CN115928557A - 一种轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构及制备方法 - Google Patents
一种轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于桥梁工程技术领域，公开了一种轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构及制备方法。该结构包括若干根装配式钢箱‑混凝土板组合梁；所述装配式钢箱‑混凝土板组合梁包括钢箱梁、预制混凝土板、U筋、构造筋、智能伸缩装置。预制混凝土板于钢箱梁的顶部，钢箱梁的翼缘有智能伸缩装置，钢箱梁和预制混凝土板通过智能伸缩装置连接。预制混凝土板内有延伸至外侧的U筋，相邻预制混凝土板通过构造筋连接。本发明的预制混凝土板，具有轻质高强高韧，工序标准化统一，质量可控，批量生产，成本低，节约时间，减少模板使用数量等优点。该结构改变了传统板的连接的形式，结构牢固，增加了安全性、适用性、耐久性。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁工程技术领域，尤其涉及一种轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构及制备方法。
背景技术
预制混凝土板、预制钢箱梁以及连接结构的质量不断提高，为组合装配式桥梁结构的发展提供了前提条件，使组合装配式桥梁快速发展。对于组合装配式桥梁结构、预制混凝土板的质量、钢箱梁的质量以及连接结构是影响结构安全性、适用性、耐久性和现场装配速度的重要影响因素。
目前，现有的预制混凝土板存在的问题：重量大、强度低、韧性差易开裂等缺陷，随着桥梁工程的发展，已经不能满足对于大跨度、使用期限延长和交通荷载增加的需求。现有整体钢箱梁的缺点：造价高、耐腐蚀性差、钢构件纵横交错开孔多，属于高次超静定结构，需要控制好相当多的构造细节保证稳定、疲劳、焊接等耐久性。现有预制整体式混凝土箱梁的缺点：重量大、运输不便、需养护、制作周期长。现有技术连接结构：钢箱梁间连接目前多采用焊接连接，具有对结构不利的焊接残余应力和残余变形，对裂纹敏感，低温冷脆，现场施工慢，焊接技术水平要求高等缺陷。不符合目前对于连接处传力可靠、塑性韧性好、易于安装、施工速度快的预期。预制板间的连接多采用预留钢筋与后置构造筋焊接连接，焊接现场工作量大，施工速度慢，需要一定技术的焊接人员。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构及制备方法，解决现有技术提供的整体钢箱梁、混凝土箱梁存在的问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构，包括若干根装配式钢箱-混凝土板组合梁；
所述装配式钢箱-混凝土板组合梁包括钢箱梁、预制混凝土板、U筋、构造筋、智能伸缩装置；
所述钢箱梁为半封闭式钢箱，底部及四周为钢体结构，预制混凝土板设置于钢箱梁的顶部；所述钢箱梁的翼缘设置有智能伸缩装置；所述钢箱梁和预制混凝土板通过智能伸缩装置连接；
所述预制混凝土板内设置有纵向和横向的U筋；所述U筋的环形端部延伸至预制混凝土板的外侧；
所述相邻预制混凝土板之间通过构造筋连接；
所述相邻装配式钢箱-混凝土板组合梁中的相邻钢箱梁之间通过铆接连接。
优选的，在上述一种轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构中，所述预制混凝土板由轻质高强高韧混凝土浆料浇筑得到；
所述轻质高强高韧混凝土浆料包括以下质量百分含量的组分：水泥砂浆30～40％，矿渣粉30～32％，高性能空心玻璃微珠13～17％，陶粒10～15％，聚乙烯纤维1～3％。
优选的，在上述一种轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构中，所述预制混凝土板的厚度为120～160mm，尺寸为3000～3500mm×600～700mm×120～160mm。
优选的，在上述一种轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构中，所述相邻预制混凝土板之间通过构造筋连接的具体方法为：相邻预制混凝土板之间延伸至预制混凝土板外侧的U筋重叠形成重叠孔，构造筋设置于重叠孔中贯穿U筋；
所述构造筋和U筋之间进行绑扎。
优选的，在上述一种轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构中，所述相邻钢箱梁之间通过铆接连接的具体方法为：钢箱梁的翼缘设置有上、下预留孔，将两块带孔钢板一端的孔分别与钢箱梁的上、下预留孔对准，装入铆钉连接；将两块带孔钢板另一端的孔分别与相邻钢箱梁的上、下预留孔对准，装入铆钉连接。
本发明还提供了一种轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)将相邻钢箱梁进行位置核准，然后对相邻钢箱梁施加临时约束，通过铆钉和带孔钢板对相邻钢箱梁铆接连接，移除临时约束，完成相邻钢箱梁的连接；
(2)将预制混凝土板安装于钢箱梁的顶部，将相邻预制混凝土板之间延伸至预制混凝土板外侧的U筋重叠形成重叠孔，构造筋设置于重叠孔中贯穿U筋，然后将构造筋和U筋之间进行绑扎，完成相邻预制混凝土板的连接；
(3)通过智能伸缩装置将预制混凝土板和钢箱梁连接；
(4)在相邻预制混凝土板的连接接缝处和预制混凝土板的表面浇筑轻质高强高韧混凝土浆料，养护后，得到轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构。
优选的，在上述一种轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构的制备方法中，所述步骤(2)中预制混凝土板的制备方法为：设置纵向和横向的U筋，将U筋进行绑扎，形成钢筋骨架；围绕钢筋骨架搭设模板，然后浇筑轻质高强高韧混凝土浆料，振捣密实，脱除模板后进行标准养护，得到预制混凝土板。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)预制混凝土板：
掺加高性能空心玻璃微珠(HGM)，HGM具有质量轻、强度高、流动性好、经济等众多优点，是构成各类复合材料的多种功能性填充料，是实现复合材料“轻质高强”的重要填充料。HGM还可减轻重量，空心玻璃微珠的密度约是传统填充料微粒密度的十几分之一，填充后可大大减轻产品的基重；高强度，由于其坚硬的外壳，能承受更高的压缩强度；降低粘度，增加流动性，空心玻璃微珠外观为球形，与其它不规则形状填料相比，更容易流动，可以像轴承里的钢珠一样滚动，因此，在复合材料中添加空心玻璃微珠，可以降低材料的熔体粘度和内在应力，使加工成型更容易，利于复合材料的常规成型；经济性好，和其它形状的填料相比，空心玻璃微珠具有最小的表面积体积比且吸油量低，可降低基体树脂用量，增加填料用量。同时，体积较小的玻璃微珠可以填充到较大的玻璃微珠空隙中，加大总填充量，降低成本。
掺加陶粒，陶粒具有质量轻、强度高等优点，它的表面是一层坚硬的外壳，这层外壳呈陶质或釉质，赋予陶粒较高的强度，陶粒的内部结构特征呈细密蜂窝状微孔，这是陶粒质轻的主要原因。同时，抗冻性能和耐久性能好，陶粒混凝土耐酸、碱腐蚀和抗冻性能优于普通混凝土，例如，250号粉煤灰陶粒混凝土，15次冻融循环的强度损失不大于2％。
同时，HGM和陶粒作为混合掺加料，玻璃微珠与陶粒在混凝土内部分布均匀，无分层离析现象，即采用高性能空心玻璃微珠和陶粒制备轻质高强混凝土是可行的，可制备出强度60～70Mpa，表观密度1700～1750kg/m3，比强度1.328的轻质高强混凝土(该轻质高强混凝土为本发明的轻质高强高韧混凝土浆料浇筑得到的试样(不含U筋)性能)。
本发明还使用30％左右的矿渣粉等量替换水泥砂浆，使预制混凝土板的强度达到60～70Mpa，提高了构件的强度，也能对复合混凝土材料的韧性、耐久性能起到改善作用。同时水泥工业是消耗能源大而且对环境污染严重的工业，用矿渣粉等量替换水泥砂浆，达到绿色节能的目的。
掺加PE纤维，提升了复合混凝土材料的韧性，试件峰值强度处的平均拉伸应变达到3.0～5.0％，最大拉伸应变达到5.0％，具有较高的拉伸延性。试件在80％和60％的抗压峰值强度处的应变分别约为2.0％和4.0％，说明掺入2％的PE纤维后复合混凝土材料具有强大的受压变形能力，具有优异的弯曲变形能力，同时裂缝开展浅而均匀。复合混凝土材料的超高延性源于PE纤维超高的裂缝桥接能力。
本发明的预制混凝土板板厚较小，复合混凝土材料强度明显高于同等级普通混凝土材料，在其余情况一致的状态下，使用本发明中复合混凝土材料制作的预制混凝土板厚度可比使用普通混凝土制作的预制混凝土板减小1/5，从某种程度上也减轻了预制混凝土板的重量。
综上，本发明的预制混凝土板，具有轻质高强高韧，工序标准化统一，质量可控，批量生产，成本低，节约时间，减少模板使用数量等优点，可避开现浇混凝土较大的收缩与徐变。
(2)装配式钢箱-混凝土板组合梁：
钢材抗拉、混凝土抗压，能够充分发挥两种材料各自的力学特性，节省材料并降低自重，跨越能力大、施工显著简化，工期显著缩短，设备要求显著降低，综合经济效益高，工厂化制作构件质量有保证，施工可控则施工质量有保证，桥梁结构受力明确合理，结构性能可靠稳定，抗风抗震性能好、长期维护成本低，为组合装配式桥梁向更大跨径发展提供了新的途径。
(3)相邻钢箱梁间的铆接连接：
传力可靠，韧性塑性好，质量易于检查，简单快速，铆接顺序得当，很少有构件变形，外形比较严整光洁，适用于承受动载、重载和大跨结构。
(4)相邻预制混凝土板间的连接：
改变了传统板的连接的形式，无需再对预埋环形钢筋逐根焊接连接，显著减少现场施工工序，轻质高强高韧复合混凝土材料优良的锚固性能能够有效减小湿接缝的预留宽度，在保证湿接缝连接性能的同时，减小现场施工工作量，有助于提高桥梁湿接缝施工质量，节约人力成本和时间成本，很大程度的减小对现状交通的影响。
(5)预制混凝土板与钢箱梁间卡槽处使用智能伸缩装置连接：
智能伸缩卡槽内部实际配有遥控式千斤顶装置；钢箱梁翼缘处的智能伸缩装置，是与钢箱梁预制一体式，极大减小了现场施工的工作量；同时智能伸缩装置与钢箱梁为一体，结构更加完整简约；当预制混凝土板准备吊装时，智能伸缩装置可利用回缩功能，将空间放大，允许有一定施工误差，使预制混凝土板顺利放进指定位置；预制混凝土板吊装就位后，智能伸缩装置伸长，空间收缩，将预制混凝土板与钢箱梁牢固结合，实现预制混凝土板与钢箱梁间智能、高效、安全的连接。
(6)接缝处和现浇层用轻质高强高韧混凝土浆料浇筑，形成整体式混凝土连续板，使得结构更加牢固，增加了结构安全性、适用性、耐久性。
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，以下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。
图1为轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构示意图；
图2为轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构立剖图；
图3为相邻预制混凝土板和相邻钢箱梁的连接处立剖图；
图4为预制混凝土板预埋U筋平面示意图；
图5为预制混凝土板预埋U筋立剖面示意图；
图6为预制混凝土板预埋U筋侧剖面示意图；
图7为相邻预制混凝土板的连接处平面示意图；
图8为相邻预制混凝土板的连接处立剖面示意图；
图9为智能伸缩装置示意图；
图10为U筋平面示意图；
图11为构造筋平面示意图；
其中，1-钢箱梁，2-预制混凝土板，3-连接接缝，4-现浇层，5-U筋，6-构造筋，7-智能伸缩装置，8-铆钉，9-带孔钢板。
具体实施方式
如图1～11所示，一种轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构，包括若干根装配式钢箱-混凝土板组合梁；
所述装配式钢箱-混凝土板组合梁包括钢箱梁1、预制混凝土板2、U筋5、构造筋6、智能伸缩装置7；
所述钢箱梁1为半封闭式钢箱，底部及四周为钢体结构，预制混凝土板2设置于钢箱梁1的顶部；所述钢箱梁1的翼缘设置有智能伸缩装置7；所述钢箱梁1和预制混凝土板2通过智能伸缩装置7连接；
所述预制混凝土板2内设置有纵向和横向的U筋5；所述U筋5的环形端部延伸至预制混凝土板2的外侧；
所述相邻预制混凝土板2之间通过构造筋6连接；
所述相邻装配式钢箱-混凝土板组合梁中的相邻钢箱梁1之间通过铆接连接。
在本发明中，所述预制混凝土板2内平行设置有若干根纵向U筋5和若干根横向U筋5，每根纵向U筋5平行设置，每根横向U筋5平行设置。
在本发明中，所述预制混凝土板2由轻质高强高韧混凝土浆料浇筑得到；
所述轻质高强高韧混凝土浆料包括以下质量百分含量的组分：水泥砂浆30～40％，矿渣粉30～32％，高性能空心玻璃微珠13～17％，陶粒10～15％，聚乙烯纤维1～3％。作为优选的，水泥砂浆进一步优选为35～39％，更优选为38％；矿渣粉进一步优选为30～31％，更优选为30％，高性能空心玻璃微珠进一步优选为14～16％，更优选为15％，陶粒进一步优选为12～15％，更优选为15％，聚乙烯纤维进一步优选为2～3％，更优选为2％。
在本发明中，所述水泥砂浆为本领域常规水泥砂浆，其中水泥、砂、水的质量比优选为1：3：0.65；所述高性能空心玻璃微珠的密度优选为0.2～0.6g/cm3，进一步优选为0.3～0.5g/cm3，更优选为0.4g/cm3，粒径优选为2～130μm，进一步优选为20～100μm，更优选为60μm，本发明使用的高性能空心玻璃微珠具有重量轻、体积大、导热系数低、抗压强度高、流动性好的特点；所述陶粒的粒径优选为15～20mm，进一步优选为16～19mm，更优选为17mm。
在本发明中，所述预制混凝土板2的厚度优选为120～160mm，进一步优选为130～150mm，更优选为150mm；尺寸优选为3000～3500mm×600～700mm×120～160mm，进一步优选为3100～3400mm×600～670mm×130～150mm，更优选为3300mm×600mm×150mm。
在本发明中，所述相邻预制混凝土板2之间通过构造筋6连接的具体方法为：相邻预制混凝土板2之间延伸至预制混凝土板外侧的U筋5重叠形成重叠孔，构造筋6设置于重叠孔中贯穿U筋5；
所述构造筋6和U筋5之间进行绑扎。
在本发明中，所述相邻钢箱梁1之间通过铆接连接的具体方法为：钢箱梁1的翼缘设置有上、下预留孔，将两块带孔钢板9一端的孔分别与钢箱梁1的上、下预留孔对准，装入铆钉8连接；将两块带孔钢板9另一端的孔分别与相邻钢箱梁1的上、下预留孔对准，装入铆钉8连接。
在本发明中，智能伸缩装置7与钢箱梁1为预制一体式，智能伸缩装置7设置在预制混凝土板2与钢箱梁1之间的卡槽处。智能伸缩装置7的内部设置有遥控式千斤顶装置。
本发明还提供了一种轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)将相邻钢箱梁1进行位置核准，然后对相邻钢箱梁1施加临时约束，通过铆钉8和带孔钢板9对相邻钢箱梁1铆接连接，移除临时约束，完成相邻钢箱梁1的连接；
(2)将预制混凝土板2安装于钢箱梁1的顶部，将相邻预制混凝土板2之间延伸至预制混凝土板2外侧的U筋5重叠形成重叠孔，构造筋6设置于重叠孔中贯穿U筋5，然后将构造筋6和U筋5之间进行绑扎，完成相邻预制混凝土板2的连接；
(3)通过智能伸缩装置7将预制混凝土板2和钢箱梁1连接；
(4)在相邻预制混凝土板2的连接接缝3和预制混凝土板2的表面浇筑轻质高强高韧混凝土浆料，形成现浇层3，养护后，得到轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构。
在本发明中，所述步骤(2)中预制混凝土板2的制备方法为：设置纵向和横向的U筋5，将U筋5进行绑扎，形成钢筋骨架；围绕钢筋骨架搭设模板，然后浇筑轻质高强高韧混凝土浆料，振捣密实，脱除模板后进行标准养护，得到预制混凝土板2。
下面将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。
实施例1
一种轻质高强高韧混凝土浆料，包括以下质量百分含量的组分：水泥砂浆38％(水泥、砂、水的质量比为1：3：0.65)，矿渣粉30％，高性能空心玻璃微珠15％(密度为0.5g/cm3，粒径为100μm)，陶粒15％(粒径为20mm)，聚乙烯纤维2％。
预制混凝土板2的制备方法为：设置纵向和横向的U筋5，将U筋5进行绑扎，形成钢筋骨架；围绕钢筋骨架搭设模板，然后浇筑轻质高强高韧混凝土浆料，振捣密实，脱除模板后进行标准养护，得到厚度为150mm的预制混凝土板2，尺寸为3300mm×600mm×150mm。
钢箱梁1在钢结构加工厂制作。
一种轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构，包括相邻的装配式钢箱-混凝土板组合梁，一根装配式钢箱-混凝土板组合梁沿顺桥向布置，相邻的另一根装配式钢箱-混凝土板组合梁在横桥向上平行布置。
上述轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用分段吊装法和整体同步调整技术对相邻钢箱梁1进行位置核准，然后对相邻钢箱梁1施加临时约束，在相邻钢箱梁1之间建立铆接区的临时通道；通过铆钉8和带孔钢板9对相邻钢箱梁1铆接连接，然后移除临时约束，完成相邻钢箱梁1的连接；
(2)将预制混凝土板2吊装于钢箱梁1的顶部，将相邻预制混凝土板2之间延伸至预制混凝土板2外侧的U筋5重叠形成重叠孔，将构造筋6设置于重叠孔中，贯穿U筋5，然后将构造筋6和U筋5之间进行绑扎，完成相邻预制混凝土板2的连接；
(3)当预制混凝土板2吊装前，智能伸缩装置7利用回缩功能，将空间放大，允许有一定施工误差，使预制混凝土板2顺利放进指定位置；预制混凝土板2吊装就位后，智能伸缩装置7伸长，空间缩小，将预制混凝土板2与钢箱梁1牢固结合，完成钢箱梁1与预制混凝土板2的连接；
(4)在相邻预制混凝土板2的连接接缝3和预制混凝土板2的表面浇筑轻质高强高韧混凝土浆料，形成现浇层3，养护后，得到轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构，其特征在于，包括若干根装配式钢箱-混凝土板组合梁；
所述装配式钢箱-混凝土板组合梁包括钢箱梁、预制混凝土板、U筋、构造筋、智能伸缩装置；
所述钢箱梁为半封闭式钢箱，底部及四周为钢体结构，预制混凝土板设置于钢箱梁的顶部；所述钢箱梁的翼缘设置有智能伸缩装置；所述钢箱梁和预制混凝土板通过智能伸缩装置连接；
所述预制混凝土板内设置有纵向和横向的U筋；所述U筋的环形端部延伸至预制混凝土板的外侧；
所述相邻预制混凝土板之间通过构造筋连接；
所述相邻装配式钢箱-混凝土板组合梁中的相邻钢箱梁之间通过铆接连接。
2.根据权利要求1所述的一种轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构，其特征在于，所述预制混凝土板由轻质高强高韧混凝土浆料浇筑得到；
所述轻质高强高韧混凝土浆料包括以下质量百分含量的组分：水泥砂浆30～40％，矿渣粉30～32％，高性能空心玻璃微珠13～17％，陶粒10～15％，聚乙烯纤维1～3％。
3.根据权利要求2所述的一种轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构，其特征在于，所述预制混凝土板的厚度为120～160mm，尺寸为3000～3500mm×600～700mm×120～160mm。
4.根据权利要求1或2所述的一种轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构，其特征在于，所述相邻预制混凝土板之间通过构造筋连接的具体方法为：相邻预制混凝土板之间延伸至预制混凝土板外侧的U筋重叠形成重叠孔，构造筋设置于重叠孔中贯穿U筋；
所述构造筋和U筋之间进行绑扎。
5.根据权利要求4所述的一种轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构，其特征在于，所述相邻钢箱梁之间通过铆接连接的具体方法为：钢箱梁的翼缘设置有上、下预留孔，将两块带孔钢板一端的孔分别与钢箱梁的上、下预留孔对准，装入铆钉连接；将两块带孔钢板另一端的孔分别与相邻钢箱梁的上、下预留孔对准，装入铆钉连接。
6.权利要求1～5任一项所述的一种轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将相邻钢箱梁进行位置核准，然后对相邻钢箱梁施加临时约束，通过铆钉和带孔钢板对相邻钢箱梁铆接连接，移除临时约束，完成相邻钢箱梁的连接；
(2)将预制混凝土板安装于钢箱梁的顶部，将相邻预制混凝土板之间延伸至预制混凝土板外侧的U筋重叠形成重叠孔，构造筋设置于重叠孔中贯穿U筋，然后将构造筋和U筋之间进行绑扎，完成相邻预制混凝土板的连接；
(3)通过智能伸缩装置将预制混凝土板和钢箱梁连接；
(4)在相邻预制混凝土板的连接接缝处和预制混凝土板的表面浇筑轻质高强高韧混凝土浆料，养护后，得到轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构。
7.根据权利要求6所述的一种轻质高强高韧混凝土板钢箱梁组合装配式结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中预制混凝土板的制备方法为：设置纵向和横向的U筋，将U筋进行绑扎，形成钢筋骨架；围绕钢筋骨架搭设模板，然后浇筑轻质高强高韧混凝土浆料，振捣密实，脱除模板后进行标准养护，得到预制混凝土板。
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