螺杆式抗拔不抗剪剪力键在大跨度连续组合桁架桥梁中的应用

高朋

中铁十五局集团城市建设工程有限公司 河南 洛阳 471000

在大跨连续组合桁架梁桥中，正弯矩区混凝土板和钢桁架上弦杆通过抗剪连接键相连，能充分发挥两者的组合作用，但在负弯矩区桥面板和钢梁之间若仍采用正弯矩区组合方式，混凝土桥面板受拉从而导致开裂，为此，一般需要在负弯矩区桥面板布置大量的预应力束，但设计施工工艺较复杂、预应力效率较低、增加用钢量。为了解决上述问题，本文以天津滨海新区西外环高速公路-海河特大桥为例，通过新型螺杆式连接键的应用、及其相关性能试验和局部受力分析，简单介绍抗拔不抗剪连接键在大跨连续组合桁架梁桥中发挥的优点。

1 工程概况

滨海新区西外环海河特大桥为滨海新区规划的“1环11射，5横5纵”的路网骨架中滨海环线的重要组成部分，桥址位于天津滨海新区，唐津高速公路滨海大桥东侧500m，桥梁建筑面积140060m2。

海河特大桥分为主桥、南引桥、北引桥三部分，其中，主桥为三跨连续变截面钢桁架梁桥，如图1所示，主桥长330m，跨径组合为（95m+140m+95m），是国内首座大跨度钢-混凝土组合桁架公路桥梁。主桥由12榀桁架组成，桁架横向中心间距为3.56m,单榀由上弦、下弦和腹杆组成，中墩梁高12.5m，跨中梁高3.5m，桥面板厚32-39cm，采用C60混凝土，桥面板混凝土与钢结构之间采用剪力钉和抗拔件进行连接，并且在桥面混凝土板设有预应力钢束[1]。

图1 主桥立面布置

2 剪力键布置

2.1 剪力键型式

抗拔不抗剪剪力键构造如图2所示。主构件为螺杆和螺帽，在工厂进行加工，将螺杆与螺帽进行车丝处理，后期在现场直接拧紧即可，施工时操作简单且精度高。附件为定位盒、螺杆泡沫和螺帽泡沫。螺杆泡沫和螺帽泡沫是为了预留桥面板在张拉预应力时的纵桥向位移空间，使桥面板和钢桁架之间能够自由滑动，从而达到不抗剪的目的。定位盒采用塑料，在工厂预制成型，现场直接安装，目的是为了防止后期浇筑混凝土以及振捣时破坏螺杆泡沫，影响桥面板的位移量而达不到理想效果。螺帽主要是抗拔作用，防止混凝土桥面板和钢桁架竖向脱空。

图2 抗拔不抗剪剪力键构造

2.2 剪力钉的布置

为改善负弯矩区桥面板抗裂性能，本桥在中墩附近85m范围内布置抗拔不抗剪剪力键，使桥面板在预应力束作用下能纵向滑动，从而增加预应力导入度。在正弯矩区密布普通栓钉，使桥面板和钢桁架紧密结合，组合受力[2]，如图3-5所示。

图3 全桥纵向剪力键布置图

图4 剪力键横向布置图

图5 剪力键横向布置图

3 施工工艺

本工程采用电弧螺柱焊，此施工工艺具有焊接强度高、焊接时间短、热变形小及生产效率高、工序简单、成本低等特点。作业内容分为：剪力钉、磁环检验，焊接区表面清理，焊接及焊接质量检验。

工艺流程图

3.1 施工准备

施工前对钢桥面板堆积的材料、机具清理，对存在被破坏的防腐漆面、大面积的锈蚀、污染部位进行清洗、除锈；

焊接作业区空气环境相对湿度不大于85%；

焊接作业环境温度不低于0℃，否则应采取措施将母材预热到0-5℃以上，预热范围≥3倍板厚的区域。

对进场的剪力键、配套使用的磁环进行检验，对焊接机具进行调校。

3.2 划线定位

用钢尺和墨线按照设计要求的位置和间距，在钢梁顶面划出焊件的位置，位置允许偏差±1mm。

3.3 清理焊接区域

采用角磨机将施焊部位的涂层打磨干净，并用钢丝刷清扫残渣。清理范围为距焊接中心半径不小于2d，清理表面达到设计要求。

3.4 试焊

试焊工作在试焊板上进行，把相应直径的保护磁环置于母材上，把焊接件插入磁环内并于母材接触，具体工艺如下。

引弧：按动电源开关，焊件自动提升，激发电弧；

焊接：焊接电流增大，使螺杆端部局部表面融化（此过程会产生高温气体）；

加压：设定的电弧燃烧时间达到后，将螺杆自动压入母材（此过程会有一定飞溅物产生）。

断电：切断电源，融化金属凝固，并保持焊枪不动；

冷却：焊缝冷却，清除焊缝余高和磁环，焊接完成。

3.5 检验

每日每台班开始正式焊接前，必须按照焊接工艺试焊两个试件，用套管将螺杆压弯30°（或者使用小锤敲击），进行弯曲试验，检查是否满足质量要求，若不能满足要求，则应修改施工工艺，调整工艺参数，再次试焊，直到满足要求为止。使用套管进行试验时，套管下端距焊肉上端的距离不小于1d。

3.6 正式焊接

正式焊接的施工工艺同试焊工艺。

4 螺杆式抗拔不抗剪剪力键性能试验

通过拉拔试验进行测试，验证连接键栓杆与螺帽之间的连接强度。

试件参数：共2个试件，螺杆采用Q345qD钢材，抗拉强度设计值取310MPa。

表1 试验参数

表2 试验结果

图6 试验照片

图7 杆件顶部颈缩

两个构件在螺纹下方都有直径较小的区域，因此最终破坏在该区域发生了颈缩，强度近似于螺杆极限抗拉破坏强度（极限破坏时按原直径计算截面平均应力530MPa）。在计算时采用210t重车得到的拉拔力F=95.9kN，连接键按照设计需承受的抗拔力为95.9kN×1.7=163.2kN。根据试验结果，该尺寸连接键能够满足设计要求，破坏模式与预期相同，且有较大安全储备[3]。

图8 试件1 力-位移图

图9 试件2 力-位移图

5 螺杆式抗拔不抗剪剪力键局部受力分析

5.1 计算模型

为了求得抗拔件与接触面混凝土受力情况，需要先求得单个抗拔件所受拉力。建模时，将上弦杆与桥面板处按固结模拟，按照车轮分布有效宽度，取一段桥面板计算。汽车荷载选取70t重车、210t的超重车，按照规范规定进行横向车辆布载。

图10 桥面板与抗拔件连接示意（桥梁横断面图）

5.2 桥面板局部计算

经计算，悬臂处弯矩力值最大（如图11），按照210t重车布载得到最大弯矩为M＝739kN*M，换算到单个抗拔件圆形板上拉力为

图11 混凝土冲切示意

表3 结果对比

5.3 抗拔件验算

5.3.1 螺杆

采用圆形T 板圆柱钉直径2 8 m m，螺纹内径为24.6mm,则圆柱钉螺纹内径处最不利受拉应力σ ＝F/S=77800/481=161MPa<190MPa。

5.3.2 螺纹

根据《机械设计》课本内容：“从传力第一圈螺纹变形最大，受力最大，以后递减，第8~10周几乎不受力，所以加高螺母并不能提高螺纹牙强度。”

则螺纹圈数n=(24.6/28)^2*182/190/(1-(24.6/28)^2)=3.2。

同时参考M28螺栓，取顶板厚度为25mm，螺纹圈数n=8,满足受力要求。

5.3.3 抗拉板

抗拉板弯曲应力为：

σ = M y / I = 7 7 8 0 0 / 2 * 4 1 * 1 2 . 5 /(130*25^3/12)=118Mpa<200MPa

5.3.4 螺杆疲劳

根据最新钢规，疲劳荷载模型II为四轴单车模型，轴重、轴距与轮距的布置如下图，车重为45t,轴重120kN（45t车:活载最大弯矩为M＝164.5kN*M，换算到单个抗拉板上拉力为F＝17.3kN）。

每个螺杆的应力幅为: σ＝17300/615=28.1MPa<50MPa，满足疲劳应力幅要求。

综上，根据验算，混凝土局部承压力以及抗拔不抗剪连接件应力均小于规范规定，满足规范要求。

6 结束语

本工程已正式通车近2年时间，桥梁运行效果良好，在负弯矩区桥面板受拉区域未出现混凝土开裂现象，螺杆式抗拔不抗剪剪力键的应用，既保障了桥梁施工质量，同时，又为我国类似桥梁提供了一套成熟的设计和施工方案。