螺桿式抗拔不抗剪剪力鍵在大跨度連續(xù)組合桁架橋梁中的應(yīng)用

高朋

中鐵十五局集團城市建設(shè)工程有限公司 河南 洛陽 471000

在大跨連續(xù)組合桁架梁橋中，正彎矩區(qū)混凝土板和鋼桁架上弦桿通過抗剪連接鍵相連，能充分發(fā)揮兩者的組合作用，但在負(fù)彎矩區(qū)橋面板和鋼梁之間若仍采用正彎矩區(qū)組合方式，混凝土橋面板受拉從而導(dǎo)致開裂，為此，一般需要在負(fù)彎矩區(qū)橋面板布置大量的預(yù)應(yīng)力束，但設(shè)計施工工藝較復(fù)雜、預(yù)應(yīng)力效率較低、增加用鋼量。為了解決上述問題，本文以天津濱海新區(qū)西外環(huán)高速公路-海河特大橋為例，通過新型螺桿式連接鍵的應(yīng)用、及其相關(guān)性能試驗和局部受力分析，簡單介紹抗拔不抗剪連接鍵在大跨連續(xù)組合桁架梁橋中發(fā)揮的優(yōu)點。

1 工程概況

濱海新區(qū)西外環(huán)海河特大橋為濱海新區(qū)規(guī)劃的“1環(huán)11射，5橫5縱”的路網(wǎng)骨架中濱海環(huán)線的重要組成部分，橋址位于天津濱海新區(qū)，唐津高速公路濱海大橋東側(cè)500m，橋梁建筑面積140060m2。

海河特大橋分為主橋、南引橋、北引橋三部分，其中，主橋為三跨連續(xù)變截面鋼桁架梁橋，如圖1所示，主橋長330m，跨徑組合為（95m+140m+95m），是國內(nèi)首座大跨度鋼-混凝土組合桁架公路橋梁。主橋由12榀桁架組成，桁架橫向中心間距為3.56m,單榀由上弦、下弦和腹桿組成，中墩梁高12.5m，跨中梁高3.5m，橋面板厚32-39cm，采用C60混凝土，橋面板混凝土與鋼結(jié)構(gòu)之間采用剪力釘和抗拔件進行連接，并且在橋面混凝土板設(shè)有預(yù)應(yīng)力鋼束[1]。

圖1 主橋立面布置

2 剪力鍵布置

2.1 剪力鍵型式

抗拔不抗剪剪力鍵構(gòu)造如圖2所示。主構(gòu)件為螺桿和螺帽，在工廠進行加工，將螺桿與螺帽進行車絲處理，后期在現(xiàn)場直接擰緊即可，施工時操作簡單且精度高。附件為定位盒、螺桿泡沫和螺帽泡沫。螺桿泡沫和螺帽泡沫是為了預(yù)留橋面板在張拉預(yù)應(yīng)力時的縱橋向位移空間，使橋面板和鋼桁架之間能夠自由滑動，從而達到不抗剪的目的。定位盒采用塑料，在工廠預(yù)制成型，現(xiàn)場直接安裝，目的是為了防止后期澆筑混凝土以及振搗時破壞螺桿泡沫，影響橋面板的位移量而達不到理想效果。螺帽主要是抗拔作用，防止混凝土橋面板和鋼桁架豎向脫空。

圖2 抗拔不抗剪剪力鍵構(gòu)造

2.2 剪力釘?shù)牟贾?/h3>

為改善負(fù)彎矩區(qū)橋面板抗裂性能，本橋在中墩附近85m范圍內(nèi)布置抗拔不抗剪剪力鍵，使橋面板在預(yù)應(yīng)力束作用下能縱向滑動，從而增加預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入度。在正彎矩區(qū)密布普通栓釘，使橋面板和鋼桁架緊密結(jié)合，組合受力[2]，如圖3-5所示。

圖3 全橋縱向剪力鍵布置圖

圖4 剪力鍵橫向布置圖

圖5 剪力鍵橫向布置圖

3 施工工藝

本工程采用電弧螺柱焊，此施工工藝具有焊接強度高、焊接時間短、熱變形小及生產(chǎn)效率高、工序簡單、成本低等特點。作業(yè)內(nèi)容分為：剪力釘、磁環(huán)檢驗，焊接區(qū)表面清理，焊接及焊接質(zhì)量檢驗。

工藝流程圖

3.1 施工準(zhǔn)備

施工前對鋼橋面板堆積的材料、機具清理，對存在被破壞的防腐漆面、大面積的銹蝕、污染部位進行清洗、除銹；

焊接作業(yè)區(qū)空氣環(huán)境相對濕度不大于85%；

焊接作業(yè)環(huán)境溫度不低于0℃，否則應(yīng)采取措施將母材預(yù)熱到0-5℃以上，預(yù)熱范圍≥3倍板厚的區(qū)域。

對進場的剪力鍵、配套使用的磁環(huán)進行檢驗，對焊接機具進行調(diào)校。

3.2 劃線定位

用鋼尺和墨線按照設(shè)計要求的位置和間距，在鋼梁頂面劃出焊件的位置，位置允許偏差±1mm。

3.3 清理焊接區(qū)域

采用角磨機將施焊部位的涂層打磨干凈，并用鋼絲刷清掃殘渣。清理范圍為距焊接中心半徑不小于2d，清理表面達到設(shè)計要求。

3.4 試焊

試焊工作在試焊板上進行，把相應(yīng)直徑的保護磁環(huán)置于母材上，把焊接件插入磁環(huán)內(nèi)并于母材接觸，具體工藝如下。

引弧：按動電源開關(guān)，焊件自動提升，激發(fā)電??；

焊接：焊接電流增大，使螺桿端部局部表面融化（此過程會產(chǎn)生高溫氣體）；

加壓：設(shè)定的電弧燃燒時間達到后，將螺桿自動壓入母材（此過程會有一定飛濺物產(chǎn)生）。

斷電：切斷電源，融化金屬凝固，并保持焊槍不動；

冷卻：焊縫冷卻，清除焊縫余高和磁環(huán)，焊接完成。

3.5 檢驗

每日每臺班開始正式焊接前，必須按照焊接工藝試焊兩個試件，用套管將螺桿壓彎30°（或者使用小錘敲擊），進行彎曲試驗，檢查是否滿足質(zhì)量要求，若不能滿足要求，則應(yīng)修改施工工藝，調(diào)整工藝參數(shù)，再次試焊，直到滿足要求為止。使用套管進行試驗時，套管下端距焊肉上端的距離不小于1d。

3.6 正式焊接

正式焊接的施工工藝同試焊工藝。

4 螺桿式抗拔不抗剪剪力鍵性能試驗

通過拉拔試驗進行測試，驗證連接鍵栓桿與螺帽之間的連接強度。

試件參數(shù)：共2個試件，螺桿采用Q345qD鋼材，抗拉強度設(shè)計值取310MPa。

表1 試驗參數(shù)

表2 試驗結(jié)果

圖6 試驗照片

圖7 桿件頂部頸縮

兩個構(gòu)件在螺紋下方都有直徑較小的區(qū)域，因此最終破壞在該區(qū)域發(fā)生了頸縮，強度近似于螺桿極限抗拉破壞強度（極限破壞時按原直徑計算截面平均應(yīng)力530MPa）。在計算時采用210t重車得到的拉拔力F=95.9kN，連接鍵按照設(shè)計需承受的抗拔力為95.9kN×1.7=163.2kN。根據(jù)試驗結(jié)果，該尺寸連接鍵能夠滿足設(shè)計要求，破壞模式與預(yù)期相同，且有較大安全儲備[3]。

圖8 試件1 力-位移圖

圖9 試件2 力-位移圖

5 螺桿式抗拔不抗剪剪力鍵局部受力分析

5.1 計算模型

為了求得抗拔件與接觸面混凝土受力情況，需要先求得單個抗拔件所受拉力。建模時，將上弦桿與橋面板處按固結(jié)模擬，按照車輪分布有效寬度，取一段橋面板計算。汽車荷載選取70t重車、210t的超重車，按照規(guī)范規(guī)定進行橫向車輛布載。

圖10 橋面板與抗拔件連接示意（橋梁橫斷面圖）

5.2 橋面板局部計算

經(jīng)計算，懸臂處彎矩力值最大（如圖11），按照210t重車布載得到最大彎矩為M＝739kN*M，換算到單個抗拔件圓形板上拉力為

圖11 混凝土沖切示意

表3 結(jié)果對比

5.3 抗拔件驗算

5.3.1 螺桿

采用圓形T 板圓柱釘直徑2 8 m m，螺紋內(nèi)徑為24.6mm,則圓柱釘螺紋內(nèi)徑處最不利受拉應(yīng)力σ ＝F/S=77800/481=161MPa<190MPa。

5.3.2 螺紋

根據(jù)《機械設(shè)計》課本內(nèi)容：“從傳力第一圈螺紋變形最大，受力最大，以后遞減，第8~10周幾乎不受力，所以加高螺母并不能提高螺紋牙強度?！?/p>

則螺紋圈數(shù)n=(24.6/28)^2*182/190/(1-(24.6/28)^2)=3.2。

同時參考M28螺栓，取頂板厚度為25mm，螺紋圈數(shù)n=8,滿足受力要求。

5.3.3 抗拉板

抗拉板彎曲應(yīng)力為：

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

5.3.4 螺桿疲勞

根據(jù)最新鋼規(guī)，疲勞荷載模型II為四軸單車模型，軸重、軸距與輪距的布置如下圖，車重為45t,軸重120kN（45t車:活載最大彎矩為M＝164.5kN*M，換算到單個抗拉板上拉力為F＝17.3kN）。

每個螺桿的應(yīng)力幅為: σ＝17300/615=28.1MPa<50MPa，滿足疲勞應(yīng)力幅要求。

綜上，根據(jù)驗算，混凝土局部承壓力以及抗拔不抗剪連接件應(yīng)力均小于規(guī)范規(guī)定，滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)束語

本工程已正式通車近2年時間，橋梁運行效果良好，在負(fù)彎矩區(qū)橋面板受拉區(qū)域未出現(xiàn)混凝土開裂現(xiàn)象，螺桿式抗拔不抗剪剪力鍵的應(yīng)用，既保障了橋梁施工質(zhì)量，同時，又為我國類似橋梁提供了一套成熟的設(shè)計和施工方案。