季云峰，蘇慶田，王曉宇，馬明雷

（1.同濟(jì)大學(xué) 橋梁工程系，上海市 200092；2.上海浦江橋隧運(yùn)營(yíng)管理有限公司，上海市 200231）

0 引 言

在鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁中，混凝土橋面板與鋼梁之間采用焊釘連接件進(jìn)行連接，為了適應(yīng)預(yù)制混凝土橋面板的安裝施工，往往會(huì)在混凝土橋面板上預(yù)留群釘孔洞，使得混凝土橋面板與鋼梁之間的焊釘呈非均勻分布。這種非均勻分布的焊釘連接件在組合梁的受力性能與均勻分布焊釘受力性能有較大的不同，目前規(guī)范中還沒有有關(guān)群釘焊釘連接件的受力性能的計(jì)算分析方法和群釘?shù)某休d力計(jì)算方法，因此對(duì)群釘連接件的受力性能進(jìn)行研究，保證實(shí)際結(jié)構(gòu)中連接件受力的可靠性具有重要意義。鋼板組合結(jié)構(gòu)橋梁常在鋼-混凝土結(jié)合面布置焊釘連接件來(lái)抵抗結(jié)合面的剪力，因?yàn)槠湓诖蠖鄶?shù)情況下均能滿足設(shè)計(jì)的要求。采用群釘連接件連接混凝土橋面板與鋼主梁時(shí)，若焊釘布置較密，可能導(dǎo)致群釘剪力分布不均勻，承載力存在一定程度的折減[1]。

本文針對(duì)一座鋼板組合梁橋，通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)組合梁中連接件的受力性能進(jìn)行計(jì)算分析，在承載能力極限狀態(tài)下進(jìn)行焊釘抗剪驗(yàn)算，并進(jìn)一步通過(guò)抗剪試驗(yàn)研究得到群釘連接件的抗力性能，為類似工程提供技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

1 混凝土橋面板與鋼主梁連接受力性能計(jì)算分析

1.1 工程背景

背景工程為3×35 m跨徑的雙幅八主梁鋼板組合梁，上部結(jié)構(gòu)連續(xù)，鋼主梁采用I形，梁高1 650 mm。上翼緣板寬600 mm，厚20～34 mm。下翼緣板寬650 mm，厚25～56 mm。腹板厚度為16～18 mm，如圖1所示。焊釘布置于上翼板，支點(diǎn)位置焊釘縱橋向間距0.12 m，橫橋向布置6排，橫橋向間距0.09 m，如圖2所示，其余位置焊釘縱橋向間距為0.2 m。

圖1 鋼板組合梁橋跨中標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：mm）

圖2 單根主梁中支點(diǎn)位置剪力釘布置（單位：m）

1.2 鋼與混凝土間連接件受力的有限元計(jì)算

采用通用有限元程序ANSYS對(duì)3跨連續(xù)鋼板組合梁橋進(jìn)行建模分析，鋼結(jié)構(gòu)板件采用SHELL181板殼單元模擬，混凝土板采用SOLID95實(shí)體單元模擬，焊釘采用COMBIN14彈簧單元模擬，模型見圖3。鋼材采用Q345D鋼，混凝土標(biāo)號(hào)為C40，焊釘?shù)目辜魟偠葹?.2×105kN/m，抗拉剛度為2.5×107kN/m。建立焊釘時(shí)，對(duì)受力較大的中支點(diǎn)附近（縱橋向±4.5 m范圍）的焊釘按照實(shí)際數(shù)量進(jìn)行模擬；其余位置焊釘將橫向6排等效為一排，相當(dāng)于通過(guò)增大1個(gè)焊釘剛度的方式將6個(gè)焊釘釘?shù)刃?個(gè)焊釘。

圖3 鋼板組合梁節(jié)段有限元模型

按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[2]第4.1.6條規(guī)定進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)下作用基本組合的計(jì)算，考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1，得到焊釘剪力及拉拔力包絡(luò)圖如圖4所示，其數(shù)值為一根主梁上橫橋向6個(gè)焊釘合力?？v向剪力、橫向剪力以及豎向拉拔力最大值均在中支點(diǎn)位置；就全橋范圍來(lái)看焊釘受力以縱向剪力為主，橫向剪力以及豎向拉拔力在除支點(diǎn)的其他位置較小。

圖4 焊釘剪力及拉拔力包絡(luò)圖（單位：kN）

精確計(jì)算中支點(diǎn)各焊釘內(nèi)力，得出最大單釘內(nèi)力，提取模型計(jì)算結(jié)果中焊釘縱向剪力、橫向剪力，計(jì)算得焊釘剪力合力，焊釘剪力及拉拔力計(jì)算值見表1。相比等效計(jì)算結(jié)果，精確計(jì)算的單釘剪力及拉拔力最大值超出20%以上，橫向剪力更是超出70%左右，因此在建立鋼板組合梁的有限元模型中時(shí)，有必要對(duì)鋼與混凝土間連接件受力最不利區(qū)域的焊釘按實(shí)際數(shù)量進(jìn)行模擬，以獲得較為準(zhǔn)確的單釘最大內(nèi)力計(jì)算結(jié)果。

表1 焊釘剪力及拉拔力計(jì)算值 單位：kN

1.3 承載能力極限狀態(tài)下焊釘抗剪驗(yàn)算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）[3]第11.4.2條，承載能力極限狀態(tài)下連接件應(yīng)按下式進(jìn)行抗剪驗(yàn)算：

式中：Vld為承載能力極限狀態(tài)下單個(gè)連接件承擔(dān)的剪力設(shè)計(jì)值；Vsu為單個(gè)連接件的抗剪承載力。

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）11.4.4條，對(duì)圓柱頭焊釘連接件的抗剪承載力進(jìn)行計(jì)算。焊釘尺寸為直徑22 mm，高h(yuǎn)=200 mm，h/d=10＞4；選用M4.6級(jí)栓釘，焊釘材料的抗拉強(qiáng)度最小值fsu=400 MPa；計(jì)算得Vsu=106.4 kN，γ0Vld=1.1×49.4=54.3≤Vsu=106.4 kN，故本例焊釘按照規(guī)范驗(yàn)算滿足承載能力要求。

2 焊釘連接件性能測(cè)試

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

為研究焊釘連接件的實(shí)際受力性能，設(shè)計(jì)和制作群釘連接件的標(biāo)準(zhǔn)推出試驗(yàn)，測(cè)試群釘連接件的抗剪力學(xué)性能。進(jìn)行五種不同焊釘數(shù)量的群釘試驗(yàn)，每種群釘進(jìn)行3個(gè)試驗(yàn)試件，共計(jì)15個(gè)試件。為了比較群釘連接件的抗剪承載力隨焊釘數(shù)量的變化情況，還進(jìn)行相同規(guī)格焊釘連接件的單釘標(biāo)準(zhǔn)推出試驗(yàn)，單釘標(biāo)準(zhǔn)推出試驗(yàn)的個(gè)數(shù)為3個(gè)。

試件按照剪力釘橫橋向行數(shù)以及縱橋向列數(shù)分為以下幾種規(guī)格：5×5，5×4，4×4，4×3，3×3以及1×2（數(shù)值分別代表橫行數(shù)×縱列數(shù)）。

抗剪試驗(yàn)采用焊接工字鋼及在兩翼緣板上通過(guò)剪力釘拼接混凝土塊，兩者間通過(guò)焊釘連接的試驗(yàn)方式進(jìn)行抗剪承載力試驗(yàn)。選取?22×200 mm的焊釘規(guī)格，采用1組3個(gè)的單釘推出試件來(lái)研究焊釘?shù)目辜舫休d能力及其變形能力。試件編號(hào)NS2，結(jié)構(gòu)構(gòu)造見圖5。試件中混凝土28 d的立方體抗壓強(qiáng)度為62.1 MPa，焊釘連接件的極限抗拉強(qiáng)度為519 MPa。

圖5 NS 2模型試件構(gòu)造圖（單位：mm）

群釘抗剪試驗(yàn)采用焊接箱型鋼及在兩側(cè)鋼板上通過(guò)剪力釘拼接混凝土塊，兩者間通過(guò)焊釘群連接的試驗(yàn)方式進(jìn)行抗剪承載力試驗(yàn)。擬定背景工程組合橋梁中可能的焊釘連接件群釘?shù)臄?shù)量并考慮試驗(yàn)機(jī)的加載能力，設(shè)計(jì)和制作群釘連接件的標(biāo)準(zhǔn)推出試驗(yàn)，測(cè)試群釘連接件的抗剪力學(xué)性能。進(jìn)行五種不同焊釘數(shù)量的群釘試驗(yàn)，每種群釘需進(jìn)行3個(gè)試驗(yàn)試件，共計(jì)15個(gè)試件，從而比較群釘連接件的抗剪承載力隨焊釘數(shù)量的變化情況，詳見表2焊釘縱向間距均為110 mm，橫向間距均為90 mm，相對(duì)于原橋支點(diǎn)處布置略為密集。NS25試件結(jié)構(gòu)構(gòu)造見圖6，其余試件構(gòu)造類型，NS12、NS9試件混凝土塊尺寸稍小。

圖6 NS 25模型試件構(gòu)造圖（單位：mm）

表2 群釘連接件試件分組

2.2 加載及測(cè)試方案

采用較通用的推出試驗(yàn)方法、即兩側(cè)對(duì)稱加載的方式，保證均勻給每根連接件施加剪力。通過(guò)對(duì)工字鋼翼緣施加推壓力F，來(lái)測(cè)試側(cè)面鋼板的連接件的承載性能，如圖7所示。在試件底部設(shè)置細(xì)砂墊層，保證混凝土底部均勻受力。位移計(jì)布置在左右混凝土塊的兩個(gè)側(cè)面上，一共4個(gè)面，每個(gè)面上布置2個(gè)位移計(jì)，共8個(gè)，每個(gè)面上上下2個(gè)位移計(jì)布置點(diǎn)分別為群釘?shù)谝慌藕羔敻叨忍幰约白詈笠慌藕羔敻叨忍帯?/p>

圖7 加載示意圖

主要測(cè)試內(nèi)容為（1）測(cè)試試件的最大承載力、最大相對(duì)滑移量；（2）觀察試件混凝土表面裂縫、連接件的斷裂等破壞現(xiàn)象。測(cè)試儀器及用品有：位移計(jì)8個(gè)，精度為1/1 000 mm；應(yīng)變測(cè)試儀1臺(tái)；20 000 kN FCS力加載系統(tǒng)。

2.3 焊釘材性試驗(yàn)

焊釘規(guī)格為?22，其材性試驗(yàn)依照《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》（GB/T 228—2002）[4]中所述的方法進(jìn)行，測(cè)試得其屈服強(qiáng)度為460.7 MPa，極限強(qiáng)度為506.5 MPa。

2.4 焊釘連接件試驗(yàn)結(jié)果及焊釘破壞形態(tài)

各個(gè)組別的連接件的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。隨著群釘接頭試件焊釘數(shù)量的增多，單釘?shù)钠骄休d力呈下降趨勢(shì)，但即便是焊釘數(shù)量最多的NS25（50個(gè)焊釘）試件，其單釘承載力仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計(jì)抗剪承載力；相比于單釘推出試件的承載力而言，群釘平均承載力有所減少，除NS9試件以外，單釘平均承載力減少10%～20%；NS12試件和N16試件平均承載力相差不大，NS20試件和N25試件平均承載力相差不大，故焊釘沿剪力方向的縱列數(shù)增加造成的承載力折減明顯大于橫行數(shù)的增加所引起的；此外隨著焊釘數(shù)量的增加，群釘推出試件極限相對(duì)滑移量基本呈下降趨勢(shì)，整體剛度呈增加趨勢(shì)，NS25試件極限相對(duì)滑移平均值相較NS2試件減少約30%。

表3 群釘接頭試件抗剪承載性能試驗(yàn)結(jié)果

2.5 混凝土橋面板與鋼主梁連接受力性能評(píng)價(jià)

根據(jù)本文1.2節(jié)到1.3節(jié)中的計(jì)算結(jié)果可知，在承載能力極限狀態(tài)下，單個(gè)焊釘設(shè)計(jì)剪力值最大剪力設(shè)計(jì)值為54.3 kN，根據(jù)規(guī)范計(jì)算所得承載力為106.4 kN；由推出試驗(yàn)結(jié)果可知，單釘推出試件的單釘承載力最小為178.8 kN，平均值為191.3 kN，對(duì)于焊釘數(shù)量最多的NS25試件，其單釘承載力最小值為156 kN，平均值為160.6 kN。即所有推出試件單釘承載力均遠(yuǎn)高于現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計(jì)抗剪承載力，對(duì)于單釘承載力最小的NS25試件，單釘最小承載力是規(guī)范設(shè)計(jì)抗剪承載力的1.5倍，是設(shè)計(jì)剪力的2.7倍。由此可知，采用?22×200 mm的焊釘連接件能夠滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，且具有足夠的安全儲(chǔ)備。

3 結(jié)論

根據(jù)上述理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果分析，得到如下結(jié)論：

（1）在承載能力極限狀態(tài)組合下，支點(diǎn)位置附近群釘剪力最大，且各個(gè)焊釘剪力分配不均，縱向剪力絕對(duì)值最大為31.5 kN，橫向剪力絕對(duì)值最大為48.8 kN，剪力合力最大為49.4 kN，支點(diǎn)上方焊釘出現(xiàn)較大拉拔力，最大值為35.8 kN。焊釘抗剪承載力在承載能力極限狀態(tài)下滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）相比于單釘推出試件的承載力而言，群釘平均承載力有所減少，除NS9試件以外，群釘試驗(yàn)試件中單釘平均承載力減少10%～20%；焊釘沿剪力方向的縱列數(shù)增加造成的承載力折減明顯大于橫行數(shù)的增加所引起的。

（3）隨著焊釘數(shù)量的增加，群釘推出試件極限相對(duì)滑移量基本呈下降趨勢(shì)，整體剛度呈增加趨勢(shì)，NS25試件極限相對(duì)滑移平均值相較NS2試件減少約30%。

（4）隨著群釘試件焊釘數(shù)量的增多，單釘?shù)钠骄休d力基本呈下降趨勢(shì)，但即便是焊釘數(shù)量最多的NS25試件，其平均單釘承載力仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計(jì)抗剪承載力，且具有足夠多的安全儲(chǔ)備。