CN107268889A - 预应力铝‑混组合桁架梁及其施工方法 - Google Patents

预应力铝‑混组合桁架梁及其施工方法 Download PDF

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Abstract

一种预应力铝‑混组合桁架梁，其特征在于，其至少一个桁架梁采用预应力铝合金‑混凝土组合桁架梁。优选地，其受压上主桁内灌注混凝土；在下主桁和斜杆内部空间内设置预应力筋；在上主桁节点处设置预应力锚固点。优选地，包括承力面板体系、纵向预应力铝合金‑混凝土组合桁架梁、横撑及预应力筋锚固体系；上下主桁设置为双层或单层面板结构体系。根据本发明的预应力铝‑混组合桁架梁，在与传统桁架梁承载工况相同的情况下，本身的自重明显减轻，使用寿命明显延长，本身造价下降，安装周期缩短，而且维护成本大幅降低。

Description

预应力铝-混组合桁架梁及其施工方法
技术领域
本发明涉及一种预应力铝-混组合桁架梁及其施工方法，用于建造梁桥或建筑结构，尤其是一种新型的铝合金-混凝土组合桁架桥梁的承载结构，属于桥梁工程和建筑工程领域。
根据本发明的预应力铝-混组合桁架梁可以是预制件，也可以现场组焊或组装部件，可以是一榀组合桁架，也可以为通过横撑连接的多榀组合桁架，其结构适用于所有的桥梁和建筑结构承载结构，与桥梁建造的选址无关，与建桥处的地质构造无关，与建桥处的地形无关，与建桥处的水文环境无关。
换句话说，本发明不属于不可移动的建筑物。也就是说，本发明仅仅涉及一种新型的桥梁和建筑结构承载桁架，而不是特定的桥梁和建筑结构。
背景技术
现有技术中，铝合金构件在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。一般工业与民用建筑和构筑物也大量推广这种铝合金结构，并通过《铝合金结构工程施工质量验收规范》GB50576-2010和《铝合金结构设计规范》(GB50429-2007)等技术规范加以约束。然而，一般桁架梁桥的结构承载构件常采用钢桁架，以铝合金制作的实例桥梁未见报道，特别是，预应力铝-混组合桁架梁结构，这种组合结构形式在现有建筑结构规范中尚未有相应条文。
限制铝制构件在桥梁结构中发展的重要原因可归结为铝合金的材料性能和焊接性能。因为铝合金弹性模量为6.9x103MPa，约为钢材弹模2.1x104MPa的0.3倍，且其抗压、抗拉强度一般小于钢材，塑性变形也大，此材料性能限制了该类型材料在桥梁和建筑结构中作为承重结构构件的发展。但是，铝合金的密度为2705kg/m3，仅为钢材的1/3，铝合金拉伸强度可达440-500MPa，甚至铝-锌-镁铝合金拉伸强度达到886MPa，已超过现有桥梁和建筑结构的常规结构钢。这一材料性能的改进使得铝合金能够在大跨度桥梁和建筑结构替代钢材，并且，在相同几何参数下，预应力铝-混组合结构体系较预应力钢-混组合结构体系自重轻、强度高，节省了材料用量。
现有技术条件下，钢桁架结构体系一般采用薄壁构件通过节点板进行连接。在受压情况下，薄壁构件容易发生局部屈曲。为了解决这一问题，在钢薄壁构件内部或外部都采用灌注混凝土。铝制受压构件也可以在板厚经济条件限制下采用内灌或外包混凝土，铝合金和混凝土协同工作，会有效增大构件整体弯曲刚度和抗压承载力。利用受拉主桁杆件和斜杆设置钢绞线或FRP等预应力筋，可大大提高了结构体系整体性，使得受拉侧抗拉承载力增大。
然而，现有技术中，还从来没有出现过以预应力铝-混凝土结构作为杆件元素的桥梁承载桁架。事实上，现有技术中，本领域的技术人员形成了单纯以钢桁架或钢-混组合结构等传统思维的惯性，难以克服传统技术的偏见，更难以想到以预应力铝-混组合结构为主体的桥梁承载桁架。
特别是，即使想到以预应力铝-混组合结构作为桥梁承载桁架的元素，在施工工艺等方面也需要克服重重技术难关才能实现，因此，本发明并不是显而易见的。
发明内容
本发明的目的是提供一种预应力铝-混组合桁架梁及其施工方法，其用于建造桥梁和建筑结构，构造合理、通行便利、受力合理、施工方便，是新型的预应力铝-混组合桁架桥的承载部件。
为此，根据本发明的一个方面，提供了一种预应力铝-混组合桁架梁，其特征在于，其至少一个桁架梁采用预应力铝合金-混凝土组合桁架梁。
优选地，其受压上主桁内灌注混凝土；在下主桁和斜杆内部空间内设置预应力筋；在上主桁节点处设置预应力锚固点。
优选地，是用于建造桥梁和建筑结构的预制件、现场组装或组焊部件用于公路、铁路、公铁两用桁架桥和空间跨度大的建筑结构。
优选地，所述预应力筋由钢绞线或FRP纤维增强复合材料制成。
优选地，包括承力面板体系、纵向预应力铝合金-混凝土组合桁架梁、横撑及预应力筋锚固体系；和/或，面板体系为钢面板或混凝土面板；上下主桁设置为双层或单层面板结构体系。
优选地，铝合金主桁为箱形截面、管状截面、工字形或槽形截面(优选在其翼缘侧设置外伸翼缘)；和/或，工字形或槽形截面的主桁外包混凝土或轻质高强填充材料。
优选地，锚固系统包括在主桁内部和主桁与节点交汇处设置的定向块和锚固点；预应力筋组件通过导向块安装在预应力筋通道内，多条预应力筋组件的一端集束固定在锚固端上，经斜杆转向块改变布置方向，通过节点转向块进入箱型杆件，再通过中间导向块引导在箱型杆件内的走向(优选地，在预应力筋及其附件构成的预应力筋组件交叉穿过杆件的情况下，设置三角形的锚固支撑板，使三角形的锚固支撑板的弦密贴杆件的外壁，三角形的锚固支撑板的一个直角边垂直于预应力筋的走向；预应力筋通过卡环和锚垫背进入三角形的锚固支撑板，预应力筋在出杆件的表面上设置预应力筋套管；三角形的锚固支撑板的垂直于预应力筋的表面上设置灌浆口，使混凝土料浆通过三角形的锚固支撑板内的通道被注入杆件内)。
优选地，主桁的横截面呈铝合金薄壁箱型截面，其由多个纵横加强筋分割出多个通道，每个通道内设置预应力筋组件；预应力筋组件外侧与纵横加强筋之间的间隙内注满混凝土。
优选地，对于水平的箱型杆件与节点的过渡段，预应力筋组件通过杆件的端部在导向块的引导下布置在箱型杆件内；对于倾斜的箱型杆件至节点的过渡段，节点的箱型筒上开入口，从而使预应力筋组件通过所开入口在导向块的引导下布置在箱型杆件内。
根据本发明的另外一个方面，提供了一种预应力铝-混组合桁架梁的施工方法，其特征在于，整体预装再吊装至施工现场或在施工现场拼装成整体；在受拉主桁构件内安装预应力筋，在预应力筋斜穿杆件或桁架梁上安装锚固系统，锚固端依靠支撑板、锚垫板和膨胀卡环将预应力筋端部锚固；预张拉预应力筋，预张拉力为张拉控制值的10-20％；再从受压主桁的端部内灌或外包受压主桁混凝土；铺设桥面系；再次调整预应力筋，同时采用位移和张拉应力控制法控制张拉力，其最终张拉应力一般不超过标准张拉控制应力的75％。
根据本发明的预应力铝-混组合桁架梁，在与传统桁架梁承载工况相同的情况下，本身的自重明显减轻，使用寿命明显延长，本身造价下降，安装周期缩短，而且维护成本大幅降低。
附图说明
图1为根据本发明的用于建造桥梁和建筑结构的预应力铝-混组合桁架梁的立体图。
图2为如图1所示的预应力铝-混组合桁架梁的组合截面结构示意图。
图3为如图1所示的预应力铝-混组合桁架梁的预应力筋及其的导向块结构示意图。
图4为如图1所示的预应力铝-混组合桁架梁的转向块在节点和杆件内的布局示意图。
图5-6为如图1所示的预应力铝-混组合桁架梁的预应力筋锚固端的结构示意图。
具体实施方式
根据本发明的一个实施例，如图1-5所示，预应力铝-混组合桁架梁主要包括：面板体系1、铝合金主桁2、横撑3、预应力筋4、预应力筋锚固系统5，其中，面板体系1可为钢面板或混凝土面板等，可在上、下主桁2上根据需求设置双层或单层面板结构体系1，与主桁2形成可靠连接，如焊接，以提高桁架结构体系的整体性；铝合金受压主桁2若设计为箱形截面或管状截面，在其内灌注混凝土；若主桁2设计为工字形或槽形截面，在其外包混凝土，形成组合结构，在外部荷载作用下协同工作，能提高受压主桁的抗弯、抗剪和抗扭刚度，且能防止薄壁截面局部屈曲。
预应力筋4可选用常见预应力筋，如钢绞线或FRP材料等，预应力筋截面大小根据构件所处受力状态、预应力筋材料强度和杆件截面如箱形截面内部净空决定。通过在主桁内部和主桁与节点交汇处设置转向块和锚固点等锚固系统5，来改变预应力筋传力途径，将受拉主桁受拉荷载传递给受压铝-混组合截面主桁构件上。其中，桁架杆件受拉侧转向块及在杆内布置示意图详见图4，桁架杆件受压侧预应力筋锚固端及张拉后安装情景详见图5。锚固端依靠支撑板、锚垫板和膨胀卡环将预应力筋端部锚固。在灌注混凝土之前，可按照0.1～0.2倍张拉力控制值的初始张拉预应力筋，灌注混凝土后，再0.75倍张拉力控制值进行最终张拉，这样设置可有效提高桁架梁整体刚度，降低了受拉侧竖向挠度，同时预防了预应力筋的腐蚀。
预应力筋4可以仅布置在第一主桁2的内部，也可以从第一主桁2中引出，进入间隔一距离的第二主桁2，再引回至第一主桁2，以提供桁架整体的结构强度与刚度。
根据本发明，1)采用铝合金材料，减轻了结构自重，节省了材料，降低了现场施工机具设备要求，同时提高了施工过程中的稳定安全系数；2)采用预应力铝-混组合桁架梁，充分发挥了三种材料力学特性，提高了结构整体刚度，减小了结构挠度，且可预防预应力筋的腐蚀问题。
根据本发明，可灵活选择施工方法，可在工厂整体预装再吊装至施工现场，或可在施工现场单件拼装成整体。主桁构件安装完，安装预应力筋及其锚固系统安装就位，完成预张拉，预张拉力为张拉控制值的10％～20％，再从端部内灌或外包受压主桁混凝土。完成桥面系后，再次调整预应力筋，可同时采用位移和张拉应力控制法控制张拉力，其最终张拉应力一般不超过标准张拉控制应力的75％，以达到成桥状态或使用线性要求。
如图2所示，根据本发明的预应力铝-混组合桁架梁的横截面包括铝合金薄壁箱型截面杆件10，其由多个纵横加强筋20分割出多个预应力筋通道30，每个预应力筋通道30内可以设置预应力筋组件35。预应力筋35组件外侧与纵横加强筋20之间的间隙内注满混凝土。
如图3-4所示，预应力筋组件35可以与各种导向块38、39形成组件，以便于安装在预应力筋通道30内。多条预应力筋组件35的一端可集束固定在锚固端36上，经斜杆转向块37改变布置方向，通过节点转向块38进入箱型杆件10，再通过中间导向块39引导在箱型杆件10内的走向。
在图4中，节点100上设有一个倾斜的箱型杆件10、两个水平的箱型杆件11、12，和一个垂直杆件13。对于水平的箱型杆件12与节点100的过渡段，预应力筋组件35通过杆件的端部在导向块38、39的引导下布置在箱型杆件12内；对于倾斜的箱型杆件10至节点100的过渡段，节点100的箱型筒101上开入口，从而使预应力筋组件35通过所开入口在导向块38、39的引导下布置在箱型杆件11内。
如图5-6所示，在预应力筋4及其附件构成的预应力筋组件35交叉穿过杆件的情况下，设置三角形的锚固支撑板83，使三角形的锚固支撑板83的弦密贴杆件的外壁，三角形的锚固支撑板83的一个直角边垂直于预应力筋4的走向。预应力筋4通过卡环81和锚垫背82进入三角形的锚固支撑板83，预应力筋4在出杆件的表面上设置预应力筋套管86。
三角形的锚固支撑板83的垂直于预应力筋4的表面上设置灌浆口84，使混凝土料浆能够通过三角形的锚固支撑板83内的通道被注入杆件内。
根据本发明的一种预应力铝-混组合桁架梁主要包括：承力面板体系1、铝合金主桁2、横撑3、预应力筋4、预应力筋锚固系统5。
面板体系1根据功能实际需求设置，可为钢面板或混凝土面板等，上、下主桁可根据设计需求设置为双层或设置为单层面板结构体系，与主桁形成可靠连接如焊接，以提高桁架结构体系整体性。
铝合金主桁2可设计为箱形截面或管状截面、工字形或槽形截面。若设计为箱形截面，在其翼缘侧设置外伸翼缘，以提高主桁构件的平面外抗弯刚度，以增大整体结构承载力。
铝合金受压主桁2若设计为箱形截面或管状截面，在其内灌注混凝土或其它轻质高强填充材料，若主桁2设计为工字形或槽形截面在其外包混凝土或其他轻质高强填充材料，形成组合结构。
在受拉桁梁和斜杆内部设置预应力筋4，可有效预防预应力筋的腐蚀问题，参与结构的整体受力。预应力筋4可选用常见预应力筋如钢绞线或FRP材料等，通过在主桁内部和主桁与节点交汇处设置定向块和锚固点等锚固系统5，为组合结构提供预应力。
横撑增加组合桁架的横向支撑刚度和稳定性。
本发明的桁架梁可用于公路、铁路、公铁两用桁架桥和空间跨度大的建筑结构等。
特别是，在本发明的混凝土中，按每千克含量的重量计混入如下药剂：苯丙三氮唑0.2-0.3克、亚硝酸钠16-18克、硅酸钠6-8克、硼砂30-35克。或者，在本发明的增压填充液或增压填充气体中，按重量百分比计混入如下药剂：辛基十二醇0.2％、丁二醇3％、羧基苯甲酸甲酯0.4％、乙醇25％、羧甲基纤维素钠0.2％、有机配料0.1-0.2％(选自下列溶剂至少其中之一或混合物：苯甲酸钠、山梨酸钾、脱氢乙酸钠、丙酸钙、双乙酸钠、乳酸钠、对羟基苯甲酸丙酯、乳酸链球菌素、过氧化氢)。
根据本发明的预应力铝-混组合桁架梁，是用于建造桥梁和建筑结构的预制件、现场组装或组焊部件，主要包括承力面板体系、纵向预应力铝合金-混凝土组合桁架梁、横撑及预应力筋锚固体系。该预应力铝合金-混凝土组合桁架梁主桁均采用铝合金制成，其铝合金材料强度等级根据建筑结构和桥梁结构承受荷载、跨度要求选择。受压上主桁内灌注混凝土等材料，在下主桁和斜杆内部空间设置钢绞线或FRP纤维增强复合材料等预应力筋，在上主桁节点处设置预应力锚固点。该结构体系自重轻、材料强度高、能够提高结构整体承载力且降低材料消耗。受压主桁内灌注混凝土材料与铝合金桁梁参与构件整体受力，可增强构件截面刚度，同时大大改善了铝合金桁梁板单元的局部屈曲性能。在受拉桁梁和斜杆内部设置预应力筋可有效预防预应力筋的腐蚀问题，参与结构的整体受力，可提高结构承载能力，可用于公路、铁路、公铁两用桁架桥和空间跨度大的建筑结构等。

Claims (10)

1.一种预应力铝-混组合桁架梁，其特征在于，其至少一个桁架梁采用预应力铝合金-混凝土组合桁架梁。
2.如权利要求1所述的桁架梁，其特征在于，其受压上主桁内灌注混凝土；在下主桁和斜杆内部空间内设置预应力筋；在上主桁节点处设置预应力锚固点。
3.如权利要求1所述的桁架梁，其特征在于，是用于建造桥梁和建筑结构的预制件、现场组装或组焊部件用于公路、铁路、公铁两用桁架桥和空间跨度大的建筑结构。
4.如权利要求1所述的桁架梁，其特征在于，所述预应力筋由钢绞线或FRP纤维增强复合材料制成。
5.如权利要求1所述的桁架梁，其特征在于，包括承力面板体系、纵向预应力铝合金-混凝土组合桁架梁、横撑及预应力筋锚固体系；和/或，面板体系为钢面板或混凝土面板；上下主桁设置为双层或单层面板结构体系。
6.如权利要求1所述的桁架梁，其特征在于，铝合金主桁为箱形截面、管状截面、工字形或槽形截面(优选在其翼缘侧设置外伸翼缘)；和/或，工字形或槽形截面的主桁外包混凝土或轻质高强填充材料。
7.如权利要求1所述的桁架梁，其特征在于，锚固系统包括在主桁内部和主桁与节点交汇处设置的定向块和锚固点；预应力筋组件通过导向块安装在预应力筋通道内，多条预应力筋组件的一端集束固定在锚固端上，经斜杆转向块改变布置方向，通过节点转向块进入箱型杆件，再通过中间导向块引导在箱型杆件内的走向(优选地，在预应力筋及其附件构成的预应力筋组件交叉穿过杆件的情况下，设置三角形的锚固支撑板，使三角形的锚固支撑板的弦密贴杆件的外壁，三角形的锚固支撑板的一个直角边垂直于预应力筋的走向；预应力筋通过卡环和锚垫背进入三角形的锚固支撑板，预应力筋在出杆件的表面上设置预应力筋套管；三角形的锚固支撑板的垂直于预应力筋的表面上设置灌浆口，使混凝土料浆通过三角形的锚固支撑板内的通道被注入杆件内)。
8.如权利要求1所述的桁架梁，其特征在于，主桁的横截面呈铝合金薄壁箱型截面，其由多个纵横加强筋分割出多个通道，每个通道内设置预应力筋组件；预应力筋组件外侧与纵横加强筋之间的间隙内注满混凝土。
9.如权利要求1所述的桁架梁，其特征在于，对于水平的箱型杆件与节点的过渡段，预应力筋组件通过杆件的端部在导向块的引导下布置在箱型杆件内；对于倾斜的箱型杆件至节点的过渡段，节点的箱型筒上开入口，从而使预应力筋组件通过所开入口在导向块的引导下布置在箱型杆件内。
10.一种预应力铝-混组合桁架梁的施工方法，其特征在于，整体预装再吊装至施工现场或在施工现场拼装成整体；在受拉主桁构件内安装预应力筋，在预应力筋斜穿杆件或桁架梁上安装锚固系统，锚固端依靠支撑板、锚垫板和膨胀卡环将预应力筋端部锚固；预张拉预应力筋，预张拉力为张拉控制值的10-20％；再从受压主桁的端部内灌或外包受压主桁混凝土；铺设桥面系；再次调整预应力筋，同时采用位移和张拉应力控制法控制张拉力，其最终张拉应力一般不超过标准张拉控制应力的75％。
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