CN108252213A - 一种钢-uhpc组合梁 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢‑UHPC组合梁，其包括有钢梁和设置在钢梁上的桥面板，钢梁包含多个纵隔板和多个横隔板，桥面板包括有面板11）和设置在面板下表面的肋板，肋板包括有纵隔板肋、横隔板肋以及加强肋，所述加强肋位于相邻两个所述纵隔板肋和相邻两个所述横隔板肋围成的空间内，所述加强肋为纵肋且两端分别与所述横隔板肋相连，纵隔板肋设置在纵隔板的顶部，横隔板肋设置在横隔板的顶部。本发明采用瘦高式带肋UHPC桥面板显著减轻了结构的自重，增加了桥面板局部刚度，更充分的发挥了钢混组合结构的力学性能，有效避免了组合梁负弯矩区的开裂问题，在保证强度的情况下减少了UHPC材料和钢筋的使用量，简化了桥面板的制作工艺，有着较好的经济效益。

Description

一种钢-UHPC组合梁

技术领域

本发明涉及组合结构桥梁，特别涉及一种钢-UHPC组合梁。

背景技术

钢-混组合梁桥面板由于混凝土材料抗拉强度低、脆性大、收缩徐变明显等缺点，桥面板在外荷载及约束荷载作用下易开裂，常规构造措施，如加大桥面板厚度、增加配筋率、配置预应力筋等，不能从根本上解决问题反而增加了主梁自重[1-2]。随着交通荷载流量的持续增长、日趋增长的环境保护压力以及大跨度桥梁的高速发展，要求现代混凝土材料需具备高强度、高韧性和高耐久性等力学特性，一种添加了钢纤维的超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC，抗压强度在150MPa以上，是具有超高韧性、超长耐久性的水泥基复合材料。)超高性能混凝土材料得到了世界范围内的广泛关注和认可，并已成功应用于实际工程且形成了相关桥梁结构设计规范。

为了减轻钢-混组合结构桥面板的自重以及减小桥面板负弯矩区的混凝土受拉易开裂等问题，文献[3]公开了“一种无横向表面受拉接缝桥面单元、桥面结构及施工方法”。该发明的桥面板结构是一种同时具有纵、横向加劲肋的UHPC华夫板结构，因同时具有纵横向加劲肋，生产时需要用到的模板较复杂，因而具有改进空间；该文献仅考虑了纵向湿接缝设置，而未考虑横向湿接缝设置(接缝处钢纤维不连续，抗拉强度较低)，但桥梁平面形状通常是长条形，对跨度较大或者连跨较长的桥梁，不设横向干湿接缝往往难以实现。文献[4-6]通过实验及有限元计算研究了该种适用于大跨度桥梁的钢-UHPC轻型组合桥梁结构，通过将钢梁与UHPC矮肋华夫板用剪力钉连接成整体，共同受力，研究发现该结构大大减轻了主梁的自重，显著提高了桥面板局部承载能力，但该结构构造复杂、施工困难、耗费材料较多。

[1]聂建国,陶慕轩,等.钢-混凝土组合结构桥梁研究新进展[J].土木工程学报，2012,45(06):110-112.

[2]单宏伟.结合梁斜拉桥桥面板抗裂对策研究[D].同济大学.2007.

[3]邵旭东,胡建华，孔令方,等.无横向表面受拉接缝桥面单元、桥梁结构及其施工方法:中国,CN104562931A[P].2015-04-29.

[4]邵旭东,吴佳佳,等.钢-UHPC轻型组合桥梁结构华夫桥面板的基本性能[J].中国公路学报，2017,30(03):218-225+245.

[5]孔令方,邵旭东,等.钢-UHPC轻型组合梁桥面板受弯性能有限元分析[J].公路交通科技，2016,33(10):88-95.

[6]吴佳佳，邵旭东，等.钢-UHPC轻型组合梁桥面板结构形式研究[J].公路，2017,42(04),77-81.

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明提供了一种钢-UHPC轻型组合梁，能够大幅提高桥面板局部刚度、降低局部车轮荷载作用下的轮载应力值，有效防止桥面板开裂以及减少UHPC材料用量，该组合梁的桥面板兼具了承载能力高、局部刚度大、自重轻等特点。具体技术方案如下。

一种钢-UHPC组合梁，其包括有钢梁和设置在所述钢梁上的桥面板1，所述钢梁包含多个纵隔板2和多个横隔板3，所述桥面板1包括有面板11和设置在所述面板11下表面的肋板，所述肋板包括有纵隔板肋12、横隔板肋13以及加强肋，所述加强肋位于相邻两个所述纵隔板肋(12)和相邻两个所述横隔板肋(13)围成的空间内，所述加强肋为纵肋且两端分别与所述横隔板肋(13)相连，所述纵隔板肋12设置在所述纵隔板2的顶部，所述横隔板肋13设置在所述横隔板3的顶部。

由此，本发明的钢-UHPC组合梁在纵隔板肋和横隔板肋围成的区域内只设置纵肋而不用设置横肋，显著减轻了结构的自重，充分地发挥了钢混组合结构的力学性能，有效避免了组合梁负弯矩区的开裂问题，在保证强度的情况下减少了UHPC材料的使用量，简化了桥面板的制作工艺，有着较好的经济效益。

本发明中的纵向是指平行于桥梁的长度方向，横向是指平行于桥梁的宽度方向。

在上述技术方案的基础上，进一步地，所述纵隔板肋12沿横桥向宽度为60～120cm，所述横隔板肋13沿纵桥向宽度为35～80cm，所述纵隔板肋12、横隔板肋13的侧面沿30～80度的坡度过渡到所述面板11。其中，所述纵隔板肋12、横隔板肋13的宽度是指纵隔板肋12、横隔板肋13的平均宽度，所述纵隔板肋12、横隔板肋13的截面优选为梯形。

进一步地，相邻两个所述横隔板肋13的间距不超过5m，其厚度为8～14mm；在所述纵隔板2、横隔板3的顶部焊接连接板，连接板的厚度为6～14mm，连接板的宽度根据其相连的桥面板的纵隔板肋、横隔板肋尺寸而定，所述连接板上设置有伸入所述纵隔板肋、横隔板肋内部的剪力键。所述钢梁与桥面板之间通过剪力键连接协调受力，有利于提高组合梁的稳定性。

进一步地，所述纵肋14是梯形肋，所述纵肋14的高宽比在0.6～1.5之间，所述纵肋14的高度不高于30cm，所述纵肋14的宽度指的是梯形肋的平均宽度，最小宽度不小于8cm。其中，所述高宽比是指高度与宽度的比值。

进一步地，所述桥面板1具有所述纵肋的平面面积与桥面板总平面面积的比值在30％～60％之间。

进一步地，所述桥面板1的面板11厚度在6～16cm之间，所述桥面板1的面板11和纵肋14一起的厚度不小于20cm，两个相邻所述纵肋14之间的间距在50cm～85cm之间；所述纵隔板肋12、横隔板肋13的高度和所述纵肋14的高度相同。

进一步地，所述的桥面板的湿接缝设置在所述横隔板、纵隔板的上方，通过焊接剪力连接键现浇UHPC连接，所述湿接缝5的企口接头采用平接头、梯形接头、“T”形接头或倒梯形接头，并在湿接缝处密集配筋。这样有效提高了桥面板接缝处的抗剪承载力，降低了新旧超高性能混凝土界面的收缩应力，避免了接缝出现收缩裂缝，显著提高了桥梁接缝处的耐久性。

本发明所述的桥面板除了湿接缝5处的面板部位以及纵隔板上部附近面板需要配置横向受力钢筋外，其他部位无需配置横向受力钢筋，仅在纵向板肋下缘设置少许纵向受拉钢筋即可。桥面板预应力筋的设置优先考虑体外预应力。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：采用瘦高式带肋UHPC桥面板显著减轻了结构的自重，增加了桥面板局部刚度，更充分的发挥了钢混组合结构的力学性能，有效避免了组合梁负弯矩区的开裂问题，在保证强度的情况下减少了UHPC材料和钢筋的使用量，简化了桥面板的制作工艺，有着较好的经济效益。

附图说明

图1为本发明钢-UHPC组合梁的横截面示意图；

图2为本发明的桥面板的横截面示意图；

图3为本发明的桥面板的仰视示意图；

图4为本发明的桥面板的侧面示意图；

图5为本发明的墙模板带纵肋的局部示意图；

图6为本发明的桥面板的构造示意图；

图7为本发明的桥面板的平接头接缝构造示意图。

图8为本发明的桥面板的梯形接头接缝构造示意图。

图9为本发明的桥面板的“T”形接头接缝构造示意图。

图10为本发明的桥面板的倒梯形接头接缝构造示意图。

图中：桥面板1、纵隔板2、横隔板3、受力钢筋4、湿接缝5、面板11、纵隔板肋12、横隔板肋13、纵肋14。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更清晰易懂，下面举例进行说明，并配合附图，作详细说明如下。

以某钢-UHPC组合梁(参见图1-10)第二、三体系轮载应力计算情况进行说明，钢梁采用Q345qD(弹性模量206GPa，泊松比0.3)钢材，桥面板1采用弹性模量为45GPa，泊松比为0.2，重度28kN/m3的UHPC；标准梁段高3.5m，总宽41.0m，顶板宽38.6m(不含风嘴)，底板宽24.8m；横隔板1间距3.5m，板厚12mm；关于UHPC桥面板根据截面参数的不同选取4种方案(横截面面积基本保持一致)，分别为瘦高式带纵肋方案(方案1)、矮胖式带纵肋方案(方案2)、矩形平板方案(方案3)以及华夫板方案(方案4)，其桥面板标准构单元如图6所示，4种方案的桥面板截面尺寸如表1所示。其中纵隔板肋12、横隔板肋13的高度和纵肋14的高度相同，横隔板肋13沿纵桥向宽度为40cm，纵隔板肋12沿横桥向宽度为100cm，并均沿45度坡度过渡到面板11；横隔板3及纵隔板2顶部均焊接8mm厚条形平钢板，其宽度根据其相连的纵隔板肋12、横隔板肋13的宽度而定，通过在条形钢板上焊接栓钉与桥面板1紧密结合，协调受力。利用ABAQUS软件建立标准梁段(含6个横隔板)有限元模型比较4种方案桥面板的轮载受力情况。

表1组合箱梁各参数取值(单位：cm)

设计方案	桥面板类型	b1	b2	b3	h1	h2
							方案1	瘦高式肋板	24	22	20	9	26
方案2	矮胖式肋板	20	30	25	11	19
							方案3	矩形平板	/	/	/	14	14
方案4	华夫板	24	22	20	9	26

注：方案4在方案1所述面板尺寸的基础上将相邻横隔板之间的桥面板横桥向增添两根梯形肋(横肋)，其纵桥向间距分别为120cm、110cm、120cm，截面尺寸为：肋高17cm、顶缘宽13cm、底缘宽10cm。

根据定性分析选取几个受力薄弱部位，即选取跨中纵肋下缘、跨中面板下缘、纵向跨中纵隔板附近面板顶、横向跨中横隔板附近面板顶作为关注部位，采用公路Ⅰ级汽车荷载模型进行加载，作出受力薄弱部位的应力影响线，根据影响线情况确定关注部位的最不利布载形式。将各方案在车轮荷载作用下的最不利主拉应力值列如表2中。

表2各关注部位的最不利拉应力(单位：MPa)

注：表中所述跨中纵向为相邻横隔板的中间部位，横向为桥梁中心线与纵隔板的中间部位。

由各方案间静承载能力比较分析可知，截面参数对桥面板的抗弯承载能力影响较大。方案1相较于方案2，其纵肋下缘主拉应力减小了25.5％，纵隔板附近面板顶主拉应力减小了21％，跨中面板下缘的主拉应力减小了57.3％，由此说明瘦高式带肋桥面板可以显著减小纵肋下缘、面板上下缘的拉应力值，受力性能要优于矮胖式带肋桥面板。

方案1与方案3相比，其桥面板最大主拉应力值、跨中肋(面)板下缘纵桥向拉应力以及纵隔板附近面板顶横桥向拉应力均得到了一定程度减小，其中面板下缘主拉应力减小幅度最大，达到了64％，板肋下缘主拉应力值减小了19％，其桥面板最大主拉应力值也减小了28.3％，由此说明瘦高式带肋板方案相较于平板方案可以大幅度减小桥面板的轮载应力值。并且瘦高式带肋板方案也更利于配置普通钢筋，即当对桥面板进行抗裂设计时，平板方案需沿桥宽密布配筋，而带纵肋方案仅需在纵肋上配置少量纵向受拉钢筋即可，节省了材料，大大减少了造价。

方案1与方案4相比，虽方案4面板最大主拉应力值降幅明显，其中面板下缘最大降幅达到了32.3％、面板上缘最大降幅达到了37.1％，但桥面板最大主拉应力值变化不大，仅相差1％，即横肋的存在主要减小桥面板横桥向的应力，而对减小板肋下缘纵桥向的主拉应力值几乎无帮助，而方案1面板横桥向的应力值本身比较小，加以考虑UHPC材料的抗拉性能，足够满足抗拉强度要求；因此，考虑到施工难度、施工工期、材料用量、工程造价等，瘦高型带肋板方案要优于带纵、横肋的华夫板方案，本发明采用的仅带瘦高型纵肋的技术方案克服现有技术中纵肋、横肋形成网状的技术方案的技术偏见，取得了较好技术效果。

经比较，瘦高型带纵肋桥面板方案具有较好性能优势，很有应用价值。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种钢-UHPC组合梁，其包括有钢梁和设置在所述钢梁上的桥面板（1），所述钢梁包含多个纵隔板（2）和多个横隔板（3），所述桥面板（1）包括有面板（11）和设置在所述面板（11）下表面的肋板，其特征在于，所述肋板包括有纵隔板肋（12）、横隔板肋（13）以及加强肋，所述加强肋位于相邻两个所述纵隔板肋（12）和相邻两个所述横隔板肋（13）围成的空间内，所述加强肋为纵肋且两端分别与所述横隔板肋（13）相连，所述纵隔板肋（12）设置在所述纵隔板（2）的顶部，所述横隔板肋（13）设置在所述横隔板（3）的顶部。

2.根据权利要求1所述的钢-UHPC组合梁，其特征在于，所述纵隔板肋（12）沿横桥向宽度为60~120cm，所述横隔板肋（13）沿纵桥向宽度为35~80cm，所述纵隔板肋（12）、横隔板肋（13）的侧面沿30~80度的坡度过渡到所述面板（11）。

3.根据权利要求1所述的钢-UHPC组合梁，其特征在于，所述纵隔板肋（12）、横隔板肋（13）的截面为梯形。

4.根据权利要求1所述的钢-UHPC组合梁，其特征在于，相邻两个所述横隔板肋（13）的间距不超过5m；在所述纵隔板（2）、横隔板（3）的顶部焊接连接板，所述连接板上设置有伸入所述纵隔板肋（12）、横隔板肋（13）内部的剪力键。

5.根据权利要求1所述的钢-UHPC组合梁，其特征在于，所述纵肋（14）是梯形肋，所述纵肋（14）的高宽比在0.6~1.5之间，所述纵肋（14）的高度不高于30cm，所述纵肋（14）的宽度指的是梯形肋的平均宽度，最小宽度不小于8cm，所述高宽比是指高度与宽度的比值。

6.根据权利要求1所述的钢-UHPC组合梁，其特征在于，所述桥面板（1）具有所述纵肋的平面面积与桥面板总平面面积的比值在30%~60%之间。

7.根据权利要求1所述的钢-UHPC组合梁，其特征在于，所述桥面板（1）的面板（11）厚度在6~16cm之间，所述桥面板（1）的面板（11）和纵肋（14）一起的厚度不小于20cm，两个相邻所述纵肋（14）之间的间距在50cm~85cm之间；所述纵隔板肋（12）、横隔板肋（13）的高度和所述纵肋（14）的高度相同。

8.根据权利要求1所述的钢-UHPC组合梁，其特征在于，所述的桥面板的湿接缝（5）设置在所述横隔板、纵隔板的上方，通过焊接剪力连接键现浇UHPC连接，所述湿接缝的企口接头采用平接头、梯形接头、“T”形接头或倒梯形接头，并在湿接缝（5）处配置受力钢筋（4）。