CN112012091A - 一种uhpc-nc混合箱梁、大跨刚构桥及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于大跨刚构桥的UHPC‑NC混合箱梁，包括UHPC带肋底板、NC腹板和NC顶板，所述UHPC带肋底板通过NC腹板与所述NC顶板固接成一整体。本发明还提供一种大跨刚构桥，包括墩顶梁段、第一梁段和第二梁段，所述第一梁段位于所述墩顶梁段的两侧且沿所述墩顶梁段对称设置，所述第二梁段位于所述第一梁段的外侧且沿所述墩顶梁段对称设置。本发明还提供一种大跨刚构桥的施工方法。本发明的大跨刚构桥在高压应力区的底板为UHPC带肋板，UHPC预制板高温蒸汽养护后徐变极小、几乎无收缩且具有超高抗压强度，增大了底板的抗压能力，显著减少徐变效应，大大减少了大跨度连续刚构桥后期下挠和开裂的风险。
Description
技术领域
本发明属于桥梁领域，尤其涉及一种箱梁、刚构桥及其施工方法。
背景技术
大跨预应力混凝土(PC)刚构桥是一种跨越能力强、结构整体性好且施工简便、经济性好、行车平顺的常用桥型，已经成为世界上100-250m跨径范围内的主力桥型。
但是大跨PC刚构桥在修建和后期运营过程中，普遍存在着箱梁混凝土开裂严重和主跨跨中下挠过大的病害，这些病害使桥梁结构的适用性、安全性和耐久性等得不到有效保证，严重时可能影响桥梁正常使用功能，至今无法有效解决。大跨PC刚构桥开裂和下挠问题已经成为公认的世界性难题。目前研究表明影响刚构桥长期下挠的成因有很多，比如预应力损失、截面尺寸、桥梁跨径、混凝土自重等，其中混凝土徐变效应是大跨PC刚构桥跨中长期持续下挠的主要原因，并且预应力损失有相当部分也是由混凝土徐变引起的。但混凝土徐变是混凝土的固有特性，是不可避免的，采用混凝土制备而成的大跨PC刚构桥不可避免的存在开裂和下挠问题。
因此，如何解决大跨PC刚构桥跨中持续下挠和开裂的问题，是大跨PC刚构桥急需解决的技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种能够减少大跨刚构桥主梁下挠和开裂的UHPC-NC混合箱梁、大跨刚构桥及其施工方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种用于大跨刚构桥的UHPC-NC混合箱梁，包括UHPC带肋底板、NC腹板和NC顶板，所述UHPC带肋底板通过NC腹板与所述NC顶板固接成一整体。本发明的主要出发点是为了解决大跨度刚构桥长期下挠、开裂的难题，下挠、开裂很大的原因是普通混凝土底板的徐变效应，导致刚度降低。本发明通过优化UHPC-NC混合箱梁的底板，采用UHPC带肋底板，通过与NC腹板和NC顶板相配合，由于UHPC没有徐变且抗压能力更强，可以大大减少大跨度刚构桥长期下挠、开裂现象的发生。
上述UHPC-NC混合箱梁中，优选的，所述UHPC带肋底板上设有多条纵肋和两条横肋，多条所述纵肋沿纵桥向均匀设于所述UHPC带肋底板上，两条所述横肋分别沿横桥向设于所述UHPC带肋底板的纵桥向两侧。本发明中，纵肋的高度需要满足变化要求，因为越靠近墩顶梁段压应力越大，所以需要的断面面积也越大，故需要加高，常用的变化方式一般是按抛物线过渡，依次降低，横肋可与纵肋等高。上述横肋用于锚固第一预应力钢棒；因为UHPC底板比较薄，纵肋主要起到加强UHPC面外稳定的作用，另外也起到承担压应力的作用。
上述UHPC-NC混合箱梁中，优选的，所述UHPC带肋底板的横桥向两侧设有锚固钢筋，所述锚固钢筋的一端设于UHPC带肋底板中，另一端向上延伸至所述NC腹板中。锚固钢筋利于UHPC带肋底板与NC腹板之间的连接，提高UHPC带肋底板和NC腹板之间的连接强度。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种大跨刚构桥，包括墩顶梁段、第一梁段和第二梁段，所述第一梁段位于所述墩顶梁段的两侧且沿所述墩顶梁段对称设置，所述第二梁段位于所述第一梁段的外侧且沿所述墩顶梁段对称设置，所述第一梁段和第二梁段均包括多个相互连接的箱梁，所述第一梁段的箱梁为上述的UHPC-NC混合箱梁，所述第二梁段的箱梁为NC箱梁。上述第一梁段为高压应力段，靠近墩顶梁段1/4跨径范围内属于高压应力段，越靠近墩顶梁段压应力越大，第二梁段为低压应力段，通过高压应力段和低压应力段对箱梁的合理选择，通过对UHPC-NC混合箱梁的结构优化，可以减少大跨刚构桥主梁下挠和开裂现象的发生。
上述大跨刚构桥中，优选的，相邻所述UHPC-NC混合箱梁之间通过第一锚固组件连接，所述第一锚固组件包括第一预应力钢棒和用于与第一预应力钢棒相配合的第一紧固件。相邻所述UHPC-NC混合箱梁之间连接时，采用两端张拉的方式。
上述大跨刚构桥中，优选的，相邻所述纵肋之间的横肋上开设有通孔，所述第一预应力钢棒穿过相邻所述UHPC-NC混合箱梁的相邻横肋上的通孔并通过所述第一紧固件将相邻所述UHPC-NC混合箱梁施加预压应力固接。考虑到安装方便与力的传递，本发明通过在横肋上开设通孔，优化通孔的开设位置，再通过第一预应力钢棒将相邻UHPC-NC混合箱梁固接，整个固接结构设计巧妙，结构简单，施工方便，传力路径明确，可以保证相邻UHPC-NC混合箱梁之间的固接强度和可靠度，有利于保证桥梁整体的力学性能。
上述大跨刚构桥中，优选的，所述UHPC-NC混合箱梁与NC箱梁之间通过第二锚固组件连接，所述第二锚固组件包括第二预应力钢棒和用于与第二预应力钢棒相配合的第二紧固件。相邻UHPC-NC混合箱梁与NC箱梁之间连接时，采用一端张拉的方式，NC箱梁的底板为埋锚端，UHPC-NC混合箱梁的UHPC带肋底板为张拉端。
上述大跨刚构桥中，优选的，相邻所述纵肋之间的横肋上开设有通孔，所述第二预应力钢棒的一端锚固设于所述NC箱梁的底板上，另一端穿过所述通孔并通过所述第二紧固件将相邻所述UHPC-NC混合箱梁和NC箱梁固接。相邻UHPC-NC混合箱梁与NC箱梁由于其二者底板的力学性能区别较大，需要合理的优化其二者的连接方式，才能保证相邻UHPC-NC混合箱梁与NC箱梁之间的连接可靠性与稳定性。本发明通过采用第二预应力钢棒，将其一端锚固设于所述NC箱梁的底板，另一端固设于UHPC带肋底板的横肋上，可以保证UHPC-NC混合箱梁和NC箱梁的固接强度和可靠度，有利于保证桥梁整体的力学性能。
上述大跨刚构桥中，优选的，所述第二预应力钢棒采用长、短两种形式交错布置。考虑到NC的力学性能较差，本发明在连接UHPC-NC混合箱梁和NC箱梁时，第二预应力钢棒采用长短交错布置，可以实现其二者的高连接强度。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的大跨刚构桥的施工方法，包括以下步骤：
S1：预制UHPC-NC混合箱梁的UHPC带肋底板，预制UHPC带肋底板时同步预埋锚固钢筋；
S2：现浇施工墩顶梁段，施工墩顶梁段时同步预埋第二预应力钢棒；
S3：采用挂篮悬臂施工法，在所述墩顶梁段的两侧对称拼装免底模的挂篮，在挂篮的支撑下安放所述UHPC带肋底板，通过张拉所述UHPC带肋底板与所述墩顶梁段之间的第二预应力钢棒将所述UHPC带肋底板与所述墩顶梁段连接；现浇UHPC-NC混合箱梁的NC腹板和NC顶板；安装张拉负弯矩前期钢束；
S4：将挂篮向两侧移动，在挂篮的支撑下安放所述UHPC带肋底板，通过张拉相邻所述UHPC带肋底板之间的第一预应力钢棒将相邻所述UHPC带肋底板连接；现浇UHPC-NC混合箱梁的NC腹板和NC顶板；安装张拉负弯矩前期钢束；重复本步骤直至所有的UHPC-NC混合箱梁完成施工；
S5：将挂篮向两侧移动，现浇施工NC箱梁，施工NC箱梁时同步预埋第二预应力钢棒，通过张拉所述UHPC带肋底板与所述NC箱梁之间的第二预应力钢棒将所述UHPC带肋底板与所述NC箱梁连接；
S6：继续采用挂篮悬臂施工法施工余下的NC箱梁，张拉后期预应力钢束，即完成所述大跨刚构桥的施工。
本发明中，也可以采用预应力钢束实现跨中侧UHPC-NC混合箱梁和NC箱梁固接，此时，S5-S6调整为：
S5：将挂篮向两侧移动，现浇施工NC箱梁，实现大跨刚构桥的合拢；
S6：张拉跨中底板后期预应力钢束，将所述UHPC带肋底板与所述NC箱梁连接，张拉其他的后期预应力钢束，即完成所述大跨刚构桥的施工。
超高性能混凝土(UHPC)是由水泥、矿物掺合料、细集料、钢纤维和减水剂等材料或由上述材料制成的干混料先加水拌和，经凝结硬化后形成的一种具有高抗弯强度、高韧性、高耐久性的水泥基复合材料。与普通混凝土(NC)相比，UHPC材料具有超高抗压强度、抗折强度、韧性，经高温蒸汽养护后徐变极小，几乎无收缩。本发明在大跨径PC刚构桥中引入高强、高性能混凝土材料，从解决大跨PC刚构桥下挠的根本性问题(混凝土收缩徐变)出发，大幅降低结构高压应力区底板的混凝土徐变效应，减小后期徐变变形，从而解决大跨PC刚构桥跨中持续下挠问题。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的大跨刚构桥在高压应力区的底板为UHPC带肋板，UHPC预制板高温蒸汽养护后徐变极小、几乎无收缩且具有超高抗压强度，增大了底板的抗压能力，显著减少徐变效应，大大减少了大跨度连续刚构桥后期下挠和开裂的风险。
2、本发明的UHPC带肋板可根据箱梁节段分段预制，相邻预制UHPC底板可应用预应力钢棒连接，免去高压应力区常规现浇混凝土底模，施工方便，缩短了工期。
3、本发明的大跨刚构桥中通过合理的选择箱梁，采用UHPC-NC混合箱梁和NC箱梁组合，桥梁耐久性更好，可以控制成本，一定程度上减小箱梁自重，提高刚构桥的跨径。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例中大跨刚构桥一般位置的结构示意图。
图2是实施例中的UHPC-NC混合箱梁的断面示意图。
图3是实施例中的UHPC-NC混合箱梁的纵桥向端部断面示意图(布置第一预应力钢棒)。
图4是实施例中的相邻UHPC带肋底板连接的结构示意图。
图5是实施例中的相邻UHPC带肋底板和NC箱梁的底板连接的结构示意图。
图6是实施例中的相邻UHPC带肋底板和NC箱梁的底板连接的另一种结构示意图。
图7是实施例中的悬臂挂篮施工立面示意图。
图8是实施例中的悬臂挂篮施工侧面示意图。
图例说明：
1、UHPC带肋底板；2、NC腹板；3、NC顶板；4、纵肋；5、横肋；6、锚固钢筋；7、墩顶梁段；8、第一梁段；9、第二梁段；10、第一预应力钢棒；11、第一紧固件；12、第二预应力钢棒；13、第二紧固件；14、挂篮。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
实施例：
如图2-图3所示，本实施例的用于大跨刚构桥的UHPC-NC混合箱梁，包括UHPC带肋底板1、NC腹板2和NC顶板3，UHPC带肋底板1通过NC腹板2与NC顶板3固接成一整体。
本实施例中，UHPC带肋底板1上设有多条纵肋4和两条横肋5，多条纵肋4沿纵桥向均匀设于UHPC带肋底板1上，两条横肋5分别沿横桥向设于UHPC带肋底板1的纵桥向两侧。本实施例中，UHPC带肋底板1横桥向宽度为6m，厚为30cm，其上设置纵肋4，纵肋4的横桥向宽度为25cm，按37.5cm的间距布置，其高度自梁段1#-13#、1#’-13’#，由90cm按抛物线过渡到30cm。横肋5与纵肋4等高，纵桥向宽度为30cm。
本实施例中，UHPC带肋底板1的横桥向两侧设有锚固钢筋6，锚固钢筋6的一端设于UHPC带肋底板1中，另一端向上延伸至NC腹板2中。
如图1所示，本实施例的大跨刚构桥，包括墩顶梁段7、第一梁段8和第二梁段9，第一梁段8位于墩顶梁段7的两侧且沿墩顶梁段7对称设置，第二梁段9位于第一梁段8的外侧且沿墩顶梁段7对称设置，第一梁段8和第二梁段9均包括多个相互连接的箱梁，第一梁段8的箱梁为上述的UHPC-NC混合箱梁，第二梁段9的箱梁为NC箱梁。
本实施例中，上述大跨刚构桥跨径布置为115+220+115m，桥宽12m，墩顶梁段7为0#梁段，梁段长度为3-4.5m。承受较大压应力的梁段(第一梁段8)1#-13#、1#’-13’#采用UHPC-NC混合箱梁，UHPC-NC混合箱梁的应用范围为墩顶梁段7两侧各为45m。此外其余低压应梁段(第二梁段9)均采用NC箱梁。UHPC-NC混合箱梁与NC箱梁结合面设置在13#、13’#梁段端面。
如图4所示，本实施例中，相邻UHPC-NC混合箱梁之间通过第一锚固组件连接，第一锚固组件包括第一预应力钢棒10和用于与第一预应力钢棒10相配合的第一紧固件11。相邻纵肋4之间的横肋5上开设有通孔，第一预应力钢棒10穿过相邻UHPC-NC混合箱梁的相邻横肋5上的通孔并通过第一紧固件11将相邻UHPC-NC混合箱梁施加预压应力固接。本实施例中，第一预应力钢棒10采用8根φ50高强预应力螺纹钢棒。
如图5所示，本实施例中，UHPC-NC混合箱梁与NC箱梁之间通过第二锚固组件连接，第二锚固组件包括第二预应力钢棒12和用于与第二预应力钢棒12相配合的第二紧固件13。相邻纵肋4之间的横肋5上开设有通孔，第二预应力钢棒12的一端锚固设于NC箱梁的底板上，另一端穿过通孔并通过第二紧固件13将相邻UHPC-NC混合箱梁和NC箱梁固接。本实施例中，第二预应力钢棒12采用8根φ50高强预应力螺纹钢棒。
本实施例中，为加强预制UHPC带肋底板1与0#、14#、14’现浇NC底板的连接，避免出现拉应力，同样设置8根高强预应力螺纹钢棒，布置在纵肋4之间，一端埋入NC底板，另一端锚固在预制UHPC带肋底板梁段的横肋5上，仅在横肋5处进行张拉。考虑NC力学性能较差，高强预应力螺纹钢棒在NC侧按长、短两种形式间隔布置，错开长度2-3m。
如图7、图8所示，本实施例还提供一种上述大跨刚构桥的施工方法，包括以下步骤：
S1：预制UHPC-NC混合箱梁的UHPC带肋底板1，预制UHPC带肋底板1时同步预埋锚固钢筋6；
S2：现浇施工墩顶梁段7(0#)，施工墩顶梁段7时同步预埋第二预应力钢棒12；即完成与0#段施工；
S3：采用挂篮悬臂施工法，在墩顶梁段7的两侧对称拼装免底模的挂篮14，在挂篮14的支撑下安放UHPC带肋底板1，通过张拉UHPC带肋底板1与墩顶梁段7之间的第二预应力钢棒12将UHPC带肋底板1与墩顶梁段7连接；现浇UHPC-NC混合箱梁的NC腹板2和NC顶板3；浇筑NC顶板3、NC腹板2的普通混凝土强度达到设计强度的90％以上时安装张拉负弯矩前期钢束；即完成与1#、1’#段施工；
S4：将挂篮14向两侧移动，在挂篮14的支撑下安放UHPC带肋底板1，通过张拉相邻UHPC带肋底板1之间的第一预应力钢棒10将相邻UHPC带肋底板1连接；现浇UHPC-NC混合箱梁的NC腹板2和NC顶板3；安装张拉负弯矩前期钢束；重复本步骤直至所有的UHPC-NC混合箱梁完成施工；即完成2#-13#，2#’-13’#施工；
S5：将挂篮14向两侧移动，现浇施工NC箱梁，施工NC箱梁时同步预埋第二预应力钢棒12，通过张拉UHPC带肋底板1与NC箱梁之间的第二预应力钢棒12将UHPC带肋底板1与NC箱梁连接；即完成14#、14’#段施工；
S6：继续采用挂篮14悬臂施工法施工余下的NC箱梁，即完成大跨刚构桥的施工。
如图6所示，本实施例中，UHPC带肋底板1与14#、14’现浇NC底板的连接，也可利用延长跨中底板后期预应力钢束至UHPC带肋底板1梁段的横肋5上，横肋5处进行张拉。
本实施例中，1#-13#，1’-13’#由于采用预制UHPC带肋底板1，可以免去常规挂篮14需要的底模。预制UHPC带肋底板1完成高强预应力螺纹钢棒的连接后，支撑在挂篮14上，即可以承受现浇NC顶板3、NC腹板2的钢筋和NC湿重。
Claims (10)
1.一种用于大跨刚构桥的UHPC-NC混合箱梁，其特征在于，包括UHPC带肋底板(1)、NC腹板(2)和NC顶板(3)，所述UHPC带肋底板(1)通过NC腹板(2)与所述NC顶板(3)固接成一整体。
2.根据权利要求1所述的UHPC-NC混合箱梁，其特征在于，所述UHPC带肋底板(1)上设有多条纵肋(4)和两条横肋(5)，多条所述纵肋(4)沿纵桥向均匀设于所述UHPC带肋底板(1)上，两条所述横肋(5)分别沿横桥向设于所述UHPC带肋底板(1)的纵桥向两侧。
3.根据权利要求1或2所述的UHPC-NC混合箱梁，其特征在于，所述UHPC带肋底板(1)的横桥向两侧设有锚固钢筋(6)，所述锚固钢筋(6)的一端设于UHPC带肋底板(1)中，另一端向上延伸至所述NC腹板(2)中。
4.一种大跨刚构桥，其特征在于，包括墩顶梁段(7)、第一梁段(8)和第二梁段(9)，所述第一梁段(8)位于所述墩顶梁段(7)的两侧且沿所述墩顶梁段(7)对称设置，所述第二梁段(9)位于所述第一梁段(8)的外侧且沿所述墩顶梁段(7)对称设置，所述第一梁段(8)和第二梁段(9)均包括多个相互连接的箱梁，所述第一梁段(8)的箱梁为权利要求2或3所述的UHPC-NC混合箱梁，所述第二梁段(9)的箱梁为NC箱梁。
5.根据权利要求4所述的大跨刚构桥，其特征在于，相邻所述UHPC-NC混合箱梁之间通过第一锚固组件连接，所述第一锚固组件包括第一预应力钢棒(10)和用于与第一预应力钢棒(10)相配合的第一紧固件(11)。
6.根据权利要求5所述的大跨刚构桥，其特征在于，相邻所述纵肋(4)之间的横肋(5)上开设有通孔，所述第一预应力钢棒(10)穿过相邻所述UHPC-NC混合箱梁的相邻横肋(5)上的通孔并通过所述第一紧固件(11)将相邻所述UHPC-NC混合箱梁施加预压应力固接。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的大跨刚构桥，其特征在于，所述UHPC-NC混合箱梁与NC箱梁之间通过第二锚固组件连接，所述第二锚固组件包括第二预应力钢棒(12)和用于与第二预应力钢棒(12)相配合的第二紧固件(13)。
8.根据权利要求7所述的大跨刚构桥，其特征在于，相邻所述纵肋(4)之间的横肋(5)上开设有通孔，所述第二预应力钢棒(12)的一端锚固设于所述NC箱梁的底板上，另一端穿过所述通孔并通过所述第二紧固件(13)将相邻所述UHPC-NC混合箱梁和NC箱梁固接。
9.根据权利要求7所述的大跨刚构桥，其特征在于，所述第二预应力钢棒(12)采用长、短两种形式交错布置。
10.一种如权利要求4-9中任一项所述的大跨刚构桥的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：预制UHPC-NC混合箱梁的UHPC带肋底板(1)，预制UHPC带肋底板(1)时同步预埋锚固钢筋(6)；
S2：现浇施工墩顶梁段(7)，施工墩顶梁段(7)时同步预埋第二预应力钢棒(12)；
S3：采用挂篮悬臂施工法，在所述墩顶梁段(7)的两侧对称拼装免底模的挂篮(14)，在挂篮(14)的支撑下安放所述UHPC带肋底板(1)，通过张拉所述UHPC带肋底板(1)与所述墩顶梁段(7)之间的第二预应力钢棒(12)将所述UHPC带肋底板(1)与所述墩顶梁段(7)连接；现浇UHPC-NC混合箱梁的NC腹板(2)和NC顶板(3)；
S4：将挂篮(14)向两侧移动，在挂篮(14)的支撑下安放所述UHPC带肋底板(1)，通过张拉相邻所述UHPC带肋底板(1)之间的第一预应力钢棒(10)将相邻所述UHPC带肋底板(1)连接；现浇UHPC-NC混合箱梁的NC腹板(2)和NC顶板(3)；重复本步骤直至所有的UHPC-NC混合箱梁完成施工；
S5：将挂篮(14)向两侧移动，现浇施工NC箱梁，施工NC箱梁时同步预埋第二预应力钢棒(12)，通过张拉所述UHPC带肋底板(1)与所述NC箱梁之间的第二预应力钢棒(12)将所述UHPC带肋底板(1)与所述NC箱梁连接；
S6：继续采用挂篮(14)悬臂施工法施工余下的NC箱梁，即完成所述大跨刚构桥的施工。
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