CN114197305B - 一种新型rfb构造胶接uhpc-钢桥面结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型RFB构造胶接UHPC‑钢桥面结构，包括：钢桥面板，所述钢桥面板水平布置；UHPC层，所述UHPC层设置在所述钢桥面板的上侧；钢筋网，所述钢筋网设置在所述UHPC层内；U肋，并且U肋的上端与所述钢桥面板的下侧连接；横隔板，所述横隔板竖向布置，横隔板的上端与所述钢桥面板的下侧连接，所述U肋从横隔板上穿过并与横隔板通过新型RFB构造进行连接。该新型RFB构造胶接UHPC‑钢桥面结构，解决了现有正交异性钢箱梁桥在车辆重复荷载作用下，横隔板、U肋及顶板的焊接易损部位疲劳开裂问题；以及预制UHPC铺装板与钢桥面板整体现浇，施工工序复杂、人力物力浪费问题。

Description

一种新型RFB构造胶接UHPC-钢桥面结构

技术领域

本发明属于桥梁工程建设设备技术领域，具体涉及一种新型RFB构造胶接UHPC-钢桥面结构。

背景技术

正交异性钢桥面板具有自重轻、承载力高、适用范围广等突出优点，因此不仅是大跨度桥梁的首选桥面板结构，而且在中等跨度桥梁、景观桥梁、梁高受到严格限制的城市和市政桥梁以及桥梁加固工程中，也同样具有较强竞争力。传统正交异性钢桥面板常采用“钢桥面板+沥青铺装”，但这种方式不仅易在焊缝位置发生疲劳开裂而且在沥青铺装层会频繁出现破损病害，这两类问题成为导致正交异性钢桥面铺装层养护维修困难的直接原因。现有正交异性钢桥在施工过程常在钢桥面焊接栓钉后浇筑铺装层，以保证钢桥面板与铺装层的横向连接，但焊接的工作量大，作业风险高，会大幅度延长工期，提高施工成本。

以上说明正交异性钢桥面板当前发展存在着高疲劳风险风险，需要对其进行研究。本钢结构委员会曾于2007年对日本若干高速公路桥梁钢桥面板的疲劳开裂情况进行调查统计，结果表明横隔板槽口处的母材疲劳开裂最为严重。除此之外，在运营过程中如何对钢桥铺装层进行维修与养护也是工程界的一大难题。综上，寻求更为合理的铺装层与钢桥面板连接方式以及设计方便快捷的施工方案，是目前亟待解决的工程难题。

为解决上述问题，国内外提出多种改善方案。对于提高顶板与U肋连接构造细节疲劳性能的主要途径在于改善焊缝几何构型、增大焊缝局部刚度和控制焊接初始缺陷。当前所提出的新型顶板与U肋构造细节主要包括3类：①镦边U肋构造；②大焊脚焊缝构造；③U肋双面焊接构造等，通过提高U肋与顶板构造细节的局部横向抗弯刚度，增加可焊面积，从而改善了局部几何构型不连续性，并降低了疲劳易损部位的局部应力集中。

由于以上3类新型构造细节仅能降低横隔板-U肋连接构造20％～30％疲劳应力，还无法解决连接焊缝和横隔板槽口处疲劳开裂的问题。因此，在以上3类新型构造基础上，进一步改善构造细节和焊后处理工艺：①进行焊缝的焊后细部处理，②通过在横肋平面位置、U肋内部焊接小隔板形成内肋式构造。但由构造细节的特殊性所决定，部位的焊接初始缺陷问题突出，且施焊困难，焊接质量难以保障，同时增加了时间和人工成本。

综上，尽管通过改善横隔板、U肋、顶板连接处构造细节或设计参数，在降低疲劳易损部位疲劳应力幅的同时，仍无法解决传统钢桥面板横隔板-U 肋连接焊缝和横隔板槽口处疲劳开裂问题。为此需要提出一种新型RFB构造胶接UHPC-钢桥面结构，该新型合理的构造措施或结构用于降低正交异性钢桥面板U肋等疲劳开裂风险，从根本上解决其疲劳开裂的顽疾。

所用专有名词：

RFB连接：U肋与横隔板(Rib-to-Floor Beam)连接构造。一般在横隔板预留槽口(槽口)，采用此种构造能够改善在车辆荷载下由于U肋扭转引发的横隔板面外变形，从而有效缓解焊缝的疲劳开裂。

UHPC：超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete，简称UHPC) 是一种超高强度、高延性和超高耐久性的超高性能纤维增强水泥复合材料，主要通过提高组分的细度与活性，提高材料密实度获得。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型RFB构造胶接UHPC-钢桥面结构，解决现有正交异性钢箱梁桥在车辆重复荷载作用下，横隔板、U肋及顶板的焊接易损部位疲劳开裂问题；以及预制UHPC铺装板与钢桥面板整体现浇，施工工序复杂、人力物力浪费问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种新型RFB构造胶接UHPC-钢桥面结构，包括：

钢桥面板，所述钢桥面板水平布置；

UHPC层，所述UHPC层设置在所述钢桥面板的上侧；

钢筋网，所述钢筋网设置在所述UHPC层内；

U肋，并且U肋的上端与所述钢桥面板的下侧连接；

横隔板，所述横隔板竖向布置，横隔板的上端与所述钢桥面板的下侧连接，所述U肋从横隔板上穿过并与横隔板通过新型RFB构造进行连接。

作为本发明的一种优选的技术方案，所述新型RFB构造包含连续焊缝和槽口，横隔板与U肋的腹板和底板通过连续焊缝进行连接，槽口设置在U 肋下方的横隔板上，并且槽口的边缘距离连续焊缝的焊趾不小于1.5t，t为横隔板板厚；槽口采用激光或水下等离子切割，并且打磨光滑。

作为本发明的一种优选的技术方案，所述槽口为大半经圆弧形狭缝，并且槽口的端头圆弧直径大于槽口的宽度，槽口的高度不超过U肋高度1/3。

作为本发明的一种优选的技术方案，所述槽口由一底部直线形狭缝和两侧部直线形狭缝组成；底部直线形狭缝与两侧部直线形狭缝之间采用大半径圆弧进行光滑过渡，所述大半径圆弧的端头圆弧直径应大于槽口的宽度，槽口的高度不超过U肋高度1/3。

作为本发明的一种优选的技术方案，所述UHPC层与所述钢桥面板之间通过具有高粘、高弹性模量且高耐久性的环氧粘结层进行胶接。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的一种新型RFB构造胶接UHPC-钢组合桥面结构，在其横隔板的U肋处设置新型RFB构造(槽口和连续焊缝)。用于解决轮载作用下，传统横隔板-U肋连接构造的焊缝端部A处和B处以及横隔板槽口在横隔板面内、面外变形协同作用下应力集中导致疲劳开裂问题。

(2)本发明的一种新型RFB构造胶接UHPC-钢组合桥面结构，其钢桥面板上通过环氧粘结层胶接UHPC层。UHPC层作为永久结构层在常温固化后与钢桥面构成轻型组合桥面结构，可以提高钢箱梁的整体抗弯刚度，满足抗弯设计要求，且具有较大安全储备；可以提高钢桥面整体刚度，显著降低轮载作用下钢桥面疲劳易损部位的疲劳应力幅值，提高疲劳寿命。

(3)本发明的一种新型RFB构造胶接UHPC-钢组合桥面结构，其钢桥面板与UHPC层间采用铺装环氧粘结层的新型胶接方式。相较于传统桥面焊钉+现浇UHPC层技术，采用环氧粘结层的新型胶接可以大幅度降低施工难度，压缩施工工期，降低施工成本，避免造成人力物力浪费。

附图说明

此处说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的一种新型RFB构造胶接UHPC-钢桥面结构的示意图；

图2为本发明的一种新型RFB构造胶接UHPC-钢桥面结构的桥面铺装层示意图；

图3为本发明的一种新型RFB构造胶接UHPC-钢桥面结构中新型RFB 连接构造的第一种实施例的示意图；

图4为本发明的一种新型RFB构造胶接UHPC-钢桥面结构中新型RFB 连接构造的第二种实施例的示意图；

图5为传统正交异性钢桥面RFB连接构造示意图，A点为横隔板-U肋连接焊缝在U肋腹板侧的疲劳热点，B点为横隔板-U肋连接焊缝在横隔板侧的疲劳热点。

图中：1.环氧沥青磨耗层；2.UHPC层；3.钢筋网；4.钢桥面板；5.环氧粘结层；6.U肋；7.加劲肋；8.横隔板；9.槽口。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明的一种新型RFB构造胶接UHPC-钢桥面结构，包括钢桥面板4、UHPC层2、钢筋网3、U肋9和横隔板8。其中：钢桥面板 4水平布置；UHPC层2通过环氧粘结层11胶接在钢桥面板4上侧；钢筋网3设置在UHPC层2内；并且U肋9的上端与钢桥面板4的下侧连接；横隔板8横桥向布置，横隔板8的上端与钢桥面板4的下侧焊接，U肋6从横隔板8的侧部穿出，横向板8上设置有槽口9，槽口9围绕在U肋6的下端外围，并且槽口9的高度不小于U肋6高度的1/3，横隔板8内设置有加劲肋 7；UHPC层2的上侧设置有环氧沥青磨耗层1；UHPC层2内还设置有钢筋网3；UHPC层2和钢桥面板4之间采用环氧粘结层5胶结连接。

其U肋6贯穿于桥梁纵桥向并与顶部的钢桥面板4采用焊接连接；横隔板8开设新型RFB构造槽口(即槽口9和连续焊缝)，横隔板8的顶部与U 肋6底部及钢桥面板4的底部焊接，另外横隔板8的中部还焊接加劲肋7；桥面铺装层顺序自上而下依次为环氧沥青磨耗层1和UHPC层2。

与现有技术相比，本发明的一种新型RFB构造胶接UHPC-钢组合桥面结构，在其横隔板8上的U肋6处设置新型RFB构造(槽口9和连续焊缝)，解决在车辆重复荷载作用下，横隔板、U肋及顶板的焊接疲劳易损部位疲劳开裂问题；横隔板-U肋连接构造的焊缝端部A处和B处以及横隔板槽口在面内外变形协同作用下应力集中引起的疲劳开裂问题(A、B位置见图5)。

另外，本发明的一种新型RFB构造胶接UHPC-钢组合桥面结构，其钢桥面板4与UHPC层2间采用铺装环氧粘结层的新型胶接方式。相较于传统的施工连接方式，能够大幅度节省工期降低成本，同时在钢桥面板上铺装 UHPC层2能够增强桥面系整体刚度及韧度，而后再做进一步的综合参数优化设计，降低正交异性钢桥面处疲劳易损部位的应力幅值，减小易损部位疲劳开裂风险。

环氧沥青磨耗层1与UHPC层2粘结成一个整体，可以在保护主体结构的同时增强罩面系统的耐久性能。

UHPC层2作为桥面铺装中间层，厚度选取为45mm-60mm。内部铺设横、竖双向HRB400钢筋网构成的钢筋网3，横向HRB400钢筋网靠近UHPC 层2的顶面，以承担负弯矩下拉应力。顶层钢筋网保护层厚度为15mm，底层的钢筋网保护层厚度为10mm；UHPC层2的底部与钢桥面板4采用环氧粘结剂胶接。对承载能力要求较高的大型或特大型公路桥梁及铁路桥梁，应选择含双层钢筋网的UHPC层；对承载能力要求较低，通行量小的UHPC 层亦可不配置钢筋。

环氧粘结层5所需环氧粘结材料其生产先行预热环氧树脂主剂和固化剂，加热温度不高于65℃；将混合好的环氧树脂、沥青和固化剂等按规定比例同时投入拌缸内搅拌，必须保证有充足的拌和时间。环氧粘结材料摊铺的关键是要在规定温度和时间内及时完成，并做好接缝处理。其配合比设计应重点兼顾黏结性能、高温性能和抗疲劳性能。

正交异性钢箱梁在车辆荷载反复作用下，U肋发生反复挠曲变形，进而迫使横隔板产生面外反复变形，一定程度的偏载造成扭转变形。横隔板、U 肋与顶板焊缝连接处极易产生疲劳开裂，在横隔板-U肋处设置槽口，以减弱横隔板对U肋的约束，降低次应力，但槽口削弱了横隔板腹板，干扰了面内应力流，极易产生应力集中。U肋与横隔板连接焊缝端部A点和B点产生次应力和应力集中，进一步萌生疲劳裂纹；横隔板槽口火焰切割导致的残余拉应力和活荷载耦合作用受力下，裂纹也容易从槽口边缘应力集中处萌生，并沿垂直于槽口边缘的方向扩展。

为克服传统槽口易损部位疲劳开裂弊端，提出新型RFB构造的槽口9 形式一及形式二。形式一及形式二中槽口9均设置于横隔板8上U肋6的下方，保证连续焊缝(10)完整性与连续性，降低局部尺寸效应的影响，避免次应力和正应力集中的发生；采用在横隔板8贯穿开孔，减少焊接带来热残余应力的影响，降低热残余应力与轮载应力耦合现象的发生；槽口边缘距U 肋6间隙不宜过大；采用大半径圆弧狭缝形式或者直线+圆弧过渡段狭缝形式，可有效降低槽口边缘应力梯度。

槽口9的形式一(见图3)、形式二(见图4)，两种形式构造主要区别表现在槽口型式、缺口间隙、槽口半径、圆弧段过渡形式。形式二较形式一采用垂直过渡代替圆弧过渡形式，增大缺口间隙，增大圆弧端部缺口半径；过渡半径在保证横隔板刚度的前提下不宜过小；圆弧端部过渡处半径选取也不宜过小，采用抛光打磨处理，降低槽口端部应力幅值；圆弧开孔高度应不小于1/3肋高，整体圆弧边缘采用抛光处理，减少圆弧边缘应力集中。

槽口9的形式一(见图3)、形式二(见图4)，两种形式构造切割方式选用数控激光切割或水下等离子切割，减少因火焰切割引起的残余热应力以及边缘不平整引起的应力集中；边界圆弧曲线切割质量高，降低局部应力集中的风险；槽口边界进行光滑打磨处理，减少因毛边、毛刺带来的尺寸误差。

还可在UHPC层2的上侧铺装环氧沥青磨耗层，环氧树脂混合乳化石油沥青后，其稳定性、相容性均发生改变，将羟基、环氧基等活性因子引入树脂分子内，提高环氧封层稳定性和渗透性，增强路表整体刚度，提升路面耐磨性能，延长路面寿命。

施工方案一

一种新型RFB构造胶结UHPC-钢组合桥面结构的施工方法，包括以下步骤：

步骤1，根据跨度和适用范围以及荷载需求，在工厂内将UHPC预制板 (多个UHPC预制板组成UHPC层2)预制好，在预制UHPC预制板的过程中，需要在UHPC预制板中添加横向和纵向的钢筋；

步骤2，钢桥面板4搭建施工完毕后，根据UHPC预制板划定胶接区域，在钢桥面板4表面喷砂除锈；

步骤3，待其除锈完成后在钢桥面板4上涂上环氧树脂粘结材料，确保涂层厚度均匀，无气泡；

步骤4，将预制好的UHPC预制板运送至现场进行拼接，把预制好的 UHPC预制板逐块铺装在钢桥面板上的设定位置与桥面板进行粘结，并在特定温度下进行养护，使环氧粘结层5充分固化。相邻的两块UHPC预制板之间预留接缝，相邻的UHPC预制板之间采用金属螺栓和机械连接，UHPC预制铺装板在工厂预先埋入搭接接头，现场对搭接接头进行金属螺栓铰接及焊接，浇筑PUE(聚氨酯弹性体)填料填充UHPC预制铺装板间隙；

步骤5，待PUE填料在接缝内固化后，最后在UHPC预制板上铺设环氧沥青磨耗层1，养护。

施工方案二

一种新型RFB构造胶结UHPC-钢组合桥面结构的施工方法，包括以下步骤：

步骤1，钢桥面板4搭建施工完毕后，在钢桥面板4表面喷砂除锈；

步骤2，待除锈完成后，在钢桥面板4上涂上环氧树脂粘结材料，确保涂层厚度均匀，无气泡；

步骤3，向钢桥面板4上添加碎石，碎石层的整体高度大体一致、分布均匀，待碎石层固化后浇筑UHPC层2，在浇筑UHPC的过程中，同时振动，使碎石与UHPC混凝土充分接触，抹平，养护；

步骤4，待UHPC层2充分凝固后，最后在UHPC层2上铺设环氧沥青磨耗层1，养护。

上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种新型RFB构造胶接UHPC-钢桥面结构，其特征在于，包括：

钢桥面板（4），所述钢桥面板（4）水平布置；

UHPC层（2），所述UHPC层（2）设置在所述钢桥面板（4）的上侧；

钢筋网（3），所述钢筋网（3）设置在所述UHPC层（2）内；

U肋（6），并且U肋（6）的上端与所述钢桥面板（4）的下侧连接；

横隔板（8），所述横隔板（8）竖向布置，横隔板（8）的上端与所述钢桥面板（4）的下侧连接，所述U肋（6）从横隔板（8）上穿过并与横隔板（8）通过新型RFB构造进行连接；

所述新型RFB构造包含槽口和连续焊缝，横隔板（8）与U肋（6）的腹板和底板通过连续焊缝（10）进行连接，槽口（9）设置在U肋（6）下方的横隔板（8）上，并且槽口（9）的边缘距离连续焊缝的焊趾不小于1.5t，t为横隔板（8）板厚；槽口（9）采用激光或水下等离子切割，并且打磨光滑。

2.根据权利要求1所述的新型RFB构造胶接UHPC-钢桥面结构，其特征在于，所述槽口（9）为大半径圆弧形狭缝，并且槽口（9）的端头圆弧直径大于槽口的宽度，槽口（9）的高度不超过U肋高度1/3。

3.根据权利要求1所述的新型RFB构造胶接UHPC-钢桥面结构，其特征在于，所述槽口（9）由一底部直线形狭缝和两侧部直线形狭缝组成；底部直线形狭缝与两侧部直线形狭缝之间采用大半径圆弧进行光滑过渡，所述大半径圆弧的端头圆弧直径应大于槽口（9）的宽度，槽口（9）的高度不超过U肋高度1/3。

4.根据权利要求3所述的新型RFB构造胶接UHPC-钢桥面结构，其特征在于，所述UHPC层（2）与所述钢桥面板（4）之间通过具有高粘、高弹性模量且高耐久性的环氧粘结层（5）进行胶接。

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