橋梁結(jié)構(gòu)論文：剪力連接件在橋梁中的運(yùn)用

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本文作者：羅杰、張平 單位：重慶市市政設(shè)計(jì)研究院

首先根據(jù)剪力連接件對(duì)鋼與混凝土結(jié)合面相對(duì)滑移約束程度的不同將組合梁分類，結(jié)合典型實(shí)例，對(duì)適用于不同形式鋼-混組合梁的傳統(tǒng)與新型剪力連接件的構(gòu)造與受力特點(diǎn)進(jìn)行比較分析，探討了剪力連接件在組合結(jié)構(gòu)橋梁上的應(yīng)用與鋼混結(jié)合面設(shè)計(jì)的新理念。

完全組合梁的剪力連接件設(shè)計(jì)

圓柱頭焊釘連接件。圓柱頭焊釘連接件是完全組合梁最常用的剪力連接件。其在剪切方向上的力學(xué)性能具有各向同性，密布時(shí)可有效限制鋼與混凝土之間的相對(duì)滑移；圓柱頭焊釘?shù)念^部埋入混凝土中，可起到抗拉拔的作用，防止混凝土板掀起[1]。上海浦東內(nèi)環(huán)高架的一座跨線橋采用了鋼板梁與混凝土板結(jié)合的組合梁橋形式，其剪力連接件采用了密布的焊釘，如圖2所示，實(shí)橋施工階段測(cè)試顯示梁端鋼混相對(duì)滑移量很小[2]。美國(guó)ArthurRavenelJr橋?yàn)殇撆c混凝土組合梁斜拉橋，索梁錨固區(qū)采用了錨拉板結(jié)構(gòu)，剪力連接件也采用了密布的焊釘，索梁錨固區(qū)焊釘布置如圖3所示。根據(jù)同類結(jié)構(gòu)的有限元仿真計(jì)算分析結(jié)果[3]顯示：由于索力會(huì)引起錨固區(qū)局部鋼梁相對(duì)于混凝土板較強(qiáng)的滑移趨勢(shì)，因此在該處設(shè)置密集、直徑較大的焊釘連接件時(shí)，將導(dǎo)致錨固區(qū)結(jié)合部焊釘受到的剪力很不均勻，錨固區(qū)附近的焊釘剪力常常過(guò)大，不易滿足規(guī)范要求，其他區(qū)域的焊釘剪力較小而不能充分發(fā)揮作用，錨固區(qū)附近的混凝土也因?yàn)楹羔敿袅卸鹁植枯^大的拉應(yīng)力。

開孔鋼板連接件。開孔鋼板連接件主要通過(guò)鋼板圓孔中混凝土的抗剪能力將鋼與混凝土組合為整體，如圖4所示。沿主梁縱向連續(xù)布置開孔鋼板連接件，可提供較大的結(jié)合面抗剪剛度與抗剪承載力。日本北陸新干線鐵路上的連續(xù)梁橋，采用鋼管混凝土構(gòu)件作為主梁，在負(fù)彎矩區(qū)設(shè)置開孔鋼板連接件，在正彎矩區(qū)設(shè)置焊釘連接件，在不同位置的鋼管中分別填充氣泡混凝土及其輕骨料混凝土，并在橋面板負(fù)彎矩區(qū)使用鋼纖維混凝土[1]，如圖5所示。開孔鋼板連接件存在的一個(gè)問(wèn)題是其設(shè)置將削弱混凝土板縱向截面積，對(duì)橋面板橫向受力會(huì)產(chǎn)生一定影響，設(shè)計(jì)時(shí)宜加以考慮。

復(fù)合粘結(jié)層連接件。瑞士的Lebet教授等[4]通過(guò)試驗(yàn)研究了一種粘結(jié)作用很強(qiáng)的新型鋼混結(jié)合方式，即在結(jié)合面上設(shè)置了帶刻痕的鋼板并涂裝復(fù)合材料粘結(jié)層，以使鋼混間形成很強(qiáng)的粘結(jié)作用，如圖6所示。試驗(yàn)顯示，這種結(jié)合形式受力前期鋼混結(jié)合面抗滑移能力很大，一旦結(jié)合面進(jìn)入塑性后，抗滑移能力下降很快，但后期仍能依靠殘余的粘結(jié)摩擦等因素抵抗一定量的結(jié)合面剪力，具有較好的后期延性。

部分組合梁的剪力連接件設(shè)計(jì)

2.1部分組合梁的設(shè)計(jì)新理念。在滿足鋼-混凝土結(jié)合面抗剪承載力要求的前提下，適當(dāng)減小結(jié)合面抗剪剛度，允許其發(fā)生適量的相對(duì)滑移，即將組合梁設(shè)計(jì)為部分組合梁，使各剪力連接件剪力分布更加均勻，是改善鋼與混凝土組合梁受力性能的設(shè)計(jì)理念之一。通過(guò)合理改進(jìn)剪力連接件的構(gòu)造，設(shè)計(jì)開發(fā)一種抗剪承載力較大、抗剪剛度較小、施工簡(jiǎn)易的新型柔性連接件，是上述理念付諸實(shí)踐的一個(gè)研究方向。

2.2剛度時(shí)變型連接件。日本學(xué)者北川幸二等人[5-7]曾研究了根部包裹樹脂的剛度時(shí)變型焊釘并應(yīng)用于多座組合梁橋，如圖7所示。當(dāng)混凝土板早期收縮發(fā)展迅速時(shí)，其樹脂的硬度較低，此時(shí)該焊釘?shù)目辜魟偠容^小，混凝土板前期可以較自由地伸縮變形，約束應(yīng)力相對(duì)較小，且預(yù)應(yīng)力施加效率較高，一定程度上降低了混凝土板受拉開裂的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)后期荷載施加后，樹脂已經(jīng)變硬，此時(shí)該焊釘?shù)目辜魟偠忍嵘?，滑移將?huì)被控制在較小的范圍內(nèi)。對(duì)直徑為19mm、高度為110mm、外包樹脂高度為70mm、外包樹脂厚度為8mm的樹脂硬化前、硬化后以及普通焊釘?shù)娜M焊釘試件進(jìn)行了推出試驗(yàn)，圖8所示為試驗(yàn)所得的剪力-滑移曲線，可見：對(duì)于硬化前的試件，加載前期抗剪剛度較普通焊釘試件小，加載后期抗剪剛度明顯較前期提升，且抗剪極限承載力與普通焊釘抗剪極限承載力接近；對(duì)于硬化后試件，加載全程中抗剪剛度的發(fā)展同普通焊釘類似，且抗剪極限承載力與普通焊釘抗剪極限承載力接近。

外包橡膠柔性焊釘連接件。實(shí)橋焊釘往往密布，對(duì)于剛度時(shí)變型焊釘連接件，逐一包裹塑性的樹脂是較為繁瑣的工作，鋼筋的布置也易引起樹脂的破壞，樹脂在混凝土內(nèi)的硬化時(shí)間會(huì)對(duì)工期產(chǎn)生影響。袁明等[8]提出了外包橡膠套管的柔性焊釘連接件的設(shè)計(jì)理念。外包橡膠柔性焊釘連接件是一種在根部安裝了橡膠套管的結(jié)構(gòu)工程用焊釘抗剪連接件，其焊釘采用標(biāo)準(zhǔn)的電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘，橡膠套管采用低硬度、耐久性好的天然橡膠制成，如圖9所示。其施工較剛度時(shí)變型焊釘連接件方便，且同樣能達(dá)到抗剪剛度較同規(guī)格焊釘小、抗剪抗剪極限承載力與普通焊釘抗剪極限承載力接近的效果[3]。

非組合梁的剪力連接件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中通常認(rèn)為簡(jiǎn)單疊合起來(lái)的梁結(jié)構(gòu)的極限承載力等于混凝土板與鋼梁各自極限承載力的較小值，梁的強(qiáng)度不會(huì)因?yàn)榀B合而得到提高。實(shí)際按照非組合梁設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中，由于正常使用的需要，常常會(huì)在鋼混交界面的鋼板上布置一定數(shù)量的柔性連接件，例如圖10所示的鋼筋連接件。如果想進(jìn)一步提升鋼板與混凝土的粘結(jié)效果，還可以在鋼板上鋪灑環(huán)氧樹脂和硅砂。

結(jié)語(yǔ)

第二次世界大戰(zhàn)以后，組合結(jié)構(gòu)以其整體受力的經(jīng)濟(jì)性，發(fā)揮鋼與混凝土兩種材料各自優(yōu)勢(shì)的合理性以及便于施工的突出優(yōu)點(diǎn)，在歐美各國(guó)和日本橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

我國(guó)的組合結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)雖然起步較晚，但通過(guò)積極地探索于20世紀(jì)90年代在上海陸續(xù)建成了南浦大橋、楊浦大橋和徐浦大橋這三座大跨徑組合梁斜拉橋，其中楊浦大橋1993年建成時(shí)主跨居國(guó)內(nèi)外組合梁斜拉橋之首。

進(jìn)入新世紀(jì)，組合結(jié)構(gòu)橋梁的構(gòu)造形式隨著其越來(lái)越多的建設(shè)實(shí)踐變得更加成熟、新穎。作為組合結(jié)構(gòu)橋梁關(guān)鍵性構(gòu)件之一的剪力連接件也富有較大的創(chuàng)新空間，隨著未來(lái)越來(lái)越多的新型剪力連接件的涌現(xiàn)，不僅優(yōu)化了組合結(jié)構(gòu)橋梁本身的受力性能，順應(yīng)同時(shí)也推動(dòng)著橋梁建設(shè)向更先進(jìn)的方向發(fā)展。