螺桿式抗拔不抗剪剪力鍵在大跨度連續組合桁架橋梁中的應用

高朋

中鐵十五局集團城市建設工程有限公司 河南 洛陽 471000

在大跨連續組合桁架梁橋中，正彎矩區混凝土板和鋼桁架上弦桿通過抗剪連接鍵相連，能充分發揮兩者的組合作用，但在負彎矩區橋面板和鋼梁之間若仍采用正彎矩區組合方式，混凝土橋面板受拉從而導致開裂，為此，一般需要在負彎矩區橋面板布置大量的預應力束，但設計施工工藝較復雜、預應力效率較低、增加用鋼量。為了解決上述問題，本文以天津濱海新區西外環高速公路-海河特大橋為例，通過新型螺桿式連接鍵的應用、及其相關性能試驗和局部受力分析，簡單介紹抗拔不抗剪連接鍵在大跨連續組合桁架梁橋中發揮的優點。

1 工程概況

濱海新區西外環海河特大橋為濱海新區規劃的“1環11射，5橫5縱”的路網骨架中濱海環線的重要組成部分，橋址位于天津濱海新區，唐津高速公路濱海大橋東側500m，橋梁建筑面積140060m2。

海河特大橋分為主橋、南引橋、北引橋三部分，其中，主橋為三跨連續變截面鋼桁架梁橋，如圖1所示，主橋長330m，跨徑組合為（95m+140m+95m），是國內首座大跨度鋼-混凝土組合桁架公路橋梁。主橋由12榀桁架組成，桁架橫向中心間距為3.56m,單榀由上弦、下弦和腹桿組成，中墩梁高12.5m，跨中梁高3.5m，橋面板厚32-39cm，采用C60混凝土，橋面板混凝土與鋼結構之間采用剪力釘和抗拔件進行連接，并且在橋面混凝土板設有預應力鋼束[1]。

圖1 主橋立面布置

2 剪力鍵布置

2.1 剪力鍵型式

抗拔不抗剪剪力鍵構造如圖2所示。主構件為螺桿和螺帽，在工廠進行加工，將螺桿與螺帽進行車絲處理，后期在現場直接擰緊即可，施工時操作簡單且精度高。附件為定位盒、螺桿泡沫和螺帽泡沫。螺桿泡沫和螺帽泡沫是為了預留橋面板在張拉預應力時的縱橋向位移空間，使橋面板和鋼桁架之間能夠自由滑動，從而達到不抗剪的目的。定位盒采用塑料，在工廠預制成型，現場直接安裝，目的是為了防止后期澆筑混凝土以及振搗時破壞螺桿泡沫，影響橋面板的位移量而達不到理想效果。螺帽主要是抗拔作用，防止混凝土橋面板和鋼桁架豎向脫空。

圖2 抗拔不抗剪剪力鍵構造

2.2 剪力釘的布置

為改善負彎矩區橋面板抗裂性能，本橋在中墩附近85m范圍內布置抗拔不抗剪剪力鍵，使橋面板在預應力束作用下能縱向滑動，從而增加預應力導入度。在正彎矩區密布普通栓釘，使橋面板和鋼桁架緊密結合，組合受力[2]，如圖3-5所示。

圖3 全橋縱向剪力鍵布置圖

圖4 剪力鍵橫向布置圖

圖5 剪力鍵橫向布置圖

3 施工工藝

本工程采用電弧螺柱焊，此施工工藝具有焊接強度高、焊接時間短、熱變形小及生產效率高、工序簡單、成本低等特點。作業內容分為：剪力釘、磁環檢驗，焊接區表面清理，焊接及焊接質量檢驗。

工藝流程圖

3.1 施工準備

施工前對鋼橋面板堆積的材料、機具清理，對存在被破壞的防腐漆面、大面積的銹蝕、污染部位進行清洗、除銹；

焊接作業區空氣環境相對濕度不大于85%；

焊接作業環境溫度不低于0℃，否則應采取措施將母材預熱到0-5℃以上，預熱范圍≥3倍板厚的區域。

對進場的剪力鍵、配套使用的磁環進行檢驗，對焊接機具進行調校。

3.2 劃線定位

用鋼尺和墨線按照設計要求的位置和間距，在鋼梁頂面劃出焊件的位置，位置允許偏差±1mm。

3.3 清理焊接區域

采用角磨機將施焊部位的涂層打磨干凈，并用鋼絲刷清掃殘渣。清理范圍為距焊接中心半徑不小于2d，清理表面達到設計要求。

3.4 試焊

試焊工作在試焊板上進行，把相應直徑的保護磁環置于母材上，把焊接件插入磁環內并于母材接觸，具體工藝如下。

引弧：按動電源開關，焊件自動提升，激發電弧；

焊接：焊接電流增大，使螺桿端部局部表面融化（此過程會產生高溫氣體）；

加壓：設定的電弧燃燒時間達到后，將螺桿自動壓入母材（此過程會有一定飛濺物產生）。

斷電：切斷電源，融化金屬凝固，并保持焊槍不動；

冷卻：焊縫冷卻，清除焊縫余高和磁環，焊接完成。

3.5 檢驗

每日每臺班開始正式焊接前，必須按照焊接工藝試焊兩個試件，用套管將螺桿壓彎30°（或者使用小錘敲擊），進行彎曲試驗，檢查是否滿足質量要求，若不能滿足要求，則應修改施工工藝，調整工藝參數，再次試焊，直到滿足要求為止。使用套管進行試驗時，套管下端距焊肉上端的距離不小于1d。

3.6 正式焊接

正式焊接的施工工藝同試焊工藝。

4 螺桿式抗拔不抗剪剪力鍵性能試驗

通過拉拔試驗進行測試，驗證連接鍵栓桿與螺帽之間的連接強度。

試件參數：共2個試件，螺桿采用Q345qD鋼材，抗拉強度設計值取310MPa。

表1 試驗參數

表2 試驗結果

圖6 試驗照片

圖7 桿件頂部頸縮

兩個構件在螺紋下方都有直徑較小的區域，因此最終破壞在該區域發生了頸縮，強度近似于螺桿極限抗拉破壞強度（極限破壞時按原直徑計算截面平均應力530MPa）。在計算時采用210t重車得到的拉拔力F=95.9kN，連接鍵按照設計需承受的抗拔力為95.9kN×1.7=163.2kN。根據試驗結果，該尺寸連接鍵能夠滿足設計要求，破壞模式與預期相同，且有較大安全儲備[3]。

圖8 試件1 力-位移圖

圖9 試件2 力-位移圖

5 螺桿式抗拔不抗剪剪力鍵局部受力分析

5.1 計算模型

為了求得抗拔件與接觸面混凝土受力情況，需要先求得單個抗拔件所受拉力。建模時，將上弦桿與橋面板處按固結模擬，按照車輪分布有效寬度，取一段橋面板計算。汽車荷載選取70t重車、210t的超重車，按照規范規定進行橫向車輛布載。

圖10 橋面板與抗拔件連接示意（橋梁橫斷面圖）

5.2 橋面板局部計算

經計算，懸臂處彎矩力值最大（如圖11），按照210t重車布載得到最大彎矩為M＝739kN*M，換算到單個抗拔件圓形板上拉力為

圖11 混凝土沖切示意

表3 結果對比

5.3 抗拔件驗算

5.3.1 螺桿

采用圓形T 板圓柱釘直徑2 8 m m，螺紋內徑為24.6mm,則圓柱釘螺紋內徑處最不利受拉應力σ ＝F/S=77800/481=161MPa<190MPa。

5.3.2 螺紋

根據《機械設計》課本內容：“從傳力第一圈螺紋變形最大，受力最大，以后遞減，第8~10周幾乎不受力，所以加高螺母并不能提高螺紋牙強度。”

則螺紋圈數n=(24.6/28)^2*182/190/(1-(24.6/28)^2)=3.2。

同時參考M28螺栓，取頂板厚度為25mm，螺紋圈數n=8,滿足受力要求。

5.3.3 抗拉板

抗拉板彎曲應力為：

σ = M y / I = 7 7 8 0 0 / 2 * 4 1 * 1 2 . 5 /(130*25^3/12)=118Mpa<200MPa

5.3.4 螺桿疲勞

根據最新鋼規，疲勞荷載模型II為四軸單車模型，軸重、軸距與輪距的布置如下圖，車重為45t,軸重120kN（45t車:活載最大彎矩為M＝164.5kN*M，換算到單個抗拉板上拉力為F＝17.3kN）。

每個螺桿的應力幅為: σ＝17300/615=28.1MPa<50MPa，滿足疲勞應力幅要求。

綜上，根據驗算，混凝土局部承壓力以及抗拔不抗剪連接件應力均小于規范規定，滿足規范要求。

6 結束語

本工程已正式通車近2年時間，橋梁運行效果良好，在負彎矩區橋面板受拉區域未出現混凝土開裂現象，螺桿式抗拔不抗剪剪力鍵的應用，既保障了橋梁施工質量，同時，又為我國類似橋梁提供了一套成熟的設計和施工方案。