黃從俊

(合肥市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥　230041)

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基于塑性理論的鋼-混凝土組合連續(xù)梁橋柔性連接件分析方法

黃從俊

(合肥市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥230041)

摘要：針對(duì)鋼-混凝土組合梁剪跨區(qū)內(nèi)均勻配置柔性剪力連接件數(shù)量的局限性，分析了基于塑性理論的可變荷載或偶然荷載作用下組合連續(xù)梁橋剪跨區(qū)交界面的剪力作用機(jī)理，提出組合連續(xù)梁橋的剪力連接件配置數(shù)量和方式應(yīng)依據(jù)剪跨區(qū)重疊段的剪力上限值確定，研究結(jié)果彌補(bǔ)了相關(guān)規(guī)范的不足。

關(guān)鍵詞：鋼-混凝土組合梁；連續(xù)梁橋；可變荷載；偶然荷載；柔性連接件；塑性理論；剪力流

0引言

鋼-混凝土組合梁橋是指采用剪力連接件將鋼梁和鋼筋混凝土橋面板連接成組合截面共同工作的一種復(fù)合式橋梁結(jié)構(gòu)，因其能充分發(fā)揮混凝土與鋼材的材料特性，整體穩(wěn)定性好，因而應(yīng)用前景廣闊，通常采用簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁形式。簡(jiǎn)支組合梁受力明確，在荷載作用下，混凝土橋面板受壓，鋼梁受拉，可以充分發(fā)揮混凝土與鋼材的材料特性。簡(jiǎn)支組合梁經(jīng)濟(jì)跨徑一般在40米以下，當(dāng)跨徑較大時(shí)， 采用連續(xù)梁較為經(jīng)濟(jì)，邊中跨的合理跨徑比一般為0.6～0.8。

組合梁常用的截面型式如圖1所示，(a)、(b)為工字型鋼梁，(c)為箱型鋼梁。其中，箱型鋼梁組合結(jié)構(gòu)的抗彎剛度和抗扭剛度較大，適合于較大跨徑組合梁橋或曲線組合梁橋。

圖1組合梁橋橫截面型式

迄今，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開展了大量關(guān)于鋼-混凝土組合梁橋柔性連接件剪力分析的研究工作，尤其關(guān)于剪跨區(qū)固定不變的研究成果較為成熟，但針對(duì)剪跨區(qū)隨機(jī)變化的情況，如靜定結(jié)構(gòu)和永久荷載作用下的超靜定結(jié)構(gòu)，研究成果并不多見，且存在爭(zhēng)議。

1剪力連接件的分類

剪力連接件將鋼筋混凝土橋面板和鋼梁連接起來，為了保證兩種材料能更好地結(jié)合在一起，充分發(fā)揮混凝土板抗壓、鋼梁抗拉的特點(diǎn)，剪力連接件的作用顯得尤為關(guān)鍵。剪力連接件按其抗剪剛度可分為剛性連接件(常用的如開孔鋼板)和柔性連接件(常用的如栓釘)。橋梁工程中采用柔性連接件的較多，本文主要討論柔性連接件的配置數(shù)量和配置方式。

2柔性連接件及其抗剪分析

由于在彎曲變形過程中，柔性連接件不僅承擔(dān)剪力，也承擔(dān)拉拔力，所以一般設(shè)計(jì)成大頭栓釘，或?yàn)槁菁y栓釘，可顯著提高抗拉拔能力。圖2是常用的大頭栓釘。由于栓釘?shù)热嵝赃B接件各向力學(xué)同性，受力性能良好，焊接方便，目前使用最為廣泛。

圖2栓釘常見樣式

由于柔性連接件的抗彎剛度相對(duì)較小，橋梁縱向剪力使得連接件彎曲變形，混凝土橋面板與鋼梁之間產(chǎn)生理論上的相對(duì)位移。連接件產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生不均勻壓應(yīng)力，靠近連接件根部的混凝土首先發(fā)生剪切破壞，個(gè)別連接件被剪斷。

根據(jù)塑性理論，極限平衡時(shí)各剪跨區(qū)柔性連接件的數(shù)量nf應(yīng)滿足下式要求：

(1)

式中，Qs—每個(gè)剪跨區(qū)內(nèi)鋼梁與混凝土交界面縱向剪力；

Qu—單個(gè)柔性連接件抗剪承載力設(shè)計(jì)值。

剪跨區(qū)的劃分以最大正彎矩、最小負(fù)彎矩及彎矩零點(diǎn)為界限，逐段進(jìn)行，如圖3。

圖3剪跨區(qū)劃分示意圖

Qs按下列方法得到：

1)當(dāng)位于正彎矩剪跨區(qū)時(shí)

Qs=min{0.9Asfd,Acfcd}

(2)

式中，As—鋼梁的截面面積；

fd—鋼材的抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

Ac—正彎矩區(qū)混凝土橋面板有效寬度范圍內(nèi)的截面面積；

fcd—混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

2)當(dāng)位于負(fù)彎矩剪跨區(qū)時(shí)

(3)

式中，Art—負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板有效寬度范圍內(nèi)的縱向鋼筋截面面積；

fsd—鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

由式(1)、(2)和(3)計(jì)算得出柔性連接件數(shù)量后，在對(duì)應(yīng)的剪跨區(qū)內(nèi)均勻布置。

3組合連續(xù)梁橋柔性連接件計(jì)算分析

以上剪力分析僅對(duì)剪跨區(qū)范圍固定不變時(shí)有效，如靜定結(jié)構(gòu)和永久荷載作用下的超靜定結(jié)構(gòu)，是一直以來的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法；卻并不適用于可變荷載或偶然荷載作用下的超靜定結(jié)構(gòu)。圖4為連續(xù)梁橋彎矩包絡(luò)圖示意，mi和mi′分別為按最大正彎矩和最小負(fù)彎矩劃定的剪跨區(qū)，Ai為mi和mi′的重疊段。可以看出，連續(xù)梁橋在可變荷載或偶然荷載作用下的剪跨區(qū)范圍是隨機(jī)變化的，前述剪力分析并不完全適用。

圖4連續(xù)梁彎矩包絡(luò)圖

圖5和圖6分別為最大正彎矩和最小負(fù)彎矩時(shí)的組合連續(xù)梁橋交界面剪力流方向。在剪跨區(qū)重疊段，混凝土橋面板與鋼梁交界面的剪力流方向和大小隨著可變荷載的隨機(jī)變化而變化，意味著連接件受到的剪力方向和大小也隨機(jī)變化。因此，重疊段的剪力連接件配置數(shù)量和方式應(yīng)考慮剪跨區(qū)隨機(jī)變化的情況。

圖5最大正彎矩狀態(tài)下組合連續(xù)梁交界面剪力流

圖6最小負(fù)彎矩狀態(tài)下組合連續(xù)梁交界面剪力流

關(guān)于可變荷載或偶然荷載作用下連續(xù)梁橋剪跨區(qū)隨機(jī)變化時(shí)柔性連接件數(shù)量的計(jì)算，目前并無統(tǒng)一規(guī)定，國標(biāo)《鋼—混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(征求意見稿)也沒做過多解釋，剪跨區(qū)重疊段的連接件配置一般由設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。

從造價(jià)角度看，柔性連接件在整個(gè)橋梁建設(shè)中所占的比例很小，但又是交界面是否有效連接的關(guān)鍵，因而應(yīng)盡量偏安全地選用剪跨區(qū)重疊段上限值。即可先按彎矩包絡(luò)圖中所示最大正彎矩和最小負(fù)彎矩，分別計(jì)算mi和mi′對(duì)應(yīng)的柔性連接件數(shù)量nfi和nfi′：

(4)

(5)

式中，Qsi、Qsi′—剪跨區(qū)mi和mi′ 混凝土橋面板與鋼梁交界面的縱向剪力。

由此得出相鄰剪跨區(qū)最大正彎矩和最小負(fù)彎矩分別對(duì)應(yīng)的單位長(zhǎng)度柔性連接件數(shù)量Nfi和Nfi′：

(6)

(7)

再按下式計(jì)算剪跨重疊區(qū)Ai的單位長(zhǎng)度柔性連接件數(shù)量：

(8)

(9)

式中，li、li′—剪跨區(qū)mi和mi′長(zhǎng)度；

Nf′—根據(jù)剪跨重疊區(qū)位置的不同，選用相鄰的Nf,i+1′或Nf,i-1′；

nf′、l′—對(duì)應(yīng)于Nf′的柔性連接件數(shù)量和剪跨區(qū)長(zhǎng)度。

計(jì)算得到剪跨重疊區(qū)的柔性連接件數(shù)量后，再在對(duì)應(yīng)的剪跨區(qū)內(nèi)均勻布置。這樣，重疊段的柔性連接件可滿足剪跨區(qū)隨機(jī)變化時(shí)的受剪要求。

合肥市暢通二環(huán)集賢路節(jié)點(diǎn)改造工程，南北主線橋全長(zhǎng)338.8米，主橋?yàn)?38+48+42)米等截面鋼-混凝土組合連續(xù)梁橋，橋?qū)?2米，梁高2.3米，鋼箱梁，預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板，見圖7和圖8。

圖7橋梁立面布置圖

圖8橋梁橫斷面構(gòu)造圖

通過研究發(fā)現(xiàn)，該橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕盈，自重小，但剪跨區(qū)變化范圍較廣，剪跨區(qū)內(nèi)平均分配連接件的傳統(tǒng)方法無法適應(yīng)剪跨區(qū)隨機(jī)變化的實(shí)際需要。

以中墩墩頂A2重疊段為例，設(shè)計(jì)計(jì)算得到剪跨區(qū)m2和m3′的柔性連接件數(shù)量分別為Nf2=200個(gè)，Nf3′ =250個(gè)，采用本文的連接件配置方法，重疊段A2柔性連接件數(shù)量取NA2={Nf2,Nf3′}=250個(gè)。故該重疊段每延米配置250個(gè)柔性連接件，采用直接在橫向翼緣板頂部直接加密的方式，既保證了交界面的連接安全，又不增加過多的連接件數(shù)量，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

4結(jié)論

(1)傳統(tǒng)的柔性剪力連接件計(jì)算并不適用于可變荷載或偶然荷載作用下的超靜定結(jié)構(gòu)。

(2)組合連續(xù)梁橋的剪力連接件配置數(shù)量和方式應(yīng)考慮剪跨區(qū)隨機(jī)變化的情況，應(yīng)盡量偏安全地依據(jù)計(jì)算得到的剪跨區(qū)重疊段剪力上限值確定。

(3)柔性連接件在整個(gè)橋梁建設(shè)中所占的投資比例很小，但又是交界面是否有效連接的關(guān)鍵，采用本文的連接件配置方法，既保證了交界面的連接安全，又不增加過多的連接件數(shù)量。

(4)從正反剪力兩個(gè)方向復(fù)核柔性連接件的配置數(shù)量和配置方式，進(jìn)一步完善了基于塑性理論的柔性連接件配置數(shù)量和配置方式，彌補(bǔ)了相關(guān)規(guī)范的不足。

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Analysis method of flexible connectors in composite steel-concrete

continuous bridges based on the plasticity theory

HUANG Congjun

(Hefei City Planning and Design Institute, Hefei 230041, China)

Abstract:In view of the defect of uniform flexible shear connectors within per shear-span district in composite steel-concrete beams, based on the plasticity theory, the mechanism of shear effect on the interface of composite steel-concrete continuous bridges under variable loads or accidental loads were analyzed. It was put forword to that the allocation quantities and modes of flexible shear connectors in composite steel-concrete continuous bridges should be decided by the upper limit shearing force of the repeat shear-span districts, which makes up for the defects of related standards.

Key words:composite steel-concrete beam; continuous bridge; variable load; accidental load; flexible joint; plasticity theory; shear flow

中圖分類號(hào)：U443.35；U443.37

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8382(2015)02-020-03

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150204

作者簡(jiǎn)介：黃從俊(1971-)，男，教授級(jí)高工，主要研究方向?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)分析、橋梁病害診斷與加固。

基金項(xiàng)目：安徽省建設(shè)行業(yè)科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(2014YF-11)

收稿日期：2014-10-08