高朋

中鐵十五局集團(tuán)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(jì)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?yàn)I海新區(qū)西外環(huán)高速公路-海河特大橋?yàn)槔?，通過新型螺桿式連接鍵的應(yīng)用、及其相關(guān)性能試驗(yàn)和局部受力分析，簡(jiǎn)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(diǎn)。

1 工程概況

濱海新區(qū)西外環(huán)海河特大橋?yàn)闉I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?yàn)I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?yàn)槿邕B續(xù)變截面鋼桁架梁橋，如圖1所示，主橋長(zhǎng)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(jìn)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(jìn)行加工，將螺桿與螺帽進(jìn)行車絲處理，后期在現(xiàn)場(chǎng)直接擰緊即可，施工時(shí)操作簡(jiǎn)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(shí)的縱橋向位移空間，使橋面板和鋼桁架之間能夠自由滑動(dòng)，從而達(dá)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(chǎng)直接安裝，目的是為了防止后期澆筑混凝土以及振搗時(shí)破壞螺桿泡沫，影響橋面板的位移量而達(dá)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(dòng)，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(qiáng)度高、焊接時(shí)間短、熱變形小及生產(chǎn)效率高、工序簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)。作業(yè)內(nèi)容分為：剪力釘、磁環(huán)檢驗(yàn)，焊接區(qū)表面清理，焊接及焊接質(zhì)量檢驗(yàn)。

工藝流程圖

3.1 施工準(zhǔn)備

施工前對(duì)鋼橋面板堆積的材料、機(jī)具清理，對(duì)存在被破壞的防腐漆面、大面積的銹蝕、污染部位進(jìn)行清洗、除銹；

焊接作業(yè)區(qū)空氣環(huán)境相對(duì)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(duì)進(jìn)場(chǎng)的剪力鍵、配套使用的磁環(huán)進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)焊接機(jī)具進(jìn)行調(diào)校。

3.2 劃線定位

用鋼尺和墨線按照設(shè)計(jì)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(jī)將施焊部位的涂層打磨干凈，并用鋼絲刷清掃殘?jiān)?。清理范圍為距焊接中心半徑不小?d，清理表面達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.4 試焊

試焊工作在試焊板上進(jìn)行，把相應(yīng)直徑的保護(hù)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?。喊磩?dòng)電源開關(guān)，焊件自動(dòng)提升，激發(fā)電弧；

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

加壓：設(shè)定的電弧燃燒時(shí)間達(dá)到后，將螺桿自動(dòng)壓入母材（此過程會(huì)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(dòng)；

冷卻：焊縫冷卻，清除焊縫余高和磁環(huán)，焊接完成。

3.5 檢驗(yàn)

每日每臺(tái)班開始正式焊接前，必須按照焊接工藝試焊兩個(gè)試件，用套管將螺桿壓彎30°（或者使用小錘敲擊），進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，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(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，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(yàn)

通過拉拔試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證連接鍵栓桿與螺帽之間的連接強(qiáng)度。

試件參數(shù)：共2個(gè)試件，螺桿采用Q345qD鋼材，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取310MPa。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

表2 試驗(yàn)結(jié)果

圖6 試驗(yàn)照片

圖7 桿件頂部頸縮

兩個(gè)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(qiáng)度近似于螺桿極限抗拉破壞強(qiáng)度（極限破壞時(shí)按原直徑計(jì)算截面平均應(yīng)力530MPa）。在計(jì)算時(shí)采用210t重車得到的拉拔力F=95.9kN，連接鍵按照設(shè)計(jì)需承受的抗拔力為95.9kN×1.7=163.2kN。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該尺寸連接鍵能夠滿足設(shè)計(jì)要求，破壞模式與預(yù)期相同，且有較大安全儲(chǔ)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(jì)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(gè)抗拔件所受拉力。建模時(shí)，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(jì)算。汽車荷載選取70t重車、210t的超重車，按照規(guī)范規(guī)定進(jìn)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(jì)算

經(jīng)計(jì)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(gè)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(duì)比

5.3 抗拔件驗(yàn)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(jī)械設(shè)計(jì)》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(qiáng)度。”

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

同時(shí)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(gè)抗拉板上拉力為F＝17.3kN）。

每個(gè)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(yàn)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(shí)間，橋梁運(yùn)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(shí)，又為我國類似橋梁提供了一套成熟的設(shè)計(jì)和施工方案。