基于波形钢腹板的混凝土箱梁抗剪连接键布置方法与流程

本发明属于桥梁工程技术领域，尤其涉及一种基于波形钢腹板的混凝土箱梁抗剪连接键布置方法。

背景技术：

波形钢腹板混凝土箱梁的受力性能不仅受到自身材料性能的影响，而且与连接键的形式，材料性能有很大关系。剪力键作为波形钢腹板混凝土箱梁结构中的关键传力部件，不同形式的剪力连接键对箱梁的承载能力也有很大的影响，因此一种合理的连接键，能改善结构的力学性能。

公告号CN106400668B的发明专利公开了一种组合型波形钢腹板底板剪力连接键及施工方法，该剪力连接键波形钢腹板、下翼缘钢板、腹板开孔钢板、翼缘板带状开孔钢板、剪力键构造钢筋；其中波形钢腹板、下翼缘钢板、腹板开孔钢板、翼缘板带状开孔钢板通过焊接连接成整体；剪力键构造钢筋分别穿过腹板、翼缘板带状开孔钢板孔洞，并与剪力键顺桥向构造钢筋焊接构成钢筋骨架。采用此剪力连接键可克服传统嵌入型剪力键整体性不足，传统翼缘型剪力键底板混凝土浇筑施工困难，钢混组合结合部质量难以保证等问题。与其他组合型剪力键相比，本发明构造简单、结构合理、钢筋加工方便、不影响底板混凝土浇筑施工、钢混结构部质量及整体工作性能较好，具有良好的技术经济效益。

公告号CN106758773A的发明专利公开了一种钢混组合梁桥的剪力连接件，包括集束式剪力连接件与开口板剪力连接件。集束式剪力连接件采用相邻剪力钉集群边界间隔为500-800mm的布置形式，单个剪力钉集群的长度应等于相邻剪力钉集群边界的间隔距离；当钢梁跨径小于35米时，单个剪力钉集群的长度应取为500mm，当钢梁跨径大于50米时，单个剪力钉群的长度应取为800mm，其余跨径可线性内插取得；单个剪力钉集群的宽度与钢梁顶板同宽，并且剪力钉沿梁长均匀分布；单一剪力钉的间距在顺桥向方面与原有的均布式剪力连接件剪力钉间距保持一致，一般取100～150mm，在横桥方向亦保持不变；剪力钉的长度、直径、钢筋标号与原有均布式剪力连接件剪力钉维持一致，一般取钉长200mm，直径22mm。本发明的有益效果为：施工简单，钢板上只需开孔，无需特殊加工；焊接方便，沿钢板两侧用贴脚焊缝焊接，不需要专用的焊接设备；开孔板沿着翼板纵桥向布置，可起到加劲板的作用；连接件的抗疲劳性能好，刚度大，滑移小；提高结构受力性能，简化施工

但是包括上述公开文件在内的现有技术方案中波形钢腹板连接键设计中偏于保守，仅对连接轴向抗剪设计，而未考虑连接键受力方向，间距较密，且未能利用连接键材料强度，且对施工要求较高，易产生局部针对不密实等病害。同时，传统设计时连接键锚固长度相同，致使局部受力过于集中，锚固区易产生滑动破损面，致使整体承载能力力降低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于波形钢腹板的混凝土箱梁抗剪连接键布置方法，通过合理布置连接方向、锚固长度，充分利用连接抗剪、抗拉强度，提高连接键工作性能，节省材料，且易于施工。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

基于波形钢腹板的混凝土箱梁抗剪连接键布置方法，按以下步骤进行：

1)对结构进行纵向整体分析，确定顺桥向剪力最大值及最小值的位置、大小及方向；

2)根据步骤1)确定的剪力最大值及最小值大小、方向，确定连接键数量及方向；

3)设置连接键长度，相邻连接键长度长短交错设置，避免所有连接键端部处于同一平面。

所述步骤2)中剪力最大值与最小值位置处中间区域的连接键方向由两端剪力键方向内插确定该区域处相应连接键的方向。

所述步骤1)中对结构进行纵向整体分析的方式如下：

S1：计算顺桥向剪力最大值及最小值的位置及大小；

对于单箱单室或多箱单室截面，波形钢腹板与顶、底板连接处的单位长度水平剪力按下式计算：

—抗剪强度计算时，波形钢腹板与箱梁顶、底板连接处的单位长度水平剪力设计值；

Vd—截面竖向剪力设计值

Vp—预应力一次效应的竖向分力标准值；

S—混凝土顶板或底板对截面中性轴的面积矩；

I—截面的惯性矩；

根据公式(1)计算在基本荷载组合作用下，剪力最大值的大小及其位置，剪力最小值的大小及其位置；

S2：根据S1的计算结果，通过有限元软件计算顺桥向剪力最大值及最小值的方向。

所述步骤2)中确定连接键的数量按如下公式计算：

γ0—结构重要性系数；

—抗剪强度计算时，波形钢腹板与箱梁顶、底板连接处的单位长度水平剪力设计值；

Vu—连接件的水平受剪承载力设计值(N)；

s—连接件顺桥向间距(mm)；

Vu—连接件的水平受剪承载力设计值(N)；

n—连接件排数；

As—连接件截面面积(mm²)；

Ec—混凝土弹性模量(MPa)；

fu—连接件材料极限强度设计值(MPa)；

fcd—混凝土轴心抗压强度设计值(MPa)。

根据公式(2)、(3)并结合公式(1)，计算出连接件顺桥向间距s，即为连接键顺桥向间距，由此确定顺桥向连接键的数量。

本发明的有益效果是：

本发明通过合理布置连接方向、锚固长度，充分利用连接抗剪、抗拉强度，提高连接键工作性能，节省材料，且易于施工。

本发明能够有效利用连接键强度，合理布置连接键，解决连接键局部混凝土振捣不密实、局部受力过于集中、锚固区易产生滑动破损面等问题，从而提高桥梁运营安全性，具有显著的技术和经济效益。

本发明通过合理设置波形钢腹板箱梁连接键的方向，充分利用钢材抗拉及抗剪强度，提高其与顶、底板混凝土的连接强度，节省材料，且易于施工，从而提高波形钢腹板桥的承载能力。

附图说明

图1是本发明实施例中恒载作用下剪力计算结果示意图；

图2是本发明实施例中预应力作用下剪力计算结果示意图；

图3是本发明实施例中城-A作用下剪力计算结果示意图；

图4是本发明实施例中基本组合作用下剪力计算结果示意图；

图5是本发明实施例中通过有限元软件计算得出最大剪力处截面的剪力方向示意图；

图6是本发明实施例的混凝土箱梁抗剪连接键布置示意图；

图7是图6中A处的抗剪连接键纵向整体布置图；

图8是图7中B-B的横向视图。

具体实施方式

本实施例以一座30m的单箱单室波形钢腹板箱简支箱梁为列，进行详细阐述说明，该单箱单室波形钢腹板箱简支箱梁的设计参数如下：

a.砼的容重取26.0kN/m³；

b.二期恒载取61.0kN/m；

c.混凝土收缩徐变：根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)取值；

d.预应力管道成形采用波纹管，管道摩擦系数u＝0.25；管道偏差系数κ＝0.0015；预应力筋回缩和锚具变形均为12mm；

e.松驰损失跟据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)6.2.6条取值；

f.预应力钢绞线锚下控制应力σcon＝0.75,ftk＝1395MPa。

计算基本组合为：1.2恒载+1.4活载(城-A级)。

根据有限元分析软件计算，其恒载作用下剪力计算结果示意图如图1所示，其预应力作用下剪力计算结果示意图如图2所示，其城-A作用下剪力计算结果示意图如图3所示，其基本组合作用下剪力计算结果示意图如图4所示。

以上述30m的单箱单室波形钢腹板箱简支箱梁为例，基于波形钢腹板的混凝土箱梁抗剪连接键布置方法，按以下步骤进行：

1)对结构进行纵向整体分析，确定顺桥向剪力最大值及最小值的位置、大小及方向；

S1：先计算顺桥向剪力最大值及最小值的位置及大小；

对于单箱单室或多箱单室截面，波形钢腹板与顶、底板连接处的单位长度水平剪力按下式计算：

—抗剪强度计算时，波形钢腹板与箱梁顶、底板连接处的单位长度水平剪力设计值；

Vd—截面竖向剪力设计值

Vp—预应力一次效应的竖向分力标准值；

S—混凝土顶板或底板对截面中性轴的面积矩；

I—截面的惯性矩。

由式1可得，基本荷载组合作用下，剪力最大值为1255kN/m，位于支座处；剪力最小值为186kN/m跨中。

S2：根据S1的计算结果，通过有限元软件计算顺桥向剪力最大值及最小值的方向；

通过有限元软件计算可知支点处主应力方向为49.5°(与竖直方向夹角)，跨中处主应力方向为顺桥向(与竖直方向夹角90°)，其示意图如图5所示。

2)根据步骤1)确定的剪力最大值及最小值大小、方向，确定连接键数量及方向；

本实施例中，主梁波形钢腹板上缘采用栓钉连接，材质ML15Al，直径d＝12mm，栓钉沿梁轴线的间距不应小于杆径的6倍即72mm，栓钉的横桥向排数n＝5。

γ0—结构重要性系数；

—抗剪强度计算时，波形钢腹板与箱梁顶、底板连接处的单位长度水平剪力设计值；

Vu—连接件的水平受剪承载力设计值(N)；

s—连接件顺桥向间距(mm)

Vu—连接件的水平受剪承载力设计值(N)；

n—连接件排数；

As—连接件截面面积(mm²)；

Ec—混凝土弹性模量(MPa)；

fu—连接件材料极限强度设计值(MPa)；

fcd—混凝土轴心抗压强度设计值(MPa)。

由式1-3可知，S为180mm，满足要求。故连接键顺桥向间距取180mm。

为提高连接键抗剪性能，支座处剪力键方向设置为与竖直方向夹角49.5°，跨中处剪力键方向设置为与竖直方向夹角0°。支座与跨中之间处区域的连接键方向由两端剪力键方向内插确定该区域处相应连接键的方向。

本实施例中支座与跨中之间区域的连接键方向由两端剪力键方向内插确定该区域处相应连接键的方向，如图7所示。

3)设置连接键长度，相邻连接键长度长短交错设置，避免所有连接键端部处于同一平面；

本文连接件考虑抗剪和抗拔作用，长度不少于10d,本文取10d和15d,即120mm和170mm,长度相邻连接键长度长短交错设置，避免所有连接键端部处于同一平面。

根据上述方法得出的混凝土箱梁抗剪连接键布置方案如图6、7、8所示，图6、7、8中各部件的附图标记：1-连接键，2-波形钢腹板翼板，3-波形钢腹板。

本发明通过合理布置连接方向、锚固长度，充分利用连接抗剪、抗拉强度，提高连接键工作性能，节省材料，且易于施工。

本发明能够有效利用连接键强度，合理布置连接键，解决连接键局部混凝土振捣不密实、局部受力过于集中、锚固区易产生滑动破损面等问题，从而提高桥梁运营安全性，具有显著的技术和经济效益。

本发明通过合理设置波形钢腹板箱梁连接键的方向，充分利用钢材抗拉及抗剪强度，提高其与顶、底板混凝土的连接强度，节省材料，且易于施工，从而提高波形钢腹板桥的承载能力。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。