鋼-混組合結構橋梁連接件發展趨勢研究

王一博，劉世忠，栗振鋒，王 哲，白旭陽，李東運

(太原科技大學 交通與物流學院，太原 030024)

鋼-混組合結構橋梁力學性能優越、施工技術工業化強、材料利用率高、技術經濟效益顯著，已被廣泛應用于國內外橋梁工程建設中[1-3]。鋼-混結合段是鋼-混組合結構橋梁的重點部位，其受力性能直接影響全橋的可靠性及安全性，同時也是主梁結構剛度突變點，傳力機理復雜，易引起局部應力集中，甚至導致結構失效。連接件是保證鋼材與混凝土形成整體協同工作的關鍵部件，是鋼-混組合結構設計理念的核心，是鋼-混組合結構橋梁承載能力與整體抗剪剛度得以實現的保障。

鋼-混組合梁誕生于20世紀20年代中期[4]，隨后出現飛快發展。上世紀20年代至30年代，鋼筋連接件、型鋼連接件相繼出現，用來增加鋼-混組合之間的組合效應。20世紀40年代后，美國、英國等國對鋼-混組合梁開展了深入、系統的研究工作，使連接件的研究工作更加標準化、實用化，設計方法和構造要求更加規范化，還提出了性能更好的焊釘連接件及新式型鋼連接件[5]。1987年，由德國人Leonhardt和Parterners公司共同研發了一種帶圓孔鋼板、可直接焊接到鋼梁翼緣上的新型剪力連接件，稱為PBL(Perfobond Leiste)[6]。

我國剪力連接件的研究起步較晚，1983年，何宗華[7]首次提出按極限強度和按疲勞強度對焊釘連接件進行設計計算。此后，隨著我國大規?；A設施的建設和生產水平的提高，連接件的應用越來越廣泛，眾多科研單位及學者對連接件進行了廣泛深入的試驗研究和理論分析。對于鋼-混結合段來說，眾多學者則是基于模型試驗和有限元分析，對鋼-混組合索塔[8]、鋼-混結合段的承載力和傳力機理[9]進行了研究。

本文在現有對連接件進行科學分類的基礎上，系統總結了常見連接件的構造形式、力學性能、適用范圍及其工程應用實例；參考中外相關規范，定量比較分析了各國規范對常見連接件的設計方法、抗剪承載力與抗剪剛度計算的差別與聯系；結合鋼-混組合結構橋梁發展方向與橋梁建筑材料發展現狀，對鋼-混組合結構橋梁連接件的發展進行了展望，以期為鋼-混組合結構橋梁在我國的發展與應用提供參考。

1 連接件分類與工程性能

鋼-混組合結構的力學性能不但與材料性質有關，而且與連接件的形式有很大關系。為了增強鋼、混組合效應，滿足組合結構抗剪承載力等力學性能的不同要求，連接件的形式呈現多樣化發展。依據連接件在荷載作用下變形能力的大小，可將其分為剛性連接件、彈性連接件和組合連接件3大類[10]。具體工程實例見表1。

表1 鋼-混組合結構橋梁工程實例

1.1 剛性連接件

常見的剛性連接件有型鋼連接件和PBL連接件。剛性連接件布置時需按剪力圖進行布置，易給設計施工帶來不便，適用于忽略剪力重分布的結構。剛性連接件受到剪力時，因自身變形能力弱，滑移剛度大，作用于混凝土上的支壓應力分布均勻，如圖1所示，周圍的混凝土產生大面積的應力集中，達到混凝土的極限強度，混凝土隨之發生剪切或壓碎破壞；當混凝土的強度較高時，連接件與鋼梁接觸處易發生脆性破壞[11]。

圖1 剛性連接件支壓應力分布

型鋼連接件常用的型鋼類型有槽鋼、T形鋼以及方鋼，型鋼連接件除了具有傳遞剪力作用外，還可提高相連翼緣的慣性矩，減少施工階段翼緣的面外鼓屈。通過該類連接件將型鋼直接焊接在鋼梁上，并配合貫穿鋼筋、U型鋼筋等澆筑進混凝土當中，共同起到傳遞界面剪力的作用。特點是：抗剪力強，翼緣可抵抗掀起，且型鋼種類多，取材加工方便，便于手工焊接，同時可供選擇的范圍大，適應性廣[12]。此外，當混凝土硬化后，型鋼連接件還可為受壓側鋼板提供面外約束，約束受壓鋼板的屈曲。但型鋼連接件與跨度方向成90°直角的平面與混凝土結合的地方不能十足咬合，易形成裂縫，從而削弱混凝土翼板強度。型鋼連接件在鋼殼沉管隧道中應用廣泛。

PBL連接件又叫開孔板連接件，如圖2所示，是依據鋼板孔洞的混凝土榫抵抗鋼與混凝土間作用力的連接件，它呈縱向布置，與鋼梁的方向一致[13]。PBL連接件依靠圓孔中的混凝土加強兩者間的結合，且圓孔中可貫通主鋼筋,不影響主筋的布置?？字械幕炷劣芯薮蟮匿N栓作用，其最終破壞形式是孔中混凝土的2面剪切破壞，且不受疲勞的影響。PBL連接件承載力高，剛度大，抗疲勞性能好，且施工便捷，被廣泛應用于各類組合結構橋梁中。

圖2 PBL連接件

1.2 彈性連接件

常見的彈性連接件有鋼筋連接件和焊釘連接件。彈性連接件具有良好的變形能力，但因其自身剛度小，受到剪力作用時，會隨著鋼材混凝土界面的相對滑移而產生變形。當滑移值一定時，它的抗剪能力不會變弱，具有較好的延性[14]。彈性連接件的支壓應力分布如圖3所示。

圖3 彈性連接件支壓應力分布

鋼筋連接件通常是將螺紋鋼筋進行彎起并焊接在鋼梁上作為傳遞界面剪力的部件。彎起筋主要是利用鋼筋的拉力即錨固抗拔來抵抗交界面的剪力，與混凝土壓翼緣剪力流的方向一致，作為一種延性較高的柔性連接件，抗剪承載能力主要取決于鋼筋抗拉強度。它只能傳遞固定方向的剪力，不能傳遞交變方向的剪力，同時彎起段不利于混凝土中鋼筋的布設，且彎筋連接件強度和剛度較差，焊接工作量大。但因其做法簡單、焊接方便、易于加工、抗掀起和抗剪切能力強，是一種經濟的連接方式。鋼筋連接件不宜用于有不同方向的剪力組合界面中。

焊釘連接件的焊釘焊接在鋼板上主要用來抵抗鋼板和混凝土之間的剪切力，其力學性能沒有方向性，設置時不需要考慮受力方向，加上其優良的連接性能和簡便的焊接方式，成為鋼-混組合結構中最常用的連接件之一[15]，如圖4所示。焊釘連接件力學性能優良，被廣泛應用于組合結構橋梁中。

圖4 焊釘連接件

1.3 組合連接件

組合連接件是指用鋼與其他有機材料組合在一起的連接件，簡稱為組合連接件，如圖5所示。組合連接件一般是在型鋼腹板或焊釘根部等處設置樹脂海綿、泡沫塑料等有機材料，根據施工需要將組合連接件設置在不同部位，能夠快速有效地提高組合結構的力學性能[16]。如使用硬度低的泡沫塑料或聚氨酯樹脂，把承擔剪力的有效部位譬如焊釘根部包裹起來，從而起到降低抗剪剛度的目的，同時又可以保持焊釘頭部的抗拉拔作用；若采用硬度高的樹脂，初期為膠狀體，放置一定時間后便會硬化，進一步在樹脂中配合一定的硅砂，還會提高粘度和彈性模量，變得更容易施工。組合連接件適用于工程需求比較復雜的鋼-混組合結構中。

圖5 組合連接件

2 連接件設計方法

抗剪承載力與抗剪剛度是評價連接件力學性能的重要指標，是連接件設計計算的核心。焊釘連接件與PBL連接件綜合性能優越，是目前工程中應用最為廣泛的連接件形式，結合國內外相關規范，對此2類連接件進行抗剪承載力與抗剪剛度的比較分析。

2.1 抗剪承載力

2.1.1 PBL連接件

目前，AASHTO LRFD、CAN/CSA-S16-1、日本道路橋以及我國GB 50017—2003《鋼結構設計規范》[17]中關于PBL連接件抗剪承載力計算公式尚不明確，特給出表2中的計算公式。

為定量比較國內外規范PBL連接件抗剪承載力計算值大小，取開孔直徑55 mm，采用HRB335的Φ16鋼筋，混凝土強度等級為C50，材料性能參數見表3。

表3 鋼筋與混凝土材料性能參數 MPa

按表2所給公式計算PBL連接件抗剪承載力，可得歐洲規范與我國GB 50917—2003《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》[18]PBL連接件抗剪承載力關系，如圖6所示。從圖6發現，歐洲地區關于PBL連接件抗剪承載力的設計值遠低于我國行業規范。

圖6 抗剪承載力分布

2.1.2 焊釘連接件

為定量比較各國規范焊釘連接件抗剪承載力計算值大小，取焊釘型號為GB/T 10433，16 mm×100 mm，混凝土強度等級為C50，計算公式見表4，材料性能參數見表5。

表4 各國規范焊釘抗剪承載力計算公式及其值

分別按表4中所列公式計算焊釘連接件抗剪承載力，可得各國規范焊釘連接件抗剪承載力分布，如圖7所示。從圖7可知，歐洲規范關于焊釘連接件抗剪承載力的設計值最低；日本規范關于焊釘連接件抗剪承載力的設計值最高；我國JTG D64—2015《公路鋼結構橋梁設計規范》[23]關于焊釘連接件抗剪承載力的設計值與美國相同，跟加拿大規范相比，我國JTG D64—2015《公路鋼結構橋梁設計規范》[23]中抗剪承載力設計值較低，與GB 50017—2003《鋼結構設計規范》[17]相比，行業規范設計值較低。

表5 焊釘連接件與混凝土材料性能參數

2.2 抗剪剛度

EUROCODE-4、日本道路橋根據焊釘抗剪承載力和推出試驗特殊位置相對滑移值給出了焊釘連接件抗剪剛度公式，我國GB 50917—2013《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》[18]給出了單個焊釘連接件抗剪剛度計算公式，而國外規范以及我國GB 50017—2003《鋼結構設計規范》[17]中關于PBL連接件的抗剪剛度計算公式尚不明確，特給出表6中的計算公式。

圖7 抗剪承載力分布

表6 抗剪剛度計算公式

從表6給出的計算公式可以看出，連接件的抗剪剛度不僅與連接件形式有關，還與混凝土設計強度及計算荷載下連接件所處的具體受力狀態有關。

3 連接件發展趨勢

隨著國家可持續發展戰略的深入推進，建立綠色、低碳與可持續的交通運輸體系的任務日益迫切。鋼-混組合梁橋作為較新的組合結構，其特有的優勢是其他橋梁形式所無法比擬的。眾多工程實例表明，鋼-混組合橋梁正在向工業化標準制造、運輸便捷、輕自重的方向發展，新結構、新材料、新方法、新環境是鋼-混組合結構橋梁研究重點，整體裝配式組合梁便是其中的一個發展方向[25-27]。隨著新型材料研究的進一步發展，鋼-混組合結構會突破原有材料的限制，將新型材料運用到組合結構中會推動我國組合梁橋領域的變革，例如在組合橋梁施工時，利用碳纖維薄板、拉擠型GFRP代替傳統的鋼板，使新建的組合梁橋更加輕便[28]，也可加入具有自感知、自適應、自修復功能的敏感材料，這種材料可提前感應到周圍環境的變化，降低或避免災害帶來的危害，可大大提高工程的可靠性和安全性。

目前PBL連接件和焊釘連接件在鋼-混組合結構橋梁中應用較多，研究手段多以推出試驗+有限元數值仿真為主。對于PBL連接件，一方面繼續研究其抗剪承載力和疲勞性能，另一方面不少學者在常規PBL連接件的基礎上推陳出新，提出創新的構造[29-31]，如圖8所示；對于焊釘連接件，主要以其疲勞性能、抗拔性能及栓釘滑移后引起的結構剛度變異為研究重點[31-33]。隨著高性能混凝土如UHPC、ECC等在組合結構橋梁特別是組合橋面板中的應用，鋼-高性能混凝土組合橋面板中剪力鍵的力學行為備受關注[34]。此外，為適應橋梁快速施工(ABC)的要求，裝配式剪力鍵及集束式剪力鍵群的力學性能也成為研究熱點[35]，裝配式剪力鍵如圖9所示。為適應不同的使用環境，保證組合結構橋梁的耐久性，連接件的耐久性能研究成為必然要求，腐蝕環境、低溫環境及凍融環境下剪力鍵的力學性能逐漸得到關注[36]。

圖8 約束型PBL連接件

圖9 裝配式焊釘連接件

隨著我國橋梁工程的建設不斷發展，現有的剪力連接件漸漸不能滿足工程需要，因此在結合現有連接件與工程需求的基礎上，新型剪力連接件的研究也在不斷發展，如根據PBL連接件中圓孔與混凝土的受力特點，不能用于等腰梯形腹板嵌入式連接件；焊釘連接件中焊釘在群釘布設狀態下，不同位置的焊釘會通過焊釘間混凝土產生相互影響，從而降低焊釘的力學性能。目前，新型連接件的發展趨勢主要是復合剪力連接件、組合剪力連接件以及單一形式新型連接件[37-39]。特別是針對復雜環境下連接件性能的退化、高性能混凝土中連接件力學性能、新型連接件力學性能的研究將成為新的研究熱點，同時結合工程實例需要開展新技術研究及推廣應用，進一步推動我國鋼-混組合結構領域的發展。

4 結束語

本文在研究現有剪力連接件的基礎上，系統總結了剪力連接件的力學性能和設計方法，對剪力連接件的研究進行了整合，并分析了未來剪力連接件的發展趨勢，得到以下結論：

1) 剛性連接件適用于忽略剪力重分布的結構，型鋼連接件廣泛應用于鋼殼沉管隧道中，PBL連接件廣泛應用于組合結構橋梁中；彈性連接件適用于剛度要求不高的結構中，鋼筋連接件不適宜于有不同方向的剪力組合界面中，焊釘連接件廣泛應用于組合結構橋梁中；組合連接件適用于工程需求比較復雜的鋼-混組合結構中。

2) 通過對比中、美、歐、加、日五國規范中關于焊釘連接件抗剪承載力的設計方法，發現歐洲規范設計值最低，日本規范設計值最高，我國國家標準則比行業標準要求設計值更高；通過比較我國規范抗剪剛度設計方法，發現連接件的抗剪剛度不僅與連接件形式有關，還與混凝土設計強度及計算荷載下連接件所處的具體受力狀態有關。

3) 結合新型材料以及新型連接件的發展，鋼-混組合結構將會突破現有材料的限制，擴大了我國組合結構領域的上限，給我國的基礎建設施工作業帶來全新的發展。