剪力连接件在组合结构桥梁中的设计与新理念

2013-02-09罗杰张平

重庆建筑 2013年1期

罗杰，张平

(重庆市市政设计研究院，重庆 400020)

序言

剪力连接件是影响钢与混凝土组合结构受力性能、保证异种材料共同工作以提升综合性能的关键性构件。根据剪力连接件对钢混滑移的约束程度的不同，可将组合梁划分为三类：完全组合梁、非组合梁与部分组合梁。

完全组合梁在钢梁与混凝土板之间连续设置了密集、抗剪刚度较大的剪力连接件或粘结层。在荷载作用下，钢梁与混凝土接触面只能发生极微小的相对滑移，设计中可认为梁截面在弹性状态下始终满足平截面假定。完全组合梁受弯截面应力应变分布如图1-a所示，组合作用会引起梁体刚度的较大提升，完全组合梁的抗弯承载能力也较非组合梁得到很大提高。

非组合梁仅由混凝土板与钢梁简单叠放在一起形成，钢混结合面之间不设置剪力连接件或只设置数量很少且抗剪刚度很小的柔性连接件。在竖向均布荷载作用下，叠合梁的混凝土板与钢梁可沿纵向自由变形，中性轴位于各自截面的形心处，非组合梁受弯截面应力应变分布如图1-b所示。

部分组合梁介于非组合梁与完全组合梁之间，其钢混结合面间设置抗剪刚度大小适中的剪力连接件，在不会对根据完全组合梁理论计算得到的设计刚度与承载力有较大削弱的前提下，其允许钢混结合面间发生一定量的相对滑移，部分组合梁受弯截面应力应变分布如图1-c所示。

图1 组合梁受弯截面应力应变分布

本文首先根据剪力连接件对钢与混凝土结合面相对滑移约束程度的不同将组合梁分类，结合典型实例，对适用于不同形式钢-混组合梁的传统与新型剪力连接件的构造与受力特点进行比较分析，探讨了剪力连接件在组合结构桥梁上的应用与钢混结合面设计的新理念。

1 完全组合梁的剪力连接件设计

1.1 圆柱头焊钉连接件

圆柱头焊钉连接件是完全组合梁最常用的剪力连接件。其在剪切方向上的力学性能具有各向同性，密布时可有效限制钢与混凝土之间的相对滑移；圆柱头焊钉的头部埋入混凝土中，可起到抗拉拔的作用，防止混凝土板掀起[1]。上海浦东内环高架的一座跨线桥采用了钢板梁与混凝土板结合的组合梁桥形式，其剪力连接件采用了密布的焊钉，如图2所示，实桥施工阶段测试显示梁端钢混相对滑移量很小[2]。

图2 上海浦东内环高架某组合梁桥及焊钉布置

美国Arthur Ravenel Jr桥为钢与混凝土组合梁斜拉桥，索梁锚固区采用了锚拉板结构，剪力连接件也采用了密布的焊钉，索梁锚固区焊钉布置如图3所示。根据同类结构的有限元仿真计算分析结果[3]显示：由于索力会引起锚固区局部钢梁相对于混凝土板较强的滑移趋势，因此在该处设置密集、直径较大的焊钉连接件时，将导致锚固区结合部焊钉受到的剪力很不均匀，锚固区附近的焊钉剪力常常过大，不易满足规范要求，其他区域的焊钉剪力较小而不能充分发挥作用，锚固区附近的混凝土也因为焊钉剪力集中而引起局部较大的拉应力。

图3 Arthur Ravenel Jr桥及焊钉布置

1.2 开孔钢板连接件

开孔钢板连接件主要通过钢板圆孔中混凝土的抗剪能力将钢与混凝土组合为整体，如图4所示。沿主梁纵向连续布置开孔钢板连接件，可提供较大的结合面抗剪刚度与抗剪承载力。日本北陆新干线铁路上的连续梁桥，采用钢管混凝土构件作为主梁，在负弯矩区设置开孔钢板连接件，在正弯矩区设置焊钉连接件，在不同位置的钢管中分别填充气泡混凝土及其轻骨料混凝土，并在桥面板负弯矩区使用钢纤维混凝土[1]，如图5所示。开孔钢板连接件存在的一个问题是其设置将削弱混凝土板纵向截面积，对桥面板横向受力会产生一定影响，设计时宜加以考虑。

1.3 复合粘结层连接件

图4 开孔钢板连接件

图5日本北陆新干线铁路桥布置图

瑞士的Lebet教授等[4]通过试验研究了一种粘结作用很强的新型钢混结合方式，即在结合面上设置了带刻痕的钢板并涂装复合材料粘结层，以使钢混间形成很强的粘结作用，如图6所示。试验显示，这种结合形式受力前期钢混结合面抗滑移能力很大，一旦结合面进入塑性后，抗滑移能力下降很快，但后期仍能依靠残余的粘结摩擦等因素抵抗一定量的结合面剪力，具有较好的后期延性。

图6 结合面设置复合粘结层的钢混组合梁

2 部分组合梁的剪力连接件设计

2.1 部分组合梁的设计新理念

在满足钢-混凝土结合面抗剪承载力要求的前提下，适当减小结合面抗剪刚度，允许其发生适量的相对滑移，即将组合梁设计为部分组合梁，使各剪力连接件剪力分布更加均匀，是改善钢与混凝土组合梁受力性能的设计理念之一。通过合理改进剪力连接件的构造，设计开发一种抗剪承载力较大、抗剪刚度较小、施工简易的新型柔性连接件，是上述理念付诸实践的一个研究方向。

2.2 刚度时变型连接件

日本学者北川幸二等人[5-7]曾研究了根部包裹树脂的刚度时变型焊钉并应用于多座组合梁桥，如图7所示。当混凝土板早期收缩发展迅速时，其树脂的硬度较低，此时该焊钉的抗剪刚度较小，混凝土板前期可以较自由地伸缩变形，约束应力相对较小，且预应力施加效率较高，一定程度上降低了混凝土板受拉开裂的风险。当后期荷载施加后，树脂已经变硬，此时该焊钉的抗剪刚度提升，滑移将会被控制在较小的范围内。对直径为19mm、高度为110mm、外包树脂高度为70mm、外包树脂厚度为8mm的树脂硬化前、硬化后以及普通焊钉的三组焊钉试件进行了推出试验，图8所示为试验所得的剪力-滑移曲线，可见：对于硬化前的试件，加载前期抗剪刚度较普通焊钉试件小，加载后期抗剪刚度明显较前期提升，且抗剪极限承载力与普通焊钉抗剪极限承载力接近；对于硬化后试件，加载全程中抗剪刚度的发展同普通焊钉类似，且抗剪极限承载力与普通焊钉抗剪极限承载力接近。

图7 刚度时变型焊钉连接件

2.3 外包橡胶柔性焊钉连接件

图8 刚度时变型焊钉树脂硬化前后及普通焊钉剪力-滑移曲线

实桥焊钉往往密布，对于刚度时变型焊钉连接件，逐一包裹塑性的树脂是较为繁琐的工作，钢筋的布置也易引起树脂的破坏，树脂在混凝土内的硬化时间会对工期产生影响。袁明等[8]提出了外包橡胶套管的柔性焊钉连接件的设计理念。外包橡胶柔性焊钉连接件是一种在根部安装了橡胶套管的结构工程用焊钉抗剪连接件，其焊钉采用标准的电弧螺柱焊用圆柱头焊钉，橡胶套管采用低硬度、耐久性好的天然橡胶制成，如图9所示。其施工较刚度时变型焊钉连接件方便，且同样能达到抗剪刚度较同规格焊钉小、抗剪抗剪极限承载力与普通焊钉抗剪极限承载力接近的效果[3]。

图9 外包橡胶柔性焊钉连接件

3 非组合梁的剪力连接件设计

设计中通常认为简单叠合起来的梁结构的极限承载力等于混凝土板与钢梁各自极限承载力的较小值，梁的强度不会因为叠合而得到提高。实际按照非组合梁设计的结构中，由于正常使用的需要，常常会在钢混交界面的钢板上布置一定数量的柔性连接件，例如图10所示的钢筋连接件。如果想进一步提升钢板与混凝土的粘结效果，还可以在钢板上铺洒环氧树脂和硅砂。