铁路钢-混凝土组合梁受力特征及装配化分析

2022-11-23李旺旺班新林赵体波苏永华

铁道建筑 2022年1期

李旺旺班新林赵体波苏永华

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；

2.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081

随着我国经济和社会的发展，铁路建设范围逐步扩大，需要穿越众多的横断山脉和峡谷，面临恶劣的建设环境和严峻的技术挑战。现阶段铁路建设多采用“以桥代路”的方式进行设计和建造，装配式铁路桥梁技术的发展与应用对于克服铁路建设中遇到的恶劣环境具有关键作用。

装配式钢-混凝土组合梁能够大大减少现场施工工作量，工厂化预制方式可显著提高构件质量，因此在现代铁路建设中具有良好的适用性。目前我国钢-混凝土组合梁广泛应用于公路桥梁结构中［1-3］，在铁路桥梁中只有少量的设计和应用。因此，对装配式钢-混凝土组合梁在铁路荷载作用下的性能进行深入研究具有重要意义。

装配式钢-混凝土组合梁的主要构成为混凝土板、钢结构以及二者之间的抗剪连接件。在桥梁运营过程中主要受力部分是混凝土板和钢结构，抗剪连接件用于传递二者之间的作用力，因此组合桥梁中混凝土和钢结构能否作为整体共同受力的关键在于是否合理设置了抗剪连接件［4-5］。钢-混凝土组合梁在运营过程中需要承受静力和往复循环荷载作用，因此要同时满足静力受力性能和疲劳性能要求［6-8］。

本文对铁路荷载和公路荷载作用下钢-混凝土组合梁结构进行了初步设计，对比分析其在两类荷载作用下的受力性能。结合装配式结构的特点，分析装配式钢-混凝土组合梁的关键构造，对其关键技术进行深入分析，探求适用于铁路装配式钢-混组合梁的连接构造。

1 钢-混凝土组合梁连接性能

1.1 连接件性能分析

钢-混凝土组合结构承受正弯矩时，混凝土承受压应力，钢结构承受拉应力，能够充分发挥二者的材料优点，从而得到性能优异的组合结构。抗剪连接件的性能是二者能够形成整体共同受力的关键［9］。

单个抗剪连接件根据其性能分为刚性抗剪连接件和柔性抗剪连接件，二者各有其优缺点。刚性连接件的滑移量较小，水平剪力与相对滑移量呈正相关，因此往复荷载作用下剪力幅较小，可提高抗剪连接件抗疲劳性能。刚性连接件可有效传递混凝土与钢结构之间的作用力，组合结构的整体性能良好。但是，刚性连接件的破坏类型属于脆性破坏，这是结构极限状态设计应该避免的破坏类型。柔性连接件具有良好的变形性能，能够使结构在承受荷载过程中产生内力重分布，从而充分发挥结构各部分的性能。其破坏类型为延性破坏，该种类型对结构破坏有良好的预示作用。但是，柔性连接件的刚度小，滑移量大，减小了组合结构的整体性，使得组合结构抗剪连接件应力幅增大，较易引起疲劳破坏。

由以上对比分析可见，钢-混凝土组合结构中理想的抗剪连接件应在结构弹性受力过程中有足够的刚度，减小交界面处的滑移量，保证混凝土和钢结构能够形成整体共同工作；在极限状态应有足够的延性，使得组合结构能够进行内力重分布，最终发生延性破坏。

1.2 连接程度对组合梁性能的影响

抗剪连接件的连接程度是单个连接件和整体连接件性能的综合指标，反映了连接件对组合结构中混凝土结构和钢结构的连接程度。当单个及整体抗剪连接件刚度提高后，组合梁中混凝土板和钢梁整体性得到提高，从而降低跨中截面最大应力，因此能够在不增加材料用量和改变结构高度的情况下提高组合结构的承载能力；连接程度提高后，界面间滑移量减小，可降低组合结构的应力，在承受相同荷载情况下可减小组合结构的疲劳应力；连接程度提高，可增强组合梁的整体性，从而减小结构的挠度，能够在不增加材料用量和结构高度的同时提高组合结构的刚度。因此，组合结构中连接程度的增加可有效提高结构的承载力、抗疲劳性能和刚度。

2 铁路荷载和公路荷载作用下钢-混凝土组合梁性能

由于铁路和公路桥荷载有各自的特点，铁路和公路中的组合梁性能存在明显差异，下文进行了对比分析。

2.1 钢-混凝土组合梁结构及荷载

铁路选用客货共线ZKH荷载，公路选用公路Ⅰ级荷载。对跨度32m的双线铁路桥和公路桥进行初步设计，二者均采用包含4个工字钢主梁和混凝土板的组合结构。铁路、公路组合梁结构和钢主梁横截面分别见图1、图2。为对比铁路荷载和公路荷载作用下组合梁性能，采用相同的抗剪连接件布置，见图3。

图1 铁路组合梁结构和钢主梁横截面示意（单位：mm）

图2 公路组合梁结构和钢主梁横截面示意（单位：mm）

图3 抗剪连接件布置（单位：mm）

2.2 静力性能对比分析

参照TBJ24—1989《铁路结合梁设计规定》［10］和GB50917—2013《钢-混凝土组合桥梁设计规范》［11］对铁路和公路组合梁进行计算分析。由于铁路中的恒载和活载均大于公路，铁路组合梁的高度和截面面积要明显大于公路组合梁的。

在公路荷载作用下，单个工字钢主梁和有效翼缘宽度结构自重为31.77kN/m，二期恒载为12.50kN/m。由恒载产生的弯矩为5860kN∙m，由活载产生的弯矩为5390kN∙m。恒载和活载长期及短期组合作用下混凝土最大压应力为8.47MPa，钢梁最大拉应力为177.71MPa。静活载作用下组合梁挠度为29.93mm。

在铁路荷载作用下，单个工字钢主梁和有效翼缘宽度结构自重为29.93kN/m，二期恒载为45kN/m。由恒载产生的弯矩为9590kN∙m，由活载产生的弯矩为6669kN∙m。恒载和活载作用下混凝土最大压应力为8.43MPa，钢梁最大拉应力为140.81MPa。静活载作用下组合梁挠度为26.56mm，梁端转角为2.3‰rad。组合梁一阶频率为3.32Hz。

由以上对比分析可见，铁路恒载效应是公路的1.64倍，铁路活载效应是公路的1.24倍。因此，铁路荷载作用下组合桥梁承受的静力荷载和动力荷载均大于公路荷载作用下的。

3 钢-混凝土组合梁疲劳性能

对铁路荷载和公路荷载作用下组合梁的钢结构和抗剪连接件疲劳性能进行分析。

3.1 公路荷载作用下的组合梁疲劳性能

GB50917—2013［11］中疲劳荷载模型分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种。在上文公路组合梁结构设计基础上，计算三种疲劳荷载作用下32m公路钢-混凝土组合梁中钢梁、栓钉的疲劳应力幅，结果见表1。可见，疲劳荷载模型Ⅲ作用下，钢梁的疲劳应力幅最大（66.91MPa），栓钉应力幅值最大（40.98MPa）。

表1 公路荷载作用下的疲劳应力幅 MPa

3.2 铁路荷载作用下的组合梁疲劳性能

TBJ24—89中荷载分为四种：ZK荷载、ZC荷载、ZKH荷载和ZH荷载。在上文铁路组合梁结构设计基础上，计算四种荷载作用下32m铁路钢-混凝土组合梁中钢梁、栓钉的疲劳应力幅，结果见表2。可见，钢梁、栓钉的疲劳应力幅均呈现σZH荷载>σZKH荷载>σZK荷载>σZC荷载的规律，ZH荷载作用下最大。

表2 铁路荷载作用下的疲劳应力幅 MPa

3.3 对比分析

对于公路荷载作用，单个工字钢梁在恒载作用下的梁底拉应力为100.89MPa，疲劳荷载作用下最大拉应力为66.91MPa；恒载作用下栓钉剪应力为82.39MPa，疲劳荷载作用下栓钉最大剪应力为40.98MPa；组合结构钢梁承受的往复循环应力为100.89～167.80MPa，应力幅为66.91MPa；栓钉连接件承受的往复循环剪应力在82.39～123.37MPa，应力幅为40.98MPa。

对于铁路荷载作用，单个工字钢梁在恒载作用下的梁底拉应力为84.30MPa，活载作用下最大拉应力为73.46MPa；恒载作用下栓钉剪应力为75.73MPa，活载作用下栓钉最大剪应力为85.10MPa；组合结构钢梁承受的往复循环应力在84.30～157.76MPa，应力幅为73.46MPa；栓钉连接件承受的往复循环剪应力在75.73～160.83MPa，应力幅为85.10MPa。

由以上对比可见，由于铁路组合梁的高度和钢结构面积均较大，因此在铁路荷载作用下钢梁疲劳应力下限小于公路荷载。设置相同抗剪连接件情况下，铁路荷载作用下栓钉承受的最大疲劳应力幅为公路荷载作用下的2.08倍。因此，铁路荷载作用下的钢-混凝土组合梁对抗剪连接件的性能有更高的要求。

4 装配式组合梁抗剪连接件关键技术

装配式组合梁是将钢结构和混凝土结构分别在工厂预制，运至施工现场，进行简单拼装后即可建成安全、适用、美观的组合结构梁。该种组合形式能够显著减小现场工作量，缩短施工周期，工厂化施工能够显著提高组合梁各构件的质量。装配式组合结构是由钢结构、混凝土结构和抗剪连接件组合成为整体的结构，自重较轻，在装配式施工中有独特的优势。

充分发挥装配式组合梁结构的优点能有效解决现代铁路中遇到的建设环境恶劣而导致不适宜大量现场施工的难题。装配式施工的关键是在现场拼装过程中如何合理设置连接件，使得钢结构和混凝土结构能够形成整体共同工作。

4.1 装配式组合梁抗剪连接件关键问题

整体式组合梁在施工过程中需要在钢结构安装就位后进行模板支护和钢筋绑扎，最后再进行混凝土浇筑。因此，只需要将抗剪连接件在混凝土浇筑前安装就位，混凝土浇筑完后抗剪连接件即可发挥其作用。该种施工方法对于各种抗剪连接件布置形式及安装方法都具有良好的适用性。但是，装配式组合梁中钢结构和混凝土结构均在工厂内预制完成，需要在施工现场完成二者的连接。因此，如何合理设置装配式组合梁中的抗剪连接件成为装配式组合梁制备技术的关键。

装配式组合梁抗剪连接件的设置存在两个难题：①抗剪连接件的精确定位。设置传统的分离式栓钉连接件需要在混凝土结构制备过程中预留栓钉孔洞，但是混凝土由于其自身材料特性在养护硬化过程中会产生自收缩，使得预留孔洞容易出现错位和变形，从而导致栓钉无法穿入预留孔洞。②混凝土结构的整体性。设置集中式栓钉群需要在混凝土板中预留栓钉群孔洞，由于预留孔洞比栓钉群尺寸大，能够容许较大的施工误差和混凝土结构的收缩变形，从而解决抗剪连接件的定位问题。但是，该种连接方式中混凝土板预留孔洞较大且沿结构竖向贯通，横向钢筋和纵向主筋均需断开。因此，该处混凝土结构整体性大大减弱。设置了抗剪连接件用于传递钢结构和混凝土结构之间的作用力，是整个结构受力较为集中的关键部位。装配式组合梁在桥梁结构中承受往复循环荷载，该处存在较大面积的混凝土后浇带，且结构整体性较差，对于组合结构的整体受力较为不利。

4.2 适用于装配式组合梁的剪力连接系统

本文提出一种新型装配式组合梁剪力连接系统，在解决连接件精确定位的同时能够提高结构的整体性。装配式组合梁剪力连接系统及连接件细部见图4。首先在混凝土板中预埋纵向钢板，在预埋钢板中预留孔洞与连接件对接；其次采用分离式带孔钢板焊接在钢梁上翼缘，现场拼装过程中将带孔钢板插入混凝土内预埋钢板的预留孔内，并采用类梭形销栓钢棒插入带孔钢板的预留孔内；最后进行混凝土板中预留洞内的混凝土浇筑，完成剪力连接系统的施工。混凝土内预埋钢板沿纵向全长布置，其上的抗剪连接件预留孔洞位置固定，且钢板具有一定刚度，可有效抵抗混凝土结构的收缩变形，大大提高抗剪连接件的对接精度。

图4 装配式组合梁连接系统及连接件细部

本文提出的适用于装配式组合梁的整体连接形式见图5。其中预埋钢板可替代该处的纵向钢筋，除预留抗剪连接件对接孔洞外沿纵向连续，提高了组合梁的整体性，可有效传递混凝土结构和钢结构之间的作用力。混凝土板内的横向钢筋在预留洞处断开，但是在钢筋绑扎完毕后可通过焊接方式与预埋钢板进行焊接，进一步提高组合梁的整体性。因此，所提出的剪力连接系统在满足抗剪连接件精确对接要求的同时能够保证组合结构的整体性。