CN115059024B - 采用互锁连接的简支箱型输调水组合结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采用互锁连接的简支箱型输调水组合结构及施工方法，包括若干排架柱、箱型截面钢梁结构和预制输调水钢筋混凝土箱型结构；箱型截面钢梁结构上表面沿输水方向设有翼缘板，翼缘板上设有倒梯形剪力键齿；预制输调水钢筋混凝土箱型结构底部设有凹陷剪力键齿，倒梯形剪力键齿和凹陷剪力键齿上设有锁键结构，预制输调水钢筋混凝土箱型结构与翼缘板的接触面设有弹性封条，预制输调水钢筋混凝土箱型结构内设有与凹陷剪力键齿连通的灌浆口；在倒梯形剪力键齿、凹陷剪力键齿与弹性封条等结构形成封闭通道内填入高强自密实混凝土填料形成互锁连接件。本发明通过双重互锁连接结构改善剪力键连接效果，使结构整体组合力学性能更佳优越。

Description

采用互锁连接的简支箱型输调水组合结构及施工方法

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，属于新型输调水结构构造及施工工艺，具体适用于长距离、大流量、大跨度输调水工程。

背景技术

为坚定推行“水利工程补短板、水利行业强监管”的水利改革发展总基调，为满足新时代水利工程大跨度、大宽度、大体型、大荷载、高要求、高标准的发展需求，进一步助力碳中和碳达峰这一主题时代背景下预制装配模式现代化建设的潮流步伐，对既有输调水工程的水工结构进行型式改造与更换等性能提升技术，将有效弥补该领域的工程短板。

中国专利CN112593529A中公开了一种薄壁预应力混凝土渡槽施工方法。混凝土渡槽的制作原料为混凝土中加入膨胀剂，添加膨胀剂的混凝土作为大体积混凝土结构的堵头、后浇带和二期混凝土使用，水工建筑物全断面采用补偿收缩混凝土结构，添加膨胀剂的混凝土用于大跨度薄壁预应力渡槽结构。该发明使得大跨度薄壁预应力渡槽结构具有薄壁、高强、大跨度等优点，且费用低、节约工期，具有较好的实际应用价值。该技术存在的不足在于混凝土需现场调制与浇筑，施工工序复杂、施工强度大，工程质量难以控制。

中国专利CN110725282A中公开了一种钢-混凝土组合结构渡槽的构造及施工方法。钢-混凝土组合结构渡槽包括上部混凝土槽身、槽身顶部钢拉杆和下部钢梁。该发明的钢-混凝土组合结构渡槽的构造，改变了传统混凝土渡槽的受力状态和构造细节，令渡槽不必依赖大量的预应力筋来控制混凝土开裂，大大提高渡槽的输水安全性，构造简单，施工便利，经济实用。该技术存在的不足在于混凝土需现场浇筑，钢梁及剪力连接件需现场焊接拼装，加大了施工难度，且为顶部开敞式，不能承担有压及高压输调水。

为满足水利工程输调水能力向大流量、高要求、高标准的新时代需要，急需开发一种施工工艺简便、承载能力高、跨越能力大、调水能力强、环境适应性好的新型输调水结构构造及施工工艺。

发明内容

针对以上现有技术存在的不完善之处，本发明提供了一种构造简洁、工艺简单、节能环保、施工便捷的采用互锁连接的简支箱型输调水组合结构构造及施工工艺，具有高效装配、易于结合、承载能力高、结构性能好、能承担有压流等诸多优点。预制装配式钢-混凝土组合梁是一种新型的组合模式，通过剪力连接件将混凝土与钢梁连接成为一个整体达到共同受力的功效。该种新型结构有效规避了混凝土自重大、养护周期长，钢梁抗弯刚度低等性能的不足之处，充分发挥其优良组合力学特性，体现出显著的经济效益和环保效应，非常适用于长距离、大流量水利输调水工程。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

采用互锁连接的简支箱型输调水组合结构，包括若干排架柱、安装于排架柱上的箱型截面钢梁结构和固定于箱型截面钢梁结构上的预制输调水钢筋混凝土箱型结构；

所述箱型截面钢梁结构横断面呈倒梯形，箱型截面钢梁结构上表面沿输水方向设有翼缘板，所述翼缘板上平行于翼缘板长边设有凸起的倒梯形剪力键齿，所述倒梯形剪力键齿下部设有键芯轴；

所述预制输调水钢筋混凝土箱型结构底部设有横断面呈倒梯形的凹陷剪力键齿，所述凹陷剪力键齿的凹槽覆盖剪力键齿，凹陷剪力键齿上设有锁键，与键芯轴形成锁键结构；所述锁键呈弯折形，由锁键上臂、锁键下臂和固定于锁键上臂、锁键下臂之间的键芯轴组成，所述锁键可以键芯轴为转轴旋转；所述锁键上臂、锁键下臂的长度和形成的角度使得将凹陷剪力键齿向下套设于倒梯形剪力键齿上时，锁键的锁键上臂先与倒梯形剪力键齿的上表面接触并受力转动，使锁键下臂旋转并抵于锁销轴承上；所述预制输调水钢筋混凝土箱型结构与翼缘板的接触面设有弹性封条，使凹陷剪力键齿与剪力键齿、翼缘板间留有空隙；所述预制输调水钢筋混凝土箱型结构内设有与凹陷剪力键齿连通的灌浆口；所述翼缘板、倒梯形剪力键齿、预制输调水钢筋混凝土箱型结构底部、灌浆口、凹陷剪力键齿与弹性封条形成封闭通道；

所述空隙内填入高强自密实混凝土填料形成连接件。

作为一种优选的实施方式，所述倒梯形剪力键齿两侧翼缘板上设有第一凹槽，对应的预制输调水钢筋混凝土箱型结构底部设有第二凹槽，所述弹性封条固定于第一凹槽和第二凹槽之间。

作为一种优选的实施方式，所述箱型截面钢梁结构的主体结构由底板即梯形短边、腹板即梯形腰部及沿输水方向设置于箱型截面钢梁结构内的中腹板构成；所述翼缘板分别设置于边腹板和中腹板顶端。

作为一种优选的实施方式，所述中腹板与两侧的边腹板间设有多个等距布置的横肋板。

作为一种优选的实施方式，所述预制输调水钢筋混凝土箱型结构由若干相同结构的预制输调水钢筋混凝土箱型单元组装而成；所述预制输调水钢筋混凝土箱型单元前、后分别设有凸榫口和凹榫口，预制输调水钢筋混凝土箱型单元通过凸榫口和凹榫口对接形成所述预制输调水钢筋混凝土箱型结构。优选使用环氧树脂胶合凸榫口和凹榫口。

作为一种优选的实施方式，所述预制输调水钢筋混凝土箱型单元对接处使用止水带胶合。

作为一种优选的实施方式，所述倒梯形剪力键齿通过焊接的方式固定在翼缘板上。

作为一种优选的实施方式，所述弹性封条为橡胶材质。

本发明的另一目的在于提供上述简支箱型输调水组合结构的施工方法，包括：

在工地现场进行排架柱的浇筑与布置，在工厂内预制箱型截面钢梁结构和预制输调水钢筋混凝土箱型结构；

将弹性封条固定于预制完成的箱型截面钢梁结构的翼缘板上；

将预制完成的预制输调水钢筋混凝土箱型结构吊装于箱型截面钢梁结构上；

通过预制输调水钢筋混凝土箱型结构的自重压缩弹性封条；

通过灌浆口灌注高强自密实混凝土填料，形成互锁。

作为一种优选的实施方式，所述弹性封条固定于翼缘板上的第一凹槽内；吊装时将第二凹槽与第一凹槽对应安装，使弹性封条固定于与第一凹槽和第二凹槽之间。

所述预制输调水钢筋混凝土箱型结构进行抗裂设计：（1）在侧墙内部、顶板内部及底板内部均设置非预应力钢筋及构造钢筋；（2）在侧墙与底板连接处和侧墙与顶板连接处均增加截面厚度，内部设置斜向拉筋。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）采用本发明的构造，结构沿纵向受弯时充分利用混凝土结构承压和钢结构受拉各自的优良性能，结构受力更加合理，两种材料均得到充分发挥，大大提高了整体结构的刚度和跨越能力。

（2）本发明通过高强自密实混凝土填料灌浆通道形成互锁连接，改善了剪力键连接效果，使得结构整体组合力学性能更佳优越；此外设计了锁键结构，在增加结构刚度的同时，通过锁键和高强自密实混凝土填料达到双重互锁效果。

（3）较传统水工隧洞、箱涵TBM掘进等施工工艺而言，本发明采用全装配技术，所有核心构件通过加工完成，运输至施工现场，通过高压灌浆技术进行衔接，减少了钢结构现场焊接工作，减少了混凝土现场浇筑流程，保证了现场施工质量，提高了装配效率，施工工艺更显便捷。

（4）本发明的构造措施能承担有压或高压输调水，流速更大，调水效率更高。

（5）采用本发明，可在相同材料用量的情况下，使得结构跨度更大，宽度更宽，钢梁高度更小，大大降低了材料用量的同时，提高了承载水平和使用性能。

（6）本发明结构构造中采用箱型钢梁结构作为受拉区，能在不设置预应力筋或少设置预应力筋的情况下满足混凝土抗裂设计指标，从根本上杜绝了混凝土开裂的可能。

附图说明

图1是采用互锁连接的简支箱型输调水组合结构构造整体示意图。

图2是箱型截面钢梁结构肋板构造示意图。

图3是预制输调水钢筋混凝土箱型结构底部的凹陷剪力键齿与第二凹槽示意图。

图4是箱型截面钢梁结构横断面示意图。

图5是预制输调水钢筋混凝土箱型结构凸起的剪力键齿和箱型截面钢梁结构凹陷剪力键齿示意图。

图6是预制输调水钢筋混凝土箱型结构灌浆口示意图。

图7是预制输调水钢筋混凝土箱型结构、弹性封条、箱型截面钢梁结构吊装施工工艺示意图。

图8是高强自密实混凝土填料连接件互锁示意图。

图9是预制输调水钢筋混凝土箱型结构吊装过程触动锁键开关原理图。

图10是预制输调水钢筋混凝土箱型结构吊装完成锁定原理图。

图中标号：0为排架柱；0a为排架柱的顶横梁；1为箱型截面钢梁结构；1a为翼缘板；1b为中腹板；1c为边腹板；1d为底板；1e为横肋板；1f为第一凹槽；2为预制输调水钢筋混凝土箱型结构；2a为凹陷剪力键齿；2b为第二凹槽；2c为凸榫口；2d为凹榫口；2e为灌浆口；3为止水带；4为高强自密实混凝土填料连接件；5为倒梯形剪力键齿；5a为锁销轴承；6为弹性封条；7为刀口型锁键；7a为锁键上臂；7b为锁键下臂；8为锁键的键芯轴。

实施方式

下面参照附图，对本发明的结构构造、施工工艺进行详细描述如下：

本发明提供了一种采用互锁连接的简支箱型输调水组合结构构造及施工工艺，如图1~图10所示。

如图1所示，采用互锁连接的简支箱型输调水组合结构构造体系主要部件包括排架柱0，箱型截面钢梁结构1，预制输调水钢筋混凝土箱型结构2，止水带3，高强自密实混凝土填料连接件4和弹性封条6，实施例中弹性封条6为橡胶材质。

如图2所示，倒梯形剪力键齿5沿着箱型截面钢梁结构1纵方向通过焊接等方式固定在箱型截面钢梁结构1的翼缘板1a上部，中腹板1b和边腹板1c之间等间距布置多个横肋板1e用于增加箱型截面钢梁结构刚度。

如图3所示，预制输调水钢筋混凝土箱型结构2的底部与箱型截面钢梁结构倒梯形剪力键齿5对应位置处沿着纵方向设置有倒梯形凹陷剪力键齿2a，倒梯形凹陷剪力键齿2a的两侧对称布置第二凹槽2b。

如图4所示，箱型截面钢梁结构1的翼缘板1a上部两侧对称设置有第一凹槽1f。

如图5~图6所示的是采用互锁连接的箱型输调水组合结构灌浆通道示意图，箱型截面钢梁结构1的翼缘板1a、倒梯形剪力键齿5、预制输调水钢筋混凝土箱型结构2底部、灌浆口2e、凹陷剪力键齿2a与弹性封条6形成完整的封闭通道。通过在灌浆通道内填充高强自密实混凝土填料，将箱型截面钢梁结构1与预制输调水钢筋混凝土箱型结构2紧密相连，形成剪力连接件。预制输调水钢筋混凝土箱型结构2由多个相同结构的预制输调水钢筋混凝土箱型单元首尾连接形成，通过在预制输调水钢筋混凝土箱型单元的前、后面分别设置凸榫口2c和凹榫口2d，将相邻预制输调水钢筋混凝土箱型单元的凸榫口2c和凹榫口2d进行对接，相邻预制输调水钢筋混凝土箱型单元之间对接处用止水带3进行胶合，以保障其密封性。

如图7所示的是采用互锁连接的简支箱型输调水组合结构吊装示意图。由图可知，首先将弹性封条6安置于箱型截面钢梁结构翼缘板上的第一凹槽1f里面，待所有弹性封条6均放入稳固后，进行下一步安装。其次，将在工厂预制完成的预制输调水钢筋混凝土箱型结构2吊装于箱型截面钢梁结构1上，安装过程中保证第二凹槽2b与弹性封条6正好对应。最后，通过预制输调水钢筋混凝土箱型结构2的自重将弹性封条6压缩，形成密实、稳固的压缩接触。

图8所示为本发明互锁连接工作原理。其一：高强自密实混凝土填料进入倒梯形剪力键齿5形成连续体，所述高强自密实混凝土填料与所述倒梯形剪力键齿5形成互锁连接件，将所述箱型截面钢梁结构1紧密连接。其二：高强自密实混凝土填料与凹陷剪力键齿2a形成另一种剪力连接方式，通过互扣方式进行紧密连接。

图9~10为锁键结构的具体示意图，所述锁键结构由设置于凹陷剪力键齿2a上的锁键7和设置于倒梯形剪力键齿5上的锁销轴承5a组成；

所述锁键7呈弯折形，由锁键上臂7a、锁键下臂7b和固定于锁键上臂7a、锁键下臂7b之间的键芯轴8组成，所述锁键7可以键芯轴8为转轴旋转。

应用锁键结构的简支箱型输调水组合结构在吊装时，在预制输调水钢筋混凝土箱型结构2下沉过程中，凹陷剪力键齿2a上的两个锁键上臂7a先接触倒梯形剪力键齿5的上表面，之后受力使锁键7旋转，锁键下臂7b内旋并在弹性封条6压缩、凹陷剪力键齿2a下沉稳定后抵于锁销轴承5a上，这一过程中锁键上臂7a受力向外旋转使得凹陷剪力键齿2a顺利通过倒梯形剪力键齿5的上表面。灌浆后，通过高强自密实混凝土填料，该锁键结构、倒梯形剪力键齿5和凹陷剪力键齿2a形成的嵌合结构形成双重互锁，同时进一步增加了结构刚度。

本发明所述的采用互锁连接的简支箱型输调水组合结构构造，施工工艺如下：工地现场进行排架柱0的浇筑与布置；工厂同步进行箱型截面钢梁结构1和预制输调水钢筋混凝土箱型结构2的预制，在箱型截面钢梁结构1的翼缘板1a上部通过焊接等施工工艺设置带锁销轴承5a的倒梯形剪力键齿5和第一凹槽1f，在预制输调水钢筋混凝土箱型结构2底部设置带刀口型锁键7的凹陷剪力键齿2a和第二凹槽2b；通过简支的方式现场吊装箱型截面钢梁结构1于排架柱0的顶横梁0a上，将弹性封条6安置于箱型截面钢梁结构翼缘板上的第一凹槽1f里面；吊装预制输调水钢筋混凝土箱型结构2，安装过程中保证第二凹槽2b与弹性封条6正好对应，通过箱型截面钢梁结构1的自重压缩弹性封条6形成密封的灌浆通道；通过预留灌浆口2e进行灌浆，形成互锁连接件。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.采用互锁连接的简支箱型输调水组合结构，其特征在于，包括若干排架柱（0）、安装于排架柱（0）上的箱型截面钢梁结构（1）和固定于箱型截面钢梁结构（1）上的预制输调水钢筋混凝土箱型结构（2）；

所述箱型截面钢梁结构（1）横断面呈倒梯形，箱型截面钢梁结构（1）上表面沿输水方向设有翼缘板（1a），所述翼缘板（1a）上平行于翼缘板（1a）长边设有凸起的倒梯形剪力键齿（5），所述倒梯形剪力键齿（5）下部设有键芯轴（8）；

所述预制输调水钢筋混凝土箱型结构（2）底部设有横断面呈倒梯形的凹陷剪力键齿（2a），所述凹陷剪力键齿（2a）的凹槽覆盖倒梯形剪力键齿（5），凹陷剪力键齿（2a）上设有锁键（7），与键芯轴（8）形成锁键结构；所述锁键（7）呈弯折形，由锁键上臂（7a）、锁键下臂（7b）和固定于锁键上臂（7a）、锁键下臂（7b）之间的键芯轴（8）组成，所述锁键（7）以键芯轴（8）为转轴旋转；所述锁键上臂（7a）、锁键下臂（7b）的长度和形成的角度使得将凹陷剪力键齿（2a）向下套设于倒梯形剪力键齿（5）上时，锁键（7）的锁键上臂（7a）先与倒梯形剪力键齿（5）的上表面接触并受力转动，使锁键下臂（7b）旋转并抵于锁销轴承（5a）上；所述预制输调水钢筋混凝土箱型结构（2）与翼缘板（1a）的接触面设有弹性封条（6），使凹陷剪力键齿（2a）与倒梯形剪力键齿（5）、翼缘板（1a）间留有空隙；所述预制输调水钢筋混凝土箱型结构（2）内设有与凹陷剪力键齿（2a）连通的灌浆口（2e）；所述翼缘板（1a）、倒梯形剪力键齿（5）、预制输调水钢筋混凝土箱型结构（2）底部、灌浆口（2e）、凹陷剪力键齿（2a）与弹性封条（6）形成封闭通道；

所述预制输调水钢筋混凝土箱型结构（2）由若干相同结构的预制输调水钢筋混凝土箱型单元组装而成；所述预制输调水钢筋混凝土箱型单元前、后分别设有凸榫口（2c）和凹榫口（2d），预制输调水钢筋混凝土箱型单元通过凸榫口（2c）和凹榫口（2d）对接形成所述预制输调水钢筋混凝土箱型结构（2）；使用环氧树脂胶合凸榫口（2c）和凹榫口（2d）；

所述空隙内填入高强自密实混凝土填料形成连接件。

2.根据权利要求1所述的采用互锁连接的简支箱型输调水组合结构，其特征在于，所述倒梯形剪力键齿（5）两侧翼缘板（1a）上设有第一凹槽（1f），对应的预制输调水钢筋混凝土箱型结构（2）底部设有第二凹槽（2b），所述弹性封条（6）固定于第一凹槽（1f）和第二凹槽（2b）之间。

3.根据权利要求1所述的采用互锁连接的简支箱型输调水组合结构，其特征在于，所述箱型截面钢梁结构（1）的主体结构由底板（1d）即梯形短边、腹板（1c）即梯形腰部及沿输水方向设置于箱型截面钢梁结构（1）内的中腹板（1b）构成；所述翼缘板（1a）分别设置于边腹板（1c）和中腹板（1b）顶端。

4.根据权利要求3所述的采用互锁连接的简支箱型输调水组合结构，其特征在于，所述中腹板（1b）与两侧的边腹板（1c）间设有多个等距布置的横肋板（1e）。

5.根据权利要求1所述的采用互锁连接的简支箱型输调水组合结构，其特征在于，所述预制输调水钢筋混凝土箱型单元对接处使用止水带（3）胶合。

6.根据权利要求1所述的采用互锁连接的简支箱型输调水组合结构，其特征在于，所述倒梯形剪力键齿（5）通过焊接的方式固定在翼缘板（1a）上。

7.根据权利要求1所述的采用互锁连接的简支箱型输调水组合结构，其特征在于，所述弹性封条（6）为橡胶材质。

8.权利要求1~7任一项所述简支箱型输调水组合结构的施工方法，其特征在于，包括：

在工地现场进行排架柱（0）的浇筑与布置，在工厂内预制箱型截面钢梁结构（1）和预制输调水钢筋混凝土箱型结构（2）；

将弹性封条（6）固定于预制完成的箱型截面钢梁结构（1）的翼缘板（1a）上；

将预制完成的预制输调水钢筋混凝土箱型结构（2）吊装于箱型截面钢梁结构（1）上；

通过预制输调水钢筋混凝土箱型结构（2）的自重压缩弹性封条（6）；

通过灌浆口（2e）灌注高强自密实混凝土填料，形成互锁。

9.根据权利要求8所述的施工方法，其特征在于，所述弹性封条（6）固定于翼缘板（1a）上的第一凹槽（1f）内；吊装时将第二凹槽（2b）与第一凹槽（1f）对应安装，使弹性封条（6）固定于与第一凹槽（1f）和第二凹槽（2b）之间。

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