CN108425313B - 一种木-超高性能混凝土组合梁及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种木‑超高性能混凝土组合桥梁结构，包括两个以上沿桥梁横向并列设置的预制组合梁单元，预制组合梁单元包括两根以上沿着桥梁纵向延伸的木梁和设置于木梁上的超高性能混凝土桥面板，木梁和超高性能混凝土桥面板通过剪力件固定连接，木梁和超高性能混凝土桥面板在桥梁纵向的两端设置有横梁，木梁的两侧均设置有体外预应力筋，体外预应力筋的两端锚固在横梁内；相邻两个预制组合梁单元在超高性能混凝土桥面板处对接，对接位置处设沿着桥梁纵向延伸的现浇接缝。本发明的木‑超高性能混凝土组合桥梁结构性能优异，自重轻、耐久性能好、材料环保、装配化程度高、运输和安装方便，符合绿色节能和建筑工业化重大需求。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁工程技术领域，尤其涉及一种木-超高性能混凝土组合桥梁结构及其施工方法。
背景技术
木材是人类在桥梁建设中最早使用的建筑材料之一。我国早在公元前1135年便建成了渭河木浮桥、在宋代建有汴水虹桥、广西建有风雨桥、闽浙建有编木拱桥等诸多木结构桥梁。20世纪开始，随着钢材、水泥成为主要建筑材料，木结构桥梁的发展陷于停滞。近40年来，随着现代木产品加工、防护和连接技术的快速发展，现代木结构桥梁在欧美等发达国家开始得到广泛应用。据文献的不完全统计，在美国，跨度超过6m的桥梁中，有12%为木结构桥梁，总数超过70000座；里程超过2400km的木结构桥梁在铁路系统中使用；木结构桥梁已经广泛应用于中小跨度的公路桥梁，特别是低等级的乡村公路之中。在加拿大、日本等国，木结构桥梁也早已广泛使用。我国目前对木结构桥梁的研究落后于欧美发达国家，缺乏相应的技术标准和规范，仅在湖南、浙江、上海等地修建了若干现代木结构桥梁。
以钢材、水泥成为主要建筑材料的制造业是耗能与环境污染大户，我国生产的粗钢占全球产量的一半，钢铁工业能耗为全国能耗的15%；生产的水泥占全球产量的60%，消耗标准煤1亿多吨，年排放二氧化碳8.5亿多吨。这些高能耗、高污染污染严重制约了我国国民经济的可持续发展。随着社会的不断进步与经济的快速发展，桥梁工程行业涌现出各式各样类型的桥梁结构。从可持续发展的角度来看，从建设资源节约型社会出发，在桥型设计中采用低碳、环保、绿色、经济的建材，是建筑工作者须要优先考虑的，木材作为环境友好材料受到了人们的高度关注，相比于钢筋混凝土材料，木材以其有着可再生、强质比高、低能耗、耐冲击、易分解、弹性好、易加工等特点，在建材选用中再次受到人们的重视。
目前，UHPC的配置、生产、施工和预制技术已趋于成熟，在桥梁结构中的应用不断取得新进展，采用UHPC材料的桥梁形式越来越多，但从可查文献来看，国内外对于木-UHPC两种材料相结合的组合结构的研究鲜见报道。随着环境问题的日趋严重，桥梁的轻型化和可持续发展越来越受到人们的关注。综合考虑结构受力性能、材料利用率、施工速度、经济效益等因素，木-混凝土组合结构作为在木结构和混凝土结构的基础上发展而来的新型结构，能充分发挥木材的抗拉性能和混凝土的抗压性能，同时具有绿色环保、降低碳排放、适于工业化发展等优点。但混凝土结构自重大，木材的离散性大、结构强度和刚度相对较小，如何将两种特性差异较大的材料结合在一起，发挥各自的优点，克服各自的缺点，以及如何提高两种材料的连接强度成为木-混凝土组合结构的一大难题。
发明内容
本发明为了克服以上背景技术中提到的难题，提供一种全预制木-超高性能混凝土组合桥梁结构，该结构可大幅减小梁体的自重，从而改善由此带来的下挠情况，同时，超高性能混凝土抗压强度较普通混凝土更高，抗拉性能也更优异，可提高结构整体刚度及跨越能力。具体技术方案如下。
一种木-超高性能混凝土组合桥梁结构，包括两个以上沿桥梁横向并列设置的预制组合梁单元，所述预制组合梁单元包括两根以上沿着桥梁纵向延伸的木梁和设置于所述木梁上的超高性能混凝土桥面板，所述木梁和所述超高性能混凝土桥面板通过剪力件固定连接，所述木梁和所述超高性能混凝土桥面板在桥梁纵向的两端设置有沿着桥梁横向延伸的横梁，所述木梁的两侧均设置有体外预应力筋，所述体外预应力筋的两端锚固在所述横梁内；相邻两个所述预制组合梁单元在超高性能混凝土桥面板处对接，对接位置处设沿着桥梁纵向延伸的现浇接缝。其中，纵向为桥梁的长度方向，横向为桥梁的宽度方向。
进一步地，所述超高性能混凝土桥面板的底部具有纵向肋和/或横向肋；这样在减轻了超高性能混凝土桥面板重量的同时，保证了超高性能混凝土桥面板的强度。
进一步地，所述剪力件为沿着所述木梁长度方向（桥梁纵向）延伸的钢板，所述钢板的一部分设置在所述木梁内，另一部分设置在所述超高性能混凝土桥面板内，其中设置在所述超高性能混凝土桥面板内的钢板具有镂空结构。通过设置此种形式的剪力件，便于超高性能混凝土的流通，保证超高性能混凝土桥面板与木梁的整体性，提高了木梁和桥面板的连接强度。
进一步地，所述横梁采用超高性能混凝土制成，所述横梁内锚固有连接钢板，所述连接钢板用于锚固所述体外预应力筋。其中，所述横梁与所述木梁也采用剪力件连接，剪力件为钢板，钢板的一部分位于所述木梁内，另一部分位于所述横梁内，其中设置在横梁内的钢板具有镂空结构。
进一步地，所述预制组合梁单元的相邻两根木梁之间设置多块木横隔梁，且多块木横隔梁沿桥梁纵向间隔布置。这样有利于提高木梁的整体强度，提高桥梁的稳定性。
进一步地，相邻两个预制组合梁单元的超高性能混凝土桥面板内连接钢筋伸入到所述现浇接缝内，现浇接缝内还设置有沿着桥梁纵向设置的纵向钢筋，所述纵向钢筋和所述连接钢筋绑扎在一起。如此能够大大地提高现浇接缝的强度。
进一步地，所述预制组合梁单元的超高性能混凝土桥面板与所述现浇接缝相接的端面具有沿桥梁纵向延伸的肋板，所述肋板具有沿着桥梁纵向延伸的向超高性能混凝土桥面板内部凹陷的凹槽，所述现浇接缝位于相对应的两个所述肋板之间。
进一步地，所述预制组合梁单元的单跨跨径为 20-40m。
基于同一发明构思，本发明还涉及一种木-超高性能混凝土组合桥梁结构的施工方法，主要包括以下步骤：
1）、制作木梁及木横隔梁，并将木梁及木横隔梁连结为一个整体结构，在木梁顶部开纵向窄槽，在木梁的两个端部开设端部窄槽，将剪力件嵌入到纵向窄槽和端部窄槽内，做粘结处理；
2）、在木梁的上方和端部支模配筋，在木梁的端部设置连接钢板，然后浇筑超高性能混凝土，待初凝后对其进行温度90℃-100℃之间的高温蒸汽养护，养护完成后预制组合梁单元即制作完成；
3）、在木梁的两侧张拉体外预应力筋，体外预应力筋的两端分别锚固在横梁内；
4）、吊装预制组合梁单元，相邻两个预制组合梁单元在超高性能混凝土桥面板处对接，预制组合梁单元桥面板中留有延伸至现浇接缝内的钢筋作为连接钢筋，在现浇接缝中布置纵向钢筋并绑扎后浇筑超高性能混凝土，进行90℃-100℃的高温蒸汽养护，待养护达到要求后拆模，完成全预制木-超高性能混凝土组合桥梁结构的制作。
本发明的优点在于： 1.采用高强高韧性的 UHPC 作为桥面板， 且桥面板为带肋薄板的构造，该构造兼顾了结构的强度与刚度，与传统结构相比，大大减轻了自重，提高了桥梁的跨越能力，同时增强了结构的耐久性；2.在木梁上施加了纵向预应力，大大提高了木结构的抗裂性能；3.预制组合梁单元可在工厂整体预制完成，只需在现场施工纵向的现浇接缝，可以保证构件制作质量，并大幅减轻现场工作强度，在提升施工效率、缩短施工周期上有着较大优势；4. 木-超高性能混凝土组合桥梁结构自重轻，木材减震性能好，可减小下部结构的规模，具有优良的抗震性能；5.当工艺和市场成熟时，木-超高性能混凝土组合桥梁结构的建设成本可低于钢筋混凝土桥梁；6.木结构便于构件的更换，维护方便，具有良好的适应性。
综上，本发明的木-超高性能混凝土组合桥梁结构性能优异，自重轻、耐久性能好、材料环保、装配化程度高、运输和安装方便，符合绿色节能和建筑工业化重大需求。该结构适用于城市中小桥梁的建设，可用于简支或连续体系桥梁，具有广阔的应用前景。
附图说明
图 1 为木-超高性能混凝土组合桥梁结构的主视结构示意图；
图 2 为图 1 所示结构的俯视结构示意图（下部分为剖视图，上部分为俯视图）；
图 3 为图 1 中Ⅰ-Ⅰ向剖视结构示意图；
图 4 为图 1 中Ⅱ-Ⅱ向剖视结构示意图；
图 5 为剪力件钢板的示意图。
图中：1-桥面板、2-横梁、 3-木梁、4-木横隔梁、5-体外预应力筋、6-现浇接缝、7-剪力件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
参见图1-5，本实施例全预制木-超高性能混凝土组合桥梁结构，包括两个沿桥梁横向对接的预制组合梁单元，预制组合梁单元由双木梁 3 和支承于木梁上的超高性能混凝土桥面板 1 整体预制而成，并施加体外预应力筋，双木梁 3 为沿桥梁纵向平行布置的两个矩形木梁，桥面板 1 为下部带有纵向肋和横向肋的薄板，在木梁 3和桥面板 1纵向两端布置现浇超高性能混凝土横梁2，木梁 3 和桥面板 1 采用剪力件 7 固定连接，体外预应力筋 5布置在木梁 3 两侧，锚固于横梁 2上的连接钢板（未图示），体外预应力筋 5既可为施加体外预应力予以方便，也能有效抵抗木梁受拉传递到横梁上的压力，发挥超高性能混凝土优于常规混凝土的抗压性能。两相邻预制组合梁单元在桥面板 1 处对接，对接位置处设现浇接缝 6，桥面板 1 中钢筋延伸至现浇接缝 6 内作为连接钢筋。
木梁3顶部沿桥梁纵向开窄槽，将钢板埋置在其中作为剪力件7，钢板上部设置镂空孔，钢板上部位于桥面板 1内，镂空孔便于超高性能混凝土的流通，下部全截面固结在木梁3内，从而保证超高性能混凝土桥面板与木梁形成整体；横梁2和木梁3的连接方式与桥面板 1和木梁3的连接方式相同。
双木梁间沿桥梁纵向间隔布置木横隔梁4（可设置跨度四分点及跨中点），增加木梁间的横向刚度。
相邻两个预制组合梁单元伸出的连接钢筋在现浇接缝处与布置在现浇接缝中的纵向钢筋绑扎，可对桥梁纵向连接强度的提升做出贡献。
预制组合梁单元的超高性能混凝土桥面板与所述现浇接缝相接的端面具有沿桥梁纵向延伸的肋板，肋板具有沿着桥梁纵向延伸的向超高性能混凝土桥面板内部凹陷的凹槽，所述现浇接缝位于相对应的两个所述肋板之间。
本实施例中预制组合梁单元的梁段纵向长度为 31.7m，横向宽度为 7.2m。在其他实施例中，纵向长度最大可视具体情况在 0-40m 范围内选择。
本实施例的木-超高性能混凝土组合桥梁结构的施工方法，主要包括以下步骤：
1）、制作木梁3及木横隔梁4，并将木梁3及木横隔梁4连结为一个整体结构，在木梁3顶部开纵向窄槽，在木梁3的两个端部开设端部窄槽，将剪力件7嵌入到纵向窄槽和端部窄槽内，做粘结处理；
2）、在木梁3的上方和端部支模配筋，在木梁3的端部设置连接钢板，然后浇筑超高性能混凝土，待初凝后对其进行温度90℃-100℃之间的高温蒸汽养护，养护完成后预制组合梁单元即制作完成；
3）、在木梁3的两侧张拉体外预应力筋5，体外预应力筋5的两端分别锚固在横梁2内的连接钢板；
4）、吊装预制组合梁单元，相邻两个预制组合梁单元在超高性能混凝土桥面板1处对接，预制组合梁单元桥面板1中留有延伸至现浇接缝6内的钢筋作为连接钢筋，在现浇接缝中布置纵向钢筋并绑扎后浇筑超高性能混凝土，进行90℃-100℃的高温蒸汽养护，待养护达到要求后拆模，完成全预制木-超高性能混凝土组合桥梁结构的制作。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，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，上文中出现的“上”、“下”字样，仅表示与附图本身的上、下方向一致，并不对结构起限定作用。本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种木-超高性能混凝土组合桥梁，其特征在于：包括两个以上沿桥梁横向并列设置的预制组合梁单元，所述预制组合梁单元包括两根以上沿着桥梁纵向延伸的木梁(3)和设置于所述木梁(3)上的超高性能混凝土桥面板(1)，所述木梁(3)和所述超高性能混凝土桥面板(1)通过剪力件(7)固定连接，所述木梁(3)和所述超高性能混凝土桥面板(1)在桥梁纵向的两端设置有沿着桥梁横向延伸的横梁(2)，所述木梁(3)的两侧均设置有体外预应力筋(5)，所述体外预应力筋(5)的两端锚固在所述横梁(2)内；相邻两个所述预制组合梁单元在超高性能混凝土桥面板(1)处对接，对接位置处设沿着桥梁纵向延伸的现浇接缝(6)；
所述横梁(2)采用超高性能混凝土制成，所述横梁内锚固有连接钢板，所述连接钢板用于锚固所述体外预应力筋(5)；
所述预制组合梁单元的相邻两根木梁(3)之间设置多块木横隔梁(4)，且多块木横隔梁(4)沿桥梁纵向间隔布置。
2.根据权利要求1所述的一种木-超高性能混凝土组合桥梁，其特征在于，所述超高性能混凝土桥面板(1)的底部具有纵向肋和/或横向肋。
3.根据权利要求1所述的一种木-超高性能混凝土组合桥梁，其特征在于，所述剪力件(7)为沿着所述木梁长度方向延伸的钢板，所述钢板的一部分设置在所述木梁(3)内，另一部分设置在所述超高性能混凝土桥面板(1)内，其中设置在所述超高性能混凝土桥面板(1)内的钢板具有镂空结构。
4.根据权利要求1所述的一种木-超高性能混凝土组合桥梁，其特征在于，相邻两个预制组合梁单元的超高性能混凝土桥面板(1)内连接钢筋伸入到所述现浇接缝(6)内，现浇接缝(6)内还设置有沿着桥梁纵向设置的纵向钢筋，所述纵向钢筋和所述连接钢筋绑扎在一起。
5.根据权利要求1所述的一种木-超高性能混凝土组合桥梁，其特征在于，所述预制组合梁单元的超高性能混凝土桥面板(1)与所述现浇接缝(6)相接的端面具有沿桥梁纵向延伸的肋板，所述肋板具有沿着桥梁纵向延伸的向超高性能混凝土桥面板内部凹陷的凹槽，所述现浇接缝位于相对应的两个所述肋板之间。
6.根据权利要求1所述的一种木-超高性能混凝土组合桥梁，其特征在于，所述预制组合梁单元的单跨跨径为 20-40m。
7.一种木-超高性能混凝土组合桥梁的施工方法，主要包括以下步骤：
1）、制作木梁（3）及木横隔梁（4），并将木梁（3）及木横隔梁（4）连结为一个整体结构，在木梁（3）顶部开纵向窄槽，在木梁（3）的两个端部开设端部窄槽，将剪力件（7）嵌入到纵向窄槽和端部窄槽内，做粘结处理；
2）、在木梁（3）的上方和端部支模配筋，在木梁（3）的端部设置连接钢板，然后浇筑超高性能混凝土，待初凝后对其进行温度90℃-100℃之间的高温蒸汽养护，养护完成后预制组合梁单元即制作完成；
3）、在木梁（3）的两侧张拉体外预应力筋（5），体外预应力筋（5）的两端分别锚固在横梁（2）内；
4）、吊装预制组合梁单元，相邻两个预制组合梁单元在超高性能混凝土桥面板（1）处对接，预制组合梁单元桥面板（1）中留有延伸至现浇接缝（6）内的钢筋作为连接钢筋，在现浇接缝中布置纵向钢筋并绑扎后浇筑超高性能混凝土，进行90℃-100℃的高温蒸汽养护，待养护达到要求后拆模，完成全预制木-超高性能混凝土组合桥梁结构的制作。
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