基于塑性理论的钢-混凝土组合连续梁桥柔性连接件分析方法

黄从俊

(合肥市规划设计研究院，安徽 合肥　230041)



基于塑性理论的钢-混凝土组合连续梁桥柔性连接件分析方法

黄从俊

(合肥市规划设计研究院，安徽 合肥230041)

摘要：针对钢-混凝土组合梁剪跨区内均匀配置柔性剪力连接件数量的局限性，分析了基于塑性理论的可变荷载或偶然荷载作用下组合连续梁桥剪跨区交界面的剪力作用机理，提出组合连续梁桥的剪力连接件配置数量和方式应依据剪跨区重叠段的剪力上限值确定，研究结果弥补了相关规范的不足。

关键词：钢-混凝土组合梁；连续梁桥；可变荷载；偶然荷载；柔性连接件；塑性理论；剪力流

0引言

钢-混凝土组合梁桥是指采用剪力连接件将钢梁和钢筋混凝土桥面板连接成组合截面共同工作的一种复合式桥梁结构，因其能充分发挥混凝土与钢材的材料特性，整体稳定性好，因而应用前景广阔，通常采用简支梁和连续梁形式。简支组合梁受力明确，在荷载作用下，混凝土桥面板受压，钢梁受拉，可以充分发挥混凝土与钢材的材料特性。简支组合梁经济跨径一般在40米以下，当跨径较大时， 采用连续梁较为经济，边中跨的合理跨径比一般为0.6～0.8。

组合梁常用的截面型式如图1所示，(a)、(b)为工字型钢梁，(c)为箱型钢梁。其中，箱型钢梁组合结构的抗弯刚度和抗扭刚度较大，适合于较大跨径组合梁桥或曲线组合梁桥。

图1组合梁桥横截面型式

迄今，国内外相关学者开展了大量关于钢-混凝土组合梁桥柔性连接件剪力分析的研究工作，尤其关于剪跨区固定不变的研究成果较为成熟，但针对剪跨区随机变化的情况，如静定结构和永久荷载作用下的超静定结构，研究成果并不多见，且存在争议。

1剪力连接件的分类

剪力连接件将钢筋混凝土桥面板和钢梁连接起来，为了保证两种材料能更好地结合在一起，充分发挥混凝土板抗压、钢梁抗拉的特点，剪力连接件的作用显得尤为关键。剪力连接件按其抗剪刚度可分为刚性连接件(常用的如开孔钢板)和柔性连接件(常用的如栓钉)。桥梁工程中采用柔性连接件的较多，本文主要讨论柔性连接件的配置数量和配置方式。

2柔性连接件及其抗剪分析

由于在弯曲变形过程中，柔性连接件不仅承担剪力，也承担拉拔力，所以一般设计成大头栓钉，或为螺纹栓钉，可显著提高抗拉拔能力。图2是常用的大头栓钉。由于栓钉等柔性连接件各向力学同性，受力性能良好，焊接方便，目前使用最为广泛。

图2栓钉常见样式

由于柔性连接件的抗弯刚度相对较小，桥梁纵向剪力使得连接件弯曲变形，混凝土桥面板与钢梁之间产生理论上的相对位移。连接件产生弯曲应力，导致混凝土产生不均匀压应力，靠近连接件根部的混凝土首先发生剪切破坏，个别连接件被剪断。

根据塑性理论，极限平衡时各剪跨区柔性连接件的数量nf应满足下式要求：

(1)

式中，Qs—每个剪跨区内钢梁与混凝土交界面纵向剪力；

Qu—单个柔性连接件抗剪承载力设计值。

剪跨区的划分以最大正弯矩、最小负弯矩及弯矩零点为界限，逐段进行，如图3。

图3剪跨区划分示意图

Qs按下列方法得到：

1)当位于正弯矩剪跨区时

Qs=min{0.9Asfd,Acfcd}

(2)

式中，As—钢梁的截面面积；

fd—钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值；

Ac—正弯矩区混凝土桥面板有效宽度范围内的截面面积；

fcd—混凝土轴心抗压强度设计值。

2)当位于负弯矩剪跨区时

(3)

式中，Art—负弯矩区混凝土桥面板有效宽度范围内的纵向钢筋截面面积；

fsd—钢筋的抗拉强度设计值。

由式(1)、(2)和(3)计算得出柔性连接件数量后，在对应的剪跨区内均匀布置。

3组合连续梁桥柔性连接件计算分析

以上剪力分析仅对剪跨区范围固定不变时有效，如静定结构和永久荷载作用下的超静定结构，是一直以来的传统设计方法；却并不适用于可变荷载或偶然荷载作用下的超静定结构。图4为连续梁桥弯矩包络图示意，mi和mi′分别为按最大正弯矩和最小负弯矩划定的剪跨区，Ai为mi和mi′的重叠段。可以看出，连续梁桥在可变荷载或偶然荷载作用下的剪跨区范围是随机变化的，前述剪力分析并不完全适用。

图4连续梁弯矩包络图

图5和图6分别为最大正弯矩和最小负弯矩时的组合连续梁桥交界面剪力流方向。在剪跨区重叠段，混凝土桥面板与钢梁交界面的剪力流方向和大小随着可变荷载的随机变化而变化，意味着连接件受到的剪力方向和大小也随机变化。因此，重叠段的剪力连接件配置数量和方式应考虑剪跨区随机变化的情况。

图5最大正弯矩状态下组合连续梁交界面剪力流

图6最小负弯矩状态下组合连续梁交界面剪力流

关于可变荷载或偶然荷载作用下连续梁桥剪跨区随机变化时柔性连接件数量的计算，目前并无统一规定，国标《钢—混凝土组合桥梁设计规范》(征求意见稿)也没做过多解释，剪跨区重叠段的连接件配置一般由设计人员根据经验确定。

从造价角度看，柔性连接件在整个桥梁建设中所占的比例很小，但又是交界面是否有效连接的关键，因而应尽量偏安全地选用剪跨区重叠段上限值。即可先按弯矩包络图中所示最大正弯矩和最小负弯矩，分别计算mi和mi′对应的柔性连接件数量nfi和nfi′：

(4)

(5)

式中，Qsi、Qsi′—剪跨区mi和mi′ 混凝土桥面板与钢梁交界面的纵向剪力。

由此得出相邻剪跨区最大正弯矩和最小负弯矩分别对应的单位长度柔性连接件数量Nfi和Nfi′：

(6)

(7)

再按下式计算剪跨重叠区Ai的单位长度柔性连接件数量：

(8)

(9)

式中，li、li′—剪跨区mi和mi′长度；

Nf′—根据剪跨重叠区位置的不同，选用相邻的Nf,i+1′或Nf,i-1′；

nf′、l′—对应于Nf′的柔性连接件数量和剪跨区长度。

计算得到剪跨重叠区的柔性连接件数量后，再在对应的剪跨区内均匀布置。这样，重叠段的柔性连接件可满足剪跨区随机变化时的受剪要求。

合肥市畅通二环集贤路节点改造工程，南北主线桥全长338.8米，主桥为(38+48+42)米等截面钢-混凝土组合连续梁桥，桥宽12米，梁高2.3米，钢箱梁，预应力混凝土桥面板，见图7和图8。

图7桥梁立面布置图

图8桥梁横断面构造图

通过研究发现，该桥上部结构设计轻盈，自重小，但剪跨区变化范围较广，剪跨区内平均分配连接件的传统方法无法适应剪跨区随机变化的实际需要。

以中墩墩顶A2重叠段为例，设计计算得到剪跨区m2和m3′的柔性连接件数量分别为Nf2=200个，Nf3′ =250个，采用本文的连接件配置方法，重叠段A2柔性连接件数量取NA2={Nf2,Nf3′}=250个。故该重叠段每延米配置250个柔性连接件，采用直接在横向翼缘板顶部直接加密的方式，既保证了交界面的连接安全，又不增加过多的连接件数量，经济实用。

4结论

(1)传统的柔性剪力连接件计算并不适用于可变荷载或偶然荷载作用下的超静定结构。

(2)组合连续梁桥的剪力连接件配置数量和方式应考虑剪跨区随机变化的情况，应尽量偏安全地依据计算得到的剪跨区重叠段剪力上限值确定。

(3)柔性连接件在整个桥梁建设中所占的投资比例很小，但又是交界面是否有效连接的关键，采用本文的连接件配置方法，既保证了交界面的连接安全，又不增加过多的连接件数量。

(4)从正反剪力两个方向复核柔性连接件的配置数量和配置方式，进一步完善了基于塑性理论的柔性连接件配置数量和配置方式，弥补了相关规范的不足。

参考文献

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Analysis method of flexible connectors in composite steel-concrete

continuous bridges based on the plasticity theory

HUANG Congjun

(Hefei City Planning and Design Institute, Hefei 230041, China)

Abstract:In view of the defect of uniform flexible shear connectors within per shear-span district in composite steel-concrete beams, based on the plasticity theory, the mechanism of shear effect on the interface of composite steel-concrete continuous bridges under variable loads or accidental loads were analyzed. It was put forword to that the allocation quantities and modes of flexible shear connectors in composite steel-concrete continuous bridges should be decided by the upper limit shearing force of the repeat shear-span districts, which makes up for the defects of related standards.

Key words:composite steel-concrete beam; continuous bridge; variable load; accidental load; flexible joint; plasticity theory; shear flow

中图分类号：U443.35；U443.37

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2015)02-020-03

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150204

作者简介：黄从俊(1971-)，男，教授级高工，主要研究方向为桥梁结构分析、桥梁病害诊断与加固。

基金项目：安徽省建设行业科学技术计划项目(2014YF-11)

收稿日期：2014-10-08