装配式双曲钢波纹板壳、板壳砼拱桥及其建设方法

摘要

本发明涉及一种装配式双曲钢波纹板壳，板壳为采用一平面钢波纹板经多次弯曲轧制加工后使之具有三维空间弯曲壳面的可拼接的双曲钢波纹板壳单元；其中，多次弯曲轧制加工具体为：平面钢波纹板经横向向上轧制拱弯先形成大的圆弧拱波后，再沿纵向加工弯曲使之形成与拱圈曲率相同的具有双向弯曲的双曲钢波纹板壳单元；双曲钢波纹板壳单元的两侧设有向外向上弯曲且直立的用于横向拼接的板齿；板齿上每隔20‑40cm设置一板齿栓孔。该板壳通过双向弯曲最大限度地使其实现了壳体空间受力，其装配拼接到合拢后的拱圈钢壳钢筋拱架具有较大的刚度和抗变形能力，且可实现桥梁无支架施工或简单支点排架支承施工，可大大缩短建设工期。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，具体涉及一种道路桥涵设施，尤其适用于公路、铁路、水利、市政等基础设施工程中的装配式双曲钢波纹板壳和应用其的板壳砼拱桥及其建设方法。

背景技术

在公路、铁路、水利、市政等基础设施工程中，拱型桥梁由于受力简单、施工方便、造价低廉而被广泛应用，传统的中小跨径拱桥有石拱桥、钢筋砼双曲拱桥、钢筋混凝土板箱拱桥和桁架拱桥等，但这些常用拱桥大都需要大量的满堂支架施工，普遍存在圬工材料消耗大，施工周期长，抗变形能力差等缺点。随着材料科学和施工技术的进步，目前许多拱桥结构大量采用金属复合混凝土材料代替传统的钢筋混凝土结构，如钢管拱桥等。此外，中国发明专利公布了几种钢波纹板混凝土组合式拱桥技术，如专利CN203530868U，此项专利技术是在钢波纹板外侧裹缚混凝土而形成的复合式拱圈，但存在受力单一，跨径受限等问题。专利CN207210933U和CN20739234U等发明专利技术在上述CN203530868U的基础上，又增加了钢结构管材或型材并通过焊接等方式共同形成复合式受力拱型结构，但存在结构复杂，整体性差，钢材加工难度大，受力不明确，施工周期长等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服当前常用拱桥设计中存在的缺点，应用钢板砼复合材料技术，设计一种装配式双曲钢波纹板壳，通过采用双向弯曲钢波纹板壳作为拼接的载体单元，最大限度地使多曲面的钢波纹板实现壳体空间受力，使之与浇注砼后形成的复合砼拱圈结构具有一定双曲拱的受力特征，从而达到构建的装配式拱桥具有施工快捷，结构稳定，重量轻，整体性好，抗变形能力强，无支架施工等显著特点。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种装配式双曲钢波纹板壳，所述板壳为采用一平面钢波纹板经多次弯曲轧制加工后使之具有三维空间弯曲壳面的可拼接的双曲钢波纹板壳单元；

其中，所述多次弯曲轧制加工具体为：所述平面钢波纹板经横向向上轧制拱弯先形成大的圆弧拱波后，再沿纵向加工弯曲使之形成与拱圈曲率相同的具有双向弯曲的双曲钢波纹板壳单元；

所述双曲钢波纹板壳单元的两侧设有向外向上弯曲且直立的用于横向拼接的板齿；所述板齿上每隔20～40cm设置一板齿栓孔。

进一步的，所述双曲钢波纹板壳单元的两端焊有用于纵向拼接的矩形构造的法兰连接钢板；所述法兰连接钢板的长度与所述双曲钢波纹板壳单元的横向底边宽度相同，所述法兰连接钢板的高度高出于所述双曲钢波纹板壳单元的高度3～20mm；所述法兰连接钢板的周边及中部均设有连接栓孔。

进一步的，所述双曲钢波纹板壳单元的底面每隔100～200cm在两板齿间焊接有沿正截面垂直的弦向钢条拉带。

进一步的，所述双曲钢波纹板壳单元的壳体采用规格厚为3.5～10mm的钢卷材或板材轧制；所述双曲钢波纹板壳单元的宽度为1.2～2.5m，所述双曲钢波纹板壳单元长度为4.0～10.0m；所述双曲钢波纹板壳单元在轧制时所述平面钢波纹板的波距为100～350mm，波深为50～200mm；所述板齿高度为60～120mm；

所述双曲钢波纹板壳单元的内侧底面喷涂有防锈材料。

进一步的，所述双曲钢波纹板壳单元拱起侧通过焊接有钢筋骨架形成一体构造；所述钢筋骨架为至少由对应所述板壳的正截面横向钢筋、正截面竖向钢筋、与拱圈轴向平行(与拱圈曲率相同)且与所述双曲钢波纹板壳单元同弧长的弧形钢筋以及两端沿45°、135°弯起的架立钢筋进行相互交叉焊接或绑接而形成的三维钢筋网架。

更进一步的，所述三维钢筋网架内每隔20～40cm还设有弧形连接钢筋，所述弧形连接钢筋与所述三维钢筋网架内的钢筋焊接或绑扎，且与所述双曲钢波纹板壳单元的顶部双面焊接。

本发明第二方面还公开了一种钢波纹板壳单元的轧制方法，包括下述步骤：

S01、按设计要求将裁定的钢板轧出预设波距和波深，形成平面钢波纹板，同时在所述平面钢波纹板两侧轧出向上的板齿；

S02、按设计的横向弧形矢跨值对所述平面钢波纹板向上拱弯轧制，使所述平面钢波纹板形成符合设计宽度和高度的圆弧拱壳体；

S03、在所述圆弧拱壳体的底部每隔100～200cm焊接垂直的弦向钢条拉带；

S04、按照预设的拱圈曲率，将所述圆弧拱壳体沿纵向轧制弯曲使之成为与拱圈曲率一致的双曲钢波纹板壳单元；

S05、在S04中的双曲钢波纹板壳单元两侧直立的板齿上每隔20～40cm设置横向拼接的板齿栓孔；

S06、在S05中的双曲钢波纹板壳单元两端焊接用于纵向拼接的法兰连接钢板，并在所述法兰连接钢板周边和中部设置连接栓孔；至此完成所述钢波纹板壳单元的全部轧制操作。

本发明第三方面还公开了一种装配式双曲钢波纹板壳砼拱桥，所述拱桥包括拱圈、拱圈基座和墩台，所述拱圈为多个钢波纹板壳组件经纵横矩阵式拼接形成具有与拱圈相同曲率的钢板壳钢筋拱架与砼浇注后构成复合材料的受力结构；其中，每一所述钢波纹板壳组件采用可装配的具有双向弯曲的钢波纹板壳单元及与所述钢波纹板壳单元拱起侧焊接成一体的钢筋骨架构成；所述双曲钢波纹板壳单元采用上述的双曲钢波纹板壳单元，所述钢筋骨架采用上述的钢筋骨架；

其中，浇注所述拱圈的砼采用为微膨胀砼。

本发明第四方面还公开了装配式双曲钢波纹板壳砼拱桥的建设方法，所述拱桥的孔跨可为单孔或多孔，所述建设方法具体包括：采用所述双曲钢波纹板壳单元进行横向(桥宽向)和纵向(拱轴向)的装配拼接，形成一个双曲钢波纹板壳拱圈底板；在所述双曲钢波纹板壳拱圈底板上部填注混凝土形成钢板壳混凝土复合拱圈；

所述双曲钢波纹板壳拱圈底板的装配拼接方式包括逐榀吊装拼接法、先横后纵式拼接法、先纵后横式拼接法、整体吊装式拼接法和跨中合拢式拼接法中的一种或任意几种结合。

具体说明，所述逐品吊装拼接法具体为：将每个所述装配式双曲钢波纹板壳依次吊装在拱座和支承排架上，在桥位支承排架上进行纵横向的装配拼接；

所述先横后纵式拼接法具体为：对多个所述装配式双曲钢波纹板壳先行在桥宽方向装配拼接，然后统一吊装到拱座和支承排架上，在桥位支承排架上进行拱圈轴向的拼接；

所述先纵后横拼接法具体为：将组成每一幅单榀拱圈的所述装配式双曲钢波纹板壳先行完成装配，然后逐榀吊装到拱座上，随后进行桥宽方向的装配拼接；

所述整体吊装式拼接法具体为：对一整幅拱圈的所述装配式双曲钢波纹板壳在现场进行装配拼接后，一次性吊装到拱座上；

所述跨中合拢式拼接法具体为：将组成拱圈的左半侧钢壳钢筋拱架和右半侧钢壳钢筋拱架分别进行装配及钢筋骨架的拼接，然后分别吊装到一孔墩台两侧的拱座上，统一吊放转至跨中合拢，完成纵向拱顶对接。

再进一步的，所述双曲钢波纹板壳拱圈底板的装配拼接方式为逐榀吊装拼接法、先横后纵式拼接法、先纵后横式拼接法、整体吊装式拼接法和跨中合拢式拼接法中的任意几种的结合，所述装配拼接方式包括：

每种方式在完成所述装配式双曲钢波纹板壳的装配拼接后，需对连接部位进行焊接；

在实施横向装配拼接时，先完成相接的两个所述装配式双曲钢波纹板壳两侧板齿栓孔的栓接，然后及时对两榀所述装配式双曲钢波纹板壳相接处的板齿以及所述装配式双曲钢波纹板壳上对应的钢筋骨架进行焊接；

在实施拱纵向装配拼接时，先完成相接的两个所述装配式双曲钢波纹板壳的法兰连接钢板的栓接，然后对法兰连接钢板及所述装配式双曲钢波纹板壳上对应的钢筋骨架进行焊接。

本发明的双曲钢波纹板壳单元和与之焊接一体的钢筋骨架组成的装配式双曲钢波纹板壳，通过便捷的横向和轴向装配拼接形成的拱圈空间的钢壳钢筋拱架构造，最大限度地使钢波纹板实现了壳体空间受力，大大提高了截面抗弯刚度，构成的钢壳钢筋拱架结构具有了一定的双曲拱受力特征，极大地增强其整体强度和抗变形能力；同时由于装配式双曲钢波纹板壳本身是拱圈砼的受力底板又同时兼有底模板功能，所以对于中小跨径可完全实现无支架施工，对于较大跨径也只需在拼接安装的节点处设置排架式支承，极大地简化了传统的拱下满堂支架支护施工，大大节约了工期。

此外，除了用上述技术方案实施新建拱桥外，还可以利用装配式双曲钢波纹板壳体单元或其组件实施对已有板拱和石拱桥的加固：在原有拱桥拱圈下，将双曲钢波纹板壳单元进行矩阵式拼接和顶升固定，形成一个全覆盖包底的双曲钢波纹板壳拱圈底板，在原有拱桥拱圈和所述双曲钢波纹板壳拱圈底板层间填注混凝土使之与原拱圈形成加固型钢板壳混凝土复合式受力拱圈新结构；进一步的，可在混凝土层间设置一定的构造钢筋，以提高其承载力。

附图说明

图1为按设计轧制出的两侧带板齿的平面钢波纹板示意图；

图2为具有横向圆弧拱波的钢波纹板壳示意图；

图3为具有横纵双向弯曲的钢波纹板壳示意图；

图4为双曲钢波纹板壳单元底部焊接有弦向钢条拉带的示意图；

图5为双曲钢波纹板壳体单元两端焊接有法兰连接钢板的示意图；

图6为装配式双曲钢波纹板壳侧立面示意图；

图7为装配式双曲钢波纹板壳外侧焊接有钢筋骨架的示意图；

图8为图7正截面A-A钢筋布置示意图；

图9为装配式双曲钢波纹板壳砼拱桥的结构示意图；

图10为装配式双曲钢波纹板壳砼拱桥的跨中截面示意图；

图11为两个装配式双曲钢波纹板壳拼接的半侧钢壳钢筋拱架跨中合拢法示意图；

图12为装配式双曲钢波纹板壳拼接的拱架无支架合拢效果示意图；

图13为装配式双曲钢波纹板壳砼拱桥(多孔跨)的结构示意图；

图14为装配式双曲钢波纹板壳砼拱桥(多孔跨)的跨中截面示意图图；

图15为装配式双曲钢波纹板壳矩阵式拼接成钢壳钢筋拱架示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明装配式双曲钢波纹板壳、装配式双曲钢波纹板壳砼拱桥以及建设方法的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，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。

实施例1

图1-6示出了本发明的装配式双曲钢波纹板壳的一种实施方式。

一种装配式双曲钢波纹板壳，所述板壳为采用一平面钢波纹板按一定规则经多次弯曲轧制加工后使之具有三维空间弯曲壳面的可拼接的双曲钢波纹板壳单元2。其中，该处所述多次弯曲轧制具体为：平面钢波纹板经横向向上轧制拱弯先形成大的圆弧拱波后，再沿纵向加工弯曲使之形成与拱圈曲率相同，使得所述装配式双曲钢波纹板壳为具有双向弯曲的一种钢波纹壳体。

可拼装的技术特征具体为：所述双曲钢波纹板壳单元2的两侧设有向外向上弯曲且直立的用于横向拼接的板齿20；所述板齿20上每隔20～40cm设置一板齿栓孔21。

另一方面，所述双曲钢波纹板壳单元2的两端焊有用于纵向拼接的矩形构造的法兰连接钢板22；所述法兰连接钢板22的长度与所述双曲钢波纹板壳单元2的横向底边宽度相同，所述法兰连接钢板22的高度高出于所述双曲钢波纹板壳单元2的高度3～20mm；所述法兰连接钢板22的周边及中部均设有连接栓孔23。

所述双曲钢波纹板壳单元2的底面每隔100～200cm在两板齿间焊接有沿正截面垂直的弦向钢条拉带3。

所述双曲钢波纹板壳单元2为厚3.5～10mm规格的钢卷材或板材轧制。双曲钢波纹板壳单元2的宽度即正截面弧横向的底弦长为1.2～2.5m；双曲钢波纹板壳单元2的长度即与拱圈曲率相同的纵向弧长段为4.0～10.0m；在实际应用中，具体设计采用根据拱桥的净跨、曲率、吊装等情况确定。

所述双曲钢波纹板壳单元2在首先轧制为平面波纹板时，其波距为100～350mm，波深为50～200mm。其中在板两侧要轧出向上的板齿，供后期装配拼接时使用，所述板齿高度为60～120mm。

本发明还公开了一种双曲钢波纹板壳单元2的轧制方法，其轧制过程包括下述步骤：

S01、按设计要求将裁定的钢板轧出预设波距和波深，形成平面钢波纹板，同时在所述平面钢波纹板两侧轧出向上的板齿20，供后期加工使用，见图1；

S02、按设计的横向弧形矢跨值对所述平面钢波纹板向上拱弯轧制，使所述平面钢波纹板形成符合设计宽度(形成的弧底弦长)和高度(矢高)的圆弧拱壳体，见图2；

S03、在所述圆弧拱壳体的底部每隔100～200cm焊接垂直的弦向钢条拉带3，见图4；

S04、按照预设的拱圈5曲率，将所述圆弧拱壳体沿纵向轧制弯曲使之成为与拱圈5曲率一致的双曲钢波纹板壳单元2，见图3；

S05、在S04中的双曲钢波纹板壳单元2两侧直立的板齿20上每隔20～40cm设置横向拼接的板齿栓孔21，见图3；

S06、在S05中的双曲钢波纹板壳单元2两端焊接用于纵向拼接的法兰连接钢板22，并在所述法兰连接钢板22周边和中部设置连接栓孔23，见图5；至此完成所述钢波纹板壳单元2的全部轧制操作。

实施例2

本实施例公开了一种装配式双曲钢波纹板壳砼拱桥的实施方式。

图9-10示出了一种用于对石拱桥和(钢筋)砼板式拱桥、箱式拱桥加固的装配式双曲钢波纹板壳砼装置。所述对上述拱形桥梁的加固装置主要包括拱圈5、拱圈基座6、墩台7和基础等；所述拱圈5的加固时采用若干装配式双曲钢波纹板壳横向和纵向的装配拼接在拱圈5底面形成一个全覆盖包底的双曲钢波纹板壳拱圈底板，并在拱圈5和双曲钢波纹板壳拱圈底板层间填注混凝土从而形成加固型钢板壳混凝土复合拱圈结构。所述的双曲钢波纹板壳单元2的实施方式与实施例1相同。

进一步的示例中，所述对拱圈基座6和墩台7的加固需根据原有墩台基础和新增板壳砼加固拱圈内的情况进行修缮或部分拆除后扩增改造。需要说明的是墩台基座6的拱脚与装配式双曲钢波纹板壳端部的法兰连接钢板22要保证良好的连接固定。

在装配拼接双曲钢波纹板壳单元2时，应根据排架支护、施工顶升能力、加固拱圈砼的浇筑方式等情况灵活确定拼接方式。

又一个优选示例中，浇筑的层间砼宜采用微膨胀砼，其浇注方式可采用分仓、分段、自密式、振捣式等多种方法进行施工，但均应保证其层间砼的密实，保证砼与拱圈5的结合度。

在一个优选示例中，根据对拱桥加固的需求，浇注的层间砼中可设置相应的构造钢筋：采用提前焊接在双曲钢波纹板壳单元2上或者直接在原拱圈下加设层间的钢筋骨架，可加强板壳钢筋复合拱圈结构的承载力。

实施例3

图6-8示出了本发明的装配式双曲钢波纹板壳的又一种实施方式，在实施例1的基础上，对双曲钢波纹板壳单元2外侧加焊具有立体网格式的钢筋骨架，使之与双曲钢波纹板壳单元2共同形成所述装配式双曲钢波纹板壳。

所述装配式双曲钢波纹板壳由双曲钢波纹板壳单元2及与其焊接一体的钢筋骨架4构成；所述钢筋骨架4由其正截面横向钢筋40、正截面竖向钢筋41、与拱圈曲率相同且与双曲钢波纹板壳单元同弧长的弧形钢筋42、和两端分别沿45°、135°弯起的架立钢筋43相互交叉焊接或绑接而形成的三维钢筋骨架构造；此处，该三维钢筋骨架内每隔20～40cm设有一道弧形连接钢筋44，该弧形连接钢筋44横穿截面且与上述正截面横向钢筋40、正截面竖向钢筋41、弧形钢筋42和架立钢筋43均绑扎或焊接，与所述双曲钢波纹板壳单元2的顶部双面焊接见图7-8。

所述双曲钢波纹板壳单元2与外侧的钢筋骨架4焊接一体后，其组合体的截面抗弯刚度大为提高，使之拼装形成的拱圈的钢壳钢筋拱架具有了很大的整体刚度和抗变形能力，因此该拱架即是复合拱圈的受力结构，同时又相当于承做了拱下的支承支护作用，因而为实现无支架施工创造了条件。

实施例4

本实施例公开了一种装配式双曲钢波纹板壳砼拱桥无支架施工的实施方法。

图11-12示出了本发明公开的装配式双曲钢波纹板壳砼拱桥(单孔跨)无支架施工法的示意图。

本发明公开的装配式双曲钢波纹板壳砼拱桥无支架施工的构建，其受力拱圈为具有双向弯曲的若干双曲钢波纹板壳单元2及与之焊接一体的钢筋骨架4组成的装配式双曲钢波纹板壳，经纵横向装配拼接形成的钢壳钢筋拱架和与之浇注一体的砼而形成的复合材料结构。

所述双曲钢波纹板壳单元2及装配式双曲钢波纹板壳的实施方式分别与实施例1和实施例3相同。

本发明公开的对其上述拱桥结构实行无支架施工的构建，由于采用了装配式双曲钢波纹板壳，因此可将单孔拱桥的钢壳钢筋拱架按照两个大的半侧钢壳钢筋拱架拼装构成。具体示例中，所述两个大的半侧钢壳钢筋拱架是指按设计要求将多个加工好的所述双曲钢波纹板壳单元2及与之焊接一体的钢筋骨架4所构成的装配式双曲钢波纹板壳，分别在拱桥桥台两侧进行横向和纵向的装配拼接，使之先形成两个对称的全幅宽1/2拱圈的半侧钢壳钢筋拱架；然后在桥台两侧同时将其两个半侧钢壳钢筋拱架吊装就位于已建好的桥台拱座上，并向内侧控制吊放，吊放转至跨中合拢，完成纵向拱顶对接；合拢后要及时对拱顶处各双曲钢波纹板壳单元2顶端焊接的法兰连接钢板22使用安装组件及时栓接，并在拱顶和拱脚加焊布设相关构造钢筋。

拱圈两侧的砼模板可直接支设在最外侧双曲钢波纹板壳单元2的板齿20上，由于拱圈底面的装配式双曲钢波纹板壳即是复合拱圈砼受力的底板且兼当了拱圈底模板，因而无再需设置任何的拱下支护，即可浇注拱圈砼以及后续的拱上建筑施工，完全实现了无支架现浇钢筋砼拱桥的施工。

本实施例可在单孔拱桥的基础上，扩展到多孔跨拱桥的实施。此外，由于本发明公开的实施例具有拼装组件工厂化标准生产、现场快捷式装配、无需任何拱下支护，对桥台要求低和整体抗变形能力强等优点，因而可在抢险救灾等突发事件中发挥其独特的快捷恢复道路桥梁通行能力，有较大的社会应用价值。

实施例5

本实施例公开了一种装配式双曲钢波纹板壳砼拱桥(多孔跨)的技术方案。

图13～15示出了本实施例拱桥的结构和组件装配示意图。

本实施例多孔跨的装配式双曲钢波纹板壳砼拱桥包括拱圈5、拱圈基座6、墩台7以及拱上建筑8，所述拱圈5为若干具有双向弯曲的装配式钢波纹板壳通过纵横矩阵式拼接而形成的与拱圈5曲率相同的钢壳钢筋拱架与现浇砼形成的复合材料受力结构。所述装配式双曲钢波纹板壳的实施方式与实施例1和实施例3相同。

装配式双曲钢波纹板壳砼拱桥可适用于单孔和多孔，跨径范围在8～40m之间，中等以上跨径为减轻拱上建筑重量宜采用腹拱结构。本实施例公开的装配式双曲钢波纹板壳拼接钢壳钢筋拱架的技术方案时采用在桥孔下设置安装排架逐榀拼接的装配方式，见图15；具体施工时，根据其桥位情况、孔径大小、吊装能力、支护排架设置等因素综合确定，同时需注意多孔跨拱圈的拼装和拱圈砼浇注时拱座水平推力的平衡。为此，浇注拱圈砼时采用按桥宽分幅从两侧拱脚至拱顶连续浇注的施工方法，振捣方式可采用附着式、插入振捣式等方法保证混凝土的密实。

同样由于装配式双曲钢波纹板壳的截面刚度较大，其合拢后的钢壳钢筋拱架具有较大的整体刚度和抗变形能力，同时双曲钢波纹板壳单元2即是拱圈砼的受力底板又兼做了底模板，因此拼装组件时作为安装的支承排架9即可作为浇注拱圈砼的拱下全部支架，而无需再设置其他临时支护，大大节约了成本，有效缩短了建设工期。

此外，装配式钢波纹板壳于拱座6在拱脚处的连接要保证两者钢板和钢筋的良好固定和焊接。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。