鐵路鋼-混凝土組合梁受力特征及裝配化分析

李旺旺 班新林 趙體波 蘇永華

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；

2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，鐵路建設(shè)范圍逐步擴(kuò)大，需要穿越眾多的橫斷山脈和峽谷，面臨惡劣的建設(shè)環(huán)境和嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段鐵路建設(shè)多采用“以橋代路”的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造，裝配式鐵路橋梁技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對(duì)于克服鐵路建設(shè)中遇到的惡劣環(huán)境具有關(guān)鍵作用。

裝配式鋼-混凝土組合梁能夠大大減少現(xiàn)場施工工作量，工廠化預(yù)制方式可顯著提高構(gòu)件質(zhì)量，因此在現(xiàn)代鐵路建設(shè)中具有良好的適用性。目前我國鋼-混凝土組合梁廣泛應(yīng)用于公路橋梁結(jié)構(gòu)中［1-3］，在鐵路橋梁中只有少量的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。因此，對(duì)裝配式鋼-混凝土組合梁在鐵路荷載作用下的性能進(jìn)行深入研究具有重要意義。

裝配式鋼-混凝土組合梁的主要構(gòu)成為混凝土板、鋼結(jié)構(gòu)以及二者之間的抗剪連接件。在橋梁運(yùn)營過程中主要受力部分是混凝土板和鋼結(jié)構(gòu)，抗剪連接件用于傳遞二者之間的作用力，因此組合橋梁中混凝土和鋼結(jié)構(gòu)能否作為整體共同受力的關(guān)鍵在于是否合理設(shè)置了抗剪連接件［4-5］。鋼-混凝土組合梁在運(yùn)營過程中需要承受靜力和往復(fù)循環(huán)荷載作用，因此要同時(shí)滿足靜力受力性能和疲勞性能要求［6-8］。

本文對(duì)鐵路荷載和公路荷載作用下鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，對(duì)比分析其在兩類荷載作用下的受力性能。結(jié)合裝配式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，分析裝配式鋼-混凝土組合梁的關(guān)鍵構(gòu)造，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入分析，探求適用于鐵路裝配式鋼-混組合梁的連接構(gòu)造。

1 鋼-混凝土組合梁連接性能

1.1 連接件性能分析

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)承受正彎矩時(shí)，混凝土承受壓應(yīng)力，鋼結(jié)構(gòu)承受拉應(yīng)力，能夠充分發(fā)揮二者的材料優(yōu)點(diǎn)，從而得到性能優(yōu)異的組合結(jié)構(gòu)?？辜暨B接件的性能是二者能夠形成整體共同受力的關(guān)鍵［9］。

單個(gè)抗剪連接件根據(jù)其性能分為剛性抗剪連接件和柔性抗剪連接件，二者各有其優(yōu)缺點(diǎn)。剛性連接件的滑移量較小，水平剪力與相對(duì)滑移量呈正相關(guān)，因此往復(fù)荷載作用下剪力幅較小，可提高抗剪連接件抗疲勞性能。剛性連接件可有效傳遞混凝土與鋼結(jié)構(gòu)之間的作用力，組合結(jié)構(gòu)的整體性能良好。但是，剛性連接件的破壞類型屬于脆性破壞，這是結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)該避免的破壞類型。柔性連接件具有良好的變形性能，能夠使結(jié)構(gòu)在承受荷載過程中產(chǎn)生內(nèi)力重分布，從而充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)各部分的性能。其破壞類型為延性破壞，該種類型對(duì)結(jié)構(gòu)破壞有良好的預(yù)示作用。但是，柔性連接件的剛度小，滑移量大，減小了組合結(jié)構(gòu)的整體性，使得組合結(jié)構(gòu)抗剪連接件應(yīng)力幅增大，較易引起疲勞破壞。

由以上對(duì)比分析可見，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中理想的抗剪連接件應(yīng)在結(jié)構(gòu)彈性受力過程中有足夠的剛度，減小交界面處的滑移量，保證混凝土和鋼結(jié)構(gòu)能夠形成整體共同工作；在極限狀態(tài)應(yīng)有足夠的延性，使得組合結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行內(nèi)力重分布，最終發(fā)生延性破壞。

1.2 連接程度對(duì)組合梁性能的影響

抗剪連接件的連接程度是單個(gè)連接件和整體連接件性能的綜合指標(biāo)，反映了連接件對(duì)組合結(jié)構(gòu)中混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的連接程度。當(dāng)單個(gè)及整體抗剪連接件剛度提高后，組合梁中混凝土板和鋼梁整體性得到提高，從而降低跨中截面最大應(yīng)力，因此能夠在不增加材料用量和改變結(jié)構(gòu)高度的情況下提高組合結(jié)構(gòu)的承載能力；連接程度提高后，界面間滑移量減小，可降低組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，在承受相同荷載情況下可減小組合結(jié)構(gòu)的疲勞應(yīng)力；連接程度提高，可增強(qiáng)組合梁的整體性，從而減小結(jié)構(gòu)的撓度，能夠在不增加材料用量和結(jié)構(gòu)高度的同時(shí)提高組合結(jié)構(gòu)的剛度。因此，組合結(jié)構(gòu)中連接程度的增加可有效提高結(jié)構(gòu)的承載力、抗疲勞性能和剛度。

2 鐵路荷載和公路荷載作用下鋼-混凝土組合梁性能

由于鐵路和公路橋荷載有各自的特點(diǎn)，鐵路和公路中的組合梁性能存在明顯差異，下文進(jìn)行了對(duì)比分析。

2.1 鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)及荷載

鐵路選用客貨共線ZKH荷載，公路選用公路Ⅰ級(jí)荷載。對(duì)跨度32m的雙線鐵路橋和公路橋進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，二者均采用包含4個(gè)工字鋼主梁和混凝土板的組合結(jié)構(gòu)。鐵路、公路組合梁結(jié)構(gòu)和鋼主梁橫截面分別見圖1、圖2。為對(duì)比鐵路荷載和公路荷載作用下組合梁性能，采用相同的抗剪連接件布置，見圖3。

圖1 鐵路組合梁結(jié)構(gòu)和鋼主梁橫截面示意（單位：mm）

圖2 公路組合梁結(jié)構(gòu)和鋼主梁橫截面示意（單位：mm）

圖3 抗剪連接件布置（單位：mm）

2.2 靜力性能對(duì)比分析

參照TBJ24—1989《鐵路結(jié)合梁設(shè)計(jì)規(guī)定》［10］和GB50917—2013《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》［11］對(duì)鐵路和公路組合梁進(jìn)行計(jì)算分析。由于鐵路中的恒載和活載均大于公路，鐵路組合梁的高度和截面面積要明顯大于公路組合梁的。

在公路荷載作用下，單個(gè)工字鋼主梁和有效翼緣寬度結(jié)構(gòu)自重為31.77kN/m，二期恒載為12.50kN/m。由恒載產(chǎn)生的彎矩為5860kN?m，由活載產(chǎn)生的彎矩為5390kN?m。恒載和活載長期及短期組合作用下混凝土最大壓應(yīng)力為8.47MPa，鋼梁最大拉應(yīng)力為177.71MPa。靜活載作用下組合梁撓度為29.93mm。

在鐵路荷載作用下，單個(gè)工字鋼主梁和有效翼緣寬度結(jié)構(gòu)自重為29.93kN/m，二期恒載為45kN/m。由恒載產(chǎn)生的彎矩為9590kN?m，由活載產(chǎn)生的彎矩為6669kN?m。恒載和活載作用下混凝土最大壓應(yīng)力為8.43MPa，鋼梁最大拉應(yīng)力為140.81MPa。靜活載作用下組合梁撓度為26.56mm，梁端轉(zhuǎn)角為2.3‰rad。組合梁一階頻率為3.32Hz。

由以上對(duì)比分析可見，鐵路恒載效應(yīng)是公路的1.64倍，鐵路活載效應(yīng)是公路的1.24倍。因此，鐵路荷載作用下組合橋梁承受的靜力荷載和動(dòng)力荷載均大于公路荷載作用下的。

3 鋼-混凝土組合梁疲勞性能

對(duì)鐵路荷載和公路荷載作用下組合梁的鋼結(jié)構(gòu)和抗剪連接件疲勞性能進(jìn)行分析。

3.1 公路荷載作用下的組合梁疲勞性能

GB50917—2013［11］中疲勞荷載模型分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種。在上文公路組合梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，計(jì)算三種疲勞荷載作用下32m公路鋼-混凝土組合梁中鋼梁、栓釘?shù)钠趹?yīng)力幅，結(jié)果見表1?？梢姡诤奢d模型Ⅲ作用下，鋼梁的疲勞應(yīng)力幅最大（66.91MPa），栓釘應(yīng)力幅值最大（40.98MPa）。

表1 公路荷載作用下的疲勞應(yīng)力幅 MPa

3.2 鐵路荷載作用下的組合梁疲勞性能

TBJ24—89中荷載分為四種：ZK荷載、ZC荷載、ZKH荷載和ZH荷載。在上文鐵路組合梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，計(jì)算四種荷載作用下32m鐵路鋼-混凝土組合梁中鋼梁、栓釘?shù)钠趹?yīng)力幅，結(jié)果見表2?？梢?，鋼梁、栓釘?shù)钠趹?yīng)力幅均呈現(xiàn)σZH荷載>σZKH荷載>σZK荷載>σZC荷載的規(guī)律，ZH荷載作用下最大。

表2 鐵路荷載作用下的疲勞應(yīng)力幅 MPa

3.3 對(duì)比分析

對(duì)于公路荷載作用，單個(gè)工字鋼梁在恒載作用下的梁底拉應(yīng)力為100.89MPa，疲勞荷載作用下最大拉應(yīng)力為66.91MPa；恒載作用下栓釘剪應(yīng)力為82.39MPa，疲勞荷載作用下栓釘最大剪應(yīng)力為40.98MPa；組合結(jié)構(gòu)鋼梁承受的往復(fù)循環(huán)應(yīng)力為100.89～167.80MPa，應(yīng)力幅為66.91MPa；栓釘連接件承受的往復(fù)循環(huán)剪應(yīng)力在82.39～123.37MPa，應(yīng)力幅為40.98MPa。

對(duì)于鐵路荷載作用，單個(gè)工字鋼梁在恒載作用下的梁底拉應(yīng)力為84.30MPa，活載作用下最大拉應(yīng)力為73.46MPa；恒載作用下栓釘剪應(yīng)力為75.73MPa，活載作用下栓釘最大剪應(yīng)力為85.10MPa；組合結(jié)構(gòu)鋼梁承受的往復(fù)循環(huán)應(yīng)力在84.30～157.76MPa，應(yīng)力幅為73.46MPa；栓釘連接件承受的往復(fù)循環(huán)剪應(yīng)力在75.73～160.83MPa，應(yīng)力幅為85.10MPa。

由以上對(duì)比可見，由于鐵路組合梁的高度和鋼結(jié)構(gòu)面積均較大，因此在鐵路荷載作用下鋼梁疲勞應(yīng)力下限小于公路荷載。設(shè)置相同抗剪連接件情況下，鐵路荷載作用下栓釘承受的最大疲勞應(yīng)力幅為公路荷載作用下的2.08倍。因此，鐵路荷載作用下的鋼-混凝土組合梁對(duì)抗剪連接件的性能有更高的要求。

4 裝配式組合梁抗剪連接件關(guān)鍵技術(shù)

裝配式組合梁是將鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)分別在工廠預(yù)制，運(yùn)至施工現(xiàn)場，進(jìn)行簡單拼裝后即可建成安全、適用、美觀的組合結(jié)構(gòu)梁。該種組合形式能夠顯著減小現(xiàn)場工作量，縮短施工周期，工廠化施工能夠顯著提高組合梁各構(gòu)件的質(zhì)量。裝配式組合結(jié)構(gòu)是由鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和抗剪連接件組合成為整體的結(jié)構(gòu)，自重較輕，在裝配式施工中有獨(dú)特的優(yōu)勢。

充分發(fā)揮裝配式組合梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)能有效解決現(xiàn)代鐵路中遇到的建設(shè)環(huán)境惡劣而導(dǎo)致不適宜大量現(xiàn)場施工的難題。裝配式施工的關(guān)鍵是在現(xiàn)場拼裝過程中如何合理設(shè)置連接件，使得鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)能夠形成整體共同工作。

4.1 裝配式組合梁抗剪連接件關(guān)鍵問題

整體式組合梁在施工過程中需要在鋼結(jié)構(gòu)安裝就位后進(jìn)行模板支護(hù)和鋼筋綁扎，最后再進(jìn)行混凝土澆筑。因此，只需要將抗剪連接件在混凝土澆筑前安裝就位，混凝土澆筑完后抗剪連接件即可發(fā)揮其作用。該種施工方法對(duì)于各種抗剪連接件布置形式及安裝方法都具有良好的適用性。但是，裝配式組合梁中鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)均在工廠內(nèi)預(yù)制完成，需要在施工現(xiàn)場完成二者的連接。因此，如何合理設(shè)置裝配式組合梁中的抗剪連接件成為裝配式組合梁制備技術(shù)的關(guān)鍵。

裝配式組合梁抗剪連接件的設(shè)置存在兩個(gè)難題：①抗剪連接件的精確定位。設(shè)置傳統(tǒng)的分離式栓釘連接件需要在混凝土結(jié)構(gòu)制備過程中預(yù)留栓釘孔洞，但是混凝土由于其自身材料特性在養(yǎng)護(hù)硬化過程中會(huì)產(chǎn)生自收縮，使得預(yù)留孔洞容易出現(xiàn)錯(cuò)位和變形，從而導(dǎo)致栓釘無法穿入預(yù)留孔洞。②混凝土結(jié)構(gòu)的整體性。設(shè)置集中式栓釘群需要在混凝土板中預(yù)留栓釘群孔洞，由于預(yù)留孔洞比栓釘群尺寸大，能夠容許較大的施工誤差和混凝土結(jié)構(gòu)的收縮變形，從而解決抗剪連接件的定位問題。但是，該種連接方式中混凝土板預(yù)留孔洞較大且沿結(jié)構(gòu)豎向貫通，橫向鋼筋和縱向主筋均需斷開。因此，該處混凝土結(jié)構(gòu)整體性大大減弱。設(shè)置了抗剪連接件用于傳遞鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)之間的作用力，是整個(gè)結(jié)構(gòu)受力較為集中的關(guān)鍵部位。裝配式組合梁在橋梁結(jié)構(gòu)中承受往復(fù)循環(huán)荷載，該處存在較大面積的混凝土后澆帶，且結(jié)構(gòu)整體性較差，對(duì)于組合結(jié)構(gòu)的整體受力較為不利。

4.2 適用于裝配式組合梁的剪力連接系統(tǒng)

本文提出一種新型裝配式組合梁剪力連接系統(tǒng)，在解決連接件精確定位的同時(shí)能夠提高結(jié)構(gòu)的整體性。裝配式組合梁剪力連接系統(tǒng)及連接件細(xì)部見圖4。首先在混凝土板中預(yù)埋縱向鋼板，在預(yù)埋鋼板中預(yù)留孔洞與連接件對(duì)接；其次采用分離式帶孔鋼板焊接在鋼梁上翼緣，現(xiàn)場拼裝過程中將帶孔鋼板插入混凝土內(nèi)預(yù)埋鋼板的預(yù)留孔內(nèi)，并采用類梭形銷栓鋼棒插入帶孔鋼板的預(yù)留孔內(nèi)；最后進(jìn)行混凝土板中預(yù)留洞內(nèi)的混凝土澆筑，完成剪力連接系統(tǒng)的施工?；炷羶?nèi)預(yù)埋鋼板沿縱向全長布置，其上的抗剪連接件預(yù)留孔洞位置固定，且鋼板具有一定剛度，可有效抵抗混凝土結(jié)構(gòu)的收縮變形，大大提高抗剪連接件的對(duì)接精度。

圖4 裝配式組合梁連接系統(tǒng)及連接件細(xì)部

本文提出的適用于裝配式組合梁的整體連接形式見圖5。其中預(yù)埋鋼板可替代該處的縱向鋼筋，除預(yù)留抗剪連接件對(duì)接孔洞外沿縱向連續(xù)，提高了組合梁的整體性，可有效傳遞混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)之間的作用力?；炷涟鍍?nèi)的橫向鋼筋在預(yù)留洞處斷開，但是在鋼筋綁扎完畢后可通過焊接方式與預(yù)埋鋼板進(jìn)行焊接，進(jìn)一步提高組合梁的整體性。因此，所提出的剪力連接系統(tǒng)在滿足抗剪連接件精確對(duì)接要求的同時(shí)能夠保證組合結(jié)構(gòu)的整體性。

圖5 裝配式組合梁整體連接形式

5 結(jié)論

1）通過計(jì)算分析了鐵路荷載和公路荷載作用下組合梁的靜力和疲勞性能。相比于公路荷載，鐵路荷載作用下組合梁的梁高和鋼結(jié)構(gòu)面積明顯增大。鐵路恒載效應(yīng)是公路的1.64倍，鐵路活載效應(yīng)是公路的1.24倍。鐵路荷載作用下組合橋梁承受的靜力荷載和動(dòng)力荷載要大于公路荷載作用下的。

2）抗剪連接件數(shù)量相同時(shí)，鐵路荷載作用下栓釘承受的最大疲勞應(yīng)力幅是公路荷載作用下的2.08倍。鐵路荷載作用下的鋼-混凝土組合梁對(duì)抗剪連接件的疲勞性能有更高的要求。因此需要探索新型剪力連接形式，且亟待提高抗剪連接件的抗疲勞性能。

3）裝配式鋼-混凝土組合梁的制備技術(shù)關(guān)鍵在于連接件的定位和結(jié)構(gòu)整體性。在分析傳統(tǒng)連接形式弊端的基礎(chǔ)上，提出了適用于裝配式組合梁的連接系統(tǒng)。分析表明，該連接系統(tǒng)在解決抗剪連接件精確定位的同時(shí)能夠提高組合梁整體性，保證了鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)之間剪力的有效傳遞。