CN113062201A - 一种压型钢板装配式组合箱型桥 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压型钢板装配式组合箱型桥，由压型钢板预制件，箱型主体结构和超高韧性混凝土组成。压型钢板预制件包含两种形式，均通过圆钢棒和孔间钢板抵抗与超高韧性混凝土之间的纵向剪力和上拔力，无需在压型钢板上额外焊接横向钢筋或栓钉。压型钢板预制件和箱型主体结构之间通过高强螺栓连接后形成装配式箱型桥钢骨架，无需在桥面顶板上额外焊接加劲肋。本发明提出的压型钢板装配式组合箱型桥在使结构承载力、疲劳性能、韧性以及耐久性提升的同时大大降低了施工复杂度和材料成本，同时该体系高预制装配化特点也使其具备推广应用的潜质。

Description

一种压型钢板装配式组合箱型桥

技术领域

本发明涉及结构工程技术领域，具体涉及一种压型钢板装配式组合箱型桥。

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，改革开放以来我国实现了桥梁建设的飞速发展。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。其中，组合箱型桥以其自重轻，抗扭性能好，刚度大的优势不仅在城市立交桥、地铁轻轨、高速铁路等方面得到应用，更是被广泛应用于跨河、跨海构筑物中。在桥梁结构的建设中，组合箱型桥不仅需承担结构自重和往复车辆荷载，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，因而需对其承载力、抗疲劳性、耐久性和韧性均提出较高要求。

但是，现有的传统钢混组合箱型桥结构仍然存在以下问题亟待解决：第一，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，影响箱型桥钢结构部分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。实际工程中一般通过增加混凝土层厚度和密布钢筋网的方式提高混凝土层的抗裂能力，但这大大增加了施工复杂度、工期和材料成本；第二，传统组合箱型桥钢结构部分大量焊缝缺陷的存在影响结构的疲劳性能，现场焊接工作量和劳动力损耗大，施工精度也难以保障，具体表现在：①为了保证钢桥面板与混凝土之间的有效界面连接，通常在钢桥面顶板上密焊栓钉(起到抗剪+抗拔双重作用)；②现有箱型组合桥结构中通常采用正交异性桥面板体系，即在钢桥面顶板面外焊接多条纵、横向加劲肋提高其桥面板部分的承载力和抗扭刚度，进而提升结构经济跨度，然而加劲肋与桥面顶板、横隔板之间经现场焊接会存在多条焊缝。

为解决以上问题，本发明提出了一种压型钢板装配式组合箱型桥，由压型钢板预制件，箱型主体结构和超高韧性混凝土三部分组成。其中压型钢板预制件包含两种形式，均通过圆钢棒和孔间钢板有效抵抗压型钢板与超高韧性混凝土之间的纵向剪力和上拔力，无需在压型钢板表面人工制作机械压痕或凸起，或在其板肋上额外焊接横向钢筋或栓钉增强其界面连接。压型钢板预制件和箱型主体结构之间通过高强螺栓连接后形成装配式箱型桥钢骨架，箱型主体结构的桥面顶板可视为压型钢板预制件的加强板，可进一步提高压型钢板预制件的强度、刚度和整体稳定性，进而可大幅提高箱型桥的极限承载力，与此同时也避免了在桥面顶板上额外焊接加劲肋，在降低施工复杂度和成本的同时保证了结构的疲劳性能。超高韧性混凝土浇筑在装配式箱型桥钢骨架上，起到保护钢骨架的作用。本发明采用的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，在提升组合箱型桥的韧性和耐久性的同时避免了为增强混凝土层抗裂能力而密布钢筋网，在一定程度上缩短了工期，降低了材料成本。本发明装配式箱型桥钢骨架由工厂提前预制，施工过程简易高效，该体系高预制装配化的特点使其在桥梁结构中具有十分广阔的应用和发展前景。

发明内容

为改善传统钢-混凝土组合箱型桥存在的问题，本发明提出了一种压型钢板装配式组合箱型桥。

一种压型钢板装配式组合箱型桥，包括：

箱型主体结构；

设置在所述箱型主体结构上的压型钢板预制件；

以及浇筑在所述压型钢板预制件上的混凝土；

所述的箱型主体结构包括底板、桥面顶板以及设置在所述的底板和桥面顶板之间的横隔板和纵隔板。

以下作为本发明的优选技术方案：

所述的横隔板垂直于所述压型钢板的波形截面，所述的纵隔板垂直于所述横隔板，所述的横隔板和纵隔板相互垂直，设置在底板、桥面顶板内。

所述的横隔板外设置有横隔板面外水平加劲肋和横隔板面外竖直加劲肋，所述的横隔板面外水平加劲肋和横隔板面外竖直加劲肋相互垂直。

所述的底板包括边底板和斜底板，所述的底板的两侧边缘向所述桥面顶板倾斜。

具体地，所述箱型主体结构包括桥面顶板，螺栓孔，纵隔板，横隔板，横隔板面外水平加劲肋，横隔板面外竖直加劲肋，边底板，斜底板。在箱型主体结构的桥面顶板上开设螺栓孔，高强螺栓穿过螺栓孔和连接压型钢板预制件和箱型主体结构后形成装配式箱型桥钢骨架。

所述压型钢板预制件包括两种形式，为第一种压型钢板预制件或第二种压型钢板预制件。第一种压型钢板预制件包括：

压型钢板；

穿设在所述压型钢板的腹板上的圆钢棒；

以及将所述压型钢板与所述桥面顶板连接固定的螺栓。

所述的压型钢板为沿板宽方向形成波形截面的成型钢板，该波形截面的顶部为平面，作为顶面(即上翼缘)，该波形截面的底部为平面，作为底面(即下翼缘)。

第一种压型钢板预制件中，沿所述压型钢板的横向(即桥面横向)在所述腹板上设有供所述圆钢棒通过的圆孔，所述的圆钢棒沿所述压型钢板的横向穿设在各个腹板的圆孔中。所述的圆孔等间距设置在所述压型钢板的腹板上。

所述的压型钢板的底面和所述桥面顶板上均设有螺栓孔，所述的螺栓通过穿过所述螺栓孔与螺母配合固定。所述的螺栓孔等间距设置在所述的压型钢板的底面和所述桥面顶板上。

具体地，第一种压型钢板预制件包括压型钢板，圆钢棒，螺栓孔和高强螺栓，实施方式为在所述压型钢板的下翼缘上开设螺栓孔，在腹板上开设圆孔，并将圆钢棒穿过圆孔。

第二种压型钢板预制件包括：

压型钢板；

固定安装在所述压型钢板的顶面(即上翼缘)上的角钢；

穿设在各个角钢上的圆钢棒。

第二种压型钢板预制件中，所述的压型钢板为沿板宽方向形成波形截面的成型钢板，该波形截面的顶部为平面，作为顶面(即上翼缘)，该波形截面的底部为平面，作为底面(即下翼缘)。

所述的角钢的长度方向与所述压型钢板的波形截面垂直。

所述的角钢包括两直角边，为长肢(宽度较大的直角边)和短肢(宽度较小的直角边)，所述的角钢的长肢通过螺栓固定在所述压型钢板的顶面。

所述的角钢的长肢和所述压型钢板的顶面上均设有螺栓孔，所述的螺栓穿过所述螺栓孔与螺母配合固定。所述的螺栓孔等间距地设置在所述角钢的长肢和所述压型钢板的顶面上。

所述的角钢的短肢上设置有圆孔，所述的圆钢棒穿过各个角钢上的圆孔，形成桥面钢骨架。所述的圆钢棒的长度方向与所述压型钢板的短肢所在平面垂直。

所述的圆孔等间距设置在所述角钢的短肢上。

第二种压型钢板预制件中，具体地，压型钢板预制件包括压型钢板，角钢，圆钢棒，螺栓孔和高强螺栓，实施方式为在所述压型钢板上翼缘上等间距开设螺栓孔，在所述角钢长肢上等间距开设螺栓孔，短肢上开设圆孔，将所述高强螺栓穿过螺栓孔连接角钢和压型钢板后再将圆钢棒穿过圆孔。

所述压型钢板装配式组合箱型桥中，超高韧性混凝土3浇筑在装配式箱型桥钢骨架上；对于压型钢板预制件1-A形式，其高度略高于压型钢板上翼缘；对于压型钢板预制件1-B形式，其高度略高于角钢短肢肢尖，起到保护桥面钢骨架的作用。

所述的混凝土的顶面高于所述压型钢板预制件的顶部。

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：

本发明提出的压型钢板装配式组合箱型桥，通过高强螺栓连接压型钢板预制件和箱型主体结构后形成装配式箱型桥钢骨架，并现浇超高韧性混凝土，具备以下优点：

1)采用的超高韧性混凝土性能优越且用量少，可有效规避钢筋网的使用需求，在降低材料成本的同时可降低施工的复杂度，缩短工期，具体阐述如下：

①超高韧性混凝土受压承载力高，受拉展现出应变硬化特征，极限拉应变可稳定达到3％以上，在极限拉应变下只出现致密分布的多条宽度在100微米以下的微裂纹。在传统钢混组合箱型桥中，一般通过密布钢筋网的方式提高混凝土层的抗裂能力；

②在传统钢混组合箱型桥中，一般需要较大的混凝土层厚度，本发明提出的压型钢板装配式组合箱型桥其超高韧性混凝土层厚度仅需略高于压型钢板板肋上翼缘或角钢肢尖便可起到有效阻隔钢材与外部环境和防止钢材锈蚀的作用，从而显著改善组合箱型桥的韧性、耐腐蚀性和耐久性；

2)本发明提出的压型钢板装配式组合箱型桥，在提高极限承载力，降低成本的同时可大大减少组合箱型桥钢结构部分的焊缝数量，从而可显著提升其疲劳性能并有效规避现场焊接带来的劳动力损耗和施工精度难以保障的问题，具体阐述如下：

①提出的两种形式的压型钢板预制件均通过圆钢棒和孔间钢板有效保证钢骨架与超高韧性混凝土之间的剪力连接效应，同时起到抗拔作用，防止二者的界面发生竖向脱离，因此无需采取在压型钢板上额外焊接钢筋网或栓钉等措施增强压型钢板和混凝土之间的界面连接性能。在传统钢混组合箱型桥中，如需实现钢桥面板和混凝土的完全剪力连接效应，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。因此本发明可有效消除栓钉的材料成本、施工成本和焊接对疲劳性能的负面影响。

②由于压型钢板本身的波纹形状能够大大增加截面惯性矩，具有一定的纵向截面刚度，抗扭刚度和面外稳定性，无需在桥面顶板上额外焊接纵、横向加劲肋。同时箱型主体结构的桥面顶板可视为压型钢板预制件的增强件，将二者通过高强螺栓连接组合后可使得压型钢板预制件的强度、刚度和整体稳定性得到进一步提高，进而可大幅提升箱型桥的极限承载力。

3)本发明提出的压型钢板装配式组合箱型桥，其装配式箱型桥钢骨架由工厂提前预制，预制装配化程度高，施工方便快捷，各构件尺寸参数可依据设计和施工需求灵活变动和调整，可显著提升桥面板体系的模块化程度。该体系高预制装配化的特点，与国家大力发展装配式结构体系的号召相契合，有着十分广阔的发展前景。

因此，本发明提出的压型钢板装配式组合箱型桥在使结构承载力、韧性、疲劳性能以及耐久性提升的同时，也大大降低了施工复杂度和材料成本，显著提升了体系的预制装配化和工业化程度，具备在桥梁结构中推广应用的潜质。

附图说明

图1为压型钢板预制件1-A形式横向剖面图；

图2为压型钢板预制件1-B形式横向剖面图；

图3为装配式箱型桥钢骨架形式A横向剖面图；

图4为装配式箱型桥钢骨架形式B横向剖面图；

图5为装配式箱型桥钢骨架形式A纵向剖面图；

图6为装配式箱型桥钢骨架形式B纵向剖面图；

图7为装配式箱型桥钢骨架形式A整体示意图；

图8为装配式箱型桥钢骨架形式B整体示意图；

图9为压型钢板装配式组合箱型桥形式A横向剖面图；

图10为压型钢板装配式组合箱型桥形式B横向剖面图；

图11为压型钢板装配式组合箱型桥形式A纵向剖面图；

图12为压型钢板装配式组合箱型桥形式B纵向剖面图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，详细说明本发明的实施方式。

如图1及2所示，所述压型钢板预制件1包括1-A和1-B两种形式。压型钢板预制件1-A形式包括以下组成部件：压型钢板1-1，圆钢棒1-3，螺栓孔1-4，高强螺栓1-5；压型钢板预制件1-B形式包括以下组成部件：压型钢板1-1，角钢1-2，圆钢棒1-3，螺栓孔1-4，高强螺栓1-5。

如图1所示，在压型钢板1-1的下翼缘上等间距开设螺栓孔1-4，在压型钢板1-1板肋腹板上等间距开设直径略大于圆钢棒1-3的圆孔，将圆钢棒1-3穿过圆孔，形成压型钢板预制件1-A形式。

如图2所示，在压型钢板1-1的上翼缘上等间距开设螺栓孔1-4，在角钢1-2的长肢(宽度较大的直角边)上等间距开设螺栓孔1-4，短肢(宽度较小的直角边)上等间距开设直径略大于圆钢棒1-3的圆孔，采用高强螺栓1-5连接压型钢板1-1和角钢1-2，将圆钢棒1-3穿过圆孔，形成压型钢板预制件1-B形式。

如图3～图8所示，箱型主体结构2由桥面顶板2-1，纵隔板2-3，横隔板2-4，横隔板面外水平加劲肋2-5，横隔板面外竖直加劲肋2-6，边底板2-7，斜底板2-8经焊接后形成。在所述箱型主体结构的桥面顶板2-1上等间距开设螺栓孔2-2，所述高强螺栓1-5穿过螺栓孔1-4和2-2连接压型钢板预制件1和箱型主体结构后2形成装配式箱型桥钢骨架。

如图9～图12所示，超高韧性混凝土3浇筑在装配式箱型桥钢骨架上，起到保护装配式箱型桥钢骨架的作用。对于压型钢板预制件形式1-A，超高韧性混凝土3的厚度略高于压型钢板1-1上翼缘；对于压型钢板预制件1-B，超高韧性混凝土3的厚度略高于角钢1-2短肢肢尖。

本发明提出的压型钢板装配式组合箱型桥，所述超高韧性混凝土，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：

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)。

Claims (10)

1.一种压型钢板装配式组合箱型桥，其特征在于，包括：

箱型主体结构；

设置在所述箱型主体结构上的压型钢板预制件；

以及浇筑在所述压型钢板预制件上的混凝土；

所述的箱型主体结构包括底板、桥面顶板以及设置在所述底板和桥面顶板之间的横隔板和纵隔板。

2.根据权利要求1所述的压型钢板装配式组合箱型桥，其特征在于，所述的横隔板垂直于所述压型钢板的波形截面，所述的纵隔板垂直于所述横隔板，所述的横隔板和纵隔板相互垂直。

3.根据权利要求2所述的压型钢板装配式组合箱型桥，其特征在于，所述的横隔板外设置有横隔板面外水平加劲肋和横隔板面外竖直加劲肋，所述的横隔板面外水平加劲肋和横隔板面外竖直加劲肋相互垂直。

4.根据权利要求1所述的压型钢板装配式组合箱型桥，其特征在于，所述的底板的两侧边缘向所述桥面顶板倾斜。

5.根据权利要求1所述的压型钢板装配式组合箱型桥，其特征在于，所述压型钢板预制件为第一种压型钢板预制件或第二种压型钢板预制件。

6.根据权利要求5所述的压型钢板装配式组合箱型桥，其特征在于，所述的第一种压型钢板预制件包括：

压型钢板；

穿设在所述压型钢板的腹板上的圆钢棒；

以及将所述压型钢板与所述桥面顶板连接固定的螺栓。

7.根据权利要求6所述的压型钢板装配式组合箱型桥，其特征在于，第一种压型钢板预制件中，沿所述压型钢板的横向在所述腹板上设有供所述圆钢棒通过的圆孔，所述的圆钢棒沿所述压型钢板的横向穿设在各个腹板的圆孔中。

8.根据权利要求6所述的压型钢板装配式组合箱型桥，其特征在于，所述的压型钢板的底面和所述桥面顶板上均设有螺栓孔，所述的螺栓通过穿过所述螺栓孔与螺母配合固定。

9.根据权利要求5所述的压型钢板装配式组合箱型桥，其特征在于，所述的第二种压型钢板预制件包括：

压型钢板；

固定安装在所述压型钢板的顶面上的角钢；

穿设在各个角钢上的圆钢棒。

10.根据权利要求9所述的压型钢板装配式组合箱型桥，其特征在于，所述的第二种压型钢板预制件中，所述的角钢的长度方向与所述压型钢板的波形截面垂直；

所述的角钢包括两直角边，为长肢和短肢，所述的角钢的长肢通过螺栓固定在所述压型钢板的顶面；

所述的角钢的短肢上设置有圆孔，所述的圆钢棒穿过各个角钢上的圆孔，形成桥面钢骨架，所述的圆钢棒的长度方向与所述压型钢板的短肢所在平面垂直。

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