橋梁結(jié)構(gòu)論文：剪力連接件在橋梁中的運用

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本文作者：羅杰、張平 單位：重慶市市政設(shè)計研究院

首先根據(jù)剪力連接件對鋼與混凝土結(jié)合面相對滑移約束程度的不同將組合梁分類，結(jié)合典型實例，對適用于不同形式鋼-混組合梁的傳統(tǒng)與新型剪力連接件的構(gòu)造與受力特點進行比較分析，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)計的新理念。

完全組合梁的剪力連接件設(shè)計

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性能具有各向同性，密布時可有效限制鋼與混凝土之間的相對滑移；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，實橋施工階段測試顯示梁端鋼混相對滑移量很小[2]。美國ArthurRavenelJr橋為鋼與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)的有限元仿真計算分析結(jié)果[3]顯示：由于索力會引起錨固區(qū)局部鋼梁相對于混凝土板較強的滑移趨勢，因此在該處設(shè)置密集、直徑較大的焊釘連接件時，將導致錨固區(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)附近的混凝土也因為焊釘剪力集中而引起局部較大的拉應(yīng)力。

開孔鋼板連接件。開孔鋼板連接件主要通過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問題是其設(shè)置將削弱混凝土板縱向截面積，對橋面板橫向受力會產(chǎn)生一定影響，設(shè)計時宜加以考慮。

復(fù)合粘結(jié)層連接件。瑞士的Lebet教授等[4]通過試驗研究了一種粘結(jié)作用很強的新型鋼混結(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的粘結(jié)作用，如圖6所示。試驗顯示，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

2.1部分組合梁的設(shè)計新理念。在滿足鋼-混凝土結(jié)合面抗剪承載力要求的前提下，適當減小結(jié)合面抗剪剛度，允許其發(fā)生適量的相對滑移，即將組合梁設(shè)計為部分組合梁，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)計理念之一。通過合理改進剪力連接件的構(gòu)造，設(shè)計開發(fā)一種抗剪承載力較大、抗剪剛度較小、施工簡易的新型柔性連接件，是上述理念付諸實踐的一個研究方向。

2.2剛度時變型連接件。日本學者北川幸二等人[5-7]曾研究了根部包裹樹脂的剛度時變型焊釘并應(yīng)用于多座組合梁橋，如圖7所示。當混凝土板早期收縮發(fā)展迅速時，其樹脂的硬度較低，此時該焊釘?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險。當后期荷載施加后，樹脂已經(jīng)變硬，此時該焊釘?shù)目辜魟偠忍嵘?，滑移將會被控制在較小的范圍內(nèi)。對直徑為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焊釘試件進行了推出試驗，圖8所示為試驗所得的剪力-滑移曲線，可見：對于硬化前的試件，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。實橋焊釘往往密布，對于剛度時變型焊釘連接件，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)的硬化時間會對工期產(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，其焊釘采用標準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。其施工較剛度時變型焊釘連接件方便，且同樣能達到抗剪剛度較同規(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

設(shè)計中通常認為簡單疊合起來的梁結(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，梁的強度不會因為疊合而得到提高。實際按照非組合梁設(shè)計的結(jié)構(gòu)中，由于正常使用的需要，常常會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

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)濟性，發(fā)揮鋼與混凝土兩種材料各自優(yōu)勢的合理性以及便于施工的突出優(yōu)點，在歐美各國和日本橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

我國的組合結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)雖然起步較晚，但通過積極地探索于20世紀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年建成時主跨居國內(nèi)外組合梁斜拉橋之首。

進入新世紀，組合結(jié)構(gòu)橋梁的構(gòu)造形式隨著其越來越多的建設(shè)實踐變得更加成熟、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，隨著未來越來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)同時也推動著橋梁建設(shè)向更先進的方向發(fā)展。