鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁連接件發(fā)展趨勢(shì)研究

王一博，劉世忠，栗振鋒，王 哲，白旭陽(yáng)，李東運(yùn)

(太原科技大學(xué) 交通與物流學(xué)院，太原 030024)

鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁力學(xué)性能優(yōu)越、施工技術(shù)工業(yè)化強(qiáng)、材料利用率高、技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著，已被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外橋梁工程建設(shè)中[1-3]。鋼-混結(jié)合段是鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁的重點(diǎn)部位，其受力性能直接影響全橋的可靠性及安全性，同時(shí)也是主梁結(jié)構(gòu)剛度突變點(diǎn)，傳力機(jī)理復(fù)雜，易引起局部應(yīng)力集中，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。連接件是保證鋼材與混凝土形成整體協(xié)同工作的關(guān)鍵部件，是鋼-混組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念的核心，是鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁承載能力與整體抗剪剛度得以實(shí)現(xiàn)的保障。

鋼-混組合梁誕生于20世紀(jì)20年代中期[4]，隨后出現(xiàn)飛快發(fā)展。上世紀(jì)20年代至30年代，鋼筋連接件、型鋼連接件相繼出現(xiàn)，用來增加鋼-混組合之間的組合效應(yīng)。20世紀(jì)40年代后，美國(guó)、英國(guó)等國(guó)對(duì)鋼-混組合梁開展了深入、系統(tǒng)的研究工作，使連接件的研究工作更加標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)用化，設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造要求更加規(guī)范化，還提出了性能更好的焊釘連接件及新式型鋼連接件[5]。1987年，由德國(guó)人Leonhardt和Parterners公司共同研發(fā)了一種帶圓孔鋼板、可直接焊接到鋼梁翼緣上的新型剪力連接件，稱為PBL(Perfobond Leiste)[6]。

我國(guó)剪力連接件的研究起步較晚，1983年，何宗華[7]首次提出按極限強(qiáng)度和按疲勞強(qiáng)度對(duì)焊釘連接件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。此后，隨著我國(guó)大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和生產(chǎn)水平的提高，連接件的應(yīng)用越來越廣泛，眾多科研單位及學(xué)者對(duì)連接件進(jìn)行了廣泛深入的試驗(yàn)研究和理論分析。對(duì)于鋼-混結(jié)合段來說，眾多學(xué)者則是基于模型試驗(yàn)和有限元分析，對(duì)鋼-混組合索塔[8]、鋼-混結(jié)合段的承載力和傳力機(jī)理[9]進(jìn)行了研究。

本文在現(xiàn)有對(duì)連接件進(jìn)行科學(xué)分類的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)了常見連接件的構(gòu)造形式、力學(xué)性能、適用范圍及其工程應(yīng)用實(shí)例；參考中外相關(guān)規(guī)范，定量比較分析了各國(guó)規(guī)范對(duì)常見連接件的設(shè)計(jì)方法、抗剪承載力與抗剪剛度計(jì)算的差別與聯(lián)系；結(jié)合鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁發(fā)展方向與橋梁建筑材料發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁連接件的發(fā)展進(jìn)行了展望，以期為鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁在我國(guó)的發(fā)展與應(yīng)用提供參考。

1 連接件分類與工程性能

鋼-混組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能不但與材料性質(zhì)有關(guān)，而且與連接件的形式有很大關(guān)系。為了增強(qiáng)鋼、混組合效應(yīng)，滿足組合結(jié)構(gòu)抗剪承載力等力學(xué)性能的不同要求，連接件的形式呈現(xiàn)多樣化發(fā)展。依據(jù)連接件在荷載作用下變形能力的大小，可將其分為剛性連接件、彈性連接件和組合連接件3大類[10]。具體工程實(shí)例見表1。

表1 鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁工程實(shí)例

1.1 剛性連接件

常見的剛性連接件有型鋼連接件和PBL連接件。剛性連接件布置時(shí)需按剪力圖進(jìn)行布置，易給設(shè)計(jì)施工帶來不便，適用于忽略剪力重分布的結(jié)構(gòu)。剛性連接件受到剪力時(shí)，因自身變形能力弱，滑移剛度大，作用于混凝土上的支壓應(yīng)力分布均勻，如圖1所示，周圍的混凝土產(chǎn)生大面積的應(yīng)力集中，達(dá)到混凝土的極限強(qiáng)度，混凝土隨之發(fā)生剪切或壓碎破壞；當(dāng)混凝土的強(qiáng)度較高時(shí)，連接件與鋼梁接觸處易發(fā)生脆性破壞[11]。

圖1 剛性連接件支壓應(yīng)力分布

型鋼連接件常用的型鋼類型有槽鋼、T形鋼以及方鋼，型鋼連接件除了具有傳遞剪力作用外，還可提高相連翼緣的慣性矩，減少施工階段翼緣的面外鼓屈。通過該類連接件將型鋼直接焊接在鋼梁上，并配合貫穿鋼筋、U型鋼筋等澆筑進(jìn)混凝土當(dāng)中，共同起到傳遞界面剪力的作用。特點(diǎn)是：抗剪力強(qiáng)，翼緣可抵抗掀起，且型鋼種類多，取材加工方便，便于手工焊接，同時(shí)可供選擇的范圍大，適應(yīng)性廣[12]。此外，當(dāng)混凝土硬化后，型鋼連接件還可為受壓側(cè)鋼板提供面外約束，約束受壓鋼板的屈曲。但型鋼連接件與跨度方向成90°直角的平面與混凝土結(jié)合的地方不能十足咬合，易形成裂縫，從而削弱混凝土翼板強(qiáng)度。型鋼連接件在鋼殼沉管隧道中應(yīng)用廣泛。

PBL連接件又叫開孔板連接件，如圖2所示，是依據(jù)鋼板孔洞的混凝土榫抵抗鋼與混凝土間作用力的連接件，它呈縱向布置，與鋼梁的方向一致[13]。PBL連接件依靠圓孔中的混凝土加強(qiáng)兩者間的結(jié)合，且圓孔中可貫通主鋼筋,不影響主筋的布置。孔中的混凝土有巨大的銷栓作用，其最終破壞形式是孔中混凝土的2面剪切破壞，且不受疲勞的影響。PBL連接件承載力高，剛度大，抗疲勞性能好，且施工便捷，被廣泛應(yīng)用于各類組合結(jié)構(gòu)橋梁中。

圖2 PBL連接件

1.2 彈性連接件

常見的彈性連接件有鋼筋連接件和焊釘連接件。彈性連接件具有良好的變形能力，但因其自身剛度小，受到剪力作用時(shí)，會(huì)隨著鋼材混凝土界面的相對(duì)滑移而產(chǎn)生變形。當(dāng)滑移值一定時(shí)，它的抗剪能力不會(huì)變?nèi)酰哂休^好的延性[14]。彈性連接件的支壓應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 彈性連接件支壓應(yīng)力分布

鋼筋連接件通常是將螺紋鋼筋進(jìn)行彎起并焊接在鋼梁上作為傳遞界面剪力的部件。彎起筋主要是利用鋼筋的拉力即錨固抗拔來抵抗交界面的剪力，與混凝土壓翼緣剪力流的方向一致，作為一種延性較高的柔性連接件，抗剪承載能力主要取決于鋼筋抗拉強(qiáng)度。它只能傳遞固定方向的剪力，不能傳遞交變方向的剪力，同時(shí)彎起段不利于混凝土中鋼筋的布設(shè)，且彎筋連接件強(qiáng)度和剛度較差，焊接工作量大。但因其做法簡(jiǎn)單、焊接方便、易于加工、抗掀起和抗剪切能力強(qiáng)，是一種經(jīng)濟(jì)的連接方式。鋼筋連接件不宜用于有不同方向的剪力組合界面中。

焊釘連接件的焊釘焊接在鋼板上主要用來抵抗鋼板和混凝土之間的剪切力，其力學(xué)性能沒有方向性，設(shè)置時(shí)不需要考慮受力方向，加上其優(yōu)良的連接性能和簡(jiǎn)便的焊接方式，成為鋼-混組合結(jié)構(gòu)中最常用的連接件之一[15]，如圖4所示。焊釘連接件力學(xué)性能優(yōu)良，被廣泛應(yīng)用于組合結(jié)構(gòu)橋梁中。

圖4 焊釘連接件

1.3 組合連接件

組合連接件是指用鋼與其他有機(jī)材料組合在一起的連接件，簡(jiǎn)稱為組合連接件，如圖5所示。組合連接件一般是在型鋼腹板或焊釘根部等處設(shè)置樹脂海綿、泡沫塑料等有機(jī)材料，根據(jù)施工需要將組合連接件設(shè)置在不同部位，能夠快速有效地提高組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能[16]。如使用硬度低的泡沫塑料或聚氨酯樹脂，把承擔(dān)剪力的有效部位譬如焊釘根部包裹起來，從而起到降低抗剪剛度的目的，同時(shí)又可以保持焊釘頭部的抗拉拔作用；若采用硬度高的樹脂，初期為膠狀體，放置一定時(shí)間后便會(huì)硬化，進(jìn)一步在樹脂中配合一定的硅砂，還會(huì)提高粘度和彈性模量，變得更容易施工。組合連接件適用于工程需求比較復(fù)雜的鋼-混組合結(jié)構(gòu)中。

圖5 組合連接件

2 連接件設(shè)計(jì)方法

抗剪承載力與抗剪剛度是評(píng)價(jià)連接件力學(xué)性能的重要指標(biāo)，是連接件設(shè)計(jì)計(jì)算的核心。焊釘連接件與PBL連接件綜合性能優(yōu)越，是目前工程中應(yīng)用最為廣泛的連接件形式，結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范，對(duì)此2類連接件進(jìn)行抗剪承載力與抗剪剛度的比較分析。

2.1 抗剪承載力

2.1.1 PBL連接件

目前，AASHTO LRFD、CAN/CSA-S16-1、日本道路橋以及我國(guó)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]中關(guān)于PBL連接件抗剪承載力計(jì)算公式尚不明確，特給出表2中的計(jì)算公式。

為定量比較國(guó)內(nèi)外規(guī)范PBL連接件抗剪承載力計(jì)算值大小，取開孔直徑55 mm，采用HRB335的Φ16鋼筋，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，材料性能參數(shù)見表3。

表3 鋼筋與混凝土材料性能參數(shù) MPa

按表2所給公式計(jì)算PBL連接件抗剪承載力，可得歐洲規(guī)范與我國(guó)GB 50917—2003《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]PBL連接件抗剪承載力關(guān)系，如圖6所示。從圖6發(fā)現(xiàn)，歐洲地區(qū)關(guān)于PBL連接件抗剪承載力的設(shè)計(jì)值遠(yuǎn)低于我國(guó)行業(yè)規(guī)范。

圖6 抗剪承載力分布

2.1.2 焊釘連接件

為定量比較各國(guó)規(guī)范焊釘連接件抗剪承載力計(jì)算值大小，取焊釘型號(hào)為GB/T 10433，16 mm×100 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，計(jì)算公式見表4，材料性能參數(shù)見表5。

表4 各國(guó)規(guī)范焊釘抗剪承載力計(jì)算公式及其值

分別按表4中所列公式計(jì)算焊釘連接件抗剪承載力，可得各國(guó)規(guī)范焊釘連接件抗剪承載力分布，如圖7所示。從圖7可知，歐洲規(guī)范關(guān)于焊釘連接件抗剪承載力的設(shè)計(jì)值最低；日本規(guī)范關(guān)于焊釘連接件抗剪承載力的設(shè)計(jì)值最高；我國(guó)JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[23]關(guān)于焊釘連接件抗剪承載力的設(shè)計(jì)值與美國(guó)相同，跟加拿大規(guī)范相比，我國(guó)JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[23]中抗剪承載力設(shè)計(jì)值較低，與GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]相比，行業(yè)規(guī)范設(shè)計(jì)值較低。

表5 焊釘連接件與混凝土材料性能參數(shù)

2.2 抗剪剛度

EUROCODE-4、日本道路橋根據(jù)焊釘抗剪承載力和推出試驗(yàn)特殊位置相對(duì)滑移值給出了焊釘連接件抗剪剛度公式，我國(guó)GB 50917—2013《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]給出了單個(gè)焊釘連接件抗剪剛度計(jì)算公式，而國(guó)外規(guī)范以及我國(guó)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]中關(guān)于PBL連接件的抗剪剛度計(jì)算公式尚不明確，特給出表6中的計(jì)算公式。

圖7 抗剪承載力分布

表6 抗剪剛度計(jì)算公式

從表6給出的計(jì)算公式可以看出，連接件的抗剪剛度不僅與連接件形式有關(guān)，還與混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度及計(jì)算荷載下連接件所處的具體受力狀態(tài)有關(guān)。

3 連接件發(fā)展趨勢(shì)

隨著國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，建立綠色、低碳與可持續(xù)的交通運(yùn)輸體系的任務(wù)日益迫切。鋼-混組合梁橋作為較新的組合結(jié)構(gòu)，其特有的優(yōu)勢(shì)是其他橋梁形式所無法比擬的。眾多工程實(shí)例表明，鋼-混組合橋梁正在向工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)制造、運(yùn)輸便捷、輕自重的方向發(fā)展，新結(jié)構(gòu)、新材料、新方法、新環(huán)境是鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁研究重點(diǎn)，整體裝配式組合梁便是其中的一個(gè)發(fā)展方向[25-27]。隨著新型材料研究的進(jìn)一步發(fā)展，鋼-混組合結(jié)構(gòu)會(huì)突破原有材料的限制，將新型材料運(yùn)用到組合結(jié)構(gòu)中會(huì)推動(dòng)我國(guó)組合梁橋領(lǐng)域的變革，例如在組合橋梁施工時(shí)，利用碳纖維薄板、拉擠型GFRP代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼板，使新建的組合梁橋更加輕便[28]，也可加入具有自感知、自適應(yīng)、自修復(fù)功能的敏感材料，這種材料可提前感應(yīng)到周圍環(huán)境的變化，降低或避免災(zāi)害帶來的危害，可大大提高工程的可靠性和安全性。

目前PBL連接件和焊釘連接件在鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁中應(yīng)用較多，研究手段多以推出試驗(yàn)+有限元數(shù)值仿真為主。對(duì)于PBL連接件，一方面繼續(xù)研究其抗剪承載力和疲勞性能，另一方面不少學(xué)者在常規(guī)PBL連接件的基礎(chǔ)上推陳出新，提出創(chuàng)新的構(gòu)造[29-31]，如圖8所示；對(duì)于焊釘連接件，主要以其疲勞性能、抗拔性能及栓釘滑移后引起的結(jié)構(gòu)剛度變異為研究重點(diǎn)[31-33]。隨著高性能混凝土如UHPC、ECC等在組合結(jié)構(gòu)橋梁特別是組合橋面板中的應(yīng)用，鋼-高性能混凝土組合橋面板中剪力鍵的力學(xué)行為備受關(guān)注[34]。此外，為適應(yīng)橋梁快速施工(ABC)的要求，裝配式剪力鍵及集束式剪力鍵群的力學(xué)性能也成為研究熱點(diǎn)[35]，裝配式剪力鍵如圖9所示。為適應(yīng)不同的使用環(huán)境，保證組合結(jié)構(gòu)橋梁的耐久性，連接件的耐久性能研究成為必然要求，腐蝕環(huán)境、低溫環(huán)境及凍融環(huán)境下剪力鍵的力學(xué)性能逐漸得到關(guān)注[36]。

圖8 約束型PBL連接件

圖9 裝配式焊釘連接件

隨著我國(guó)橋梁工程的建設(shè)不斷發(fā)展，現(xiàn)有的剪力連接件漸漸不能滿足工程需要，因此在結(jié)合現(xiàn)有連接件與工程需求的基礎(chǔ)上，新型剪力連接件的研究也在不斷發(fā)展，如根據(jù)PBL連接件中圓孔與混凝土的受力特點(diǎn)，不能用于等腰梯形腹板嵌入式連接件；焊釘連接件中焊釘在群釘布設(shè)狀態(tài)下，不同位置的焊釘會(huì)通過焊釘間混凝土產(chǎn)生相互影響，從而降低焊釘?shù)牧W(xué)性能。目前，新型連接件的發(fā)展趨勢(shì)主要是復(fù)合剪力連接件、組合剪力連接件以及單一形式新型連接件[37-39]。特別是針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下連接件性能的退化、高性能混凝土中連接件力學(xué)性能、新型連接件力學(xué)性能的研究將成為新的研究熱點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合工程實(shí)例需要開展新技術(shù)研究及推廣應(yīng)用，進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)鋼-混組合結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在研究現(xiàn)有剪力連接件的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)了剪力連接件的力學(xué)性能和設(shè)計(jì)方法，對(duì)剪力連接件的研究進(jìn)行了整合，并分析了未來剪力連接件的發(fā)展趨勢(shì)，得到以下結(jié)論：

1) 剛性連接件適用于忽略剪力重分布的結(jié)構(gòu)，型鋼連接件廣泛應(yīng)用于鋼殼沉管隧道中，PBL連接件廣泛應(yīng)用于組合結(jié)構(gòu)橋梁中；彈性連接件適用于剛度要求不高的結(jié)構(gòu)中，鋼筋連接件不適宜于有不同方向的剪力組合界面中，焊釘連接件廣泛應(yīng)用于組合結(jié)構(gòu)橋梁中；組合連接件適用于工程需求比較復(fù)雜的鋼-混組合結(jié)構(gòu)中。

2) 通過對(duì)比中、美、歐、加、日五國(guó)規(guī)范中關(guān)于焊釘連接件抗剪承載力的設(shè)計(jì)方法，發(fā)現(xiàn)歐洲規(guī)范設(shè)計(jì)值最低，日本規(guī)范設(shè)計(jì)值最高，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)則比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)值更高；通過比較我國(guó)規(guī)范抗剪剛度設(shè)計(jì)方法，發(fā)現(xiàn)連接件的抗剪剛度不僅與連接件形式有關(guān)，還與混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度及計(jì)算荷載下連接件所處的具體受力狀態(tài)有關(guān)。

3) 結(jié)合新型材料以及新型連接件的發(fā)展，鋼-混組合結(jié)構(gòu)將會(huì)突破現(xiàn)有材料的限制，擴(kuò)大了我國(guó)組合結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的上限，給我國(guó)的基礎(chǔ)建設(shè)施工作業(yè)帶來全新的發(fā)展。