具有短钢筋抗剪构造的钢‑超高性能混凝土组合桥面结构及其施工方法与流程

本发明属于桥梁结构技术领域，具体涉及一种具有短钢筋抗剪构造的钢-超高性能混凝土组合桥面结构及其施工方法。

背景技术：

与钢桥沥青混凝土铺装相比，钢桥水泥混凝土铺装具有桥面局部刚度大、抗疲劳寿命高等优点，因而被逐渐采用。在现有钢桥水泥混凝土桥面铺装中，抗剪构造采用栓钉、型钢连接件、PBL连接件等剪力键方式，如图1所示(以栓钉作为常规剪力键10的示例)。常规抗剪构造中常规剪力键10的高度大，导致钢桥水泥混凝土铺装层11的厚度增大，引起桥面的恒载重量增加且降低了经济性。同时，常规剪力键10的施工中需要配备专门的施工设备与人员，工艺繁冗，致使钢桥水泥混凝土铺装的施工效率下降。

超高性能混凝土具有优良的力学性能，其出现使桥梁建筑结构的发展趋向于大跨化、轻型化。因而，将超高性能混凝土应用在钢桥面上，能够减小混凝土层的厚度，降低桥面系重量，并显著提高桥面系的耐久性。然而，若采用传统抗剪构造，钢桥面上的薄型超高性能混凝土层难以实现，其原因主要是传统剪力键高度大。因此，对于超高性能混凝土应用于钢桥面板的情况，传统钢-混凝土组合结构中所用的抗剪构造存在剪力键结构尺寸大、施工工艺繁赘等弊端，难以满足薄型超高性能混凝土层在钢桥面中的应用需求。

技术实现要素：

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，提供一种可减小混凝土层厚度，可降低桥面自重，剪力键结构尺寸小、施工工艺简单的具有短钢筋抗剪构造的钢-超高性能混凝土组合桥面结构及其施工方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种具有短钢筋抗剪构造的钢-超高性能混凝土组合桥面结构，包括钢桥面板层和浇筑于所述钢桥面板层上方的超高性能混凝土层，所述钢桥面板层上固接有短钢筋抗剪构造，所述短钢筋抗剪构造包括多根固接在所述钢桥面板层上表面的短钢筋，所述短钢筋沿纵桥向水平设置，短钢筋抗剪构造包埋于所述超高性能混凝土层中。本发明采用沿纵桥向水平固接设置在钢桥面板层上的多根短钢筋作为抗剪构造，与现有的竖直设置的栓钉剪力键相比，本发明可以通过调整短钢筋的直径大小很方便的调整构造的建筑高度。当钢-超高性能混凝土组合桥面结构中的混凝土层很薄(例如仅为35mm)时，常规栓钉剪力键因高度过高而难以适用，此时可使用本发明的组合桥面构造，大大降低建筑高度。此外，与现有的栓钉剪力键相比，本发明的短钢筋与钢桥面板层的接触面积更大。栓钉与钢桥面板层的焊接面积因栓钉尺寸的影响而受限，而短钢筋与钢桥面板层的焊接面积可以通过调整钢筋长度得到改变，可使短钢筋与钢桥面板层的焊接面积更大，进而使短钢筋抗剪构造的刚度大于栓钉抗剪构造的刚度，提高剪力键的抗剪效率，有助于改善钢-超高性能混凝土间的组合受力。再者，现有的栓钉因其构造的对称性，其沿纵、横桥向的抗剪刚度相等。而钢-超高性能混凝土组合桥面结构的正交异性钢桥面板的纵、横向刚度不等。本发明将短钢筋沿纵桥向固接在钢桥面板层上，该短钢筋沿纵、横桥向的抗剪刚度不同，更符合正交异性钢桥面板的受力特点。本发明的短钢筋抗剪构造与现有的钢筋网抗剪构造相比，短钢筋直径较大，且仅需设置一层纵向短钢筋。短钢筋直径大的好处是，单个短钢筋与超高性能混凝土的握裹面积更大，进而充分发挥抗剪效率。而采用一层短钢筋而不使用多层钢筋网的好处是，单根短钢筋既能提供纵向抗剪、也能提供横向抗剪，而无需形成焊接钢筋网，其构造更简化，施工更简便。现有的钢筋网抗剪构造为连续型剪力键，研究发现这种连续型钢筋网抗剪构造具有脆性破坏的特点(即破坏前界面滑移很小，破坏征兆不明显)。本发明将抗剪构造的连续型变为间断型，有助于增大破坏前的界面滑移，进而改善破坏形式。

作为对上述技术方案的进一步改进：

优选的，多根所述短钢筋按矩阵式布置，相邻短钢筋之间的纵桥向间距和横桥向间距均为150-600mm，取此间距值可以使得组合桥面结构中短钢筋抗剪构造的抗剪刚度适中，并使得焊接工作量适中，可以满足钢-超高性能混凝土界面的抗剪要求。而短钢筋的长度优选为10-60mm，在此范围内的短钢筋与钢桥面板层的接触面积远大于栓钉与钢桥面板层的接触面积，故短钢筋抗剪构造的刚度会远大于栓钉抗剪构造的刚度，可以提高剪力键的抗剪效率，更加有助于改善钢-超高性能混凝土间的组合受力。

更优选的，所述短钢筋的上沿的长度大于其下沿的长度，短钢筋的端面与其铅垂面之间形成内倾的夹角θ，所述夹角θ为0°-45°。如此，可使超高性能混凝土层与钢桥面板层之间连接更加牢固，防止拔离。

更优选的，所述钢桥面板层的下部设置有纵肋腹板，所述短钢筋与所述纵肋腹板之间间隔50-150mm。如此设置主要有两点原因：一是纵肋腹板与钢桥面板层底部连接已经存在焊缝，如果再将短钢筋放置到纵肋腹板顶部位置与钢桥面板层焊接，则会使得钢桥面板层双面受焊，存在应力集中，对结构受力会起不利影响；二是纵肋腹板处局部支撑刚度较大，如果将短钢筋放置到纵肋腹板位置焊接，会使得短钢筋中的疲劳剪应力过大，会对短钢筋自身受力不利。

优选的，所述超高性能混凝土层中配置有钢筋网抗拉构造，所述钢筋网抗拉构造为多层叠加钢筋组合结构。

上述的组合桥面结构中，所述的钢筋网抗拉构造可以优选为以下两种结构形式中的任意一种。其中第一种结构形式包括配置于所述超高性能混凝土层中的纵筋分布层和绑扎或点焊于所述纵筋分布层上方的横筋分布层，所述纵筋分布层和所述横筋分布层交叉呈钢筋网状结构。第二种结构形式包括配置于所述超高性能混凝土层中的横向垫筋分布层、绑扎或点焊于所述横向垫筋分布层上方的纵筋分布层以及绑扎或点焊于所述纵筋分布层上方的横筋分布层，所述纵筋分布层和所述横筋分布层交叉呈钢筋网状结构，所述横向垫筋分布层由多根矩阵式排列的横向垫筋组成。

更优选的，所述纵筋分布层由多根沿顺桥向平行设置的抗拉纵筋组成，所述横筋分布层由多根沿横桥向平行设置的抗拉横筋组成。

优选的，所述超高性能混凝土层由超高性能混凝土浇筑而成，所述超高性能混凝土是指组分中含有钢纤维且不含粗骨料的水泥混凝土，该超高性能混凝土的抗压强度不低于100MPa，轴拉强度不低于7MPa；所述超高性能混凝土层的上方设置有磨耗层。

本发明的组合桥面结构通过固接短钢筋抗剪构造为超高性能混凝土层与钢桥面板层之间提供抗剪连接，其构造高度小、抗剪强度大，是一种稳定可靠的抗剪构造方式。同时，该组合桥面结构具有较强的灵活性和可适应性，由于短钢筋抗剪构造中可选择不同直径的短钢筋，进而能够方便地调节短钢筋的高度，以适应钢桥面板层上不同厚度超高性能混凝土层的抗剪需求；由于钢筋网抗拉构造中可选择增设横向垫筋，进而能够方便地调节钢筋网的高度，以适应钢桥面板层上不同厚度超高性能混凝土层的抗拉需求。此外，本发明配置的钢筋网抗剪构造不仅结构简化、工艺简单，且具有良好的可操作性和经济性。通过焊接抗剪短钢筋进行连接，薄层超高性能混凝土与钢桥面板形成共同受力的整体式组合桥面结构，显著降低反复车载作用下钢桥面板结构中的应力幅，提高其抗疲劳寿命。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了上述具有短钢筋抗剪构造的钢-超高性能混凝土组合桥面结构的施工方法。由于上述钢筋网抗拉构造包括两种不同的结构形式，以下针对这两种优选的钢筋网抗拉构造分别提供两种优选的施工方法。

针对第一种钢筋网抗拉构造，本发明提供的施工方法包括以下步骤：

S1、架设钢梁：按照常规钢桥桥梁施工方法依次进行钢梁的预制、现场拼接工序，直至完成钢梁架设得到钢桥面板层；

S2、施工焊接短钢筋、铺设钢筋网：对已架设的钢桥面板层进行喷砂除锈；然后将多根短钢筋按矩阵式排列焊接在钢桥面板层上形成短钢筋抗剪构造，焊接时保证短钢筋底面和钢桥面板层的顶面直接完全施焊，并对钢桥面板层、短钢筋抗剪构造进行防腐涂装；再将抗拉纵筋沿桥梁纵向配置在钢桥面板层上形成纵筋分布层；将抗拉横筋沿桥梁横向绑扎或点焊在抗剪纵筋上形成横筋分布层；清除焊渣，纵筋分布层和横筋分布层组成钢筋网抗拉构造；

S3、浇注超高性能混凝土层：在经过步骤S2施工后的钢桥面板层上浇注上述的超高性能混凝土，并保证短钢筋抗剪构造和钢筋网抗拉构造均包埋于超高性能混凝土中，形成超高性能混凝土层；

S4、铺筑磨耗层：在超高性能混凝土层顶面进行抛丸处理，并在其上方铺筑磨耗层，完成钢-超高性能混凝土组合桥面结构的施工。

针对第二种钢筋网抗拉构造，本发明提供的施工方法包括以下步骤：

S1、架设钢梁：按照常规钢桥桥梁施工方法依次进行钢梁的预制、拼接工序，直至完成钢梁架设得到钢桥面板层；

S2、施工焊接短钢筋、铺设钢筋网：对已架设的钢桥面板层进行喷砂除锈；然后将多根短钢筋按矩阵式排列焊接在钢桥面板层上形成短钢筋抗剪构造，焊接时保证短钢筋底面和钢桥面板层的顶面直接完全施焊，对钢桥面板层、短钢筋抗剪构造进行防腐涂装；再将多根横向垫筋按矩阵式排列摆放在钢桥面板层上，形成横向垫筋分布层，再将抗拉纵筋沿桥梁纵向绑扎或焊接在横向垫筋分布层上形成纵筋分布层，抗拉纵筋焊接时通过点焊连接；将抗拉横筋沿桥梁横向绑扎或点焊在抗拉纵筋上形成横筋分布层，清除焊渣，横向垫筋分布层、纵筋分布层及横筋分布层组成钢筋网抗拉构造；

S3、浇注超高性能混凝土层：在经过步骤S2施工后的钢桥面板层上浇注超高性能混凝土，并保证横向垫筋分布层、短钢筋抗剪构造和钢筋网抗拉构造均包埋于超高性能混凝土中，形成超高性能混凝土层；

S4、铺筑磨耗层：在超高性能混凝土层顶面进行抛丸处理，并在其上方铺筑磨耗层，完成钢-超高性能混凝土组合桥面结构的施工。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)通过采用沿纵桥向水平固接设置在钢桥面板层上短钢筋抗剪构造，显著降低了钢桥面板层与超高性能混凝土层间抗剪构造的设计高度，进而使得钢-超高性能混凝土组合桥面结构中超高性能混凝土层的设计厚度减小，使组合桥面结构的自重降低，实现了超高性能混凝土层的薄层化及组合桥面结构的轻型化，改善了组合结构桥梁的受力状况。采用这种抗剪构造的钢-超高性能组合桥面结构尤其适用于对自重极其敏感的大跨径柔性桥梁(如悬索桥等)。

(2)通过采用短钢筋抗剪构造，该短钢筋与钢桥面板层的焊接面积可以通过调整钢筋长度得到改变，可使短钢筋与钢桥面板层的焊接面积更大，钢桥面板层与超高性能混凝土层的结合面具有可靠的抗剪连接，能够大幅度降低车载作用下钢桥面板结构中的应力幅，延长其抗疲劳寿命，提高桥面系的耐久性。

(3)本发明的组合桥面结构中采用的抗剪构造为焊接短钢筋，仅需普通的钢筋即可加工制得本发明的短钢筋抗剪构造，无需加工成特定形状的剪力键或剪力钉，不仅取材方便，而且加工容易。

(4)该组合桥面结构中短钢筋抗剪构造的设置并不需要采用复杂的施工工艺和高投入的施工设备，采用普通焊接技术即可将短钢筋焊接在钢桥面板层上，形成短钢筋抗剪构造，设备投入小，简单易操作，对劳动力素质和工艺要求较低。

综上所述，借助该组合桥面结构中高效可靠的抗剪构造方式，本发明的钢-薄层超高性能混凝土组合桥面结构具有建筑高度小、结构自重轻、局部刚度大、组合层间抗剪连接可靠、抗疲劳性好、施工简便等优点，具有极大的使用价值和良好的经济效益，在钢桥建设领域具有广阔的应用前景。

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为现有技术中常规正交异性钢箱梁整体刚性桥面的结构示意图(横截面图)。

图2为本发明实施例1中钢-超高性能混凝土组合桥面结构的俯视方向的局部透视图。

图3为图2中A-A处的剖视放大图(未示出纵肋腹板)。

图4为图2中B-B处的剖视放大图(旋转90°；未示出纵肋腹板)。

图5为本发明实施例2中钢-超高性能混凝土组合桥面结构的俯视方向的局部透视图。

图6为图5中C-C处的剖视放大图(未示出纵肋腹板)。

图7为图5中D-D处的剖视放大图(旋转90°；未示出纵肋腹板)。

图8为短钢筋与钢桥面板层焊接摆放位置的示意图。

图例说明：

1、钢桥面板层；2、超高性能混凝土层；3、短钢筋；5、横向垫筋；6、抗拉纵筋；7、抗拉横筋；8、磨耗层；9、纵肋腹板；10、剪力键；11、混凝土铺装层。

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。

需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。

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。

实施例1

如图2、图3和图4所示，一种本发明的具有短钢筋抗剪构造的钢-超高性能混凝土组合桥面结构，该组合桥面结构包括钢桥面板层1和浇筑于钢桥面板层1上方的超高性能混凝土层2。在钢桥面板层1的下部设置有纵肋腹板9，在钢桥面板层1上焊接有短钢筋抗剪构造并配置有钢筋网抗拉构造。该短钢筋抗剪构造和钢筋网抗拉构造均包埋于超高性能混凝土层2中。多根抗剪短钢筋3沿纵桥向矩阵式排列焊接在钢桥面板层1上形成短钢筋抗剪构造。短钢筋3沿水平方向设置，相邻短钢筋3之间的纵桥向间距和横桥向间距均优选为150-600mm，短钢筋3的长度优选为10-60mm。短钢筋3与纵肋腹板9之间的间隔优选为50-150mm(如图2中L1所示)。而短钢筋3的端面与其铅垂面之间形成内倾的夹角θ，即短钢筋3的上沿长度大于其下沿的长度，该夹角θ为0°-45°(参见图8)。

该钢筋网抗拉构造为双层叠加型钢筋组合结构。该双层叠加型钢筋组合结构的钢筋网抗拉构造包括配置于钢桥面板层1顶面的纵筋分布层和绑扎或点焊于该纵筋分布层上方的横筋分布层，该纵筋分布层和横筋分布层交叉呈钢筋网状结构。该组合桥面结构中的纵筋分布层是由多根沿桥梁纵向(顺桥向)相互平行设置的抗拉纵筋6组成；而横筋分布层是由多根沿桥梁横向(横桥向)相互平行设置的抗拉横筋7组成。该组合桥面结构中的超高性能混凝土层2是由超高性能混凝土浇筑而成，该超高性能混凝土采用组分中含有钢纤维并且无粗骨料的水泥混凝土，其抗压强度不低于100MPa、轴拉强度不低于7MPa。在超高性能混凝土层2的上方设置有磨耗层8。

上述的具有短钢筋抗剪构造的钢-超高性能混凝土组合桥面结构的施工方法具体包括以下步骤：

(1)架设钢梁：按照常规钢桥桥梁施工方法依次进行钢梁的预制、现场拼接工序，直至完成钢梁架设得到钢桥面板层1；

(2)施工焊接短钢筋、铺设钢筋网：对已架设的钢桥面板层1进行喷砂除锈，以保证钢桥面板层1表面清洁、光亮；然后将多根短钢筋3按矩阵式排列焊接在钢桥面板层1上形成短钢筋抗剪构造，焊接时保证短钢筋3底面和钢桥面板层1的顶面直接完全施焊，对钢桥面板层1和短钢筋抗剪构造进行防腐涂装；再将抗拉纵筋6沿桥梁纵向配置在钢桥面板层1上形成纵筋分布层；将抗拉横筋7沿桥梁横向绑扎或点焊在抗剪纵筋6上形成横筋分布层；清除焊渣，纵筋分布层和横筋分布层组成钢筋网抗拉构造；

(3)浇注超高性能混凝土层：在经过步骤(2)施工后的钢桥面板层1上浇注上述的超高性能混凝土，并保证短钢筋抗剪构造和钢筋网抗拉构造均包埋于超高性能混凝土中，形成超高性能混凝土层2；

(4)铺筑磨耗层：在超高性能混凝土层2顶面进行抛丸处理，并在其上方铺筑磨耗层8，完成钢-超高性能混凝土组合桥面结构的施工。

实施例2

如图5、图6和图7所示，一种本发明的具有短钢筋抗剪构造的钢-超高性能混凝土组合桥面结构，该组合桥面结构包括钢桥面板层1和浇筑于钢桥面板层1上方的超高性能混凝土层2。在钢桥面板层1的下部设置有纵肋腹板9，在钢桥面板层1上焊接有短钢筋抗剪构造并配置有钢筋网抗拉构造。该短钢筋抗剪构造和钢筋网抗拉构造均包埋于超高性能混凝土层2中。多根抗剪短钢筋3沿纵桥向矩阵式排列焊接在钢桥面板层1上形成短钢筋抗剪构造。短钢筋3沿水平方向设置，相邻短钢筋3之间的纵桥向间距和横桥向间距均优选为150-600mm，短钢筋3的长度优选为10-60mm。短钢筋3与纵肋腹板9之间的间隔优选为50-150mm(如图5中L1所示)。而短钢筋3的端面与其铅垂面之间形成内倾的夹角θ，即短钢筋3的上沿长度大于其下沿的长度，该夹角θ为0°-45°(参见图8)。

该钢筋网抗拉构造为三层叠加型钢筋组合结构。该三层叠加型钢筋组合结构的钢筋网抗拉构造包括配置于钢桥面板层1顶面的横向垫筋分布层、绑扎或焊接于横向垫筋分布层上方的纵筋分布层和绑扎或焊接于纵筋分布层上方的横筋分布层。该纵筋分布层和横筋分布层交叉呈钢筋网状结构。横向垫筋分布层是由多根矩阵式排列的横向垫筋5组成，纵筋分布层是由多根沿桥梁纵向相互平行设置的抗拉纵筋6组成。横筋分布层是由多根沿桥梁横向相互平行设置的抗拉横筋7组成。该组合桥面结构的超高性能混凝土层2是由超高性能混凝土浇筑而成，该超高性能混凝土为组分中含有钢纤维且无粗骨料的水泥混凝土，其抗压强度不低于100MPa、轴拉强度不低于7MPa。在该超高性能混凝土层2的上方设置有磨耗层8。

上述的具有短钢筋抗剪构造的钢-超高性能混凝土组合桥面结构的施工方法具体包括以下步骤：

(1)架设钢梁：按照常规钢桥桥梁施工方法依次进行钢梁的预制、现场拼接(焊接)工序，直至完成钢梁架设得到钢桥面板层1；

(2)施工焊接短钢筋、铺设钢筋网：对已架设的钢桥面板层1进行喷砂除锈，以保证钢桥面板层1表面清洁、光亮；然后将多根短钢筋3按矩阵式排列焊接在钢桥面板层1上形成短钢筋抗剪构造，焊接时保证短钢筋3底面和钢桥面板层1的顶面直接完全施焊，对钢桥面板层1和短钢筋抗剪构造进行防腐涂装；再将多根横向垫筋5按矩阵式排列摆放在钢桥面板层1上，形成横向垫筋分布层，再将抗拉纵筋6沿桥梁纵向(顺桥向)绑扎或焊接在横向垫筋分布层上形成纵筋分布层，抗拉纵筋6焊接时通过点焊连接；将抗拉横筋7沿桥梁横向绑扎或点焊在抗拉纵筋6上形成横筋分布层，清除焊渣，横向垫筋分布层、纵筋分布层及横筋分布层组成钢筋网抗拉构造；

(3)浇注超高性能混凝土层：在经过步骤(2)施工后的钢桥面板层1上浇注超高性能混凝土，并保证短钢筋抗剪构造、钢筋网抗拉构造均包埋于超高性能混凝土中，形成超高性能混凝土层2；

(4)铺筑磨耗层：在超高性能混凝土层2顶面进行抛丸处理，并在其上方铺筑磨耗层8，完成钢-超高性能混凝土组合桥面结构的施工。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。