CN104294770B - 钢-混凝土组合结构修补接缝的强化构造及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钢-超高性能混凝土组合结构修补接缝的强化构造及其方法，钢-超高性能混凝土组合结构包括钢板和超高性能混凝土层，钢-超高性能混凝土组合结构采用密集配筋，超高性能混凝土层中设置有受力钢筋，包括相互垂直的纵向受力钢筋和横向受力钢筋；受力钢筋的直径为8～16mm，同一方向相邻受力钢筋的间距为30～80mm；修补区接缝处的受力钢筋与钢板直接焊接，或通过短钢筋与钢板焊接。本发明的钢-超高性能混凝土组合结构修补接缝的强化构造采用密实配筋，将受力钢筋在接缝附近位置焊接在钢板上，结构不仅受力性能优良，能承受较大的弯拉应力，而且能强力阻止超高性能混凝土的平面内收缩，使得修补后的接缝不易再次破损。

Description

钢-混凝土组合结构修补接缝的强化构造及其方法

技术领域

本发明涉及桥梁结构的构造和维修技术及施工的技术领域，特别地，涉及一种钢-超高性能混凝土组合结构修补接缝强化构造及其应用方法。

背景技术

现有的钢桥面水泥混凝土桥面铺装层采用整体式现浇的施工方式，如图1所示，施工完成后，在钢板1上设置混凝土层21和现有铺装层5，混凝土层21中包括现有纵向加强钢筋13和现有横向加强钢筋14。由于混凝土抗拉强度很低，上述钢桥面的刚性铺装使用过程中常常出现开裂现象。

随着材料科学的进步和发展，在桥梁建筑领域出现了超高性能纤维增强混凝土，虽然采用钢-超高性能混凝土组合桥面结构后，开裂风险大大降低，但由于各种外在条件的影响，如施工差错、超载、地震损坏等，难免出现超高性能混凝土局部损坏需修补的情形。

超高性能混凝土的自身抗拉强度主要来源于混凝土内连续分布的纤维，而对于修补情形，新、老混凝土接缝处纤维是断开的，此处超高性能混凝土抗拉强度很低，另一方面，由于超高性能纤维增强混凝土全部采用细集料，其收缩远大于普通混凝土，上述两个原因将导致超高性能混凝土修补后，接缝处仍然会出现早期开裂现象，或接缝的抗拉能力很低，无法达到设计要求，在使用过程中易再次出现破损。

发明内容

本发明目的在于提供一种钢-超高性能混凝土组合结构修补接缝强化构造及其应用方法，以解决修补超高性能混凝土结构再次出现破损的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种钢-超高性能混凝土组合结构修补接缝的强化构造，钢-超高性能混凝土组合结构从下至上包括钢板和超高性能混凝土层，所述的钢-超高性能混凝土组合结构采用密实配筋，所述超高性能混凝土层中设置有受力钢筋，所述受力钢筋包括相互垂直的纵向受力钢筋和横向受力钢筋；所述受力钢筋的直径为8～16mm，同一方向相邻受力钢筋的间距为30～80mm；

所述钢-超高性能混凝土组合结构修补接缝的强化构造是根据破损区划定修补区范围，修补区范围内裸露出的横向受力钢筋长度大于10倍钢筋直径，横向受力钢筋的两端在距离纵向接缝10倍钢筋直径处被切断并被拔出，修补区边缘位置的受力钢筋与原超高性能混凝土层接缝处的所述纵向受力钢筋与钢板直接焊接，或通过短钢筋与钢板焊接，添加新的横向受力钢筋通过短钢筋焊接在钢板上，并与横向受力钢筋切段搭接焊接。

优选的，双面焊接的接缝长度不小于5倍受力钢筋直径，单面焊接不小于10倍受力钢筋直径。

优选的，所述钢板和混凝土层结合面设置有抗剪构件或采用抗剪式构造。

优选的，修补区的横截面形状为方形或矩形。

优选的，若采用单面焊，所述短钢筋的长度为10倍钢筋直径，若采用双面焊，所述短钢筋的长度为5倍钢筋直径，在受力钢筋交接处间断；纵向钢筋直接焊接在钢板上，或在修补区接缝处纵向受力钢筋下面插入短钢筋，将纵向受力钢筋通过短钢筋间接焊接于钢板；将短钢筋与新的横向受力钢筋焊接为一个整体，然后将该整体的短钢筋紧挨着切断的横向受力钢筋焊接在钢板上，将修补区切断留下的横向受力钢筋与新的横向受力钢筋搭焊在一起。

优选的，所述超高性能混凝土层由活性粉末混凝土、超高性能纤维增强混凝土或注浆超高性能混凝土中的至少任意一种浇筑而成。

上述的一种钢-超高性能混凝土组合结构修补接缝的强化构造应用于钢-超高性能混凝土组合桥面结构的修补施工方法，包括以下步骤：

A、切断拔出横向受力钢筋：以破损处为中心，划定修补区范围，将修补区纵向边界附近的超高性能混凝土和现有铺装层凿去，露出大于10倍钢筋直径长度的横向受力钢筋，在距纵向接缝10倍钢筋直径的地方将横向受力钢筋在修补区边缘两端切断，利用机器将修补区切断的横向受力钢筋拔出；修补区面积为破损处面积的2-8倍；

B、凿去修补区剩下区域的混凝土和铺装层：沿纵向钢筋方向将纵向钢筋之间的超高性能混凝土和铺装层凿去，露出受力钢筋和钢板；

C、焊接横向受力钢筋：根据A步骤中切断的横向受力钢筋长度取同长度的钢筋作为新的横向受力钢筋，在该钢筋两端下面焊接两端焊接一段短钢筋形成一个整体，将该整体的短钢筋紧挨着切断的横向钢筋处焊接于钢板上，将修补区切断留下的横向受力钢筋与新的横向受力钢筋搭焊在一起；

D、纵向钢筋焊接于钢桥面板上：在修补区周边与桥面完好混凝土层的接缝处，将纵横向的受力钢筋直接或通过短钢筋焊接在钢桥面板上；所述受力钢筋的直径为8～16mm，同一方向相邻受力钢筋的间距为30～80mm；

E、浇筑修补超高性能混凝土：在修补区浇筑超高性能混凝土，对浇筑的超高性能混凝土进行养护，采用高温蒸气养护或者自然养护。

优选的，还包括步骤：

F、浇筑铺装层：完成E步骤后，浇筑铺装层，使得结构表面平整并进行养护，完成整个修补过程。

优选的，步骤B中的焊接采用单面焊时，焊缝长度不小于10倍受力钢筋直径；采用双面焊时，焊缝长度不小于5倍受力钢筋直径。

优选的，步骤C和D中的短钢筋，当采用单面焊时其长度不小于10倍受力钢筋直径；采用双面焊时，其长度不小于5倍受力钢筋直径。

本发明具有以下有益效果：

1、密实配筋：本发明的修补接缝的钢-超高性能混凝土组合结构采用特别密实的配筋，密实配筋的结构不仅受力性能优良，能承受较大的弯拉应力，更为重要的是，在钢-超高性能混凝土组合结构中纵横向密实配筋可以强力阻止超高性能混凝土的平面内收缩，并通过高温蒸汽养护消除收缩内应力，从而进一步阻止接缝处收缩裂缝的产生。

2、钢筋与钢板焊接：本发明的修补接缝的钢-超高性能混凝土组合结构在破损处附近将超高性能混凝土凿去形成无超高性能混凝土的修补区，并在接缝位置附近，将该空白混凝土区域周边的主要受力钢筋均焊接于钢板上，使钢筋与钢板同步共同受力。

由此，接缝受拉时，钢筋应力将大幅减小，由《混凝土结构设计规范》2010版中的裂缝计算公式：

$w_{\max }=a_{\mathrm{cr}}\mathrm{\ψ}\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sq}}}{E_s}(1.9C_S+0.08\frac{d_{\mathrm{eq}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{te}}})$

其中，w_max为最大裂缝宽度，σ_sq为受拉钢筋应力，可知：

钢筋应力与裂缝宽度成线性关系，当钢筋应力大幅减小时，裂缝宽度也将大幅减小，从而提高接缝的抗拉强度。此外，将主要受力钢筋在接缝位置附近焊接在钢板之后，能更为有效地阻止超高性能混凝土在平面内收缩，使得修补后的接缝不易再次破损。

实验数据表明，在破损区域周围开凿出修补区，若不将受力钢筋焊接于钢板上，直接重新浇筑超高性能纤维增强混凝土，高温蒸养后接缝的抗拉强度仅为13.2MPa。而采用本专利方法，在接缝位置将修补区域周边的受力钢筋焊接于钢板上，再浇筑超高性能纤维增强混凝土，高温蒸养后接缝处的抗拉强度达到28MPa，远大于传统修补方法后的接缝抗拉强度。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是现有技术中一般配筋的组合桥面板结构横截面结构示意图；

图2是现有技术实施一般配筋的组合桥面板结构俯视示意图；

图3是本发明实施密集配筋的钢-超高性能混凝土组合桥面板结构俯视示意图；

图4是本发明实施例1中钢-超高性能混凝土组合桥面修补接缝强化构造的俯视示意图(未浇筑修补超高性能混凝土时的状态)；

图5是本发明实施例1中钢-超高性能混凝土组合桥面修补接缝强化构造的俯视示意图；

图6是图5的B-B向的剖视示意图；

图7是图5的A-A向的剖视示意图；

图8是本发明实施例2中钢-超高性能混凝土组合桥面修补接缝强化构造的俯视示意图(未浇筑修补超高性能混凝土时的状态)；

图9是本发明实施例2中钢-超高性能混凝土组合桥面修补接缝强化构造的俯视示意图；

图10是图9的B-B向的剖视示意图；

图11是图9的A-A向的剖视示意图；

图12是新的横向受力钢筋与短钢筋焊接整体示意图；

其中，1、钢板，2、超高性能混凝土层，21、混凝土层，3、现有超高性能混凝土层，4、修补超高性能混凝土层，5、现有铺装层，6、破损处，7、焊缝或焊点，8、短钢筋，9、接缝，10、剪力钉，11、纵向受力钢筋，12、横向受力钢筋，13、现有纵向加强钢筋，14、现有横向加强钢筋，15、钢-超高性能混凝土组合结构，16、修补区铺装层，17、新的横向受力钢筋，18、横向受力钢筋切断处。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图4至图11，本发明提供了一种修补接缝的钢-超高性能混凝土组合结构，钢-超高性能混凝土组合结构15包括位于最下部的钢板1、原先浇筑于钢板上的现有超高性能混凝土层3和开凿除去了原有混凝土和铺装层的无混凝土的修补区位置(即修补超高性能混凝土层4所浇筑的位置)，将修补区纵向边界附近的超高性能混凝土层2和铺装层5凿去，露出长度大于10倍钢筋直径的横向受力钢筋12，在距离纵向接缝10倍钢筋直径处将横向受力钢筋12两端切断并用机器拔出中间切断的横向受力钢筋12，沿纵向受力钢筋11方向凿去剩余的超高性能混凝土层2和铺装层5，修补区周边的受力钢筋与原超高性能混凝土层接缝处的纵向受力钢筋11与钢板1直接焊接，或通过短钢筋8与钢板1焊接，添加新的横向受力钢筋17通过短钢筋8焊接在钢板1上，并与横向钢筋切段搭接焊接。所述的短钢筋的长度单面焊不小于10倍钢筋直径，双面焊不小于5倍钢筋直径。

修补区面积大于破损区的面积，形状可以为方形、矩形或者圆形，都不影响本发明的实现。参见图3，修补区的修补超高性能混凝土层4中设置有密集的受力钢筋，所述受力钢筋包括相互垂直的纵向受力钢筋11和横向受力钢筋12；所述受力钢筋的直径为8～16mm，同一方向相邻受力钢筋的间距为30～80mm。

强化构造使受力钢筋与钢板同步共同受力，接缝受拉时，钢筋应力将大幅减小，由《混凝土结构设计规范》2010版中的裂缝计算公式为：

$w_{\max }=a_{\mathrm{cr}}\mathrm{\ψ}\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sq}}}{E_s}(1.9C_S+0.08\frac{d_{\mathrm{eq}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{te}}})$

其中，w_max为最大裂缝宽度，σ_sq为受拉钢筋应力。

从上述公式可知，钢筋应力与裂缝宽度成线性关系，当钢筋应力大幅减小时，裂缝宽度也将大幅减小，从而提高接缝的抗拉强度。因此，将主要受力钢筋在接缝位置附近焊接于钢板之后，使得钢筋网的刚度更大，能更为有效地阻止超高性能混凝土在平面内收缩，使得修补后的接缝不易再次破损。

所述钢板和混凝土层结合面设置有抗剪构件或采用抗剪式构造，例如在实施例中采用的剪力钉10。

所述的浇筑修补区的修补超高性能混凝土层4，可由活性粉末混凝土、超高性能纤维增强混凝土或注浆超高性能混凝土中的至少任意一种浇筑而成，都不影响本实例的实现。

以下实例一为上述本实施例的钢-超高性能混凝土组合板将受力钢筋直接焊接以及通过第一、新的加强钢筋间接焊接混合使用在钢桥面板上的施工方法，实施例二为上述本实施例的钢-超高性能混凝土组合板将受力钢筋通过第一加强钢筋间接焊接在钢桥面板上，并增加横向钢筋将纵向钢筋再次焊接在钢桥面板上的施工方法。

实施例一、

如图4～图7所示，一种本发明的修补接缝的钢-超高性能混凝土组合结构应用于钢-超高性能混凝土组合桥面结构修补的施工方法，纵向受力钢筋11紧挨着钢板1，即与钢板距离小于10mm，横向受力钢筋12在纵向受力钢筋11上面，与钢板1有一定的距离，即与钢板距离不小于10mm。具体包括以下施工步骤：

(1)切断拔出横向受力钢筋：以破损处为中心，划定修补区范围，将破损处6包围在中间，将修补区纵向边界附近的超高性能混凝土层2和现有铺装层5凿去，露出长度大于10倍钢筋直径的横向受力钢筋，在修补区边缘距修补区纵向接缝10倍钢筋直径处将横向受力钢筋的两端切断，利用机器将修补区中间切断的横向受力钢筋拔出。修补区面积为破损处面积的2-8倍。

(2)凿去修补区剩下区域的混凝土和铺装层：沿纵向钢筋方向将纵向受力钢筋11之间剩下的超高性能混凝土层2和现有铺装层5凿去，露出受力钢筋和钢板1；

(3)根据(1)步骤中切断的横向受力钢筋长度取同长度的钢筋作为新的横向受力钢筋17，在该钢筋两端下面焊接一段短钢筋8形成一个整体，将该整体的短钢筋8在紧挨着切断横向钢筋处焊接于钢板上，将修补区切断后留下的横向受力钢筋与新的横向受力钢筋17搭焊在一起；

(4)钢筋焊接于钢桥面板上：由于纵向受力钢筋11紧挨着钢板1，可将修补区接缝9位置附近的纵向受力钢筋11直接焊接在钢桥钢板1上，所述受力钢筋的直径为8～16mm，同一方向相邻受力钢筋的间距为30～80mm；

焊接要保证焊接质量和适宜的焊缝7长度，若采用单面焊，焊缝长度不小于10倍钢筋直径，若采用双面焊，焊缝长度不小于5倍钢筋直径。

(5)浇筑修补超高性能混凝土并养护：按步骤(1)和(4)方法完成强化构造后，在开凿的混凝土空白区的修补区浇筑修补超高性能混凝土层4，并对浇筑的修补超高性能混凝土层4进行高温蒸汽养护或自然养护；

(6)浇筑铺装层：完成(1)、(2)、(3)、(4)和(5)步骤后，浇筑修补区铺装层16，使得结构表面平整，进行养护，完成整个修补过程。

本实例的修补超高性能混凝土层4主要由活性粉末混凝土浇筑而成。

实施例二、

如图8～图11所示，一种本发明的修补接缝的钢-超高性能混凝土组合结构应用于钢-超高性能混凝土组合桥面结构修补的施工方法，纵向受力钢筋11和横向受力钢筋12均与钢板1有一定的距离，即与钢板距离不小于10mm。具体包括以下施工步骤：

(1)切断拔出横向受力钢筋：以破损处为中心，划定修补区范围，将破损处6包围在中间，将修补区纵向边界附近的超高性能混凝土层2和现有铺装层5凿去，露出长度大于10倍钢筋直径的横向受力钢筋，在修补区边缘距纵向接缝10倍钢筋直径处将横向受力钢筋的两端切断，利用机器将修补区切断的横向受力钢筋拔出；修补区面积为破损处面积的2-8倍。

(2)凿去修补区剩下区域的混凝土和铺装层：沿纵向钢筋方向将纵向受力钢筋11之间剩下的超高性能混凝土层2和现有铺装层5凿去，露出受力钢筋和钢板1；

(3)根据(1)步骤中切断的横向受力钢筋长度取同长度的钢筋作为新的横向受力钢筋，在该钢筋两端下面焊接两端焊接一段短钢筋8形成一个整体，将该整体的短钢筋8在紧挨着横向钢筋切断处18焊接于钢板上，将修补区切断留下的横向受力钢筋与新的横向受力钢筋17搭焊在一起；

(4)钢筋焊接于钢桥面板上：将修补区接缝9位置附近的纵向受力钢筋均通过短钢筋8焊接在钢桥面板上。

焊接要保证焊接质量和适宜的焊缝长度；若采用单面焊，焊缝长度不小于10倍钢筋直径，若采用双面焊，焊缝长度不小于5倍钢筋直径。

(5)浇筑修补超高性能混凝土并养护：按步骤(1)和(4)方法完成强化构造后，在开凿的混凝土空白区的修补区修补超高性能混凝土层4，并对浇筑的修补超高性能混凝土层4进行高温蒸汽养护；

(6)浇筑铺装层：完成(1)、(2)、(3)、(4)和(5)步骤后，浇筑修补区铺装层16，使得结构表面平整，进行养护，完成整个修补过程。

本实例的修补超高性能混凝土件主要由活性粉末混凝土浇筑而成。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钢-混凝土组合结构修补接缝的强化构造，其特征在于，钢-混凝土组合结构从下至上包括钢板和超高性能混凝土层，所述的钢-混凝土组合结构采用密实配筋，所述超高性能混凝土层中设置有受力钢筋，所述受力钢筋包括相互垂直的纵向受力钢筋和横向受力钢筋；所述受力钢筋的直径为8～16mm，同一方向相邻受力钢筋的间距为30～80mm；

所述钢-混凝土组合结构修补接缝的强化构造是根据破损区划定修补区范围，修补区范围内裸露出的横向受力钢筋长度大于10倍钢筋直径，横向受力钢筋的两端在距离纵向接缝10倍钢筋直径处被切断并被拔出，修补区边缘位置的受力钢筋与原超高性能混凝土层接缝处的所述纵向受力钢筋与钢板直接焊接，或通过短钢筋与钢板焊接，添加新的横向受力钢筋通过短钢筋焊接在钢板上，并与横向受力钢筋搭接焊接。

2.根据权利要求1所述的一种钢-混凝土组合结构修补接缝的强化构造，其特征在于，双面焊接的接缝长度不小于5倍受力钢筋直径，单面焊接不小于10倍受力钢筋直径。

3.根据权利要求1所述的一种钢-混凝土组合结构修补接缝的强化构造，其特征在于，所述钢板和混凝土层结合面设置有抗剪构件或采用抗剪式构造。

4.根据权利要求1所述的一种钢-混凝土组合结构修补接缝的强化构造，其特征在于，修补区的横截面形状为方形或矩形。

5.根据权利要求1所述的一种钢-混凝土组合结构修补接缝的强化构造，其特征在于，若采用单面焊，所述短钢筋的长度为10倍钢筋直径，若采用双面焊，所述短钢筋的长度为5倍钢筋直径，在受力钢筋交接处间断；纵向钢筋直接焊接在钢板上，或在修补区接缝处纵向受力钢筋下面插入短钢筋，将纵向受力钢筋通过短钢筋间接焊接于钢板；将短钢筋与新的横向受力钢筋焊接为一个整体，然后将该整体的短钢筋紧挨着切断的横向受力钢筋焊接在钢板上，将修补区切断留下的横向受力钢筋与新的横向受力钢筋搭焊在一起。

6.根据权利要求1所述的一种钢-混凝土组合结构修补接缝的强化构造，其特征在于，所述超高性能混凝土层由活性粉末混凝土、超高性能纤维增强混凝土或注浆纤维混凝土中的至少任意一种浇筑而成。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种钢-混凝土组合结构修补接缝的强化构造应用于钢-混凝土组合桥面结构的修补施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、切断拔出横向受力钢筋：以破损处为中心，划定修补区范围，将修补区纵向边界附近的超高性能混凝土和现有铺装层凿去，露出大于10倍钢筋直径长度的横向受力钢筋，在距纵向接缝10倍钢筋直径的地方将横向受力钢筋在修补区边缘两端切断，利用机器将修补区切断的横向受力钢筋拔出；修补区面积为破损处面积的2-8倍；

B、凿去修补区剩下区域的混凝土和铺装层：沿纵向钢筋方向将纵向钢筋之间的超高性能混凝土和铺装层凿去，露出受力钢筋和钢板；

C、焊接横向受力钢筋：根据A步骤中切断的横向受力钢筋长度取同长度的钢筋作为新的横向受力钢筋，在该钢筋两端下面焊接两端焊接一段短钢筋形成一个整体，将该整体的短钢筋紧挨着切断的横向钢筋处焊接于钢板上，将修补区切断留下的横向受力钢筋与新的横向受力钢筋搭焊在一起；

D、纵向钢筋焊接于钢桥面板上：在修补区周边与桥面完好混凝土层的接缝处，将纵横向的受力钢筋直接或通过短钢筋焊接在钢桥面板上；所述受力钢筋的直径为8～16mm，同一方向相邻受力钢筋的间距为30～80mm；

E、浇筑修补超高性能混凝土：在修补区浇筑超高性能混凝土，对浇筑的超高性能混凝土进行养护，采用高温蒸气养护或者自然养护。

8.根据权利要求7所述的钢-混凝土组合桥面结构的修补施工方法，其特征在于，还包括步骤：

F、浇筑铺装层：完成E步骤后，浇筑铺装层，使得结构表面平整并进行养护，完成整个修补过程。

9.根据权利要求7所述的钢-混凝土组合桥面结构的修补施工方法，其特征在于，步骤B中的焊接采用单面焊时，焊缝长度不小于10倍受力钢筋直径；采用双面焊时，焊缝长度不小于5倍受力钢筋直径。

10.根据权利要求7所述的钢-混凝土组合桥面结构的修补施工方法，其特征在于，步骤C和D中的短钢筋，当采用单面焊时其长度不小于10倍受力钢筋直径；采用双面焊时，其长度不小于5倍受力钢筋直径。