一种基于有限位移的组合梁桥抗裂控制措施及设计方法与流程

1.本发明属于工程建设领域，尤其是桥梁领域，具体涉及一种钢-混组合梁桥领域，本发明解决了传统钢混组合梁负弯矩区易开裂、施工效率低和耐久性差的技术问题，具有性能可靠、构造简单、成本低、便于工厂化生产现场拼接方便，施工效率高等优势。


背景技术：

2.钢-混凝土组合结构简支梁桥，截面上缘的混凝土板处于受压状态，其下的钢结构大部分处于受拉状态，最终能发挥钢与混凝土各自力学性能有点。但是，对于连续钢混组合梁桥，中间墩附近受负弯矩作用，上缘混凝土受拉、下缘钢结构受压。一方面，受拉区混凝土开裂将影响结构的耐久性和使用性能。另一方面，下缘受压钢结构面临局部屈曲危险；尤其对于大跨度桥梁下缘受压往往需要使用很厚的钢板，将引起现场焊接困难、残余应力等一系列问题。上述问题制约了钢混组合梁结构发展应用，尤其严重影响钢混结构向大跨度方向的发展。
3.目前，为解决中间墩负弯矩区上缘混凝土受拉易开裂问题主要有三种方式：(1)对负弯矩区桥面板施加预应力。通过导入一定的压应力抵消梁桥运营时产生的拉应力，但是一部分预应力将加到钢梁上产生不利影响，一部分施加到桥面板后，由于收缩徐变的影响预应力将损失大部分，预应力施加效率受限；随着跨径增加，钢梁截面在组合结构中的比重愈来愈重，给桥面板施加预应力效果越来越小，对于大跨度钢混组合桥梁，依靠预应力解决桥面板受拉开裂问题很难做到；(2)支点升降法：采用顶推法施工时，在桥面板与钢梁结合后，降低支座使其回到设计标高后可获得纵向预应力，但是由于混凝土徐变的影响，施加的压应力将有很大损失；(3)桥面板间断施工法：采用先浇注跨中部分然后浇注支点部分，减小位于支座上部的桥面板拉应力，这种做法缺点是桥面板的施工不连续。
4.组合梁负弯矩区开裂常规解决办法存在施工繁琐、效率低、造价高等问题，因此，迫切需要一种造价低、施工便捷且能适应更大跨径、更大荷载的抗裂控制技术，防止负弯矩区混凝土板的开裂，提升结构耐久性，促进钢混组合梁桥向更大跨径发展和应用。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于有限位移的组合梁桥抗裂控制措施及设计方法。
6.本发明的目的通过以下技术方案来实现：
7.一种基于有限位移的组合梁桥抗裂控制措施，包括有限位移抗裂控制区、普通连接件区、有限位移双重控制型剪力钉、钢主梁、桥面板；
8.所述的有限位移抗裂控制区设置于墩顶负弯矩区，区域内剪力连接键采用有限位移双重控制型剪力钉；
9.所述的普通连接件区设置于正弯矩区，区域内剪力连接键采用普通剪力钉；
10.所述的钢主梁为钢板、钢箱或其他形式钢梁，处于有限位移抗裂控制区钢梁顶板
设置配套椭圆孔以便于有限位移双重控制型剪力钉的安装；
11.所述的桥面板采用预制分块桥面板或现浇桥面板，有限位移控制区内桥面板采用普通钢筋混凝土。
12.本发明的进一步技术：
13.优选的，所述的有限位移双重控制型剪力钉包括外包高分子弹性体、端板、限位板、椭圆孔、螺母、栓钉；
14.所述的栓钉穿入限位板和设置于钢梁顶板之上的椭圆孔，通过螺母与钢梁固定；所述的端板与栓钉焊接，锚固于桥面板内，所述的外包高分子弹性体包裹端板。
15.优选的，所述的外包高分子弹性体拉伸强度大于5mpa，弹性回复率大于85％，与钢材粘结强度大于5mpa。
16.本发明还提供一种基于有限位移的组合梁桥抗裂控制措施的设计计算方法为：
17.步骤(1)，确定连续组合梁结构形式，确定有限位移抗裂控制区长度a值，a＝0.15l，l为连续组合梁主跨跨径；
18.步骤(2)，计算桥梁外部荷载设计值q，得到连接件拉拔力ts；
19.步骤(3)，确定栓钉直径d、长度h以及端板宽度b
t
、厚度t1、外伸悬臂长度b0；端板处混凝土局部抗压承载力以及栓钉抗拉承载力应不低于连接件抗拔力，允许连接件端板在抗拔力较大时发生屈服形成塑性铰，据此，各尺寸具有以下关系：
20.b
t
＝d 2b0；
[0021][0022][0023][0024]
式中，ts为连接件拉拔力由计算得到，f
yw
为栓钉设计抗拉强度，fc为桥面板混凝土抗压设计强度，f
yt
为端板屈服强度，栓钉长度h的合理范围建议取200～250mm；
[0025]
步骤(4)，确定外包高分子弹性体厚度t0，t0合理范围建议取5～9mm，当处于强震区时，t0建议取较大值；
[0026]
步骤(5)，确定椭圆孔纵向长度b1，横向长度b2；
[0027]
椭圆孔纵向长度b1取决于桥面板纵向滑移需求量，控制桥面板开裂弯矩设计值所对应滑移量s恰好等于(b
1-d-2t0)/2，横向长度b2满足栓钉穿入，据此，各尺寸具有以下关系：
[0028][0029]
b2＝d 2t0[0030]
[0031][0032][0033][0034][0035]
式中，a1、a2、c、α均为待定系数，ec为混凝土弹性模量，es为钢材弹性模量，as为钢材面积，ac为混凝土桥面板面积，h混凝土和钢材各自形心轴距离,k为普通连接件区连接件产生的抗滑刚度，x取到中支点处距离；
[0036]
步骤(6)，确定限位板宽度bx，厚度t2，宽度bx≥b
t
2t0，t2≥t1。
[0037]
总体而言，本发明提供技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0038]
1、本发明采用“滑动式 柔性式”双重控制的创新思路，在设计外荷载作用下负弯矩区桥面板可与钢梁产生纵向滑动位移进而释放板内拉应力，当桥梁遇到超载、强震作用或其他超过设计荷载作用时，结构依靠外包高分子弹性体变形继续释放混凝土板内拉应力，本发明能够适应更大跨径、强震作用下钢混组合桥弯矩抗裂需求；
[0039]
2、本发明结构性能可靠、构造简单、成本低、便于工厂化生产现场拼接方便，施工效率高等优势；
[0040]
3、本发明经济、高效地解决了传统组合梁负弯矩区开裂的难题，结构简单合理、施工便捷、通用性强，除桥梁工程外，可广泛应用于其他工程建设领域，应用前景广阔。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042]
图1为本发明整体结构示意图；
[0043]
图2为图1中有限位移双重控制型剪力钉示意图；
[0044]
图3为图1中有限位移双重控制型剪力钉剖切图；
[0045]
图4为图1中有限位移双重控制型剪力钉尺寸标注示意图；
[0046]
图5为图3中椭圆孔示意图；
[0047]
图中，1-有限位移双重控制型剪力钉、2-钢主梁、3-普通连接件、4-桥面板、5-高分子弹性体、6-限位板、7-椭圆孔、8-螺母、9-钢梁顶板、10-端板、11-栓钉。
具体实施方式
[0048]
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。
[0049]
如图1-5，本发明提供一种基于有限位移的组合梁桥抗裂控制措施，包括有限位移双重控制型剪力钉1、钢主梁2、普通连接件3、桥面板4、外包高分子弹性体5、限位板6、椭圆孔7、螺母8、钢梁顶板9、端板10、栓钉11。
[0050]
所述的有限位移抗裂控制区设置于墩顶负弯矩区，区域内剪力连接键采用有限位移双重控制型剪力钉1；所述的有限位移双重控制型剪力钉1包括外包高分子弹性体5、端板10、限位板6、椭圆孔7、螺母8、栓钉11；所述的栓钉穿入限位板和设置于钢梁顶板之上的椭圆孔，通过螺母与钢梁固定；所述的端板与栓钉焊接，锚固于桥面板内，所述的外包高分子弹性体包裹端板。所述的外包高分子弹性体拉伸强度大于5mpa，弹性回复率大于85％，与钢材粘结强度大于5mpa。
[0051]
所述的普通连接件区设置于正弯矩区，区域内剪力连接键采用普通剪力钉3。
[0052]
所述的钢主梁1为钢板、钢箱或其他形式钢梁，处于有限位移抗裂控制区钢梁顶板设置配套椭圆孔7以便于有限位移双重控制型剪力钉1的安装；所述的桥面板4采用预制分块桥面板或现浇桥面板，有限位移控制区内桥面板采用普通钢筋混凝土。
[0053]
所述的有限位移双重控制型剪力钉能够释放负弯矩作用下混凝土板随着钢梁变形而产生的拉应力，所述椭圆孔纵向宽度由有限位移控制值确定；在设计外荷载作用下负弯矩区桥面板可与钢梁产生纵向滑动位移，纵向位移达到所述有限位移时，所述桥面板尚未开裂，当桥梁遇到超载、强震作用或其他超过设计荷载作用时，结构依靠所述外包高分子弹性体变形继续释放混凝土板内拉应力，从而实现对所述桥面板裂缝“滑动式 柔性式”双重控制。
[0054]
一种基于有限位移的组合梁桥抗裂控制措施的设计方法为：
[0055]
步骤(1)，确定连续组合梁结构形式，确定有限位移抗裂控制区长度a值，a＝0.15l，l为连续组合梁主跨跨径；
[0056]
步骤(2)，计算桥梁外部荷载设计值q，得到连接件拉拔力ts；
[0057]
步骤(3)，确定栓钉直径d、长度h以及端板宽度b
t
、厚度t1、外伸悬臂长度b0；端板处混凝土局部抗压承载力以及栓钉抗拉承载力应不低于连接件抗拔力，允许连接件端板在抗拔力较大时发生屈服形成塑性铰，据此，各尺寸具有以下关系：
[0058]bt
＝d 2b0；
[0059][0060]
[0061][0062]
式中，ts为连接件拉拔力由计算得到，f
yw
为栓钉设计抗拉强度，fc为桥面板混凝土抗压设计强度，f
yt
为端板屈服强度，栓钉长度h的合理范围建议取200～250mm；
[0063]
步骤(4)，确定外包高分子弹性体厚度t0，t0合理范围建议取5～9mm，当处于强震区时，t0建议取较大值；
[0064]
步骤(5)，确定椭圆孔纵向长度b1，横向长度b2；
[0065]
椭圆孔纵向长度b1取决于桥面板纵向滑移需求量，控制桥面板开裂弯矩设计值所对应滑移量s恰好等于(b
1-d-2t0)/2，横向长度b2满足栓钉穿入，据此，各尺寸具有以下关系：
[0066][0067]
b2＝d 2t0[0068][0069][0070][0071][0072][0073]
式中，a1、a2、c、α均为待定系数，ec为混凝土弹性模量，es为钢材弹性模量，as为钢材面积，ac为混凝土桥面板面积，h混凝土和钢材各自形心轴距离,k为普通连接件区连接件产生的抗滑刚度，x取到中支点处距离；
[0074]
步骤(6)，确定限位板宽度bx，厚度t2，宽度bx≥b
t
2t0，t2≥t1。
[0075]
本发明的具体实施，包括如下步骤：
[0076]
一、依据上述设计计算流程计算得到有限位移抗裂控制区范围、有限位移双重控制型剪力钉结构相关尺寸；
[0077]
二、工厂内完成钢主梁2的制造，并在有限位移抗裂控制区范围设置椭圆孔7；
[0078]
三、钢主梁1运输至设计位置后，采用采用汽车吊或履带吊分节段吊装钢主梁；
[0079]
四、安装有限位移双重控制型剪力钉，栓钉11与端板10工厂内焊接成整体后，穿入限位板6和椭圆孔7，拧紧螺母8，浇筑外包高分子弹性体5；
[0080]
五、焊接连接件3，浇筑或吊装桥面板4；
[0081]
六、完成桥面铺装等附属实施安装。
[0082]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0083]
在本发明中，除非有明确的规定和限定，特征之间相互交错，不一定独立存在。以上显示与描述包括本发明的基本原理、主要特征及其优点。从事该专业的技术人员需知，本发明不局限于上述实施例的限制，上述的实施例与说明书仅为本发明的优选例，而不是用来限制本发明，以成为唯一选择。在发明的精神和范围要求下，本发明还可进一步变化并优化，对本发明进行的改进优化都进入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护具体范围由所附的权利要求书及其等效物界定。