CN109112961A - 一种超薄桥面结构、桁架桥及桁架桥的构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超薄桥面结构、桁架桥及桁架桥的构建方法,该桥面结构包括桥面、多根设置于桥面底面上且与桥面宽度方向平行的横肋和多根设置于桥面底面上且与桥面长度方向平行的纵肋,所述多根横肋沿桥面长度方向依次均匀分布,所述多根纵肋沿桥面宽度方向依次均匀分布;所述横肋内设有第一预应力筋孔道和至少两根横向钢筋,所述第一预应力筋孔道由外至内逐渐远离桥面,所述横向钢筋位于第一预应力筋孔道的下方。本发明的桥面结构为纵横肋交织形成密集的网格形式,再与桥面构成了一个整体的桥面结构。其整体刚度大,质量轻,与常规的钢混组合桥面结构和普通混凝土桥面结构相比,其优越性能凸显,从而实现了超薄桥面,减轻自重的功能。

Description

一种超薄桥面结构、桁架桥及桁架桥的构建方法
技术领域
本发明涉及一种超薄桥面结构、桁架桥及桁架桥的构建方法,属于桥梁领域。
背景技术
城市双层交通桥梁既是交通的需要,也是城市发展进步的标志。为节省用地,国内外发展城市双层交通桥梁已是大势所趋。现有的双层桥的结构体系多种多样,可以根据所处的环境条件选择合适的桥型。
适用于双层交通的梁式桥类型主要有箱梁桥和桁架梁桥两类。
南昌大桥是我国第一座采用箱梁实现双层交通的桥例,1995年建成通车,全桥长2780m(含801.55m的东西引桥),主跨48m。主桥型式为双层单箱单室平弦等截面预应力混凝土连续箱梁,上层为双向六机动车道,桥面总宽为30.35m,底板两侧各伸出长6m悬臂板,支承非机动车道和人行道。
重庆嘉悦大桥为矮塔双索面斜拉桥,2010年建成,主跨250m,其主梁为箱梁,腹板下端外侧设计成各宽5m的“观光长廊”,将车辆与行人上下分流。
因此从实际桥例来看,采用箱梁实现双层交通一般只利用上层悬臂翼缘下面的空间,即底板两侧设置下层桥面。箱梁内由于通风和安全的限制,较难实现承担交通的功能。
而桁架梁对于双层桥具有天然的优越性,其桁架腹部中空,便于通风,也便于交通空间的布置,桁架梁中杆件总体上以轴向受力为主,更能发挥材料性能,特别是对于重载、大跨度桥梁结构。桁架梁从桥面与钢主桁是否结合受力的标准可以划分为非组合式桁架梁和组合式桁架梁。
非组合式的桁架梁一般是通过上、下弦平面的构件(横梁和平联)支撑起上下两个桥面结构,桁架梁与桥面结构是分开受力的,受力明确简单,桥面结构只是直接承担交通荷载,并传递给主桁架,并不参与整体受力。这种型式在我国早期的公铁两用桥梁中大量使用,如武汉长江大桥、南京长江大桥等。
组合桁架梁是将桥面结构与主桁的上、下弦杆结合起来,桥面结构既起到直接承担交通荷载的作用,又作为整体结构的上、下翼缘参与整体受力。这样的设计整体抗弯、抗扭性能优秀,相比非组合式桁梁,在较大程度上增强了结构的经济性与合理性。
钢桁梁可以与钢桥面结合,也可以与混凝土桥面板组合。钢桥面及其铺装层造价昂贵,一般应用于超大跨度的悬索桥和斜拉桥中。混凝土桥面具有更佳的适用性和经济性,近年来,钢桁架与混凝土桥面的组合结构在大跨度桥梁得到了广泛的应用。在双层桥面桥梁上,就有诸如芜湖长江大桥、闵浦大桥等典型桥例。
芜湖长江大桥和上海闵浦大桥边跨的组合桁架主梁主要参数列于表1。从表中可以看出,一般组合桁梁中整个桥面结构的高度很大,桥面板厚度大、自重大,梁格纵横交错结构复杂,而上下层桥面结构之间还必须满足下层桥面的车辆通行净空,所以必然导致整个主梁高度特别大。
表1 芜湖长江大桥和上海闵浦大桥主梁主要参数(单位:m)
综合起来,组合桁梁因为其对双层交通的适应性和受力性能上的优点,已成为双层桥面主梁在工程应用上的主流和趋势。但是,其常规桥面结构构造复杂、又厚又重,亟待应用更新的桥梁技术来加以解决。因此从实际需求的角度出发,需要设计一种新型的超薄的桥面结构,从而减少了主梁高度,减轻桥面重量。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种超薄桥面结构、桁架桥及桁架桥的构建方法,设计一种高度小、受力性能良好的超薄桥面结构,在保证通车净空和结构承载安全的前提下,有效地降低桥面结构的高度来减少主梁整体高度;桥面高程降低,将减少引道长度,降低桥梁工程费用,解决双层桥面组合桁梁中桥面结构过于厚重的问题。
为了解决上述技术问题,本发明的技术方案如下:
一种超薄桥面结构,其特征在于,包括桥面、多根设置于桥面底面下且与桥面宽度方向平行的横肋和多根设置于桥面底面下且与桥面长度方向平行的纵肋,所述多根横肋沿桥面纵向(行车方向)依次均匀分布,所述多根纵肋沿桥面横向依次均匀分布;所述横肋内设有第一预应力筋孔道和至少两根横向钢筋,相邻横肋之间的间距为0.50-0.90m,相邻纵肋之间的间距为0.70-1.20m,所述桥面的厚度为0.08m;所述桥面结构的适用高度为0.40-0.70m。
进一步地,一种超薄桥面结构,是由较薄的桥面板和板下间距较密的纵肋、横肋组成一个整体的桥面结构,该桥面结构包括桥面板、多根设置于桥面板下且与桥面宽度方向平行的横肋和多根设置于桥面底面上且与桥面长度方向平行的纵肋,所述多根横肋沿桥面长度方向依次均匀分布,所述多根纵肋沿桥面宽度方向依次均匀分布。
进一步地,所述桥面结构中相邻横肋之间的间距为0.50-0.90m,相邻纵肋之间的间距为0.70-1.20m。同一桥面结构中,纵横肋间距保持一致。特殊部位(譬如桥面结构与桁架的连接处)为适应桥梁横断面的布置而略作调整。所述桥面的厚度一般为80mm,所述纵、横肋的宽度一般为120mm,为利于脱模可制作成下窄上宽的梯形,上方宽度比下方大40mm;在特殊位置(譬如主桁节点处)的横肋加宽至不少于600mm。
进一步地,所述桥面为凸形双向横坡结构,横坡度为1.5-2.5%。桥面结构的顶板按桥面设计横坡倾斜,顶板厚度不变,桥面结构底面水平,因此桥面结构高度在桥面中央最大,向两侧依横坡减小。所述桥面结构的适用高度为0.40-0.70m。
进一步地,所述超薄桥面结构由超高性能混凝土(Ultra-High PerformanceConcrete,简称UHPC)浇筑而成。UHPC以超高的强度、韧性和耐久性为特征,成为实现水泥基材料性能大跨越的新材料。常用的UHPC为活性粉末混凝土(Reactive Powder Contrete,简称RPC),由水泥、粉煤灰、石英砂、硅粉、高效减水剂等组成,并加入钢纤维提高延性和韧性。RPC200的抗弯抗强度可达30MPa以上,抗压强度可达170MPa以上,分别为普通混凝土的10倍和4倍。在RPC的凝结、硬化过程中采取适当的加压、加热等养护工艺,有助于其材料性能的形成。
进一步地,所述桥面结构的纵、横肋中布置有预应力管道。第一、第二预应力筋孔道内设有预应力筋,所述预应力筋为预应力钢绞线。
本发明用预应力UHPC密肋桥面结构代替传统的钢横梁、纵梁与混凝土桥面板组成的桥面结构,可实现桥面结构超薄、结构自重减小、交通净空增大。优选的,所述桥面结构的总高度主要由其横向跨径决定,平均高度可取为横向跨径的1/30左右。在组合桁架梁中,桥面结构的横向跨径即2榀桁架的间距。
优选的:所述UHPC的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和耐久性能远远大于普通混凝土,故在配筋构件方面与普通混凝土有所不同,桥面结构中无斜筋和箍筋,因为其抗剪强度大,自身可以抵抗外荷载和约束变形所产生的剪力。
优选的:桥面结构直接承担汽车、人群等交通荷载,同时作为组合桁架梁的上、下翼缘参与桥梁整体受力。所述横肋内,第一预应力筋主要满足桥面结构直接承担汽车、人群荷载及自重的需求,按照部分预应力A类构件设计计算。第一预应力筋的布置形式是一条曲线。横肋的宽度为120mm时,预应力管道采用内径55mm(外径60mm)的金属波纹管,每孔管道内可布置5根φs15.2钢绞线。
优选的:纵肋内,第二预应力筋则主要满足桥面结构作为组合桁架梁的上、下翼缘板参与整体受力的需求,第二预应力筋呈直线布置,设置数量需保证桥面板纵向始终处于受压状态。
一种桁架桥,包括两榀相对设置的钢桁架和如上所述的超薄桥面结构。所述钢桁架包括沿桥面长度延伸的上弦杆和下弦杆,所述上弦杆和下弦杆之间通过多根直腹杆连接,相邻直腹杆之间设有斜腹杆,斜腹杆的上端与上弦杆固定连接,斜腹杆的下端与下弦杆固定连接;两根上弦杆的顶部安装有一层超薄桥面结构,形成上层桥面,两根下弦杆之间分别安装有一层超薄桥面结构,形成下层桥面。上层桥面可适当悬臂外伸。
如上所述的桁架桥的构建方法,包括如下步骤:
S1、根据待构建桁架桥的结构尺寸参数,沿纵向分块预制,获得上层超薄桥面结构单元和下层超薄桥面结构单元;
其中,上层超薄桥面结构单元的底部设有上弦杆节段,下层超薄桥面结构单元的两侧分别设有下弦杆节段;
S2、在施工现场沿纵向拼装上层超薄桥面结构单元,获得上层桥面结构单元段;在施工现场沿纵向拼装下层超薄桥面结构单元,获得下层桥面结构单元段;
其中,相邻超薄桥面结构单元之间胶接,并通过张拉纵肋内第二预应力筋孔道中的第二预应力筋,实现超薄桥面结构单元的纵向连接;
S3、连接相邻弦杆节段之间的接缝,再通过直腹杆和斜腹杆将上层桥面结构单元段和下层桥面结构单元段连接。
与常规方法相比,本发明先形成上、下层桥面结构单元段,再连接主桁杆件形成空间桁架梁,可大幅缩减现场装配施工时间,缩短现场施工周期。
与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
1)本发明的桥面结构为密布纵、横肋的桥面板。与常规的纵、横钢梁与混凝土桥面板组成的桥面结构相比,所占据高度约为两榀桁架间距的1/30,远小于常规桥面结构(参见技术背景),从而实现了桥面超薄,增大交通净空(或降低桁梁高度)的目标。
2)本发明的桥面结构采用UHPC,由于UHPC优异的强度、韧性和耐久性,板件厚度大幅减小。桥面结构折合成平板的厚度不到20cm,也远小于常规桥面结构,从而有效减轻自重。同时,桥面结构构造简单,板件截面一致,下方敞开,方便观测和维护。
3)本发明的超薄桥面结构采用预制装配法施工,即先在梁厂预制,再运输到施工现场进行拼装。推荐的施工方案:主桁弦杆跟随桥面结构一起制作,这样包括钢—混连接部位在内的UHPC都能梁厂进行蒸汽热养护,避免的接头部位现场养护带来材料性能下降的弊病。因此,上、下桥面结构单元制作完成后,其两侧携带有上、下弦杆单元,施工现场只需要用主桁的腹杆将上、下层桥面组装成整体的桁梁梁段。
4)本发明的组合桁架梁在施工现场,桥面板之间的横向接缝采用胶接(界面制作榫卯),并张拉纵向预应力形成整体,现场不需浇注UHPC。上下弦杆之间采用高强螺栓连接(钢—混连接的一面无需连接)。本发明简化了双层组合桁梁的施工步骤,节省了施工周期。传统采用混凝土桥面的组合桁梁的施工过程,需要先组拼主桁、平联、横梁(或横联),形成空间桁架梁,再安装桥面板;在双层桥面桥梁中,上层构件会妨碍下层桥面的安装。本发明中组合桁梁简化为2榀钢主桁和2层UHPC桥面结构组成的类箱形截面,减少了形成整体结构的工序。
5)本发明的组合桁架梁,整体刚度大,UHPC桥面结构参与整体受力的程度高,且由于自重减小,有助于提高承载能力。
附图说明
图1为本发明第一种实施方式的桁架桥的横向剖视图,单位为:mm;
图2为图1中桥中线处的剖面图,单位为:mm;
图3为本发明第一种实施方式的上层桥面结构的横断面图(包含预应力布置方案),单位为:mm;
图4为本发明第一种实施方式的下层桥面结构的横断面图(包含预应力布置方案),单位为:mm;
图5为本发明第一种实施方式的上层桥面结构横肋单元示意图,(a)中心截面,(b)支承截面,(c)锚固截面,单位为:mm;
图6为本发明第一种实施方式的上层桥面结构纵肋单元示意图,单位为:mm。
具体实施方式
以下将结合实施例来详细说明本发明。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。
如图1和图2所示,一种桁架桥,包括2榀相对设置的桁架和2层超薄桥面结构。所述超薄桥面结构,包括桥面1、多根设置于桥面底面上且与桥面宽度方向平行的横肋3和多根设置于桥面底面上且与桥面长度方向平行的纵肋2,所述多根横肋3沿桥面1长度方向依次均匀分布,所述多根纵肋2沿桥面1宽度方向依次均匀分布。
所述桁架包括沿桥面长度延伸的上弦杆8和下弦杆9,所述上弦杆8和下弦杆9之间通过多根直腹杆10连接,相邻直腹杆10之间设有斜腹杆11,斜腹杆的上端与上弦杆固定连接,斜腹杆的下端与下弦杆固定连接。本例中上、下层桥面的安装形式有所区别,上层桥面结构安装于上弦杆顶板上,下层桥面结构安装于下弦杆内侧板之间。
具体地,2榀主桁横向间距为16.0m,主桁节间距6m,主桁中心高度5.0m。上层桥面结构宽度为24.0m,两侧各悬臂伸出4.0m,共有27片纵肋(包含上弦杆处的纵肋),纵肋标准间距0.9m。下层桥面宽度为15.4m,共有18片纵肋(包含下弦杆处的纵肋),纵肋标准间距0.9m。现取主桁节间距作为桥面结构单元的纵向长度,即6m,一个节段共设12片横肋,横肋间距0.6m。整个桥面结构是一个密肋板,同时桥面结构为UHPC浇注而成。
本例中横坡中取1.5%,详见图1。桥面结构高度沿横桥向变化,上、下层桥面结构总高度在桥面中心处为0.62m,在主桁处为0.50m,上层桥面结构边缘处的横肋高度为0.44m。
如图3至图6所示,所述横肋3内设有第一预应力筋孔道5和两根横向钢筋6,第一预应力筋孔道5内设有第一预应力筋4,所述第一预应力筋4为预应力钢绞线。所述第一预应力筋孔道5形状为曲线,布置与桥面结构横向受力状况相关。纵肋2内布置第二预应力筋孔道7。
本例中上、下层桥面横肋预应力孔道5的形状是有所区别的,详见图3、图4。
图5、图6示出了上层桥面纵、横肋的具体构造。本实例中,每一片横肋采用2根直径为14mm的HRB500钢筋作为主筋,布置在横肋下部。本实例中,每一片横肋采用一束5φs15.2钢绞线,采用夹片式群锚,φ55金属波纹管成孔。布置位置沿横向变化,桥面中心位置、弦杆顶位置、端部位置的横截面分别见图5a、图5b、图5c。
本实例中,桥面作为整个组合桁梁的上下翼缘,纵肋中的配筋主要跟组合桁梁的整体受力状况相关,图6中第二预应力筋孔道7的布置为示意绘出,仅表示纵肋中有相当空间可供设置纵向预应力。
构建上述桁架桥时,根据待构建桁架桥的超薄桥面结构尺寸参数,纵向分块预制,获得超薄桥面结构单元。超薄桥面结构单元制作完成后,两侧携带有主桁弦杆单元。这样包括钢—混连接部位在内的UHPC构件都能梁厂进行蒸汽热养护,避免的接头部位现场养护带来材料性能下降的弊病。之后,在施工现场沿纵向拼装相应超薄桥面结构单元,获得上、下层桥面结构单元段;拼接界面胶接,并通过张拉纵肋2内第二预应力筋孔道7中的预应力筋,实现超薄桥面结构的纵向连接。连接主桁弦杆之间的接缝,再通过主桁腹杆系将上、下层桥面结构单元段连接起来,构建成整体的组合桁架梁。
构建方法与常规方法相区别的特征在于,本实例先形成上、下层桥面结构节段,再连接主桁杆件形成空间组合桁梁。常规组合桁梁往往先形成钢桁架,再安装混凝土桥面板,这样不可避免地需要现场浇筑钢—混接头混凝土,而对于UHPC材料性能的形成受养护手段影响很大。本实例的构建方法有效地保证全部UHPC构件均获得良好的养护条件。
综上,本发明通过运用新型材料和结构优化等手段,提供了一种高度小、受力性能良好的超薄桥面结构。与常规的钢—混组合桥面结构和普通混凝土桥面结构相比,其性能优越,抗裂性好,且自重轻,高度小,从而实现了双层组合衡量着中的超薄桥面结构。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明,而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种超薄桥面结构,其特征在于,包括桥面(1)、多根设置于桥面底面下且与桥面宽度方向平行的横肋(3)和多根设置于桥面底面下且与桥面长度方向平行的纵肋(2),所述多根横肋(3)沿桥面(1)纵向依次均匀分布,所述多根纵肋(2)沿桥面(1)横向依次均匀分布;所述横肋(3)内设有第一预应力筋孔道(5),相邻横肋之间的间距为0.50-0.90m,相邻纵肋之间的间距为0.70-1.20m,所述桥面(1)的厚度为0.08m;所述桥面结构的适用高度为0.40-0.70m。
2.根据权利要求1所述的超薄桥面结构,其特征在于,所述桥面(1)为凸形双向横坡结构,横坡度为1.5-2.5%。
3.根据权利要求2所述的超薄桥面结构,其特征在于,所述横肋(3)的底面与水平面平行,横肋的高度由外至内逐渐增大,以形成横坡。
4.根据权利要求1所述的超薄桥面结构,其特征在于,第一预应力筋孔道(5)内设有第一预应力筋(4),所述第一预应力筋(4)为预应力钢绞线。
5.根据权利要求1-4任一项所述的超薄桥面结构,其特征在于,所述超薄桥面结构主要由UHPC浇筑而成。
6.一种桁架桥,其特征在于,包括两榀相对设置的钢桁架和两层如权利要求1-5任一项所述的超薄桥面结构。
7.根据权利要求6所述的桁架桥,其特征在于,所述钢桁架包括沿桥面长度延伸的上弦杆(8)和下弦杆(9),所述上弦杆(8)和下弦杆(9)之间通过多根直腹杆(10)连接,相邻直腹杆(10)之间设有斜腹杆(11),斜腹杆的上端与上弦杆固定连接,斜腹杆的下端与下弦杆固定连接;两根上弦杆的顶部安装有一层超薄桥面结构,两根下弦杆之间安装有一层超薄桥面结构。
8.如权利要求7所述的桁架桥的构建方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、根据待构建桁架桥的结构尺寸参数,沿纵向分块预制,获得上层超薄桥面结构单元和下层超薄桥面结构单元;
其中,上层超薄桥面结构单元的底部设有上弦杆节段,下层超薄桥面结构单元的两侧分别设有下弦杆节段;
S2、在施工现场沿纵向拼装上层超薄桥面结构单元,获得上层桥面结构单元段;在施工现场沿纵向拼装下层超薄桥面结构单元,获得下层桥面结构单元段;
其中,相邻超薄桥面结构单元之间胶接,并通过张拉纵肋(2)内第二预应力筋孔道(7)中的第二预应力筋,实现超薄桥面结构单元的纵向连接;
S3、连接相邻弦杆节段之间的接缝,再通过直腹杆和斜腹杆将上层桥面结构单元段和下层桥面结构单元段连接。
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