CN110468708A - 一种钢-uhpc预制板的组合桥面结构及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢‑UHPC预制板的组合桥面结构及其施工方法，属于桥梁结构技术领域，包括：钢桥面板；UHPC预制板，UHPC预制板设有多块，多块UHPC预制板间隔铺设在所述钢桥面板的顶面，UHPC预制板上开设有多个上大下小的阶梯孔，UHPC预制板通过在阶梯孔内穿入具有预紧力功能的连接件与钢桥面板紧密连接；PUE填料，PUE填料密封连接在相邻的两块UHPC预制板之间的接缝内；磨耗层，磨耗层铺设在UHPC预制板和PUE填料的顶面。本发明的桥面组合结构采用在钢桥面板上铺设UHPC预制板，并通过带预紧功能的连接件实现了UHPC预制板与钢桥面板的密贴，避免了轮载作用下由于两者间隙的存在引起的振动、冲击、噪音等不利因素，提高了其使用性能及耐久性能。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁结构技术领域，具体是涉及一种钢-UHPC预制板的组合桥面结构及其施工方法。
背景技术
公路钢桥的桥面结构通常由钢桥面板和沥青铺装层组成，由于沥青铺装层自身刚度低、对轮载的分散能力较弱，且材料自身理化特性受温度影响较大，高温时与钢桥面板的粘接性能较弱，国内外大量的工程实例表明，钢桥面板的疲劳开裂以及沥青铺装层的破损是此类桥面结构的顽疾。钢-UHPC组合桥面结构是近年来发展起来的一种新型钢桥桥面结构形式，可以从根本上解决上述桥面结构病害的出现。目前已在国内外众多的大跨径钢桥中得到普及，取得了良好的经济社会效应。
超高性能混凝土，简称UHPC(Ultra-High Performance Concrete)，钢-UHPC组合桥面结构是基于刚性铺装的思路提高桥面刚度，并采用高抗拉强度的UHPC作为铺装材料，从而避免上述钢桥面系病害的产生。在当前广泛采用的技术方案中，UHPC现场浇筑于焊接有短剪力钉的钢桥面板上，从而实现UHPC层与钢桥面板的紧密结合。但该技术方案具有以下几点显著劣势：
1)受限于现场施工作业条件，UHPC浇筑及养护质量难以得到保证，易出现振捣不实、早期开裂等缺陷，且UHPC表面平整度较差；
2)由于绑扎成型的钢筋网空间位置难以精确固定，UHPC层的保护层厚度保守起见通常较厚，较厚的保护层具有更高的开裂风险；
3)现浇作业对温度、天气要求较高，且现浇方案考虑到混凝土的养护时间，工期较长；
4)对于长、大跨径钢桥，由于未设置桥面断缝，UHPC的收缩及温度效应引起的UHPC层拉应力较高，叠加车轮荷载作用时具有较大的开裂风险。
中国发明专利CN 105064208 A公开了一种由UHPC预制板与钢桥面板组合的桥面板结构，采用粘接剂将UHPC预制板与钢桥面板连接成整体，预制板之间设置有UHPC现浇带。该结构形式可以减小UHPC收缩效应的影响，UHPC板的质量可得到有效控制，且施工效率相比传统方案可得到大幅提升。该结构中粘接剂的粘合效果是决定该结构形式成败的关键，由于钢箱梁在制造、组装完成后，钢桥面板表面不可避免的会有凹凸等不平顺情况，导致UHPC预制板与钢桥面板接触界面上粘接剂厚薄不均，局部粘接效果难以控制，在运营期间各种荷载组合作用下易出现界面滑移，UHPC预制板开裂与破损等病害。此外，后浇UHPC与UHPC预制板的结合界面上由于钢纤维的不连续，为受力薄弱界面，此处开裂会引起腐蚀性介质下渗，引起粘接剂和钢桥面板的耐久性问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术中采用在钢桥面板上现场浇筑UHPC的桥面结构，容易开裂的缺陷，提供一种钢-UHPC预制板的组合桥面结构及其施工方法。
本发明提供一种钢-UHPC预制板的组合桥面结构，包括：
钢桥面板；
UHPC预制板，所述UHPC预制板设有多块，多块UHPC预制板间隔铺设在所述钢桥面板的顶面，所述UHPC预制板上开设有多个上大下小的阶梯孔，所述UHPC预制板通过在阶梯孔内穿入具有预紧力的连接件与钢桥面板紧密连接；
PUE填料，所述PUE填料密封连接在相邻的两块UHPC预制板之间的接缝内；
磨耗层，所述磨耗层铺设在UHPC预制板和PUE填料的顶面。
优先方案：所述相邻的两块UHPC预制板之间的接缝设置在正弯矩区，沿纵桥向放置的相邻的两块UHPC预制板之间的接缝设置在钢桥面板的相邻的两根钢主梁横隔板中间位置，沿横桥向放置的相邻的两块UHPC预制板之间的接缝设置在钢桥面板的相邻两根加劲肋的中间位置。
优先方案：所述连接件为带螺母和垫片的焊钉，所述焊钉的底端设有引弧结，在焊钉的上段设有螺纹，所述螺纹与之适配的螺母连接，所述焊钉的直径为16mm、19mm、22mm、25mm中的任意一种，所述焊钉的焊后高度与UHPC预制板的厚度相等。
优先方案：所述阶梯孔的下段直径比焊钉直径大1～2mm，阶梯孔的下段底部有2～4mm倒角，所述倒角为焊钉焊接时往外扩散的焊水预留空间。
优先方案：所述UHPC预制板为矩形配筋平板，UHPC预制板的板厚为40～60mm，UHPC预制板的钢筋网间距为33～100mm，UHPC预制板的钢筋直径为8～12mm，UHPC预制板的净保护层厚度为10～15mm，所述UHPC预制板的长度沿纵桥向与钢桥面板的钢主梁横隔板的间距一致，所述UHPC预制板的宽度沿横桥向与钢桥面板的宽度比设置成整幅、半幅、1/4幅中的任意一种或多种。
优先方案：所述相邻的两块UHPC预制板之间的接缝宽度为5～10mm，相邻的两块UHPC预制板之间的接缝用于保证相邻的两块UHPC预制板能发生相对变形，所述PUE填料为聚氨酯弹性体，聚氨酯弹性体浇筑在相邻的两块UHPC预制板之间的接缝内，聚氨酯弹性体固化后与相邻的两块UHPC预制板密封连接。
优先方案：所述磨耗层为沥青混凝土现浇层，沥青混凝土现浇层的厚度为20～60mm，沥青混凝土现浇层与UHPC预制板之间用环氧树脂胶粘结。
本发明另一方面提供了一种钢-UHPC预制板的组合桥面结构的施工方法，包括以下步骤：
钢桥面板搭建施工完毕后，在钢桥面板表面喷砂除锈并做防腐涂装；
将预制好的UHPC预制板逐块铺装在钢桥面板上的设定位置，并预留出相邻的两块UHPC预制板之间的接缝；
焊钉的引弧结朝下把焊钉穿入UHPC预制板的阶梯孔内，通过焊枪逐个将焊钉与钢桥面板焊接；
在焊钉上套入垫片后，将螺母与焊钉螺接固定，螺母在UHPC预制板上施加预紧力；
封堵相邻的两块UHPC预制板之间接缝的底面，向接缝内浇筑PUE填料；
待PUE填料在接缝内固化后，在UHPC预制板上涂刷环氧树脂粘结剂，最后在UHPC预制板上铺设磨耗层。
优先方案：所述焊钉穿入UHPC预制板的阶梯孔内之前，磨除UHPC预制板的阶梯孔底部的防腐涂装，保证焊钉与钢桥面板的焊接质量。
在上述技术方案的基础上，与现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明的一种钢-UHPC预制板的组合桥面结构，该桥面组合结构采用在钢桥面板上铺设UHPC预制板，并通过带预紧功能的连接件实现了UHPC预制板与钢桥面板的密贴，避免了轮载作用下由于两者间隙的存在引起的振动、冲击、噪音等不利因素，提高了其使用性能及耐久性能。UHPC预制板可最大程度的消除收缩的影响，避免了UHPC桥面现浇引起的早期开裂的病害。
2)本发明的一种钢-UHPC预制板的组合桥面结构，该桥面组合结构相邻的两块UHPC预制板之间的接缝采用PUE填料密封连接，PUE填料可使UHPC预制板之间释放拉应力，从而避免UHPC预制板在轮载作用、温度作用、收缩等不利工况下开裂，PUE填料能适应UHPC预制板间的相对变形，保证相邻UHPC预制板间能紧密结合，可有效防止雨水等腐蚀性介质渗入。
3)本发明的一种钢-UHPC预制板的组合桥面结构，该桥面组合结构的UHPC预制板采用预制模板在工厂标准化预制后再运输到现场搭建施工，UHPC预制板的制作不受外部环境和场地的限制，相比现场浇筑UHPC质量容易得到保证，加工精度更高、力学性能优越、预制及施工效率更高、质量可控，具有巨大的市场应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例的纵向截面示意图；
图3是本发明实施例的横向截面示意图；
图4是图2中A处局部放大图；
图5是图3中B处局部放大图；
图6是本发明实施例的连接件的结构示意图；
图7是本发明实施例的步骤1结束状态示意图；
图8是本发明实施例的步骤2结束状态示意图；
图9是本发明实施例的步骤3结束状态示意图；
图10是本发明实施例的步骤4结束状态示意图；
图11是本发明实施例的步骤5结束状态示意图；
图12本发明实施例的模板的俯视图。
附图标记：1-钢桥面板，2-UHPC预制板，3-磨耗层，4-阶梯孔，5-连接件，6-PUE填料，11-第一面板，12-第二面板，13-围板，14-凸形钢部件，15-螺栓，16-注浆口，51-连接件，52-螺母，53-垫片，54-引弧结。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例1
参见图1至图5所示，本发明实施例提供一种钢-UHPC预制板的组合桥面结构，包括：
钢桥面板1、UHPC预制板2、PUE填料6和磨耗层3，其中UHPC预制板2设有多块，UHPC预制板2的具体数量根据钢桥面板1的面积和单块UHPC预制板2的面积计算确定；多块UHPC预制板2间隔铺设在钢桥面板1的顶面。在UHPC预制板2上开设有多个上大下小的阶梯孔4，阶梯孔4在UHPC预制板2上沿UHPC预制板2的长度方向和宽度方向间隔均布排列。每块UHPC预制板2通过在阶梯孔4内穿入具有预紧力的连接件5与钢桥面板1紧密连接。本实施例的连接件5施加的预紧力是指：在UHPC预制板2与钢桥面板1受到工作载荷之前，为了增强UHPC预制板2与钢桥面板1连接的可靠性和紧密性，以防止受到载荷后在UHPC预制板2与钢桥面板1间出现缝隙或者相对滑移而预先加的力。
PUE填料6密封连接在相邻的两块UHPC预制板2之间的接缝内；磨耗层3铺设在UHPC预制板2和PUE填料6的顶面。磨耗层3优选为沥青混凝土现浇层，沥青混凝土现浇层的厚度为20～60mm，沥青混凝土现浇层与UHPC预制板2之间用环氧树脂胶粘结，提高沥青混凝土现浇层与UHPC预制板2之间的附着力。
工作原理
本发明的一种钢-UHPC预制板的组合桥面结构，该桥面组合结构采用在钢桥面板1上铺设UHPC预制板2，UHPC预制板2采用在工厂标准化预制后再运输到现场搭建施工，UHPC预制板2的制作不受外部环境和场地的限制，相比现场浇筑UHPC质量容易得到保证。UHPC预制板2通过带预紧功能的连接件5实现了UHPC预制板2与钢桥面板1的密贴，避免了轮载作用下由于两者间隙的存在引起的振动、冲击、噪音等不利因素，提高了其使用性能及耐久性能。同时UHPC预制板2可最大程度的消除收缩的影响，避免了采用UHPC桥面现浇引起的早期开裂的病害。该桥面组合结构相邻的两块UHPC预制板之间预留有接缝，相邻的两块UHPC预制板之间的接缝采用PUE填料6密封连接；PUE填料6可使UHPC预制板2之间释放拉应力，从而避免UHPC预制板2在轮载作用、温度作用、收缩等不利工况下开裂。同时PUE填料6能适应UHPC预制板2间的相对变形，保证相邻UHPC预制板2间能紧密结合，可有效防止雨水等腐蚀性介质渗入腐蚀钢桥面板1。
具体地，UHPC预制板2为矩形配筋平板，UHPC预制板2的板厚优选但不限于为40～60mm，UHPC预制板2的钢筋网间距优选但不限于为33～100mm，UHPC预制板2的钢筋直径优选但不限于为8～12mm，UHPC预制板2的净保护层厚度优选但不限于为10～15mm。UHPC预制板2的长度、宽度、厚度、钢筋网间距、钢筋直径、保护层厚度均可根据实际桥梁施工设计要求具体设定，能够满足桥梁设计要求和寿命即可。
UHPC预制板2的长度沿纵桥向与钢桥面板1的钢主梁横隔板的间距一致，UHPC预制板2的宽度沿横桥向与钢桥面板1的宽度比设置成整幅、半幅、1/4幅中的任意一种或多种，以尽量减少接缝的数量。相邻的两块UHPC预制板2之间的接缝设置在正弯矩区，位于正弯矩区的接缝受压，接缝内的PUE填料6密封性更高，防止接缝开裂。沿纵桥向放置的相邻的两块UHPC预制板2之间的接缝设置在钢桥面板1的相邻两根钢主梁横隔板的中间位置；沿横桥向放置的相邻的两块UHPC预制板2之间的接缝设置在钢桥面板1的相邻两根加劲肋的中间位置。
相邻的两块UHPC预制板2之间的接缝宽度优选但不限于为5～10mm，相邻的两块UHPC预制板2之间的接缝不仅能够保证相邻的两块UHPC预制板2能发生相对变形，防止UHPC预制板2在钢桥面板1上开裂，同时可以减少PUE填料6的使用量，从而降低成本。PUE填料6为聚氨酯弹性体，聚氨酯弹性体，简称PUE。聚氨酯弹性体浇筑在相邻的两块UHPC预制板2之间的接缝内，聚氨酯弹性体固化后与相邻的两块UHPC预制板2密封连接。聚氨酯弹性体具有抗冲击、耐磨、防水等特点，固化后的形状可与接缝内空间自适应，降低施工难度，提高施工效率。
如图6所示，连接件5为带螺母52和垫片53的焊钉51，焊钉51的底端设有引弧结54，在焊钉51的上段设有螺纹，螺纹与之适配的螺母52连接，焊钉51的直径为16mm、19mm、22mm、25mm中的任意一种，焊钉51的直径可根据实际桥梁施工设计要求具体设定，焊钉51的焊后高度与UHPC预制板2的厚度相等。阶梯孔4的下段直径比焊钉51直径大1～2mm，便于焊钉51顺畅插入阶梯孔4的同时又不至于间隙过大。阶梯孔4的下段底部有2～4mm倒角，改倒角为焊钉51焊接时往外扩散的焊水预留空间。
实施例2
如图7至图11所示，本发明另一方面提供了一种钢-UHPC预制板的组合桥面结构的施工方法，包括以下步骤：
步骤1、钢桥面板1搭建施工完毕后，在钢桥面板1表面喷砂除锈并做防腐涂装；
步骤2、将预制好的UHPC预制板2逐块铺装在钢桥面板1上的设定位置，并预留出相邻的两块UHPC预制板2之间的接缝。
步骤3、为了保证焊钉51与钢桥面板1的焊接质量，先磨除UHPC预制板2的阶梯孔4底部的防腐涂装，然后将焊钉51的引弧结54朝下把焊钉51穿入UHPC预制板2的阶梯孔4内，通过焊枪逐个将焊钉51与钢桥面板1焊接。
步骤4、在焊钉51上套入垫片53后，通过扭矩扳手或电动扳手将螺母52与焊钉51螺接固定，螺母52在UHPC预制板2上施加预紧力。
步骤5、封堵相邻的两块UHPC预制板2之间接缝的端面，向接缝内浇筑PUE填料6。
步骤6、待PUE填料6在接缝内固化后，清理UHPC预制板2表面杂物，在UHPC预制板2上涂刷环氧树脂粘结剂，最后在UHPC预制板2上铺设磨耗层3。
实施例3
参照图12所示，本发明实施例提供一种用于制备UHPC预制板的模板，用于制备实施例1中的UHPC预制板，包括：
相互平行且间隔设置的第一面板11和第二面板12；第一面板11和第二面板12的形状和大小完全相同。第一面板11和第二面板12的形状根据UHPC预制板的形状具体设定和定做，本实施例的第一面板11和第二面板12的形状优选为矩形结构，当然还可以定做成多边形结构或三角形结构。第一面板11和第二面板12之间的距离根据UHPC预制板的厚度具体设定和定做。
围板13，本围板13密封连接在第一面板11和第二面板12的四周，本围板13由多块长条形钢板首尾连接而成。且第一面板11和第二面板12之间预留有注浆口16。第一面板11、第二面板12和围板13均为钢板结构，第一面板11、第二面板12和围板13之间通过螺栓15可拆卸连接，便于模具的组装和拆卸，同时保证第一面板11、第二面板12和围板31连接的结构强度。第一面板1、第二面板2和围板3之间的连接处设有密封垫，提高本模具的密封性，防止漏浆。
本模具的第一面板11、第二面板12和围板13共同组成容纳UHPC预制板的腔体结构；UHPC混凝土在本模具的腔体结构内形成设定形状的UHPC预制板。
凸形钢部件14，凸形钢部件14设有多个，多个凸形钢部件14间隔通过螺栓15连接在第一面板11和第二面板12之间，凸形钢部件14用于在UHPC预制板上预留阶梯孔4。凸形钢部件14的位置和形状根据UHPC预制板上的阶梯孔4的位置和形状相适应。
本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种钢-UHPC预制板的组合桥面结构，其特征在于，包括：
钢桥面板(1)；
UHPC预制板(2)，所述UHPC预制板(2)设有多块，多块UHPC预制板(2)间隔铺设在所述钢桥面板(1)的顶面，所述UHPC预制板(2)上开设有多个上大下小的阶梯孔(4)，所述UHPC预制板(2)通过在阶梯孔(4)内穿入具有预紧力的连接件(5)与钢桥面板(1)紧密连接；
PUE填料(6)，所述PUE填料(6)密封连接在相邻的两块UHPC预制板(2)之间的接缝内；
磨耗层(3)，所述磨耗层(3)铺设在UHPC预制板(2)和PUE填料(6)的顶面。
2.如权利要求1所述的一种钢-UHPC预制板的组合桥面结构，其特征在于：
所述相邻的两块UHPC预制板(2)之间的接缝设置在正弯矩区，沿纵桥向放置的相邻的两块UHPC预制板(2)之间的接缝设置在钢桥面板(1)的相邻的两根钢主梁横隔板中间位置，沿横桥向放置的相邻的两块UHPC预制板(2)之间的接缝设置在钢桥面板(1)的相邻两根加劲肋的中间位置。
3.如权利要求1所述的一种钢-UHPC预制板的组合桥面结构，其特征在于：
所述连接件(5)为带螺母(52)和垫片(53)的焊钉(51)，所述焊钉(51)的底端设有引弧结(54)，在焊钉(51)的上段设有螺纹，所述螺纹与之适配的螺母(52)连接，所述焊钉(51)的直径为16mm、19mm、22mm、25mm中的任意一种，所述焊钉(51)的焊后高度与UHPC预制板(2)的厚度相等。
4.如权利要求3所述的一种钢-UHPC预制板的组合桥面结构，其特征在于：
所述阶梯孔(4)的下段直径比焊钉(51)直径大1～2mm，阶梯孔(4)的下段底部有2～4mm倒角，所述倒角为焊钉(51)焊接时往外扩散的焊水预留空间。
5.如权利要求1所述的一种钢-UHPC预制板的组合桥面结构，其特征在于：
所述UHPC预制板(2)为矩形配筋平板，UHPC预制板(2)的板厚为40～60mm，UHPC预制板(2)的钢筋网间距为33～100mm，UHPC预制板(2)的钢筋直径为8～12mm，UHPC预制板(2)的净保护层厚度为10～15mm，所述UHPC预制板(2)的长度沿纵桥向与钢桥面板(1)的钢主梁横隔板的间距一致，所述UHPC预制板(2)的宽度沿横桥向与钢桥面板(1)的宽度比设置成整幅、半幅、1/4幅中的任意一种或多种。
6.如权利要求1所述的一种钢-UHPC预制板的组合桥面结构，其特征在于：
所述相邻的两块UHPC预制板(2)之间的接缝宽度为5～10mm，相邻的两块UHPC预制板(2)之间的接缝用于保证相邻的两块UHPC预制板(2)能发生相对变形，所述PUE填料(6)为聚氨酯弹性体，聚氨酯弹性体浇筑在相邻的两块UHPC预制板(2)之间的接缝内，聚氨酯弹性体固化后与相邻的两块UHPC预制板(2)密封连接。
7.如权利要求1所述的一种钢-UHPC预制板的组合桥面结构，其特征在于：
所述磨耗层(3)为沥青混凝土现浇层，沥青混凝土现浇层的厚度为20～60mm，沥青混凝土现浇层与UHPC预制板(2)之间用环氧树脂胶粘结。
8.如权利要求1-7任一项所述一种钢-UHPC预制板的组合桥面结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
钢桥面板(1)搭建施工完毕后，在钢桥面板(1)表面喷砂除锈并做防腐涂装；
将预制好的UHPC预制板(2)逐块铺装在钢桥面板(1)上的设定位置，并预留出相邻的两块UHPC预制板(2)之间的接缝；
焊钉(51)的引弧结(54)朝下把焊钉(51)穿入UHPC预制板(2)的阶梯孔(4)内，通过焊枪逐个将焊钉(51)与钢桥面板(1)焊接；
在焊钉(51)上套入垫片(53)后，将螺母(52)与焊钉(51)螺接固定，螺母(52)在UHPC预制板(2)上施加预紧力；
封堵相邻的两块UHPC预制板(2)之间接缝的底面，向接缝内浇筑PUE填料(6)；
待PUE填料(6)在接缝内固化后，在UHPC预制板(2)上涂刷环氧树脂粘结剂，最后在UHPC预制板(2)上铺设磨耗层(3)。
9.如权利要8所述一种钢-UHPC预制板的组合桥面结构的施工方法，其特征在于：
所述焊钉(51)穿入UHPC预制板(2)的阶梯孔(4)内之前，磨除UHPC预制板(2)的阶梯孔(4)底部的防腐涂装，保证焊钉(51)与钢桥面板(1)的焊接质量。
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