预制拼装式UHPC-波形钢腹板组合箱梁桥及施工方法

摘要

本发明属于土木工程技术领域，涉及一种预制拼装式UHPC‑波形钢腹板组合箱梁桥及其施工方法；包括桥墩以及置于桥墩上且与桥墩相连接的UHPC‑波形钢腹板组合箱梁；组合箱梁是由多个UHPC‑波形钢腹板组合箱梁节段依次拼装而成；节段包括UHPC顶板、UHPC底板、波形钢腹板和UHPC横隔板；UHPC顶板和UHPC底板轴向平行放置；且波形钢腹板置于腹板位置处；UHPC横隔板垂直置于UHPC顶板和UHPC底板之间且与波形钢腹板相接触；UHPC底板与桥墩相连接。本发明结构设计简单，显著降低箱梁桥自重，大幅提升桥梁主跨跨径；显著降低开裂风险，提高结构耐久性；施工方便，大幅缩短现场施工工期。

说明书

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，尤其涉及一种预制拼装式UHPC-波形钢腹板组合箱梁桥及施工方法。

背景技术

大跨预应力混凝土箱梁桥由于结构性能良好、施工简易便捷和后期维护费用少等特点，当前已成为主跨200m范围内的主流桥型。然而，大跨预应力混凝土箱梁桥主跨过度下挠和梁体开裂现象十分普遍，已成为该桥型的顽症，严重威胁结构安全运营和耐久性，至今无法有效解决。

为解决大跨预应力混凝土箱梁桥的腹板开裂问题，早期研究人员采用波折型钢板替换混凝土腹板，提出了波形钢腹板组合箱梁桥；该结构相较于大跨预应力混凝土箱梁桥具有自重轻、完全避免腹板开裂以及预应力导入效率高等优势。然而，该桥梁的顶底板仍然采用抗拉强度低的普通混凝土材料浇筑，难以抵抗大跨结构在内、外各种复杂因素作用下出现的较大拉应力，容易发生开裂，降低结构耐久性。因此，波形钢腹板组合箱梁桥的顶底板已成为限制其进一步推广和应用的瓶颈。大跨波形钢腹板组合箱梁桥向更大跨度、更高强度和更好耐久性发展必然要求其在顶底板上有所突破。

随着材料科学技术的发展，超高性能混凝土得以应用于土木工程建设，结构采用超高性能混凝土能大幅减小构件几何尺寸、减轻结构自重、提高结构抵抗使用荷载的有效性和增大桥梁结构的跨越能力，且经蒸养后徐变变形很小。因此，在波形钢腹板组合箱梁桥顶底板内引入超高性能混凝土材料是提升桥梁主跨跨径、降低顶底板开裂风险、减小结构徐变变形、提高结构耐久性的有效方式。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供一种预制拼装式UHPC-波形钢腹板组合箱梁桥及其施工方法，该组合箱梁桥结构设计简单，显著降低箱梁桥自重，大幅提升桥梁主跨跨径；显著降低开裂风险，提高结构耐久性；施工方便，大幅缩短现场施工工期。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种预制拼装式UHPC-波形钢腹板组合箱梁桥包括桥墩以及置于桥墩上且与桥墩相连接的UHPC-波形钢腹板组合箱梁；所述UHPC-波形钢腹板组合箱梁是由多个UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段依次拼装而成；

所述UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段包括UHPC顶板、UHPC底板、波形钢腹板和UHPC横隔板；所述UHPC顶板和UHPC底板轴向平行放置；所述波形钢腹板置于UHPC顶板和 UHPC底板之间的腹板位置处；所述UHPC横隔板垂直放置在UHPC顶板和UHPC底板之间且与波形钢腹板相接触；所述UHPC顶板端面上和UHPC底板端面上分别设置剪力键；所述 UHPC底板与桥墩相连接。

进一步的，所述UHPC顶板厚度为0.15m～0.30m；所述UHPC底板厚度为0.15m～1.50m；所述UHPC横隔板厚度为0.12m～0.20m；所述波形钢腹板厚度为12mm～30mm。

进一步的，所述剪力键为齿键型剪力键。

进一步的，所述UHPC顶板内和UHPC底板内分别设置有体内预应力钢束孔道；所述体内预应力钢束孔道分别贯穿UHPC顶板轴向和UHPC底板轴向。

进一步的，所述UHPC横隔板为多个，且以3.5～4m的间隔分布。

进一步的，所述UHPC横隔板上设置体外预应力钢束孔道；所述体外预应力钢束孔道轴向与波形钢腹板轴向相平行。

进一步的，所述UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段的长度为4.8m或6.4m。

一种预制拼装式UHPC-波形钢腹板组合箱梁桥的施工方法，包括以下步骤：

1)完成桩基和桥墩施工，同时根据桥梁的设计长度预制多个UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段；

2)桥梁主墩上施工零号块并进行预应力束张拉；

3)按照节段悬拼和预应力钢束张拉的顺序，在主墩上零号块两侧对称悬臂拼装预制的多个UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段；

4)施工完成边跨合拢，并进行边跨预应力钢束张拉；

5)进一步完成中跨合拢，并在全桥跨度内进行预应力钢束张拉；

6)完成附属工程及桥面铺装，完成桥梁施工。

进一步的，所述步骤3)中，零号块与UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段拼接时，在位于零号块两端15m～25m区域内的波形钢腹板上设置厚度为0.15m～0.30m的内衬混凝土层。

进一步的，所述步骤3)中，多个UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段之间拼接时，UHPC顶板之间和UHPC底板之间均通过剪力键连接，波形钢腹板之间通过螺栓和贴角焊进行连接。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的预制拼装式UHPC-波形钢腹板组合箱梁桥结构设计简单，受力特点明确，采用UHPC-波形钢腹板组合箱梁材料利用率高，能够显著降低箱梁桥自重，大幅提升桥梁主跨跨径；桥梁采用UHPC材料，强度高，耐久性好，且后期收缩率变小，综合解决了传统预应力混凝土梁桥跨中过度下挠和梁体开裂问题；采用波形钢腹板作为腹板，避免腹板开裂和屈曲的问题，预应力导入效率更高，更好突出纵向单向预应力体系的优势。

2、本发明提供的节段预制拼装UHPC-波形钢腹板组合箱梁桥施工可采用工厂预制箱梁节段并在现场装配，保障桥梁质量品质，大幅缩短现场施工工期，十分适用于大跨连续梁和连续钢构桥梁设计施工。

3、本发明中多个UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段之间采用现场拼接，且UHPC顶板之间和UHPC底板之间均通过剪力键连接，波形钢腹板之间通过螺栓和贴角焊进行连接，成桥后截面竖向剪力承担模式由整体现浇梁的全截面承剪变成了由UHPC顶底板间摩擦力+齿键型剪力键+波形钢腹板共同承剪，连接可靠，避免因接缝失效导致的主梁破坏，这与整体现浇梁存在本质区别。

附图说明

图1是本发明实施例1中连续箱梁桥的主视图(其中预应力钢束3仅为结构示意)；

图2是图1中A-A处的剖视图；

图3是图1中B-B处的剖面放大图；

图4是图1中C-C处的剖面放大图；

图5是本发明实施例2中连续箱梁桥的主视图(其中预应力钢束3仅为结构示意)；

图6是图5中D-D处的剖视图；

图7是图5中E-E处的剖面放大图；

图8是图5中F-F处的剖面放大图；

图9是本发明UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段示意图；

图10是本发明UHPC-波形钢腹板组合箱梁的波形钢腹板连接示意图；

图11是本发明UHPC-波形钢腹板组合箱梁的波形钢腹板与内衬混凝土连接示意图；

图12为本发明剪力键的示意图；

图中：

1—桥墩；2—UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段；21—UHPC顶板；22—UHPC底板；23—波形钢腹板；24—UHPC横隔板；25—体内预应力钢束孔道；26-体外预应力钢束孔道；27- 内衬混凝土层；28—顶底板剪力键；3—预应力钢束；4—螺栓；5—贴角焊。

具体实施方式

现结合附图以及实施例对本发明做详细的说明。

实施例1

参见图1～图4，本实施例提供的预制拼装式UHPC-波形钢腹板组合箱梁桥，该连续箱梁桥的跨径布置为300m+450m+300m，采用连续钢构桥桥型设计。

本实施例提供的连续箱梁桥包括桥墩1和UHPC-波形钢腹板组合箱梁，UHPC-波形钢腹板组合箱梁在桥梁纵向采用体外和体内组合方式预应力体系。

本实施例提供的预制拼装式UHPC-波形钢腹板组合箱梁桥包括桥墩1以及置于桥墩1上且与桥墩1相连接的UHPC-波形钢腹板组合箱梁；UHPC-波形钢腹板组合箱梁是由多个UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段2依次拼装而成；UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段2包括UHPC顶板21、UHPC底板22、波形钢腹板23和UHPC横隔板24；UHPC顶板21和UHPC 底板22轴向平行放置；波形钢腹板23置于UHPC顶板21和UHPC底板22之间的腹板位置处；UHPC横隔板24垂直UHPC顶板21和UHPC底板22之间且与波形钢腹板23相接触； UHPC底板22与桥墩1相连；UHPC顶板21端面上和UHPC底板22端面上分别设置剪力键 28。

本实施例中，UHPC顶板21是水平板，UHPC底板22的结构是沿二次曲线变化的板。

本实施例中，UHPC为超高性能混凝土，混凝土抗压强度150MPa以上、抗折强度20MPa 以上；强度高，耐久性好，且后期收缩变小，综合解决了传统预应力混凝土梁桥跨中过度下挠和梁体开裂问题。

本实施例中，波形钢腹板23为两个，分别平行置于UHPC顶板21和UHPC底板22之间，且波形钢腹板23轴向与UHPC顶板21相垂直，UHPC横隔板24垂直UHPC顶板21和 UHPC底板22之间，UHPC横隔板24两个相对侧壁分别与两个波形钢腹板23对应接触。

本实施例中，波形钢腹板23材料为低合金高强度结构钢。此处钢材的材料特性能避免开裂，波形钢腹板采用波折形式，其结构形式能避免屈曲的问题，预应力导入效率更高，更好突出纵向单向预应力体系的优势。

本实施例中，UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段2根据桥长划分若干节段，每个节段长根据实际施工需要设置为6.4m。

本实施例中，UHPC顶板21厚度为0.20m，UHPC底板22厚度为0.20m～1.30m，其中，跨中截面处的UHPC底板22厚度为0.20m，墩顶支点截面处的UHPC底板22厚度为1.30m，跨中截面处与墩顶支点截面处之间的UHPC底板的厚度呈渐变式；跨中截面处的波形钢腹板23厚度为12mm，墩顶支点截面处的波形钢腹板23厚度为30mm，跨中截面处与墩顶支点截面处之间的波形钢腹板23的厚度呈渐变式；UHPC横隔板24厚度为0.16m。

参见图9和图12，本实施例中，剪力键28分别均布设置在UHPC顶板21端面上和UHPC底板22端面上，剪力键28为齿键型剪力键。

本实施例中，UHPC横隔板24采用密集型布置方式，UHPC横隔板24在纵桥向上每间隔3.5m设置一个。UHPC横隔板24主要用于体外预应力转向。

本实施例中，UHPC顶板21内和UHPC底板22内分别设置有多个体内预应力钢束孔道25；多个体内预应力钢束孔道25相互平行，且多个体内预应力钢束孔道25贯穿UHPC顶板 21轴向；多个体内预应力钢束孔道25贯穿UHPC底板22轴向。

本实施例中，UHPC横隔板24上设置体外预应力钢束孔道26，体外预应力钢束孔道26 轴向与波形钢腹板23轴向相平行。

本实施例提供的预制拼装式UHPC-波形钢腹板组合箱梁桥的施工方法以下步骤：

1)完成桩基和桥墩1施工，同时根据桥梁的设计长度预制多个UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段；

2)桥梁主墩上施工零号块并进行预应力束张拉；

3)按照节段悬拼和预应力钢束3张拉的顺序，在主墩上零号块两侧对称悬臂拼装预制的多个UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段；

4)施工完成边跨合拢，并进行边跨预应力钢束3张拉；

5)进一步完成中跨合拢，并在全桥跨度内进行预应力钢束3张拉；

6)完成附属工程及桥面铺装，完成桥梁施工。

参见图11，步骤3)中，零号块与UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段拼接时，在位于零号块两端18m区域内的波形钢腹板23上设置厚度为0.20的内衬混凝土层27。

参见图9和图10，步骤3)中，多个UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段之间拼接时，UHPC顶板21之间和UHPC底板22之间均通过剪力键28连接，波形钢腹板之间通过螺栓4和贴角焊5进行连接。使得成桥后截面竖向剪力承担模式由整体现浇梁的全截面承剪变成了由 UHPC顶底板间摩擦力+齿键型剪力键+波形钢腹板共同承剪，连接可靠，这与整体现浇梁存在本质区别。

因为，现浇梁也称为连续梁；而节段预制梁在接缝处结构不连续，接缝处主要通过不同的形式(干接缝、胶接缝等)进行拼接。现浇梁和节段预制梁在加载初期的荷载-位移曲线一般呈线性关系，后期随着荷载增加，都会进入非线性阶段，不同的是节段预制梁是由多个节段梁拼装而成，随着荷载的增加，接缝处会不断张开，主梁荷载-位移曲线将出现明显的非线性关系，梁体刚度下降明显，且接缝数量越多刚度下降越明显；甚至出现接缝处剪力键破坏导致主梁破坏，其非线性演变和刚度下降的幅度比整体现浇梁会更加明显，最终的破坏模式和裂缝分布形式也与整体梁有显著区别，节段预制梁的受力特征与破坏模式与整体式梁有着显著的区别。因此采用本发明提供的桥梁和施工方法，连接可靠，避免因接缝失效导致的主梁破坏。

实施例2

参见图5～图8，本实施例提供的本发明的预制拼装式UHPC-波形钢腹板组合箱梁桥，该连续箱梁桥的跨径布置为270m+400m+270m，采用连续梁桥桥型设计。

该连续箱梁桥包括桥墩1和UHPC-波形钢腹板组合箱梁，UHPC-波形钢腹板组合箱梁在桥梁纵向采用体外和体内组合方式预应力体系。

本实施例提供的预制拼装式UHPC-波形钢腹板组合箱梁桥包括桥墩1以及置于桥墩1上且与桥墩1相连接的UHPC-波形钢腹板组合箱梁；UHPC-波形钢腹板组合箱梁是由多个UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段2依次拼装而成；UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段2包括UHPC顶板21、UHPC底板22、波形钢腹板23和UHPC横隔板24；UHPC顶板21和UHPC 底板22轴向平行放置；波形钢腹板23置于UHPC顶板21和UHPC底板22之间的腹板位置处；UHPC横隔板24垂直UHPC顶板21和UHPC底板22之间且与波形钢腹板23相接触； UHPC底板22与桥墩1相连；UHPC顶板21上和UHPC底板22上分别设置剪力键28。

本实施例中，UHPC底板22与桥墩之间还有支座。

本实施例中，UHPC-波形钢腹板组合箱梁根据桥长划分若干节段，每个UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段2根据实际施工需要设置为4.8m。

本实施例中，波形钢腹板23为两个，分别平行置于UHPC顶板21和UHPC底板22之间，且波形钢腹板23轴向与UHPC顶板21相垂直，UHPC横隔板24垂直UHPC顶板21和 UHPC底板22之间，UHPC横隔板24两个相对侧壁分别与两个波形钢腹板23对应接触。

本实施例中，UHPC顶板21厚度为0.20m，UHPC底板22厚度为0.20m～1.30m，其中，跨中截面处的UHPC底板22厚度为0.20m，墩顶支点截面处的UHPC底板22厚度为1.30m，跨中截面处与墩顶支点截面处之间的UHPC底板22的厚度呈渐变式；跨中截面处的波形钢腹板23厚度为12mm，墩顶支点截面处的波形钢腹板23厚度为30mm，跨中截面处与墩顶支点截面处之间的波形钢腹板23的厚度呈渐变式；UHPC横隔板24厚度为0.18m。

参见图9和图12，本实施例中，剪力键28分别均布设置在UHPC顶板21端面上和UHPC底板22端面上，剪力键28为齿键型剪力键。

本实施例中，UHPC横隔板24采用密集型布置方式，UHPC横隔板24在纵桥向方向上间隔4m设置一道。UHPC横隔板24主要用于体外预应力转向。

本实施例的节段预制拼装UHPC-波形钢腹板组合箱梁桥的施工方法包括以下步骤：

(1)完成桩基和桥墩1施工，同时工厂化预制UHPC-波形钢腹板组合箱梁2节段；

(2)桥梁主墩上施工0号块并进行预应力束张拉；

(3)按照节段悬拼、预应力钢束3张拉的顺序，在主墩上0号块两侧对称悬臂拼装UHPC- 波形钢腹板组合箱梁2各节段；

(4)施工完边跨节段，完成边跨合龙，并进行边跨预应力钢束3张拉；

(5)中跨合龙，并在全桥跨度内进行预应力钢束3张拉；

本实施例提供的预制拼装式UHPC-波形钢腹板组合箱梁桥的施工方法以下步骤：

1)完成桩基和桥墩1施工，同时根据桥梁的设计长度预制多个UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段；

2)桥梁主墩上施工零号块并进行预应力束张拉；

3)按照节段悬拼和预应力钢束3张拉的顺序，在主墩上零号块两侧对称悬臂拼装预制的多个UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段；

4)施工完成边跨合拢，并进行边跨预应力钢束3张拉；

5)进一步完成中跨合拢，并在全桥跨度内进行预应力钢束3张拉；

6)完成附属工程及桥面铺装，完成桥梁施工。

参见图11，步骤3)中，零号块与UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段拼接时，在位于零号块两端20m区域内的波形钢腹板23上设置厚度为0.20m的内衬混凝土层27。

参见图9和图10，步骤3)中，多个UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段之间拼接时，UHPC顶板21之间和UHPC底板22之间均通过剪力键28连接，波形钢腹板之间通过螺栓4和贴角焊5进行连接。

上述实施例列出了两种不同规格桥梁，均采用本发明提供的预制拼装式UHPC-波形钢腹板组合箱梁桥施工而成，其中UHPC顶板21厚度还可以为0.15m～0.30m内的其他值；UHPC 底板22厚度为0.15m～1.50m内的其他值，跨中截面处与墩顶支点截面处之间的UHPC底板 22的厚度呈渐变式；UHPC横隔板24厚度为0.12m～0.20m；波形钢腹板23厚度为12mm～30mm，且跨中截面处与墩顶支点截面处之间的波形钢腹板23的厚度呈渐变式；在施工中，零号块与UHPC-波形钢腹板组合箱梁节段2拼接时，在位于零号块两端15m～25m区域内的波形钢腹板23上均可以设置内衬混凝土层27，内衬混凝土层27厚度在0.15m～0.30m范围内选择。

综上所述，本发明提供的预制拼装式UHPC-波形钢腹板组合箱梁桥及其施工方法，本发明结构设计简单，受力特点明确，采用UHPC-波形钢腹板组合箱梁材料利用率高，能够显著降低箱梁桥自重，大幅提升桥梁主跨跨径；强度高，耐久性好，解决传统预应力混凝土梁桥跨中过度下挠和梁体开裂问题；预应力导入效率更高，更好突出纵向单向预应力体系的优势，施工时采用螺栓连接+贴角焊，连接可靠，避免因腹板接缝失效导致的主梁破坏；施工可采用工厂预制箱梁节段并在现场装配，保障桥梁质量品质，大幅缩短现场施工工期，十分适用于大跨连续梁和连续钢构桥梁设计施工。