CN101012636A - 钢-混凝土组合桥面板 - Google Patents

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梁健
范碧琨
牟廷敏
林其均
朱学雷
钟川剑
田波
郑旭峰
蒋自强
黎志忠
李劲松
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Abstract

本发明公开了一种钢—混凝土组合桥面板，该桥面板具有重量轻、用钢量少的特点。它包括：桥面梁，由间隔设置的纵梁、横梁固定连接形成格子型梁架；钢底板，在桥面梁每一个格子的上方各设置一个，各钢底板与纵梁、横梁固定连接；抗剪板，沿桥面板的纵向间隔设置，抗剪板与钢底板焊接；钢筋混凝土层，浇筑在钢底板上。本发明的有益效果是，钢底板、钢筋混凝土层与格子型梁架连接，提高了桥梁整体刚度，在相同承载力条件下，能较大幅度地降低桥面板重量和用钢量，从而有利于降低桥梁的造价；具有行车舒适、抗风性好的技术特点，特别适合用作大型桥梁和特大桥梁的桥面板。

Description

钢-混凝土组合桥面板
技术领域
本发明涉及桥梁，特别涉及桥梁的桥面板。
背景技术
在桥梁的结构中，通常采用的桥面板构造有混凝土桥面板、叠合桥面板和钢桥面板。混凝土桥面板和叠合桥面板自重较大，致使桥梁总体恒载相对偏大，造成桥梁安装困难，影响了桥梁整体的经济性；而钢桥面板虽然自重较轻，但从国内应用的情况来看，设计、施工难度较大，实际使用中鲜有达到预期效果者，且钢材用量大、铺装层材料单价高，造成总体造价偏高。因此，为使桥面兼具重量轻、用钢量少、工程总体费用低的特点，采用钢-混凝土组合桥面板是途径之一，这种结构能充分发挥钢材和混凝土各自的力学优点，使结构达到最合理状态。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种钢-混凝土组合桥面板，该桥面板在相同承载力条件下，具有重量轻、用钢量少的特点，从而有利于降低桥梁的造价。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明的钢-混凝土组合桥面板，其特征是它包括：桥面梁，由间隔设置的纵梁、横梁固定连接形成格子型梁架；钢底板，在桥面梁每一个格子的上方各设置一个，各钢底板与纵梁、横梁固定连接；c.抗剪板，沿桥面板的纵向间隔设置，抗剪板与钢底板焊接；d.钢筋混凝土层，浇筑在钢底板上。
作为本发明的一种优选方案，所述抗剪板的板面上间隔开孔，孔内穿钢筋混凝土层的钢筋，钢筋混凝土层的钢筋网铺设在抗剪板的顶面上。抗剪板加劲了钢底板，且有利于浇筑钢筋混凝土层。
作为对上述一种优选方案的进一步优化，所述纵梁、横梁的顶面上，在相邻钢底板之间的设置有与纵梁、横梁固定连接为一体的若干个剪力钉。即采用了带孔钢板和剪力钉混合抗剪器，以充分发挥了两种抗剪器的力学性能，既提高了桥面板组合结构的抗剪能力，又提高了极限屈服时的滑移量。
本发明的有益效果是，钢底板、钢筋混凝土层与格子型梁架连接，提高了桥梁整体刚度，在相同承载力条件下，能较大幅度地降低桥面板重量和用钢量，从而有利于降低桥梁的造价；具有行车舒适、抗风性好的技术特点，特别适合用作大型桥梁和特大桥梁的桥面板。
附图说明
本说明书包括如下四幅附图：
图1是本发明钢-混凝土组合桥面板的横截面结构示意图；
图2是本发明钢-混凝土组合桥面板中格子型梁架的结构示意图；
图3是本发明钢-混凝土组合桥面板实施例1的总体布置图；
图4是本发明钢-混凝土组合桥面板实施例1中格子型梁架的结构示意图。
图中零部件、部位名称及所对应的标记：主纵梁10、次纵梁11、主横梁20、次横梁21、钢底板30、剪力钉40、抗剪板50、钢筋混凝土层60、改性沥青混凝土层61。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
参照图1和图2，本发明的钢-混凝土组合桥面板包括：桥面梁，由间隔设置的纵梁、横梁固定连接形成格子型梁架；钢底板30，在桥面梁每一个格子的上方各设置一个，各钢底板30与纵梁、横梁固定连接；抗剪板50，沿桥面板的纵向间隔设置，抗剪板50与钢底板30焊接；钢筋混凝土层60，浇筑在钢底板30上。由于钢底板30、钢筋混凝土层60与格子型梁架连接，提高了桥梁整体刚度，在相同承载力条件下，能较大幅度地降低桥面板重量和用钢量，从而有利于降低桥梁的造价；具有行车舒适、抗风性好的技术特点，特别适合用作大型桥梁和特大桥梁的桥面板。
参照图1，作为一种优选的实施方式，所述抗剪板50的板面上间隔开孔，孔内穿钢筋混凝土层60的钢筋，钢筋混凝土层60的钢筋网铺设在抗剪板50的顶面上。所述纵梁、横梁的顶面上，在相邻钢底板30之间的设置有与纵梁、横梁固定连接为一体的若干个剪力钉40。带孔钢板抗剪板50和剪力钉40构成混合抗剪器，可充分发挥了两种抗剪器的力学性能，既提高了桥面板组合结构的抗剪能力，又提高了极限屈服时的滑移量。参照图1和图2，通常，所述剪力钉40在各纵梁上横向间隔设置至少两排，在各横梁上纵向间隔设置至少两排。除此之外，为提高钢底板30的结构强度，以使其在浇筑钢筋混凝土时的承载力，参照图1，所述各钢底板30周边与纵梁、横梁的顶面焊接，各钢底板30的中部相对于周边上凸。
实施例：
图3中示出的申请人应用上述本发明钢-混凝土组合桥面板技术设计的一桥梁实例。参照图3，桥型采用了造型别致、线形优美的钢拱-连续梁协作体系桥。该桥的设计荷载：汽车-超20级，挂-120级；局部构件用城-A荷载标准验算；人群荷载按规范取值；桥梁全桥宽48.6m(净2×15m车行道，净2×6m人行道)。
该桥全长1322.2m，主跨组合跨径为300m，由主拱、副拱及拱顶合并段的箱型截面组合拱圈组成；两岸边跨半拱跨径53.2m的抛物线的箱型截面拱圈，箱内灌注C40混凝土。钢箱与混凝土间采用PBL抗剪器锚固连接；拱上采用“H”形断面的钢立柱。主、副拱肋及边拱肋每隔两个吊杆(立柱)间距设一道管式横撑，全桥共14道，边拱肋间横撑及边拱肋端横梁内灌注混凝土。
两岸边跨预应力混凝土连续梁，端部梁高2.5m，根部梁高6.0m，桥面宽48.6m，为了外形与主桥边跨匹配，主梁采用了肋板式截面。连续梁纵肋与钢拱肋及两者桥面板均为固结连接。
桥面梁由三道主纵梁10(即钢系杆)、两道次纵梁11与主横梁20、次横梁21组成格子梁架。主纵梁10间距为17.2m，两主纵梁10间中心处，设置了一道次纵梁11。吊杆或立柱处设置了主横梁20，两道主横梁20间设置了四道次横梁21。
钢系杆既为平衡主拱拱脚水平推力的受拉构件，同时也为桥面主纵梁10，其断面采用1.2×2.2m箱型截面，箱内顶底板及腹板均设置了纵向加劲肋。在每根吊杆及立柱处，设置了横向“工”字形主横梁20，梁高为2.2m，腹板厚16mm，上翼缘宽600mm、板厚16mm，下翼缘宽800mm、板厚18mm。在吊杆和立柱间，设置了横向“工”字形次横梁21，梁高为1.2m，腹板厚16mm，上翼缘宽600mm、板厚16mm，下翼缘宽600mm、板厚20mm。
在桥面梁每一个格子的上方各设置一个8毫米厚的钢底板30，各钢底板30与纵梁(主纵梁10、次纵梁11)、横梁(主横梁20、次横梁21)焊接。沿桥纵向每隔40cm设置一条与钢底板30焊接的抗剪板50。抗剪板50采用PBL型抗剪器，其高为10cm，开孔间距为10cm，开孔直径为4cm，孔内穿钢筋混凝土层60的Φ12mm钢筋，抗剪板50顶面铺设钢筋混凝土层60钢筋网，再现浇C40钢纤维混凝土，最小板厚12cm，梁顶最大板厚为20cm。钢筋混凝土层60的顶面再铺装采用5cm的改性沥青混凝土；连续梁桥面铺装为5cm厚改性沥青混凝土加6cm厚C40防水混凝土调平层。该桥采用开孔钢板型剪力连接件，桥面板混凝土层厚度仅12cm，厚度大幅度低于传统的混凝土桥面板和叠合桥面板。
申请人在设计过程中对本发明钢-混凝土组合桥面板进行了全面的试验研究。
一、正弯矩模型试验
1、试验条件
承受正弯矩钢-混凝土组合桥面板的模型与实桥比例为1∶1，实际构件的大小为：2400×6000mm。模型的边界条件取板的两长边简支，模型在试验过程中，支承条件一边采用转动支座，一边采用四氟乙烯板来模拟可以纵向移动的支座。
2、静、动试验
    静载试验     疲劳试验
    工况     加载值(kN)     工况     加载值(kN)
    1     0     1     5.48
    2     50     2     50.00
    3     100     3     100.00
    4     150     4     150.00
    5     180     5     168.20
    6     210     6     0
    7     230 附注：每级荷载均应测试中间值
    8     0
3、破坏试验
  第一循环破坏试验工况     第二循环破坏试验工况
工况     加载值(kN) 说明 工况     加载值(kN) 说明
  1     0   测试初始值     1     0     测试初始值
  2     50   测试中间值     2     100     测试中间值
  3     100   测试中间值     3     200     测试中间值
  4     180   测试中间值     4     400     测试中间值
5 230   相应于静载再超载10％ 5 600 测试中间值
  6     300   测试中间值     6     800     测试中间值
  7     400   测试中间值     7     1200     测试中间值
  8     500   测试中间值     8     1600     测试中间值
  9     600   测试中间值     9     1900     测试中间值
  10     700   测试中间值     10     2000     测试中间值
  11     800   测试中间值     11     2100     测试中间值
  12     0   归零     12     2150     测试中间值
4、试验结论
通过对钢-混凝土组合桥面板承受正弯矩模型的静载、疲劳和破坏试验以及结果分析，可以得知：
(1)、在超载10％的静力设计荷载作用下，模型最大挠度为1.30mm，为模型计算跨度的1/1692；最大挠度点的荷载-变形曲线基本成线性变化趋势，与理论计算结果基本一致；且混凝土和钢板的应变基本呈线性变化，且与计算值符合较好。
(2)、在疲劳荷载作用下，钢板底面和混凝土顶面的应变几乎没有增长，钢板的最大拉应力为24.39MPa、混凝土的最大压应力为4.06MPa；结构的最大挠度从静力时的0.67mm增长到0.80mm，总增长幅度达到19％，但从1万次到200万次时增长幅度较小(仅2.6％)，说明板的整体工作性能良好，刚度降低小；
(3)、在破坏加载阶段，构件的荷载-挠度曲线基本上呈曲线变化，当荷载达到1950kN时，最大挠度为21mm；钢板在1400kN时开始屈服，PBL剪力连接件在1500kN时达到屈服强度，模型的破坏荷载为2200kN。
试验表明本发明的钢-混凝土组合桥面板具有良好的静力、疲劳工作性能，极限承载力高。
二、负弯矩模型试验
1、试验条件
由于模型比例为1∶1，通过分析，取模型A试验构件的尺寸为：2400mm×5000mm。模型A的边界条件取梁两端简支，在模型中梁两端各设置一根与中梁横截面完全一致的端梁，中梁长5000mm，端梁长1100mm，中梁和端梁的连接方式和实桥一致，用高强螺栓和拼接板将中梁和端梁拼接在一起，端梁端部500mm部分用一1700×1800×900mm的混凝土墙包裹，使中梁形成简支结构。详细结构尺寸见模型A施工图。
2、荷载试验值
模型的试验设计荷载列于下表
实际结构施加荷载 单点试验设计荷载(kN)     加载点间距(mm)   千斤顶加载值(kN)
550kN静载+铺装层自重 静载     41.83 1940   83.66
200kN疲劳车+铺装层自重 疲劳上限Pp-max     31.76   63.52
300kN疲劳车+铺装层自重     39.14   78.28
550kN疲劳车+铺装层自重     41.83   83.66
铺装层自重 疲劳下限Pp-min     1.67   3.33
3、试验结论
1、应力-荷载曲线呈线性关系，结构在设计荷载作用下处于弹性工作。混凝土顶板的开裂荷载约为79.37kN，仅在结构内部形成微小裂缝。
2、在疲劳荷载作用下，钢结构测点的应力-荷载曲线呈线性关系，均远低于其屈服强度，处于弹性工作阶段；在经过1万次疲劳循环加载后，在63.52kN荷载级作用下，混凝土顶板出现4条纵向裂缝裂缝位于悬臂板的变截面处，最大纵向裂缝宽度为0.04mm；经过200万次疲劳加载后，混凝土顶面裂缝纵向最大宽度达0.05mm；经过300万次疲劳加载，混凝土顶面裂缝纵向最大宽度达0.055mm。
3、混凝土的裂缝宽度随荷载的增大而扩大，且出现新的裂缝，在393kN荷载下，最大纵向裂缝宽度达0.2mm；在632kN荷载下最大纵向裂缝宽度为0.4mm。极限破坏荷载为1750kN，表现出很高的承载力。计算结果与试验值符合较好。
试验表明本发明的钢-混凝土组合桥面板结构具有较好的静力、疲劳工作性能，极限承载力高，满足设计要求。
三、工程经济性比较
通过对设计、试验研究、分析比较，本发明的钢-混凝土组合桥面板具有以下特点：
1、桥面结构重量较轻，对同规模桥梁桥面梁重量比较如下：
  桥面梁类型     混凝土桥面板     叠合桥面板     钢桥面板    钢-混凝土桥面板
  重量(kg/m2)     2196     1069     436    473
2、桥面板工程造价相对较低，根据国内同类型桥梁桥面梁比较如下：
类型用量(kg/m2) 混凝土桥面板 叠合桥面板 钢桥面板    钢-混凝土桥面板
型钢用量     0     91.7     435.9    205.7
钢筋用量     176.8     108.4     0    34.9
预应力束用量     39.3     26.8     0    0
混凝土用量     0.796     0.337     0    0.093
附注：①桥面板面积计入人行道宽度；②未计入沥青混凝土铺装用量
经过比较可以看出，本发明的钢-混凝土组合桥面板具有重量轻、用钢量少、工程总体费用低特点。

Claims (5)

1.钢-混凝土组合桥面板，其特征是它包括：
a.桥面梁，由间隔设置的纵梁、横梁固定连接形成格子型梁架；
b.钢底板(30)，在桥面梁每一个格子的上方各设置一个，各钢底板(30)与纵梁、横梁固定连接；
c.抗剪板(50)，沿桥面板的纵向间隔设置，抗剪板(50)与钢底板(30)焊接；
d.钢筋混凝土层(60)，浇筑在钢底板(30)上。
2.如权利要求1所述的钢一混凝土组合桥面板，其特征是：所述抗剪板(50)的板面上间隔开孔，孔内穿钢筋混凝土层(60)的钢筋，钢筋混凝土层(60)的钢筋网铺设在抗剪板(50)的顶面上。
3.如权利要求2所述的钢一混凝土组合桥面板，其特征是：所述所述纵梁、横梁的顶面上，在相邻钢底板(30)之间的设置有与纵梁、横梁固定连接为一体的若干个剪力钉(40)。
4.如权利要求3所述的钢-混凝土组合桥面板，其特征是：所述剪力钉(40)在各纵梁上横向间隔设置至少两排，在各横梁上纵向间隔设置至少两排。
5.如权利要求1、2或3所述的钢-混凝土组合桥面板，其特征是：所述各钢底板(30)周边与与纵梁、横梁的顶面焊接，各钢底板(30)的中部相对于周边上凸。
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