型钢、型钢-UHPC组合板、桥面板及钢-UHPC组合梁桥

摘要

本发明公开了一种型钢，包括上翼缘板和腹板，所述上翼缘板和/或腹板的端部向外延伸设有延伸段。本发明还公开了一种型钢，包括上翼缘板、腹板和下翼缘板，所述上翼缘板、腹板和下翼缘板中至少一个的端部向外延伸设有延伸段。本发明还提供一种型钢‑UHPC组合板，包括UHPC板和多根上述的型钢，所述UHPC板设于所述型钢的上翼缘板上。本发明还提供一种桥面板和钢‑UHPC组合梁桥。本发明对型钢的端部进行结构优化，使型钢端部具有外延伸段，利用上述型钢得到的型钢‑UHPC组合板在利用湿接缝进行连接时，接缝传力更加可靠，抗拉能力强，刚度大，可以承受拉、压、弯、剪、扭等各种受力工况，接缝可以满足全截面受拉的情况。

说明书

技术领域

本发明属于桥梁领域，尤其涉及一种用于组成桥面板的钢结构、组合板、桥面板及组合梁桥。

背景技术

大跨径桥梁是反映国家科技水平的标志。钢结构桥梁具有自重轻、跨越能力大、抗震性能好等优点，是大跨径桥梁的首选。钢桥的桥面结构通常采用正交异性钢桥面系，但由于钢桥面是全焊结构，不仅造价高，在重载车作用下，钢桥面系饱受两大病害的困扰：(1)钢桥面板疲劳开裂和局部屈曲，危及桥梁安全；(2)沥青铺装频繁破损，翻修成本巨大。上述病害降低了桥梁营运效率，是钢桥领域公认的世界性难题，我国重载交通量大，上述病害尤为严重。

针对上述难题，湖南大学邵旭东教授在前期研究中将具有优异力学性能的超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，UHPC，以下简称UHPC)用于强化钢桥面，于2010年成功研发正交异性钢板-UHPC轻型组合桥面板，该项成果大幅提高了桥面刚度，降低了疲劳开裂和铺装破损风险，该成果已应用于我国100多座实桥，至今无一出现病害，反响良好。但由于该成果未取消正交异性钢桥面板，该桥面结构造价仍然较高，约为4000元/m

因此，为了获得一种可代替正交异性板成为大跨径桥梁的“第二种”桥面体系，同时能够解决桥面板全截面受拉时横向接缝易开裂的难题，需开发一种可抵抗全截面受拉的横向接缝构造，使得该桥面结构具有自重轻、刚度大、造价低、经久耐用等优势，这是工程实践中需要解决的技术难题。

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，提供一种型钢、型钢-UHPC组合板及具有抗拉能力强、经久耐用、自重轻和可抵抗纵桥向全截面受拉等优势的桥面板，同时，本发明还提供一种利用上述桥面板组成的钢-UHPC组合梁桥。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种型钢，包括上翼缘板和腹板，所述上翼缘板设于所述腹板顶部，所述上翼缘板和/或腹板的端部向外延伸设有延伸段；所述上翼缘板端部的延伸段为多根间隔排布的第一长直条，所述第一长直条的端部设有放大部；所述腹板端部的延伸段为外延钢板或至少一根第二长直条，所述外延钢板上开设有多个第一通孔，所述第二长直条的端部设有放大部。

一种型钢，包括上翼缘板、腹板和下翼缘板，所述上翼缘板设于所述腹板顶部，所述下翼缘板设于所述腹板底部，所述上翼缘板、腹板和下翼缘板中至少一个的端部向外延伸设有延伸段；所述上翼缘板端部的延伸段为多根间隔排布的第一长直条，所述第一长直条的端部设有放大部；所述腹板端部的延伸段为外延钢板或至少一根第二长直条，所述外延钢板上开设有多个第一通孔，所述第二长直条的端部设有放大部；所述下翼缘板端部的延伸段为多根间隔排布的第三长直条，所述第三长直条的端部设有放大部。

上述型钢中，优选的，至少一根所述第三长直条向上倾斜设置，且倾斜角度θ在10-60°之间。进一步优选的，所有的第三长直条向上倾斜设置。研究表明，采用倾斜的长直条，一方面可增加型钢与现浇接缝处UHPC之间的粘结力，使下翼缘板的外伸段可以更好的参与受力，另一方面也可使横向相邻两倾斜的长直条所包裹范围内UHPC处于受压状态，故而可使接缝处的力学性能更优。并且，下翼缘板的外伸段倾斜角θ过小，与水平长直条的构造效果接近，仅通过长直条与横向现浇接缝处UHPC的粘结力来提高横向连接结构的抗拉能力，且不能很好地改善在浇筑接缝处UHPC时浇筑密实的问题；下翼缘板的外伸段倾斜角θ过大时，长直条与横向现浇接缝处UHPC的相互作用大于倾斜角较小情况下的相互作用，也能较好地改善横向现浇接缝处UHPC浇筑密实的问题，但倾斜角过大时，在外界荷载作用下，下翼缘板的外伸段长直条与横向现浇接缝处UHPC间会产生很大的作用力，这样使得长直条起弯处承受很大的作用力，对外伸段长直条受力不利，除此之外，长直条倾斜角过大会使得其在横向连接处的覆盖范围减小，仅能提高部分截面的抗拉性能，所以第三长直条的倾斜角宜在10-60°之间。

本发明中，放大部一般为长方形或带过渡边的长方形等，上述第一长直条、第二长直条和第三长直条的端部较较大，以增大与UHPC的接触面积，增大型钢与UHPC接缝的锚固。上述具有放大部的长直条结构简单，长直条的受力性能与钢筋类似，在长直条端部增大可以起到类似锚固组件的效果，有利于增强长直条和UHPC的锚固力，可增加型钢与接缝处UHPC的接触面积，提高二者间的粘结力，从而保证接缝处的力学性能。另外，上翼缘板的外伸段为第一长直条也方便施工，利于后续接缝处的UHPC浇筑密实。下翼缘板的外伸段采用第三长直条也利于后续在接缝中浇筑UHPC，便于浇筑的UHPC流入型钢-UHPC组合板与主梁横隔板上面板之间的缝隙中。此外，UHPC中含有规律分布的钢纤维，在接缝处型钢腹板外伸段的外延钢板上开设第一通孔，可以保证钢纤维的连续性，同时可以利用UHPC和第一通孔形成的卯榫，增强现浇接缝处UHPC的受力性能。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种型钢-UHPC组合板，包括UHPC板和多根上述的型钢，所述UHPC板设于所述型钢的上翼缘板上，多根所述型钢沿纵桥向间隔布置。

上述型钢-UHPC组合板中，优选的，所述上翼缘板上部、UHPC板之间还设有多根钢板条，多根钢板条垂直于所述上翼缘板间隔布置。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种桥面板，主要由多个上述的型钢-UHPC组合板纵桥向连接而成，纵桥向相邻所述型钢-UHPC组合板中的型钢一一对应设置，纵桥向相邻所述型钢-UHPC组合板之间通过现浇接缝连接。

上述桥面板中，优选的，所述型钢的上翼缘板和下翼缘板的端部均向所述现浇接缝内延伸设有延伸段，纵桥向相邻所述上翼缘板上的第一长直条两两对应设置，纵桥向相邻所述下翼缘板上的第三长直条两两对应设置，且所述第一长直条和第三长直条的端部均越过所述现浇接缝的横桥向中心线。上述相邻上翼缘板上的第一长直条的数量可以设置的相同，使第一长直条两两对应设置，保证第一长直条的放大部相互配合，起到更好的锚固作用。同理，第三长直条的设置方式与作用效果与第一长直条类似。第一长直条和第三长直条的端部均越过所述现浇接缝的横桥向中心线，使相邻长直条间的混凝土处于受压状态，改善接缝处UHPC的抗拉能力，保证横向湿接缝的受力性能。

上述桥面板中，优选的，所述型钢的腹板的端部向所述现浇接缝内延伸设有延伸段，所述腹板端部的延伸段为第二长直条，纵桥向相邻所述腹板上的所述第二长直条两两上下对应设置，且所述第二长直条的端部越过所述现浇接缝的横桥向中心线。上述相邻腹板上的第二长直条的数量可以设置的相同，使第二长直条两两对应设置，保证第二长直条的放大部上下相互配合，起到更好的锚固作用。第二长直条的端部均越过所述现浇接缝的横桥向中心线，使相邻长直条间的混凝土处于受压状态，改善接缝处UHPC的抗拉能力，增强现浇接缝处UHPC的受力性能。

上述桥面板中，优选的，所述UHPC板的纵向端部设有预埋钢板，所述预埋钢板的一端预埋设于所述UHPC板的底部，另一端向所述现浇接缝内延伸，所述预埋钢板上设有剪力连接件(如栓钉)。上述型钢-UHPC组合板由于UHPC板较薄，若按照传统横向接缝设置T型接缝的方式设计，则由于UHPC板下台阶高度较小，在制作、运输及安装过程中容易损坏，本发明在UHPC板的纵向端部设有预埋钢板，预埋钢板包括预埋于UHPC板的底部预埋段和向横向现浇UHPC连接部内延伸的延伸段，预埋钢板可以充当横向接缝区域UHPC板底面纵、横向的钢筋，同时充当浇筑预制板及现浇接缝的底面模板，加快施工进度，预埋钢板的厚度最低可取3mm。

上述桥面板中，优选的，所述预埋钢板在上翼缘板上方位置局部开设有第二通孔，且所述第二通孔的横桥向宽度小于所述上翼缘板的横桥向宽度。上述第二通孔的形状可为圆形或方形，圆形通孔的直径略大于型钢上栓钉帽的直径，方形孔的横桥向宽度小于所述上翼缘板的横桥向宽度以便于开孔后的预埋钢板搭在型钢上翼缘板上。根据规范构造要求，当开孔为方形时，搭设在型钢上的未开孔的预埋钢板宽度不应小于50mm，预埋钢板上焊有栓钉，可选择与预埋钢板厚度相匹配直径的栓钉。

上述桥面板中，优选的，所述现浇接缝为T型接缝，所述T型接缝的横向上部位于相邻UHPC板之间，所述T型接缝的竖向下部位于相邻型钢之间，所述横向上部的纵桥向两端为平口型或燕尾型。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种钢-UHPC组合梁桥，包括钢梁和上述的桥面板，所述桥面板设于所述钢梁上，所述桥面板横桥向与所述钢梁的横隔板连接，所述横隔板包括第一横隔板与第二横隔板，所述现浇接缝设于所述第一横隔板处，相邻所述第一横隔板之间至少设有一个所述第二横隔板，所述第二横隔板与型钢通过固定连接件连接。上述钢梁与桥面板的布置方式中，桥面板与横隔板的连接方式为栓接与湿接缝连接的布置方式，即型钢-UHPC组合板通长布置，长度大于等于相邻横隔板间距的2倍，两端的横向接缝采用现浇接缝，中间的横隔板上面板与型钢-UHPC组合板的型钢下翼缘板栓接，此方法同时降低了栓接量和浇注量，提高了栓接精度(如果全部采用栓接可能因为桥面板收缩而影响栓接精度)，可以降低施工难度及桥面板自重。

上述钢-UHPC组合梁桥中，优选的，所述第二横隔板的上面板与型钢的下翼缘板通过固定连接件连接，所述固定连接件包括钢垫板和连接螺栓，所述上面板和下翼缘板通过钢垫板和连接螺栓连接固定。上述固定连接件的连接方式结构简单，连接可靠。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明对型钢的端部进行结构优化，使型钢端部具有外延伸段，利用上述型钢得到的型钢-UHPC组合板在利用湿接缝进行连接时，接缝传力更加可靠，抗拉能力强，刚度大，可以承受拉、压、弯、剪、扭等各种受力工况，接缝可以满足全截面受拉的情况。且宽度可以更窄，自重可与传统正交异性钢桥面体系持平甚至低于传统钢桥面体系，因而能适用于悬索桥等对自重高度敏感的大跨径桥梁。

2、本发明的钢-UHPC组合梁桥中桥面板与下部钢梁的横隔板进行连接时采用栓接和湿接缝连接的布置方式，因栓接构造不再由于增加接缝厚度导致重量增加，从而使得型钢-UHPC组合桥面体系的浇注量更小，自重更轻，施工难度更低，施工精度更高。

3、本发明的型钢-UHPC组合板+混凝土铺装的初始造价不足传统正交异性钢桥面+钢桥面专用铺装造价的一半，同时由于更换铺装的代价不同，本发明的型钢-UHPC组合板体系的全寿命成本更低，不足传统正交异性钢桥面体系的30％。

4、传统钢桥面产生病害的主要原因是局部刚度过低。桥面板的局部刚度可以用Et3(E为材料弹性模量，t为面板厚度)来表征，以55mmUHPC板+底面6mm钢板条的组合桥面板，其刚度远大于16mm厚钢板刚度，因而本发明的桥面板的铺装等早期病害不易发生。

5、本发明中，由于型钢-UHPC组合板在工厂预制，现场只需要对横向湿接缝进行浇筑，现场浇筑量小，接缝处仅需要对顶层阶梯侧边进行凿毛，工作量小，接缝处钢筋无需弯折和绑扎，也不需要搭接或焊接，操作简单，设备投入小、简单易操作、对劳动力素质和工艺要求较低。

6、本发明的型钢-UHPC组合板采用热轧型钢而非焊接钢板作为纵肋，显著降低了疲劳开裂风险，本发明的桥面结构除了栓钉焊接之外，无任何其他焊接(包括接缝)，因而型钢的抗疲劳能力将高于传统焊接钢结构，由此，本发明的型钢-UHPC组合板具有良好的抗疲劳性能。

7、钢材只要表面防护得当，本身具有很好的耐久性。水泥基材料的耐久性主要包括抗渗性、抗碳化性、抗冻性等。由于UHPC材料比普通混凝土更为密实，“百毒不侵”，其耐久性通常比普通混凝土高出一个数量级，通常认为UHPC具有超200年的寿命，故本发明的型钢-UHPC组合板具有更高的耐久性。

总的来说，本发明的型钢-UHPC组合板+普通铺装组成的桥面板有望在未来成为完全替代传统正交异性钢桥面+钢桥面专用铺装方案，作为第二种桥面方案供大跨径桥梁。

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中相邻型钢-UHPC组合板之间的横向接缝的结构示意图(T型接缝的横向上部为燕尾型，腹板的外伸段为开设多个第一通孔的外延钢板)。

图2为实施例1中相邻型钢-UHPC组合板之间的横向接缝的结构示意图(T型接缝的横向上部为平口型，腹板的外伸段为开设多个第一通孔的外延钢板)。

图3为图1、图2中钢结构的结构示意图。

图4为图1、图2中型钢的结构示意图。

图5为实施例1中相邻型钢-UHPC组合板之间的横向接缝的结构示意图(T型接缝的横向上部为燕尾型，腹板的外伸段为第二长直条)。

图6为实施例1中相邻型钢-UHPC组合板之间的横向接缝的结构示意图(T型接缝的横向上部为平口型，腹板的外伸段为第二长直条)。

图7为图5、图6中钢结构的结构示意图。

图8为图5、图6中型钢的结构示意图。

图9为实施例1中相邻型钢-UHPC组合板之间的横桥向接缝处的结构示意图(T型接缝的横向上部为燕尾型，俯视图，为图16、图17、图18、图19中的E-E剖面图)。

图10为实施例1中相邻型钢-UHPC组合板之间的横桥向接缝处的结构示意图(T型接缝的横向上部为平口型，俯视图，为图16、图17、图18、图19中的E-E剖面图)。

图11为图16、图18中的F-F剖面图(腹板的外伸段为开设多个第一通孔的外延钢板，俯视图)。

图12为图17、图19中的F-F剖面图(腹板的外伸段为第二长直条，俯视图)。

图13为图16、图18中的G-G剖面图(腹板的外伸段为开设多个第一通孔的外延钢板，俯视图)。

图14为图17、图19中的G-G剖面图(腹板的外伸段为第二长直条，俯视图)。

图15为实施例1中横隔板上面板与型钢-UHPC组合板的型钢下翼缘板栓接的结构示意图。

图16为图9、图10、图11、图13中的H-H剖面图(俯视图)。

图17为图9、图10、图12、图14中的H-H剖面图(俯视图)。

图18为图9、图10、图11、图13中的I-I剖面图(俯视图)。

图19为图9、图10、图12、图14中的I-I剖面图(俯视图)。

图20为实施例2中型钢的结构示意图(腹板的外伸段为开设多个第一通孔的外延钢板)。

图21为实施例2中型钢的结构示意图(腹板的外伸段为第二长直条)。

图例说明：

1、型钢；101、上翼缘板；102、腹板；103、下翼缘板；2、UHPC板；3、第一长直条；4、放大部；5、外延钢板；6、第二长直条；7、第一通孔；8、第三长直条；9、现浇接缝；10、预埋钢板；11、剪力连接件；12、第二通孔；13、第一横隔板；14、第二横隔板；15、钢垫板；16、连接螺栓。

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8所示，本实施例的型钢，包括上翼缘板101、腹板102和下翼缘板103，上翼缘板101设于腹板102顶部，下翼缘板103设于腹板102底部，上翼缘板101、腹板102和下翼缘板103中至少一个的端部向外延伸设有延伸段(本实施例中，上翼缘板101、腹板102和下翼缘板103的端部均向外延伸设有延伸段)；上翼缘板101端部的延伸段为多根间隔排布的第一长直条3，第一长直条3的端部设有放大部4(如图1-8所示，放大部4的形状为带过渡边的长方形)；腹板102端部的延伸段为外延钢板5(如图1-4所示)或至少一根第二长直条6(如图5-8所示)，外延钢板5上开设有多个第一通孔7，第二长直条6的端部设有放大部4；下翼缘板103端部的延伸段为多根间隔排布的第三长直条8，第三长直条8的端部设有放大部4。

本实施例中，上述上翼缘板101、腹板102和下翼缘板103的端部均向外延伸设有延伸段的数量不限，具体可以根据实际施工过程的需要，根据受力性能的需要进行优化选择。

如图1-8所示，本实施例中，至少一根第三长直条8向上倾斜设置(本实施例中均倾斜设置)，且倾斜角度θ在10-60°之间(上述范围均可)。

如图1-2、5-6所示，本实施例的型钢-UHPC组合板，包括UHPC板2和多根上述的型钢1，UHPC板2设于型钢1的上翼缘板101上，多根型钢1沿纵桥向间隔布置，上述本实施例的附图中仅示出一根型钢1。

如图9-19所示，本实施例的桥面板，主要由多个上述的型钢-UHPC组合板纵桥向连接而成，纵桥向相邻型钢-UHPC组合板中的型钢1一一对应设置，纵桥向相邻型钢-UHPC组合板之间通过现浇接缝9连接。

本实施例中，型钢1的上翼缘板101和下翼缘板103的端部均向现浇接缝9内延伸设有延伸段，纵桥向相邻上翼缘板101上的第一长直条3两两对应设置，纵桥向相邻下翼缘板103上的第三长直条8两两对应设置，且第一长直条3和第三长直条8的端部均越过现浇接缝9的横桥向中心线。上述第一长直条3两两对应设置、第三长直条8两两对应设置时，优选使两两对应设置的长直条的放大部4形成类似于扣合的结合，更加有利于力学性能的发挥。

本实施例中，型钢1的腹板102的端部向现浇接缝9内延伸设有延伸段，腹板102端部的延伸段为第二长直条6，纵桥向相邻腹板102上的第二长直条6两两上下对应设置，且第二长直条6的端部越过现浇接缝9的横桥向中心线。上述第二长直条6两两上下对应设置时，优选使两两对应设置的长直条的放大部4形成类似于扣合的结合。

本实施例中，UHPC板2的纵向端部设有预埋钢板10，预埋钢板10的一端预埋设于UHPC板2的底部，另一端向现浇接缝9内延伸，预埋钢板10上设有剪力连接件11。

本实施例中，预埋钢板10在上翼缘板101上方位置局部开设有第二通孔12(如本实施例中为圆形孔，也可选择其他类型的孔形式)，且第二通孔12的横桥向宽度小于上翼缘板101的横桥向宽度。

如图15-19所示，本实施例的钢-UHPC组合梁桥，包括钢梁和上述的桥面板，桥面板设于钢梁上，桥面板横桥向与钢梁的横隔板连接，横隔板包括第一横隔板13与第二横隔板14，现浇接缝9设于第一横隔板13处，相邻第一横隔板13之间至少设有一个第二横隔板14，第二横隔板14与型钢1通过固定连接件连接。

如图15所示，本实施例中，第二横隔板14的上面板与型钢1的下翼缘板103通过固定连接件连接，固定连接件包括钢垫板15和连接螺栓16，上面板和下翼缘板103通过钢垫板15和连接螺栓16连接固定。

实施例2：

如图20-21所示，本实施例的型钢，包括上翼缘板101和腹板102，上翼缘板101设于腹板102顶部，上翼缘板101和腹板102的端部均向外延伸设有延伸段；上翼缘板101端部的延伸段为多根间隔排布的第一长直条3，第一长直条3的端部设有放大部4；腹板102端部的延伸段为外延钢板5(如图20所示)或至少一根第二长直条6(如图21所示)，外延钢板5上开设有多个第一通孔7，第二长直条6的端部设有放大部4。

本实施例的型钢-UHPC组合板，包括UHPC板2和多根上述型钢1，UHPC板2设于型钢1的上翼缘板101上，多根型钢1沿纵桥向间隔布置。

本实施例的桥面板，主要由多个上述型钢-UHPC组合板纵桥向连接而成，纵桥向相邻型钢-UHPC组合板中的型钢1一一对应设置，纵桥向相邻型钢-UHPC组合板之间通过现浇接缝9连接。

本实施例中的结构与实施例1相比，除了没有下翼缘板103以及第三长直条8之外，其他结构均相同。