变高里衬混凝土的大跨径波形钢腹板组合梁桥的制作方法

本实用新型属于交通运输桥涵工程技术领域，尤其涉及一种变高里衬混凝土的大跨径波形钢腹板组合梁桥及其施工方法。

背景技术：

随着桥梁跨度的增大，波形钢腹板的支点附近截面钢腹板高度也越来越大，容易发生屈曲失稳破坏。一般工程中采用里衬混凝土来约束支点附近节段的波形钢腹板，以防止节段屈曲。《广东省规范》(DB44/T1393-2014 7.2.2条)指出，波形钢腹板的净高度建议小于5m，以防止腹板的屈曲失稳。但随着桥梁跨径的增大，在支座高跨比1/15～1/17的条件约束下，当跨径达到180m以上时，支点处波形钢腹板的净高度达到了9～10m，梁底按照1.6次抛物线线型变化，波形钢腹板易发生屈曲失稳破坏。因此，在大跨径刚构桥的负弯矩区段采用里衬混凝土以约束波形钢腹板的屈曲，全高里衬混凝土使得结构自重大大增加，对于设计产生不利影响。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提出一种变高里衬混凝土的大跨径波形钢腹板组合梁桥及其施工方法，该型组合梁桥具有自重轻、施工便捷等特点，且能有效约束波形钢腹板屈曲变形。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案

变高里衬混凝土的大跨径波形钢腹板组合梁桥，在刚构桥支点负弯矩区段采用全高混凝土里衬段与变高混凝土里衬段。

变高混凝土里衬的上表面线与全高混凝土里衬的外垂线的角度θ不小于90度，上表面线与外垂线的交点到全高里衬下缘高度应大于外垂线高度的1/2。

变高混凝土里衬段的水平投影长度Lb小于计算跨径的1/10，大于计算跨径的1/15；全高混凝土里衬段长度为计算跨径的1/10～1/15，且不超过20m。

变高混凝土里衬段的钢腹板内侧加密设置剪力钉，其剪力钉设置密度应大于全高混凝土里衬段剪力钉设置密度的1.5倍以上。

变高混凝土里衬段内的钢筋密度为全高混凝土里衬段的1.5倍以上。

变高混凝土里衬段的混凝土不分担截面剪力作用，且截面应力满足以下公式：

τd＝Vd/A钢腹板≤[τ]

[τ]＝min{τcr，L，τcr，G，τcr，I，fvd}

式中：

Vd为作用于波形钢腹板的剪力；

A钢腹板为波形钢腹板截面面积；

τd为承载能力极限状态设计荷载下波形钢腹板的剪应力；

τcr，L为局部屈曲临界应力；

τcr，G为整体屈曲临界应力；

τcr，I为组合屈曲临界应力；

fvd为钢腹板截面剪切强度设计值；

其中：

τcr，I＝τcr，L{1/[1+(τcr，L/τcr，G)⁴]}^1/4

式中：

τy为波形钢腹板剪切屈服应力；

λsL为剪切屈曲参数，

为弹性局部屈曲临界应力，

k为剪切屈曲系数，k＝4+5.34/α²；

α为波形钢腹板纵横比，α＝a/h；

a为波形钢腹板直线段长度；

h为波形钢腹板高度；

E为波形钢腹板的弹性模量；

μ为波形钢腹板的泊松比；

γ为波形钢腹板高厚比，γ＝h/t；

t为波形钢腹板厚度；

λsG为剪切屈曲参数，

为弹性整体屈曲临界应力，

β为梁段支撑固结度系数，取1.9；

IX为波形钢腹板轴向惯性矩，IX＝t³(δ²+1)/(6η)；

δ为波形钢腹板波高板厚比；

η为长度减少系数；

IY为波形钢腹板相对高度方向惯性矩，IY＝t³/[12(1-μ²)]；

6为波形钢腹板波高板厚比；

η为长度减少系数；

IY为波形钢腹板相对高度方向惯性矩，IY＝t³/[12(1-μ²)]。

上述变高里衬混凝土的大跨径波形钢腹板组合梁桥的施工方法，按以下步骤操作进行：

<1>工厂加工波形钢腹板，同时在设置里衬混凝土区段相应的钢-全高混凝土结合面和钢-变高混凝土结合面上焊接好剪力钉；

<2>将波形钢腹板吊装就位；

<3>搭建浇筑混凝土所需模板，绑扎底板、全高里衬混凝土段或变高里衬混凝土段、顶板所需钢筋；

<4>浇筑混凝土顶板、底板、里衬混凝土，并进行下一节段波形钢腹板吊装。

针对现有大跨径刚构桥存在的问题，发明人设计了一种变高里衬混凝土的大跨径波形钢腹板组合梁桥，在刚构桥支点负弯矩区段采用全高混凝土里衬段与变高混凝土里衬段。该设计采用变高的里衬混凝土以约束波形钢腹板的屈曲变形，以替代全高的里衬混凝土，减小里衬混凝土的总重量，具有自重轻、施工便捷且能有效约束波形钢腹板屈曲变形。据此，发明人还建立了相应施工方法，并提出了设置部分里衬混凝土波形钢腹板的屈曲特性计算方法。

附图说明

图1是本实用新型变高里衬混凝土的大跨径波形钢腹板组合梁桥的立面示意图。

图2是本实用新型变高里衬混凝土的大跨径波形钢腹板组合梁桥详图。

图3是应用本实用新型时波形钢腹板吊装就位及搭设混凝土模板完毕的示意图。

图4是应用本实用新型时第一节段混凝土浇筑完成的示意图。

图5是应用本实用新型时里衬混凝土区段施工完毕的示意图。

图6是应用本实用新型的某刚构桥桥立面示意图。

图中：1全高混凝土里衬，2变高混凝土里衬，3波形钢腹板，4上翼缘板，5下翼缘板，6主墩，7中支点横隔板，8中支点腹板，9变高混凝土里衬的上表面线，10全高混凝土里衬的外垂线，11变高混凝土里衬段水平投影长度Lb

具体实施方式

一、变高里衬混凝土的大跨径波形钢腹板组合梁桥的基本结构和原理

如图1所示，采用变高里衬混凝土的大跨径波形钢腹板组合梁桥，在刚构桥支点负弯矩区段采用全高混凝土里衬段与变高混凝土里衬段。其中，变高混凝土里衬的上表面线与全高混凝土里衬的外垂线的角度θ不小于90度，上表面线与外垂线的交点到全高里衬下缘高度应大于外垂线高度的1/2(图2)。

变高混凝土里衬段的钢腹板在计算抗剪屈曲能力时，钢腹板尺寸按上翼缘、外垂线与上表面线围成的范围计算，边界条件按上、下边为固接，左右为简支进行计算，变高混凝土里衬段的混凝土不分担截面剪力作用，且截面应力满足以下公式：

τd＝Vd/A钢腹板≤[τ]

[τ]＝min{τcr，L，τcr，G，τcr，I，fvd}

式中：

Vd为作用于波形钢腹板的剪力；

A钢腹板为波形钢腹板截面面积；

τd为承载能力极限状态设计荷载下波形钢腹板的剪应力；

τcr，L为局部屈曲临界应力；

τcr，G为整体屈曲临界应力；

τcr，I为组合屈曲临界应力；

fvd为钢腹板截面剪切强度设计值；

其中：

τcr，I＝τcr，L{1/[1+(τcr，L/τcr，G)⁴]}^1/4

式中：

τy为波形钢腹板剪切屈服应力；

λsL为剪切屈曲参数，

为弹性局部屈曲临界应力，

k为剪切屈曲系数，k＝4+5.34/α²；

α为波形钢腹板纵横比，α＝a/h；

a为波形钢腹板直线段长度；

h为波形钢腹板高度；

E为波形钢腹板的弹性模量；

μ为波形钢腹板的泊松比；

γ为波形钢腹板高厚比，γ＝h/t；

t为波形钢腹板厚度；

λsG为剪切屈曲参数，

为弹性整体屈曲临界应力，

β为梁段支撑固结度系数，取1.9；

IX为波形钢腹板轴向惯性矩，IX＝t³(δ²+1)/(6η)；

δ为波形钢腹板波高板厚比；

η为长度减少系数，η＝1600/1712.4＝0.934；

IY为波形钢腹板相对高度方向惯性矩，IY＝t³/[12(1-μ²)]；

δ为波形钢腹板波高板厚比；

η为长度减少系数；

IY为波形钢腹板相对高度方向惯性矩，IY＝t³/[12(1-μ²)]°

变高混凝土里衬段的水平投影长度Lb小于计算跨径的1/10，大于计算跨径的1/15(图2)；全高混凝土里衬段长度为计算跨径的1/10～1/15，且不超过20m。

二、变高里衬混凝土的大跨径波形钢腹板组合梁桥的施工方法

<1>工厂加工波形钢腹板，同时在设置里衬混凝土区段相应的钢-全高混凝土结合面和钢-变高混凝土结合面上按照相应密度要求焊接好剪力钉；变高混凝土里衬段的钢腹板内侧加密设置剪力钉，其剪力钉设置密度应大于全高混凝土里衬段剪力钉设置密度的1.5倍以上。

<2>将波形钢腹板吊装就位；

<3>搭建浇筑混凝土所需模板，绑扎底板、全高里衬混凝土段或变高里衬混凝土段、顶板所需钢筋，变高混凝土里衬段内的钢筋密度为全高混凝土里衬段的1.5倍以上；(图3)

<4>浇筑混凝土顶板、底板、里衬混凝土，并进行下一节段波形钢腹板吊装(图4-5)。三、变高里衬混凝土的大跨径波形钢腹板组合梁桥的应用

某波形钢腹板刚构桥设计跨径为(85+150+85)m，其中支点处的波形钢腹板净高度为8.00m。参照前述本实用新型的结构和施工方法，在中支座附近梁段设置14.40m的全高里衬混凝土段，在全高里衬混凝土段外侧设置14.00m的变高里衬混凝土段，即里衬混凝土段总长为28.40m。波形钢腹板采用1600型，波高100mm，直线段长度0.43m，Q345D钢材。(图6)

A-B段波形钢腹板厚度为22mm，B-C段波形钢腹板厚度为18mm，C-D段波形钢腹板厚度为16mm。

由剪应力验算和屈曲验算，截面应力应满足：

τd＝Vd/A钢腹板≤[τ]

[τ]＝min{τcr，L，τcr，G，τcr，I，fvd}

τcr，I＝τcr，L{1/[1+(τcr，L/τcr，G)⁴]}^1/4

式中：

τy-波形钢腹板剪切屈服应力，取199.2MPa；

λsL-剪切屈曲参数，

-弹性局部屈曲临界应力，

k-剪切屈曲系数，k＝4+5.34/α²；

α-波形钢腹板纵横比，α＝a/h；

a-波形钢腹板直线段长度，取0.43m；

h-波形钢腹板高度；

E-波形钢腹板的弹性模量；

μ-波形钢腹板的泊松比，取0.3；

γ-波形钢腹板高厚比，γ＝h/t；

t-波形钢腹板厚度；

λsG-剪切屈曲参数，

-弹性整体屈曲临界应力，

β-梁段支撑固结度系数，取1.9；

IX-波形钢腹板轴向惯性矩，IX＝t³(δ²+1)/(6η)；

δ-波形钢腹板波高板厚比；

η-长度减少系数，η＝1600/1712.4＝0.934；

IY-波形钢腹板相对高度方向惯性矩，IY＝t³/[12(1-μ²)]°

未设置里衬混凝土时，剪应力验算和屈曲验算计算结果见表1。

表1极限荷载作用下波形钢腹板剪力结果(未设置里衬混凝土)

由表1可知，C-C截面：fvd＞τd＞τcr，I，因而在C-D段设置14.00m的变高里衬混凝土段用于约束波形钢腹板屈曲变形。

设置里衬混凝土后，剪应力验算和屈曲验算计算结果见表2。

表2极限荷载作用下波形钢腹板剪力结果(设置里衬混凝土)

由表2可知，各截面均满足剪应力验算和屈曲验算要求。