采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁及其设计方法与流程

本发明涉及桥梁设计，尤其涉及一种采用多种pbl连接件混合连接的钢-uhpc组合梁及其设计方法。

背景技术：

1、钢-混凝土组合梁桥是通过不同形式的抗剪连接件将钢梁和混凝土组合起来，使钢梁和混凝土协同受力变形，充分发挥钢材的高抗拉强度性能和混凝土的高抗压强度性能，已被广泛应用于国内外各种梁桥建设中。组合梁桥相比于普通的混凝土桥，结构高度降低，自重更轻、地震效应更小，使得结构延性得到提高，基础造价减少；相比于纯钢梁桥，混凝土桥面板可增强钢梁的稳定性，充分发挥钢高强度的材料优势，明显提高梁桥抗弯承载力，减少用钢量。同时，组合梁桥还具有便于工厂化生产，现场安装质量更高、施工费用更低、工期更短等诸多优势。

2、组合结构充分发挥了钢材和混凝土的材料优势，但相应结构的短板也暴露出来。连续组合梁桥、组合刚构桥、斜拉桥和悬索桥组合桥面系、组合框架结构、大跨承重组合等结构体系中，其正弯矩区段混凝土处于受压状态，钢梁处于受拉状态，钢-混组合结构承载能力较强，结构稳定性较高。但在其负弯矩区段，组合结构处于混凝土受拉、钢构件受压的不利状态，由于混凝土抗拉强度较低，在很小的荷载时混凝土就会发生开裂。不仅导致组合结构的刚度发生降低，同时也会造成钢筋及钢构件腐蚀，降低梁桥的耐久性能，给组合梁桥后期的维护工作带来很大的困难。此外，组合梁桥应用于大跨梁桥时，由于混凝土桥面板自重较大，会使组合梁桥的经济适用跨径受到限制。上述组合梁桥在工程应用中面临的两个问题均是由于混凝土材料强度较低，容易开裂导致的，发展具有更高力学性能和裂缝控制能力的新型混凝土材料是解决上述问题的有效途径。

3、超高性能混凝土(ultra high performance concrete，uhpc)是根据颗粒最紧密堆积、水胶比小于0.25和纤维增强等原则进行设计，从而具备超高力学性能、韧性、耐久性能及良好施工性能等特点的新型水泥基复合材料。与普通混凝土(normal concrete，nc)和传统的高性能混凝土(high performance concrete，hpc)相比，uhpc的强度(抗压强度和抗折强度等)和耐久性能(抗氯离子侵入和抗碳化等)有数量级或倍数的提高。此外高密实的uhpc基体大幅增强了uhpc基体与钢纤维的界面粘结强度，使得uhpc基体开裂后仍然具有较高的抗拉强度，实现了类金属拉伸和应变强化特性，显著提升了uhpc材料的韧性和延性。由于uhpc优异的力学性能和耐久性能，将钢-混凝土组合结构中的混凝土层替换为uhpc，形成的钢-uhpc组合结构，相比传统的钢-混凝土组合结构，可有效减小组合构件的截面尺寸，降低构件自重。将其应用于钢-混凝土组合梁桥，uhpc优异的力学性能不仅可以有效解决钢-混凝土组合梁桥负弯矩区段易开裂的问题，同时还能提高正弯矩区段的承载能力，进一步增强梁桥结构的稳定性。

4、除了钢和混凝土材料本身对钢-混组合梁桥的影响，抗剪连接件也是影响其性能的关键因素。在水平方向承受并传递钢梁和混凝土之间的纵向剪力，抵抗两者之间滑移；在竖直方向，抗剪连接件的抗拔作用防止混凝土和钢梁发生掀起或分离。在传统的钢-混凝土组合梁桥中，栓钉连接件和pbl(perfobond leiste，pbl)连接件是最常用的两种抗剪连接件。栓钉连接件四向抗剪，施工简单，性能良好，但栓钉连接件承载力较低。pbl连接件承载力较高，疲劳性能优秀，但结构复杂。然而，上述抗剪连接方式会导致负弯矩作用下上部混凝土板的拉应力过大，因此在保留上述连接件抗拔作用的基础上取消其抗剪作用，使钢-混凝土界面在不发生分离的条件下产生自由滑移是释放混凝土板拉应力、降低混凝土板开裂风险的有效途径。为此，结合钢-uhpc组合梁的受力特征，研发与其性能相匹配的新型抗拔不抗剪连接件是进一步提高钢-uhpc组合梁桥负弯矩区裂缝控制能力的关键所在。

5、图1为现有技术中的npr钢筋和普通hrb400钢筋的应力-应变关系对比示意图。在组合梁桥正弯矩区段，组合结构处于钢梁受拉，混凝土受压的状态，且uhpc与普通混凝土力学性能差异较大，钢-uhpc组合结构正弯矩区段对抗剪连接件的承载力要求更高，普通的抗剪连接件无法发挥uhpc的高强特性，难以满足构造要求。栓钉连接件普遍直径较小，承载力较低，为了达到一定的承载力，需要增加栓钉连接件的直径或者个数，过大的栓钉直径和过多的连接件数量都会减小施工区域，增加焊接工序难度，降低施工效率。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的局限和缺陷，本发明提供一种采用多种pbl连接件混合连接的钢-uhpc组合梁，包括uhpc构件、工字钢梁以及多个盖梁，所述盖梁设置在所述工字钢梁的下面，所述uhpc构件设置在所述工字钢梁的上面，所述uhpc构件和所述盖梁为长方体结构，所述工字钢梁的横截面为工字形状；

2、所述uhpc构件的内部设置有纵横向钢筋网，所述uhpc构件的正弯矩区段排列设置有多个采用npr钢筋的pbl连接件，所述uhpc构件的负弯矩区段排列设置有多个抗拔不抗剪pbl连接件；

3、所述工字钢梁对应所述uhpc构件的正弯矩区段的上翼缘焊接有多个第一穿孔钢板，相邻两个第一穿孔钢板之间填充有第一泡沫塑料，所述第一穿孔钢板的开孔为圆形孔，所述第一泡沫塑料为长方体结构；所述工字钢梁对应所述uhpc构件的负弯矩区段的上翼缘焊接有多个第二穿孔钢板，相邻两个第二穿孔钢板之间填充有第二泡沫塑料，所述第二穿孔钢板的开孔为方形孔，所述第二泡沫塑料为长方体结构；

4、所述采用npr钢筋的pbl连接件包括第一穿孔钢板、npr钢筋、混凝土销钉，所述npr钢筋穿过所述第一穿孔钢板的开孔，所述混凝土销钉包裹在所述npr钢筋的周围，填充所述npr钢筋与所述第一穿孔钢板的开孔之间的空间；所述抗拔不抗剪pbl连接件包括第二穿孔钢板、穿孔钢筋、弹性模量材料，所述弹性模量材料的弹性模量小于预设值，所述穿孔钢筋穿过所述第二穿孔钢板的开孔，所述弹性模量材料包裹在所述穿孔钢筋的周围，填充所述穿孔钢筋与所述第二穿孔钢板的开孔之间的空间。

5、可选的，所述采用npr钢筋的pbl连接件与所述抗拔不抗剪pbl连接件的中轴线处于同一水平面。

6、可选的，所述第一穿孔钢板、所述第一泡沫塑料、所述第二穿孔钢板、所述第二泡沫塑料、所述uhpc构件、所述工字钢梁与所述盖梁的中轴线处于同一垂直面。

7、本发明还提供一种采用多种pbl连接件混合连接的钢-uhpc组合梁的设计方法，所述采用多种pbl连接件混合连接的钢-uhpc组合梁为上述的钢-uhpc组合梁，所述设计方法包括：

8、根据所述钢-uhpc组合梁的内力状态确定不同，在弯矩作用下达到承载力受弯极限状态，分别进行正弯矩区段和负弯矩区段的截面设计；

9、所述钢-uhpc组合梁的正弯矩区段按照完全剪切连接设计原则，根据所述uhpc构件的受压承载力和所述工字钢梁的受拉承载力确定组合截面塑性中和轴的位置；

10、当af≤befcxy时，所述组合截面塑性中和轴位于所述uhpc构件翼缘板内部，按照公式(1)计算所述uhpc构件的受压区高度x，按照公式(2)计算所述组合截面的抗弯承载力mu；

11、

12、mu＝befcxy   (2)

13、其中，x为所述uhpc构件的受压区高度，a为所述工字钢梁的截面面积，f为所述工字钢梁的屈服强度，be为所述uhpc构件的翼缘宽度，fc为所述uhpc构件的轴心抗压强度，mu为所述组合截面的抗弯承载力，y为所述工字钢梁的截面应力合力至所述uhpc构件的受区截面应力合力之间的距离；

14、当af＞befcxy时，所述组合截面塑性中和轴位于所述工字钢梁的截面内，按照公式(3)计算所述工字钢梁的受压区域ab，按照公式(4)计算所述组合截面的抗弯承载力mu；

15、

16、mu＝behefcy1+abfy2   (4)

17、其中，ab为所述工字钢梁的受压区域，he为所述uhpc构件的翼缘厚度，y1为所述工字钢梁的受拉区截面应力合力至所述uhpc构件的受压区截面应力合力之间的距离，y2为所述工字钢梁的受拉区截面应力合力至所述工字钢梁的受压区截面应力合力之间的距离；

18、进行抗弯承载力验算，若mu≥m，所述组合截面满足构造要求，若mu≤m，取mu＝m，其中m为弯矩设计值；

19、按照公式(5)计算所述钢-uhpc组合梁的受剪承载力v，nu＝befche为所述组合截面塑性中和轴以上受压区的承载力，np＝af为所述组合截面塑性中和轴以下受拉区的承载力；

20、v＝min[nu,np]   (5)

21、其中，v为所述钢-uhpc组合梁的受剪承载力；

22、按照公式(6)计算所述正弯矩区段的抗剪连接件数量n，按照公式(7)计算单个所述采用npr钢筋的pbl连接件的承载力nv；

23、nnv＝v   (6)

24、

25、其中，n为所述正弯矩区段的抗剪连接件数量，nv为单个所述采用npr钢筋的pbl连接件的承载力，ρst为所述uhpc构件的配筋率，vf为钢纤维体积掺量，lf为钢纤维长度，φf为钢纤维直径，fcu为所述uhpc构件的立方体抗压强度，tp为所述穿孔钢板的厚度，d为开孔直径，ac为所述穿孔钢板的开孔面积，λ为所述npr钢筋的强度折减系数，as为所述穿孔钢筋的截面面积，fy为所述穿孔钢筋的屈服强度；

26、当所述钢-uhpc组合梁的负弯矩区段为正常使用阶段时，所述穿孔钢筋周围的弹性模量材料允许钢-混界面发生预设距离的滑移，所述钢-uhpc组合梁处于所述uhpc构件受拉，所述工字钢梁受压的状态，对所述uhpc构件的受拉区按照公式(8)进行配筋；

27、arfs＝(a1+a2+a3)f-behef  t(8)

28、其中，ar为所述负弯矩区混凝土翼缘有效宽度范围内纵向钢筋的截面积，fs为钢筋屈服强度，a1为所述工字钢梁的腹板的净截面面积，a2为所述工字钢梁的下翼缘的净截面面积，a3为所述工字钢梁的上翼缘的净截面面积，ft为所述uhpc构件的抗拉强度；

29、当所述钢-uhpc组合梁的负弯矩区段为承载能力极限阶段时，按照公式(9)计算所述组合截面的抗弯承载力mu；

30、mu＝ma+mr+mt  (9)

31、其中，所述组合截面抵抗的最大弯矩包括所述工字钢梁的抵抗弯矩ma，纵向钢筋的抵抗弯矩mr和混凝土的抵抗弯矩mt；

32、进行抗弯承载力验算，若mu≥m，所述组合截面满足构造要求，若mu≤m，取mu＝m；

33、按照公式(10)计算所述负弯矩区段的抗拔不抗剪连接件数量n，按照公式(11)计算钢-uhpc组合梁的受剪承载力v，按照公式(12)计算单个抗拔不抗剪pbl连接件的承载力nv；

34、nβnv＝v   (10)

35、v＝arfs+beheft   (11)

36、

37、其中，β代表连接件承载力降低系数，对于中间支座负弯矩区段区取0.9，对于悬臂梁的负弯矩区段取0.8；ft为所述uhpc构件的抗拉强度。

38、本发明具有下述有益效果：

39、本发明提供一种采用多种pbl连接件混合连接的钢-uhpc组合梁，包括uhpc构件、工字钢梁以及多个盖梁，所述盖梁设置在所述工字钢梁的下面，所述uhpc构件设置在所述工字钢梁的上面，所述uhpc构件的正弯矩区段排列设置有多个采用npr钢筋的pbl连接件，所述uhpc构件的负弯矩区段排列设置有多个抗拔不抗剪pbl连接件。本发明将采用npr钢筋代替普通钢筋的pbl连接件应用在组合结构正弯矩区段，增强了组合结构的延续能力和承载能力，提高了结构整体性和结构稳定性。本发明有效释放了组合结构负弯矩区段的拉应力，显著提高了组合结构的使用性能、长期性能和耐久性能。