CN110004816A - 波形钢腹板预应力uhpc组合箱梁及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型波形钢腹板预应力UHPC组合箱梁及其施工方法，该新型UHPC组合梁包括华夫式UHPC上顶板、波形钢腹板、体外预应力筋和华夫式UHPC下底板，其充分利用了UHPC抗压强度高，波形钢腹板质轻、抗剪屈服强度高的特点，并且由于UHPC材料具有优越的韧性和延性性能，能与波形钢腹板变形相协同，从而提高了结构的稳定性、强度及材料的使用效率。同时，由于使用了UHPC材料，能够进一步减小截面尺寸，降低材料使用量和整体的重量，缩短现场施工工期。而且由于UHPC材料在耐久性能和缩减养护成本方面具有显著的潜在优势，具有较重要的经济效益及社会效益。
Description
技术领域：
本发明涉及超高性能混凝土、桥梁工程和钢-混凝土组合结构领域，具体地说涉及一种波形钢腹板预应力UHPC组合箱梁及其施工方法。
背景技术：
波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁（简称“波形钢腹板PC组合箱梁”）源于法国，以波形钢板代替混凝土作为箱梁的腹板，并采用体外预应力技术，以实现主梁的轻型化，增大其跨越能力的一种较为新颖的桥梁上部结构形式，它由混凝土翼板、波形钢腹板、体外索（即体外预应力筋）等组成。20 世纪80年代，法国相继修建了Cognac桥、Maupré高架桥、Dole桥、Asterix桥等几座有代表性的波形钢腹板PC组合箱梁桥，结构体系均为连续梁桥。此后，这种桥型在日本、挪威、委内瑞拉、德国和韩国等国得到应用，其中以日本应用最多。箱梁截面形式由最初的单箱单室发展到多箱多室，结构体系也由简支梁桥、连续梁桥发展到刚构桥、部分斜拉桥（即矮塔斜拉桥）、斜拉桥等，目前日本已建的波形钢腹板PC组合箱梁桥超过200座。波形钢腹板PC组合箱梁桥在20世纪90年代被介绍到中国，众多国家或地区科研项目和与具体工程相结合的有关波形钢腹板PC组合箱梁桥的科研项目相继展开并取得了较多成果。截止2015 年底，中国已建和在建的波形钢腹板PC组合箱梁桥总数达到72座。这种组合箱梁在国内外桥梁工程中有着广阔的应用前景，已表现出强大的生命力。
与传统的预应力混凝土箱梁（简称“PC箱梁”）相比，这种波形钢腹板PC组合箱梁充分利用了混凝土抗压，波形钢腹板质轻、抗剪屈服强度高的优点，且施工性能和美观方面也具有潜在的优势，故其一出现就引起世界各国工程师与学者的关注，对其力学性能的研究也随之展开。中国从21世纪初开始较为深入地研究这种结构，采用仿真计算、试验验证、工程应用等多种手段相结合的方式，逐渐摸清了这种结构的抗弯、抗剪、抗扭以及动力等基本力学性能，并促成了这种组合箱梁设计理论体系的初步形成，相关科研成果集中体现在规范《公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范》（DB 41/T 643-2010）和《波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥设计与施工规程》（DB 44/T 1393-2014）中，这些都极大地促进了这种结构的工程运用与发展。然而，由于波形钢腹板在轴向力作用下的变形和混凝土翼板由于徐变和干燥收缩所产生的变形不协同，混凝土板容易开裂尤其是正弯矩区域混凝土板的过早开裂导致结构的适用性降低、强度及材料的使用效率过低使得组合效应和整体抗力无法充分发挥。除此之外，桥面板的局部受力、桥面板的轻量化和耐久性能等问题也都在一定程度上影响其运营周期。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：提供一种波形钢腹板预应力UHPC组合箱梁及其施工方法，该波形钢腹板预应力UHPC组合箱梁承载能力高，变形性能好、施工方便，具有较重要的经济效益及社会效益。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
本发明波形钢腹板预应力UHPC组合箱梁，其特征在于：包括华夫式UHPC上顶板、华夫式UHPC下底板及用于连接华夫式UHPC上顶板、下底板之间且呈对称分布的两片波形钢腹板，所述波形钢腹板上端与华夫式UHPC上顶板的连接部设有埋入式剪力件，所述波形钢腹板下端与华夫式UHPC下顶板的连接部设有埋入式剪力件。
进一步的，上述埋入式剪力件包括两根平行埋设在华夫式UHPC顶板内的条钢，所述波形钢腹板的端部通过锚固栓钉固定设在两条钢相对的壁面内，所述波形钢腹板靠近端部的位置穿设有贯通钢筋。
进一步的，上述华夫式UHPC上顶板与华夫式UHPC下底板之间还设有中横隔板和端横隔板。
进一步的，上述中横隔板体内包括贴靠在波形钢腹板内壁面和华夫式UHPC顶板相对壁面上的开孔钢板和连接于开孔钢板上各开孔的横、纵向钢筋，位于两开孔钢板交接处附近的开孔连接有斜钢筋，横、纵向钢筋和斜钢筋构成剪力连接件。
进一步的，上述端横隔板上设有预留检查通道，所述端横隔板与中横隔板体内的结构相同，仅仅在横、纵向钢筋中预留检查通道的位置。
进一步的，在中横隔板上设有用于穿设体外预应力束的预应力筋孔道。
本发明波形钢腹板预应力UHPC组合箱梁的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
a. 安装好华夫式UHPC下底板的下部钢模板，将波形钢腹板的下端在钢模板上定位好并与下底板内钢筋网连接，设置好端横隔板和中横隔板内的剪力连接件；
b. 绑扎端横隔板和中横隔板内的钢筋网，并在中横隔板上预留预应力筋孔道，同时预应力筋孔道位置周边钢筋网加密；
c. 拆除端横隔板及中横隔板模板并安装好华夫式UHPC上顶板的下部钢模板，将波形钢腹板的上端在钢模板上定位好并与上顶板内钢筋网连接，然后按顺序整体浇筑UHPC下底板，横隔板和上顶板；
d. 待UHPC强度达到设计强度30%后可拆除下底板底部钢模板和上顶板底部钢模板，待UHPC强度达到设计强度方可在预应力筋孔道内进行体外预应力筋张拉，并及时封锚。
进一步的，在所述步骤a中，其下底板下部钢模板采用压制型钢板，以便于浇筑时形成华夫式UHPC底板。
进一步的，在所述步骤b中，端横隔板采用开孔设置，预留开孔形成检查通道，以可用于组合箱梁内部检查。
进一步的，在所述步骤b中，应对中横隔板转向位置的钢筋网加密，并对成形的预应力筋孔道打磨弧形；在所述步骤c中，其上顶板下部钢模板采用压制型钢板，以便于浇筑时形成华夫式UHPC上顶板。
本发明提供的一种波形钢腹板预应力UHPC组合箱梁及其施工方法，与现有技术相比，具有如下几个主要优点：
组合箱梁上顶板，下底板及横隔板均采用UHPC材料浇筑成整体，使整体组合箱梁的截面尺寸降低，自重较传统箱梁减低15%~25%。
上顶板和下底板均采用华夫式设计，承载效率较传统的矩形截面高，荷载分配能力好，且所采用的UHPC材料具有较高的韧性和延性性能，与波形钢腹板能协同变形，减缓开裂。
在所述箱梁内间隔设置的UHPC横隔板刚度大，承载力高可保证箱梁的整体性能，使其具有足够的抗扭刚度以减小整体扭转畸变效应。
该新型箱梁构造简单，施工方便，且自重较轻，便于运输和现场架设，可大幅缩短现场施工时间。
由于该新型箱梁采用了耐久性能好的UHPC材料，能有效的降低桥梁养护费用，并可提高桥梁的全寿命周期，增加其使用年限以及通行能力。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
附图说明：
图1是本发明的整体示意图；
图2是中横隔板构造图；
图3是端横隔板构造图；
图4是波形钢腹板两端连接构造图；
图5是埋入式剪力件构造图；
1.华夫式上顶板；2.中横隔板；3.端横隔板；4.波形钢腹板；5.体外预应力束；6.华夫式下底板；21.开孔钢板；22.贯穿钢筋；23.预应力筋孔道；31.预留检查通道；41.埋入式剪力件；411.贯通钢筋；412.条钢；413.锚固栓钉。
具体实施方式：
下面结合实施方式及附图对本发明作进一步的说明，但不局限于本发明。
本发明波形钢腹板预应力UHPC组合箱梁包括华夫式UHPC上顶板、华夫式UHPC下底板及用于连接华夫式UHPC上顶板1、下底板6之间且呈对称分布的两片波形钢腹板4，所述波形钢腹板上端与华夫式UHPC上顶板的连接部设有埋入式剪力件41，所述波形钢腹板下端与华夫式UHPC下顶板的连接部设有埋入式剪力件41。
进一步的，上述埋入式剪力件41包括两根平行埋设在华夫式UHPC顶板内的条钢412，所述波形钢腹板的端部通过锚固栓钉413固定设在两条钢相对的壁面内，所述波形钢腹板靠近端部的位置穿设有贯通钢筋411。
进一步的，上述华夫式UHPC上顶板与华夫式UHPC下底板之间还设有中横隔板2和端横隔板3。
进一步的，上述中横隔板体内包括贴靠在波形钢腹板内壁面和华夫式UHPC顶板相对壁面上的开孔钢板21和连接于开孔钢板上各开孔的横、纵向钢筋24，位于两开孔钢板交接处附近的开孔连接有斜钢筋25，横、纵向钢筋24和斜钢筋25构成剪力连接件。
进一步的，上述端横隔板上设有预留检查通道31，所述端横隔板与中横隔板体内的结构相同，仅仅在横、纵向钢筋中预留检查通道的位置。
进一步的，在中横隔板上设有用于穿设体外预应力束的预应力筋孔道23。
本发明波形钢腹板预应力UHPC组合箱梁的施工方法，包括如下步骤：
a. 安装好华夫式UHPC下底板的下部钢模板，将波形钢腹板的下端在钢模板上定位好并与下底板内钢筋网连接，设置好端横隔板和中横隔板内的剪力连接件；
b. 绑扎端横隔板和中横隔板内的钢筋网，并在中横隔板上预留预应力筋孔道，同时预应力筋孔道位置周边钢筋网加密；
c. 拆除端横隔板及中横隔板模板并安装好华夫式UHPC上顶板的下部钢模板，将波形钢腹板的上端在钢模板上定位好并与上顶板内钢筋网连接，然后按顺序整体浇筑UHPC下底板，横隔板和上顶板；
d. 待UHPC强度达到设计强度30%后可拆除下底板底部钢模板和上顶板底部钢模板，待UHPC强度达到设计强度方可在预应力筋孔道内进行体外预应力筋张拉，并及时封锚。
进一步的，在所述步骤a中，其下底板下部钢模板采用压制型钢板，以便于浇筑时形成华夫式UHPC底板。
进一步的，在所述步骤b中，端横隔板采用开孔设置，预留开孔形成检查通道，以可用于组合箱梁内部检查。
进一步的，在所述步骤b中，应对中横隔板转向位置的钢筋网加密，并对成形的预应力筋孔道打磨弧形；在所述步骤c中，其上顶板下部钢模板采用压制型钢板，以便于浇筑时形成华夫式UHPC上顶板。
超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，简称“UHPC”），系指抗压强度在150MPa以上，同时具有超高韧性、超长耐久性的水泥基复合材料的统称。其主要特征在于：组成材料颗粒的级配达到最佳的水泥基复合材料；水胶比小于0.25，含有较高比例的微细短钢纤维增强材料；抗压强度不低于150MPa；具有受拉状态的韧性，开裂后仍保持抗拉强度不低于7MPa；内部具有不连通孔结构，有很高的抵抗气、液体浸入能力，与传统混凝土和高性能混凝土（HPC）相比，耐久性大幅度提高。
华夫式UHPC桥面板的截面尺寸远小于普通混凝土桥面板，其强度更高且具有更优越的耐久性能，同时由于UHPC板内含钢纤维，具有更好的变形性能，与所述的波形钢腹板能协同变形，且在地震作用下起到耗能作用。
端横隔板内置剪力连接件与钢筋网，截面为非封闭截面，预留为运营阶段组合箱梁内部检查所用，采用现场浇筑UHPC的方式制作；横隔板内置剪力连接件与钢筋网，并设置开孔以兼做体外预应力转向作用，采用现场浇筑UHPC的方式制作；体外预应力筋采用普通无粘结钢绞线，其规格满足体外预应力筋的设计要求即可。
本发明波形钢腹板预应力UHPC组合箱梁及其施工方法，主要针对常规混凝土与波形钢腹板不能协同变形，在正弯矩区域混凝土板容易开裂的常见问题进行改进，其适用桥型的范围较广，可用于刚构桥、连续梁桥以及斜拉桥等桥型主梁中。如图1整体示意图所示，本发明主要是在施工阶段进行实施，具体实施方式如下所述：
首先在台座上进行组合箱梁的波形钢腹板4，上顶板下部钢模板和下底板下部钢模板的加工和定位，应注意上顶板下部的钢模板应开孔以便插入波形钢腹板。按照主梁截面尺寸定位好并按照所述埋入式剪力件41安装贯通钢筋411和钢条412，并用锚固栓钉413固定。
接着进行中横隔板2和端横隔板3的施工，通过开孔钢板21处构建横隔板钢筋网，注意端横隔板的预留开孔31和中横隔板的预应力筋孔道23，其中开孔位置附近的钢筋网需加密，待横隔板钢筋网绑扎完毕后架设横隔板钢模板。
在完成模板施工后开始进行浇筑UHPC，UHPC浇筑前应进行试配以确定其工作性能满足要求，浇筑时采用整体浇筑，浇筑顺序按照先下底板再横隔板，最后浇筑上顶板的施工顺序进行。
为了便于施工，所述华夫式上顶板1靠近端横隔板位置设置吊环，以便于后期主梁的运输和现场吊装。
所述波形钢腹板UHPC组合箱梁可采用常规养护方法或90℃蒸汽养护48小时的方法进行养护，养护完成后进行拆模，所述华夫式上顶板1的下部模板和中横隔板2的模板可由端横隔板开孔31进入到主梁内部进行拆除，拆除模板时应注意检查主梁的上顶板1和下底板6是否存在缺陷。
待UHPC达到设计强度值后方可进行预应力钢绞线5的张拉，张拉应采用逐级对称张拉，待张拉完毕及检查预应力损耗后及时进行封锚。
本发明从设计、施工、养护阶段出发，在根本上解决了常规混凝土与波形钢腹板不能协同变形的问题，即采用该种方法措施之后，将有效减小混凝土板开裂，整体受力性能差和养护成本高等缺点，并大幅减少养护时间及节省大量的人力与物力，同时提高了桥梁的使用寿命周期。
本发明提出的新型波形钢腹板预应力UHPC组合箱梁及其施工方法，主要由华夫式UHPC上顶板、波形钢腹板、华夫式UHPC下底板、无粘结预应力钢绞线等组成。利用UHPC材料优异的韧性与波形钢腹板协同变形，已达到吸收主梁的形变和延缓混凝土板开裂等问题，进一步利用UHPC材料的耐久性能以达到降低养护成本，提高桥梁的使用寿命的目的。本发明具有施工简单，施工周期短，可操作性高，应用性强，以及在现有桥梁领域易推广，适用范围广等优点。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种波形钢腹板预应力UHPC组合箱梁，其特征在于：包括华夫式UHPC上顶板、华夫式UHPC下底板及用于连接华夫式UHPC上顶板、下底板之间且呈对称分布的两片波形钢腹板，所述波形钢腹板上端与华夫式UHPC上顶板的连接部设有埋入式剪力件，所述波形钢腹板下端与华夫式UHPC下顶板的连接部设有埋入式剪力件。
2.根据权利要求1所述的波形钢腹板预应力UHPC组合箱梁，其特征在于：所述埋入式剪力件包括两根平行埋设在华夫式UHPC顶板内的条钢，所述波形钢腹板的端部通过锚固栓钉固定设在两条钢相对的壁面内，所述波形钢腹板靠近端部的位置穿设有贯通钢筋。
3.根据权利要求1所述的波形钢腹板预应力UHPC组合箱梁，其特征在于：所述华夫式UHPC上顶板与华夫式UHPC下底板之间还设有中横隔板和端横隔板。
4.根据权利要求1所述的波形钢腹板预应力UHPC组合箱梁，其特征在于：所述中横隔板体内包括贴靠在波形钢腹板内壁面和华夫式UHPC顶板相对壁面上的开孔钢板和连接于开孔钢板上各开孔的横、纵向钢筋，位于两开孔钢板交接处附近的开孔连接有斜钢筋，横、纵向钢筋和斜钢筋构成剪力连接件。
5.根据权利要求4所述的波形钢腹板预应力UHPC组合箱梁，其特征在于：所述端横隔板上设有预留检查通道，所述端横隔板与中横隔板体内的结构相同，仅仅在横、纵向钢筋中预留检查通道的位置。
6.根据权利要求1所述的波形钢腹板预应力UHPC组合箱梁，其特征在于：在中横隔板上设有用于穿设体外预应力束的预应力筋孔道。
7.一种如权利要求1所述波形钢腹板预应力UHPC组合箱梁的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
a. 安装好华夫式UHPC下底板的下部钢模板，将波形钢腹板的下端在钢模板上定位好并与下底板内钢筋网连接，设置好端横隔板和中横隔板内的剪力连接件；
b. 绑扎端横隔板和中横隔板内的钢筋网，并在中横隔板上预留预应力筋孔道，同时预应力筋孔道位置周边钢筋网加密；
c. 拆除端横隔板及中横隔板模板并安装好华夫式UHPC上顶板的下部钢模板，将波形钢腹板的上端在钢模板上定位好并与上顶板内钢筋网连接，然后按顺序整体浇筑UHPC下底板，横隔板和上顶板；
d. 待UHPC强度达到设计强度30%后可拆除下底板底部钢模板和上顶板底部钢模板，待UHPC强度达到设计强度方可在预应力筋孔道内进行体外预应力筋张拉，并及时封锚。
8.根据权利要求7所述波形钢腹板预应力UHPC组合箱梁的施工方法，其特征在于，在所述步骤a中，其下底板下部钢模板采用压制型钢板，以便于浇筑时形成华夫式UHPC底板。
9.根据权利要求7所述波形钢腹板预应力UHPC组合箱梁的施工方法，其特征在于，在所述步骤b中，端横隔板采用开孔设置，预留开孔形成检查通道，以可用于组合箱梁内部检查。
10.根据权利要求7所述波形钢腹板预应力UHPC组合箱梁的施工方法，其特征在于，在所述步骤b中，应对中横隔板转向位置的钢筋网加密，并对成形的预应力筋孔道打磨弧形；在所述步骤c中，其上顶板下部钢模板采用压制型钢板，以便于浇筑时形成华夫式UHPC上顶板。
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