采用抗拔不抗剪連接件的鋼-混組合連續梁橋設計分析

劉曉鑾，顧民杰，徐慧丹

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

鋼-混組合橋梁是鋼梁和混凝土橋面板通過連接件連成整體并且在橫截面內能夠共同受力的橋梁[1-2]。鋼混組合梁能充分發揮混凝土材料的抗壓性能和鋼材的抗拉性能，規避了鋼橋面鋪裝的疲勞問題，在中等跨徑橋梁中優勢明顯。鋼梁和橋面板均能實現工廠化制造、工業化生產和裝配式施工，符合現代橋梁建設的發展趨勢。

連續組合梁中支點附近受負彎矩作用，橋面板受負彎矩作用將產生拉應力，橋面板開裂與否直接影響結構的力學性能，實際工程中常采用施加預應力、支點頂升、高配筋等方法改善負彎矩區的受力性能。

劉文會等[3]通過節段梁試驗，發現減少負彎矩栓釘數量，可適當減弱鋼梁和混凝土橋面板的連接作用，可以延遲橋面板的裂縫開展，并且不影響組合梁的承載力。但對普通組合梁來說，栓釘數量減少后，負彎矩區段橋面板可能發生豎向掀起，影響結構正常使用[4]。

聶建國等[5-9]提出了一種抗拔不抗剪連接件（見圖1），可釋放橋面板與鋼梁之間的剪應力，實現負彎矩區橋面板縱向滑移，保留連接件的抗拔作用以避免橋面板發生掀起破壞，并對其滑移和抗拔性能進行了試驗研究。

圖1 抗拔不抗剪連接件構造示意圖

1 鋼-混組合連續梁結構設計

1.1 工程概述

本文以某市快速路環線工程跨越某橫向道路的鋼-混組合連續梁橋為工程背景。

組合梁跨徑布置為40 m+60 m+40 m，采用多箱單室等截面結構，25 m橋寬由4片鋼梁組成，梁距6.0 m，鋼梁之間采用間距10.0～12.5 m的橫梁連接。梁高2.8 m，其中鋼梁高2.5 m，橋面板厚0.3 m，橋面板采用C50低收縮混凝土。鋼梁采用槽型斷面，鋼材采用Q345D，上翼緣標準寬度700 mm，厚度20～40 mm；底板標準寬度2150 mm，厚度20～40 mm；腹板厚度16～20 mm；底板、腹板均采用Ⅰ字加勁肋。鋼梁上翼緣及橫梁頂面設置剪力釘與混凝土橋面板連為整體共同工作。正彎矩區采用傳統圓柱頭焊釘，在每道鋼梁和橫梁上翼緣布置5列?22×180剪力釘；負彎矩區采用抗拔不抗剪連接件，型號為M22×170-D60-T15，每道鋼梁上翼緣布置4列，布置范圍為中支點兩側各11.5 m，以有效解決負彎矩區橋面板開裂問題。組合梁標準橫斷面如圖2所示。

圖2 組合梁橫斷面圖（單位：mm）

1.2 抗拔不抗剪連接件

抗拔不抗剪連接件的結構主體與傳統圓柱頭焊釘一致，由螺桿與螺帽兩部分組成，所采用的焊接工具和焊接方法也完全相同，在螺桿和螺帽周圍套上一層彈性模量較低的材料，如泡沫塑料、橡膠等。低彈模材料的存在，使得橋面板與鋼梁之間縱向剪切剛度減弱，幾乎能自由滑動，由此釋放負彎矩區混凝土橋面板中的拉應力，這是抗拔不抗剪連接件相比普通焊釘連接件的主要優勢[10-13]。

聶建國教授通過試驗，抗拔不抗剪連接件的破壞模式主要有兩種：螺桿頸縮破壞和混凝土錐體沖切破壞。前者屬于延性破壞，后者屬于脆性破壞。設計應保證延性破壞先于脆性破壞發生，可設置栓釘的長徑比滿足h/d＞7.5以保證螺桿先發生延性破壞，提高混凝土配筋率以保證混凝土錐體承載力能充分發揮，避免發生脆性破壞[8-9]。

2 組合連續梁結構分析

2.1 計算模型

采用Midas Civil建立鋼-混組合連續梁的空間有限元模型，鋼梁和橋面板采用雙層梁單元模擬，對負彎矩區采用抗拔不抗剪連接件和全橋采用普通剪力釘連接件兩種情況分別建模計算。對于抗拔不抗剪剪力釘，鋼梁節點和橋面板節點采用“彈性連接”（一般）模擬，約束其豎向位移自由度（DX）、繞Z軸的轉動自由度（RZ）、繞X軸的轉動自由度（RX）；釋放其水平自由度（DZ、DY）、繞Y軸的轉動自由度（RY）。對于普通剪力釘，鋼梁節點和橋面板節點采用“彈性連接”（剛性）模擬，不考慮混凝土板與鋼梁之間的滑移。空間桿系有限元模型如圖3所示。

圖3 組合連續梁空間有限元模型（40 m+55 m+40 m）

施工過程模擬順序為：（1）架設鋼梁；（2）鋪設正彎矩區橋面板，施加橋面板濕重；（3）激活正彎矩區橋面板單元；（4）鋪設負彎矩區橋面板，施加橋面板濕重；（5）激活負彎矩區橋面板單元；（6）施加二期恒載；（7）10 a收縮徐變。

2.2 對成橋撓度的影響

對比抗拔不抗剪和普通剪力釘兩種模型，計算成橋初期和成橋10 a后的撓度，結果如圖4所示。從中可以看出，成橋后混凝土收縮徐變導致邊跨撓度逐漸增加，中跨撓度逐漸減小，邊跨撓度增加量略大于中跨撓度減小量，兩種模型的撓度增量基本一致。

圖4 組合梁主梁成橋10 a前后撓度圖

2.3 對橋面板內力和應力的影響

成橋10 a前后橋面板軸力和應力分別如圖5、圖6所示，正值代表拉（應）力，負值代表壓（應）力。從中可以看出，在“抗拔不抗剪”區域內，橋面板的軸力是相等的，其值相當于普通剪力釘組合梁橋面板軸力的平均值[10]，說明抗拔不抗剪連接件對橋面板軸力的消峰作用是非常明顯的。在成橋時，抗拔不抗剪和普通剪力釘兩種模型的支點橋面板軸力分別為1 612.9 kN和2 710.2 kN，消峰幅度約40%。成橋10 a后，橋面板軸力分別為6 221.3 kN和7 491.8 kN，消峰幅度約17%，橋面板拉應力分別為3.6 MPa和4.5 MPa，說明隨著混凝土的收縮徐變，組合梁內力產生重分布，支點橋面板軸力增大，“抗拔不抗剪”技術的消峰作用仍然明顯，但幅度逐漸降低。

圖5 橋面板成橋10 a前后軸力圖

圖6 橋面板成橋10 a前后應力圖

2.4 對鋼梁內力和應力的影響

成橋時鋼梁彎矩和應力如圖7所示。從中可以看出，采用抗拔不抗剪連接件后，中支點鋼梁承擔的彎矩有所增加，從20 326 kN·m增加到22 276 kN·m，增幅約9.6%。鋼梁上緣最大拉應力從113 MPa增加到127 MPa，增幅約12.4%，下緣最大壓應力從-101 MPa增加到-103 MPa，增幅約2.0%。

圖7 鋼梁成橋彎矩圖和應力圖

在基本組合下，采用抗拔不抗剪連接件后，鋼梁上、下緣最大應力分別為181 MPa、-212 MPa，而普通剪力釘鋼梁分別為149 MPa、-206 MPa，增幅分別為21.5%和2.9%，鋼梁應力均小于規范規定的應力限值270 MPa（見圖8）。

圖8 基本組合鋼梁應力包絡圖

2.5 對負彎矩區橋面板裂縫的影響

根據《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》[1]第

7.5.2 條：組合橋梁負彎矩區橋面板工作性能接近于混凝土軸心受拉構件，可忽略混凝土的抗拉性能。本橋橋面板順橋向配筋為頂、底緣?28@100 mm，橋面板頻遇組合軸力如圖9所示，橋面板軸力除以鋼筋截面面積得到鋼筋應力，可得到橋面板在正常使用極限狀態下的最大裂縫寬度。

從圖9可以看出，采用抗拔不抗剪連接件后，中支點橋面板軸力從10 361.8 kN降低到8 622.9 kN，降幅約16.8%；鋼筋應力從140.3 MPa降低到116.8 MPa，橋面板裂縫寬度從0.139 mm降低到0.116 mm，滿足規范裂縫寬度限值要求（I類環境，0.20 mm）。

圖9 橋面板頻遇組合軸力圖

3 結 論

本文以某市快速路環線鋼-混組合連續梁橋為工程背景，研究分析了抗拔不抗剪連接件和普通剪力釘兩種連接件對組合連續梁撓度、內力和裂縫等的影響，得到如下結論：

（1）成橋后混凝土收縮徐變導致組合梁邊跨撓度逐漸增加，中跨撓度逐漸減小，抗拔不抗剪連接件與普通剪力釘兩種模型的撓度增量基本一致。

（2）在“抗拔不抗剪”區域內，混凝土板的軸力和應力是相等的，抗拔不抗剪連接件對混凝土板軸力和應力的消峰幅度在成橋時約40%，成橋10 a后約17%。隨著混凝土的收縮徐變，抗拔不抗剪連接件的消峰作用仍然明顯，但幅度逐漸降低。

（3）采用抗拔不抗剪連接件會增加鋼梁內力，成橋時中支點鋼梁彎矩增加約9.6%，上、下緣鋼梁應力分別增加約12.4%和2.0%，鋼梁應力增加，但仍在規范限值范圍內。

（4）采用抗拔不抗剪連接件會降低橋面板裂縫寬度，裂縫寬度從0.139 mm降低到0.116 mm，橋面板受力得到改善。