钢-混组合结构桥梁连接件发展趋势研究

王一博，刘世忠，栗振锋，王 哲，白旭阳，李东运

(太原科技大学 交通与物流学院，太原 030024)

钢-混组合结构桥梁力学性能优越、施工技术工业化强、材料利用率高、技术经济效益显著，已被广泛应用于国内外桥梁工程建设中[1-3]。钢-混结合段是钢-混组合结构桥梁的重点部位，其受力性能直接影响全桥的可靠性及安全性，同时也是主梁结构刚度突变点，传力机理复杂，易引起局部应力集中，甚至导致结构失效。连接件是保证钢材与混凝土形成整体协同工作的关键部件，是钢-混组合结构设计理念的核心，是钢-混组合结构桥梁承载能力与整体抗剪刚度得以实现的保障。

钢-混组合梁诞生于20世纪20年代中期[4]，随后出现飞快发展。上世纪20年代至30年代，钢筋连接件、型钢连接件相继出现，用来增加钢-混组合之间的组合效应。20世纪40年代后，美国、英国等国对钢-混组合梁开展了深入、系统的研究工作，使连接件的研究工作更加标准化、实用化，设计方法和构造要求更加规范化，还提出了性能更好的焊钉连接件及新式型钢连接件[5]。1987年，由德国人Leonhardt和Parterners公司共同研发了一种带圆孔钢板、可直接焊接到钢梁翼缘上的新型剪力连接件，称为PBL(Perfobond Leiste)[6]。

我国剪力连接件的研究起步较晚，1983年，何宗华[7]首次提出按极限强度和按疲劳强度对焊钉连接件进行设计计算。此后，随着我国大规模基础设施的建设和生产水平的提高，连接件的应用越来越广泛，众多科研单位及学者对连接件进行了广泛深入的试验研究和理论分析。对于钢-混结合段来说，众多学者则是基于模型试验和有限元分析，对钢-混组合索塔[8]、钢-混结合段的承载力和传力机理[9]进行了研究。

本文在现有对连接件进行科学分类的基础上，系统总结了常见连接件的构造形式、力学性能、适用范围及其工程应用实例；参考中外相关规范，定量比较分析了各国规范对常见连接件的设计方法、抗剪承载力与抗剪刚度计算的差别与联系；结合钢-混组合结构桥梁发展方向与桥梁建筑材料发展现状，对钢-混组合结构桥梁连接件的发展进行了展望，以期为钢-混组合结构桥梁在我国的发展与应用提供参考。

1 连接件分类与工程性能

钢-混组合结构的力学性能不但与材料性质有关，而且与连接件的形式有很大关系。为了增强钢、混组合效应，满足组合结构抗剪承载力等力学性能的不同要求，连接件的形式呈现多样化发展。依据连接件在荷载作用下变形能力的大小，可将其分为刚性连接件、弹性连接件和组合连接件3大类[10]。具体工程实例见表1。

表1 钢-混组合结构桥梁工程实例

1.1 刚性连接件

常见的刚性连接件有型钢连接件和PBL连接件。刚性连接件布置时需按剪力图进行布置，易给设计施工带来不便，适用于忽略剪力重分布的结构。刚性连接件受到剪力时，因自身变形能力弱，滑移刚度大，作用于混凝土上的支压应力分布均匀，如图1所示，周围的混凝土产生大面积的应力集中，达到混凝土的极限强度，混凝土随之发生剪切或压碎破坏；当混凝土的强度较高时，连接件与钢梁接触处易发生脆性破坏[11]。

图1 刚性连接件支压应力分布

型钢连接件常用的型钢类型有槽钢、T形钢以及方钢，型钢连接件除了具有传递剪力作用外，还可提高相连翼缘的惯性矩，减少施工阶段翼缘的面外鼓屈。通过该类连接件将型钢直接焊接在钢梁上，并配合贯穿钢筋、U型钢筋等浇筑进混凝土当中，共同起到传递界面剪力的作用。特点是：抗剪力强，翼缘可抵抗掀起，且型钢种类多，取材加工方便，便于手工焊接，同时可供选择的范围大，适应性广[12]。此外，当混凝土硬化后，型钢连接件还可为受压侧钢板提供面外约束，约束受压钢板的屈曲。但型钢连接件与跨度方向成90°直角的平面与混凝土结合的地方不能十足咬合，易形成裂缝，从而削弱混凝土翼板强度。型钢连接件在钢壳沉管隧道中应用广泛。

PBL连接件又叫开孔板连接件，如图2所示，是依据钢板孔洞的混凝土榫抵抗钢与混凝土间作用力的连接件，它呈纵向布置，与钢梁的方向一致[13]。PBL连接件依靠圆孔中的混凝土加强两者间的结合，且圆孔中可贯通主钢筋,不影响主筋的布置。孔中的混凝土有巨大的销栓作用，其最终破坏形式是孔中混凝土的2面剪切破坏，且不受疲劳的影响。PBL连接件承载力高，刚度大，抗疲劳性能好，且施工便捷，被广泛应用于各类组合结构桥梁中。

图2 PBL连接件

1.2 弹性连接件

常见的弹性连接件有钢筋连接件和焊钉连接件。弹性连接件具有良好的变形能力，但因其自身刚度小，受到剪力作用时，会随着钢材混凝土界面的相对滑移而产生变形。当滑移值一定时，它的抗剪能力不会变弱，具有较好的延性[14]。弹性连接件的支压应力分布如图3所示。

图3 弹性连接件支压应力分布

钢筋连接件通常是将螺纹钢筋进行弯起并焊接在钢梁上作为传递界面剪力的部件。弯起筋主要是利用钢筋的拉力即锚固抗拔来抵抗交界面的剪力，与混凝土压翼缘剪力流的方向一致，作为一种延性较高的柔性连接件，抗剪承载能力主要取决于钢筋抗拉强度。它只能传递固定方向的剪力，不能传递交变方向的剪力，同时弯起段不利于混凝土中钢筋的布设，且弯筋连接件强度和刚度较差，焊接工作量大。但因其做法简单、焊接方便、易于加工、抗掀起和抗剪切能力强，是一种经济的连接方式。钢筋连接件不宜用于有不同方向的剪力组合界面中。

焊钉连接件的焊钉焊接在钢板上主要用来抵抗钢板和混凝土之间的剪切力，其力学性能没有方向性，设置时不需要考虑受力方向，加上其优良的连接性能和简便的焊接方式，成为钢-混组合结构中最常用的连接件之一[15]，如图4所示。焊钉连接件力学性能优良，被广泛应用于组合结构桥梁中。

图4 焊钉连接件

1.3 组合连接件

组合连接件是指用钢与其他有机材料组合在一起的连接件，简称为组合连接件，如图5所示。组合连接件一般是在型钢腹板或焊钉根部等处设置树脂海绵、泡沫塑料等有机材料，根据施工需要将组合连接件设置在不同部位，能够快速有效地提高组合结构的力学性能[16]。如使用硬度低的泡沫塑料或聚氨酯树脂，把承担剪力的有效部位譬如焊钉根部包裹起来，从而起到降低抗剪刚度的目的，同时又可以保持焊钉头部的抗拉拔作用；若采用硬度高的树脂，初期为胶状体，放置一定时间后便会硬化，进一步在树脂中配合一定的硅砂，还会提高粘度和弹性模量，变得更容易施工。组合连接件适用于工程需求比较复杂的钢-混组合结构中。

图5 组合连接件

2 连接件设计方法

抗剪承载力与抗剪刚度是评价连接件力学性能的重要指标，是连接件设计计算的核心。焊钉连接件与PBL连接件综合性能优越，是目前工程中应用最为广泛的连接件形式，结合国内外相关规范，对此2类连接件进行抗剪承载力与抗剪刚度的比较分析。

2.1 抗剪承载力

2.1.1 PBL连接件

目前，AASHTO LRFD、CAN/CSA-S16-1、日本道路桥以及我国GB 50017—2003《钢结构设计规范》[17]中关于PBL连接件抗剪承载力计算公式尚不明确，特给出表2中的计算公式。

为定量比较国内外规范PBL连接件抗剪承载力计算值大小，取开孔直径55 mm，采用HRB335的Φ16钢筋，混凝土强度等级为C50，材料性能参数见表3。

表3 钢筋与混凝土材料性能参数 MPa

按表2所给公式计算PBL连接件抗剪承载力，可得欧洲规范与我国GB 50917—2003《钢-混凝土组合桥梁设计规范》[18]PBL连接件抗剪承载力关系，如图6所示。从图6发现，欧洲地区关于PBL连接件抗剪承载力的设计值远低于我国行业规范。

图6 抗剪承载力分布

2.1.2 焊钉连接件

为定量比较各国规范焊钉连接件抗剪承载力计算值大小，取焊钉型号为GB/T 10433，16 mm×100 mm，混凝土强度等级为C50，计算公式见表4，材料性能参数见表5。

表4 各国规范焊钉抗剪承载力计算公式及其值

分别按表4中所列公式计算焊钉连接件抗剪承载力，可得各国规范焊钉连接件抗剪承载力分布，如图7所示。从图7可知，欧洲规范关于焊钉连接件抗剪承载力的设计值最低；日本规范关于焊钉连接件抗剪承载力的设计值最高；我国JTG D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》[23]关于焊钉连接件抗剪承载力的设计值与美国相同，跟加拿大规范相比，我国JTG D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》[23]中抗剪承载力设计值较低，与GB 50017—2003《钢结构设计规范》[17]相比，行业规范设计值较低。

表5 焊钉连接件与混凝土材料性能参数

2.2 抗剪刚度

EUROCODE-4、日本道路桥根据焊钉抗剪承载力和推出试验特殊位置相对滑移值给出了焊钉连接件抗剪刚度公式，我国GB 50917—2013《钢-混凝土组合桥梁设计规范》[18]给出了单个焊钉连接件抗剪刚度计算公式，而国外规范以及我国GB 50017—2003《钢结构设计规范》[17]中关于PBL连接件的抗剪刚度计算公式尚不明确，特给出表6中的计算公式。

图7 抗剪承载力分布

表6 抗剪刚度计算公式

从表6给出的计算公式可以看出，连接件的抗剪刚度不仅与连接件形式有关，还与混凝土设计强度及计算荷载下连接件所处的具体受力状态有关。

3 连接件发展趋势

随着国家可持续发展战略的深入推进，建立绿色、低碳与可持续的交通运输体系的任务日益迫切。钢-混组合梁桥作为较新的组合结构，其特有的优势是其他桥梁形式所无法比拟的。众多工程实例表明，钢-混组合桥梁正在向工业化标准制造、运输便捷、轻自重的方向发展，新结构、新材料、新方法、新环境是钢-混组合结构桥梁研究重点，整体装配式组合梁便是其中的一个发展方向[25-27]。随着新型材料研究的进一步发展，钢-混组合结构会突破原有材料的限制，将新型材料运用到组合结构中会推动我国组合梁桥领域的变革，例如在组合桥梁施工时，利用碳纤维薄板、拉挤型GFRP代替传统的钢板，使新建的组合梁桥更加轻便[28]，也可加入具有自感知、自适应、自修复功能的敏感材料，这种材料可提前感应到周围环境的变化，降低或避免灾害带来的危害，可大大提高工程的可靠性和安全性。

目前PBL连接件和焊钉连接件在钢-混组合结构桥梁中应用较多，研究手段多以推出试验+有限元数值仿真为主。对于PBL连接件，一方面继续研究其抗剪承载力和疲劳性能，另一方面不少学者在常规PBL连接件的基础上推陈出新，提出创新的构造[29-31]，如图8所示；对于焊钉连接件，主要以其疲劳性能、抗拔性能及栓钉滑移后引起的结构刚度变异为研究重点[31-33]。随着高性能混凝土如UHPC、ECC等在组合结构桥梁特别是组合桥面板中的应用，钢-高性能混凝土组合桥面板中剪力键的力学行为备受关注[34]。此外，为适应桥梁快速施工(ABC)的要求，装配式剪力键及集束式剪力键群的力学性能也成为研究热点[35]，装配式剪力键如图9所示。为适应不同的使用环境，保证组合结构桥梁的耐久性，连接件的耐久性能研究成为必然要求，腐蚀环境、低温环境及冻融环境下剪力键的力学性能逐渐得到关注[36]。

图8 约束型PBL连接件

图9 装配式焊钉连接件

随着我国桥梁工程的建设不断发展，现有的剪力连接件渐渐不能满足工程需要，因此在结合现有连接件与工程需求的基础上，新型剪力连接件的研究也在不断发展，如根据PBL连接件中圆孔与混凝土的受力特点，不能用于等腰梯形腹板嵌入式连接件；焊钉连接件中焊钉在群钉布设状态下，不同位置的焊钉会通过焊钉间混凝土产生相互影响，从而降低焊钉的力学性能。目前，新型连接件的发展趋势主要是复合剪力连接件、组合剪力连接件以及单一形式新型连接件[37-39]。特别是针对复杂环境下连接件性能的退化、高性能混凝土中连接件力学性能、新型连接件力学性能的研究将成为新的研究热点，同时结合工程实例需要开展新技术研究及推广应用，进一步推动我国钢-混组合结构领域的发展。

4 结束语

本文在研究现有剪力连接件的基础上，系统总结了剪力连接件的力学性能和设计方法，对剪力连接件的研究进行了整合，并分析了未来剪力连接件的发展趋势，得到以下结论：

1) 刚性连接件适用于忽略剪力重分布的结构，型钢连接件广泛应用于钢壳沉管隧道中，PBL连接件广泛应用于组合结构桥梁中；弹性连接件适用于刚度要求不高的结构中，钢筋连接件不适宜于有不同方向的剪力组合界面中，焊钉连接件广泛应用于组合结构桥梁中；组合连接件适用于工程需求比较复杂的钢-混组合结构中。

2) 通过对比中、美、欧、加、日五国规范中关于焊钉连接件抗剪承载力的设计方法，发现欧洲规范设计值最低，日本规范设计值最高，我国国家标准则比行业标准要求设计值更高；通过比较我国规范抗剪刚度设计方法，发现连接件的抗剪刚度不仅与连接件形式有关，还与混凝土设计强度及计算荷载下连接件所处的具体受力状态有关。

3) 结合新型材料以及新型连接件的发展，钢-混组合结构将会突破现有材料的限制，扩大了我国组合结构领域的上限，给我国的基础建设施工作业带来全新的发展。