多种,常用的主要有栓钉剪力连接件、PBL连接件(即开孔钢板连接件)、槽钢剪力连接件及短钢筋剪力连接件等,这几类剪力连接件中,均具有一定的优点和不足之处。
栓钉剪力连接件结构简单,但其属于柔性连接件,变形能力较大,在竖向剪切荷载作用下栓钉根部剪应力明显大于端部，导致根部较早地退出工作，不能充分利用钢材和超高性能混凝土的材料特性。且由于UHPC板较薄，栓钉顶杆长度较小，不仅施工麻烦，而且在浇筑UHPC时栓钉钉帽下部将会产生空洞，导致栓钉作用失效，影响正常使用。
PBL剪力连接件是在钢梁上表面叠焊剪力连接钢板并在剪力连接钢板上开圆孔的剪力连接方式，其利用圆孔中后浇的混凝土及穿入的钢筋来抵抗剪力。PBL剪力连接件抗剪承载力较高，刚度大,但剪力连接钢板的用钢量大,工程成本较高，且施工工艺复杂。此外，由于剪力连接钢板的设置不利于钢筋网的铺设,且混凝土层的厚度要求较大，不适用于钢-UHPC组合结构(特别是钢-超薄UHPC组合结构)体系中。
槽钢剪力连接件强度高，刚度大，滑移小，但其体积较大,用钢量大,成本较高。制作过程中，剪力连接件的焊接容易导致钢梁上产生较大的残余应力和变形，影响结构的整体受力和变形。且由于钢-UHPC组合结构超高性能混凝土层的厚度较小，难以满足结构构造的要求。
短钢筋剪力连接件即将钢筋切断成小段且端部带一定倾斜角度，按一定间距平放并焊接在正交异性钢桥面板上，从而形成矮剪力件，以抵抗钢-UHPC界面间的剪切作用和拉拔作用。钢筋的直径一般可为16～20mm。短钢筋连接件具有抗剪强度高、刚度大、构造形式简单和施工方便、成本低等优点，有效地解决了钢-UHPC组合桥面板由于UHPC板过薄而难以采用常规剪力连接件的问题。但短钢筋剪力连接件的焊接工程量大，且对焊缝质量的要求较高，因而施工速度慢，不利于装配化施工。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对传统栓钉剪力件抗剪强度不足，栓钉根部较薄弱，钢材和UHPC的材料利用率较低，栓钉钉帽处容易产生开裂等问题，提供一种抗剪强度高、刚度大，施工工艺简单，工程成本低的钢-UHPC组合结构剪力连接件及其制作安装方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种钢-UHPC组合结构剪力连接件,包括成型钢筋和栓钉，所述成型钢筋的两端设置为平直段，中部弯折为弧形段，所述平直段与所述弧形段之间通过过渡段平滑连接，所述成型钢筋为四根，四根成型钢筋相互正交拼成口型结构，且所述四根成型钢筋的平直段位于同一水平面内，弧形段竖直朝上设置，所述口型结构内侧的四个角上对称布置所述栓钉。
本发明采用高延性热轧带肋钢筋弯制而成的成型钢筋相互正交拼接成口型结构，使用时，所述成型钢筋的平直段与钢梁焊接成一体，弧形段与UHPC板浇筑成一体，使得钢梁和UHPC板的性能都能得到充分的发挥，且剪力连接件的抗剪强度大幅提高、刚度增大。另外，本发明在口型结构内侧的四个角上分别布置栓钉，由于栓钉具有较高的抗剪强度和较好的抗弯拉能力，将其对称布置于口型结构的四个角上能有效提高口型结构角点处的抗弯剪强度。再有，本发明剪力连接件在工厂就可与钢梁焊接成一体，现场施工只需吊装到位，并进行UHPC板的现浇即可，因而简化了施工工艺，降低了工程成本。
为进一步提高本发明剪力连接件的抗剪强度和刚度，所述四根成型钢筋中的两根成型钢筋的两端分别与另两根成型钢筋的过渡段焊接成一体。
为保证剪力连接件的抗剪强度和刚度，所述平直段和弧形段的水平投影长度为所述成型钢筋的直径的4～6倍，所述过渡段的水平投影长度为所述成型钢筋的直径的1～2倍。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种钢-UHPC组合结构,其包括钢梁和UHPC板，所述钢梁与所述UHPC板之间通过所述剪力连接件连接，所述成型钢筋的平直段水平放置在所述钢梁的上表面，所述成型钢筋的弧形段置于所述UHPC板内，且所述成型钢筋的平直段与所述钢梁的上表面焊接成一体，所述成型钢筋的弧形段和过渡段与所述UHPC板现浇成一体，所述剪力连接件沿所述钢梁纵向的布置间距为所述成型钢筋直径的10～20倍，所述剪力连接件沿所述钢梁横向的布置间距为所述成型钢筋直径的6～10倍。
为有效提高钢-UHPC组合结构的抗剪强度和刚度，实现高强钢材和超高性能混凝土之间的协同受力作用，所述钢梁的上表面设置横截面为U型的坡口，所述剪力连接件的平直段置于所述坡口内，且所述剪力连接件的平直段与所述钢梁之间通过双面坡口焊连接。
所述坡口的深度优选为所述成型钢筋直径的四分之一。
所述栓钉的根部与所述钢梁的上表面焊接成一体，所述栓钉的上部置于所述UHPC板内。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种所述钢-UHPC组合结构的制作安装方法，其包括如下步骤：
(1)制作钢梁后，在钢梁的上表面根据剪力连接件的尺寸开设横截面为U型的坡口，并将剪力连接件的成型钢筋的平直段置于坡口内，利用双面坡口焊连接平直段与钢梁，利用透焊工艺将栓钉的根部焊接于钢梁的上表面上，且四根成型钢筋一组拼接成口型结构，各口型结构的内侧四个角上分别布置所述栓钉；
(2)待剪力连接件的焊接部位检验合格后，将钢梁吊运至施工现场；
(3)配制超高性能混凝土；
(4)在钢梁上表面支用于UHPC板成型的模板；
(5)绑扎UHPC板钢筋网，并将绑扎好的UHPC板钢筋网安放在模板内，且剪力连接件的弧形段、过渡段和栓钉置于模板内；
(6)在模板内浇筑超高性能混凝土，并进行蒸汽养护后拆模，常温晾干即可。
所述成型钢筋弯制过程需要先进行热处理，以免弯制过程中钢筋表面产生裂缝。
所述成型钢筋的直径一般为8～16mm。所述栓钉的直径一般为10-16mm。
所述UHPC板的抗压强度一般大于150MPa，抗拉强度一般为7～10MPa，厚度一般为35～50mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明剪力连接件构造简单，制作方便，能实现工厂批量化生产，且施工工艺简单，能有效缩短施工周期，较PBL剪力件而言，用钢量大大减少，有效降低了工程成本。较栓钉和焊接短钢筋剪力件而言，抗剪承载力、延性和抗剪刚度显著提高。
2、本发明剪力连接件抗剪强度高、刚度大、界面相对滑移量小，施工质量有保证。经试验验证，本发明剪力连接件的抗剪强度较传统栓钉剪力件提高了337.2％，刚度提高了665.46％。
3、本发明在钢梁上表面开设横截面为U型的坡口，成型钢筋的平直段置入坡口中，并与钢梁双面焊接，且栓钉采用透焊工艺，使本发明钢梁与剪力连接件焊缝处的抗剪强度高于剪力连接件的各部件本身，从而能有效发挥钢材(钢梁)的力学特性。因而，本发明解决了剪力连接件因焊接强度不足而较早退出工作，从而不能充分发挥钢材的强度作用，使得钢材性能利用率低的问题。
4、本发明剪力连接件中包括受力无方向性约束的栓钉，使得本发明剪力连接件不仅能承受纵向的正弯矩和负弯矩，还能承受横向弯矩，使得其延性性能大大提高，因而更适用于大跨斜拉桥和悬索桥等结构体系。
5、本发明剪力连接件的栓钉和成型钢筋内置于超高性能混凝土板内，有效利用了钢筋和混凝土之间的机械咬合力和粘结力，改善了栓钉顶帽处UHPC脱空的技术问题，从而保证了组合结构的整体性能，有利于充分发挥高强钢材和超高性能混凝土的材料特性。
6、本发明成型钢筋能有效提高组合结构的抗剪承载力，用钢量与栓钉、PBL等剪力连接件相比大大减少，且结构简单，价格低廉，具有广阔的应用前景。
7、由于钢-UHPC组合结构中，钢-UHPC板属于双向受力体系，因而本发明剪力连接件的纵向和横向对称布置栓钉和成型钢筋能有效提高UHPC板的横向抗弯和抗剪性能。
8、本发明剪力连接件的成型钢筋纵向和横向成对布置于栓钉外侧，并通过与钢梁上表面的双面坡口焊形成口型结构，不仅能解决传统剪力件抗剪的方向性限制的技术瓶颈，同时口型结构区域内的UHPC板在外部荷载作用下，受多向约束，体积发生膨胀，因而能进一步提高组合剪力件的整体抗剪强度和刚度，同时，由于UHPC内部的钢纤维具有一定的抗拉强度，且弧形钢筋具有较好的抗拉强度，故UHPC板的配筋率大大减小，从而有效的降低了工程成本，提高了UHPC板的抗裂性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明钢-UHPC组合结构的立体结构示意图。
图2为本发明成型钢筋的立体结构示意图。
图3为本发明栓钉的立体结构示意图。
图4为本发明钢梁的主视结构示意图。
图5为图4的俯视图。
图6为图4的左视图。
图7为本发明钢-UHPC组合结构的制作安装方法流程图。
图中：
1、成型钢筋；2、栓钉；3、钢梁；4、UHPC板；11、平直段；12、过渡段；13、弧形段；31、坡口。
具体实施方式
以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
为了便于描述，各部件的相对位置关系，如：上、下、左、右等的描述均是根据说明书附图的布图方向来进行描述的，并不对本专利的结构起限定作用。
如图1－图3所示，本发明钢-UHPC组合结构剪力连接件一实施例包括四根采用高延性的热轧带肋钢筋弯制而成的成型钢筋1，所述成型钢筋1的两端为平直段11，中部为弧形段13，所述平直段11与所述弧形段13之间通过过渡段12平滑连接，所述四根成型钢筋1相互正交拼接成口型结构(俯视状态)，口型结构的四个角上分别布置栓钉2，且其中两根成型钢筋1的两端分别与另两根成型钢筋1的过渡段12焊接成一体，并保证四根成型钢筋1的平直段11位于同一水平面内，弧形段13竖直朝上设置。
为进一步提高本发明剪力连接件的抗剪强度和刚度，所述成型钢筋1和栓钉分别在口型结构的纵向和横向对称设置。
为保证剪力连接件的抗剪强度和刚度，所述平直段11和弧形段13的水平投影长度为所述成型钢筋1的直径的4～6倍，所述过渡段13的水平投影长度为所述成型钢筋1的直径的1～2倍。
为保证剪力连接件与钢梁3焊接牢固，所述钢梁3的上表面设置横截面为U型的坡口31(如图4－图6所示)，所述成型钢筋1的平直段11置于坡口31内，所述平直段11与所述钢梁3通过双面坡口焊连接成一体。所述坡口31的深度等于成型钢筋1的半径。
为保证焊接牢固，所述坡口的深度优选为所述成型钢筋1直径的四分之一。
本发明钢-UHPC组合结构一实施例包括H型钢梁3和UHPC板4，所述钢梁3与所述UHPC板4之间通过所述剪力连接件连接。所述成型钢筋1的平直段11水平放置在所述钢梁3的上表面的坡口31内，且所述成型钢筋1的平直段11与所述钢梁3的上表面经双面坡口焊焊接成一体。所述成型钢筋1的过渡段12和弧形段13置于所述UHPC板4内，并与所述UHPC板4现浇成一体。所述栓钉2的根部在所述成型钢筋1的相交点内侧与所述钢梁3的上表面焊接成一体，所述栓钉2的上部置于所述UHPC板4内。所述剪力连接件沿所述钢梁3纵向的布置间距为所述成型钢筋1直径的10～20倍，所述剪力连接件沿所述钢梁3横向的布置间距为所述成型钢筋1直径的6～10倍。所述剪力连接件的具体布置数量应根部抗剪承载力验算值和施工及使用要求综合确定。
如图7所示，本发明钢-UHPC组合结构的制作安装方法包括如下步骤：
(1)制作钢梁3后，如图5所示，在钢梁3的上表面根据剪力连接件的平直段的分布开设横截面为U型的坡口，并将剪力连接件的成型钢筋1的平直段11置于坡口内，通过双面坡口焊连接平直段11与钢梁3，通过透焊工艺将栓钉2的根部焊接于钢梁3的上表面上，且四根成型钢筋1一组拼接成口型结构，各口型结构的内侧四个角上分别布置栓钉2；
(2)待剪力连接件的焊接部位检验合格后，将焊接好剪力连接件的钢梁吊运至施工现场；
(3)配制超高性能混凝土：超高性能混凝土来源为商品混凝土，混凝土中钢纤维参量为1.5％，且所参钢纤维为平直钢纤维。通过立方体抗压试验得知本实施例中混凝土抗压强度为167.405MPa。此外，超高性能混凝土也可根据设计要求自行配置，但必须满足超高性能混凝土强度的最低要求(不低于150MPa)；
(4)在钢梁3上表面支设用于UHPC板成型的模板：模板采用抗变形能力较强的木模板，制作过程中要确保拼接接缝处的密实性，确保整个浇筑和养护过程中不出现漏浆、蜂窝和麻面的常见病害；
(5)按设计图纸要求绑扎UHPC板钢筋网，并将绑扎好的UHPC板钢筋网按设计图纸要求安放在模板内的相应位置，且剪力连接件的弧形段13、过渡段12和栓钉2置于模板内(为了充分发挥钢筋网的作用，本发明中钢筋网就位时先在剪力连接件位置安放垫片进行位置固定)；
(6)现场浇筑超高性能混凝土，超高性能混凝土浇筑完成后，先用塑料膜进行密封，常温养护24小时后，在90℃蒸汽及95％相对湿度条件下养护48h。待UHPC板冷却后拆除模板，并常温晾干即可。
上述步骤(1)具体为：首先按照设计图纸的要求在钢结构加工厂进行钢梁3的下料机切割，并开设横截面为U型的坡口。其次选定延性较好的HRB400级带肋钢筋和ML15的栓钉作为剪力连接件的材料，制作过程中先按图纸要求将带肋钢筋依次分为平直段11、过渡段12、弧形段13、过渡段12和平直段11。然后根据设计要求弯制出弧形段13，并按要求进行平直段11和弧形段13的过渡。最后按设计要求将成型钢筋1和栓钉2组合焊接成剪力连接件，并按设计要求将剪力连接件在钢梁3的上表面通过双面坡口焊焊接固定。
以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (7)

1.一种钢-UHPC组合结构剪力连接件, 包括成型钢筋和栓钉，其特征在于，所述成型钢筋的两端设置为平直段，中部弯折为弧形段，所述平直段与所述弧形段之间通过弧形过渡段平滑连接，所述成型钢筋为四根，四根成型钢筋相互正交拼成口型结构，且所述四根成型钢筋中的两根成型钢筋的两端分别与另两根成型钢筋的过渡段焊接成一体，所述四根成型钢筋的平直段位于同一水平面内，弧形段竖直朝上设置，所述口型结构内侧的四个角上对称布置所述栓钉。
2.根据权利要求1所述的一种钢-UHPC组合结构剪力连接件，其特征在于，所述平直段和弧形段的水平投影长度为所述成型钢筋直径的4~6倍，所述过渡段的水平投影长度为所述成型钢筋的直径的1~2倍。
3.一种钢-UHPC组合结构,包括钢梁和UHPC板，其特征在于，所述钢梁与所述UHPC板之间通过多个权利要求1－2中任一项所述的剪力连接件连接，所述成型钢筋的平直段水平放置在所述钢梁的上表面，所述成型钢筋的过渡段和弧形段置于所述UHPC板内，且所述成型钢筋的平直段与所述钢梁的上表面焊接成一体，所述成型钢筋的弧形段和过渡段与所述UHPC板现浇成一体，所述剪力连接件沿所述钢梁纵向的布置间距为所述成型钢筋直径的10~20倍，所述剪力连接件沿所述钢梁横向的布置间距为所述成型钢筋直径的6~10倍。
4.根据权利要求3所述的一种钢-UHPC组合结构，其特征在于，所述钢梁的上表面设置U型的坡口，所述成型钢筋的平直段置于所述坡口中，且所述平直段与所述钢梁通过双面坡口焊连接。
5.根据权利要求4所述的一种钢-UHPC组合结构，其特征在于，所述坡口的深度为所述成型钢筋直径的四分之一。
6.根据权利要求3所述的一种钢-UHPC组合结构，其特征在于，所述栓钉的根部与所述钢梁焊接成一体，且所述栓钉的上部置于所述UHPC板内。
7.一种权利要求3-6中任一项所述一种钢-UHPC组合结构的制作安装方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）制作钢梁后，在钢梁的上表面根据剪力连接件的尺寸开设横截面为U型的坡口，并将剪力连接件的成型钢筋的平直段置于坡口内，利用双面坡口焊连接平直段与钢梁，利用透焊工艺将栓钉的根部焊接于钢梁的上表面上，且四根成型钢筋一组拼接成口型结构，各口型结构的内侧四个角上分别布置所述栓钉；
（2）待剪力连接件的焊接部位检验合格后，将钢梁吊运至施工现场；
（3）配制超高性能混凝土；
（4）在钢梁上表面支设用于UHPC板成型的模板；
（5）绑扎UHPC板钢筋网，并将绑扎好的UHPC板钢筋网安放在模板内，且剪力连接件的过渡段、弧形段和栓钉置于模板内；
（6）浇筑超高性能混凝土，并进行蒸汽养护后拆模，常温晾干即可。
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