CN107237259B - 基于粘结栓钉群的钢纤维混凝土组合钢桥面板 - Google Patents

基于粘结栓钉群的钢纤维混凝土组合钢桥面板 Download PDF

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Abstract

一种基于粘结栓钉群的钢纤维混凝土组合钢桥面板,具有以下步骤：S1、对钢桥面板盖板采用高压气枪进行清理、喷丸处理；S2、在钢桥面板盖板上粘结设置有栓钉连接组件；S3、在粘结栓钉群的钢桥面板盖板和栓钉连接组件上现浇纤维混凝土铺装层；本发明可提高结构刚度，降低疲劳细节处的应力幅，实现正交异性钢桥面板的长寿命设计。

Description

基于粘结栓钉群的钢纤维混凝土组合钢桥面板
技术领域
本发明属于桥梁工程技术领域，具体涉及到一种基于粘结栓钉群的钢纤维混凝土组合钢桥面板，该方法主要用于提升钢桥面板疲劳性能、提高钢桥面板铺装层的耐久性、延长钢桥面板铺装层使用寿命。
背景技术
正交异性钢桥面板不仅要承受车轮荷载的直接作用，而且可以作为主梁的一部分参与共同受力，是桥梁结构的重要受力组成。正交异性钢桥面板因其自重轻、承载能力大、施工速度快、结构美观等优点，广泛应用于国内外的大、中跨径桥梁和开启桥梁中。按照传结构体系分析法，带正交异性钢桥面板的钢箱梁可分为主梁体系、桥面板体系及盖板体系。主梁体系指由盖板和纵肋组成主梁的上翼缘，是主梁的组成部分；桥面体系指盖板作为纵肋与横肋的共同上翼缘，三者组成桥面体系支承在主梁上承受桥面车轮荷载；盖板体系仅将盖板视作支承在纵肋和横肋上的各向同性连续板，直接承受车轮局部荷载，并把荷载传递给纵横肋。
正交异性钢桥面板结构构造复杂，结构构件焊接产生的残余应力，结构本身存在的缺陷及施工质量和直接承受车轮荷载的反复作用等综合因素的影响，正交异性钢桥面板易于遭受疲劳损伤，严重影响结构耐久性、降低结构的使用寿命、影响结构安全性。同时钢桥面板的疲劳裂纹检查和修复不易，并且一旦出现裂纹，修复费用十分昂贵。总之，正交异性钢桥面板易发生疲劳及有效加固方法研究已是世界各国学者致力于解决的重要工程难题。
本发明针对正交异性钢桥面板结构疲劳细节数量多、耐久性不足、检测与加固成本高的工程问题，发明一种新型栓钉连接组件，并引入材料强度高、工作性能好、施工方便的新型桥梁建筑材料——超高性能钢纤维混凝土，从而提出基于粘结栓钉群的钢纤维混凝土组合钢桥面板。该发明中提出的采用粘结新型栓钉群连接组件的组合层结构是综合考虑降低结构自重和提高结构局部刚度的最佳设计方法。该方法避免了传统焊接连接件引入的疲劳细节、通过组合设计降低了盖板处的疲劳应力水平、提高了局部刚度、改善了铺装层的受力性能。此外，新型栓钉连接组件有助于提高施工速度、保证施工质量。可见，该发明所提出的设计方法是实现正交异性桥面板长寿命设计的有效方法，也是该领域加固方式中最为经济有效的设计方法之一。
目前在已获准和已受理的专利以及国内外文献中还未发现本申请内容所涉及的基于粘结栓钉群的钢纤维混凝土组合钢桥面板。本发明针对现有工程问题和技术的不足，通过新型栓钉连接组件将超高性能钢纤维混凝土作为组合层应用于正交异性钢桥面板桥梁中。采用试验测试与分析的手段，验证本发明所提出基于粘结栓钉群的钢纤维混凝土组合钢桥面板的有效性和合理性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服正交异性钢桥面板结构中出现的典型病害,提供一种新型栓钉连接组件，通过在桥面板盖板上粘结新型栓钉连接组件，然后现浇超高性能钢纤维混凝土，从而实现桥面板盖板与超高性能钢纤维混凝土现浇层的理想组合效应的钢桥面板，可提高结构局部刚度，降低疲劳细节处的应力幅，实现正交异性钢桥面板的长寿命设计。
解决上述技术问题采用的技术方案是具有以下步骤：
S1、对钢桥面板盖板采用高压气枪进行清理、喷丸处理；
S2、在钢桥面板盖板上粘结栓钉连接组件；
S3、在粘结栓钉群的钢桥面板盖板上现浇超高性能钢纤维混凝土；
上述的栓钉连接组件为在底板上垂直设置有至少一个栓钉连接件，所述的栓钉连接件为：第一加劲板和第二加劲板之间设置有栓钉，第一加劲板和第二加劲板关于栓钉中心对称，第一加劲板和第二加劲板上加工有通孔；底板是截面形状为矩形的钢板，矩形边长为140～200mm×140～200mm，第一加劲板为直角梯形钢板，直角梯形的直角边与栓钉连接，第二加劲板与第一加劲板的结构相同。
本发明的栓钉连接组件为在底板上垂直设置有两个栓钉连接件，相邻栓钉连接件之间的距离为150mm～250mm。
本发明的栓钉连接组件为在底板上垂直设置有四个栓钉连接件，四个栓钉连接件的中心线的连线为正方形，相邻栓钉连接件之间的距离为150mm～250mm。
本发明的栓钉连接组件为在底板上垂直设置有六个栓钉连接件，六个栓钉连接件的中心线的连线为矩形，相邻栓钉连接件之间的距离为150mm～250mm。
本发明的栓钉连接组件通过环氧树脂胶粘结在钢桥面板盖板上。
本发明的环氧树脂胶的厚度为2～4mm。
本发明的纤维混凝土铺装层，设计抗压强度为120MPa～150MPa，抗拉弹性极限强度为约6MPa～8MPa，弹性模量为35～45GPa。
本发明在1m3的超高性能钢纤维混凝土中由下述质量配比的材料制成：
Figure GDA0001387553530000031
上述质量配比中，水泥是型号为PO425水泥；硅灰的颗粒分布范围为0.1～0.15μm，比表面积为15～27m2/g；标准砂或河砂的最大粒径均小于0.8mm；钢纤维是表面镀铜的钢纤维，长为13mm、直径为0.16mm，减水剂的型号为西卡减水剂，包含2种组分，A组分为西卡3301c型高效减水剂，B组分为西卡微珠粉，A组分与B组分配合使用；
上述的超高性能钢纤维混凝土制备方法为：
1)按配合比称取各干粉类材料，依次将水泥、砂、硅灰、减水剂B组分加入强制式搅拌机内，干拌5分钟，拌合均匀，制备成干料。
2)依次将二分之一的减水剂A组分、水加入干料内进行搅拌，均速搅拌5～8分钟。
3)将剩余的二分之一的减水剂A组分与水加入干料内进行搅拌，均速搅拌5～8分钟，搅拌均匀。
4)继续均速搅拌，分3～5次加入钢纤维，持续搅拌至钢纤维均匀分布，停止搅拌。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)采用超高性能钢纤维混凝土组合层替代传统混凝土铺装层，显著改善了铺装层受力性能、延长了其使用寿命。从强度角度，超高性能钢纤维混凝土铺装层抗压强度高、且具有抗拉强度，提高了直接承受车辆荷载的桥面系的耐久性和使用寿命；从受力角度，采用新型栓钉连接组件将钢桥面板与铺装层组合起来共同受力，可以满足正交异性钢桥面复杂的正、负弯矩区受力要求，同时超高性能钢纤维混凝土流动性强，施工方便，不需要振捣，养护方便；在耐久性方面，超高性能钢纤维混凝土铺装层结构密实性高，具有更优越的防水、防腐蚀、耐磨耗性能。
(2)根据正交异性钢桥面板的受力，进行栓钉群连接组件布置。该组合设计方法不仅具有优越的组合效果，保证超高性能钢纤维混凝土铺装层与盖板的共同受力，而且本发明提出的新型栓钉连接组件组没有方向性要求、施工方便快捷、成本低、容易控制施工质量。
(3)采用粘贴新型栓钉连接组件实现超高性能钢纤维混凝土与桥面板盖板的组合设计，可有效提高正交异性钢桥面板结构的受力性能。首先，采用超高性能钢纤维混凝土铺装层的组合设计不仅可以降低铺装层厚度，而且可以降低桥面板盖板的厚度，在保证结构受力要求的前提下降低结构自重。其次，采用粘贴栓钉连接组件的组合设计方法避免了传统焊接连接引入的焊接疲劳细节，保证了结构耐久性。再次，超高性能钢纤维混凝土组合层与桥面板盖板共同受力，可有效提高结构刚度、降低疲劳应力幅值尤其是盖板处、提高结构使用寿命。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图。
图2是图1中栓钉连接组件2的结构示意图。
图3是栓钉连接组件2-2的结构示意图。
图4是实施例4龄期为28天的拉伸荷载‐变形曲线。
图5是实施例4龄期为28天的拉伸试件断口的照片。
图6是栓钉连接组件2有两个栓钉连接件2-2的结构示意图。
图7是栓钉连接组件2有四个栓钉连接件2-2的结构示意图。
图中：1、钢桥面板盖板；2、栓钉连接组件；3、纤维混凝土浇筑层；2-1、底板；2-1、栓钉连接件；2-1-1、栓钉；2-2-2、第一加劲板；2-2-3、第二加劲板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
在图1、2、3中，本发明基于粘结栓钉群的钢纤维混凝土组合钢桥面板,具有以下步骤：
S1、对钢桥面板盖板1采用高压气枪进行清理、喷丸处理；
S2、在钢桥面板盖板1上粘结栓钉连接组件2；本实施例采用环氧树脂胶将栓钉连接组件2粘贴在钢桥面板盖板1上，所述的环氧树脂胶的厚度为2～4mm。进一步地，本实施例采用西卡30进行栓钉连接组件粘结，在强度方面，该粘结组合层不仅可满足结构的受力要求，而且具有高抗磨损和抗振动性能；在耐久性方面，该环氧树脂胶固化后无收缩，具有良好的耐温性，且在长期荷载下抗蠕变性高；在施工可行性方面，该环氧树脂胶容易混合和施工，可用于轻微潮湿的混凝土表面，具有足够的粘稠度；
S3、在栓钉连接组件的钢桥面板盖板1和栓钉连接组件1上现浇纤维混凝土铺装层3；本发明涉及的超高性能钢纤维混凝土铺装层3，设计抗压强度为120MPa～150MPa，抗拉弹性极限强度为约6MPa～8MPa，弹性模量为35～45GPa，与传统混凝土铺装层相比，本发明的纤维混凝土具有抗压强度高、抗拉强度高、流动性强、自密实等优点，这些优越的材料特性与栓钉连接组件2可以良好匹配，实现理想的组合效应。
上述的栓钉连接组件2为在底板2-1上垂直设置有至少一个栓钉连接件2-2，所述的栓钉连接件2-2为：第一加劲板2-2-2和第二加劲板2-2-3之间设置有栓钉2-2-1，第一加劲板2-2-2和第二加劲板2-2-3关于栓钉2-2-1中心对称，第一加劲板2-2-2和第二加劲板2-2-3上加工有通孔；底板2-1是截面形状为矩形的钢板，矩形边长尺寸为140～200mm，第一加劲板2-2-2为直角梯形钢板，直角梯形的直角边与栓钉2-2-1连接，第二加劲板2-2-3与第一加劲板2-2-2的结构相同。
本实施例1m3的超高性能钢纤维混凝土的配合比如下：
Figure GDA0001387553530000051
Figure GDA0001387553530000061
上述的水泥是型号为PO425水泥；硅灰的颗粒分布范围为0.1～0.15μm，比表面积为15-27m2/g；河砂的最大粒径均小于0.5mm；钢纤维为表面镀铜的钢纤维的长为13mm、直径为0.16mm；减水剂的型号为西卡减水剂，包含2种组分，A组分为西卡3301c型高效减水剂，B组分为西卡微珠粉，A与B两种组分配合使用可提高减水剂效果。
发明人采用本发明实施例1制备的超高性能钢纤维混凝土进行了抗压强度测试、抗拉强度测试，各种实验情况如下：
1、抗压强度测试
制备成长×宽×高为150mm×150mm×150mm的立方体试件1组、每组3个,制备长×宽×高为300mm×150mm×150mm的棱柱体试件1组、每组3个，在环境温度20℃条件下覆盖塑料薄膜养生。采用万能压力机，按照《混凝土强度检验评定标准》(GB50107-2010)的抗压强度测试方法，按照万能压力机的操作方法，测试试件28天龄期时的抗压强度。试验结果表明：3个立方体试件的平均轴心抗压强度为108.6MPa；3个棱柱体试件的平均轴心抗压强度为101.6MPa。
2、拉伸试验
制备成长×宽×厚为450mm×130mm×30mm的试件1组，每组3个，在环境温度20℃条件下覆盖塑料薄膜养生28天。采用ANS电子拉力试验机测试试件的抗拉强度。试验前将导杆引申仪、应变片布置在试件的测试标距段内。按仪器的操作方法对试件进行拉伸试验，试验前、试验后的照片如图4、图5。试验结果表明，3个试件的平均抗拉极限强度为9.04MPa。
实施例2
在图6中，本实施例的栓钉连接组件2为在底板2-1上垂直设置有两个栓钉连接件2-2，相邻栓钉连接件2-2之间的距离为150mm～250mm mm，其余各零部件以及零部件的连接关系与实施例1相同。
实施例3
在图7中，本实施例的栓钉连接组件2为在底板2-1上垂直设置有四个栓钉连接件2-2，四个栓钉连接件2-2的中心线的连线为正方形，相邻栓钉连接件2-2之间的距离为150mm～250mm，其余各零部件以及零部件的连接关系与实施例1相同。
实施例4
本实施例的栓钉连接组件2为在底板2-1上垂直设置有六个栓钉连接件2-2，六个栓钉连接件2-2的中心线的连线为矩形，相邻栓钉连接件2-2之间的距离为150mm～250mm，其余各零部件以及零部件的连接关系与实施例1相同。
实施例5
本实施例以1m3的超高性能钢纤维混凝土为例，在1m3的超高性能钢纤维混凝土中由下述质量配比的材料成：
上述的水泥是型号为PO425水泥；硅灰的颗粒分布范围为0.1～0.15μm，比表面积为15-27m2/g；标准砂的最大粒径均小于0.5mm；钢纤维为表面镀铜的钢纤维的长为13mm、直径为0.16mm；减水剂的型号为西卡减水剂，包含2种组分，A组分为西卡3301c型高效减水剂，B组分为西卡微珠粉，A与B两种组分配合使用可提高减水剂效果；水为自来水。
其制备方法与实施例1相同。
实施例6
在上述实施例1中，本实施例以1m3的超高性能钢纤维混凝土为例，在1m3的超高性能钢纤维混凝土中由下述质量配比的材料成：
Figure GDA0001387553530000072
上述的水泥是型号为PO425水泥；硅灰的颗粒分布范围为0.1～0.15μm，比表面积为15～27m2/g；标准砂的最大粒径均小于0.5mm；钢纤维为表面镀铜的钢纤维的长为13mm、直径为0.16mm；减水剂的型号为西卡减水剂，包含2种组分，A组分为西卡3301c型高效减水剂，B组分为西卡微珠粉，A与B两种组分配合使用可提高减水剂效果。
其制备方法与实施例1相同。
本发明可用于采用钢桥面板的桥梁结构，与采用传统混凝土铺装的钢桥面板相比，采用本发明中基于粘结栓钉群的钢纤维混凝土组合钢桥面板，在设计上有以下区别：(1)传统设计中，往往采用厚度35mm～80mm的混凝土铺装层或沥青混合料铺装。采用本发明提出的基于粘结栓钉群的钢纤维混凝土组合钢桥面板时，由于钢桥面板与铺装层的组合设计、超高性能钢纤维混凝土层的受力优势，可采用30mm～40mm厚的超高性能钢纤维混凝土铺装层替换传统铺装层，达到提高结构疲劳寿命且同时降低结构自重的目的；(2)采用本发明提出的基于粘结栓钉群的钢纤维混凝土组合钢桥面板时，可降低传统设计方案中的钢桥面板的盖板厚度，降低了用钢量，减轻了结构自重；(3)本发明的设计方法含传统设计中未采用的粘结栓钉群施工，以实现组合效应；(4)超高性能钢纤维混凝土的拌合方法与普通混凝土拌合方法有显著区别，应按照本发明提出的超高性能钢纤维混凝土拌合方法进行施工；由于正交异性钢桥面板桥梁受力复杂，因此本发明中所采用的栓钉连接组可根据桥梁结构形式及结构受力部位的不同，选用不同形式的栓钉连接组。
本发明的设计方法还可用于加固带疲劳裂纹的正交异性钢桥面板桥梁结构，钢桥面板直接承受车轮荷载的反复作用，各部位的应力影响线较短，车辆荷载引起的应力循环次数多。纵肋、横梁、横隔板焊接到桥面板上，焊接残余应力和应力集中影响大，且焊接质量不易保证，容易产生疲劳裂纹。采用本发明的设计方法，对既有带疲劳损伤结构进行加固可作为保证结构安全运营的重要手段，(1)检测确定疲劳裂纹的位置，然后分析确定需要加固的区域；(2)清除原有铺装层，露出疲劳裂纹，对该疲劳裂纹进行补强；(3)根据所需加固范围的面积和受力，粘结本发明所提出的新型栓钉连接组，具体采用的栓钉连接组的形式应根据桥梁具体情况进行选择；(4)现浇铺装层。该加固方法，不仅对既有疲劳裂纹进行修补，而且显著提高了加固后结构的承载能力，避免或推迟了疲劳裂纹的再次萌生和扩展，提高了结构的使用寿命。

Claims (6)

1.一种基于粘结栓钉群的钢纤维混凝土组合钢桥面板,其特征在于具有以下步骤：
S1、对钢桥面板盖板采用高压气枪进行清理、喷丸处理；
S2、在钢桥面板盖板上粘结栓钉连接组件；
S3、在粘结栓钉群的钢桥面板盖板上现浇超高性能钢纤维混凝土，所述的超高性能钢纤维混凝土浇筑铺装厚度为30～40mm；所述的超高性能钢纤维混凝土铺装层，设计抗压强度为120MPa～150MPa，抗拉弹性极限强度为6MPa～8MPa，弹性模量为35～45GPa；
上述的超高性能钢纤维混凝土每立方米由下述质量配比的材料制成：
水泥 1050～1300kg
硅灰 80～95 kg
标准砂或河砂 1500～1530 kg
钢纤维 230～240 kg
减水剂 A组分40～50 kg
减水剂 B组分200～210 kg
水 195～200 kg
上述质量配比中，水泥是型号为PO425水泥；硅灰的颗粒分布范围为0.1～0.15μm，比表面积为15～27 m2/g；标准砂或河砂的最大粒径均小于0.8mm；钢纤维是表面镀铜的钢纤维，长为13mm、直径为0.16mm，减水剂的型号为西卡减水剂，包含2种组分，A组分为西卡3301c型高效减水剂，B组分为西卡微珠粉，A组分与B组分配合使用；
上述的超高性能钢纤维混凝土制备方法为：
1）按配合比称取各干粉类材料，依次将水泥、砂、硅灰、减水剂B组分加入强制式搅拌机内，干拌5分钟，拌合均匀，制备成干料；
2）依次将二分之一的减水剂A组分、水加入干料内进行搅拌，均速搅拌5～8分钟；
3）将剩余的二分之一的减水剂A组分与水加入干料内进行搅拌，均速搅拌5～8分钟，搅拌均匀；
4）继续均速搅拌，分3～5次加入钢纤维，持续搅拌至钢纤维均匀分布，停止搅拌；
上述的栓钉连接组件为在底板上垂直设置有至少一个栓钉连接件，所述的栓钉连接件为：第一加劲板和第二加劲板之间设置有栓钉，第一加劲板和第二加劲板关于栓钉中心对称，第一加劲板和第二加劲板上加工有通孔；底板是截面形状为矩形的钢板，矩形边长为140～200mm×140～200mm，第一加劲板为直角梯形钢板，直角梯形的直角边与栓钉连接，第二加劲板与第一加劲板的结构相同。
2.根据权利要求1所述的基于粘结栓钉群的钢纤维混凝土组合钢桥面板，其特征在于：所述的栓钉连接组件为在底板上垂直设置有两个栓钉连接件，相邻栓钉连接件之间的距离为150mm～250mm。
3.根据权利要求1所述的基于粘结栓钉群的钢纤维混凝土组合钢桥面板，其特征在于：所述的栓钉连接组件为在底板上垂直设置有四个栓钉连接件，四个栓钉连接件的中心线的连线为正方形，相邻栓钉连接件之间的距离为150mm～250mm。
4.根据权利要求1所述的基于粘结栓钉群的钢纤维混凝土组合钢桥面板，其特征在于：所述的栓钉连接组件为在底板上垂直设置有六个栓钉连接件，六个栓钉连接件的中心线的连线为矩形，相邻栓钉连接件之间的距离为150mm～250mm。
5.根据权利要求1所述的基于粘结栓钉群的钢纤维混凝土组合钢桥面板，其特征在于：所述的栓钉连接组件通过环氧树脂胶粘结在钢桥面板盖板上。
6.根据权利要求5所述的基于粘结栓钉群的钢纤维混凝土组合钢桥面板，其特征在于：所述的环氧树脂胶的厚度为2～4mm。
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