李旺旺 班新林 趙體波 蘇永華

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；

2.中國鐵道科學研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081

隨著我國經(jīng)濟和社會的發(fā)展，鐵路建設范圍逐步擴大，需要穿越眾多的橫斷山脈和峽谷，面臨惡劣的建設環(huán)境和嚴峻的技術挑戰(zhàn)。現(xiàn)階段鐵路建設多采用“以橋代路”的方式進行設計和建造，裝配式鐵路橋梁技術的發(fā)展與應用對于克服鐵路建設中遇到的惡劣環(huán)境具有關鍵作用。

裝配式鋼-混凝土組合梁能夠大大減少現(xiàn)場施工工作量，工廠化預制方式可顯著提高構件質量，因此在現(xiàn)代鐵路建設中具有良好的適用性。目前我國鋼-混凝土組合梁廣泛應用于公路橋梁結構中［1-3］，在鐵路橋梁中只有少量的設計和應用。因此，對裝配式鋼-混凝土組合梁在鐵路荷載作用下的性能進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成為混凝土板、鋼結構以及二者之間的抗剪連接件。在橋梁運營過程中主要受力部分是混凝土板和鋼結構，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構能否作為整體共同受力的關鍵在于是否合理設置了抗剪連接件［4-5］。鋼-混凝土組合梁在運營過程中需要承受靜力和往復循環(huán)荷載作用，因此要同時滿足靜力受力性能和疲勞性能要求［6-8］。

本文對鐵路荷載和公路荷載作用下鋼-混凝土組合梁結構進行了初步設計，對比分析其在兩類荷載作用下的受力性能。結合裝配式結構的特點，分析裝配式鋼-混凝土組合梁的關鍵構造，對其關鍵技術進行深入分析，探求適用于鐵路裝配式鋼-混組合梁的連接構造。

1 鋼-混凝土組合梁連接性能

1.1 連接件性能分析

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

單個抗剪連接件根據(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。剛性連接件的滑移量較小，水平剪力與相對滑移量呈正相關，因此往復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構之間的作用力，組合結構的整體性能良好。但是，剛性連接件的破壞類型屬于脆性破壞，這是結構極限狀態(tài)設計應該避免的破壞類型。柔性連接件具有良好的變形性能，能夠使結構在承受荷載過程中產(chǎn)生內力重分布，從而充分發(fā)揮結構各部分的性能。其破壞類型為延性破壞，該種類型對結構破壞有良好的預示作用。但是，柔性連接件的剛度小，滑移量大，減小了組合結構的整體性，使得組合結構抗剪連接件應力幅增大，較易引起疲勞破壞。

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

1.2 連接程度對組合梁性能的影響

抗剪連接件的連接程度是單個連接件和整體連接件性能的綜合指標，反映了連接件對組合結構中混凝土結構和鋼結構的連接程度。當單個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力，因此能夠在不增加材料用量和改變結構高度的情況下提高組合結構的承載能力；連接程度提高后，界面間滑移量減小，可降低組合結構的應力，在承受相同荷載情況下可減小組合結構的疲勞應力；連接程度提高，可增強組合梁的整體性，從而減小結構的撓度，能夠在不增加材料用量和結構高度的同時提高組合結構的剛度。因此，組合結構中連接程度的增加可有效提高結構的承載力、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，鐵路和公路中的組合梁性能存在明顯差異，下文進行了對比分析。

2.1 鋼-混凝土組合梁結構及荷載

鐵路選用客貨共線ZKH荷載，公路選用公路Ⅰ級荷載。對跨度32m的雙線鐵路橋和公路橋進行初步設計，二者均采用包含4個工字鋼主梁和混凝土板的組合結構。鐵路、公路組合梁結構和鋼主梁橫截面分別見圖1、圖2。為對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 鐵路組合梁結構和鋼主梁橫截面示意（單位：mm）

圖2 公路組合梁結構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 靜力性能對比分析

參照TBJ24—1989《鐵路結合梁設計規(guī)定》［10］和GB50917—2013《鋼-混凝土組合橋梁設計規(guī)范》［11］對鐵路和公路組合梁進行計算分析。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，單個工字鋼主梁和有效翼緣寬度結構自重為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力為8.47MPa，鋼梁最大拉應力為177.71MPa。靜活載作用下組合梁撓度為29.93mm。

在鐵路荷載作用下，單個工字鋼主梁和有效翼緣寬度結構自重為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力為8.43MPa，鋼梁最大拉應力為140.81MPa。靜活載作用下組合梁撓度為26.56mm，梁端轉角為2.3‰rad。組合梁一階頻率為3.32Hz。

由以上對比分析可見，鐵路恒載效應是公路的1.64倍，鐵路活載效應是公路的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

對鐵路荷載和公路荷載作用下組合梁的鋼結構和抗剪連接件疲勞性能進行分析。

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構設計基礎上，計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Ψ?，結果見表1?？梢?，疲勞荷載模型Ⅲ作用下，鋼梁的疲勞應力幅最大（66.91MPa），栓釘應力幅值最大（40.98MPa）。

表1 公路荷載作用下的疲勞應力幅 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構設計基礎上，計算四種荷載作用下32m鐵路鋼-混凝土組合梁中鋼梁、栓釘?shù)钠趹ΨY果見表2。可見，鋼梁、栓釘?shù)钠趹Ψ尸F(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力幅 MPa

3.3 對比分析

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

對于鐵路荷載作用，單個工字鋼梁在恒載作用下的梁底拉應力為84.30MPa，活載作用下最大拉應力為73.46MPa；恒載作用下栓釘剪應力為75.73MPa，活載作用下栓釘最大剪應力為85.10MPa；組合結構鋼梁承受的往復循環(huán)應力在84.30～157.76MPa，應力幅為73.46MPa；栓釘連接件承受的往復循環(huán)剪應力在75.73～160.83MPa，應力幅為85.10MPa。

由以上對比可見，由于鐵路組合梁的高度和鋼結構面積均較大，因此在鐵路荷載作用下鋼梁疲勞應力下限小于公路荷載。設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鍵技術

裝配式組合梁是將鋼結構和混凝土結構分別在工廠預制，運至施工現(xiàn)場，進行簡單拼裝后即可建成安全、適用、美觀的組合結構梁。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件的質量。裝配式組合結構是由鋼結構、混凝土結構和抗剪連接件組合成為整體的結構，自重較輕，在裝配式施工中有獨特的優(yōu)勢。

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

4.1 裝配式組合梁抗剪連接件關鍵問題

整體式組合梁在施工過程中需要在鋼結構安裝就位后進行模板支護和鋼筋綁扎，最后再進行混凝土澆筑。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構和混凝土結構均在工廠內預制完成，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的關鍵。

裝配式組合梁抗剪連接件的設置存在兩個難題：①抗剪連接件的精確定位。設置傳統(tǒng)的分離式栓釘連接件需要在混凝土結構制備過程中預留栓釘孔洞，但是混凝土由于其自身材料特性在養(yǎng)護硬化過程中會產(chǎn)生自收縮，使得預留孔洞容易出現(xiàn)錯位和變形，從而導致栓釘無法穿入預留孔洞。②混凝土結構的整體性。設置集中式栓釘群需要在混凝土板中預留栓釘群孔洞，由于預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構的收縮變形，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留孔洞較大且沿結構豎向貫通，橫向鋼筋和縱向主筋均需斷開。因此，該處混凝土結構整體性大大減弱。設置了抗剪連接件用于傳遞鋼結構和混凝土結構之間的作用力，是整個結構受力較為集中的關鍵部位。裝配式組合梁在橋梁結構中承受往復循環(huán)荷載，該處存在較大面積的混凝土后澆帶，且結構整體性較差，對于組合結構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能夠提高結構的整體性。裝配式組合梁剪力連接系統(tǒng)及連接件細部見圖4。首先在混凝土板中預埋縱向鋼板，在預埋鋼板中預留孔洞與連接件對接；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預埋鋼板的預留孔內，并采用類梭形銷栓鋼棒插入帶孔鋼板的預留孔內；最后進行混凝土板中預留洞內的混凝土澆筑，完成剪力連接系統(tǒng)的施工。混凝土內預埋鋼板沿縱向全長布置，其上的抗剪連接件預留孔洞位置固定，且鋼板具有一定剛度，可有效抵抗混凝土結構的收縮變形，大大提高抗剪連接件的對接精度。

圖4 裝配式組合梁連接系統(tǒng)及連接件細部

本文提出的適用于裝配式組合梁的整體連接形式見圖5。其中預埋鋼板可替代該處的縱向鋼筋，除預留抗剪連接件對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構和鋼結構之間的作用力?；炷涟鍍鹊臋M向鋼筋在預留洞處斷開，但是在鋼筋綁扎完畢后可通過焊接方式與預埋鋼板進行焊接，進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接要求的同時能夠保證組合結構的整體性。

圖5 裝配式組合梁整體連接形式

5 結論

1）通過計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構面積明顯增大。鐵路恒載效應是公路的1.64倍，鐵路活載效應是公路的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，鐵路荷載作用下栓釘承受的最大疲勞應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關鍵在于連接件的定位和結構整體性。在分析傳統(tǒng)連接形式弊端的基礎上，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能夠提高組合梁整體性，保證了鋼結構和混凝土結構之間剪力的有效傳遞。