CN105780637B - 波纹腹板预应力frp‑混凝土组合箱梁及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于土木工程中新材料新结构和组合结构领域，尤其涉及波纹腹板预应力FRP‑混凝土组合箱梁及其施工方法。所述组合箱梁包括FRP箱梁，顶板和底板之间相邻的波纹腹板构成一个箱梁箱室；每个箱梁箱室内均设有体外预应力筋，体外预应力筋的两端分别连接于顶板纵向两端，张拉能够使FRP箱梁沿高度方向产生预拱度，在箱梁顶部上方浇筑混凝土。在每个箱梁箱室内张拉体外预应力筋，使梁体沿高度方向产生一定预拱度，减小了FRP‑混凝土组合箱梁在车辆荷载下的下挠度，改变了以往通过增加FRP或混凝土材料用量来满足结构刚度的做法，减轻了结构自重，降低了造价，且不存在传统预应力混凝土结构的收缩徐变，预应力筋松弛等问题。

Description

波纹腹板预应力FRP-混凝土组合箱梁及其施工方法

技术领域

本发明属于土木工程中新材料新结构和组合结构领域，尤其涉及波纹腹板预应力FRP-混凝土组合箱梁及其施工方法。

背景技术

随着桥梁等基础设施的长期运营，不可避免的出现环境侵蚀，材料老化等问题，其中以钢材锈蚀，混凝土开裂，剥离等问题最为常见。尤其是在北方，除冰盐的使用导致了钢筋混凝土结构腐蚀，劣化速度进一步加剧，氯离子或其他腐蚀性物质通过混凝土微小空隙从表面层扩散至钢筋表面，从而钢筋锈蚀并膨胀，最终导致混凝土开裂，剥离和脱落。这不仅使得结构的正常使用寿命降低，维修费用增加，还可能导致结构的坍塌，带来了大量安全隐患。因此，为解决传统钢筋混凝土桥和钢桥的腐蚀，老化等问题，近年来 FRP 材料以轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳等特点已作为建筑材料在桥梁建设领域得到广泛运用。目前，国内外学者致力于将FRP材料用于桥梁上部承重结构中，包括：全FRP箱型梁和FRP-混凝土组合箱梁。由于全FRP箱梁前期投资过大，刚度低，轮压下容易冲切，局部挤压破坏等特点，于是采用FRP-混凝土组合结构则是当前桥梁建设领域的一个主要选择方向。FRP材料在FRP-混凝土组合构件中既作为底板承受拉力，亦作为模板对混凝土材料起到保护作用；而上方直接承载的混凝土材料则具有很好的抗压强度，避免下面FRP板材的冲切破坏。整个组合结构受力明确，各组成部分材料的性能得到充分发挥，从而大大提高了桥梁的安全性和耐久性。然而，由于FRP材料弹模低于传统材料的特点，致使FRP-混凝土组合箱梁的刚度仍是桥梁设计主要目标，特别是当桥梁的跨径较大时，需通过增加混凝土板层厚度或FRP板厚度、高度来提高构件的刚度，大大增加了桥梁的自重，FRP构件轻质高强的优势没有发挥出来。此外，组合构件受压区翼缘板或肋板的局部屈曲或剪切破坏；FRP-混凝土界面的粘结性能薄弱，组合界面应力集中导致的界面剥离破坏等也是亟待解决的关键问题，这些都将导致FRP-混凝土组合构件无法共同工作。目前，现有处理技术解决实际工程问题成效十分有限，制约了FRP-混凝土组合结构在桥梁工程中的应用。鉴于目前FRP-混凝土组合箱梁存在的诸多缺陷，如何开发轻质高强，安全适用，经济合理FRP-混凝土组合箱梁是当前工程建设的迫切需要。

发明内容

本发明针对现有FRP-混凝土组合梁结构厚重，整体刚度小，腹板易屈曲剪切破坏，FRP-混凝土界面薄弱和结合性能差等缺点，提供了一种结构整体变形小，承载力高、自重轻和FRP-混凝土结合界面滑移不良现象得到有效解决的新型波纹腹板预应力FRP-混凝土组合箱梁及其施工方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：波纹腹板预应力FRP-混凝土组合箱梁，包括FRP箱梁，所述FRP箱梁包括顶板、底板以及支撑连接于顶板和底板之间的若干波纹腹板，顶板和底板之间相邻的波纹腹板构成一个箱梁箱室；每个箱梁箱室内均设有体外预应力筋，体外预应力筋的两端分别连接于顶板纵向两端，张拉能够使FRP箱梁沿高度方向产生预拱度；

顶板顶面凸起有呈网格状分布的若干半椭圆球体，每个半椭圆球体上沿桥梁长度方向预留有纵向孔道、沿桥梁宽度方向预留有横向孔道；纵向孔道内穿插有纵筋，每个纵筋穿置于所有位于同一纵向直线上的纵向孔道；部分横向孔道内穿插有横筋，部分横向孔道内穿插有横向预应力筋，每个横筋和横向预应力筋分别穿置于所有位于同一横向直线上的横向孔道；纵筋、横筋以及横向预应力筋共同形成筋网；FRP箱梁的顶板上浇筑有混凝土，混凝土与FRP箱梁通过半椭圆球体以及筋网连接成一体。

具体实施时，本发明所述FRP箱梁的制作采用的是拉挤工艺，将FRP箱梁与顶板上的半椭圆球体一次成型，半椭圆球体上在需穿筋的位置预留孔道。另外，横筋增强了FRP-混凝土横向整体受力性能和混凝土层顶部受拉抗裂性能。纵筋充当构造筋，以抵抗混凝土收缩和温度开裂。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)FRP材料具有轻质高强的特点，但其因存在弹性模量低的劣势，于是在每个箱梁箱室内张拉体外预应力筋，使梁体沿高度方向产生一定预拱度，减小了FRP-混凝土组合箱梁在车辆荷载下的下挠度，改变了以往通过增加FRP或混凝土材料用量来满足结构刚度的做法，减轻了结构自重，降低了造价，且不存在传统预应力混凝土结构的收缩徐变，预应力筋松弛等问题。

(2)由于FRP材料各向异性的特点，FRP材料的剪切强度和抗拉强度仅为抗拉强度的5~20%，为避免轮载作用下腹板受压局部失稳和剪切破坏，将FRP箱梁腹板设计为波纹腹板可以提高抗剪屈曲强度和抗剪承载力，同时能将腹板设计得更薄，节省FRP材料。同时，由于腹板纵向呈波纹状，因而纵向刚度低，降低了腹板对预应力的约束，提高了预应力的施加效率。

(3)在FRP箱梁顶板的半椭圆球体内穿设纵筋、横筋以及横向预应力筋，然后在顶板上方浇筑的高性能混凝土形成组合桥面结构，增强了FRP箱梁与混凝土界面抗剥离能力，加强了FRP箱梁与混凝土的粘结能力，降低了界面应力的集中，使FRP箱梁更有效的参与工作，充分的发挥FRP的材料抗拉作用。半椭圆球体代替以往的肋板充当抗剪连接件，还能有效避免以往肋板与混凝土间隙在疲劳荷载下形成宏观界面裂纹沿着界面反射至FRP-混凝土组合箱梁表面，形成混凝土表面裂纹。

(4)在轮载作用下，FRP-混凝土组合箱梁上方局部受弯，因此横向预应力筋的设置使得混凝土底部产生一定的预压力，可以抵消混凝土弯曲下缘的拉应力，避免混凝土底部超过抗拉极限产生开裂。混凝土顶部布置的横向预应力筋以抵抗腹板上方的负弯矩区产生的拉应力，避免了混凝土从上往下受拉开裂。

附图说明

图1为本发明所述波纹腹板预应力FRP-混凝土组合箱梁的结构示意图。

图2为图1的侧视图。

图3为半椭圆球体与纵筋、横筋或横向预应力筋的连接示意图。

图4为耳块的结构示意图。

图中：1-体外预应力筋，2-混凝土，3-顶板，4-底板，5-波纹腹板，6-半椭圆球，7-纵向孔道，8-横向孔道，9-纵筋，10-横筋，11-横向预应力筋，12-侧模板，13-耳块，14-转向块。

具体实施方式

波纹腹板预应力FRP-混凝土组合箱梁，包括FRP箱梁，所述FRP箱梁包括顶板3、底板4以及支撑连接于顶板3和底板4之间的若干波纹腹板5，顶板3和底板4之间相邻的波纹腹板5构成一个箱梁箱室；每个箱梁箱室内均设有体外预应力筋1，体外预应力筋1的两端分别连接于顶板3纵向两端，张拉能够使FRP箱梁沿高度方向产生预拱度；

顶板3顶面凸起有呈网格状分布的若干半椭圆球体6，每个半椭圆球体6上沿桥梁长度方向预留有纵向孔道7、沿桥梁宽度方向预留有横向孔道8；纵向孔道7内穿插有纵筋9，每个纵筋9穿置于所有位于同一纵向直线上的纵向孔道7；部分横向孔道8内穿插有横筋10，部分横向孔道8内穿插有横向预应力筋11，每个横筋10和横向预应力筋11分别穿置于所有位于同一横向直线上的横向孔道8；纵筋9、横筋10以及横向预应力筋11共同形成筋网；FRP箱梁的顶板3上浇筑有混凝土2，混凝土2与FRP箱梁通过半椭圆球体6以及筋网连接成一体。

具体实施时，所述FRP箱梁的顶板3上方四周围设有由FRP板制成的侧模板12，每个半椭圆球体6上的横向孔道8为两个，与横筋10横向对应的侧模板12上对称的安装有若干开有通孔的耳块13；半椭圆球体6上的两横筋10端部分别通过与其对应的耳块13实现环向闭合；与横向预应力筋11横向对应的侧模板12上对称的开有预留孔道，半椭圆球体6上的两横向预应力筋11端部分别通过与其对应的预留孔道实现环向闭合。上述设置使得横筋10和横向预应力筋11与侧模板12组成统一的整体且共同工作，进一步避免了混凝土2受拉开裂。

另外，所述纵向孔道7和横向孔道8内均开设有螺纹。螺纹加大了与穿筋之间的摩擦力。

进一步本发明提供了一种体外预应力筋1的张拉结构，即FRP箱梁的底板4上安装有用于改变体外预应力筋1张拉方向的转向块14，体外预应力筋1的端部通过锚固器固定于顶板3上。

具体应用时，所述体外预应力筋1是由高强钢丝或碳纤维制成的。

进一步，所述纵筋9和横筋10是由多股连续纤维（如玻璃纤维，碳纤维等）通过基体材料（如聚酰胺树脂，聚乙烯树脂，环氧树脂等）进行充分浸渍后，通过模具拉挤成型的。

进一步，所述混凝土是由钢纤维和活性粉末混凝土制成的水泥基复合材料。该水泥基复合材料具有高强，高韧性，耐久性的优势。

另外，本发明提供了所述波纹腹板预应力FRP-混凝土组合箱梁的施工方法，其步骤为：

①. 制作带有若干半椭圆球体6的FRP箱梁；

②. 在每个箱梁箱室内张拉体体外预应力筋1，使FRP箱梁沿高度方向产生预拱度；

③. FRP箱梁的顶板3进行界面处理；

④.穿设纵筋9、横筋10以及横向预应力筋11；

⑤. 张拉横向预应力筋11，浇筑混凝土2；待混凝土2达到强度后，放松体外预应力筋1，完成波纹腹板预应力FRP-混凝土组合箱梁的制造。

另外，本发明所述施工方法还可先浇筑FRP箱梁顶板3上方的混凝土2，再张拉纵向体外预应力筋11。

具体实施时，所述界面处理为：用砂轮将FRP箱梁的顶板3上表面打磨粗化，均匀涂抹环氧树脂胶，最后撒上粒径为2~4mm的金刚砂至表面硬化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出其干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.波纹腹板预应力FRP-混凝土组合箱梁，其特征在于，包括FRP箱梁，所述FRP箱梁包括顶板（3）、底板（4）以及支撑连接于顶板（3）和底板（4）之间的若干波纹腹板（5），顶板（3）和底板（4）之间相邻的波纹腹板（5）构成一个箱梁箱室；每个箱梁箱室内均设有体外预应力筋（1），体外预应力筋（1）的两端分别连接于顶板（3）纵向两端，张拉能够使FRP箱梁沿高度方向产生预拱度；

顶板（3）顶面凸起有呈网格状分布的若干半椭圆球体（6），每个半椭圆球体（6）上沿桥梁长度方向预留有纵向孔道（7）、沿桥梁宽度方向预留有横向孔道（8）；纵向孔道（7）内穿插有纵筋（9），每个纵筋（9）穿置于所有位于同一纵向直线上的纵向孔道（7）；部分横向孔道（8）内穿插有横筋（10），部分横向孔道（8）内穿插有横向预应力筋（11），每个横筋（10）和横向预应力筋（11）分别穿置于所有位于同一横向直线上的横向孔道（8）；纵筋（9）、横筋（10）以及横向预应力筋（11）共同形成筋网；FRP箱梁的顶板（3）上浇筑有混凝土（2），混凝土（2）与FRP箱梁通过半椭圆球体（6）以及筋网连接成一体。

2.根据权利要求1所述的波纹腹板预应力FRP-混凝土组合箱梁，其特征在于，所述FRP箱梁的顶板（3）上方四周围设有由FRP板制成的侧模板（12），每个半椭圆球体（6）上的横向孔道（8）为两个，与横筋（10）横向对应的侧模板（12）上对称的安装有若干开有通孔的耳块（13）；半椭圆球体（6）上的两横筋（10）端部分别通过与其对应的耳块（13）实现环向闭合；与横向预应力筋（11）横向对应的侧模板（12）上对称的开有预留孔道，半椭圆球体（6）上的两横向预应力筋（11）端部分别通过与其对应的预留孔道实现环向闭合。

3.根据权利要求1或2所述的波纹腹板预应力FRP-混凝土组合箱梁，其特征在于，所述纵向孔道（7）和横向孔道（8）内均开设有螺纹。

4.根据权利要求3所述的波纹腹板预应力FRP-混凝土组合箱梁，其特征在于，所述FRP箱梁的底板（4）上安装有用于改变体外预应力筋（1）张拉方向的转向块（14），体外预应力筋（1）的端部通过锚固器固定于顶板（3）上。

5.根据权利要求4所述的波纹腹板预应力FRP-混凝土组合箱梁，其特征在于，所述体外预应力筋（1）是由高强钢丝或碳纤维制成的。

6.根据权利要求4或5所述的波纹腹板预应力FRP-混凝土组合箱梁，其特征在于，所述纵筋（9）和横筋（10）是由多股连续纤维通过基体材料进行充分浸渍后，通过模具拉挤成型的。

7.根据权利要求6所述的波纹腹板预应力FRP-混凝土组合箱梁，其特征在于，所述混凝土是由钢纤维和活性粉末混凝土制成的水泥基复合材料。

8.权利要求2所述波纹腹板预应力FRP-混凝土组合箱梁的施工方法，其特征在于，其步骤为：

①. 制作带有若干半椭圆球体（6）的FRP箱梁；

②. 在每个箱梁箱室内张拉体体外预应力筋（1），使FRP箱梁沿高度方向产生预拱度；

③. FRP箱梁的顶板（3）进行界面处理；

④.穿设纵筋（9）、横筋（10）以及横向预应力筋（11）；

⑤. 张拉横向预应力筋（11），浇筑混凝土（2）；待混凝土（2）达到强度后，放松体外预应力筋（1），完成波纹腹板预应力FRP-混凝土组合箱梁的制造。

9.根据权利要求8所述波纹腹板预应力FRP-混凝土组合箱梁的施工方法，其特征在于，所述界面处理为：用砂轮将FRP箱梁的顶板（3）上表面打磨粗化，均匀涂抹环氧树脂胶，最后撒上粒径为2~4mm的金刚砂至表面硬化。