剪力連接件在組合結構橋梁中的設計與新理念

羅杰，張平

(重慶市市政設計研究院，重慶 400020)

序言

剪力連接件是影響鋼與混凝土組合結構受力性能、保證異種材料共同工作以提升綜合性能的關鍵性構件。根據(jù)剪力連接件對鋼混滑移的約束程度的不同，可將組合梁劃分為三類：完全組合梁、非組合梁與部分組合梁。

完全組合梁在鋼梁與混凝土板之間連續(xù)設置了密集、抗剪剛度較大的剪力連接件或粘結層。在荷載作用下，鋼梁與混凝土接觸面只能發(fā)生極微小的相對滑移，設計中可認為梁截面在彈性狀態(tài)下始終滿足平截面假定。完全組合梁受彎截面應力應變分布如圖1-a所示，組合作用會引起梁體剛度的較大提升，完全組合梁的抗彎承載能力也較非組合梁得到很大提高。

非組合梁僅由混凝土板與鋼梁簡單疊放在一起形成，鋼混結合面之間不設置剪力連接件或只設置數(shù)量很少且抗剪剛度很小的柔性連接件。在豎向均布荷載作用下，疊合梁的混凝土板與鋼梁可沿縱向自由變形，中性軸位于各自截面的形心處，非組合梁受彎截面應力應變分布如圖1-b所示。

部分組合梁介于非組合梁與完全組合梁之間，其鋼混結合面間設置抗剪剛度大小適中的剪力連接件，在不會對根據(jù)完全組合梁理論計算得到的設計剛度與承載力有較大削弱的前提下，其允許鋼混結合面間發(fā)生一定量的相對滑移，部分組合梁受彎截面應力應變分布如圖1-c所示。

圖1 組合梁受彎截面應力應變分布

本文首先根據(jù)剪力連接件對鋼與混凝土結合面相對滑移約束程度的不同將組合梁分類，結合典型實例，對適用于不同形式鋼-混組合梁的傳統(tǒng)與新型剪力連接件的構造與受力特點進行比較分析，探討了剪力連接件在組合結構橋梁上的應用與鋼混結合面設計的新理念。

1 完全組合梁的剪力連接件設計

1.1 圓柱頭焊釘連接件

圓柱頭焊釘連接件是完全組合梁最常用的剪力連接件。其在剪切方向上的力學性能具有各向同性，密布時可有效限制鋼與混凝土之間的相對滑移；圓柱頭焊釘?shù)念^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]。上海浦東內(nèi)環(huán)高架的一座跨線橋采用了鋼板梁與混凝土板結合的組合梁橋形式，其剪力連接件采用了密布的焊釘，如圖2所示，實橋施工階段測試顯示梁端鋼混相對滑移量很小[2]。

圖2 上海浦東內(nèi)環(huán)高架某組合梁橋及焊釘布置

美國Arthur Ravenel Jr橋為鋼與混凝土組合梁斜拉橋，索梁錨固區(qū)采用了錨拉板結構，剪力連接件也采用了密布的焊釘，索梁錨固區(qū)焊釘布置如圖3所示。根據(jù)同類結構的有限元仿真計算分析結果[3]顯示：由于索力會引起錨固區(qū)局部鋼梁相對于混凝土板較強的滑移趨勢，因此在該處設置密集、直徑較大的焊釘連接件時，將導致錨固區(qū)結合部焊釘受到的剪力很不均勻，錨固區(qū)附近的焊釘剪力常常過大，不易滿足規(guī)范要求，其他區(qū)域的焊釘剪力較小而不能充分發(fā)揮作用，錨固區(qū)附近的混凝土也因為焊釘剪力集中而引起局部較大的拉應力。

圖3 Arthur Ravenel Jr橋及焊釘布置

1.2 開孔鋼板連接件

開孔鋼板連接件主要通過鋼板圓孔中混凝土的抗剪能力將鋼與混凝土組合為整體，如圖4所示。沿主梁縱向連續(xù)布置開孔鋼板連接件，可提供較大的結合面抗剪剛度與抗剪承載力。日本北陸新干線鐵路上的連續(xù)梁橋，采用鋼管混凝土構件作為主梁，在負彎矩區(qū)設置開孔鋼板連接件，在正彎矩區(qū)設置焊釘連接件，在不同位置的鋼管中分別填充氣泡混凝土及其輕骨料混凝土，并在橋面板負彎矩區(qū)使用鋼纖維混凝土[1]，如圖5所示。開孔鋼板連接件存在的一個問題是其設置將削弱混凝土板縱向截面積，對橋面板橫向受力會產(chǎn)生一定影響，設計時宜加以考慮。

1.3 復合粘結層連接件

圖4 開孔鋼板連接件

圖5日本北陸新干線鐵路橋布置圖

瑞士的Lebet教授等[4]通過試驗研究了一種粘結作用很強的新型鋼混結合方式，即在結合面上設置了帶刻痕的鋼板并涂裝復合材料粘結層，以使鋼混間形成很強的粘結作用，如圖6所示。試驗顯示，這種結合形式受力前期鋼混結合面抗滑移能力很大，一旦結合面進入塑性后，抗滑移能力下降很快，但后期仍能依靠殘余的粘結摩擦等因素抵抗一定量的結合面剪力，具有較好的后期延性。

圖6 結合面設置復合粘結層的鋼混組合梁

2 部分組合梁的剪力連接件設計

2.1 部分組合梁的設計新理念

在滿足鋼-混凝土結合面抗剪承載力要求的前提下，適當減小結合面抗剪剛度，允許其發(fā)生適量的相對滑移，即將組合梁設計為部分組合梁，使各剪力連接件剪力分布更加均勻，是改善鋼與混凝土組合梁受力性能的設計理念之一。通過合理改進剪力連接件的構造，設計開發(fā)一種抗剪承載力較大、抗剪剛度較小、施工簡易的新型柔性連接件，是上述理念付諸實踐的一個研究方向。

2.2 剛度時變型連接件

日本學者北川幸二等人[5-7]曾研究了根部包裹樹脂的剛度時變型焊釘并應用于多座組合梁橋，如圖7所示。當混凝土板早期收縮發(fā)展迅速時，其樹脂的硬度較低，此時該焊釘?shù)目辜魟偠容^小，混凝土板前期可以較自由地伸縮變形，約束應力相對較小，且預應力施加效率較高，一定程度上降低了混凝土板受拉開裂的風險。當后期荷載施加后，樹脂已經(jīng)變硬，此時該焊釘?shù)目辜魟偠忍嵘?，滑移將會被控制在較小的范圍內(nèi)。對直徑為19mm、高度為110mm、外包樹脂高度為70mm、外包樹脂厚度為8mm的樹脂硬化前、硬化后以及普通焊釘?shù)娜M焊釘試件進行了推出試驗，圖8所示為試驗所得的剪力-滑移曲線，可見：對于硬化前的試件，加載前期抗剪剛度較普通焊釘試件小，加載后期抗剪剛度明顯較前期提升，且抗剪極限承載力與普通焊釘抗剪極限承載力接近；對于硬化后試件，加載全程中抗剪剛度的發(fā)展同普通焊釘類似，且抗剪極限承載力與普通焊釘抗剪極限承載力接近。

圖7 剛度時變型焊釘連接件

2.3 外包橡膠柔性焊釘連接件

圖8 剛度時變型焊釘樹脂硬化前后及普通焊釘剪力-滑移曲線

實橋焊釘往往密布，對于剛度時變型焊釘連接件，逐一包裹塑性的樹脂是較為繁瑣的工作，鋼筋的布置也易引起樹脂的破壞，樹脂在混凝土內(nèi)的硬化時間會對工期產(chǎn)生影響。袁明等[8]提出了外包橡膠套管的柔性焊釘連接件的設計理念。外包橡膠柔性焊釘連接件是一種在根部安裝了橡膠套管的結構工程用焊釘抗剪連接件，其焊釘采用標準的電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘，橡膠套管采用低硬度、耐久性好的天然橡膠制成，如圖9所示。其施工較剛度時變型焊釘連接件方便，且同樣能達到抗剪剛度較同規(guī)格焊釘小、抗剪抗剪極限承載力與普通焊釘抗剪極限承載力接近的效果[3]。

圖9 外包橡膠柔性焊釘連接件

3 非組合梁的剪力連接件設計

設計中通常認為簡單疊合起來的梁結構的極限承載力等于混凝土板與鋼梁各自極限承載力的較小值，梁的強度不會因為疊合而得到提高。實際按照非組合梁設計的結構中，由于正常使用的需要，常常會在鋼混交界面的鋼板上布置一定數(shù)量的柔性連接件，例如圖10所示的鋼筋連接件。如果想進一步提升鋼板與混凝土的粘結效果，還可以在鋼板上鋪灑環(huán)氧樹脂和硅砂。

圖10 鋼筋連接件

4 結語

第二次世界大戰(zhàn)以后，組合結構以其整體受力的經(jīng)濟性，發(fā)揮鋼與混凝土兩種材料各自優(yōu)勢的合理性以及便于施工的突出優(yōu)點，在歐美各國和日本橋梁建設中得到了廣泛的應用。

我國的組合結構橋梁建設雖然起步較晚，但通過積極地探索于20世紀90年代在上海陸續(xù)建成了南浦大橋、楊浦大橋和徐浦大橋這三座大跨徑組合梁斜拉橋，其中楊浦大橋1993年建成時主跨居國內(nèi)外組合梁斜拉橋之首。

進入新世紀，組合結構橋梁的構造形式隨著其越來越多的建設實踐變得更加成熟、新穎。作為組合結構橋梁關鍵性構件之一的剪力連接件也富有較大的創(chuàng)新空間，隨著未來越來越多的新型剪力連接件的涌現(xiàn)，不僅優(yōu)化了組合結構橋梁本身的受力性能，順應同時也推動著橋梁建設向更先進的方向發(fā)展。

[1]劉玉擎.組合結構橋梁[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]余振.連續(xù)組合梁橋計算分析及施工過程測試研究[D].上海：同濟大學，2010.

[3]羅杰.斜拉橋組合梁抗剪連接件與收縮作用研究[D].上海：同濟大學，2012.

[4]Jean-Paul Lebet.New Steel-Concrete Shear Connection for Composite Bridges.Swiss Federal Institute of Technology，Switzerland，2008.

[5]北川幸二，平城弘一，等.遅延合成スタッド（P Rスタッド）の押抜きせん斷試験[C].//土木學會第55回年次學術講演會(Ⅰ)，A254，2000.

[6]清水良平，橘吉宏，早川清.遅延合成スタッドのせん斷及び引抜き特性.[C].//コンクリート工學年次論文集，Vol.25， No.2，2003.

[7]日本鋼結構協(xié)會.頭付きスタッドの押抜き試験方法（案）とスタッドに関する研究の現(xiàn)狀[J].JSSCテクニカルレポート，1996(35).

[8]袁明，陳克堅，陳思孝，等.一種用于鋼與混凝土組合結構的柔性焊釘剪力連接構件：中國，201120483536[P].2010-03-29.