一種鋼混組合梁橋的剪力連接件的制作方法

本發明涉及土木建筑領域，尤其是一種鋼混組合梁橋的剪力連接件。
背景技術：
：預應力混凝土梁橋是我國公路橋梁建設中廣為應用的橋梁結構形式，50～100米跨徑的大中橋梁多采用預應力混凝土梁。相對于發達國家，我國鋼橋技術發展極不平衡，一方面是特大橋、大橋高水準應用；另一方面是中小橋低水準應用且總量很小。因技術發展不平衡，我國一般混凝土橋梁存在質量問題較多，預應力后張梁工藝存在堵孔、張拉預應力控制不準、壓漿不密實等技術瓶頸。預應力混凝土連續梁橋混凝土箱梁腹板承受較大的主拉應力，混凝土材料易開裂，致使結構剛度降低，影響結構的耐久性；而且混凝土箱梁自重較大，在自重、徐變等因素作用下，跨中撓度會持續增大，嚴重影響結構的承載力，降低結構的安全度，為橋梁帶來很大安全隱患。工程界有識之士正在大力呼吁采用高性能高強混凝土、采用鋼－混組合結構，推廣鋼結構，以徹底改變我國工程結構以混凝土為主的現狀，與發達國家工程結構、橋梁結構發展趨勢保持一致。鋼混凝土組合梁，通過較為簡單的處理方式綜合了混凝土梁和鋼梁的優勢。組合梁保留受壓區的混凝土翼板，受拉區則只配置鋼梁，二者之間通過抗剪連接件組合成整體。這樣，既不會產生混凝土受拉開裂的問題，也不會因鋼梁受壓側剛度較弱而發生失穩，同時還具備較高的剛度和較輕的自重。鋼－混凝土結合梁橋在中等跨度(20m～90m)橋梁中已在世界各地廣泛應用。它的主要優點是組合結構橋梁可以充分合理地發揮鋼與混凝土兩種材料的各自優勢，可以最大程度地實現工廠化制造，減少現場操作，場地清潔較有保證，鋼材部分可回收利用，有利于環保、節能，且具有整體受力的經濟性與工程質量的可靠性。與鋼橋相比有：節省鋼材；降低建筑高度；減少沖擊，耐疲勞；減少鋼梁腐蝕；減少噪音；維修養護工作量較少等。與混凝土橋相比有：重量較輕；制造安裝較為容易；施工速度快、工期短等。鋼—混組合梁橋是通過剪力釘連接混凝土橋面板與鋼主梁，以保證二者共同作用。目前，剪力釘布置方式主要采用均布式，其剪力釘受力具有比較均勻的特征，但是也造成混凝土橋面板分塊和濕接縫較多，引起施工不便和增加工期。因此，對于剪力連接件連接方式的優化改進十分必要。對鋼混組合梁橋剪力連接件進行設計優化，對掌握鋼—混組合梁橋的設計方法和受力性能具有重要的意義。環保、節能和實現可持續發展是使社會經濟同能源、資源、環境實現良性循環的措施，是社會發展與自然關系的協調與保證。鋼結構產業特點：鋼結構建筑是一種新型的節能環保的建筑體系，被譽為21世紀的“綠色建筑”。鋼結構是一種節能環保型、能循環使用的建筑結構，符合發展節能建筑和經濟持續健康發展的要求。我國又是鋼鐵大國，適時的發展我國橋梁鋼結構，改變我國混凝土橋梁占多數的現狀，才能實現可持續發展。設計更為優化的鋼混結構，不僅對土木工程的發展有著巨大的意義，并且對產業結構、國民經濟產生巨大的影響。技術實現要素：本發明所要解決的技術問題在于，提供一種鋼混組合梁橋的剪力連接件，可以提高結構受力性能，簡化施工。為解決上述技術問題，本發明提供一種鋼混組合梁橋的剪力連接件，包括：集束式剪力連接件與開口板剪力連接件。優選的，集束式剪力連接件采用相鄰剪力釘集群邊界間隔為500-800mm的布置形式，單個剪力釘集群的長度應等于相鄰剪力釘集群邊界的間隔距離；當鋼梁跨徑小于35米時，單個剪力釘集群的長度應取為500mm，當鋼梁跨徑大于50米時，單個剪力釘群的長度應取為800mm，其余跨徑可線性內插取得；單個剪力釘集群的寬度與鋼梁頂板同寬，并且剪力釘沿梁長均勻分布；單一剪力釘的間距在順橋向方面與原有的均布式剪力連接件剪力釘間距保持一致，一般取100～150mm，在橫橋方向亦保持不變；剪力釘的長度、直徑、鋼筋標號與原有均布式剪力連接件剪力釘維持一致，一般取釘長200mm，直徑22mm。優選的，開孔板采用Q345D鋼材，高度100mm，厚度16mm，開孔孔徑60mm，圓孔中心距上下邊緣各20mm，兩孔中心間距90mm，在鋼梁橫向兩排之間的軸線距離500mm；在開孔中貫穿鋼筋采用直徑25mm的HRB400鋼筋。本發明的有益效果為：施工簡單，鋼板上只需開孔，無需特殊加工；焊接方便，沿鋼板兩側用貼腳焊縫焊接，不需要專用的焊接設備；開孔板沿著翼板縱橋向布置，可起到加勁板的作用；連接件的抗疲勞性能好，剛度大，滑移小；提高結構受力性能，簡化施工。附圖說明圖1為本發明的集束式剪力釘分布概念示意圖。圖2為本發明的安徽省北沿江高速巢湖至無為段裕溪河特大橋混凝土橋面板邊支點處預制板形式示意圖。圖3為本發明安徽省北沿江高速巢湖至無為段裕溪河特大橋混凝土橋面板邊中支點處預制板形式示意圖。圖4為本發明優化后①區開孔板示意圖。圖5為本發明優化后②、③區開孔板示意圖。圖6為本發明優化后④、⑤區開孔板示意圖。圖7為本發明優化后開孔橋面板吊裝示意圖。具體實施方式本發明的目的在于對于現有的鋼梁形狀為工字形梁(U形梁)的鋼混組合梁橋的剪力連接鍵的設計模式進行改進。目前，對于鋼梁形狀為工字形梁(U形梁)的鋼混組合梁橋的剪力連接件布置方式普遍采用均布式的布置方法。即鋼混組合梁橋的剪力釘均勻分布在工字形鋼梁(U形鋼梁)的上翼緣板頂面。這種剪力釘的布置方式雖然在連接結構中受力效果良好，但是這種設計結構會造成在結構的施工過程中混凝土板塊分塊過多，連接施工中現澆濕接縫過多等問題，間接影響了鋼混組合結構的整體性能，破壞了混凝土結構的連續性，由于施工工藝、施工設備的限制，會造成由于施工不當而嚴重影響結構的受力性能。為了降低施工難度、加快施工進度、提高施工質量，本發明提出了一種對于鋼梁形狀為工字形梁(U形梁)的鋼混組合梁橋均布式剪力連接件群的布置設計方案的優化設計、改進方法。本發明提出對于鋼梁形狀為工字形梁(U形梁)的鋼混組合梁橋均布式剪力連接件布置結構可以將原有的均布式剪力連接件改為集束式剪力連接件布置方式。當結構對于受力性能的要求較高時，亦可以將原有均布式栓釘剪力連接件布置模式改為開孔板連接件構造模式。改進方式如下：對于均布式群釘剪力連接件布置模式，現行《橋規》并沒有給出明確的布置要求規范，故均布式剪力連接件面向集束式剪力連接件的優化方式同樣基于現有的工程經驗及有限元模型計算。在原有的均布式剪力連接件結構基礎上，集束式剪力連接件推薦采用相鄰剪力釘集群邊界間隔500-800mm的布置形式，單個剪力釘集群的長度應等于相鄰剪力釘集群邊界的間隔距離。當鋼梁跨徑小于35米時，單個剪力釘集群的長度應取為500mm，當鋼梁跨徑大于50米時，單個剪力釘群的長度應取為800mm，其余跨徑可線性內插取得，即：其中，Ls——單個剪力釘集群的長度(毫米)；L——梁跨徑(米)。單個剪力釘集群的寬度與鋼梁頂板同寬，并且剪力釘沿梁長均勻分布。單一剪力釘的間距在順橋向方面與原有的均布式剪力連接件剪力釘間距保持一致，在橫橋方向亦可保持不變，但建議縮短1/4-1/3的間距，以保證結構的受力性能。剪力釘的長度、直徑、鋼筋標號與原有均布式剪力連接件剪力釘維持一致。通過比較發現剪力釘集束分布與均勻分布分別在恒載、最不利汽車活載作用下鋼-混組合梁撓度、混凝土橋面板應力和鋼梁應力基本相同，得到剪力釘集束分布和均勻分布對鋼-混組合梁橋整體受力性能影響較小。剪力釘橫向剪力主要受成橋階段恒載作用影響，兩種分布形式剪力釘的橫向剪力都很小，集束式分布剪力釘剪力略小于集中分布式。選取縱向剪力最大位置剪力釘進行抗剪強度驗算，集束分布與均勻分布組合后剪力都小于抗剪使用狀態承載力，滿足正常使用要求。選取拉拔力最大位置剪力釘進行抗拉驗算和剪拔驗算，集束分布與均勻分布組合后拉拔力都小于抗拔使用承載力，剪力都小于折減后抗剪使用承載力，滿足正常使用要求。由此說明，剪力釘集束分布與均勻分布均可滿足鋼-混組合連續梁橋正常使用要求。本發明認為，當集束式剪力連接件的構造方式不能滿足結構的受力要求時，可將原有的均布式剪力連接件栓釘連接形式轉變為開孔連接件形式。本發明推薦開孔連接件的具體構造形式如下：開孔板采用Q345D鋼材，高度100mm，厚度16mm，開孔孔徑60mm，圓孔中心距上下邊緣各20mm，兩孔中心間距90mm，橫向分兩排布置，軸線距離500mm。孔中貫鋼筋采用直徑25mm的HRB400鋼筋。布置區位同栓釘連接件。具體可根據工程實例進行調整，也可根據推薦構造取值。以下結合具體附圖和實施例對本發明作進一步的闡述。實施例：安徽省北沿江高速巢湖至無為段裕溪河特大橋工程：1.工程概況本項目起點順接北沿江高速公路馬鞍山至巢湖段終點，設置巢湖樞紐互通立交連接合巢蕪高速；終點在塔橋設T型樞紐互通立交連接規劃的銅陵長江公鐵大橋公路接線。本項目包含裕溪河主橋,跨錐三河橋以及裕溪河特大橋等橋梁的工程設計、施工、建設、監控，項目包含了組合鋼板梁橋、矮塔斜拉橋、連續剛構橋以及連續箱型梁橋等多種橋型。項目設計理念先進，橋梁結構復雜，建設規模大，施工難度高，代表了國內高速公路橋梁施工的先進水平。其中，裕溪河主橋采用75+130+75m預應力混凝土矮塔斜拉橋，跨錐三河橋采用41.5+70+41.5m連續鋼構，跨線鐵路橋采用64.8+108+64.8m連續箱梁，其余以裕溪河特大橋為代表的引橋均采用連續組合鋼板橋。其中鋼混組合梁橋裕溪河特大橋主梁采用雙工字鋼板組合梁，單幅組合梁橋面寬16.75m，雙幅全寬34.5m，鋼梁中心線處的梁高均為1.7m。鋼主梁采用Q345D工字形直腹板鋼梁，混凝土橋面板和鋼主梁通過剪力釘連接。雙主梁之間采用橫梁加強橫向聯系，跨內中橫梁為小橫梁，支點端橫梁為大橫梁。橫梁標準間距為7.0m，鋼主梁與橫梁之間采用焊接連接。鋼板梁腹板結構的中心線處梁高均為1.7m。橋面板采用預制橋面板，縱向采用鋼筋混凝土濕接縫連接，橫向采用全寬預制，并且設置橫向預應力，從而達到改善橋面板受力特性的功能。橋面板預留孔洞，孔洞處的鋼梁鋼梁上翼緣和濕接縫處設置剪力釘，通過后澆筑的方式實現混凝土橋面板和鋼梁的連接。鋼板組合梁下部結構為樁柱式橋墩，墩柱直徑1.6m，樁基直徑1.7m；在墩頂設置啞鈴型蓋梁，蓋梁高1.85m，蓋梁中部寬2.1m。鋼板梁橋橋墩采用樁基礎，樁基直徑1.7m，下伏基巖包含中風化灰巖，以中風化灰巖為樁基持力層的按嵌巖樁設計，其他樁基按摩擦樁設計。鋼梁采用在工廠分節段構造，制造完成后并預拼，鋼板梁要求5節一起拼裝，鋼板梁預拼底面線性與設計線性一致。預拼后留一節與待制造段匹配。然后按拼裝順序運至橋位處(固定吊架下方)，由固定吊架直接提升并滑移至拼裝位置。鋼梁按成橋線性進行主梁節段的預制，預制時各梁段首尾相接以利試拼，主梁梁段鋼結構部分制作完畢，應進行鋼結構的試拼。全部梁段均要試拼，以保證節段架設的順利進行。因為存梁的時間關系，梁體的變形難以避免；預制梁段調運架設前模擬架梁時的受力，進行試拼。頂推系統采用多點頂推裝置以及配套液壓系統、分控箱、計算機控制總控制臺等。設備安裝就位后，進行系統空載調試。對于頂推需要用到的特殊裝置，如鋼導梁、糾偏裝置、監控方案等，由施工單位進行自主設計，頂推過程要求做好各項指標監控，并根據監控情況及時調整監控方案。2.有限元計算分析模型此次分析針對數量較多的4×35m鋼混組合結構橋梁進行分析，分析剪力連接件集中布置的可行性。全橋采用MidasCivil建模分析、主梁橋墩均采用梁單元進行模擬，二期恒載以梁單元荷載形式添加，考慮的荷載有恒載、活載、支座沉降(按1.0cm計)，溫度變化(升、降溫各20℃)、非線性溫度(升溫14℃，降溫7℃)等。3.內力分析對橋梁結構進行靜力計算，考慮橋梁結構在恒載和活載等荷載作用，并按《公路橋涵設計通用規范》(JTGD60-2004)的規定進行荷載組合。通過有限元模型分析后得到的應力包絡圖、各施工階段的應力水平可知，鋼結構施工階段最大應力為180MPa，小于規范要求中考慮結構安全系數后的標準應力210MPa，滿足《公路鋼結構橋梁設計規范》及《鋼—混凝土組合橋梁設計與施工細則》中對于應力的具體要求。4.原設計方案中剪力連接件驗算分析根據《公路鋼結構橋梁設計規范》及《鋼—混凝土組合橋梁設計與施工細則》對原設計方案剪力連接件進行受力分析。按照圖紙S4-3(1)-18中組合梁剪力釘布置圖，對剪力較大的幾個區段進行栓釘驗算。(1)混凝土翼緣板有效寬度：表1混凝土翼緣板有效寬度距離邊支座距離(m)072835426370有效寬度5.897.847.845.26.676.675.2(2)換算截面特性本橋橋面板采用預制板，主要收縮徐變在形成組合梁前已經基本完成，因此本橋計算不考慮收縮徐變的影響。表2組合截面特性值(3)主梁內力計算按《公路橋涵設計通用規范》(JTGD60-2004)對有關荷載進行組合，求得關鍵截面內力，如表3所示。表3關鍵截面內力距離邊支座距離(m)017355270最大剪力(kN)-15063718065851728最小剪力(kN)-1544-495-1741-676-1698最大彎矩(kN·m)08200-5815494-230最小彎矩(kN·m)0-669-7759-887-7587上表驗算位置基本位于最大剪力、最大彎矩處；此處內力值主要是為計算剪力釘剪力，因而荷載組合時不包含組合梁自重。(鋪設鋼梁和鋪設混凝土橋面板時，鋼梁和混凝土板并未連接成整體，此時剪力釘未受力；從鋪設二期恒載開始，鋼梁和混凝土板連接成整體，剪力釘開始受力。此處的關鍵截面內力是為驗算剪力釘的剪力而求，因而未包括鋼梁及混凝土板的自重。)(4)連接件抗剪驗算。按彈性方法驗算單個栓釘抗剪能力①邊跨支座處：單個長度縱向剪力單個栓釘剪力設計值Vdr＝28.6kN＜86kN，滿足要求。滑移量滿足要求。②中支座處單位長度縱向剪力單個栓釘剪力設計值Vdr＝34.2kN＜86kN，滿足要求。滑移量滿足要求。5.剪力連接鍵優化設計分析目前，連接件布置方式主要采用均布式，其連接件受力具有比較均勻的特征，對于間隔式的布置方案，國內外尚無明確規范指導設計，應用也十分稀少，目前國內僅在港珠澳大橋鋼箱梁組合結構中有過實際應用。優化設計分別采用栓釘連接件和開孔板連接件進行計算分析。布置方式：綜合考慮現有設計方案和主梁受力情況，混凝土板預制形狀如附圖2和附圖3所示。剪力計算：假設無錨固區剪力由兩側錨固區承擔，并按剪力釘的剛度進行分配。邊支點處對剪力較大的①～⑤區進行驗算(1)栓釘連接件：栓釘連接件橫橋向分布不變，①區布置9×100mm，，②區③區布置4×110mm④區⑤區布置5×90mm橫向按原設計方案4排設置①區剪力驗算：①區總剪力單個釘承擔剪力Vdr＝41.1kN＜86kN，滿足要求滑移量滿足要求。②區剪力驗算：②區總剪力單個釘承擔剪力Vdr＝47.3kN＜86kN，滿足要求滑移量滿足要求。同理，③區單個釘承擔剪力Vdr＝46.6kN＜86kN，滿足要求滑移量滿足要求。④區單個釘承擔剪力Vdr＝47.6kN＜86kN，滿足要求滑移量滿足要求。⑤區單個釘承擔剪力Vdr＝59.2kN＜86kN，滿足要求滑移量不滿足要求。通過以上分析可以看出各處剪力釘剪力均滿足要求，但中支點附近滑移量較大，超出規范要求。可見此時主要由抗剪滑移量控制設計，為降低滑移量，采取以下措施：增加栓釘數量，增大栓釘直徑，提高混凝土強度等級等。本橋中栓釘縱向間距100mm，直徑22mm，混凝土強度40MPa，橫向間距為3×180mm，現將方案更改為橫橋向加密為5×120mm，同時考慮到提高濕接縫處混凝土強度不僅對剪力釘受剪有利，同時可減小現澆混凝土的收縮，有利于新舊混凝土的結合，因此將混凝土強度等級提高為C50，其它不變。此時，①區剪力驗算：單個釘承擔剪力Vdr＝27.4N＜86kN，滿足要求滑移量滿足要求。②區剪力驗算：單個釘承擔剪力Vdr＝31.5kN＜86kN，滿足要求滑移量滿足要求。同理，③區單個釘承擔剪力Vdr＝31.1kN＜86kN，滿足要求滑移量滿足要求。④區單個釘承擔剪力Vdr＝31.8kN＜86kN，滿足要求滑移量滿足要求。⑤區單個釘承擔剪力Vdr＝39.5kN＜86kN，滿足要求滑移量滿足要求。對于其它位置的剪力釘，由于承受剪力較小，能滿足要求。(2)開孔板連接件：布置形式：開孔板連接件按附圖4、附圖5和附圖6方式布置：開孔板采用Q345D鋼材，高度100mm，厚度16mm，開孔孔徑60mm，圓孔中心距上下邊緣各20mm，兩孔中心間距90mm，橫向分兩排布置，軸線距離500mm。孔中貫鋼筋采用直徑25mm的HRB400鋼筋。布置區位同栓釘連接件，計算說明如下：開孔板單孔抗剪承載力①區剪力驗算：①區總剪力單孔剪力Vdr＝76.4N＜190.2kN，滿足要求滑移量滿足要求。②區總剪力單孔承擔剪力Vdrw113.5kN＜190.2kN，滿足要求滑移量滿足要求。同理，③區單孔釘承擔剪力Vdr＝116.7kN＜190.2kN，滿足要求滑移量滿足要求。④區單孔承擔剪力Vdr＝114kN＜190.2kN，滿足要求滑移量滿足要求。⑤區單孔承擔剪力Vdr＝143kN＜190.2kN，滿足要求滑移量滿足要求。6.預制混凝土板的吊裝示意圖由于混凝土橋面板中間開孔形成薄弱截面，在吊裝施工過程中容易造成局部應力過大，因而需要對其進行驗算。取邊支座處Z4板進行驗算：經計算可得，開孔位置單個連接處受力最大值如表4所示。表4單個連接處最大內力受力驗算：按原設計圖紙給出的鋼筋布置間距為120mm，直徑25mm，按照規范，單個連接處受彎承載力極限值Mu＝183kN·m，可以滿足吊裝及安裝要求，剪力承載能力，取箍筋直徑12mm，間距150mm，抗剪承載力極限值Nu＝195kN，滿足要求。為了便于施工，從受力計算分析可知，將原設計方案中的邊板和中板合成一塊板進行預制吊裝施工是可行的。通過使用有限元模型對此鋼混組合梁橋的施工階段進行定義和細化，詳細分析邊板和中板合成一塊板進行預制吊裝的施公過程受力情況可知：在吊裝施工的全部過程中，雖然在預制板開孔處會有一定程度的應力集中，但最大拉、壓應力均滿足材料的強度需求，其中最大拉應力為3.66MPa，最大壓應力為3.17MPa，滿足《公路鋼結構橋梁設計規范》及《鋼—混凝土組合橋梁設計與施工細則》中對于應力的具體要求。從受力計算分析可知，將剪力連接件由連續布置設計優化為間隔式布置設計能滿足受力和變形要求。從受力、變形和施工角度，開孔板連接件的性能優于栓釘連接件，建議優先采用。對于無剪力連接件的區域采取涂刷環氧樹脂膠或采用橡膠條密封等措施。由于此類設計方法尚無成熟的設計規范，因此在實際應用過程中，建議通過室內實驗的方法加以驗證。盡管本發明就優選實施方式進行了示意和描述，但本領域的技術人員應當理解，只要不超出本發明的權利要求所限定的范圍，可以對本發明進行各種變化和修改。當前第1頁1 2 3