CN114319065B

CN114319065B - 一种带uhpc模壳结构的主梁单元、主梁结构及其施工方法

Info

Publication number: CN114319065B
Application number: CN202210052989.5A
Authority: CN
Inventors: 邵旭东; 应李溶君; 赵旭东
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2022-01-18
Filing date: 2022-01-18
Publication date: 2022-10-28
Anticipated expiration: 2042-01-18
Also published as: WO2023137999A1; CN114319065A

Abstract

本发明公开了一种带UHPC模壳结构的主梁单元，包括主梁本体，所述主梁本体的至少一个纵桥向端部设有UHPC模壳结构，所述UHPC模壳结构包括位于所述主梁本体端部的竖板，所述竖板的侧边以及底边向远离所述主梁本体的方向延伸设有纵桥向外延板。本发明还提供一种主梁结构以及上述主梁结构的施工方法。本发明在主梁本体的端部设置了UHPC模壳结构，为墩顶现浇接缝构造提供了现成的模板，无需在施工现场搭设接缝构造的模板，可直接在接缝处现浇超高性能混凝土，便于施工，有利于桥梁结构的快速化施工。

Description

一种带UHPC模壳结构的主梁单元、主梁结构及其施工方法

技术领域

本发明属于桥梁领域，尤其涉及一种主梁单元、主梁结构及其施工方法。

背景技术

中小跨径装配式桥梁在我国桥梁建设中具有举足轻重的地位。据交通运输部统计，截至2020年底，全国中小跨径桥梁约78.64万座，在公路桥梁中占比达86.2%，较2019年新增3.45万座。面对如此大的存量市场和增量市场，推动装配式中小跨径桥梁的发展，对变革桥梁施工方式、提高桥梁工程质量、缩短桥梁施工周期等具有重要意义。

目前，装配式桥梁目前主要有装配式混凝土梁、装配式钢-混凝土组合梁、装配式钢箱梁等三大类型，均存在不同程度的问题。总体来说，装配式桥梁主要存在强度低、自重大、运输安装不便以及现场焊接量大等痛点，同时接缝处普遍存在节点易损坏、现场施工工序较复杂等问题。

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，以下简称UHPC）是一种基于最大密实度理论配制的新型水泥基复合材料，基体中的钢纤维使得材料的抗拉性能和韧性显著提高，材料内部致密使其具有优异的力学性能和良好的耐久性。在桥梁建设领域，将UHPC材料充分、合理地应用于装配式桥梁，可以减小桥梁结构的自重，提高桥梁的强度和耐久性，缩短桥梁的施工周期，简化桥梁的施工工艺，提升桥梁工业化水平。但装配式桥梁接缝处的上述问题依然存在，急需研究开发一种新型主梁结构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种接缝承载能力高、易于施工的带UHPC模壳结构的主梁单元、主梁结构及其施工方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种带UHPC模壳结构的主梁单元，包括主梁本体，所述主梁本体的至少一个纵桥向端部设有UHPC模壳结构，所述UHPC模壳结构包括位于所述主梁本体端部的竖板，所述竖板的侧边以及底边向远离所述主梁本体的方向延伸设有纵桥向外延板。

上述带UHPC模壳结构的主梁单元中，竖板设于主梁本体端部，与主梁本体的高度、宽度基本相同，其形状与主梁本体的截面形状相匹配。纵桥向外延板由竖板的底边和侧边向外延伸形成，更优选的由底边和侧边的边缘向外延伸形成，纵桥向外延板的上表面优选与主梁本体的上表面平齐，纵桥向外延板的整体形状可为类U型。

上述带UHPC模壳结构的主梁单元中，多个主梁单元组成一个主梁结构时，位于主梁结构中部的主梁单元的纵桥向两端均设有UHPC模壳结构以便于浇筑接缝，位于主梁结构端部的主梁单元可只在纵桥向一端设置UHPC模壳结构。

上述带UHPC模壳结构的主梁单元中，优选的，所述竖板在远离所述主梁本体一侧的表面上设有多个齿键（UHPC）。更优选的，所述齿键为梯形齿键，所述梯形齿键包括上顶面与下底面，所述上顶面的面积大于所述下底面的面积，所述下底面靠近所述竖板，所述上顶面远离所述竖板；相邻所述梯形齿键在高度方向的距离为15-25cm（是指相邻两个梯形齿键下底面之间的净距离），所述梯形齿键的侧面的倾角为45-75°，所述梯形齿键凸出所述竖板表面的厚度为5-10cm（即梯形齿键的梯形侧面的高），所述梯形齿键的行数为3-5行，所述梯形齿键的列数为2-5列。本发明在主梁本体的端部设置了与竖板一起预制成型的UHPC齿键，有效增强了墩顶接缝的抗裂性能，同时增强了预制主梁单元与后浇UHPC接缝界面的竖向抗剪性能，提升了预制体与现浇体在纵桥向的传力性能；上述齿键优选的靠近顶部布置可以更好地发挥其抗剪作用，此外，UHPC齿键可以防止接缝处出现收缩开裂等问题，进而提高墩顶接缝的耐久性。通过控制齿键的形状为梯形，可增大超高性能混凝土湿接缝与预制体的接触面积，增强其机械咬合作用，进而提高该接缝的承载能力。上述UHPC齿键的具体个数及尺寸可视实际情况而定。

上述带UHPC模壳结构的主梁单元中，所述主梁本体包括钢-UHPC组合梁或UHPC单梁。

上述带UHPC模壳结构的主梁单元中，所述UHPC单梁为π型梁；所述钢-UHPC组合梁包括钢梁和UHPC梁；所述钢梁包括热轧型钢、焊接工字钢、冷弯型钢等，所述UHPC梁包括T型梁、π型梁、工字型梁或矩形平板型梁等；所述钢梁的上翼缘板上设有多个剪力连接件，所述钢梁的腹板和下翼缘板在端部也设有多个剪力连接件，所述钢梁的端部埋设于所述竖板中。本发明中，热轧型钢与焊接工字钢相比，型钢无需焊接，从而降低残余应力并简化施工工序，达到降低成本和缩短工期的效果。整体而言，上述钢-UHPC组合梁与普通钢-混凝土组合梁相比，可显著降低主梁的梁高和自重，使结构轻型化；现场可实现零焊接，使结构施工快速化；可降低造价和全寿命周期成本，使结构具备更强的市场竞争力。更优选的，钢梁为热轧型钢，UHPC梁为π型梁。通过在钢梁的上翼缘板上设有多个剪力连接件可便于钢梁与UHPC梁固接形成一整体，通过在上翼缘板、腹板和下翼缘板上也设置剪力连接件，便于竖板与钢梁固接形成一整体。

上述带UHPC模壳结构的主梁单元中，优选的，所述π型梁包括顶板、一对弧形腹板和一对底板，所述底板设于所述弧形腹板底部，一对所述弧形腹板沿纵桥向中心线对称设于所述顶板底部；所述弧形腹板的横桥向截面呈现两头大中间小，所述弧形腹板的横桥向截面两侧为圆弧形，所述弧形腹板两侧与所述顶板或底板的接触过渡处为弧形过渡。π型梁与一般UHPC梁相比，无倒角，可以减少局部的应力集中现象；线条流畅，且线段之间过渡顺滑，使截面形状更加美观。

上述带UHPC模壳结构的主梁单元中，所述剪力连接件可为栓钉连接件、倒T型连接件、开孔钢板连接件或其他新型剪力连接件，以栓钉连接件为例，可控制栓钉连接件的直径为10-30mm，高度为30-150mm，具体规格视钢梁与UHPC梁的尺寸而定。

上述带UHPC模壳结构的主梁单元中，优选的，所述主梁本体的至少一个纵桥向端部的顶部设有经凿毛处理的半槽口（相邻两个半槽口拼接形成槽口，用于现浇混凝土），所述半槽口的横桥向两侧保留有侧壁，所述半槽口的纵桥向长度为L/6-L/10，其中L是指所述主梁本体的长度。通过设置特定长度的半槽口，可将薄弱界面设置在低拉应力区域，半槽口处需进行凿毛处理，以提高新旧混凝土的界面抗裂性能。

上述带UHPC模壳结构的主梁单元中，优选的，所述半槽口中设有由所述主梁本体内部向外延伸的外延钢筋，所述半槽口下方的梁体中也设有向外延伸的外延钢筋，所述外延钢筋的外延长度不小于所述外延钢筋直径的10倍。外延钢筋的长度要与接缝的尺寸相适应，通过设置外延钢筋，有利于提高接缝处的力学性能。

上述带UHPC模壳结构的主梁单元中，优选的，所述竖板、纵桥向外延板和主梁本体中的UHPC部分一体预制成型，且所述纵桥向外延板的上表面与所述主梁本体上表面保持平齐，所述纵桥向外延板的厚度为5-10cm，纵桥向长度为10-50cm。本发明中，竖板与主梁本体中的UHPC部分一体预制成型，其二者可认为是一个密不可分的整体，在设置半槽口后，由于半槽口横桥向两侧保留有侧壁，可认为主梁本体端部处保留的侧壁也为竖板的组成部分，该侧壁也向接缝处延伸形成纵桥向外延板，即主梁单元开设半槽口后，横桥向两侧依次为侧壁和纵桥向外延板（超出竖板表面的即为纵桥向外延板），且其二者无缝连接。

本发明中，外延板的厚度若小于5cm，抵抗外部作用的能力弱，可能会在施工过程中由于碰撞而破损，此外如果外延板的厚度很小，也不利于浇筑，模壳质量难以保障；但是外延板的厚度过大，经济性较差；本发明中将外延板的厚度定在5-10cm范围，即能满足作为模壳的受力要求，对于常见跨径的梁桥均能适用，也能保证浇筑质量，同时兼具良好的经济性。外延板的纵桥向长度基于以下考虑：纵向相邻模壳结构在拼接后，形成墩顶现浇的空间，所以纵向长度需满足墩顶接缝宽度的要求，对于常见的中等跨径梁桥（20-60m），采用简支变连续结构体系，其墩顶现浇接缝的长度基本在20-100cm的范围内，所以外延板取上述长度的一半，即能包含常见中等跨径梁桥的墩顶连续接缝的构造，能适用于常见的中等跨径梁桥。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种主梁结构，主要由多个上述的主梁单元纵桥向连接而成，纵桥向相邻所述主梁单元的纵桥向外延板紧密连接形成侧面以及底部封闭的密封区域用于现浇接缝混凝土。本发明中，竖板的截面形状可与主梁本体的截面形式相适应，一对纵桥向相邻设置的纵桥向外延板可在墩顶接缝处通过填充止水橡胶条等进行拼接，拼接后形成的密封区域可直接作为墩顶现浇接缝的模板，节省现场搭设模板的时间，同时可简化现场施工工序，以达到桥梁快速施工的目标。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种如上述的主梁结构的施工方法，包括以下步骤：

S1：在预制场安装所述主梁本体以及UHPC模壳结构的模板，再浇筑UHPC形成带UHPC模壳结构的主梁单元；

S2：利用运梁车将带UHPC模壳结构的主梁单元运至架设位置，利用吊装设备对其进行架设，并完成相邻所述主梁单元的纵桥向外延板紧密连接形成密封区域；

S3：在上述密封区域中现浇UHPC并养护，即完成施工。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明在主梁本体的端部设置了UHPC模壳结构，为墩顶现浇接缝构造提供了现成的模板，无需在施工现场搭设接缝构造的模板，可直接在接缝处现浇超高性能混凝土，便于施工，有利于桥梁结构的快速化施工。同时，采用UHPC模壳结构有利于提高接缝处的质量，提高接缝的力学强度。

2、本发明的主梁单元和主梁结构构造简单，受力明确，大大简化现场施工工序，适用范围广，具有广阔的应用前景。

3、本发明的施工方法简单，大部分产品在工厂预制，可减少现场现浇、养护工作量，可大大加快施工进度。

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，下面将对实施例或现有技术描述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为实施例1中带UHPC模壳结构的主梁单元（类型I）的三维结构示意图。

图2为实施例1中带UHPC模壳结构的主梁单元（类型I）的侧面示意图。

图3为实施例1中齿键的结构示意图。

图4为实施例1中主梁单元（类型I）的结构示意图。

图5为实施例1中主梁单元（类型I）沿横桥向的截面示意图（图中未示出主梁内部钢筋）。

图6为实施例1中主梁单元（类型I）中焊接有剪力连接件的钢梁的结构示意图。

图7为实施例1中带UHPC模壳结构的主梁单元（类型I）拼接成主梁结构后的三维结构示意图。

图8为实施例2中带UHPC模壳结构的主梁单元（类型II）的三维结构示意图。

图9为实施例2中带UHPC模壳结构的主梁单元（类型II）的侧面示意图。

图10为实施例2中主梁单元（类型II）的结构示意图。

图11为实施例2中主梁单元（类型II）沿横桥向的截面示意图（图中未示出主梁内部钢筋）。

图12为实施例2中主梁单元（类型II）中焊接有剪力连接件的钢梁的结构示意图。

图13为实施例3中带UHPC模壳结构的主梁单元（类型III）的三维结构示意图。

图14为实施例3中带UHPC模壳结构的主梁单元（类型III）的侧面示意图。

图15为实施例3中主梁单元（类型III）的结构示意图。

图16为实施例3中主梁单元（类型III）的截面示意图（图中未示出主梁内部钢筋）。

图例说明：

1、热轧型钢；2、π型梁；21、顶板；22、弧形腹板；23、底板；3、纵桥向外延板；4、齿键；5、半槽口；6、外延钢筋；7、剪力连接件；8、竖板；9、矩形平板型梁；10、焊接工字钢；100、主梁本体。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

如图1-图6所示，本实施例的带UHPC模壳结构的主梁单元（类型I），包括主梁本体100，主梁本体100的至少一个纵桥向端部设有UHPC模壳结构，UHPC模壳结构包括位于主梁本体100端部的竖板8，竖板8的侧边以及底边向远离主梁本体100的方向延伸设有纵桥向外延板3。

本实施例中，竖板8在远离主梁本体100一侧的表面上设有多个齿键4。具体的，梯形齿键包括上顶面与下底面，上顶面的面积大于所述下底面的面积，下底面靠近竖板，上顶面远离竖板；相邻梯形齿键在高度方向的距离为15-25cm（上述范围均可），梯形齿键的侧面的倾角为45-75°（上述范围均可，如图3中为73°），梯形齿键凸出竖板表面的厚度为5-10cm（上述范围均可），梯形齿键的行数为3-5行（上述范围均可），梯形齿键的列数为2-5列（上述范围均可）。本实施例中，齿键4的列数、行数、距离以及倾角可根据实际需要而定。

本实施例中，主梁本体100为钢-UHPC组合梁，钢-UHPC组合梁包括钢梁和UHPC梁，钢梁为市售常见的热轧型钢1，UHPC梁为π型梁2；热轧型钢1的上翼缘板上设有多个剪力连接件7，热轧型钢1的腹板和下翼缘板在端部也设有多个剪力连接件7，热轧型钢1的端部埋设于竖板8中。本实施例中，上述剪力连接件7可为栓钉，栓钉的直径可为10-30mm，高度可为30-150mm，具体规格视钢梁与UHPC梁的尺寸而定。

本实施例中，π型梁2包括顶板21、一对弧形腹板22和一对底板23，底板23设于弧形腹板22底部，一对弧形腹板22沿纵桥向中心线对称设于顶板21底部；弧形腹板22的横桥向截面呈现两头大中间小，弧形腹板22的横桥向截面两侧为圆弧形，弧形腹板22两侧与顶板21或底板23的接触过渡处为弧形过渡。

本实施例中，主梁本体100的至少一个纵桥向端部的顶部设有经凿毛处理的半槽口5，半槽口5的横桥向两侧保留有侧壁，半槽口5的纵桥向长度为L/6-L/10（上述范围均可），其中L是指主梁本体100的长度。

本实施例中，半槽口5中设有由主梁本体100内部向外延伸的外延钢筋6，半槽口5下方的梁体中也设有向外延伸的外延钢筋6，外延钢筋6的外延长度不小于外延钢筋6直径的10倍。

本实施例中，竖板8、纵桥向外延板3和主梁本体100中的UHPC部分一体预制成型，且纵桥向外延板3的上表面与主梁本体100上表面保持平齐，纵桥向外延板3的厚度为5-10cm（上述范围均可），纵桥向长度为10-50cm（上述范围均可）。

如图7所示，本实施例的主梁结构，主要由多个上述主梁单元纵桥向连接而成，纵桥向相邻主梁单元的纵桥向外延板3紧密连接形成侧面以及底部封闭的密封区域用于现浇接缝混凝土。

本实施例还提供一种上述主梁结构的施工方法，包括以下步骤：

S1：在预制场安装主梁本体100以及UHPC模壳结构的模板，再浇筑UHPC形成带UHPC模壳结构的主梁单元；

S2：利用运梁车将带UHPC模壳结构的主梁单元运至架设位置，利用吊装设备对其进行架设，并完成相邻主梁单元的纵桥向外延板3紧密连接形成密封区域；

S3：在上述密封区域中现浇UHPC并养护，即完成施工。

实施例2：

如图8-图12所示，本实施例的带UHPC模壳结构的主梁单元（类型II），包括主梁本体100，主梁本体100的至少一个纵桥向端部设有UHPC模壳结构，UHPC模壳结构包括位于主梁本体100端部的竖板8，竖板8的侧边以及底边向远离主梁本体100的方向延伸设有纵桥向外延板3。

本实施例中，竖板8在远离主梁本体100一侧的表面上设有多个齿键4，其具体布置可与实施例1相同。

本实施例中，主梁本体100为钢-UHPC组合梁，钢-UHPC组合梁包括钢梁和UHPC梁，钢梁为焊接工字钢10，UHPC梁为矩形平板型梁9；焊接工字钢10的上翼缘板上设有多个剪力连接件7，焊接工字钢10的腹板和下翼缘板在端部也设有多个剪力连接件7，焊接工字钢10的端部埋设于竖板8中。本实施例中，上述剪力连接件7可为栓钉，栓钉的直径可为10-30mm，高度可为30-150mm，具体规格视钢梁与UHPC梁的尺寸而定。

本实施例的主梁单元的其他结构可与实施例1相同。

本实施例的主梁结构，主要由多个上述主梁单元纵桥向连接而成，纵桥向相邻主梁单元的纵桥向外延板3紧密连接形成侧面以及底部封闭的密封区域用于现浇接缝混凝土。

本实施例的主梁结构的施工方法可与实施例1相同。

实施例3：

如图13-图16所示，本实施例的带UHPC模壳结构的主梁单元（类型III），包括主梁本体100，主梁本体100的至少一个纵桥向端部设有UHPC模壳结构，UHPC模壳结构包括位于主梁本体100端部的竖板8，竖板8的侧边以及底边向远离主梁本体100的方向延伸设有纵桥向外延板3。

本实施例中，主梁本体100为UHPC单梁， UHPC单梁为π型梁2。具体的，π型梁2包括顶板21、一对弧形腹板22和一对底板23，底板23设于弧形腹板22底部，一对弧形腹板22沿纵桥向中心线对称设于顶板21底部；弧形腹板22的横桥向截面呈现两头大中间小，弧形腹板22的横桥向截面两侧为圆弧形，弧形腹板22两侧与顶板21或底板23的接触过渡处为弧形过渡。

本实施例的主梁单元的其他结构可与实施例1相同。

本实施例的主梁结构的施工方法可与实施例1相同。

Claims

1.一种带UHPC模壳结构的主梁单元，其特征在于，包括主梁本体（100），所述主梁本体（100）的至少一个纵桥向端部设有UHPC模壳结构，所述UHPC模壳结构包括位于所述主梁本体（100）端部的竖板（8），所述竖板（8）的侧边以及底边向远离所述主梁本体（100）的方向延伸设有纵桥向外延板（3）；纵桥向相邻所述主梁单元的纵桥向外延板（3）紧密连接形成侧面以及底部封闭的密封区域用于现浇接缝混凝土；

所述竖板（8）在远离所述主梁本体（100）一侧的表面上设有多个齿键（4）；所述齿键（4）为梯形齿键，所述梯形齿键包括上顶面与下底面，所述上顶面的面积大于所述下底面的面积，所述下底面靠近所述竖板（8），所述上顶面远离所述竖板（8）；所述梯形齿键的行数为3-5行，所述梯形齿键的列数为2-5列；

所述竖板（8）、纵桥向外延板（3）均和主梁本体（100）中的UHPC部分一体预制成型，且所述竖板（8）的侧边向远离所述主梁本体（100）的方向延伸设有的纵桥向外延板（3）的上表面与所述主梁本体（100）上表面保持平齐，所述纵桥向外延板（3）的厚度为5-10cm，纵桥向长度为10-50cm。

2.根据权利要求1所述的主梁单元，其特征在于，相邻所述梯形齿键在高度方向的距离为15-25cm，所述梯形齿键的侧面的倾角为45-75°，所述梯形齿键凸出所述竖板（8）表面的厚度为5-10cm。

3.根据权利要求1或2所述的主梁单元，其特征在于，所述主梁本体（100）包括钢-UHPC组合梁或UHPC单梁，所述钢-UHPC组合梁包括钢梁和UHPC梁，所述钢梁包括热轧型钢（1）或焊接工字钢（10），所述UHPC梁包括T型梁、π型梁（2）、工字型梁或矩形平板型梁（9）；所述钢梁的上翼缘板上设有多个剪力连接件（7），所述钢梁的腹板和下翼缘板在端部也设有多个剪力连接件（7），所述钢梁的端部埋设于所述竖板（8）中；所述UHPC单梁为π型梁（2）。

4.根据权利要求3所述的主梁单元，其特征在于，所述π型梁（2）包括顶板（21）、一对弧形腹板（22）和一对底板（23），所述底板（23）设于所述弧形腹板（22）底部，一对所述弧形腹板（22）沿纵桥向中心线对称设于所述顶板（21）底部；所述弧形腹板（22）的横桥向截面呈现两头大中间小，所述弧形腹板（22）的横桥向截面两侧为圆弧形，所述弧形腹板（22）两侧与所述顶板（21）或底板（23）的接触过渡处为弧形过渡。

5.根据权利要求1或2所述的主梁单元，其特征在于，所述主梁本体（100）的至少一个纵桥向端部的顶部设有经凿毛处理的半槽口（5），所述半槽口（5）的横桥向两侧保留有侧壁，所述半槽口（5）的纵桥向长度为L/6-L/10，其中L是指所述主梁本体（100）的长度。

6.根据权利要求5所述的主梁单元，其特征在于，所述半槽口（5）中设有由所述主梁本体（100）内部向外延伸的外延钢筋（6），所述半槽口（5）下方的梁体中也设有向外延伸的外延钢筋（6），所述外延钢筋（6）的外延长度不小于所述外延钢筋（6）直径的10倍。

7.一种主梁结构，其特征在于，主要由多个权利要求1-6中任一项所述的主梁单元纵桥向连接而成。

8.一种如权利要求7所述的主梁结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在预制场安装所述主梁本体（100）以及UHPC模壳结构的模板，再浇筑UHPC形成带UHPC模壳结构的主梁单元；

S2：利用运梁车将带UHPC模壳结构的主梁单元运至架设位置，利用吊装设备对其进行架设，并完成相邻所述主梁单元的纵桥向外延板（3）紧密连接形成密封区域；

S3：在上述密封区域中现浇UHPC并养护，即完成施工。