CN112227199B - 一种冷弯z形钢组成的韧性组合桥面板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冷弯Z形钢组成的韧性组合桥面板，包括冷弯卷边Z形钢、横向钢筋、超高韧性混凝土。冷弯Z形钢沿桥面横向连续放置且通过角焊缝焊接形成桥面钢骨架。冷弯Z形钢下侧翼缘较长，起到板面外加劲作用；上侧翼缘较短且其上开有一排圆孔，横向钢筋通过圆孔穿过各冷弯Z形钢翼缘。超高韧性混凝土浇筑在桥面钢骨架上，起到保护桥面钢骨架的作用。本发明提出的组合桥面板体系中，超高韧性混凝土可保证不产生或仅产生100微米以下的微小裂缝，提升结构的韧性和耐久性；冷弯Z形钢与横向钢筋相结合的构造方式替代了栓钉的抗剪和抗拔作用，同时提升了桥面板的面外稳定性，显著降低材料成本和施工复杂度，且疲劳性能优越。

Description

一种冷弯Z形钢组成的韧性组合桥面板
技术领域
本发明涉及结构工程技术领域，具体涉及一种冷弯Z形钢组成的韧性组合桥面板。
背景技术
随着我国基础设施建设进程的不断推进，人们意识到城市内部交通及城市间交通便利程度极大影响着国民经济发展和社会进步；因此，近几十年来国家实现了道路、桥梁工程的大发展。其中，桥梁结构不仅在城市立交桥、地铁轻轨、高速铁路等方面应用广泛，更是被广泛应用于跨河、跨海构筑物中。近年来，随着港珠澳大桥、杭州湾跨海大桥等超大型桥梁工程的建设，国内外的桥梁结构正面临着前所未有的发展机遇。在桥梁结构的建设中，桥面板不仅起到了承载上部结构自重、穿行车辆等荷载的作用，而且面临着车轮摩擦、行车振动、水和离子侵蚀等长期作用影响，因而对桥面板的承载力、耐久性和韧性提出较高要求。
钢筋混凝土桥面板在实际工程中应用较为广泛，但是由于混凝土自重较大且混凝土材料抗拉性能较差，无法适用于较大跨度的桥梁结构中。为解决这一问题，正交异性钢桥面板应运而生；通过在钢桥面板面外布置纵向、横向加劲肋形成的正交异性桥面板体系，可显著提升桥面板的承载效率，提升结构经济跨度；但是考虑到钢材长期暴露在空气中易于锈蚀，正交异性桥面板的耐久性成为了工程中亟待解决的问题。
为解决上述问题，工程中将钢材与混凝土材料相结合形成组合桥面板体系，从而充分发挥钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能，进一步提升结构的承载性能。然而，现有的钢-混凝土组合桥面板仍然存在一些问题：第一，为了保证钢与混凝土之间的充分抗剪连接并防止两者界面的脱离，通常在两者之间布置较多的栓钉(起到抗剪+抗拔双重作用)，这大大增加了施工工作量，并且由于焊缝的存在影响结构的疲劳性能；第二，组合桥面板中钢桥面部分通常需要在面外焊接多个加劲肋，这同样增加施工量，影响结构疲劳性能；第三，普通混凝土材料受拉易于开裂，且对局部缺陷敏感，容易在长期荷载作用下产生裂缝，造成水和离子的侵蚀，影响桥面板的抗腐蚀性和耐久性，进而显著增加桥梁结构的维修和维护成本，对人力物力造成巨大的浪费。
发明内容
为改善传统钢-混凝土组合桥面板体系存在的问题，本发明提出了一种冷弯Z形钢组成的韧性组合桥面板。
一种冷弯Z形钢组成的韧性组合桥面板，包括：
沿桥面横向连续并排放置的多个冷弯卷边Z形钢，所述的冷弯卷边Z形钢包括腹板以及连接在所述腹板两端上的上侧翼缘(第一翼缘)和下侧翼缘(第二翼缘)，所述的上侧翼缘和下侧翼缘垂直设置在所述腹板的两个方向；
穿设在各个冷弯卷边Z形钢上的钢筋；
以及浇筑在由所述冷弯卷边Z形钢和钢筋形成的桥面钢骨架上的混凝土。
本发明中，冷弯Z形钢沿桥面横向连续放置且通过角焊缝焊接形成桥面钢骨架。冷弯Z形钢下侧翼缘较长，起到板面外加劲作用；冷弯Z形钢上侧翼缘较短且其上开有一排圆孔，横向钢筋通过圆孔穿过各冷弯Z形钢翼缘。超高韧性混凝土浇筑在桥面钢骨架上，起到保护桥面钢骨架的作用。本发明提出的组合桥面板体系中，超高韧性混凝土可保证不产生或仅产生100微米以下的微小裂缝，提升结构的韧性和耐久性；冷弯Z形钢与横向钢筋相结合的构造方式替代了栓钉的抗剪和抗拔作用，同时提升了桥面板的面外稳定性，显著降低材料成本和施工复杂度，且疲劳性能优越。
以下作为本发明的优选技术方案：
所述的上侧翼缘先沿平行于所述腹板方向卷第一次边，然后朝向所述腹板卷第二次边。
所述的下侧翼缘先沿平行于所述腹板方向卷第一次边，然后朝向所述腹板卷第二次边。
各个冷弯卷边Z形钢通过焊接固定在一起。前一个冷弯卷边Z形钢的腹板和上侧翼缘的连接处与后一个冷弯卷边Z形钢的腹板和下侧翼缘的连接处通过焊接连接。前一个冷弯卷边Z形钢的腹板和上侧翼缘的连接处与后一个冷弯卷边Z形钢的腹板和下侧翼缘的连接处通过两条角焊缝焊接连接。
所述的上侧翼缘(第一翼缘)上设有一排圆孔，所述的钢筋沿桥面横向穿过各个冷弯卷边Z形钢的圆孔。
所述的下侧翼缘比上侧翼缘长。
所述冷弯Z形钢组成的韧性组合桥面板中，冷弯卷边Z形钢沿桥面横向连续并排放置，相邻型钢通过两条角焊缝焊接形成桥面钢骨架。
所述冷弯Z形钢组成的韧性组合桥面板中，冷弯卷边Z形钢下侧翼缘较长，起到板面外加劲作用；所述冷弯卷边Z形钢上侧翼缘较短且其上开有一排圆孔，所述横向钢筋通过圆孔穿过各冷弯Z形钢翼缘。
所述冷弯Z形钢组成的韧性组合桥面板中，超高韧性混凝土浇筑在桥面钢骨架上；所述超高韧性混凝土层厚度略高于冷弯Z形钢上侧翼缘高度，起到保护桥面钢骨架的作用。所述的混凝土层厚度高于冷弯Z形钢的上侧翼缘高度，所述的混凝土层厚度为冷弯Z形钢的上侧翼缘高度的120％～160％。
本发明采用的超高韧性混凝土，包括水泥、活性矿物掺合料、骨料、增强纤维和水，其中，水泥和活性矿物掺合料采用以下重量百分比的原料：
Figure BDA0002694909330000031
最优选的，采用以下重量百分比的原料：
Figure BDA0002694909330000032
本发明提出的冷弯Z形钢组成的韧性组合桥面板，由冷弯卷边Z形钢焊接形成的钢骨架、横向钢筋和超高韧性混凝土组合而成，具备以下优点：
(1)采用的超高韧性混凝土受压承载力高，受拉展现出应变硬化特征，并且极限拉应变可稳定达到3％以上，且在极限拉应变下只出现致密分布的多条细裂纹，可有效阻隔钢材与外部环境，防止钢材锈蚀，改善桥面板结构的韧性、耐腐蚀性和耐久性。
(2)桥面板钢骨架由冷弯Z形钢焊接而成，加工过程简易高效，并可与工业焊接机器人相结合，使得加工过程产业化；可通过改变型钢尺寸灵活改变桥面板参数，便于设计、施工的同时，提升桥面板体系的模块化程度。
(3)利用冷弯Z形钢上侧翼缘与横向穿行钢筋相结合的构造方式，保证钢骨架与超高韧性混凝土之间的剪力连接效应；结合冷弯Z形钢的上侧翼缘卷边，起到抗拔作用，防止钢与混凝土界面的脱离；该体系避免了栓钉的使用，显著降低了施工复杂度并降低成本，同时显著改善结构的疲劳性能。
(4)冷弯Z形钢上侧翼缘在桥面纵向起到了纵向钢筋的作用，因而可通过适当调整型钢尺寸避免纵向钢筋的使用，降低钢材用量的同时避免绑扎钢筋网，从而显著提升施工效率，降低成本。
(5)冷弯Z形钢下侧翼缘起到了面外加劲的作用，显著改善桥面板面外稳定性的同时不增加额外焊缝，保证结构的疲劳性能。
附图说明
图1为韧性组合桥面板体系横向剖面图；
图2为韧性组合桥面板体系纵向剖面图；
图3为桥面钢骨架示意图；
图4为冷弯卷边Z形钢示意图。
具体实施方式
下面结合附图，详细说明本发明的实施方式。
如图1及图2所示，一种冷弯Z形钢组成的韧性组合桥面板，包括以下组成部件：冷弯卷边Z形钢1，横向钢筋2，超高韧性混凝土4。
如图3所示，所述冷弯卷边Z形钢1沿桥面横向连续并排放置，相邻型钢1通过两条角焊缝3焊接形成桥面钢骨架。5为桥面纵向。
如图4所示，所述冷弯卷边Z形钢1下侧翼缘较长，起到板面外加劲作用；所述冷弯卷边Z形钢1上侧翼缘较短且其上开有一排圆孔，所述横向钢筋2通过圆孔穿过各冷弯Z形钢1翼缘。
如图1及图2所示，所述超高韧性混凝土4浇筑在桥面钢骨架上；所述超高韧性混凝土4厚度略大于冷弯Z形钢1上侧翼缘长度，起到保护桥面钢骨架的作用。
本发明采用的超高韧性混凝土，其成分包括水泥、活性矿物掺合料、骨料、纤维和水，活性矿物掺合料包括粉煤灰、硅灰、粒化高炉矿渣、偏高岭土，骨料最大粒径不超过0.5mm，纤维采用聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维中的一种或一种以上的组合，纤维长度为5mm～25mm，直径为0.015mm～0.055mm，弹性模量为30GPa～150GPa，抗拉强度为1000MPa～3500MPa，极限伸长率为2％～15％，水泥和活性矿物掺合料各组分的重量比为：
Figure BDA0002694909330000051
对于上述配合比下获得的超高韧性混凝土的性能测试表明，其极限拉伸应变可达3.2％(约为混凝土的320倍)，极限拉伸应变时对应的裂缝宽度为0.049mm；抗弯强度为12.8MPa(约为混凝土的2倍)，单轴抗压强度为48MPa，对应峰值荷载的压应变为0.55％(约为混凝土的2倍)。
本发明提出的冷弯Z形钢组成的韧性组合桥面板，其采用的超高韧性混凝土可保证其在拉、压、弯和其他多种荷载作用下不产生或仅产生100微米以下的微小裂缝，起到抗裂、防渗、耐腐蚀的功能，显著提升结构的韧性和耐久性。本发明采用的开孔冷弯卷边Z形钢与横向穿行钢筋相结合的构造方式，可起到有效的抗剪和抗拔作用，从而有效替代了栓钉在组合结构中的作用。研究表明，传统钢-混凝土组合桥面板中，如需实现完全剪力连接效应，每平方米桥面板中栓钉个数在20-100个不等，并且栓钉数量需求随着混凝土层厚度、混凝土强度、外荷载等因素的提升而增加；本发明可有效消除这些栓钉的材料成本、施工成本和焊接对疲劳性能的负面影响。本发明有效规避了纵向钢筋的使用需求，降低材料成本的同时缩短工期；此外，本发明中冷弯卷边Z形钢下侧翼缘可显著提升桥面板的面外稳定性，并且不增加额外焊缝。因此，本发明提出的韧性组合桥面板可使结构韧性、耐久性提升的同时，大大降低材料成本和施工复杂度，具备在桥梁结构中推广应用的潜质。

Claims (5)

1.一种冷弯Z形钢组成的韧性组合桥面板，其特征在于，包括：
沿桥面横向连续并排放置的多个冷弯卷边Z形钢，所述的冷弯卷边Z形钢包括腹板以及连接在所述腹板两端上的上侧翼缘和下侧翼缘，所述的上侧翼缘和下侧翼缘垂直设置在所述腹板的两个方向；
穿设在各个冷弯卷边Z形钢上的钢筋；
以及浇筑在由所述冷弯卷边Z形钢和钢筋形成的桥面钢骨架上的混凝土；
所述的上侧翼缘先沿平行于所述腹板方向卷第一次边，然后朝向所述腹板卷第二次边；
所述的下侧翼缘先沿平行于所述腹板方向卷第一次边，然后朝向所述腹板卷第二次边；
各个冷弯卷边Z形钢通过焊接固定在一起；
前一个冷弯卷边Z形钢的腹板和上侧翼缘的连接处与后一个冷弯卷边Z形钢的腹板和下侧翼缘的连接处通过焊接连接；
所述的上侧翼缘上设有一排圆孔，所述的钢筋沿桥面横向穿过各个冷弯卷边Z形钢的圆孔。
2.根据权利要求1所述的冷弯Z形钢组成的韧性组合桥面板，其特征在于，前一个冷弯卷边Z形钢的腹板和上侧翼缘的连接处与后一个冷弯卷边Z形钢的腹板和下侧翼缘的连接处通过两条角焊缝焊接连接。
3.根据权利要求1所述的冷弯Z形钢组成的韧性组合桥面板，其特征在于，所述的下侧翼缘比上侧翼缘长。
4.根据权利要求1所述的冷弯Z形钢组成的韧性组合桥面板，其特征在于，所述的混凝土厚度高于所述冷弯卷边Z形钢的上侧翼缘高度。
5.根据权利要求1所述的冷弯Z形钢组成的韧性组合桥面板，其特征在于，所述的混凝土为超高韧性混凝土，采用以下重量百分比的原料：
水泥： 12％~55％；
粉煤灰： 45％~85％；
硅灰： 0~15％；
粒化高炉矿渣： 0~10％；
偏高岭土： 0~20％。
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