CN117648741A - 一种基于剪力钉滑移限值的钢混结合段刚度匹配设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于剪力钉滑移限值的钢混结合段刚度匹配设计方法，涉及桥梁工程技术领域，包括以下步骤：步骤一：通过桥梁结构整体模型，提取钢混结合段位置的轴力值N与弯矩值M；步骤二：依据轴力值N与弯矩值M计算出钢箱梁段在承压板顶缘处的应力σ₁与混凝土段在承压板混凝土侧顶缘处的应力σ₂；步骤三：假定钢混结合段长度为L，第一排剪力钉距离承压板界面距离为b，则其距离混凝土段与钢混结合段连接断面距离为(L‑b)；本发明建立钢混结合段重要的T形加劲肋的设计及验算公式，避免了钢混结合段设计通常采用的大型实体建模或者实验模型验证，提高了设计效率，通过整体模型内力及前期标准化成果，可初步拟定过渡段T形加劲肋的尺寸。

Description

一种基于剪力钉滑移限值的钢混结合段刚度匹配设计方法

技术领域

本发明涉及桥梁工程技术领域，具体涉及一种基于剪力钉滑移限值的钢混结合段刚度匹配设计方法。

背景技术

混合梁桥一般是指在桥梁纵向分别用混凝土及钢材两种不同的材料组成。主跨采用钢结构能利用钢材自重轻、跨越能力大的特点，边跨采用混凝土既能够压重，充分利用了两种材料的优点，结构合理，经济性好。

制约混合梁推广应用的主要原因是钢箱梁段与混凝土过渡连接的钢混结合段，其设计及施工均较为复杂，尚未有明确的计算理论。在实际设计中一般需要构建复杂的实体模型或者足尺、缩尺试验来验证相关设计参数，并未建立起钢混结合段的计算方法。

钢混结合段设计一般要满足刚度匹配原则，即混凝土段及钢箱梁段的刚度要通过结合段过渡，避免出现刚度突变的情况。钢混结合段刚度一般通过变高度的倒T肋来实现，然而T肋的高度及尺寸并未有明确的规定，相关文献给出的也仅仅是通过试验给的刚度比值，对于如何确定T肋的尺寸并无明确的计算公式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于剪力钉滑移限值的钢混结合段刚度匹配设计方法，解决了T肋的尺寸并无明确的计算公式的问题。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：

步骤一：通过桥梁结构整体模型，提取钢混结合段位置的轴力值N与弯矩值M；

步骤二：依据轴力值N与弯矩值M计算出钢箱梁段在承压板顶缘处的应力σ₁与混凝土段在承压板混凝土侧顶缘处的应力σ₂；

步骤三：假定钢混结合段长度为L，第一排剪力钉距离承压板界面距离为b，则其距离混凝土段与钢混结合段连接断面距离为(L-b)；在钢混结合段与混凝土段交界位置两者未发生错动，剪力钉与混凝土段相对位移为0；

第一排剪力钉与混凝土之间的位移差，即滑移值s_p最大且剪力钉不发生滑移破坏的极值为：

其中：d_s为剪力钉直径；h_s为剪力钉高度；f_su为剪力钉强度，f_ck为混凝土轴心抗压强度；

步骤四：在钢混结合段(L-b)范围内，可推导出剪力钉滑移值计算公式：

将上式代入到步骤三的公式中可得到：

将σ₁、σ₂代入上式中，由于标准段钢箱梁截面在总体计算时已拟定完成，此时只有T肋竖板高度h_t1、T肋竖板厚度b_t1、T肋横板高度h_t2、T肋横板厚度b_t2为未知数，即可通过试算确定T形加劲肋的尺寸或者验算已有T形加劲肋的尺寸是否满足基于剪力钉滑移限值的要求。

优选的，步骤二中钢箱梁段在承压板顶缘处的应力σ₁为：

其中：A₁为钢箱梁段各板件的面积和；

A_T肋＝A_T肋横板+A_T肋竖板＝h_t1b_t1+h_t2b_t2

I₁为钢箱梁段各板件相对于形心轴的惯性矩；

y_t1、y_t2为T肋横板及T肋竖板相对于形心轴的距离；

y₁为钢箱梁段顶缘距形心轴的距离；为钢箱梁段侧应力传递系数，取值0.4～0.5。

优选的，步骤二中混凝土段在承压板混凝土侧顶缘处的应力σ₂为：

其中：A₂为混凝土段截面积；I₂为混凝土断面惯性矩；y₂为混凝土段顶缘距形心轴的距离；为应力传递系数，取值0.5～0.6。

本发明还提出一种如以上所述的基于剪力钉滑移限值的钢混结合段刚度匹配设计方法制造的混合梁桥连接构造，包括钢箱梁段与混凝土段，且所述钢箱梁段与混凝土段通过连接构件连接，该连接处为钢混结合段；

所述连接构件包括结合段顶板、结合段底板与内嵌连接结构，且所述结合段顶板、结合段底板、内嵌连接结构的一端均与钢箱梁段连接，另一端均通过多排剪力钉与混凝土连接；

所述钢箱梁段与混凝土设置有承压板，所述钢箱梁段包括设置于其内部的多个均匀分布的T形加劲肋，且所述T形加劲肋的一端与承压板连接。

优选的，所述内嵌连接结构包括凹陷格室、上格室底板、钢格室分隔板以及下格室顶板；所述上格室底板与下格室顶板均固定于承压板，且所述上格室底板与下格室顶板分别延伸至混凝土内，所述钢格室分隔板的上下端分别固定于上格室底板与下格室顶板的中部位置，所述上格室底板、下格室顶板与钢格室分隔板之间形成凹陷格室，所述上格室底板、下格室顶板与钢格室分隔板均通过多排剪力钉与混凝土连接。

优选的，所述钢箱梁段还包括钢箱梁顶板、钢箱梁底板与多个U形肋；所述钢箱梁顶板、钢箱梁底板分别与钢箱梁顶板、钢箱梁底板一体设置，多个所述U形肋为上下两排设置，两排所述U形肋分别分布于钢箱梁顶板的底部与钢箱梁底板的上侧。

优选的，多个所述T形加劲肋为上下两排设置，所述T形加劲肋包括T肋横板与T肋竖板，上排所述T形加劲肋的T肋竖板固定于钢箱梁顶板的底部，下排所述T形加劲肋的T肋竖板固定于钢箱梁底板的上侧，所述T肋竖板的内侧边为倾斜设置，所述T肋横板固定于T肋竖板的倾斜边。

优选的，位于所述钢箱梁段主体处的T肋竖板贯穿U形肋的中部位置。

优选的，所述钢箱梁段的中部位置及外侧部均有竖向设置的腹板，所述腹板上固定有纵向加劲肋，所述钢箱梁顶板、钢箱梁底板与腹板之间共同安装有结合段横隔板。

优选的，所述钢箱梁段的悬臂内顶部焊接有顶板I肋。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：

1、通过T形加劲肋高度及板厚的变化，能够保证钢结构段与混凝土段形心轴保持一致，在纵向轴力传递时会因为形心轴不一致产生偏心弯矩，形成附加应力；通过T形加劲肋及凹陷的空腔室，显现了钢结构段与混凝土段之间刚度的逐渐过渡；通过凹陷的空腔室，能够提供足够的抗剪能力。

2、建立钢混结合段最重要的T形加劲肋的设计及验算公式，避免了钢混结合段设计通常采用的大型实体建模或者实验模型验证，提高了设计效率；通过整体模型内力及前期标准化成果，即可初步拟定过渡段T形加劲肋的尺寸。

3、本发明提供了一种设计方法，能够通过计算确定T形加劲肋的高度、宽度，解决了钢混结合段刚度过渡的问题。

附图说明

图1为本发明中结合段立面结构示意图；

图2为本发明中钢箱梁段断面结构示意图；

图3为本发明中计算辅助示意图；

图4为本发明中倒T加劲肋的结构示意图；

图5为剪力钉的结构示意图；

图6为剪力钉滑移示意图。

图中数字表示：

1、钢箱梁段；11、钢箱梁顶板；12、钢箱梁底板；13、U形肋；14、T肋横板；15、T肋竖板；16、结合段横隔板；17、腹板；18、顶板I肋；19、纵向加劲肋；2、承压板；3、钢混结合段；31、剪力钉；32、上格室底板；33、钢格室分隔板；34、下格室顶板；4、混凝土段。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例一

本实施例提供一种技术方案：一种基于剪力钉滑移限值的钢混结合段刚度匹配设计方法，如图1-6所示，包括以下步骤：

步骤一：通过桥梁结构整体模型，提取钢混结合段3位置的轴力值N与弯矩值M；

步骤二：依据轴力值N与弯矩值M计算出钢箱梁段1在承压板2顶缘处的应力σ₁与混凝土段4在承压板2混凝土侧顶缘处的应力σ₂；

计算钢箱梁段1在承压板2顶缘处的应力σ₁：

其中：A₁为钢箱梁段1各板件的面积和；

A_T肋＝A_T肋横板+A_T肋竖板＝h_t1b_t1+h_t2b_t2

I₁为钢箱梁段1各板件相对于形心轴的惯性矩；

y_t1、y_t2为T肋横板14及竖板相对于形心轴的距离；

y₁为钢箱梁段1顶缘距形心轴的距离；为钢箱梁段1侧应力传递系数，取值0.4～0.5。

计算混凝土段4在承压板2混凝土侧顶缘处的应力σ₂：

其中：A₂为混凝土段4截面积；I₂为混凝土断面惯性矩；y₂为混凝土段4顶缘距形心轴的距离；为应力传递系数，取值0.5～0.6。

步骤三：假定钢混结合段3长度为L，第一排剪力钉31距离承压板2界面距离为b，则其距离混凝土段4与钢混结合段3连接断面距离为(L-b)；在钢混结合段3与混凝土段4交界位置两者未发生错动，剪力钉31与混凝土段4相对位移为0；

第一排剪力钉31与混凝土之间的位移差，即滑移值s_p最大且剪力钉31不发生滑移破坏的极值为：

其中：d_s为剪力钉31直径；h_s为剪力钉31高度；f_su为剪力钉31强度，f_ck为混凝土轴心抗压强度；

步骤四：在钢混结合段(L-b)范围内，可推导出剪力钉31滑移值计算公式：

将上式代入到步骤三的公式中可得到：

将σ₁、σ₂代入上式中，由于标准段钢箱梁段1截面在总体计算时已拟定完成，此时只有T肋竖板高度h_t1、T肋竖板厚度b_t1、T肋横板高度h_t2、T肋横板厚度b_t2为未知数，即可通过试算确定T形加劲肋的尺寸或者验算已有T形加劲肋的尺寸是否满足基于剪力钉31滑移限值的要求。

本实施例建立钢混结合段3最重要的T形加劲肋的设计及验算公式，避免了钢混结合段3设计通常采用的大型实体建模或者实验模型验证，提高了设计效率。通过整体模型内力及前期标准化成果，即可初步拟定过渡段T形加劲肋的尺寸。

实施例二

本实施例提供一种技术方案：一种如实施例一的基于剪力钉滑移限值的钢混结合段刚度匹配设计方法制造的混合梁桥连接构造，如图1、图2与图4所示，包括钢箱梁段1与混凝土段4，且钢箱梁段1与混凝土段4通过连接构件连接，连接构件使得钢箱梁段1与混凝土段4紧密、牢靠连接，以确保两者之间连接的强度，该连接处为钢混结合段3；即混凝土段4为纯混凝土，钢箱梁段1为纯钢箱梁，钢混结合段3为混凝土与钢材制成的连接构件组合而成。

钢箱梁段1包括钢箱梁顶板11、钢箱梁底板12、多个T形加劲肋与多个U形肋13；钢箱梁顶板11、钢箱梁底板12上下设置，多个U形肋13与多个T形加劲肋分别为两排设置，两排U形肋13分别分布于钢箱梁顶板11的底部与钢箱梁底板12的上侧，两排T形加劲肋T分布于钢箱梁顶板11的底部与钢箱梁底板12的上侧；

T形加劲肋包括T肋横板14与T肋竖板15，上排T形加劲肋的T肋竖板15固定于钢箱梁顶板11的底部，下排T形加劲肋的T肋竖板15固定于钢箱梁底板12的上侧，且T肋竖板15的内侧边为倾斜设置，T肋横板14固定于T肋竖板15的倾斜边，且T肋横板14沿着肋竖板15的倾斜边固定，即T肋横板14整体为倾斜设置，T形加劲肋可增加钢箱梁段1与钢混结合段3的连接强度；位于钢箱梁段1主体处的T肋竖板15贯穿U形肋13的中部位置，U形肋13可增加T形加劲肋整体的稳定性。

连接构件包括与钢箱梁段1连接的结合段顶板、结合段底板与内嵌连接结构，结合段顶板、结合段底板的一端分别与钢箱梁顶板11、钢箱梁底板12一体设置，钢箱梁段1与混凝土设置有承压板2，T形加劲肋的一端与承压板2连接，承压板2增加T形加劲肋与混凝土接触的面积，防止T形加劲肋将混凝土压损坏，且承压板2的另一段通过剪力钉31与混凝土连接。

钢箱梁段1的中部位置及外侧部均固定有竖向设置的腹板17，腹板17主要承受剪力，腹板17上固定有纵向加劲肋19，纵向加劲肋19对腹板17进行加劲，防止失稳；钢箱梁顶板、钢箱梁底板与腹板17之间共同安装有结合段横隔板16，结合段横隔板16对钢梁顶板、底板及腹板17加劲，防止箱形断面的局部失稳，进而提高钢箱梁段1的力学性能。

内嵌连接结构的一端与承压板2固定连接，结合段顶板、结合段底板与内嵌连接结构的另一端均通过多排剪力钉31与混凝土连接，进而确保钢箱梁段1与钢混结合段3的连接强度；

内嵌连接结构包括凹陷格室、上格室底板32、钢格室分隔板33以及下格室顶板34；上格室底板32与下格室顶板34均固定于承压板2，可通过焊接连接；且上格室底板32与下格室顶板34分别延伸至混凝土内，以确保混凝土与钢箱梁段1衔接的长度，钢格室分隔板33的上下端分别固定于上格室底板32与下格室顶板34的中部位置，上格室底板32、下格室顶板34与钢格室分隔板33之间形成凹陷格室，上格室底板32、下格室顶板34与钢格室分隔板33均通过多排剪力钉31与混凝土连接，在凹陷格室内可进行剪力钉31的安装，且通过凹陷的凹陷格室，削弱钢混结合段的刚度突变，该内嵌连接结构未贯通的设置，增加了钢结构与混凝土的接触面积，能设置更过的剪力钉31，增加二者的结合性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于剪力钉滑移限值的钢混结合段刚度匹配设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过桥梁结构整体模型，提取钢混结合段位置的轴力值N与弯矩值M；

步骤二：依据轴力值N与弯矩值M计算出钢箱梁段在承压板顶缘处的应力σ₁与混凝土段在承压板混凝土侧顶缘处的应力σ₂；

步骤三：假定钢混结合段长度为L，第一排剪力钉距离承压板界面距离为b，则其距离混凝土段与钢混结合段连接断面距离为(L-b)；在钢混结合段与混凝土段交界位置两者未发生错动，剪力钉与混凝土段相对位移为0；

第一排剪力钉与混凝土之间的位移差，即滑移值s_p最大且剪力钉不发生滑移破坏的极值为：

其中：d_s为剪力钉直径；h_s为剪力钉高度；f_su为剪力钉强度，f_ck为混凝土轴心抗压强度；

步骤四：在钢混结合段(L-b)范围内，可推导出剪力钉滑移值计算公式：

将上式代入到步骤三的公式中可得到：

将σ₁、σ₂代入上式中，由于标准段钢箱梁截面在总体计算时已拟定完成，此时只有T肋竖板高度h_t1、T肋竖板厚度b_t1、T肋横板高度h_t2、T肋横板厚度b_t2为未知数，即可通过试算确定T形加劲肋的尺寸或者验算已有T形加劲肋的尺寸是否满足基于剪力钉滑移限值的要求。

2.根据权利要求1所述的一种基于剪力钉滑移限值的钢混结合段刚度匹配设计方法，其特征在于：步骤二中钢箱梁段在承压板顶缘处的应力σ₁为：

其中：A₁为钢箱梁段各板件的面积和；

A₁＝∑A_i1＝A_顶板+A_底板+A_腹板+...+A_U肋+A_T肋

A_T肋＝A_T肋横板+A_T肋竖板＝h_t1b_t1+h_t2b_t2

I₁为钢箱梁段各板件相对于形心轴的惯性矩；

y_t1、y_t2为T肋横板及T肋竖板相对于形心轴的距离；

y₁为钢箱梁段顶缘距形心轴的距离；为钢箱梁段侧应力传递系数，取值0.4～0.5。

3.根据权利要求1所述的一种基于剪力钉滑移限值的钢混结合段刚度匹配设计方法，其特征在于：步骤二中混凝土段在承压板混凝土侧顶缘处的应力σ₂为：

其中：A₂为混凝土段截面积；I₂为混凝土断面惯性矩；y₂为混凝土段顶缘距形心轴的距离；为应力传递系数，取值0.5～0.6。

4.一种如权利要求1～3任一项所述的基于剪力钉滑移限值的钢混结合段刚度匹配设计方法制造的混合梁桥连接构造，其特征在于：包括钢箱梁段与混凝土段，且所述钢箱梁段与混凝土段通过连接构件连接，该连接处为钢混结合段；

所述连接构件包括结合段顶板、结合段底板与内嵌连接结构，且所述结合段顶板、结合段底板、内嵌连接结构的一端均与钢箱梁段连接，另一端均通过多排剪力钉与混凝土连接；

所述钢箱梁段与混凝土设置有承压板，所述钢箱梁段包括设置于其内部的多个均匀分布的T形加劲肋，且所述T形加劲肋的一端与承压板连接。

5.根据权利要求4所述的混合梁桥连接构造，其特征在于：所述内嵌连接结构包括凹陷格室、上格室底板、钢格室分隔板以及下格室顶板；所述上格室底板与下格室顶板均固定于承压板，且所述上格室底板与下格室顶板分别延伸至混凝土内，所述钢格室分隔板的上下端分别固定于上格室底板与下格室顶板的中部位置，所述上格室底板、下格室顶板与钢格室分隔板之间形成凹陷格室，所述上格室底板、下格室顶板与钢格室分隔板均通过多排剪力钉与混凝土连接。

6.根据权利要求4所述的混合梁桥连接构造，其特征在于：所述钢箱梁段还包括钢箱梁顶板、钢箱梁底板与多个U形肋；所述钢箱梁顶板、钢箱梁底板分别与钢箱梁顶板、钢箱梁底板一体设置，多个所述U形肋为上下两排设置，两排所述U形肋分别分布于钢箱梁顶板的底部与钢箱梁底板的上侧。

7.根据权利要求6所述的混合梁桥连接构造，其特征在于：多个所述T形加劲肋为上下两排设置，所述T形加劲肋包括T肋横板与T肋竖板，上排所述T形加劲肋的T肋竖板固定于钢箱梁顶板的底部，下排所述T形加劲肋的T肋竖板固定于钢箱梁底板的上侧，所述T肋竖板的内侧边为倾斜设置，所述T肋横板固定于T肋竖板的倾斜边。

8.根据权利要求7所述的混合梁桥连接构造，其特征在于：位于所述钢箱梁段主体处的T肋竖板贯穿U形肋的中部位置。

9.根据权利要求7所述的混合梁桥连接构造，其特征在于：所述钢箱梁段的中部位置及外侧部均有竖向设置的腹板，所述腹板上固定有纵向加劲肋，所述钢箱梁顶板、钢箱梁底板与腹板之间共同安装有结合段横隔板。

10.根据权利要求4所述的混合梁桥连接构造，其特征在于：所述钢箱梁段的悬臂内顶部焊接有顶板I肋。