柔性焊钉连接件抗剪性能试验及应用研究

摘要：针对铁路钢桥正交异性板整体道砟槽组合桥面中，普通焊钉连接件与道砟板相互作用而检算难以满足规范要求，提出了一种在普通焊钉周围包裹橡胶的柔性焊钉连接件，并对其进行了推出试验。试验结果表明，这种柔性焊钉具有抗剪刚度较同规格普通焊钉小，而抗剪承载力与同规格普通焊钉接近的力学特性。通过利用其抗剪刚度的可控性与抗剪承载力的可靠储备，以改善焊钉连接件及混凝土道砟板的受力状态。

Abstract： For the orthotropic deck combined with integrated ballast trough of the steel railway bridge， the interaction between the general welding studs and integrated ballast board is difficult to meet special requirements， so the new flexible welding stud connector which rubber is wrapped around common nails is developed. The test is conducted and the results show that the shear stiffness of this flexible welding studs is smaller than the same normal ones， while the shear capacity of the ones is close to the same normal ones. So the forcing condition between the welding stud connectors and the concrete ballast board is improved by controlling the shear stiffness， utilizing the reliable reserve of the shear capacity and optimizing the welding studs arrangement.

关键词：组合桥面;柔性焊钉连接件;推出试验;抗剪性能;外包橡胶套

Key words： combined deck;flexible-welding stud connector;push-out test;shear behavior;out rubber cover

中图分类号：U441                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）22-0112-03

0  引言

剪力连接件是钢-混凝土组合梁的关键部件，我国目前应用最广泛的是焊釘连接件，它不仅用来传递钢梁与混凝土板间的纵向剪力，而且抵抗钢梁与混凝土板之间的相对滑移和防止掀起，以保证钢梁与混凝土板整体受力。近几年来国内外已建或在建的铁路钢桁梁桥中，桥面形式大多采用正交异性板道砟槽整体桥面系，其混凝土道砟槽板通过普通焊钉与钢桥面板组合在一起。

在正交异性板道砟槽整体桥面系中，焊钉连接件仅仅起到固定道砟槽板的作用，设计时并未考虑道砟槽板参与结构的受力。但在铁路荷载、收缩、徐变及温度等作用下，由于普通焊钉抗剪刚度、抗剪承载力与混凝土道碴槽板受力的相互制约，焊钉连接件不仅会承受较大的剪力，同时给受拉区混凝土道砟槽板带来较大拉应力[3][4]。这种情况下就要求使用刚度较小而且又可以起到固定作用的连接件，即柔性焊钉剪力连接件的开发就显得非常必要[5]。本文通过对普通焊钉进行简单的改造，开发了一种在普通焊钉周围包裹一层橡胶的新型柔性焊钉连接件，并对其进行了推出试验。柔性焊钉连接件构造形式如图1所示。

1  柔性焊钉抗剪连接件试验

1.1 试验概况

采用推出试验的方法对新型柔性焊钉连接件受力性能进行了试验研究，根据外包橡胶长度及厚度，加载方式的不同，共分6组18个模型试件，模型试验分组如表1所示。焊钉规格为ML15？覫19×100，混凝土采用C40，普通钢筋采用HRB335，纵向主筋为Ф16，横向箍筋为Ф12，外包橡胶套采用NR45°的低硬度、耐久性好的天然橡胶制成，如图2所示。

1.2 模型试件加载及测试方案

推出试验加载如图3所示，采用两侧对称加载的方式，保证均匀给每根柔性焊钉连接件施加剪力，其中滞回加载分10级每级递增35kN进行加载，加完第10级后直线加载直至破坏。通过力传感器与位移计，测得荷载-滑移曲线，获得柔性焊钉连接件的抗剪承载力与对应滑移量，并对试件破坏后的状态进行观察，研究焊钉及混凝土的破坏现象。

2  试验结果及分析

2.1 试验破坏现象

通过对6组共18个推出试件的试验分析，从破坏形式上，所有试件的破坏均为焊钉根部剪断;从破坏形态上，试件在加载过程中混凝土均未出现裂缝，焊钉根部仅有少量混凝土剥落[6]，柔性焊钉试件相对滑移量明显大于普通焊钉试件，如图4和图5 所示。

2.2 抗剪承载能力

通过布设在试件上的4个高精度位移计测得钢翼板与混凝土板的相对滑移，通过力传感器测得实时荷载，取各组试件所有百分表实测数据的平均值拟合的直线加载时焊钉连接件荷载～滑移曲线如图6所示（图中H为橡胶包裹高度，t为包裹厚度）。循环加载以及钢表面涂装对柔性焊钉的力学性能几乎无影响，本论文未整理相关计算结果。

根据试验记录数据，获得的各组试件单钉极限承载力、滑移量及抗剪刚度如表2所示，表中焊钉抗剪刚度为荷载-滑移曲线中极限承载力1/3倍荷载对应点至原点割线的斜率[5]。

由以上试验结果可知，荷载-滑移曲线在前期加载阶段普通焊钉明显陡于柔性焊钉，表明外包橡胶套的新型柔性焊钉连接件具有较小的抗剪刚度;随着荷载的增加，荷载-滑移曲线呈非线性关系，试件在达到极限承载力后，新型柔性焊钉表现出了明显的延性特征;而后随着荷载读数的降低，所有焊钉均为根部被剪断，其破坏现象均相似，实测得新型柔性焊钉的抗剪极限承载力与普通焊钉基本一致，表明外包橡胶套对普通焊钉的极限承载力影响较小。

3  结论

本文结合工程背景，提出了一种橡胶-焊钉组合的新型柔性连接件，并依据6组共18个试件的推出试验，分析了该连接件的破坏现象、极限抗剪承载力及对其性能的影响因素，得出以下结论：①新型柔性焊钉连接件，通过对普通焊钉的简单改造即可大幅降低其抗剪刚度，而极限承载力与同规格普通焊钉接近，且施工工序简便。②新型柔性焊钉连接件根部不予混凝土直接接触，靠杆部弯曲性能承担剪力，明显改善了连接件的延性性能，具有较好抗疲劳性。③基于本次试验结果对柔性焊钉进行了应用尝试，今后对其抗剪、抗拉、抗疲劳性能等受力机理有待更全面、深入的研究，积累更多的试验数据，以便更加合理地應用到组合结构中。

参考文献：

[1]徐勇，戴晓春.高速铁路96m钢桁梁桥面系结构形式比较研究[J].铁道勘察，2007（s1）：24-27.

[2]彭岚平，徐升桥，高静青.钢桁梁有砟桥面结构设计研究[J]. 铁道勘察，2007（s1）：14-19.

[3]刘桂红，易伦雄.采用正交异性钢桥面板的铁路钢桁梁设计[J].桥梁建设，2007（s2）：8-10.

[4]任万敏，朱敏，袁明.128双线铁路简支钢桁梁桥设计[J].桥梁建设，2012，42（01）：79-83.

[5]刘玉擎.组合结构桥梁[M].北京：人民交通出版社，2004，11.

[6]张兴虎，杨威，姜维山，等.组合梁新型连接件抗剪性能试验研究[J].西安建筑科技大学学报，2010，42（04）：492-498.

[7]叶梅新，张晔芝.桁梁结合梁及其剪力连接件试验研究[J]. 铁道学报，1999，21（1）：67-71.

作者简介：任浩天（1998-），男，四川成都人，石家庄铁道大学土木工程专业在读。