CN112726956B - 一种预应力波形钢腹板-混凝土组合梁及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种预应力波形钢腹板‑混凝土组合梁及其施工方法，属于组合结构设计和施工领域。组合梁包括波形钢腹板预制钢梁、预应力筋和外包混凝土，波形钢腹板预制钢梁为由两片波形钢腹板、上翼缘槽钢、下翼缘槽钢和端部加劲板拼接而成的空心封闭结构，波形钢腹板的外侧面设置有承载横隔板，预应力筋的两端锚固于端部加劲板，且预应力筋贯穿承载横隔板设置。本发明中波形钢腹板预制钢梁、预应力筋和混凝土协同受力，发挥各自的优势，具有良好的结构性能和经济效益。各组件在施工过程中，均可在工厂预制生产，并通过焊接等连接方式现场或工厂组装，施工工艺简单、施工周期短，易实现生产标准化，可有效提高生产效率，实用性强。

Description

一种预应力波形钢腹板-混凝土组合梁及其施工方法

技术领域

本发明属于组合结构设计和施工领域，涉及一种钢-混凝土组合结构设计，特别是涉及一种预应力波形钢腹板-混凝土组合梁及其施工方法。

背景技术

波形钢腹板组合梁通过将钢筋混凝土顶板、底板与波形钢腹板相连，并配以预应力系统形成组合梁构件。由于该类构件引入了纵向呈折叠状的波形钢腹板，使得预应力可以有效加载于混凝土顶、底板上，避免了预应力向钢腹板的转移。该类构件与普通预应力混凝土梁相比具有自重轻、腹板不开裂、施工周期短、预应力效率和材料利用率高等特点，因此被广泛用于桥梁结构中。

但是该类组合梁构件也存在诸多问题，主要如下：1、由于混凝土顶板、底板几乎承担全部弯矩，造成构件截面往往较宽或者顶底板出现裂缝；2、由于波形钢腹板的厚度较薄，易发生局部或侧向屈曲失稳破坏；3、由于钢腹板的耐火性差、防腐性能差等问题，严重制约着该类构件在建筑结构中的应用及钢腹板锈蚀等长期运营问题。因此，引入一种新型预应力波形钢腹板-混凝土组合梁，尤其是自重小、受力合理、预制难度小、长期性能好的中小跨度组合梁就显得十分迫切。

发明内容

本发明的目的是针对现有波形钢腹板组合梁截面较宽、顶底板易出现裂缝和耐火防腐性能差等缺点，尤其是波形钢腹板易出现屈曲失稳等技术问题，提出一种预应力波形钢腹板-混凝土组合梁及其施工方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种预应力波形钢腹板-混凝土组合梁，主要包括：

波形钢腹板预制钢梁，所述波形钢腹板预制钢梁包括两片波形钢腹板、上翼缘槽钢、下翼缘槽钢、端部加劲板和承载横隔板；两片所述波形钢腹板连接于所述上翼缘槽钢和所述下翼缘槽钢之间；所述端部加劲板连接于两片所述波形钢腹板的两端；所述波形钢腹板的外侧面设置所述承载横隔板，且所述承载横隔板同时与所述波形钢腹板、所述上翼缘槽钢和所述下翼缘槽钢连接；

预应力筋，所述预应力筋的两端锚固于所述端部加劲板，且所述预应力筋贯穿所述承载横隔板设置；

混凝土，所述混凝土浇筑于所述波形钢腹板预制钢梁的外侧，以将所述波形钢腹板预制钢梁包裹形成预应力波形钢腹板-混凝土组合梁。

可选的，所述混凝土成型后，顶部形成有翼板，即混凝土外形整体呈“T”型。

可选的，两片所述波形钢腹板对称布置。

可选的，两片所述波形钢腹板、所述上翼缘槽钢、所述下翼缘槽钢和所述端部加劲板连接构成空心封闭空间。

可选的，所述预应力筋的形状为多段线拟合平滑曲线。

可选的，所述多段线拟合平滑曲线为两段抛物线、四段抛物线或折线。预应力筋产生的弯矩与外荷载产生的弯矩相贴合，实现抵消外部弯矩、减小组合梁挠度的目的。比如，若组合梁为简支梁，预应力筋拟合的曲线为两段抛物线；若组合梁为连续梁，预应力筋拟合的曲线为四段抛物线；若组合梁承受较大集中荷载，预应力筋拟合的曲线为折线，折点为集中荷载作用点。

可选的，所述上翼缘槽钢的上部和/或所述下翼缘槽钢的下部焊接局部钢板，局部钢板间隔布置。

可选的，所述上翼缘槽钢的上部设置栓钉抗剪件。

同时，本发明提出一种基于上述预应力波形钢腹板-混凝土组合梁的施工方法，具体包括如下步骤：

步骤一、预制波形钢腹板预制钢梁

将波形钢腹板、上翼缘槽钢、下翼缘槽钢、端部加劲板和承载横隔板加工至合适尺寸并拼装形成空心封闭结构预制钢梁，将加工完毕的预制钢梁吊装至施工场所；

步骤二、张拉预应力筋

在现场搭设组合梁所需的模板，将加工好的预制钢梁吊装至模板上方，将预应力筋穿过承载横隔板并张拉至预定的预应力值，然后将预应力筋的端部锚固于端部加劲板；

步骤三、浇筑混凝土

现场在预制钢梁的外部浇筑混凝土，从而形成组合梁结构。

可选的，上述步骤一中，还在上翼缘槽钢的上部和/或下翼缘槽钢的下部焊接局部钢板。

可选的，上述步骤一中，还在上翼缘槽钢的上部设置栓钉抗剪件。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提出一种预应力波形钢腹板-混凝土组合梁及其施工方法，该组合梁结构外包混凝土、顶底板中设置槽钢，波形钢腹板预制钢梁周围被混凝土所包裹，为波形钢腹板预制钢梁提供密闭的环境，以提高其耐火能力、防腐性能；上槽钢和下槽钢减小了预应力筋所施加的压应力。本发明中波形钢腹板预制钢梁、预应力筋和混凝土协同受力，发挥各自的优势，具有良好的结构性能和经济效益，有效解决了现有波形钢腹板组合梁截面较宽、顶底板易出现裂缝和耐火防腐性能差等问题，尤其是波形钢腹板易出现屈曲失稳等技术问题。

此外，本发明波形钢腹板预制钢梁的组件均可在工厂预制生产，并通过焊接等连接方式现场或工厂组装，施工工艺简单、施工周期短，易实现生产标准化，可有效提高生产效率，实用性强。

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，下面描述中的附图仅仅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为本发明预应力波形钢腹板-混凝土组合梁的结构示意图；

图2为本发明预制波形钢腹板预制钢梁的结构示意图；

图3为本发明预应力波形钢腹板-混凝土组合梁的纵向剖面图；

图4为图3的A-A剖面图；

图5为图3的B-B剖面图；

图6为本发明局部钢板的安装示意图；

图7为图6的C-C剖面图；

图8为本发明栓钉的安装示意图；

图9为图8的D-D剖面图；

其中，附图标记为：100-预应力波形钢腹板-混凝土组合梁，101-波形钢腹板预制钢梁，1-波形钢腹板，2-上翼缘槽钢，3-下翼缘槽钢，4-端部加劲板，5-承载横隔板，6-预应力筋，7-混凝土，8-局部钢板，9-栓钉。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种预应力波形钢腹板-混凝土组合梁及其施工方法，以解决现有波形钢腹板组合梁截面较宽、顶底板易出现裂缝和耐火防腐性能差等问题，尤其是波形钢腹板易出现屈曲失稳等技术问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-5所示，本实施例提供一种混凝土外包的预应力波形钢腹板-混凝土组合梁100，梁体包括波形钢腹板预制钢梁101、预应力筋6和外包现浇的混凝土7。其中，波形钢腹板预制钢梁101包括两片波形钢腹板1、上翼缘槽钢2、下翼缘槽钢3、端部加劲板4和承载横隔板5。两片波形钢腹板1的波长方向与水平面平行，并相对且对称设置于上翼缘槽钢2和下翼缘槽钢3之间，优选两波形钢腹板1均与上翼缘槽钢2通过焊接连接，两波形钢腹板1均与下翼缘槽钢3通过焊接连接。端部加劲板4位于预制钢梁的两端，并与上翼缘槽钢2、下翼缘槽钢3和波形钢腹板1均焊接连接，形成不含混凝土的空心封闭空间结构。承载横隔板5位于波形钢腹板1的外侧面，并与上翼缘槽钢2、下翼缘槽钢3和波形钢腹板1均焊接连接，在承载横隔板5上设置孔洞，便于预应力筋6穿过承载横隔板5，使梁体产生所需的向上预拱度。沿波形钢腹板预制钢梁101外部现浇混凝土7，形成预应力波形钢腹板-混凝土组合梁100，组合梁侧面和底面混凝土7的最小厚度根据规范要求确定。浇筑于波形钢腹板预制钢梁101外侧的混凝土7为两个波形钢腹板1提供了侧向支撑，提高了波形钢腹板1屈曲失稳的承载力。

于本实施例中，如图1-5所示，两个波形钢腹板1的间距由上翼缘槽钢2和下翼缘槽钢3的宽度确定，并与两端部加劲板4形成不含混凝土的空心封闭空间，以减轻构件自重，并承担预应力筋6锚固端所施加的预应力。

本实施例中，如图1-5所示，预应力筋6使用多段线拟合平滑曲线，预应力筋6产生的弯矩与外荷载产生的弯矩相贴合，用于抵消外部弯矩、减小组合梁挠度。其中，若组合梁为简支梁，预应力筋6拟合的曲线可为两段抛物线；若组合梁为连续梁，预应力筋6拟合的曲线可为四段抛物线；若组合梁承受较大集中荷载，预应力筋6拟合的曲线可为折线，折点为集中荷载作用点。

本实施例中，如图1-5所示，上翼缘槽钢2和下翼缘槽钢3可减小预应力筋6所施加的压应力。

本实施例中，波形钢腹板预制钢梁101周围被混凝土7所包裹，且混凝土成型后，顶部形成有翼板，即混凝土外形整体呈“T”型。混凝土7用于为波形钢腹板预制钢梁101提供密闭的环境，以提高其耐火能力、防腐性能。波形钢腹板预制钢梁101、预应力筋6和混凝土7协同受力，发挥各自的优势，具有良好的结构性能和经济效益。

在本实施例中，上述预应力波形钢腹板-混凝土组合梁100可采用以下步骤进行施工：

步骤一，预制波形钢腹板预制钢梁101：

将波形钢腹板1、上翼缘槽钢2、下翼缘槽钢3、端部加劲板4和承载横隔板5加工至合适的尺寸并焊接成预制钢梁，将加工完毕的预制钢梁吊装至施工场所；

步骤二，张拉预应力筋6：

在现场搭设组合梁所需的模板，将加工好的预制钢梁吊装至模板上方；将预应力筋6穿过承载横隔板5并张拉至预定的预应力值，然后锚固于端部加劲板4；

步骤三，浇筑混凝土7

现场浇筑波形钢腹板预制钢梁101的外部混凝土从而形成预应力波形钢腹板-混凝土组合梁100。

上述施工方法中，波形钢腹板预制钢梁101的组件均可在工厂预制生产，并通过焊接等连接方式现场或工厂组装，施工工艺简单、施工周期短，易实现生产标准化，有效提高生产效率。

实施例二

如图6-7所示，本实施例提供一种预应力波形钢腹板-混凝土组合梁及其施工方法。其中，预应力波形钢腹板-混凝土组合梁100与实施例一的区别仅在于，本实施例的上翼缘槽钢2上部和下翼缘槽钢3下部分别焊接了若干块局部钢板8，局部钢板8间隔分布。局部钢板8一方面可以抵抗拉应力，提高抗拉承载力和组合梁延性；另一方面混凝土7浇筑后形成局部约束混凝土，防止上翼缘槽钢2和下翼缘槽钢3徐变后混凝土局部压裂，进而减小组合梁的截面宽度。

上述局部钢板8，在实施例一的施工方法中的步骤一之后进行焊接组装。

实施例三

如图8-9所示，本实施例提供一种预应力波形钢腹板-混凝土组合梁及其施工方法。其中，预应力波形钢腹板-混凝土组合梁100与实施例一的区别仅在于，本实施例在上翼缘槽钢上部设置了抗剪件栓钉9以抗剪，可保证混凝土翼板与预制钢梁成为整体共同受力。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种预应力波形钢腹板-混凝土组合梁，其特征在于，包括：

波形钢腹板预制钢梁，所述波形钢腹板预制钢梁包括两片波形钢腹板、上翼缘槽钢、下翼缘槽钢、端部加劲板和承载横隔板；两片所述波形钢腹板连接于所述上翼缘槽钢和所述下翼缘槽钢之间；所述端部加劲板连接于两片所述波形钢腹板的两端；所述上翼缘槽钢、所述下翼缘槽钢、所述端部加劲板和两片所述波形钢腹板连接构成空心封闭空间；所述波形钢腹板的外侧面设置所述承载横隔板，且所述承载横隔板同时与所述波形钢腹板、所述上翼缘槽钢和所述下翼缘槽钢连接；

预应力筋，所述预应力筋的两端锚固于所述端部加劲板，且所述预应力筋贯穿所述承载横隔板设置；

混凝土，所述混凝土浇筑于所述波形钢腹板预制钢梁的外侧，以将所述波形钢腹板预制钢梁包裹形成预应力波形钢腹板-混凝土组合梁。

2.根据权利要求1所述的预应力波形钢腹板-混凝土组合梁，其特征在于，所述混凝土成型后，顶部形成有翼板。

3.根据权利要求1所述的预应力波形钢腹板-混凝土组合梁，其特征在于，所述预应力筋的形状为多段线拟合平滑曲线。

4.根据权利要求3所述的预应力波形钢腹板-混凝土组合梁，其特征在于，所述多段线拟合平滑曲线为两段抛物线、四段抛物线或折线。

5.根据权利要求1所述的预应力波形钢腹板-混凝土组合梁，其特征在于，所述上翼缘槽钢的上部和/或所述下翼缘槽钢的下部焊接局部钢板。

6.根据权利要求1所述的预应力波形钢腹板-混凝土组合梁，其特征在于，所述上翼缘槽钢的上部设置栓钉抗剪件。

7.一种基于权利要求1-6任意一项所述预应力波形钢腹板-混凝土组合梁的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、预制波形钢腹板预制钢梁

将波形钢腹板、上翼缘槽钢、下翼缘槽钢、端部加劲板和承载横隔板加工至合适尺寸并拼装形成空心封闭结构预制钢梁，将加工完毕的预制钢梁吊装至施工场所；

步骤二、张拉预应力筋

在现场搭设组合梁所需的模板，将加工好的预制钢梁吊装至模板上方，将预应力筋穿过承载横隔板并张拉至预定的预应力值，然后将预应力筋的端部锚固于端部加劲板；

步骤三、浇筑混凝土

现场在预制钢梁的外部浇筑混凝土，从而形成组合梁结构。

8.根据权利要求7所述的预应力波形钢腹板-混凝土组合梁的施工方法，其特征在于，步骤一中，还在上翼缘槽钢的上部和/或下翼缘槽钢的下部焊接局部钢板。

9.根据权利要求7所述的预应力波形钢腹板-混凝土组合梁的施工方法，其特征在于，步骤一中，还在上翼缘槽钢的上部设置栓钉抗剪件。

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