抗剪-拉连接构造及在钢-UHPC桥梁工程中的应用

技术领域

本发明涉及一种适用于钢-UHPC结构的抗“剪-拉作用”连接构造及在钢-UHPC梁负弯矩区的应用，属于土木建筑技术领域。

背景技术

UHPC与钢组合形成组合结构有利于桥梁朝轻质、大跨方向发展，而且可以避免结构开裂，增强桥梁耐久性。传统的钢-UHPC组合结构，UHPC一般应用在钢结构(钢梁、钢箱梁等)上方的受压区，钢结构一般应用在下方的受拉区，其中栓钉位于钢结构和UHPC的连接面处，其作用是将钢-UHPC连接形成整体的剪力连接键，在该结构中栓钉主要承受剪力作用。

但是随着桥梁设计理念与建造技术的进步，大跨径钢-UHPC连续梁的概念被提出，不同于传统钢-UHPC简支梁，在大跨径钢-UHPC连续梁中，参考图1和图2，该连续梁中既具有正弯矩区A，又具有负弯矩区B。具体来说，在靠近桥梁支座处的梁体的为负弯矩区，跨度段为正弯矩区。其中，正弯矩区和副弯矩区，桥面的混凝土填充区域的受力形态是不一样的，具体来说，正弯矩区A，超强混凝土表面受压，不易发生裂纹等缺陷。副弯矩区B，超强混凝土表面受拉，容易发生路表面开裂。这也是在大跨径钢-UHPC连续梁负弯矩区，桥面板易发生开裂的主要原因，因此本发明提出一种改善桥梁负弯矩区受力性能的方案，通过栓钉和桥梁负弯矩区断面结构的改进、试验、模拟寻求一种可以综合提高抗剪和抗拉作用的新型结构，同时兼具安装便利与经济性高等特性。

传统的钢-UHPC组合结构常采用栓钉等作为剪力连接件，采用铺设钢筋网的方式形成抗拉结构，其中，对于栓钉剪力连接件，其是一种半刚性剪力连接键，焊接难度小，具有各向同性的优异力学特性，其抗剪能力较强，但是抗拉能力极弱。且栓钉与钢筋网之间具有相对对立性，因此，整体性能不佳。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种抗剪-拉连接构造及在钢-UHPC桥梁负弯矩区的应用，解决传统的栓钉剪力连接件抗剪不抗拉的力学特点，兼有经济性与安装便利性，提高钢-UHPC结构整体性，尤其是解决负弯矩区的力学性能不佳问题，解决现有技术中负弯矩区桥面混凝土摊铺层或者沥青摊铺层易发生的开裂问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

抗剪-拉连接构造，包括剪力钉、连接套筒和抗拉筋，其特征在于：

所述剪力钉端部垂直焊接在钢梁上，提供水平抗剪；

所述连接套筒与剪力钉进行快速机械连接，并固定在剪力钉的末端，该连接套筒具有比剪力钉更大的断面，以及在该连接套筒上开槽或开孔；

所述抗拉筋垂直于剪力钉并机械固定在所述连接套筒上，提供沿着顺桥向方向的抗拉；

所述剪力钉、连接套筒和抗拉筋被超高性能混凝土包裹并覆盖，以及在超高性能混凝土内均布钢纤维。

进一步地，所述剪力钉具有钉身和钉头，连接套筒具有套筒部和底座，且在套筒部具有沿着该套筒径向的卡槽，所述钉头和卡槽之间球铰连接。

进一步地，所述剪力钉和连接套筒之间螺纹连接。

进一步地，所述剪力钉具有钉身和钉头，所述连接套筒是由两个对称的模块扣合组成，扣合后将剪力钉的钉头进行抱合，并使用紧固螺钉进行紧固。

进一步地，所述剪力钉具有钉身和钉头，在连接套筒的中具有T形的插接槽，该插接槽和剪力钉的钉头进行配合，钉头插入插接槽，嵌入块对剪力钉和插接套筒之间的位置进行锁定。

进一步地，所述抗拉筋为热轧光圆钢筋或者螺纹钢。

抗剪-拉连接构造在钢-UHPC桥梁工程中的应用，该钢-UHPC桥梁通过支座安装并具有正弯矩区A和负弯矩区B，其特征在于：

在负弯矩区，该桥梁的上表面为桥面抗裂构造，下侧为钢混底座，以及在所述桥面抗裂构造和钢混底座中设置剪力钉、连接套筒和抗拉筋，其中抗拉筋沿顺桥向设置；

所述桥面抗裂构造为包含有钢筋网的弹性混凝土；

所述钢混底座为包含有钢筋网的超高性能混凝土，以及在超高性能混凝土内均布钢纤维；

在正弯矩区，该桥梁上侧为混凝土摊铺构造。

本发明的有益效果是：

首先，此发明相对于传统的栓钉连结方式，在支座配合处的桥梁下表进行钢混强化并形成钢混底座，使得该处的桥梁刚度有效提高，对负弯矩区的下部进行截面的增强，使得钢-UHPC结构桥梁负弯矩区的承载能力更强，抗剪-拉性能更强，这使得UHPC材料优异的力学性能可以得到更充分的利用。

其次，在上述的钢混底座中使用此种钢-UHPC结构的抗“剪-拉作用”构造的受力区域明确，受力更加合理；桥面负弯矩区局部进行铺设弹性混凝土，使得该区域的抗裂性能明显增强，使得路面不宜开裂而造成雨水侵入。

再次，此连接构造在安装方面便利快捷，施工效率高，具体来说，底座局部强化结构是在工厂内完成的，施工现场只要进行吊装和组装即可。

最后，本技术的实施很好的抑制了桥面负弯矩区开裂的发生条件，并通过弹性混凝土或者弹性沥青，增强桥面抗裂能力。

附图说明

图1为现有桥梁中正弯矩区和负弯矩区的分布示意图。

图2为现有技术中负弯矩区的顺桥向支撑示意。

图3为实施例一中抗剪-拉连接构造主视图。

图4为实施例一中抗剪-拉连接构造侧视图

图5为图4中AA剖视图。

图6为实施例一中抗剪-拉连接构造立体图。

图7为实施例一中桥墩支撑处局部视图。

图8为图7中BB断面图。

图9为图7中CC断面图。

图10为梁端的支撑示意图。

图11为实施例二中抗剪-拉连接构造立体图。

图12为图11的剖视图。

图13为实施例二中抗剪-拉连接构造立体图。

图14为图13的剖视图。

图15为实施例四中抗剪-拉连接构造立体图。

图16为实施例四中抗剪-拉连接构造的剖视图。

图17为实施例四中抗剪-拉连接构造的剖视图。

图18为图16的进一步视图。

图19为实施例四的进一步改进。

图中：

10剪力钉，11钉头，12钉身；

20连接套筒，21套筒部，211卡槽，22底座；

30热轧光圆钢筋；

00钢梁，01钢混底座，02桥面抗裂构造，03普通混凝土摊铺构造，04钢筋网，05弹性混凝土；

10’剪力钉，11’外螺纹，20’连接套筒，21’铣槽，30’螺纹钢；

20”连接套筒，21”插接槽，22”嵌入块。

具体实施方式

为利于对本发明的结构的了解，以下结合附图及实施例进行说明。

实施例一

如图3至图6所示，本发明是一种适用于钢-UHPC结构的抗“剪-拉作用”连接构造，该构造的实施以钢-UHPC结构为载体，具体来说，在钢结构的表面垂直的焊接固定一根剪力钉10，该剪力钉具有等直径的钉身和具有膨大状的钉头11，其中，钉身12为圆形、方形或多边形。钉头11为球体、圆柱体、棱柱体或者其他形状。钉头的尺寸明显大于钉身的尺寸。该剪力钉通过焊接的方式固定在钢结构上，垂直设置。

参考图6，本实施例中钉头11为球体。

如图3所示，连接套筒，该连接套筒的安装方式为插接，在该连接套筒20为碳钢零件，整体上是由套筒部21和底座22组成的，其中套筒部21为一个直径明显大于剪力钉直径的圆柱体，底座22位于该套筒部的下端。在该套筒部的中上段设置有沿着该套筒径向的卡槽211，该卡槽为球形卡槽。该卡槽211所预留的球形空间与上述的剪力钉的钉头球体进行扣合的连接，具体来说，通过球形卡槽和球体钉头的连接，完成连接套筒的固定。

以及，在该连接套筒20的外部表面设置螺纹，与混凝土进行充分的咬合。

以及，在该连接套筒20的套筒部设置有四个穿孔，其中，四个穿孔两两一组等距离均匀分布在球形卡槽的上下左右四个方位处，且，穿孔与套筒的轴向进行垂直的设置。该穿孔的作用是安装热轧光圆钢筋30，即，在上述连接套筒上插接形成四根热轧光圆钢筋。该热轧光圆钢筋具有长的长度，沿着顺桥向设置，提供抗拉力学性能。

进一步地，在热轧光圆钢筋30的端部进行90度折弯，提高抗拉性能。

进一步地，沿顺桥向方向，相邻的两根热轧圆钢筋30之间可以通过植筋焊接并连成一体，形成抗拉拔效应。

该热轧光圆钢筋的作用是提供抗拉能力，因此，也叫抗拉筋，且沿着负弯矩的顺桥向布置，可以有效的抵消部分负弯矩区的张拉应力。

如图1、图7、图10所示，基于上述的构造的一种钢-UHPC桥梁，该钢-UHPC桥梁具有正弯矩区A和负弯矩区B，其中，在负弯矩区，该桥梁断面具有钢梁00、负弯矩区内位于钢梁下侧的抗剪-拉连接构造和UHPC组成的钢混底座01、位于钢梁上侧的桥面抗裂构造02，正弯矩区内位于钢梁上侧的普通混凝土摊铺构造03。

其中，负弯矩区内，

上侧的桥面抗裂构造02包括剪力钉、钢筋网和弹性混凝土摊铺层，其中栓钉焊接在钢梁的上表面，并绑扎钢筋网，并铺设弹性混凝土形成弹性混凝土摊铺层。

位于钢梁下侧的抗剪-拉连接构造，在钢梁下表面焊接固定剪力钉10，然后将连接套筒20安装在剪力钉上，同轴线嵌套，中心对齐，然后将热轧光圆钢筋插入并固定在连接套筒的穿孔处，并绑扎钢筋网04，并铺设弹性混凝土形成弹性混凝土摊铺层，在该部位通过模板注浆形成钢混底座01，该底座为钢混结构。

该包含抗剪-拉连接构造的钢混底座结构覆盖负弯矩区。

上述的弹性混凝土摊铺层覆盖负弯矩区。

负弯矩区形成上部为弹性混凝土05、下部为刚性抗压的钢混结构的区域，可以充分发挥UHPC抗压的力学性能，其被置于钢梁的下部，这就导致抗剪-拉连接构造与UHPC的建立连接键不仅要承受巨大的剪力，还需要承受巨大的拉力。同时，上部的弹性混凝土摊铺层可以很好的适应负弯矩区反复受拉的现状，并具有较好的抗开裂性能，且自身的弹性足以解决现有桥面混凝土易开裂的问题。

上述的底座及其覆盖的抗剪-拉连接构造是在钢结构厂家预制成型的。

正弯矩区内，

上侧的桥面抗裂构造包括栓钉、钢筋网和混凝土摊铺层，其中栓钉焊接在钢梁的上表面，并绑扎钢筋网，并铺设混凝土形成混凝土摊铺层。

该正弯矩区域内的栓钉也可以采用本发明之剪力钉、连接套筒和抗拉筋的构造。

上述的桥梁上方的混凝土摊铺层和弹性混凝土摊铺层是在桥梁组成完成后，后期统一铺设施工的。其中，混凝土摊铺层位于正弯矩区的上方，充分发挥受压的特性。弹性混凝土摊铺层位于负弯矩区，可随着桥负弯矩区内的钢梁的拉伸形变而适应性形变，且在这个过程中弹性混凝土不会出现裂纹等缺陷。

上述的钢混底座可以应用在连续梁中段设置有支座的部位(图7)，也可以应用在梁端设置有支座的部位(图10)，具体来说，应用在具有支座的部位，且通过计算或者负弯矩区的长度范围，增强该支撑部位的抗弯强度。

施工建造流程:

钢结构的制造，该工艺步骤在工厂内完成，以及负弯矩区的钢梁下表面预制成型钢混底座。

运输、吊装和安装

完成钢梁施工后，对梁面标高复测；对钢桥上表面进行清理及除锈；焊接短栓钉及铺设钢筋网，对正负弯矩区进行画界限，并在正弯矩区的桥面处浇筑混凝土浆料并整平，在负弯矩区的桥面处铺设弹性混凝土材料，并养护至完成。

实施例二

另一种实施例结构，参考图11至图14，该实施结构中，该结构中，连接套筒具有改型。具体来说，该连接套筒与剪力钉之间不采用球铰嵌套的连接方式，而采用螺纹连接的方式。具体来说，将剪力钉10’的端部设置外螺纹11’，在连接套筒20’的一端对应的设置内螺纹，两者之间螺纹连接。以及，在连接套筒上铣槽21’，并焊接若干螺纹钢30’，该螺纹钢垂直与剪力钉设置。

本实施中，连接套筒采用大直径的螺纹钢进行简单加工获得，比实施例一实施成本更低。具体来说，截取预定长度的螺纹钢段，在该螺纹钢段的一端进行钻孔、套丝形成内螺纹。在螺纹钢段的另一端表面铣槽，形成定位槽。铣槽内放置并焊接若干螺纹钢，该螺纹钢垂直与钻孔设置，这是一种简单高效的加工工艺。

实施例三

另一种实施结构，该实施结构中，连接套筒是由两个对称的模块扣合形成的，具体来说，包括左半体和右半体，两者之间扣合后将剪力钉的钉头进行抱合，并使用紧固螺钉进行紧固。

以及在两个半体中设置有穿孔并安装热轧光圆钢筋，这与实施例一基本相同。

实施例四

参考图15至图18，本实施例中，栓钉采用普通型号，连接套筒20”采用优化设计，具体来说，该连接套筒整体为圆柱体，在连接套筒的中具有一个T形的插接槽21”，该插接槽用于和栓钉的钉头11进行配合，具体来说，插接槽是由横向槽和竖向槽组成的，其中横向槽用于栓钉以横向的方式切入，并在竖向槽内完成位置锁定，具体来说，锁定使用的为嵌入块22”，该嵌入块对栓钉和连接套筒之间的位置进行锁定。

在该连接套筒中钻孔并安装热轧光圆钢筋，热轧光圆钢筋沿着顺桥向设置。

进一步地，参考图19，上述的连接套筒顶部铣槽并焊接热轧光圆钢筋30，也可以起到类似的效果。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域相关技术人员对本发明的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书所确定的保护范围内。