CN109208474A - 一种未配筋的钢-uhpc组合桥面结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

一种未配筋的钢‑UHPC组合桥面结构，由UHPC桥面板、正交异性钢桥面板和连接栓钉组成，且UHPC桥面板主体部分未配置受力钢筋和构造钢筋；所述UHPC桥面板分段现浇时接头部位采用键齿咬合接头或密配筋的平接头，键齿咬合接头与金属波纹套管和接头螺纹钢筋配合使用。本发明还公开了该组合桥面结构的施工方法。该钢‑UHPC组合桥面结构的构造简单，显著降低了组合桥面结构的原料成本，降低了施工人力成本，施工周期短，且桥面板整体承载能力及抗疲劳能力满足受力要求，适用于正交异性钢桥面板的疲劳加固和新建钢桥的刚性桥面铺设。

Description

一种未配筋的钢-UHPC组合桥面结构及施工方法

技术领域

本发明涉及超高性能混凝土组合桥梁结构，尤其是涉及一种未配筋的钢-UHPC组合桥面结构及施工方法。

背景技术

超高性能混凝土(UHPC)由于力学性能优异，被认为是最具创新性的水泥基工程材料之一。为了综合解决钢桥中桥面板沥青混凝土铺装层易损和钢桥面板疲劳开裂两类典型病害问题，中国专利CN 201704626U、CN205046474U公开的钢超高性能混凝土桥面结构，通过在超高性能混凝土层内密集配置钢筋，以及通过钢桥面上焊接的剪力钉将两者紧密连接，以此来减小UHPC的自收缩性能，这种组合桥面板结构可明显提高桥面板的结构刚度，从而可以大幅改善桥面板铺装层的工作环境，延长铺装层的使用寿命；UHPC层与正交异性桥面板协同受力，可明显降低局部车轮荷载作用下正交异性桥面板中的疲劳应力幅，从而提高桥面板局部及整体力学性能。这种组合桥面结构具有非常好的力学性能，但其较高的造价阻碍了这种组合桥面板的发展，其中采用的密配筋方式更是需要花费大量的人力成本和资源消耗，因此开发出一种工程造价更低的钢-UHPC组合桥面板将很有必要。

稻壳灰抑制超高性能混凝土的自收缩机理分析中公开了添加20％平均粒径为5.6μm的稻壳灰(RHA)可降低UHPC自身的收缩性能；且组合桥面板中UHPC层的养护工艺一般为先标准养护36～48h，然后进行90℃的高温蒸汽养护48h，根据已有研究经高温蒸汽养护后的UHPC基本不产生收缩应变，因此只需关注标准养护期内的自收缩性能，事实上UHPC的自收缩性能虽然较大，但由于UHPC早期裂纹具备自愈合能力，其抗裂性能仍然较好。故，申请人在忽略UHPC的早期自收缩，克服本领域技术人员常采用密置配筋进而减小UHPC自收缩性能的技术偏见，在保证钢-超高性能混凝土组合桥面板受力性能的情况下，提出一种不配筋、施工更便捷的钢-UHPC组合桥面板。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种结构简单、施工方便且力学性能优良的未配筋的钢-UHPC组合桥面结构及其施工方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明之一种未配筋的钢-UHPC组合桥面结构，所述钢-UHPC组合桥面结构由UHPC桥面板、正交异性钢桥面板和连接栓钉组成，且UHPC桥面板主体部分未配置受力钢筋和构造钢筋；钢桥面板上设有嵌入UHPC桥面板内的连接栓钉，所述连接栓钉均匀等间距地分布在钢桥面板上，相邻栓钉的间距为15cm～55cm。

在某一示范实施例中，所述UHPC桥面板通过整体现浇或分段现浇而成。

在某一示范实施例中，UHPC桥面板分段现浇的相邻UHPC桥面板单元采用键齿咬合接头连接或密集配筋的平接头。

在某一示范实施例中，键齿咬合接头为倒梯形接头或“T”形接头。

优选，倒梯形接头设计参数一般需满足b₂≥10cm；1.6b₂≥b₁≥1.2b₂；0.8b₂≥h≥0.5b₂；80°≥β≥60°等要求，符号表示参见图2；“T”形接头设计参数一般需满足h≥1.5×b₂；5cm≤b₂等要求，符号表示参见附图7；通过对键齿咬合接头的结构进行改进，提高相邻UHPC桥面板键齿咬合接头之间的相互咬合力，进而减小甚至消除UHPC桥面板因人为断裂而导致对其接头处抗拉强度的削弱作用。

在某一示范实施例中，所述键齿咬合接头连接处还设有金属波纹套管和接头螺纹钢筋，所述接头螺纹钢筋的一端插设在金属波纹套管内，其另一端外延至相邻的UHPC桥面板单元内。金属波纹套管和接头螺纹钢筋显著提高了键齿咬合接头连接处的连接强度。

优选，所述金属波纹套管的直径为15～45mm，波纹管的长度为接头螺纹钢筋的直径的5～30倍，优选，5～10倍；所述连接螺纹钢筋为单层铺设，其直径为8～16mm，连接螺纹钢筋的长度为其直径的15～65倍，且连接螺纹钢筋外露出先浇段UHPC桥面板的长度为其直径的10～35倍。

在某一示范实施例中，所述金属波纹套管为密闭套管或带可拆卸橡胶密封塞的开口套筒，密封塞可设置成楔形以配合螺纹钢筋插入定位；当金属波纹套管内部不设置定位装置，通过在螺纹钢筋上点焊钢筋限位件进行钢筋限位。

在某一示范实施例中，所述金属波纹套管内设有用于对接头螺纹钢筋限位的竖向肋，所述竖向肋沿金属波纹套管内壁环向均布。

在某一示范实施例中，所述UHPC桥面板为具有低收缩性能的UHPC浇筑而成，UHPC桥面板的厚度为35～65mm。

本发明为一种未配筋的钢-UHPC组合桥面结构整体现浇的施工方法，包括以下步骤：

1)将连接栓钉均匀等间距地焊接在钢桥面板上，并使连接栓钉向上延伸至待浇筑的UHPC桥面板内；

2)在钢桥面板上布置待浇筑UHPC桥面板的模板；

3)浇筑UHPC桥面板并养护。

一种未配筋的钢-UHPC组合桥面结构分段现浇的施工方法，包括以下步骤：

1)将连接栓钉均匀等间距地焊接在钢桥面板上，并使连接栓钉向上延伸至待浇筑的UHPC桥面板内；

2)浇筑先浇段UHPC桥面板：

在钢桥面板上布置先浇段UHPC桥面板的金属波纹套管及模板；

浇筑先浇段UHPC桥面板并进行蒸汽养护；

以垂直平面外的方式拆除模板；

3)浇筑后浇段UHPC桥面板：

对先浇段UHPC桥面板与后浇段UHPC桥面板的连接界面进行凿毛处理并去除出气塞；

向金属波纹套管内浇筑UHPC灌浆料：拆除模板，安装注浆盒，通过注浆盒浇筑UHPC灌浆料并在顶部施加压力对金属波纹套管内注浆；

插入接头螺纹钢筋：接头螺纹钢筋插入金属波纹套管，且其一端从金属波纹套管内外露，接头螺纹钢筋外露的长度为其直径的10～35倍；

浇筑后浇段UHPC桥面板并养护。

金属波纹套管布置的具体操作为：先预埋金属波纹套管，并精确定位处理，金属波纹套管管孔一端密封，另一端开口，且开口端朝外，密封端朝内，防止先浇段的UHPC浆料进入金属波纹管中；波纹管的口径与连接界面平齐，便于拆除端部模板。

本发明未配筋的钢-UHPC组合桥面结构的有益效果：结构简单，在UHPC桥面板主体部分不再配制受力钢筋和和构造钢筋，显著降低了组合桥面结构的原料成本，免除了布置钢筋的繁琐工序，施工人力成本降低，周期短，且桥面整体承载能力及抗疲劳能力优良。

未配筋的钢-UHPC组合桥面结构，其连接栓钉提高了钢桥面板与UHPC桥面板之间的连接强度，由于UHPC桥面板整体浇筑，避免了分段浇筑的桥面板在连接处出现断裂的现象，且提高了组合桥面结构的整体受力性能。

分段现浇的UHPC桥面板采用键齿咬合接头连接，由于键齿咬合接头的结构能提高相邻UHPC桥面板键齿咬合接头之间的相互咬合力，进而减小甚至消除UHPC桥面板因人为断裂而导致对其接头处抗拉强度的削弱作用，确保了组合桥面结构的整体受力性能。

本发明未配筋的钢-UHPC组合桥面结构的施工方法的有益效果：工序简单，施工周期短，施工设备投资小。

附图说明

图1—为本发明实施例1中未配筋钢-UHPC组合桥面板(分段现浇)的结构示意图；

图2—为本发明实施例1中UHPC桥面板“倒梯形”接头示意图；

图3—为本发明实施例1中UHPC桥面板“倒梯形”接头配筋示意图；

图4—为本发明实施例1中UHPC桥面板键齿咬口接头处金属波纹套管、接头螺纹钢筋的分布示意图；

图5—为本发明实施例1中金属波纹套管的结构示意图；

图6—为本发明所述的键齿形接头金属波纹套管连接施工工艺示意图；

图7—为本发明实施例2中UHPC桥面板“T”形接头示意图；

图8—为本发明实施例2中的UHPC桥面板“T”接头配筋示意图；

图9—为本发明实施例2中的金属波纹套管的结构示意图。

图10—为本发明实施例1中未配筋钢-UHPC组合桥面板(整体现浇)的结构示意图；

图中：1—连接栓钉，2—UHPC桥面板，21—先浇段UHPC桥面板，22—后浇段UHPC桥面板，23—连接界面，3—正交异性钢桥面板，4—U形肋，5—横隔板，6—键齿咬合接头，7—接头螺纹钢筋，71—钢筋限位件，8—金属波纹套管，9—UHPC灌浆料，10—密封塞，11—出气塞，12—排气软管，13—竖向肋，14—端模板，15—注浆盒。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

参照图1～5：本实施例的一种未配筋的钢-UHPC组合桥面结构，所述钢-UHPC组合桥面结构由UHPC桥面板2、正交异性钢桥面板3和连接栓钉1组成，且UHPC桥面板2主体部分未配置受力钢筋和构造钢筋；钢桥面板3上设有嵌入UHPC桥面板2内的连接栓钉1，所述连接栓钉1均匀等间距地分布在钢桥面板3上，相邻栓钉的间距为15cm～55cm。

所述UHPC桥面板2通过分段现浇而成。

UHPC桥面板2分段现浇的相邻UHPC桥面板2单元采用键齿咬合接头6连接或密集配筋的平接头。

键齿咬合接头6为倒梯形接头。倒梯形接头设计参数一般需满足b₂≥10cm；1.6b₂≥b₁≥1.2b₂；0.8b₂≥h≥0.5b₂；80°≥β≥60°等要求，符号表示参见图2；通过对键齿咬合接头6的结构进行改进，提高相邻UHPC桥面板2键齿咬合接头6之间的相互咬合力，进而减小甚至消除UHPC桥面板2因人为断裂而导致对其接头处抗拉强度的削弱作用。

所述键齿咬合接头6连接处还设有金属波纹套管8和接头螺纹钢筋7，所述接头螺纹钢筋7的一端插设在金属波纹套管8内，其另一端外延至相邻的UHPC桥面板2单元内。金属波纹套管8和接头螺纹钢筋7显著提高了键齿咬合接头6连接处的连接强度。

所述金属波纹套管8的直径为15～45mm，波纹管的长度为接头螺纹钢筋7的直径的5～30倍，优选，5～10倍；所述连接螺纹钢筋为单层铺设，其直径为8～16mm，连接螺纹钢筋的长度为其直径的15～65倍，且连接螺纹钢筋外露出先浇段UHPC桥面板21的长度为其直径的10～35倍。

所述金属波纹套管8为带可拆卸橡胶密封塞10的开口套筒，密封塞10可设置成楔形以配合螺纹钢筋插入定位。当金属波纹套管8内部不设置定位装置，通过在螺纹钢筋上点焊钢筋限位件71进行钢筋限位，如图5所示。

所述UHPC桥面板2为采用添加了稻壳灰的低收缩性能的UHPC浇筑而成，UHPC桥面板2的厚度为35～65mm。

参照图6，本实施例的一种未配筋的钢-UHPC组合桥面结构分段现浇的施工方法，包括以下步骤：

1)将连接栓钉1均匀等间距地焊接在钢桥面板3上，并使连接栓钉1向上延伸至待浇筑的UHPC桥面板2内；

2)浇筑先浇段UHPC桥面板21：

在钢桥面板3上布置先浇段UHPC桥面板21的金属波纹套管8及模板14；浇筑先浇段UHPC桥面板21并进行蒸汽养护；

以垂直平面外的方式拆除端模板14；

3)浇筑后浇段UHPC桥面板22：

对先浇段UHPC桥面板21与后浇段UHPC桥面板22的连接界面23进行凿毛处理并去除出气塞11；

向金属波纹套管8内浇筑UHPC灌浆料9：安装注浆盒15，通过注浆盒15浇筑UHPC灌浆料9并在顶部施加压力对金属波纹套管8内注浆；

插入接头螺纹钢筋7：接头螺纹钢筋7插入金属波纹套管8，且其一端从金属波纹套管8内外露，接头螺纹钢筋7外露的长度为其直径的10～35倍；浇筑后浇段UHPC桥面板22并养护。

金属波纹套管8布置的具体操作为：先预埋金属波纹套管8，并精确定位处理，金属波纹套管8管孔一端密封，另一端开口，且开口端朝外，密封端朝内，防止先浇段的UHPC浆料进入金属波纹管中；波纹管的口径与连接界面23平齐，便于拆除端部模板。

以某自锚式悬索桥为工程背景，主桥长300m，主梁钢箱梁采用正交异性钢桥面板，材料为Q345qc钢材(弹性模量206GPa，泊松比0.3)。标准断面高3.5m，宽32m，顶板厚14mm，底板厚14mm，横隔板厚12mm，横隔板间距为3m。纵向U肋断面为300×280×8mm，中心距为600mm。主桥行车道采用钢-STC轻型组合桥面结构，UHPC桥面板弹性模量为44GPa，泊松比为0.2。

方案1组合桥面形式为钢桥面+5cmSTC(UHPC+密集钢筋)+5cm的沥青混凝土铺装层，钢桥面与STC层通过焊接Ф13×35mm栓钉形成组合结构，栓钉标准间距为150mm×150mm。STC层内布置Ф10的纵、横向钢筋网，标准间距为37.5mm×37.5mm，净保护层厚度为15mm。

方案2为本发明实施例1采用的未配筋的钢-UHPC组合桥面板结构，与方案1不同的是，方案2去除了密集钢筋网，其他部分保持不变。

应用ABAQUS取5个节段建立有限元模型计算钢-UHPC组合桥面的应力情况，模型共15m，采用线弹性模型，忽略钢板与UHPC层的粘结滑移。采用《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-2015的公路Ⅰ级汽车荷载进行静承载能力分析，总重550kN，其中后轴重140kN，车轮荷载计入0.3倍的冲击系数。采用《公路钢结构桥梁设计规范》JTG D64-2015的单车疲劳荷载模型Ⅲ进行抗疲劳能力分析，总重480kN，标准疲劳车轴重120kN。考虑各种不利工况，UHPC桥面板在最不利工况下的计算结果列如表1中。

表1两种方案局部计算UHPC层顶最大主应力计算值(MPa)

根据表1中UHPC桥面板承载能力计算结果可知，方案2与方案1的UHPC桥面板轮载应力相比虽高了16.9％，但方案2UHPC桥面板的最大局部轮载应力仅为5.96MPa，加上整体计算结果5.1MPa，桥面板叠合应力仅为11.06MPa，考虑到钢面板与UHPC共同受拉，而UHPC的静力开裂强度在30MPa以上，远高于桥面板的计算应力，因此UHPC层在未配筋情况下无开裂风险。根据表1中疲劳应力计算结果可知，方案2比方案1UHPC桥面板的轮载应力高了16.2％，但方案2UHPC桥面板最大应力幅仅为4.04MPa，进行UHPC桥面板的疲劳强度验算，满足结构的抗疲劳设计要求。

因此，采用未配筋的钢-UHPC组合桥面结构在力学性能，与现有的密置配筋的钢-UHPC组合桥面结构的力学性能差别不大，完全能满足桥面板自身承载能力及抗疲劳能力的需求，是切实可行、值得推广使用的桥面板组合结构。

实施例2

参照图1和7～9，本实施例的一种未配筋的钢-UHPC组合桥面结构，与实施例1相比，存在以下不同：

键齿咬合接头6为“T”形接头，“T”形接头设计参数一般需满足h≥1.5×b₂；5cm≤b₂等要求，符号表示参见附图7；通过对键齿咬合接头6的结构进行改进，提高相邻UHPC桥面板2键齿咬合接头6之间的相互咬合力，进而减小甚至消除UHPC桥面板2因人为断裂而导致对其接头处抗拉强度的削弱作用。

所述金属波纹套管8为密闭套管。

所述金属波纹套管8内设有用于对接头螺纹钢筋7限位的竖向肋13，所述竖向肋13沿金属波纹套管8内壁环向均布，竖向肋13设置在金属波纹套管8的管内壁中，如图9(a)所示，或者，竖向肋13仅设置在金属波纹套管8管内壁两端部位，如图9(b)所示。

本实施例的一种未配筋的钢-UHPC组合桥面结构的施工方法同实施例1中的施工方法。

此外，需要说明的是，本发明的一种未配筋的钢-UHPC组合桥面结构，当桥面板的承载能力及抗疲劳能力的性能需求较低时，如果组合桥面结构采用分段现浇浇筑UHPC桥面板2，也可以只将分段浇筑的UHPC桥面板2单元的端部浇筑形成呈倒梯形或“T”形的键齿咬合接头6，不需要在UHPC桥面板2单元的接缝处设金属波纹套管8和接头螺纹钢筋7，以上技术特征的改变，本领域的技术人员通过文字描述可以理解并实施，故不再另作附图加以说明。

实施例3

参照图10：本实施例的一种未配筋的钢-UHPC组合桥面结构，所述钢-UHPC组合桥面结构由UHPC桥面板2、正交异性钢桥面板3和连接栓钉1组成，且UHPC桥面板2主体部分未配置受力钢筋和构造钢筋；钢桥面板3上设有嵌入UHPC桥面板2内的连接栓钉1，所述连接栓钉1均匀等间距地分布在钢桥面板3上，相邻栓钉的间距为15cm～55cm。

所述UHPC桥面板2通过整体现浇浇筑而成。

一种未配筋的钢-UHPC组合桥面结构整体现浇的施工方法，包括以下步骤：

1)将钢连接栓钉1均匀等间距地焊接在钢桥面板3上，并使连接栓钉1向上延伸至待浇筑的UHPC桥面板2内；

2)在钢桥面板3上布置待浇筑UHPC桥面板2的模板14；

3)浇筑UHPC桥面板2并养护。

Claims (10)

1.一种未配筋的钢-UHPC组合桥面结构，其特征在于，所述钢-UHPC组合桥面结构由UHPC桥面板、正交异性钢桥面板和连接栓钉组成，且UHPC桥面板主体部分未配置受力钢筋和构造钢筋；钢桥面板上设有嵌入UHPC桥面板内的连接栓钉，所述连接栓钉均匀等间距地分布在钢桥面板上，相邻栓钉的间距为15cm～55cm。

2.如权利要求1所述未配筋的钢-UHPC组合桥面结构，其特征在于，所述UHPC桥面板通过整体现浇或分段现浇而成。

3.如权利要求2所述未配筋的钢-UHPC组合桥面结构，其特征在于，UHPC桥面板分段现浇的相邻UHPC桥面板单元采用键齿咬合接头连接或密集配筋的平接头。

4.如权利要求3所述未配筋的钢-UHPC组合桥面结构，其特征在于，键齿咬合接头为倒梯形接头或“T”形接头。

5.如权利要求3或4所述未配筋的钢-UHPC组合桥面结构，其特征在于，所述键齿咬合接头连接处还设有金属波纹套管和接头螺纹钢筋，所述接头螺纹钢筋的一端插设在金属波纹套管内，其另一端外延至相邻的UHPC桥面板单元内。

6.如权利要求5所述未配筋的钢-UHPC组合桥面结构，其特征在于，所述金属波纹套管的直径为15～45mm，波纹管的长度为接头螺纹钢筋的直径的5～30倍；所述连接螺纹钢筋为单层铺设，其直径为8～16mm，连接螺纹钢筋的长度为其直径的15～65倍，且连接螺纹钢筋外露出先浇段UHPC桥面板的长度为其直径的10～35倍。

7.如权利要求5所述未配筋的钢-UHPC组合桥面结构，其特征在于，所述金属波纹套管为密闭套管或带可拆卸橡胶密封塞的开口套筒，所述密封塞成楔形，以配合连接螺纹钢筋插入定位；或者，所述金属波纹套管内设有用于对接头螺纹钢筋限位的竖向肋，所述竖向肋沿金属波纹套管内壁环向均布。

8.如权利要求1或2所述未配筋的钢-UHPC组合桥面结构，其特征在于，所述UHPC桥面板为低收缩性能的UHPC浇筑而成，UHPC桥面板的厚度为35～65mm。

9.一种如权利要求1或8所述的未配筋的钢-UHPC组合桥面结构整体现浇的施工方法，包括以下步骤：

1)将连接栓钉均匀等间距地焊接在钢桥面板上，并使连接栓钉向上延伸至待浇筑的UHPC桥面板内；

2)在钢桥面板上布置待浇筑UHPC桥面板的模板；

3)浇筑UHPC桥面板并养护。

10.一种如权利要求1、3～8任一项所述的未配筋的钢-UHPC组合桥面结构分段现浇的施工方法，包括以下步骤：

1)将连接栓钉均匀等间距地焊接在钢桥面板上，并使连接栓钉向上延伸至待浇筑的UHPC桥面板内；

2)浇筑先浇段UHPC桥面板：

在钢桥面板上布置先浇段UHPC桥面板的金属波纹套管及模板：先预埋金属波纹套管，并精确定位处理，金属波纹套管管孔一端密封，另一端开口，且开口端朝外，密封端朝内，防止先浇段的UHPC浆料进入金属波纹管中；波纹管的口径与连接界面平齐，便于拆除端部模板；

浇筑先浇段UHPC桥面板并进行蒸汽养护；

以垂直平面外的方式拆除模板；

3)浇筑后浇段UHPC桥面板：

对先浇段UHPC桥面板与后浇段UHPC桥面板的连接界面进行凿毛处理并去除出气塞；

向金属波纹套管内浇筑UHPC灌浆料：通过注浆盒浇筑UHPC灌浆料并在顶部施加压力对金属波纹套管内注浆；

插入接头螺纹钢筋：接头螺纹钢筋插入金属波纹套管，且其一端从金属波纹套管内外露，接头螺纹钢筋外露的长度为其直径的10～35倍；

浇筑后浇段UHPC桥面板并养护。