钢—混凝土组合梁中剪力钉的布置原则及单钉承载力的确定.pdf

6 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g 文章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 0 8 0 0 0 6 0 3 钢一 混凝 土组合梁 中剪力钉 的布置原则 及 单钉承载 力的确定 王 帆 ( 西南交通大学 土木工程学 院 ， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ) 摘 要 ： 钢一 混凝 土组合 梁 自应 用于 工程 领域 以来就备 受 关 注 ， 尤 其 经过 几 十年 的 理论 研 究和 工程 实践 ， 已经形成 了较为系统的设计理论和方法。本文以武汉鹦鹉洲长 江大桥的主梁设计为切入点， 通过参考 国内外相 关规 范 ， 介 绍 了钢一 混凝 土组合 梁在 设计 时剪 力钉单 钉承 载力 的确 定方 法 ， 并 比较 了各种 规 范 在 计 算单钉 承 载 力时所考 虑 的 因素 ， 即其 承载 力与 剪 力钉 材料 强度 、 混 凝土板 强度 和焊钉 高度 与 直径 比 值有关， 此外还介绍了各 国规范规定的剪力钉的布置原则。期望为我 国以后进一步研 究剪力钉提供 更 多的借鉴 。 关键 词 ： 连接件 组合 梁 剪力钉 承 栽力 规 范 中图分 类号 ： U 4 4 8 3 8 文献 标识 码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 - 1 9 9 5 2 0 1 3 0 8 0 2 钢一混凝土组合梁综合了钢梁和钢筋混凝土梁的 特 点 ， 且 组合 后 的性 能 超 过 了两种 材料 各 自的 力学 性 能。与钢筋混凝土梁相 比， 可 以有效地减小构件截面 尺寸 ， 减轻结构 自重 ， 减小地震作用 ， 增加有效使用空 间， 降低基础造价， 方便施工安装 ， 缩短建设周期 ， 增加 构件的延性等 ； 与钢梁相 比， 可以减小用钢量 ， 增加刚 度 ， 提高行车舒适性 ， 改善结构动力特性 ， 增强稳定性 和整体性 ， 提高结构 的抗火性和耐久 性等 。 目前 已被 广泛应 用 。 在钢一混凝土组合结构 中， 需使用连接件把两者 结合在一起 ， 其主要用于承担钢梁与混凝土桥面板 间 的剪 力 。连接 件 被 称 为 剪 力 钉 、 剪 力 键 、 剪 力 连 接 件 等 ， 最常见的连接件是圆柱头焊钉 ， 它的力学性能不具 有 方 向性 ， 即 不 必 考 虑 受 力 方 向进 行 设 置 ， 且 施 工 方 便 ， 质 量容 易保证 。对 钢一 混凝 土组合 梁 ， 目前 已作 了 大量的模型试验和仿真计算 ， 但所做 工作主要局限于 对 钢一 混凝 土结 合段 进 行 构 造 、 力 学性 能 和 承 载 力 的 验 证性 研 究 ， 而 在 设 计 施 工 应 用 中 ， 连 接 件 该 如 何 布置 ， 其承载力在设计时该如何取值 ， 我国公路行业还 未对此编制 出完善的规范或规程。本文以武汉鹦鹉洲 长江大桥的主梁设计为背景 ， 通过具体实例查找 国内 外相 关规 范 ， 并 通过 相互 比较 ， 从而 最终得 出具 有一 定 安全储备的剪力钉承载力。 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 1 0 4； 修 回日期 ： 2 0 1 3 0 4 1 5 作者简介 ： 王帆( 1 9 9 0 一 ) ， 男 ， 陕西铜川人 ， 硕士研究生。 1 工 程 概 况 武汉 鹦鹉洲 长 江大桥 位 于武汉 长江 大桥 与武汉 白 沙洲 长江 大桥 之 间 ， 北接汉 阳的马 鹦路 ， 南连 武 昌的复 兴路 ， 是武汉第 8座长江大桥和第 9条过江通道。大 桥距 下游 武汉 长江 大桥 约 2 0 k m， 距 上游 规 划 的杨 泗 港过江通 道约 3 2 k m， 距 武汉 白沙洲长 江大桥 6 3 k m。其主梁设计采用钢一混凝土组合梁 ， 梁高 3 i n ， 钢 梁采用工字 型板梁 ； 桥面板为钢筋混凝 土结构 ， 板厚 2 0 c m， 采用 C 6 0混凝土 、 ML 1 5钢剪力钉 。结合我 国 的工程经验并参考 日本相关规定 ， 钢一混凝土组合梁 中剪力 钉 直 径 应 1 9 mm， 本 桥 剪 力 钉 直 径 选 用 2 2 m m， 高度 1 4 0 m m。 2单钉抗剪承载力 我 国公路规 范 中 缺少 剪 力 钉 承 载力 的相 关 条 文 ， 剪力钉的承载力拟按我 国建筑钢结构规范 、 日本道路 桥示方书、 英国规范和欧洲规范的相关内容设计。 2 1 我 国建筑 钢结构 规范 焊钉承载力设计值 N ：=0 4 3 A E f 0 7 A 式 中E 混 凝 土弹性模 量 ； A 圆柱 头焊钉 钉杆 截面 面积 ； ， ，_一 圆柱头焊钉抗拉强度设计值 ； 2 0 1 3年第 8期 王 帆 ： 钢一 混凝 土组合梁 中剪力钉 的布置 原则 及单钉承载力 的确定 7 栓钉材 料 抗拉 强 度最 小值 与屈 服 强度 之 比 。 本 桥采 用 ML 1 5钢 ， 当栓 钉 材 料 性 能 等 级 为 4 6 级时， 取f=2 1 5 MP a ， =1 6 5 。故按本规范计算 的单 钉抗剪承载力为 9 5 5 k N。 由于我国建筑钢结构规范以极 限状态法理论为基 础， 我 国公 路钢桥设计 以容许 应力法理 论为基础 ， 取安全 系数 1 7 ， 则 单钉 抗 剪 承载 力 为 9 5 5 1 7： 5 6 2 k N。 2 2 日本 道路 桥 示方 书 关于焊钉连接件抗剪容许承 载力 的计算 ， 日 本道路桥示方书基 于焊钉高度较大 时为杆部剪切 破 坏 ， 较 小 时为混 凝 土桥 面板 割裂 破坏 的试 验 结果 ， 依 据 焊钉高径 比给出如下计算公式 T =9 4 d ( d5 5 ) T =1 7 2 d H ( H d 5 5 ， 经计 算得单钉抗剪容许承载力为 31 5 k N。 2 3英 国 B S 5 4 0 0规 范 英 国规范给出了焊钉连接件在不同强度混凝土内 的额定承载力的相关表格 ， 对于直径 2 2 mm， 高度 1 4 0 m m 的剪 力 钉 ， 混 凝 土等级 为 C 6 0 ( = 3 8 5 MP a ) ， 极 限承载能力 1 3 7 0 5 k N。由于英 国钢结构规范以极 限 状态 法 理论 为基 础 ， 且 英 国 剪力 钉 材 质 o r =3 8 5 MP a ， 我国公路钢桥设计以容许应力法理论为基础 ， 剪力钉 材质 =3 2 0 MP a ， 约 为英 国规范 的 0 8 3倍 ， 取安全 系数 1 7， 则单钉抗剪 承载力为 0 8 31 3 7 0 5 1 7= 6 7 k N。 2 4欧 洲规 范 欧 洲规 范规 定 ， 自动 焊 接 焊钉 连 接 器 直 径 不 大 于 2 2 m m时， 其设计剪切承载力取下列两式中的较小值 ： _ 0 ( ) P R d=0 2 9 o d 以 E T 当 H d 4时 ， 取 a=1 ； 3 H d 4时 ， 取 O l = 0 2 ( H d+1 ) 。 式中d 焊钉直径 ， mm； 焊钉材料 的极 限抗拉强度 ， N m m ， 但不 大 于 5 0 0 N mm ； 厶混凝土圆柱体抗压强度标准值 ， N m m ； E 混凝土割线模量平均值 ， N mm ； 7 破 坏 极 限状 态 时 的安 全 分 项 系数 ， 按 欧 洲 规 范取 1 2 5 ； 焊钉 总 高度 ， n l m。 根据国家标准 电弧螺柱焊用圆柱头焊 钉( G B T 1 0 4 3 3 -2 0 0 2 ) ， 焊 钉 材 料 的极 限 抗 拉 强 度 取 4 0 0 N m m ， 混凝土圆柱体抗压强度标 准值近似按 公路 钢筋 混凝 土 及 预 应力 混 凝 土 桥 涵设 计 规 范( J T G D 6 2 -2 0 0 4 ) 中表 3 1 3取 为 3 8 5 N mm ， 割 线 模 量平均值近似按 表 3 1 5取为 3 6 01 0 N mm 。由 以上数据和公式可计算出单根焊钉的抗剪承载力约为 9 7 3 k N。 由于欧 洲 规 范 以极 限状 态 法 理论 为 基 础 ， 我 国公 路钢桥设 计 以容许 应力法 理论 为基础 ， 取安 全系数 1 7 ， 则单钉抗剪承载力为 9 7 3 1 7= 5 7 k N 。 综合各 国规范的规定 ， 单钉承载力 与焊钉材料强 度、 混凝土板强度 和焊钉高度与直径 比值有关 。本桥 采用 C 6 0混凝土板、 ML 1 5钢剪力钉 ， 依据我 国建筑钢 结 构 规 范 和 欧 洲 规 范 ， 剪 力 钉 的 极 限 承 载 力 取 决 于 ML 1 5钢的材料强度 ； 依据 13本规范和欧洲规范 ， 当焊 钉 高度 与 直 径 比 ( H d ) 达 到 一 定 比值 时 (日本 规 范 H d 5 5 ， 欧洲规 范 H d 4 ) ， 单钉承载力 与焊钉 高 度无关。本桥 中剪力钉 高度与直径 的 比值 ( H d ) 为 6 3 ， 可以认为随着剪力钉高度变化 ， 剪力钉承载力变 化不大。最终通过相关科研试验 ， 并综合各 国规范计 算结果( 我国建筑钢结构规范和欧洲规范与实验数据 吻合较好 ) ， 单钉承载力取 5 0 k N。 3 主梁 剪力钉数 量的初步估算 鹦鹉 洲 大 桥 主 梁 最 大 剪 力 Q=3 7 0 0 k N， 主 梁 抗 剪宽 度 b =0 6 I n 。 组合截面( 图 1 ) 性质 ： 钢梁截面( 6 0 2 4+ 2 3 5 9 1 6+1 0 0 4 )e m 。 ； 混凝 土截 面 ( 1 1 0 2 0 )e m 。 组合截面的惯性距 ， = 2 6 0 1 0 9 9 7 e m 混凝 土截 面对 组合 截 面 中性 轴 的面积 矩 S ： 1 0 6 2 6 m 混凝 土板 和钢 梁交 接 面的剪 应力 为 Jr ： ： 2 5 2 MPa D 由于剪力钉的中心距为 1 5 0 mm， 则横向每排剪力 钉承受剪力的面积范围为 A= 0 1 5 0 6=0 0 9 I n 每排 剪力 钉承 受 的总剪 力为 Q = A =2 2 6 8 k N 单 个剪 力 钉 的承载 力为 Q =5 0 k N 8 铁道建筑 图 1 主梁截面( 单位 ： c m) 故组合梁钢梁上翼缘板横 向每排应该布置剪力钉 的数 目为 n=Q ， Q =2 2 6 8 5 0=4 5 当然 ， 的最终取值要考虑到一定的安全储备 。 4剪力钉布置原则 日本道路桥示方书 规定 ： 剪力钉 的最大间距不 得超过混凝土板厚的 3倍 ， 并且不得大于 6 0 c m； 剪力 5 结 语 钉的桥轴方向的最小 间距为 5 d ( d为剪力钉的直径 ) 或 1 0 c m； 剪力 钉 的横 桥 向最小 间距 大 于 d+3 c m； 剪 力钉到钢梁翼板边缘的最小净距离不得小于 2 5 c m。 该桥部分主梁钢梁上翼缘剪力钉布置如图 2 。最 大 间距 为 2 4 5 c m， 未 超过 混凝 土板厚 ( 最小 厚度 为 1 6 c m) 的 3倍 ， 且 5 d ( 1 1 c m) 或 1 0 c m； 横桥向最小间距大于 d+ 3 c m或 5 2(3 m； 剪力钉 到钢梁翼板边 缘的最小净 距 离为 1 0 c m， 2 5 c m。 同时， 对照英国规范对剪力钉布置的规定 ， 最大中 心 距不 小于 以下 三 者 最 值 ： 6 0 0 m m、 混 凝 土 板 厚 的 3 倍 、 栓钉高度 的4倍 ； 且纵向不大于 2 5倍上翼缘钢板 厚 ， 横向不大于 4 0倍上翼缘钢板厚 ， 即最大中心距 ： 纵 向应 5 6 c m， 横 向应 5 6 c m。在 此 桥 主梁 中剪 力 钉 最大间距为 2 4 5 c m， 满足规范规定 。此外 ， 我 国建筑 钢结构规范规定剪力钉在布置时最大 中心距不大于 4 t ( t 为混凝土板厚) ， 最小 中心距在纵 向不小于 6 d ， 横 向不 小于 4 d ( d为剪 力钉 直径 ) 。 综上所述 ， 本桥剪力钉布置满足构造要求。 l 1 I l I I j 1 I I I J _L L L 1 I I 1 兀 l l 1 L l j l l l l J l I 1 I 】 【 I I I I 工 工 I - _ T T T T T r T T 1 1 T T j U L 二 二 i T T T 1 I f T 1 T T 1 I 】 【 T 1 T】 1 I I 。 _ _t 一 二 垂 十 1 I f f H + - f 只= = _ 一 。r T H I厂 、 广 _ L =工 l I ! _ L L 一 一 l J I j 卜 _ 【 L 寸 什 1 【J - J 1 1 T 】 _ I I I T H J 】 l【 1 _ r _ I I I i _ I I I n I I 一 t o 。 4 1 5 0, 2 0 0 1 5 0 r 一 1 3 1 2 0【 图 2 主梁部分剪力钉布置 ( 单位 ： m m) 抗剪 连接 件作 为保证 钢 梁与混 凝土板 共 同受力 的 关键部件 ， 在设计时必须着重考虑。本文结合 国内外 相关规 范， 以武汉鹦鹉洲 长江大桥 为实例介绍 了在 钢一混凝土组合梁设计中， 剪力钉单钉承载力的取值 以及 布置准则 ， 为 以后 的剪力钉设计 及研究积 累 了 经 验 。 参 考 文 献 1 刘玉擎 组合结构桥梁 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 5 2 葛胜锦 ， 余培玉 ， 刘士林 基 于欧洲标准 的钢一混凝 土组 合 桥梁设计 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 1 0 3 贾小鹏 ， 刘德军 ， 李小珍 ， 等 钢一 混凝 土混 合结 构在桥梁 中 的应用 J 铁道 建筑 ， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 8 1 1 4 中华人 民共和 国建设部 G B 5 0 0 1 7 -2 0 0 3 钢 结构设 计规 范 s 北 京 ： 中国计划 出版社 ， 2 0 0 3 5 中华人民共和 国交通 部 J T J O 2 5 8 6 公 路桥涵钢 结构及 木结构设计规范 s 北 京 ： 人 民交通 出版社 ， 1 9 8 6 6 中华人 民共和 国国家标 准 G B T 1 0 4 3 3 -2 0 0 2 电弧螺 柱 焊用 圆柱头焊钉 s 北 京 ： 中国标准 出版社 ， 2 0 0 2 7 中华人 民共和 国交通部 J T G D 6 2 -2 0 0 4 公路钢筋混凝 土 及预应力混凝土 桥 涵设 计 规 范 s 北 京 ： 人 民交 通 出 版社 ， 2 0 04 ( 责任审编 孟庆伶)