新型連接件在軌道交通組合梁負彎矩區的應用

楊敏捷

(中鐵上海設計院集團有限公司 上海 200070)

1 引言

近年來，我國各城市軌道交通建設發展如火如荼，在城際線路和市郊區段，多采用高架敷設方式。軌道交通橋梁所承受的荷載、移動荷載的沖擊力以及行車密度均較大，且對于行車時的舒適度要求較為嚴格。因此，需要橋梁結構能夠提供更大的剛度、更高的強度、更好的耐疲勞特性和耐久性能。鋼-混組合梁相比于鋼梁剛度更大，相比于混凝土梁強度更高、更不易開裂，且施工速度明顯提升，因此在國內外得到了廣泛應用。

鋼-混組合梁的特點在于負彎矩區混凝土橋面板由于受拉作用容易損傷開裂，極大地影響到橋梁安全及其耐久性。本文不僅歸納對比了改善負彎矩區混凝土橋面板的處理措施，并介紹了一種已成功應用于眾多實際工程中的新型抗拔不抗剪連接件，以此來解決鋼-混組合梁混凝土橋面板損傷開裂的問題。

2 工程概述

本文以長沙市軌道交通1號線北延一期工程跨越開順路橋梁工點進行論述。開順路寬43 m，與線路正交，線路采用(40＋60＋40)m鋼-混組合連續梁橋跨越。

鋼-混組合連續梁采用單箱單室等截面結構，梁寬為10.2 m，梁高為2.9 m，其中鋼梁高2.5 m，橋面板高0.4 m。

沿梁體縱向，全橋混凝土橋面板均采取統一厚度，橫向采用變截面設計。兩側懸挑2.55 m，懸臂外緣厚200 mm，從懸臂外緣到鋼梁腹板上緣變化至400 mm，再逐漸減小至鋼箱梁內保持在250 mm。

縱向以中支點為中心前后各12 m范圍內鋼箱梁為閉口截面，其余部分為開口截面。梁的開口截面段腹板所對應的上翼緣寬度為600 mm，邊跨的正彎矩區厚度為25 mm，中跨正彎矩區厚25 mm，支座負彎矩區厚38 mm。梁底板厚度:邊跨正彎矩區為20 mm，橋墩處負彎矩區為34 mm，中跨正彎矩區為25 mm，梁腹板跨中為16 mm，支點增至20 mm。梁內每隔6 m需設置橫隔板一道，橫隔板厚14 mm，每隔1.5 m需設置豎向加勁肋一道。組合梁標準橫斷面見圖1。

圖1 標準橫斷面(單位:mm)

3 組合梁負彎矩區常規處理方法

鋼-混組合梁相較于其他梁型結構，最顯著的影響就是橋墩處負彎矩區的混凝土橋面板因拉應力作用而產生裂縫。這種情況的存在極具破壞性，若不加以控制，將影響橋梁的安全性與耐久性。因此需采取措施對負彎矩區進行處理，以控制橋面板的裂縫[1-2]。

結合鋼-混組合梁負彎矩區的力學特點，常規的處理方案可采用張拉預應力鋼束法、強配筋法、支點升降法、雙層組合法、部分組合梁法、跨中施加配重法、優化混凝土橋面板施工順序法等來防止混凝土橋面板損傷開裂。

(1)張拉預應力鋼束法

將預應力鋼束布置在混凝土橋面板的負彎矩區，增大開裂荷載，以此抵抗橋面板損傷開裂(見圖2)。

圖2 施加預應力流程

(2)強配筋法

橋墩處(負彎矩區)橋面板中配置合理數量的鋼筋，增加混凝土的抗拉能力和截面剛度，控制橋面板損傷開裂使之處于允許范圍內。經研究，橋面板配筋率為3% ～4.5%，裂縫寬度≤0.2 mm。

(3)支點升降法

在中支座位置將鋼箱梁豎向頂升，后澆負彎矩橋面板，待兩者結合后將梁下降至設計高程。此時，橋面板內會因梁體的“一升一降”產生部分預壓應力，由此實現減小甚至消除裂縫(見圖3)。

圖3 支座頂升流程

(4)雙層組合法

在負彎矩區上下緣同時設置混凝土段，形成“夾心漢堡”一樣的鋼混結構，增大截面抗彎慣性矩，由此使鋼梁頂部橋面板受拉作用大大削弱，混凝土損傷開裂的概率大幅減小(見圖4)。

圖4 鋼梁混凝土板澆筑流程

(5)部分組合梁法

在正彎矩區進行鋼混組合，而在負彎矩區不組合或者柔性組合，從而顯著減小橋墩處混凝土橋面板內的拉應力，避免裂縫出現。

(6)跨中配重法

采用跨中配重也是防止橋面板損傷開裂的有效方法。先對主邊跨跨中分別進行加載配重(一般選用水箱)，然后將橋墩處(負彎矩區)橋面板澆筑完成，待混凝土硬化且強度達到要求后撤去臨時配重荷載。因跨中(正彎矩區)壓重被卸載，讓橋墩處(負彎矩區)橋面板內存在預壓應力，即可有效避免開裂(見圖5)。

圖5 預加荷載流程

(7)優化橋面板施工順序法

采取“先鋼梁，分段橋面板”的方法，盡可能滯后澆筑橋墩處(負彎矩區)的橋面板，從而減小橋墩處由于負彎矩產生的橋面裂縫。但本方法無法從根本上解決橋梁運營后荷載引起的橋面板損傷開裂問題。

4 新型抗拔不抗剪連接件

所謂抗拔不抗剪連接技術[3]，就是在墩頂處(負彎矩區)設置新型的抗拔不抗剪連接件。通過這種新型的抗拔不抗剪連接件將鋼梁與橋面混凝土連接組合，連接件抗拔作用保證鋼梁與橋面板不分離，而連接件不抗剪則允許橋面板縱向滑動。這種特殊設定降低了混凝土板所受拉應力的影響，不會引起損傷開裂。此種連接件材質跟傳統栓釘連接件一致，主體結構分為螺桿與螺帽兩個部分。具體步驟為:先將螺桿焊接于鋼梁頂部，然后將低彈模材料(泡沫塑料、橡膠等)固定于螺桿周圍，最后擰上螺帽即可。整個操作簡單方便，除了連接效果優良，便捷性的優勢更加凸顯(見圖6)[4-6]。

圖6 新型抗拔不抗剪連接件構造

低彈模材料是指具有低彈性模量的材料，比如常用的泡沫塑料，是由大量氣體微孔分散于固體塑料中而形成的一類高分子材料，具有質輕、絕熱、吸音、防振、耐潮、耐腐蝕等優點，尤其是耐久性能很大程度匹配結構全壽命周期[7-9]。

為保證設計中螺桿頸縮被拉斷前混凝土不出現沖切破壞，由此得到抗拔不抗剪連接件的設計參數，其表達式如下:

式中，fys為螺桿抗拉強度設計值；Sh＝π[(2h0＋dh)2-]/4；h0為沖切破壞面高度，即螺桿有效埋置深度。

為了發揮抗拔不抗剪連接件的作用，需遵循如下施工要點:(1)架設鋼梁以及臨時支撐，在負彎矩區下部澆筑混凝土；(2)在正彎矩區澆筑橋面板混凝土；(3)拆除臨時支撐；(4)在負彎矩區澆筑橋面板混凝土；(5)進行預留槽混凝土施工。

該連接件己成功應用于眾多實際工程中，其優勢體現在:一是依靠鋼梁和混凝土橋面板之間的滑動，在保證鋼梁與橋面板不分離的前提下，有效釋放墩頂處(負彎矩區)橋面板中的拉應力；二是能提高鋼-混組合梁的使用性能、耐久性能；三是連接件構造簡單、經濟實惠、施工方便[10]。

各類負彎矩區設計方法的優劣比較分析見表1。

表1 設計方法對比

通過負彎矩區設計方法比較分析，新型抗拔不抗剪連接件作為一種方便經濟且能很好地提供更大剛度、更高強度、更好耐疲勞特性和耐久性能的方法，已經廣泛地應用于軌道交通鋼-混組合梁的設計和應用中。

5 設計方案

軌道交通1號線北延一期工程(40＋60＋40)m鋼混組合連續梁的鋼箱梁與混凝土橋面板，通過連接件連接在一起共同工作。正彎矩區采用傳統栓釘，負彎矩區采用新型抗拔不抗剪連接件，布置范圍為中支點兩側各10 m，以有效解決負彎矩區開裂問題。

5.1 剪力釘抗剪強度計算

剪力釘直徑d＝22 mm，長度l＝200 mm，滿足l/d＝9＞4。剪力釘在支點附近沿縱向布置間距為150 mm，跨中部分沿縱向布置間距為300 mm，均大于6d＝132 mm，小于4倍混凝土板厚1 800 mm，且小于400 mm；每個腹板頂橫向布置5個剪力釘，間距為100 mm，大于4d＝88 mm，剪力釘至翼緣邊緣凈距為89 mm，大于20 mm限值。剪力釘布置均滿足《城市軌道交通橋梁設計規范》[11]第7.5.8～7.5.14條構造要求。依據《城市軌道交通橋梁設計規范》第7.4.13條，單個剪力釘抗剪強度見表2，抗剪強度包絡圖見圖7～圖8。

表2 圓柱頭焊釘抗剪承載力

圖7 主力組合剪力釘抗剪強度包絡圖(單位:kN)

圖8 主＋附組合剪力釘抗剪強度包絡圖(單位:kN)

5.2 剪力釘滑移驗算

根據《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》[12]9.3.2及9.3.5條規定，剪力釘的抗剪剛度以及滑移計算結果見表3。

表3 圓柱頭焊釘抗剪剛度及滑移計算結果

5.3 剪力釘疲勞驗算

根據《公路鋼結構橋梁設計規范》的要求，疲勞細節類別抗力Δτc＝90 MPa，計算單釘疲勞承載力見表4。

表4 單個剪力釘疲勞承載力

根據《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》中第7.4條的規定，在疲勞荷載作用下剪力釘的疲勞強度計算結果見表5。

表5 疲勞荷載作用下剪力釘疲勞強度計算結果

實際剪力釘個數每延米33個，大于需求個數，滿足要求。

6 結束語

鋼-混組合梁優點顯著，契合了城市軌道交通高架橋跨度大、剛度大、景觀好、乘坐舒適等要求。本文在研究負彎矩區解決混凝土開裂方法的基礎上，詳細闡釋了一種新型抗拔不抗剪連接件，不僅能保證結構的極限承載力，而且能保障結構的整體剛度。本方法很好地解決了負彎矩區橋面板的抗裂關鍵設計難點，鋼-混組合梁將在軌道交通領域具有更好的推廣價值和應用前景。