CN113152276B - 一种被动式抗裂增强型预制桥面板连接结构及其设计方法 - Google Patents

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CN113152276B CN202110303720.5A CN202110303720A CN113152276B CN 113152276 B CN113152276 B CN 113152276B CN 202110303720 A CN202110303720 A CN 202110303720A CN 113152276 B CN113152276 B CN 113152276B
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Abstract

本发明公开了一种被动式抗裂增强型预制桥面板连接结构及其设计方法，该连接结构包括设置于混凝土板端部的端部连接件，端部连接件包括位于混凝土桥面板侧面的竖向板和底面的横向板；竖向板设置有多个沿竖直方向的带孔加劲板，孔内穿有钢筋，带孔加劲板与孔内钢筋均埋入桥面板中；竖向板顶部设置有多个钢筋连接孔，桥面板受力主钢筋插入钢筋连接孔，并与竖向板可靠连接；横向板的一端与竖向板相接，横向板上表面设置剪力连接件与混凝土桥面板连接。本发明显著提高了竖向板与桥面板交界面的抗裂性能，无需主动在交界面上施加预应力，省去了繁琐的预应力工序，无需预应力设备和锚具，解决了栓焊连接钢混界面的刚度和耐久性的问题。

Description

一种被动式抗裂增强型预制桥面板连接结构及其设计方法
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域，具体涉及一种被动式抗裂增强型预制桥面板连接结构及其设计方法。
背景技术
混凝土板的连接形式主要有现浇湿接缝和干式连接两种。现浇湿接缝在预留的后浇带中浇筑混凝土，通过现浇混凝土及预留的伸出钢筋，连接相邻混凝土板。
干式接缝有两种形式，其一为在相邻混凝土板端面涂抹环氧胶，并将钢绞线穿过预留的孔道，通过环氧胶和钢绞线连接相邻混凝土板；其二为在混凝土板端部预埋板端连接件，在板端连接件顶部采用焊接连接，在板端连接件下部采用螺栓连接，也叫栓焊连接。
栓焊连接是一种采用钢结构的连接方式连接混凝土构件的方法，具有既连接快速又便于拆装的显著优点，而且施工现场无现浇作业，大大加快了施工速度。
但栓焊连接由于竖向板与混凝土界面依靠剪力钉或钢筋连接，连接界面的抗裂强度由混凝土与钢板件的化学粘结力提供，剪力钉或钢筋在钢板-混凝土界面开裂后才能发挥作用，抗裂性能差，水气等腐蚀物质易通过界面裂缝进入，腐蚀剪力连接件及钢板，降低了混凝土板连接的刚度和耐久性。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种能够解决现有技术中栓焊连接的连接界面抗裂强度不足的问题的被动式抗裂增强型预制桥面板连接结构及其设计方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
第一方面，本发明提出了一种被动式抗裂增强型预制桥面板连接结构，包括设置于混凝土板端部的端部连接件，所述端部连接件包括位于混凝土桥面板侧面的竖向板和混凝土桥面板底面的横向板；
所述竖向板侧面垂直设置有多个带孔加劲板，所述带孔加劲板的孔内穿有钢筋，所述带孔加劲板与钢筋均埋入混凝土桥面板内；所述竖向板顶部设置有多个钢筋连接孔，所述钢筋连接孔内插入桥面板受力主钢筋，所述桥面板受力主钢筋与竖向板可靠连接；
所述横向板的一端与竖向板相接，所述横向板的上表面设置剪力连接件与混凝土桥面板连接。
进一步地，所述带孔加劲板的设置方式包括沿竖直方向设置在竖向板侧面顶部或沿水平方向设置在竖向板侧面顶部，其中沿竖直方向设置在竖向板侧面顶部的方式采用全高或非全高结构。
进一步地，所述竖向板顶部设置剪力连接件与桥面板受力主钢筋可靠连接。
进一步地，所述横向板底部与竖向板间设置有加劲肋板。
进一步地，相邻所述连接结构间通过竖向板顶部的焊缝及下部的螺栓连接为一个整体。
第二方面，本发明还提出了一种被动式抗裂增强型预制桥面板连接结构的设计方法，包括以下步骤：
S1、设定上述连接结构尺寸、竖向板与混凝土桥面板侧面交界面的容许裂缝宽、以及带孔加劲板间距；
S2、根据桥面板厚度确定焊缝拉力；
S3、根据步骤S1设定的连接结构尺寸、竖向板与混凝土桥面板侧面交界面的容许裂缝宽、带孔加劲板间距和焊缝拉力确定带孔加劲板孔径；
S4、根据连接结构尺寸、竖向板与混凝土桥面板侧面交界面的容许裂缝宽、、带孔加劲板间距和带孔加劲板孔径确定带孔加劲板顶与竖向板顶的距离。
进一步地，所述步骤S2确定焊缝拉力的计算公式具体为
Figure GDA0003075693840000031
其中，T为焊缝拉力，N为桥面板拉力，M为桥面板弯矩，α为内力臂系数，h为桥面板厚度。
进一步地，所述步骤S3具体包括以下分步骤：
S31、根据带孔加劲板间距计算桥面板宽度范围内的带孔加劲板数量，表示为
Figure GDA0003075693840000032
其中，n为带孔加劲板数量，B为桥面板宽度，S为带孔加劲板间距；
S32、根据带孔加劲板数量和焊缝拉力计算单个带孔加劲板承受的焊缝拉力，表示为
Figure GDA0003075693840000033
其中，T1为单个带孔加劲板承受的焊缝拉力；
S33、建立单个带孔加劲板的承载力与带孔加劲板孔径关系，表示为
Figure GDA0003075693840000034
其中，Pu为单个带孔加劲板的承载力，Wd、Wh分别为带孔加劲板的宽度和高度，fct为混凝土抗拉强度，fy为钢筋抗拉强度，dc为混凝土最大粒径，fcd为抗压设计强度，D为带孔加劲板孔径；
S34、建立单个带孔加劲板承受的焊缝拉力、单个带孔加劲板的承载力与带孔加劲板孔径关系，表示为
Figure GDA0003075693840000041
其中，δ为在单个带孔加劲板承受的焊缝拉力作用下带孔加劲板的变形量，δ＝0.1w，w为竖向板与混凝土桥面板侧面交界面的容许裂缝宽度；
S35、联立步骤S33和步骤S34建立的关系式求解得到带孔加劲板孔径。
进一步地，所述步骤S4具体包括以下分步骤：
S41、计算竖向板顶部无带孔加劲板段的抗推刚度，表示为
Figure GDA0003075693840000042
其中，k1为竖向板顶部无带孔加劲板段的抗推刚度，E为钢材弹性模量，I1为竖向板惯性矩，C为带孔加劲板顶与竖向板顶的距离；
S42、根据带孔加劲板结构尺寸计算竖向板有带孔加劲板段的抗推刚度，表示为
Figure GDA0003075693840000043
其中，k2为竖向板有带孔加劲板段的抗推刚度，Z为带孔加劲板顶部到孔中心的距离，I2为带孔加劲板与竖向板的组合惯性矩；
S43、建立竖向板与混凝土桥面板侧面交界面的容许裂缝宽度、竖向板有及无带孔加劲板段的抗推刚度的关系，表示为
Figure GDA0003075693840000044
其中，β为考虑带孔加劲板沿桥面板宽度方向刚度不均匀导致的裂缝宽度增大系数，β＝24.87S2；
S44、将步骤S41、S42、S43的表达式联立求解得到带孔加劲板顶与竖向板顶的距离。
进一步地，还包括当步骤S4求解得到的带孔加劲板顶与竖向板顶的距离不符合要求时对带孔加劲板间距进行优化，包括以下步骤：
S51、设定带孔加劲板顶与竖向板顶的距离，计算竖向板顶部无带孔加劲板段的抗推刚度，表示为
Figure GDA0003075693840000051
S52、建立竖向板顶部有带孔加劲板段的抗推刚度与带孔加劲板间距的关系，表示为
Figure GDA0003075693840000052
其中，A1、A3分别为竖向板和单块带孔加劲板的面积，I3为单块带孔加劲板对自身形心轴的惯性矩，h1、h2分别为竖向板自身形心轴、单块带孔加劲板自身形心轴距所有带孔加劲板与竖向板组合截面形心的距离；
S53、将步骤S51、S52和步骤S43的表达式联立求解得到优化后的带孔加劲板间距。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过在竖向板后侧设置带孔加劲板提高竖向板的刚度，从而减小变形，提高竖向板与混凝土桥面板交界面的抗裂性，无需主动在交界面上施加预应力，省去了留孔，张拉等繁琐的预应力工序，也无需预应力张拉设备、预应力锚具(含锚固螺栓)，工艺简单，成本较主动施加预应力的抗裂结构低廉。
(2)本发明显著提高了抗裂性能，解决了栓焊连接钢混界面的抗裂性能差，水气等腐蚀物质易通过界面裂缝进入，降低了混凝土板连接的刚度和耐久性的问题。
(3)本发明省去了繁琐预应力损失及预应力度计算，计算方法简洁快速。
(4)本发明可通过减小带孔加劲板间距S或减小带孔加劲板顶面至竖向板顶面C两种方法达到提高抗裂性的目的，使用灵活。
(5)本发明中所有计算均可手算完成无需复杂的有限元建模，简化了计算过程。
附图说明
图1为本发明的被动式抗裂增强型预制桥面板连接结构示意图；
图2为本发明的被动式抗裂增强型预制桥面板连接结构正视图；
图3为本发明的被动式抗裂增强型预制桥面板连接结构俯视图；
图4为本发明实施例中带孔加劲板全高设置形式1的示意图；
图5为本发明实施例中带孔加劲板全高设置形式2的示意图；
图6为本发明实施例中带孔加劲板水平设置形式的示意图；
其中，101、竖向板，102、带孔加劲板，103、横向板，104、剪力连接件，105、钢筋，106、加劲肋板，107、钢筋连接孔，201、焊缝，202、螺栓，301、桥面板受力主钢筋。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
如图1、图2和图3所示，本发明实施例提供了一种被动式抗裂增强型预制桥面板连接结构，包括设置于混凝土板端部的端部连接件，端部连接件包括位于混凝土桥面板侧面的竖向板101和混凝土桥面板底面的横向板103；
竖向板101侧面垂直设置有多个带孔加劲板102，带孔加劲板102的孔内穿有钢筋105，带孔加劲板102与钢筋105均埋入混凝土桥面板内；竖向板101顶部设置有多个钢筋连接孔107，钢筋连接孔107内插入桥面板受力主钢筋301，桥面板受力主钢筋301与竖向板101可靠连接；
横向板103的一端与竖向板101相接，横向板103的上表面设置剪力连接件104与混凝土桥面板连接。
在本实施例中，如图4至图6所示，本发明的带孔加劲板102可以采用沿竖直方向设置在竖向板101侧面顶部或沿水平方向设置在竖向板101侧面顶部的设置方式；
当采用沿竖直方向设置在竖向板101侧面顶部的设置方式时，带孔加劲板102可以采用全高或非全高结构。当采用全高结构时，带孔加劲板102的底部全部或部分与横向板103相接。
在本实施例中，本发明的竖向板101顶部设置剪力连接件104与桥面板受力主钢筋301可靠连接。其中剪力连接件104可以采用剪力钉。
在本实施例中，本发明的横向板103底部与竖向板101间设置有加劲肋板106。
在本实施例中，本发明的竖向板101上设置的钢筋连接孔107可以采用贯穿竖向板101或不贯穿竖向板101的方式。
在本实施例中，本发明的竖向板101和横向板103均采用钢板。
下面基于上述结构描述，对本发明的连接结构机理进行分析说明。
由于竖向板101与混凝土桥面板交界面的开裂，在本质上是由于竖向板101与混凝土桥面板变形不协调所致，竖向板刚度小变形大，混凝土桥面板刚度大变形小，二者的变形差导致了交界面的开裂。因此本发明在竖向板101后侧设置带孔加劲板102，增大竖向板101刚度，减小竖向板101变形，从而达到减小竖向板101与混凝土桥面板交界面的裂缝宽度，提高抗裂性能的作用。同时，在带孔加劲板102上开孔，并穿入钢筋105，使其形成连接竖向板101与混凝土桥面板的连接件；在竖向板101上设置钢筋连接孔107，使桥面板受力主筋301与竖向板101可靠连接，使得竖向板101拉力可通过钢筋105传递至桥面板；横向板103上设置的剪力连接件104使桥面板与竖向板101连接为整体。
实施例2
基于上述实施例1描述的连接结构，本发明实施例还提供了一种被动式抗裂增强型预制桥面板连接结构的设计方法，包括以下步骤：
S1、设定上述连接结构尺寸、竖向板与混凝土桥面板侧面交界面的容许裂缝宽、以及带孔加劲板间距；
在本实施例中，本发明根据构造要求确定竖向板、带孔加劲板、横向板、加劲肋板长度、宽度、厚度，其中竖向板宽度、横向板宽度与桥面板宽度B同宽；根据使用要求确定竖向板与混凝土桥面板侧面交界面的容许裂缝宽度；根据构造要求初步确定带孔加劲板间距。
S2、根据桥面板厚度及所受拉力、弯矩确定焊缝拉力；
在本实施例中，步骤S2确定焊缝拉力的计算公式具体为
Figure GDA0003075693840000081
其中，T为焊缝拉力；N为桥面板拉力，当桥面板为纯弯构件时N＝0；M为桥面板弯矩；h为桥面板厚度；N，M，h均为已知量。α为内力臂系数，α＝0.8～0.92，依桥面板混凝土强度等级确定，按表1取值.
表1
混凝土强度等级 C40 C50 C60～80 UHPC130 UHPC150
α 0.8 0.85 0.87 0.90 0.92
S3、根据步骤S1设定的连接结构尺寸、竖向板与混凝土桥面板侧面交界面的容许裂缝宽、带孔加劲板间距和焊缝拉力确定带孔加劲板孔径；
在本实施例中，步骤S3具体包括以下分步骤：
S31、根据带孔加劲板间距计算桥面板宽度范围内的带孔加劲板数量，表示为
Figure GDA0003075693840000091
其中，n为带孔加劲板数量，B为桥面板宽度，S为带孔加劲板间距；
S32、根据带孔加劲板数量和焊缝拉力计算单个带孔加劲板承受的焊缝拉力，表示为
Figure GDA0003075693840000092
其中，T1为单个带孔加劲板承受的焊缝拉力；
S33、建立单个带孔加劲板的承载力与带孔加劲板孔径关系，表示为
Figure GDA0003075693840000093
其中，Pu为单个带孔加劲板的承载力，Wd、Wh分别为带孔加劲板的宽度和高度，fct为混凝土抗拉强度，fy为钢筋抗拉强度，dc为混凝土最大粒径，fcd为抗压设计强度，D为带孔加劲板孔径；
S34、建立单个带孔加劲板承受的焊缝拉力、单个带孔加劲板的承载力与带孔加劲板孔径关系，表示为
Figure GDA0003075693840000101
其中，δ为在单个带孔加劲板承受的焊缝拉力作用下带孔加劲板的变形量，δ＝0.1w，w为竖向板与混凝土桥面板侧面交界面的容许裂缝宽度；
S35、联立步骤S33和步骤S34建立的关系式求解得到带孔加劲板孔径。
S4、根据连接结构尺寸、竖向板与混凝土桥面板侧面交界面的容许裂缝宽、、带孔加劲板间距和带孔加劲板孔径确定带孔加劲板顶与竖向板顶的距离。
在本实施例中，步骤S4具体包括以下分步骤：
S41、计算竖向板顶部无带孔加劲板段的抗推刚度，表示为
Figure GDA0003075693840000102
其中，k1为竖向板顶部无带孔加劲板段的抗推刚度，E为钢材弹性模量，I1为竖向板惯性矩，可由确定的竖向板宽度和厚度，按材料力学方法计算；C为带孔加劲板顶与竖向板顶的距离；
S42、根据带孔加劲板结构尺寸计算竖向板有带孔加劲板段的抗推刚度，表示为
Figure GDA0003075693840000103
其中，k2为竖向板顶部有带孔加劲板段的抗推刚度，Z为带孔加劲板顶部到孔中心的距离，I2为带孔加劲板与竖向板的组合惯性矩，可等效为T型截面按按材料力学方法计算；
S43、建立竖向板与混凝土桥面板侧面交界面的容许裂缝宽度、竖向板有或无带孔加劲板段的抗推刚度的关系，表示为
Figure GDA0003075693840000111
其中，β为考虑带孔加劲板沿桥面板宽度方向刚度不均匀导致的裂缝宽度增大系数，β＝24.87S2；
S44、将步骤S41、S42、S43的表达式联立求解得到带孔加劲板顶与竖向板顶的距离。实际采用的带孔加劲板顶与竖向板顶的距离应不大于计算结果，完成设计。
作为优选地，若计算所得的带孔加劲板顶与竖向板顶的距离过小，不便于实施，则可通过减小带孔加劲板间距的方法提高抗裂性，具体包括对步骤S1设定的带孔加劲板间距进行优化，包括以下步骤：
S51、设定带孔加劲板顶与竖向板顶的距离，计算竖向板顶部无带孔加劲板段的抗推刚度，表示为
Figure GDA0003075693840000112
S52、建立竖向板顶部有带孔加劲板段的抗推刚度与带孔加劲板间距的关系，表示为
Figure GDA0003075693840000113
其中，A1、A3分别为竖向板和单块带孔加劲板的面积，I3为单块带孔加劲板对自身形心轴的惯性矩，根据确定的竖向板、带孔加劲板长度、宽度、厚度，按材料力学方法计算；h1、h2分别为竖向板自身形心轴、单块带孔加劲板自身形心轴距所有带孔加劲板与竖向板组合截面形心的距离；
S53、将步骤S51、S52和步骤S43的表达式联立求解得到优化后的带孔加劲板间距。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种被动式抗裂增强型预制桥面板连接结构，其特征在于，包括设置于混凝土板端部的端部连接件，所述端部连接件包括位于混凝土桥面板侧面的竖向板(101)和混凝土桥面板底面的横向板(103)；
所述竖向板(101)侧面垂直设置有多个带孔加劲板(102)，所述带孔加劲板(102)的孔内穿有钢筋(105)，所述带孔加劲板(102)与钢筋(105)均埋入混凝土桥面板内；所述竖向板(101)顶部设置有多个钢筋连接孔(107)，所述钢筋连接孔(107)内插入桥面板受力主钢筋(301)，所述桥面板受力主钢筋(301)与竖向板(101)可靠连接；所述带孔加劲板(102)的设置方式为沿竖直方向设置在竖向板(101)侧面顶部，带孔加劲板(102)的底部全部与横向板(103)相接；
所述横向板(103)的一端与竖向板(101)相接，所述横向板(103)的上表面设置剪力连接件(104)与混凝土桥面板连接；
相邻连接结构间通过竖向板(101)顶部的焊缝(201)及下部的螺栓(202)连接为一个整体；
所述带孔加劲板(102)顶面与竖向板(101)顶面距离的计算方法为：
计算竖向板顶部无带孔加劲板段的抗推刚度，表示为
Figure FDA0004167179160000011
其中，k1为竖向板顶部无带孔加劲板段的抗推刚度，E为钢材弹性模量，I1为竖向板惯性矩，C为带孔加劲板顶与竖向板顶的距离；
根据带孔加劲板结构尺寸计算竖向板有带孔加劲板段的抗推刚度，表示为
Figure FDA0004167179160000021
其中，k2为竖向板有带孔加劲板段的抗推刚度，Z为带孔加劲板顶部到孔中心的距离，I2为带孔加劲板与竖向板的组合惯性矩；
建立竖向板与混凝土桥面板侧面交界面的容许裂缝宽度、竖向板有及无带孔加劲板段的抗推刚度的关系，表示为
Figure FDA0004167179160000022
其中，w为竖向板与混凝土桥面板侧面交界面的容许裂缝宽度，T为焊缝拉力，β为考虑带孔加劲板沿桥面板宽度方向刚度不均匀导致的裂缝宽度增大系数，β＝24.87S2，S为带孔加劲板间距；
将上述表达式联立求解得到带孔加劲板顶与竖向板顶的距离。
2.根据权利要求1所述的被动式抗裂增强型预制桥面板连接结构，其特征在于，所述横向板(103)顶部设置剪力连接件(104)与桥面板受力主钢筋(301)可靠连接。
3.根据权利要求2所述的被动式抗裂增强型预制桥面板连接结构，其特征在于，所述横向板(103)底部与竖向板(101)间设置有加劲肋板(106)。
4.根据权利要求1所述的被动式抗裂增强型预制桥面板连接结构，其特征在于，所述焊缝拉力的计算公式具体为
Figure FDA0004167179160000023
其中，T为焊缝拉力，N为桥面板拉力，M为桥面板弯矩，α为内力臂系数，h为桥面板厚度。
5.根据权利要求1所述的被动式抗裂增强型预制桥面板连接结构，其特征在于，还包括求解得到的带孔加劲板顶与竖向板顶的距离不符合要求时对带孔加劲板间距进行优化，包括：
设定带孔加劲板顶与竖向板顶的距离，计算竖向板顶部无带孔加劲板段的抗推刚度，表示为
Figure FDA0004167179160000031
建立竖向板顶部有带孔加劲板段的抗推刚度与带孔加劲板间距的关系，表示为
Figure FDA0004167179160000032
其中，A1、A3分别为竖向板和单块带孔加劲板的面积，I3为单块带孔加劲板对自身形心轴的惯性矩，h1、h3分别为竖向板自身形心轴、单块带孔加劲板自身形心轴距所有带孔加劲板与竖向板组合截面形心的距离，B为桥面板宽度；
将竖向板顶部无带孔加劲板段的抗推刚度计算式、竖向板顶部有带孔加劲板段的抗推刚度与带孔加劲板间距的关系式和竖向板与混凝土桥面板侧面交界面的容许裂缝宽度、竖向板有及无带孔加劲板段的抗推刚度的关系式联立求解得到优化后的带孔加劲板间距。
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