波纹钢腹板预应力组合箱梁桥剪力连接键的应用

波纹钢腹板预应力组合箱梁桥剪力连接键的应用摘 要：剪力连接键是波纹钢腹板预应力组合箱梁的最关键部位，该文介绍了四种最常用的剪力连接键及其特点，给出了波纹钢腹板预应力组合箱梁桥顶底板连接键的组合方式及其经济性，并介绍了日本五座不同顶底板连接键组合的实桥的结构和特点，为以后这类桥梁建造提供了有益的参考。关键词：剪力连接键；组合；经济性0 引言波纹钢腹板预应力组合箱梁桥是 20 世纪 80 年代起源于法国的一种新型桥梁，在日本得到了大力推广应用。到目前为止，我国已经建成的波纹钢腹板预应力箱梁桥包括简支梁桥、连续梁桥、刚构桥、斜拉桥等多种形式，截面也由等截面发展到变截面。此类新型结构与传统的混凝土箱梁相比不同点在于：(1)采用较轻的波形钢腹板，自重降低，抗震性能好；(2)波纹钢腹板抗剪能力强，避免了腹板开裂问题，耐久性能好；(3)减少现场作业，加快施工进程。它在结构性能、减少工程量、缩短工期以及降低成本等方面具有很大的优势，而且在施工性能和美观方面也具有很大的吸引力，是一种值得推广的新桥型。1 剪力连接键波纹钢腹板与混凝土顶底板之间的剪力连接键是波纹钢腹板预应力组合箱梁的最关键部位，其主要作用是使桥梁纵向水平剪力能够有效地传递，同时要确保箱梁横截面各部分能够构成一体承担荷载。剪力连接键可分为不带翼板型和带翼缘板型，埋入式连接键属于不带翼板型，角钢连接键、Twin-PBL 连接键和 S-PBI+栓钉连接键属于带翼缘板型。目前实桥上使用最多的是上述四种剪力连接键(见图 1)。栓钉连接键是一种具有较强变形能力的柔性连接件，允许钢梁与混凝土板出现微小滑移，并发生剪力重分布。在外荷载作用下，栓钉所受的剪力大部分作用在栓钉圆形焊缝上，栓钉自身截面仅是以一小部分，栓钉根部的混凝土首先破坏并迫使栓钉上部变形而受到弯矩和轴力联合作用。当剪力超过剪力连接件的承载能力时，在工作中产生两种破坏模式：连接键附件混凝土的破坏和连接键自身的破坏。栓钉连接键常和 S-PBL 连接键共同使用。PBL 连接键的优点在于其在工作应力水平下，像刚性连接件，而不像栓钉连接件容易变形。标准的剪力连接件推顶试验表明 PBL 连接键的破坏起源于钢板孔中的混凝土销或孔间钢板的剪切破坏和撕裂，连接件抗剪强度主要取决于孔内混凝土抗剪强度和孔间钢板的抗+剪强度，孔内的混凝土和钢筋还具有防止混凝土板和钢梁分离的作用，在设计 PBL 连接键时应避免孔间钢板的剪切破坏先于混凝土的剪切破坏。埋入式连接键是由 PBL 连接键演变而来。PBL 剪力连接键翼缘板的主要功能是提供施工时的稳定，并为附着剪力连接件提供足够的位置，但非常接近于截面中性轴，所以其对组合截面的强度贡献较少，于是可以取消翼缘板，制造出更经济的连接方式一埋入式连接键。其明显的优点是避免了连接键与钢梁之间的连接焊缝疲劳破坏和节约施工时间。同时它也有缺点，由于连接件周围没有上翼缘板的约束，其相对于具有 PBL 连接件来说纵向刚度较弱，即侧向变形较大，并且由于钢腹板是直接埋人混凝土，在界面处要实行密封处理。角钢连接键在日本实桥中经常使用，其受力特点为：桥轴方向水平剪力由角钢和 U 形钢筋承担，与桥轴成直角方向的弯矩有角钢、U 形钢筋和贯穿角钢的钢筋共同承担。日本波纹钢腹板箱梁桥顶底板连接键组合见表 1。日本高速公路设计要领建议跨度较小的桥梁顶底板可采用埋入式连接键，跨度较大的桥梁采用带翼缘的连接键。从施工方面来说，当顶板采用 PBL 连接键，其翼板可以当成模板使用，方便施工，但缺点在于需焊接部位多，工作量大；当顶板采用埋入式连接键，模板需做成与波纹板相吻合的波纹形状，增加施工工作难度，其优点在于无需焊接，可减少工作量；角钢连接键施工繁琐，且 U 形钢筋与角钢焊接端易发生疲劳破坏，所以不建议 U 形钢筋焊接在角钢上。从耐久性和维护修补方面考虑，顶板是活载直接作用的部位，应优先采用带翼缘的 PBL 连接键。综上所述，建议顶板采用带翼缘的 PBL连接键。顶、底板的连接键组合经济性比较见表 2。图 1 波纹钢腹板的剪力连接键表 1 日本波纹钢腹板箱梁桥顶底板连接键组合表 2 顶、底板的连接键组合与经济性2 实桥介绍波纹钢腹板箱梁桥在日本得到广泛推广应用，目前已建成 130 多座这类桥梁。以下介绍日本五座顶底板采用不同连接键组合的波纹钢腹板箱梁桥。2.1 中野高架一桥本桥位于日本阪神高速公路北神主线的最东部，主桥全长 250m，跨径布置为 47.2m+71.3 m+82.4m+51.4m 的 4 跨波纹钢腹板连续梁，采用悬臂法施工(见图 2)。顶板采用特有的 S-PBL+栓钉的连接键，底板采用埋入式连接键，通过试验验证了 S-PBL+栓钉的连接键有足够的承载力和设计计算方法的正确性。图 2 中野高架一桥(单位：m)2.2 游乐部川桥本桥建于日本北海道汽车专用线函馆名寄线的落部立交与八云立交之间，桥长 235m，跨径布置为 65.7m+102.5m+65.9m 的 3 跨波纹钢腹板连续梁，边跨采用支架施工，中跨采用悬臂法施工(见图 3)。顶板采用 Twin-PBL 连接键，底板采用 S-PBL+栓钉的连接键，进行拉拔试验确认了肋板间距对剪力键的抗剪性能无影响，双肋板相当于单肋的 2 倍承载力；通过角隅弯曲试验验证了 Twin-PBL 连接键与角钢连接键具有同等的承载力和耐疲劳性。图 3 游乐部川桥(单位：m)2.3 宏内第二桥本桥建于日本北海道横向汽车专用线上，桥长 292.5m，跨径布置为 40.9m+75.0m+85.0 m+50.0m+39.4m 的 5 跨波纹钢腹板连续梁，顶底板采用新工法现浇(见图 4)。顶底板均采用 Twin-PBL连接键，通过试验验证了 PBL 键距边缘距离过小时抗剪承载力降低。图 4 宏内第二桥(单位：m)2.4 桂岛高架桥本桥位于日本静冈县冈部町的山冈部，桥长 216m，跨径布置为 52.7m+254m+52.7m 的 4 跨波纹钢腹板连续梁，把主梁分隔成核心截面并采用顶推法施工(见图 5)。顶板采用角钢连接键，底板采用埋入式连接键。采用核心截面(无桥面板)顶推施工，比全断面顶推施工减少 50%施工重量，从而降低成本。图 5 桂岛高架桥(单位：m)2.5 杉谷川桥本桥位于日本第二名神高速公路大津东线路上，桥长 453m，跨径布置为 52.1m+487 m+51.15m 的 6 跨波纹钢腹板连续梁，采用悬臂法施工(见图 6)。顶底板均采用角钢连接键。通过设于顶底板的横肋进行体外束的锚固和转向。图 6 杉谷川桥(单位：m)3 结语剪力连接键是波纹钢腹板预应力组合箱梁的最关键部位，研究不同跨径、不同结构形式桥梁的适用剪力连接键有重要意义。随着对剪力连接键研究的不断深入和应用技术的成熟，我国必将开发出有自主知识产权的新型、优质剪力连接键。参考文献1 陈宝春，黄卿维.波形钢腹板 PC 箱梁桥应用综述J.公路，2005.2 蔡千典，冉一元.波形钢腹板预应力结合箱梁结构特点的探讨J，桥梁建设，1994(1).3 刘海燕.日本修建的波形钢腹板 PC 箱梁桥一览表J国外桥梁，2002(1).4 孟庆伶.日本在建的波形钢板腹板 PC 箱形梁桥忉.铁道建筑,2001(5).5 李时，郭彦林.波折腹板梁抗剪性能研究J建筑结构学报，2001(6).6 杨明，孙绮，张树仁，等.波纹钢腹板体外预应力箱粱桥的发展与展望J.公路交通技术.2006(12).7 宋建永，王彤，张树仁.波纹钢腹板体外预应力混凝土组合梁桥J.东北公路，2002，25.8 刘岚，崔铁万.本谷桥的设计与施工-采用悬臂假设施工法的波纹形钢腹板预应力混凝土箱梁桥J.国外桥梁，1999(3).9 钟豪，徐君兰，顾安邦，等.波纹钢腹板 PC 组合箱梁的抗剪连接键分析J.重庆交通学院学报，2006.l0 陈建兵，万水.波形钢腹板 PC 组合箱梁设计和施工方法研究J.中外公路，2006(4).11 采用波纹钢腹板的 PC 箱形梁桥Z.铁道部人桥局设计院技术室，1954.12 严国敏.西欧结合梁桥的现有发展水平J.国外桥梁，1992(4).13 周履，陈炳坤.预应力混凝土梁桥的新发展J国外桥梁，1995(4).14 唐继舜，尹德兰，刘磊.波纹钢腹板桥梁的特色及其应用探讨D.西南交通大学.15 刘剑萍，正司明夫，小林宽.浅谈合成结构-波形钢腹板箱梁的设计J.世界桥梁.2003(3)：5-8.16