一种现代拱式竹质桥梁及其施工方法

摘要

本发明公开了一种现代拱式竹质桥梁，其特征在于，包括重组竹材料制得的竹拱肋、竹系梁和剪刀撑以及竹面板，还包括钢材料制得的钢靴。本发明还公开了一种现代拱式竹质桥梁施工方法，其特征在于，先预制好竹拱肋、竹系梁、剪刀撑和竹面板以及钢靴，完成钢靴和桥台拱座的安装，然后完成竹拱肋和钢靴的安装，然后浇筑好桥台拱座，最后安装竹系梁、剪刀撑和竹面板。本发明具有制作工艺简单，成本低，结构构件工厂化及标准化好，装配化程度高，修建时间短，同时结构强度高，刚度大，延性好，抗震性能好的优点，使其得到的拱桥具有绿色、低碳、环保的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁结构技术领域，具体涉及一种适用于现代人行、景观和装配式竹质拱式桥梁及其施工方法。

背景技术

重组竹又称重竹，是一种将竹材重新组织并加以强化成型的一种竹质新材料，具体是指将竹片或竹条（原竹）碾压疏松后，经施胶、顺纹组坯、加压胶合而成的型材。具有密度小、强度大、韧性好、抗震性能好等优点。在当今国际社会“可持续发展”的重大主题背景下，“重组竹”成为了一种代替钢材和混凝土等高污染、高能耗材料的现代、新型绿色建材。我国竹材资源十分丰富，素有“第二森林”美称，是世界上主要的产竹国。

拱桥是指以拱作为主要承重结构的桥梁，由于其桥梁主体结构为拱形，故整体承重能力较好，使用寿命较长，在广大农村以及景区等地方，常常使用拱桥的桥梁形式。当前世界上现有的中、小跨径的拱桥，其主要承载结构（上部结构）按材料分为四种：钢筋混凝土、钢材、圬工砌石和木材，无论采用何种材料，在桥梁应用中都存在一定的局限性：

（1）钢筋混凝土桥梁自重大，施工养护时间较长，耐久性较差；

（2）钢桥，其造价高，易腐蚀，后期养护成本高；

（3）圬工桥梁，其高强条石缺乏，开采破坏生态环境，导致成本高，受洪水影响较大；

（4）木桥，其木材生长周期长，易腐朽和虫蛀，并且伐木与环保相悖；

（5）混凝土和钢材是高能耗、高污染的工业产品，且不能循环利用、不环保。

随着可持续发展观念深入人心，选用低碳、环保、可持续且满足使用功能要求“绿色建材”是众望所归。故申请人考虑到采用重组竹为主要材料制得拱桥，则可以规避上述局限性，得到低碳，环保，方便施工，成本低廉的竹质拱桥。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种制作工艺简单，成本低，结构构件工厂化及标准化、装配化程度高，修建时间短，同时结构强度高，刚度大，延性好，抗震性能好的现代拱式竹质桥梁及其施工方法，使其得到的拱桥具有绿色、低碳、环保的特点，满足桥梁结构正常使用和耐久性的需要。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种现代拱式竹质桥梁，其特征在于，包括

竹拱肋，所述竹拱肋为并列间隔设置的2榀且整体呈竖向板状，每榀竹拱肋包括包括一个整体呈弧形环段形状的竹拱肋主体和两个整体呈三角形并分别拼接设置于竹拱肋主体两端位置上部的护拱，使得竹拱肋上表面中部位置呈弧形面且两端位置呈斜平面，所述竹拱肋主体和护拱各自均由多块重组竹材料的竹板采用槽钢和螺栓连接而成，每相邻两块竹板之间靠一对槽钢包住两个侧表面和上下表面后由数对螺栓横向贯穿槽钢实现连接；

竹系梁，所述竹系梁整体为采用重组竹材料制得的矩形板状结构，竹系梁具有数道且间隔地横向连接设置于2榀竹拱肋之间，竹系梁竖向设置且两端的两侧各自和一对竹系梁固定用角钢的一个面板背面贴合后采用竹系梁固定用螺栓水平贯穿固定连接，每对竹系梁固定用角钢的另一个面板背面和竹系梁端头相邻处的竹拱肋内侧表面贴合，竹系梁端头相邻处的竹拱肋外侧表面贴合设置有一个钢板且靠角钢固定用螺栓水平穿过钢板和竹系梁固定用角钢连接固定，所述竹系梁固定用角钢位于竹拱肋一侧的面板表面还与一个剪刀撑固定用角钢的一侧面板贴合并靠所述角钢固定用螺栓固定，所述剪刀撑固定用角钢另一侧面板水平位于下方并用于固定剪刀撑；竹系梁和竹拱肋固定连接形成桥梁骨架；

剪刀撑，所述剪刀撑为两根重组竹材料制得的竹杆中部交叉固定连接构成X形，剪刀撑为上下并列设置的多对且连接安装在每相邻的两个竹系梁之间，剪刀撑四角端部贴合在所述剪刀撑固定用角钢的水平设置的面板上并靠竖向设置的剪刀撑固定用螺栓连接固定；

竹面板，所述竹面板为由重组竹材料制得矩形板状结构，竹面板为多块且并列地横向铺接在2榀竹拱肋上表面并靠钢钉固定连接；

钢靴，钢靴数量为两对，钢靴为钢板制得的矩形筒状结构，其下端为封闭端且预埋在桥台拱座上，上端为开放端且上端相对倾斜设置，钢靴上端部内腔形状和竹拱肋两端形状匹配，所述竹拱肋两端插入并固定到钢靴上端部内腔中。

本发明中，主要构件均采用重组竹材料制得，具有绿色、低碳、环保的特点。具体地说，全桥竹拱肋、竹系梁、X型竹剪刀撑、竹面板均采用重组竹材，在加工厂进行结构标准化和工厂化预制生产，继而运至桥位现场，通过桥台钢靴与竹拱肋连接，并形成桥梁骨架，然后再安装竹系梁、X型竹剪刀撑，形成桥梁空间结构，加强了横向刚度和整体稳定性，最后铺装竹面板；工序简单且结构稳定。竹拱肋（含护拱）分为3段，全桥设置2榀竹拱肋，结头位置应避开拱顶和竹系梁处，使结构受力良好，避免应力集中导致结构破坏，拱肋结头通过槽钢和螺栓连接；全桥可以优选设置7道竹系梁，6道上下分层的X型竹剪刀撑，其与竹拱肋连接通过钢板、角钢和螺栓连接；全桥竹面板整体形成有坡度，采用小型规格型材，通过钢钉使桥面板与竹拱肋连接稳固；全桥竹拱肋与桥台通过钢靴连接，钢靴在桥台施工时预埋，并精度定位，同时竹肋可以插入桥台5cm，竹肋与钢靴涂有环氧胶，以保证支撑强度。

优选的是，所述的钢靴为10mm厚钢板焊接而成，改善了拱脚受力；所述的重组竹经过防霉、防腐和防蛀处理，耐久性强；所述连接件由槽钢、角钢、钢板组成，并通过螺栓连接，构造简单，使用方便，装配化程度高；所述的拱式竹桥集合了拱桥和竹材的共同优点，受力良好。

作为优化，所述钢靴两侧和底部外表面各垂直向外延伸焊接有一组钢筋，钢筋和预设在桥台拱座内的钢筋网捆绑焊接固定并现浇到桥台拱座中。这样，更好地提高钢靴连接强度。

作为优化，所述钢靴内腔深度大于5cm。这样，保证钢靴和竹拱肋之间连接强度和支撑稳定性。

本发明还公开了一种如上所述的现代拱式竹质桥梁的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在竹质加工厂按照图纸将竹拱肋、竹系梁、剪刀撑和竹面板预制好，同时按照图纸，获取足够数量的槽钢、角钢、螺栓和钢钉；同时按照图纸预制好钢靴，并在钢靴两侧和底部外表面各垂直焊接固定一组钢筋；

（2）在工厂进行拱式竹桥的预拼装，此时的预拼装需要完成竹拱肋、竹系梁、剪刀撑上连接位置的精确打孔，保证拱式线型能够满足图纸要求，经确认无误后，对其拆卸，并运至桥位现场，拆卸时2榀竹拱肋拆分为多段即可；

（3）预先在现场确定好桥台位置并浇筑好一对拱座，每个拱座上表面预设好两个钢靴安装缺口，钢靴安装缺口表面露出有预浇到拱座内部的钢筋网，将钢靴安装到钢靴安装缺口内，将钢靴外部的钢筋捆绑焊接固定到缺口内的钢筋网上并按照要求精确调整定位好钢靴的空间位置；

（4）桥身主体周围搭设满堂支架，在施工场地对2榀竹拱肋各段选用槽钢和螺栓完成连接，再选用吊车完成对竹拱肋的安装，使得竹拱肋两端插入到对应钢靴内到底，同时调整支架高度，对竹拱肋进行线型调整，使得竹拱肋位置精确后在拱座缺口内浇筑混凝土，完成整个桥台的混凝土浇筑并实现对钢靴下端的最终固定；

（5）待2榀竹拱肋安装固定后，分别通过钢板角钢和螺栓完成对竹系梁以及剪刀撑的安装；

（6）拱式竹桥形成空间结构后，对钢靴与竹拱肋之间的缝隙采用环氧胶填充密实；

（7）然后将竹面板铺设在竹拱肋上并通过钢钉连接稳固，桥面贯通；最后拆除满堂支架。

本发明优点显著，具有以下有益的效果：

（1）本发明的重组竹拱式桥梁，能够实现净跨径20m，矢跨比1/10，在荷载组合下（考虑恒载、人群及温度），截面的最大压应力值（拱脚处）为5.71 Mpa，小于重组竹材抗压强度25Mpa，且各关键截面应力值均小于容许应力值；人群荷载作用下拱桥的挠度最大值为2.33mm＜L/800=25.36mm；桥梁结构自振频率（基频）为 8.50Hz > 3Hz；以上各项指标均满足规范要求。

（2）本发明采用的钢靴能够有效改善竹肋拱脚和桥台间的传力，同时加强了拱脚处受力性能；钢靴四周通过焊接钢筋，形成靴须，使其与混凝土连接稳固，分散传递的力；该钢靴使支撑更加稳定可靠和长久，同时因主拱圈与桥台分离，便于后期养护。

（3）通过设置X型竹剪刀撑，不仅提高了桥梁结构的横向刚度，而且加强结构的整体稳定性。

（4）竹质构件的连接通过钢板、角钢、槽钢和螺栓连接，提供了一种刚性连接，保证了结构足够的刚度。

（5）本桥主要材料为重组竹材和钢材，取材方便，资源丰富，制作简单，造价低，维护费用低，各构件工厂标准化生产，装配化程度高，施工工期短。

（6）本发明的现代拱式竹桥，所用重组竹绿色环保。竹材作为我国重要的速生、可再生森林资源之一，具有生长快，成材早，产量高，可以持续循环利用的特点；重组竹生产工艺成熟，力学性能良好，耐久性好，与高能耗、高污染的钢材和混凝土相比，是当之无愧的“绿色建材”。

（7）本发明施工步骤简单，施工操作快捷，制得桥梁稳定性好，桥身精确度可以现场调节，保证桥身拱形精确度高。

综上所述，本发明具有制作工艺简单，成本低，结构构件工厂化及标准化好，装配化程度高，修建时间短，同时结构强度高，刚度大，延性好，抗震性能好的优点，使其得到的拱桥具有绿色、低碳、环保的效果。

附图说明

图1为具体实施方式中本发明的现代拱式竹质桥梁的结构示意图；为了清楚显示结构，附图中采用透明的方式显示出了位于视图方向背面的所有的线条；

图2为图1所示桥梁的竹拱肋、竹系梁及剪刀撑的连接构造示意图；

图3为图1所示桥梁的拱肋结头构造示意图；

图4为图1所示桥梁的钢靴部分结构示意图；

图5为图1所示桥梁的竹拱肋与竹面板的连接构造示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1-5所示，一种现代拱式竹质桥梁，包括

竹拱肋，所述竹拱肋1为并列间隔设置的2榀且整体呈竖向板状，每榀竹拱肋1包括包括一个整体呈弧形环段形状的竹拱肋主体和两个整体呈三角形并分别拼接设置于竹拱肋主体两端位置上部的护拱，使得竹拱肋1上表面中部位置呈弧形面且两端位置呈斜平面，所述竹拱肋主体和护拱各自均由多块重组竹材料的竹板采用槽钢和螺栓连接而成，每相邻两块竹板之间靠一对槽钢7包住两个侧表面和上下表面后由数对螺栓10横向贯穿槽钢7实现连接；

竹系梁2，所述竹系梁2整体为采用重组竹材料制得的矩形板状结构，竹系梁2具有数道且间隔地横向连接设置于2榀竹拱肋1之间，竹系梁2竖向设置且两端的两侧各自和一对竹系梁固定用角钢6的一个面板背面贴合后采用竹系梁固定用螺栓水平贯穿固定连接，每对竹系梁固定用角钢6的另一个面板背面和竹系梁2端头相邻处的竹拱肋1内侧表面贴合，竹系梁2端头相邻处的竹拱肋1外侧表面贴合设置有一个钢板5且靠角钢固定用螺栓10′水平穿过钢板5和竹系梁固定用角钢6连接固定，所述竹系梁固定用角钢6位于竹拱肋一侧的面板表面还与一个剪刀撑固定用角钢6′的一侧面板贴合并靠所述角钢固定用螺栓10′固定，所述剪刀撑固定用角钢6′另一侧面板水平位于下方并用于固定剪刀撑3；竹系梁2和竹拱肋1固定连接形成桥梁骨架；

剪刀撑3，所述剪刀撑3为两根重组竹材料制得的竹杆中部交叉固定连接构成X形，剪刀撑3为上下并列设置的多对且连接安装在每相邻的两个竹系梁之间，剪刀撑3四角端部贴合在所述剪刀撑固定用角钢6′的水平设置的面板上并靠竖向设置的剪刀撑固定用螺栓10″连接固定；

竹面板4，所述竹面板4为由重组竹材料制得矩形板状结构，竹面板4为多块且并列地横向铺接在2榀竹拱肋1上表面并靠钢钉11固定连接；

钢靴8，钢靴8数量为两对，钢靴8为钢板制得的矩形筒状结构，其下端为封闭端且预埋在桥台拱座上，上端为开放端且上端相对倾斜设置，钢靴8上端部内腔形状和竹拱肋1两端形状匹配，所述竹拱肋1两端插入并固定到钢靴8上端部内腔中。

本发明中，主要构件均采用重组竹材料制得，具有绿色、低碳、环保的特点。具体地说，全桥竹拱肋、竹系梁、X型竹剪刀撑、竹面板均采用重组竹材，在加工厂进行结构标准化和工厂化预制生产，继而运至桥位现场，通过桥台钢靴与竹拱肋连接，并形成桥梁骨架，然后再安装竹系梁、X型竹剪刀撑，形成桥梁空间结构，加强了横向刚度和整体稳定性，最后铺装竹面板；工序简单且结构稳定。竹拱肋（含护拱）分为3段，全桥设置2榀竹拱肋，结头位置应避开拱顶和竹系梁处，使结构受力良好，避免应力集中导致结构破坏，拱肋结头通过槽钢和螺栓连接；全桥可以优选设置7道竹系梁，6道上下分层的X型竹剪刀撑，其与竹拱肋连接通过钢板、角钢和螺栓连接；全桥竹面板整体形成有坡度，采用小型规格型材，通过钢钉使桥面板与竹拱肋连接稳固；全桥竹拱肋与桥台通过钢靴连接，钢靴在桥台施工时预埋，并精度定位，同时竹肋可以插入桥台5cm，竹肋与钢靴涂有环氧胶，以保证支撑强度。

本实施方案中，所述的钢靴8为10mm厚钢板焊接而成，改善了拱脚受力；所述的重组竹材料经过防霉、防腐和防蛀处理，耐久性强；所述连接件由槽钢、角钢、钢板组成，并通过螺栓连接，构造简单，使用方便，装配化程度高；所述的拱式竹桥集合了拱桥和竹材的共同优点，受力良好。

本实施方案中，所述钢靴8两侧和底部外表面各垂直向外延伸焊接有一组钢筋9，钢筋9和预设在桥台拱座内的钢筋网捆绑焊接固定并现浇到桥台拱座中。这样，更好地提高钢靴连接强度。

本实施方案中，所述钢靴8内腔深度大于5cm。这样，保证钢靴和竹拱肋之间连接强度和支撑稳定性。

本具体实施方案中，钢靴和竹拱肋1之间的缝隙还填充设置有环氧胶12，以提高连接强度和可靠性。

本实施例还公开了一种如上所述的现代拱式竹质桥梁的施工方法，实施时包括以下步骤：

（1）在竹质加工厂按照图纸将竹拱肋、竹系梁、剪刀撑和竹面板预制好，同时按照图纸，获取足够数量的槽钢、角钢、螺栓和钢钉；同时按照图纸预制好钢靴，并在钢靴两侧和底部外表面各垂直焊接固定一组钢筋；

（2）在工厂进行拱式竹桥的预拼装，此时的预拼装需要完成竹拱肋、竹系梁、剪刀撑上连接位置的精确打孔，保证拱式线型能够满足图纸要求，经确认无误后，对其拆卸，并运至桥位现场，拆卸时2榀竹拱肋拆分为多段即可；

（3）预先在现场确定好桥台位置并浇筑好一对拱座，每个拱座上表面预设好两个钢靴安装缺口，钢靴安装缺口表面露出有预浇到拱座内部的钢筋网，将钢靴安装到钢靴安装缺口内，将钢靴外部的钢筋捆绑焊接固定到缺口内的钢筋网上并按照要求精确调整定位好钢靴的空间位置；

（4）桥身主体周围搭设满堂支架，在施工场地对2榀竹拱肋各段选用槽钢和螺栓完成连接，再选用吊车完成对竹拱肋的安装，使得竹拱肋两端插入到对应钢靴内到底，同时调整支架高度，对竹拱肋进行线型调整，使得竹拱肋位置精确后在拱座缺口内浇筑混凝土，完成整个桥台的混凝土浇筑并实现对钢靴下端的最终固定；

（5）待2榀竹拱肋安装固定后，分别通过钢板角钢和螺栓完成对竹系梁以及剪刀撑的安装；

（6）拱式竹桥形成空间结构后，对钢靴与竹拱肋之间的缝隙采用环氧胶填充密实；

（7）然后将竹面板铺设在竹拱肋上并通过钢钉连接稳固，桥面贯通；最后拆除满堂支架。