新型钢―砼组合简支梁桥混凝土板与钢梁联结的构造及设计

摘要：剪力键是钢―砼组合结构的关键部件，其作用是防止钢和混凝土截面处二者水平相互滑移和分离，使弹模相差很大的钢和混凝土构成一个整体而共同工作。本文作者通过理论计算分析，提出了新型钢-砼组合简支梁桥剪力联结的构造及设计方法。

关键词：钢-砼组合简支梁桥；剪力联结结构；构造；设计方法

0、引言

钢-混凝土组合结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种结构，也是目前应用最广泛、研究最成熟的组合结构形式。其中钢-混凝土组合简支梁桥主要部件采用预制然后现场拼装的施工工艺，使得施工显著简化，施工质量容易控制，缩短施工工期，降低工程造价，减小混凝土收缩、徐变的影响，具有可快速搭建的特点。为达到此目标，本文提出一种有别于传统组合梁的新型抗剪连接件，把预制混凝土板与钢梁连成整体共同工作，充分利用了钢材的抗拉强度和混凝土的抗压强度，并提高了钢梁的稳定性。它的工作性能相比于单一材料制成的结构更为优越，在土木工程中有着广阔的应用前景。

1、新型剪力键构造

剪力键是钢―砼组合结构的关键部件，其作用是防止钢和混凝土截面处二者水平相互滑移和分离，使弹模相差很大的钢和混凝土构成一个整体而共同工作。传统钢-混凝土组合桥梁通过后浇混凝土实现组合联结，而现浇桥道板浇筑需要耗费时间同时混凝土硬化过程需要进行长时间养护，即便是采用早强剂其耗费的时间也不能达到施工快捷的要求，同时添加早强剂会对混凝土后期强度产生衰减。针对此问题，本文提出了一种新型剪力键―PCSS剪力建，即在现场预制混凝土桥道板通过预埋于预制混凝土桥道板（PC）的剪力传递钢板（S）通过焊接与钢结构（S）联结为一体。预制桥道板将焊有栓钉剪力键的传递钢板浇筑成一个整体，待预制桥道板吊装就位后通过焊接剪力传递钢板和工字钢上翼缘，使其成为一个整体。PCSS剪力键构造如图1所示。PCSS剪力键剪力传递钢板与工字钢顶板焊接图如图2所示。

图1 PCSS剪力键构造图 图2 PCSS剪力键焊缝连接图

2、剪力键布置形式

剪力键的作用就是能够传递混凝土板与钢梁之间的剪力。一般情况下，钢砼组合梁桥的剪力键布置有以下几种方式。根据PCSS剪力键的特点，设置部分剪力键也就意味着预制混凝土与工字钢主梁之间只有剪力键部分是通过焊缝连接的，预制桥道板其他区段与工字钢主梁之间没有连接，这两种连接方式导致结构连接不连续。为此，提出在桥跨范围内全部布置剪力键，根据计算使得剪力键布置间距满足抗剪要求。桥跨范围内连续布置剪力键就意味着在桥跨范围内预制混凝土桥道板与工字钢之间全部通过焊缝进行连接，此时结构整体性好，避免钢梁与混凝土界面受到雨水等侵蚀。剪力键布置图如图3所示。

图3 方案三剪力键布置图

3、剪力键承载力计算方法

本文抗剪连接件采用成熟的栓钉剪力连接件。分析表明，影响栓钉抗剪承载力的主要因素有混凝土抗压强度 、栓钉截面面积 、栓钉抗拉强度 和栓钉长度h。根据《钢-混组合结构设计规程》，栓钉剪力连接件抗剪承载力设计值为：

（4-1）

式中： ――混凝土的弹性模量；

――栓钉杆身截面面积；

――栓钉杆的极限抗拉强度，当 >520MPa时，取 =520MPa。

4 剪力键弹性设计方法

按弹性方法设计组合梁的抗剪连接件时采用换算截面法，即根据混凝土与钢材弹性模量的比值，将混凝土截面换算成钢材截面进行计算。计算式假定钢梁与混凝土板交界面上的纵向剪力完全由抗剪连接件承担，并忽略钢梁与混凝土板之间的粘结作用。

对于任何一种荷载或作用，其产生的截面纵向剪力均应当根据整体分析得到的弯矩和竖向剪力值确定。单位长度内界面上的纵向剪力值 应按弹性方法进行计算，并根据混凝土板或钢梁的纵向压力或拉力的变化梯度来确定。组合梁钢梁与混凝土桥面板结合面纵桥向剪力作用按未开裂分析方法计算，不考虑负弯矩区混凝土开裂影响。

形成组合截面后，钢梁与混凝土翼板交界面单位长度上的纵向剪力计算式为：

（5-1）

式中： ――计算截面处分别由形成组合截面之后施加到结构上的准永久荷载和除准永久荷载外的可变荷载所产生的竖向剪力设计值；

――考虑荷载长期效应时，钢梁与混凝土翼板交界面以上换算截面对组合梁弹性中和轴的面积矩；

――不考虑荷载长期效应时，钢梁与混凝土翼板交界面以上换算截面对组合梁弹性中和轴的面积矩；

――考虑荷载长期效应时，组合梁的换算截面惯性矩；

――不考虑荷载长期效应时，组合梁的换算截面惯性矩；

按式（5-1）可得到组合梁单位长度上的剪力 及其剪力分布图。将剪力图分成若干段，用每段的面积即该段总剪力值，除以单个抗剪连接件的抗剪承载力 即可得到该段所需要的抗剪连接件数量，如下式所示：

（5-2）

5、结论

随着钢-砼组合结构在桥梁工程中的应用范围不断扩大，人们也在积极探索这种新型桥梁结构相对于传统混凝土桥梁结构所具有的更多优点。本文提出了一种新型钢-砼组合简支梁桥的剪力键构造及设计计算方法，使其施工简化，施工质量容易控制，缩短施工工期，降低工程造价，减小混凝土收缩、徐变的影响，具有快速搭建的特点。

参考文献：

[1]聂建国，樊健生.广义组合结构及其发展展望[J].建筑结构学报，2006，27（6）

[2]聂建国.钢-混凝土组合结构桥梁[M].北京：人民交通出版社，2011，4.

[3]周志祥主编，徐岳主审，《高等钢筋混凝土结构》[M]，人民交通出版社，2002.9

[4]聂建国，樊健生.《钢结构设计规范》（GB50017-2002）钢-混凝土组合梁修订内容介绍 [J].建筑结构学报.2003，24（1）：34-39

[5]苗春波.可应急使用的快速装配式钢-砼组合桥梁关键构造研究.[D].[硕士论文].重庆：重庆交通大学.2014.