CN112627029A - 一种可更换损伤元的正交异性组合桥面板及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于桥梁建造技术领域，具体涉及一种适用于交通量大且需要快速恢复使用功能的大跨度桥梁的可更换损伤元的正交异性组合桥面板及其施工方法。本发明包括钢结构部件和浇筑于钢结构部件顶部的混凝土板；钢结构部件包括钢筋网、顶板、若干帽型纵肋、若干横隔板和可更换损伤元；顶板铺设于钢筋网的底部，顶板的底部连接有间隔排布的若干帽型纵肋，上翼缘通过高强螺栓连接副A与顶板可拆卸连接；横隔板纵向设置并且垂直于帽型纵肋，横隔板与帽型纵肋的U形肋板的底板通过用于降低疲劳应力幅并且便于更换的可更换损伤元可拆卸连接。本发明解决了正交异性桥面板易疲劳失效且不方便维修的问题，可在不中断交通的情况下快速更换维修，恢复使用功能。

Description

一种可更换损伤元的正交异性组合桥面板及其施工方法

技术领域

本发明属于桥梁建造技术领域，具体涉及一种适用于交通量大且需要快速恢复使用功能的大跨度桥梁的可更换损伤元的正交异性组合桥面板及其施工方法。

背景技术

目前，工程中正交异性桥面板中的钢板均采用焊接，由于存在较大的焊接残余应力，即使敏感部位在车辆荷载作用下以受压为主时，其仍处于拉-拉的往复应力状态。此外，横隔板面外变形产生了较复杂的应力，叠加上焊接缺陷引起的应力集中，使纵肋与顶板、纵肋与横隔板弧形切口处的疲劳开裂在正交异性桥面板疲劳破坏的案例中占比较高，将导致桥面板刚度降低、桥面铺装开裂、桥面渗漏和箱梁腐蚀。纵肋与顶板裂纹开裂的维修时通常将顶板重新焊接，但重新焊接会在疲劳敏感部位再次引入焊接残余应力和焊接缺陷，使其再次成为易疲劳破损部位，且维修过程需要封闭交通。纵肋与横隔板弧形切口处的开裂的维修通常采用在裂纹尖端设置止裂孔等方法，但止裂孔降低了横隔板的局部刚度，增大了应力集中，不能有效阻止疲劳裂纹扩展，修复效果不理想。传统组合桥面板虽然能够通过增大桥面板刚度改善顶板构造细节的应力幅，但对远离顶板的弧形切口出的改善效果有限。

综上所述，正交异性钢桥面板焊接构造及应力状况复杂，在车轮荷载的反复作用下，疲劳开裂案例频发，呈现“普遍性、早发性、多发性、再现性”的特征，严重影响桥梁的安全性、耐久性和服役质量，并导致中断交通等多种次生效应；此外，正交异性桥面板疲劳受损后，结构功能的快速、经济和长效恢复对保障交通通畅起到十分重要的作用，一旦桥梁长期无法恢复功能或恢复不久后再次失效，必将造成巨大的经济损失和消极的社会影响。

发明内容

本发明要解决上述问题，提供了一种能有效增大正交异性组合桥面板刚度，降低顶板与纵肋的应力幅，提高正交异性组合桥面板疲劳寿命，提升了装配率，降低了施工难度，便于疲劳易损构件的快速更换，保证了正交异性组合桥面板全寿命周期的安全性、经济性和耐久性的适用于交通量大且需要快速恢复使用功能的大跨度桥梁的可更换损伤元的正交异性组合桥面板。

本发明采用如下的技术方案实现：一种可更换损伤元的正交异性组合桥面板，包括钢结构部件和浇筑于钢结构部件顶部的混凝土板；钢结构部件包括钢筋网、顶板、若干帽型纵肋、若干横隔板和可更换损伤元；

所述顶板铺设于钢筋网的底部，顶板的底部连接有间隔排布的若干帽型纵肋，帽型纵肋横向设置，帽型纵肋由U形肋板和设于U形肋板两端的上翼缘连接为一体结构，U形肋板包括底板和固定于底板两侧的腹板，上翼缘通过高强螺栓连接副A与顶板可拆卸连接；顶板的底部连接有间隔设置的若干横隔板，横隔板纵向设置并且垂直于帽型纵肋，横隔板上开设有用于安装帽型纵肋的安装槽，安装槽的形状与帽型纵肋的形状一致，横隔板与帽型纵肋的U形肋板的底板通过用于降低疲劳应力幅并且便于更换的可更换损伤元可拆卸连接，U形肋板的腹板以及上翼缘与横隔板焊接固定。

进一步的，所述高强螺栓连接副A包括一个螺杆、两个垫圈和两个螺母，螺杆的头部位于顶板上方，两个螺母分别位于顶板上、下两侧，螺杆的头部距位于顶板上侧的螺母的距离为2倍螺纹间距-0.5倍螺栓直径之间（即剪力连接键的高度），高强螺栓连接副A不仅实现顶板与帽型纵肋的连接，还起到剪力键的作用，两个垫圈分别位于两个螺母与顶板接触的位置。

进一步的，所述可更换损伤元包括角钢、高强螺栓连接副B和单边高强螺栓，角钢为L形角钢，一个为横板一个为竖板，竖板通过高强螺栓连接副B将角钢与横隔板连接在一起，横板通过单边高强螺栓将帽型纵肋的U形肋板的底板与横隔板连接在一起。

进一步的，所述角钢为等边角钢，角钢的厚度为4-10mm。

进一步的，所述横隔板的安装槽上与帽型纵肋的U形肋板的腹板底部以及U形肋板的底板连接部位设有用于降低应力集中的缺口，缺口的尺寸大于相应位置的U形肋板的腹板和底板的尺寸。

进一步的，所述帽型纵肋为冷弯加工而成，帽型纵肋的厚度为6-8mm，高度为150-300mm，上翼缘伸出长度为150-300mm，相邻两帽型纵肋的间距为600-800mm。

进一步的，所述横隔板的厚度为6-12mm，相邻两横隔板的间距为2500-3500mm。

进一步的，所述顶板为钢板，厚度为12-18mm；顶板上预留有穿过高强螺栓连接副A的螺栓孔，螺栓孔的直径比高强螺栓连接副A的直径大1-2mm。

一种组合桥面板的施工方法，具体施工方法如下：

S1；工厂内完成钢结构部件的加工；

S2；现场钢结构部件的装配以及钢筋网的绑扎和焊接；现场钢结构部件的装配的同时进行钢筋网的绑扎和焊接；现场钢结构部件的装配首先顶板与帽型纵肋进行焊接，在顶板与帽型纵肋上逐个安装高强螺栓连接副A，安装高强螺栓连接副A时需保证高强螺栓连接副A的螺杆的头部与位于顶板上侧的螺母的距离为剪力连接键的高度，

S3；架设钢筋网；在顶板的顶部架设钢筋网，钢筋网的布置应避开高强螺栓连接副A；

S4；在钢筋网的顶部浇筑顶部混凝土形成混凝土板。

进一步的，S2中所述的安装高强螺栓连接副A从中间向四周对称安装，并且经历初拧、复拧、终拧。

本发明相比现有技术的有益效果：

1.本组合桥面板的高强螺栓连接副A和可更换损伤元解决了正交异性桥面板易疲劳失效且不方便维修的问题，可在不中断交通的情况下快速更换维修，恢复使用功能；从全寿命周期来看，有效提升了桥面板的刚度和服役时间，且方便桥面板受损后的快速维修，可大幅度降低结构维修的经济成本和时间成本，减小了封闭交通带来的社会影响和经济损失；

2.本组合桥面板将正交异性钢桥面板与装配式组合结构进行融合，高强螺栓连接副A代替了顶板与纵肋之间的焊缝，很大程度减小了焊接缺陷、降低了焊接残余应力和应力集中，而且作为混凝土板与下部正交异性钢桥面的连接件，使二者协同受力，减少了传统组合体系中栓钉的数量和栓钉焊接缺陷，提高了螺栓的使用效率，增大了正交异性钢桥面板的刚度，降低顶板与纵肋之间的应力幅，提高正交异性组合桥面板疲劳寿命；并且实现疲劳易损构件的快速更换，保证了正交异性组合桥面板全寿命周期的安全性、经济性和耐久性；

3.本组合桥面板通过可更换损伤元（单边高强螺栓、高强螺栓连接副B和角钢）实现帽型纵肋与横隔板的可更换连接，提高了结构的刚度，限制了横隔板的面外变形，降低了横隔板弧形切口处、加劲肋与横隔板连接处的应力，有效提高了桥面板的疲劳寿命；

4.本施工方法的钢结构部件在工厂内进行加工，加工完成后运至现场进行组装即可，既保证了质量又可同步进行，缩短施工周期；

5.本施工方法通过可更换损伤元（单边高强螺栓、高强螺栓连接副B和角钢）将帽型纵肋与横隔板的可更换连接，解决了闭口截面的纵肋内部螺栓安装问题，可多人一起进行同一工序，提升了装配效率，实现了在不封闭交通情况下，损伤元的高效安装和更换；提升了装配率，降低了施工难度。

附图说明

图1为组合桥面板的三维示意图1；

图2为组合桥面板的三维示意图2；

图3为组合桥面板的侧面示意图；

图4为组合桥面板的断面示意图；

图中：1-混凝土板，2-钢筋网，3-高强螺栓连接副A，4-顶板，5-帽型纵肋，6-角钢；7-横隔板，8-单边高强螺栓，9-高强螺栓连接副B。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

文中的“横向”指的是桥梁的长度方向，“纵向”指的是桥梁的宽度方向。

参照图1至图4，本发明提供一种技术方案：一种可更换损伤元的正交异性组合桥面板，包括钢结构部件和浇筑于钢结构部件顶部的混凝土板1；钢结构部件包括钢筋网2、顶板4、若干帽型纵肋5、若干横隔板7和可更换损伤元；

所述顶板4铺设于钢筋网2的底部，顶板4的底部连接有间隔排布的若干帽型纵肋5，帽型纵肋5横向设置，帽型纵肋5由U形肋板5.1和设于U形肋板两端的上翼缘5.2连接为一体结构，上翼缘5.2通过高强螺栓连接副A3与顶板4可拆卸连接；顶板4的底部连接有间隔设置的若干横隔板7，横隔板7纵向设置并且垂直于帽型纵肋5，横隔板7上开设有用于安装帽型纵肋5的安装槽，安装槽的形状与帽型纵肋5的形状一致，横隔板7与帽型纵肋5的U形肋板5.1的底板通过用于降低疲劳应力幅并且便于更换的可更换损伤元可拆卸连接，U形肋板5.1的腹板以及上翼缘5.2与横隔板7焊接固定。

所述高强螺栓连接副A3包括一个螺杆、两个垫圈和两个螺母，螺杆的头部位于顶板4上方，两个螺母分别位于顶板4上、下两侧，螺杆的头部距位于顶板4上侧的螺母的距离为2倍螺纹间距-0.5倍螺栓直径之间（即保证剪力连接键的高度），高强螺栓连接副A3不仅实现顶板4与帽型纵肋5的连接，还起到剪力键的作用，使混凝土板1与钢结构部件协同受力，两个垫圈分别位于两个螺母与顶板4接触的位置。

所述可更换损伤元包括角钢6、高强螺栓连接副B9和单边高强螺栓8，角钢6为L形角钢，一个为横板一个为竖板，竖板通过高强螺栓连接副B9将角钢6与横隔板7连接在一起，横板通过单边高强螺栓8将帽型纵肋5的U形肋板5.1的底板与横隔板7连接在一起

所述角钢6为等边角钢，角钢6的厚度为4-10mm。

所述横隔板7的安装槽上与帽型纵肋5的U形肋板5.1的腹板底部以及U形肋板5.1的底板连接部位设有用于降低应力集中的缺口7.1，缺口7.1的尺寸大于相应位置的U形肋板5.1的腹板和底板的尺寸。

所述帽型纵肋5为冷弯加工而成，帽型纵肋5的厚度为6-8mm，高度为150-300mm，上翼缘伸出长度为150-300mm，相邻两帽型纵肋5的间距为600-800mm。

所述横隔板7的厚度为6-12mm，相邻两横隔板7的间距为2500-3500mm。

所述顶板4为钢板，厚度为12-18mm；顶板4上预留有穿过高强螺栓连接副A3的螺栓孔，螺栓孔4.1的直径比高强螺栓连接副A3的直径大1-2mm。

一种组合桥面板的施工方法，具体施工方法如下：

S1；工厂内完成钢结构部件的加工；

S2；现场钢结构部件的装配以及钢筋网2的绑扎和焊接；现场钢结构部件的装配的同时进行钢筋网2的绑扎和焊接；现场钢结构部件的装配首先顶板4与帽型纵肋5进行焊接，在顶板4与帽型纵肋5上逐个安装高强螺栓连接副A3，安装高强螺栓连接副A3时需保证高强螺栓连接副A3的螺杆的头部与位于顶板4上侧的螺母的距离为剪力连接键的高度；

S3；架设钢筋网2；在顶板4的顶部架设钢筋网2，钢筋网2的布置应避开高强螺栓连接副A3；

S4；在钢筋网2的顶部浇筑顶部混凝土形成混凝土板1。

S2中所述的安装高强螺栓连接副A3从中间向四周对称安装，并且经历初拧、复拧、终拧。

钢结构装配时，将帽型纵肋5置于安装平台，吊装顶板4至帽型纵肋5之上，对齐后点焊固定，然后安装高强螺栓连接副A3。安装高强螺栓连接副A3时，先将1套螺母和垫圈固定于螺杆上，螺母与螺杆头部间距为剪力连接键的高度，将已安装1套螺母和垫圈的螺杆从顶板4侧穿过帽型纵肋5，然后在帽型纵肋5的底部安装第2套螺母和垫圈。按此顺序安装其他位置高强螺栓连接副A3，应从中间向四周顺序对称安装，并经历初拧、复拧、终拧完成顶板4与帽型纵肋5的安装；顶板4与帽型纵肋5的安装完成后，将其翻转后置于安装平台，将横隔板7吊装至设计位置后点焊固定，先用高强螺栓连接副B9将角钢6与横隔板7连接，之后用单边高强螺栓8将角钢6与帽型纵肋5的底板连接；重复此步骤，并按照由中间向两侧的顺序对称完成安装，最后，双面焊连接帽型纵肋5的腹板和横隔板7，焊接顺序亦为由中间向两侧对称进行，至此，即可完成钢结构的装配。

本申请通过可更换损伤元（角钢6、高强螺栓连接副B9和单边高强螺栓8）实现帽型纵肋5的底部与横隔板7的连接，降低了此处的疲劳应力幅，提高桥面板的使用寿命，增加了平面内的刚度。

混凝土板1采用沥青混凝土，厚度为80-120mm，兼作组合桥面板的结构层和桥面铺装。

钢筋网2由纵向钢筋和箍筋组成，钢筋直径和间距应根据设计要求确定。

高强螺栓连接副B9包括1个螺杆，2个垫圈和1个螺母，2个垫圈分别设于螺杆的头部与角钢连接处和螺母与横隔板7的连接处。

单边高强螺栓8为只需要用普通开口扳手固定、扭矩扳手拧紧的Hollo-Bolt螺栓，其包含全螺纹螺杆、钢垫圈、橡胶垫圈、套筒和锥头，由于帽型纵肋5是通长结构，如果为普通螺栓不便于安装，所以采用单边高强螺栓8解决了无法安装的问题，提高安装效率和安装效果。

在往复荷载作用下，高强螺栓连接副A3以及可更换损伤元的单边高强螺栓8和高强螺栓连接副B9可能发生疲劳断裂或松动的情况，利用本发明可随时更换，例如：若出现松动，可采用扭力扳手重新拧紧；若高强螺栓连接副A3疲劳断裂，则先去除混凝土板11的局部受损区域，然后重新更换高强螺栓连接副A3，若高强螺栓连接副B9和单边高强螺栓8发生疲劳破坏，在钢梁内直接更换即可；由此可见，本申请实现了随时随地快速的更换损伤元，从而适用于交通量大且需要快速恢复使用功能的大跨度桥梁。

帽型纵肋5的腹板和横隔板7采用双面焊，顶板4至帽型纵肋5的上翼缘5.2采用点焊，横隔板7与顶板4采用点焊。

高强螺栓连接副A3用于连接混凝土板1、顶板4和帽型纵肋5。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种可更换损伤元的正交异性组合桥面板，其特征在于：包括钢结构部件和浇筑于钢结构部件顶部的混凝土板（1）；钢结构部件包括钢筋网（2）、顶板（4）、若干帽型纵肋（5）、若干横隔板（7）和可更换损伤元；

所述顶板（4）铺设于钢筋网（2）的底部，顶板（4）的底部连接有间隔排布的若干帽型纵肋（5），帽型纵肋（5）横向设置，帽型纵肋（5）由U形肋板（5.1）和设于U形肋板两端的上翼缘（5.2）连接为一体结构，上翼缘（5.2）通过高强螺栓连接副A（3）与顶板（4）可拆卸连接；顶板（4）的底部连接有间隔设置的若干横隔板（7），横隔板（7）纵向设置并且垂直于帽型纵肋（5），横隔板（7）上开设有用于安装帽型纵肋（5）的安装槽，安装槽的形状与帽型纵肋（5）的形状一致，横隔板（7）与帽型纵肋（5）的U形肋板（5.1）的底板通过用于降低疲劳应力幅并且便于更换的可更换损伤元可拆卸连接，U形肋板（5.1）的腹板以及上翼缘（5.2）与横隔板（7）焊接固定。

2.根据权利要求1所述的一种可更换损伤元的正交异性组合桥面板，其特征在于：所述高强螺栓连接副A（3）包括一个螺杆、两个垫圈和两个螺母，螺杆的头部位于顶板（4）上方，两个螺母分别位于顶板（4）上、下两侧，螺杆的头部距位于顶板（4）上侧的螺母的距离为2倍螺纹间距-0.5倍螺栓直径之间，高强螺栓连接副A（3）实现顶板（4）与帽型纵肋（5）的连接，还起到剪力键的作用，两个垫圈分别位于两个螺母与顶板（4）接触的位置。

3.根据权利要求1或2所述的一种可更换损伤元的正交异性组合桥面板，其特征在于：所述可更换损伤元包括角钢（6）、高强螺栓连接副B（9）和单边高强螺栓（8），角钢（6）为L形角钢，一个为横板一个为竖板，竖板通过高强螺栓连接副B（9）将角钢（6）与横隔板（7）连接在一起，横板通过单边高强螺栓（8）将帽型纵肋（5）的U形肋板（5.1）的底板与横隔板（7）连接在一起。

4.根据权利要求3所述的一种可更换损伤元的正交异性组合桥面板，其特征在于：所述角钢（6）为等边角钢，角钢（6）的厚度为4-10mm。

5.根据权利要求1所述的一种可更换损伤元的正交异性组合桥面板，其特征在于：所述横隔板（7）的安装槽上与帽型纵肋（5）的U形肋板（5.1）的腹板底部以及U形肋板（5.1）的底板连接部位设有用于降低应力集中的缺口（7.1），缺口（7.1）的尺寸大于相应位置的U形肋板（5.1）的腹板和底板的尺寸。

6.根据权利要求1所述的一种可更换损伤元的正交异性组合桥面板，其特征在于：所述帽型纵肋（5）为冷弯加工而成，帽型纵肋（5）的厚度为6-8mm，高度为150-300mm，上翼缘伸出长度为150-300mm，相邻两帽型纵肋（5）的间距为600-800mm。

7.根据权利要求1所述的一种可更换损伤元的正交异性组合桥面板，其特征在于：所述横隔板（7）的厚度为6-12mm，相邻两横隔板（7）的间距为2500-3500mm。

8.根据权利要求1所述的一种可更换损伤元的正交异性组合桥面板，其特征在于：所述顶板（4）为钢板，厚度为12-18mm；顶板（4）上预留有穿过高强螺栓连接副A（3）的螺栓孔，螺栓孔（4.1）的直径比高强螺栓连接副A（3）的直径大1-2mm。

9.一种如权利要求1所述的组合桥面板的施工方法，其特征在于：具体施工方法如下：

S1；工厂内完成钢结构部件的加工；

S2；现场钢结构部件的装配以及钢筋网（2）的绑扎和焊接；现场钢结构部件的装配的同时进行钢筋网（2）的绑扎和焊接；现场钢结构部件的装配首先顶板（4）与帽型纵肋（5）进行焊接，在顶板（4）与帽型纵肋（5）上逐个安装高强螺栓连接副A（3），安装高强螺栓连接副A（3）时需保证高强螺栓连接副A（3）的螺杆的头部与位于顶板（4）上侧的螺母的距离为剪力连接键的高度，

S3；架设钢筋网（2）；在顶板（4）的顶部架设钢筋网（2），钢筋网（2）的布置应避开高强螺栓连接副A（3）；

S4；在钢筋网（2）的顶部浇筑顶部混凝土形成混凝土板（1）。

10.根据权利要求9所述的施工方法，其特征在于：S2中所述的安装高强螺栓连接副A（3）从中间向四周对称安装，并且经历初拧、复拧、终拧。

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