一种用于高速铁路的组合钢箱梁及其建造方法与流程

本发明涉及一种用于高速铁路的组合钢箱梁及其建造方法，属于高速铁路桥梁领域。

背景技术：

目前，在高速铁路领域，简支梁桥多采用t形截面梁或箱形截面梁，前者简称为t梁，后者简称为箱梁。因t梁组成的t梁桥横向刚度较小，抗扭能力较差，且安装时的稳定性较差，现场作业时间长，不适合较大跨度时使用。较大跨度的简支梁桥一般采用箱梁。

箱梁包括混凝土箱梁、钢箱梁和组合钢箱梁。当跨度较大时，混凝土箱梁的重量很大，给浇筑或架设带来了难度，如32米的高速铁路整体式箱梁重约900吨，在陆地上修建高速铁路桥梁已不宜采用更大跨度的混凝土箱梁。钢箱梁的刚度偏低，不适合用于对平整度要求极其严格的高速铁路领域。因此，高速铁路中更大跨度的简支梁桥应考虑采用组合钢箱梁。

组合钢箱梁由下部的钢箱和位于上翼缘板上的混凝土板组合而成，通过抗剪连接件相连。利用了混凝土抗压能力强，及钢材抗拉能力高的特点，充分利用了材料特性。钢箱梁的抗扭能力强，架设施工容易，适合应用于公路和城市桥梁。应用到高速铁路桥梁则仍然有缺点，就是竖向刚度仍显不足。主要原因是底板部分只有钢板，且厚度一般较小。增加组合钢箱梁底板钢板的厚度是一种策略，但钢铁工业提供的较经济的厚钢板厚度不会太大，且较厚的钢板给构造及随后的制造带来困难。在底板上焊接加紧肋，加劲肋间距受焊接作业的限制，且大量的焊接增加制造费用。因此焊接加劲肋对提高刚度作用有限，应借助混凝土材料增加箱梁底板对刚度的贡献。

一种方案是在组合钢箱梁的钢底板上直接浇筑混凝土，但混凝土材料的抗拉能力较低，使用荷载作用下，受拉后混凝土就会开裂。如果在浇筑混凝土后，对其施加预应力，则因钢底板的存在，所施加的预应力就只有部分作用在了混凝土板上，且随着混凝土收缩、徐变的进行，混凝土中的预应力就会逐渐减小，是一种效率不高的方法，且仍可能使用荷载作用下的开裂。另一种方案是采用钢箱作为钢箱梁的底板，向内部灌注混凝土或砂浆，并随后施加预应力，这是一种不错的方法，可以满足工程应用，但仍存在以下缺点：预应力仍有大部分“消耗”在了钢箱上，而钢箱的抗拉能力强，是不需要该部分预应力的；钢箱内的混凝土或砂浆仍存在收缩、徐变问题，内部预应力会在使用过程中降低；若在架设前浇筑钢箱内的混凝土或砂浆，就会增加吊装重量；若是在钢箱安装到位后浇筑底板内的混凝土或砂浆，再随后张拉预应力，则影响施工进度；因钢箱的底板作为浇筑混凝土或砂浆的模板，决定了其宽度不可能较大，一个组合梁不能满足整幅桥梁的需要，只能采用在横向用多根梁拼装的形式，这样就会使现场作业复杂并增加作业时间。因此，高速铁路桥梁中急需一种高效且可快速施工的组合钢箱梁。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的不足和问题，提供了一种用于高速铁路的组合钢箱梁及其建造方法。该组合钢箱梁外部特征同一般的组合钢箱梁，包括钢箱、上翼缘板、混凝土顶板，后二者之间通过焊接于上翼缘板上表面的抗剪连接件相连，其特征在于：在钢箱的内部，钢底板与预制的预应力混凝土板相结合，共同作为组合钢箱梁的底板。本方案可充分利用当前结构胶的高粘结力、比一般混凝土高的抗拉及抗压能力。粘结层将预制的预应力混凝土板与下钢箱联结成一体。钢箱内可以设置横隔板，及腹板的加劲肋，及下翼缘板的纵、横向加劲肋。

进一步地，钢箱内的预应力混凝土板采用超高强混凝土制作而成。这主要是考虑到受拉区的混凝土会在使用荷载作用下产生较大的拉应变，预应力混凝土板内应有足够大的预应力储备。近年来，超高强混凝土的发展为此提供了支持，一般条件下预制的超高强混凝土强度可接近200mpa，而采用活性粉末制作的混凝土，采用适当的蒸汽养护后，强度超过300mpa，接近常规钢材的强度。同时，超高强混凝土的抗拉强度也相应得到提高。这样，预制的预应力混凝土板内就可储存超过50mpa的预压应力，再考虑到自身具有的抗拉强度，预应力混凝土板就可配置在梁的受拉区。考虑到较大跨度的高速铁路桥梁中，起控制作用的是刚度而非强度，本发明的方案是合理且可行的。

考虑到钢箱的腹板可能存在失稳问题，其腹板可采用波纹钢腹板。波纹钢腹板近年来已开始较大规模地在工程中得到应用，其优异的传力特性已得到工程界的认可。采用波纹钢腹板后，钢箱的制造变得相对简单，节约了造价。

为增强钢箱内预应力混凝土板与钢底板的连接，在钢箱内的预应力混凝土板上预留竖向的孔洞，在钢箱的底板上表面相应位置焊接螺杆，预应力混凝土板与钢底板通过结构胶，以及紧固螺栓相连接，并保持挤压密贴。

增强预应力混凝土板与钢底板连接的方法，是在预应力混凝土板预制时预留剪力槽，钢箱底板上表面相应地焊接有剪力钉群。这是常规预制混凝土板与钢梁组合连接的常用方法。

在桥梁较宽的情况下，钢箱内部可安装竖向隔板，将钢箱内部分为多个横向的空间，钢箱内预制的预应力混凝土板也横向分为多块。

本发明中的建造方法包括如下步骤：

(a)工厂制造钢箱，包括钢箱内的横隔板（横隔板与钢箱底板预留有足够的安装预应力钢筋混凝土板的空间），钢箱腹板内侧的加劲肋，上翼缘板下表面的纵、横肋，以及上翼缘板上表面的抗剪连接件，在混凝土预制场，预制将要穿入钢箱内的预应力混凝土板，预制方法为先张法，并采用长线法制作，使一条生产线可同时预制多片预应力混凝土板，并在相应位置预留剪力槽；

(b)在混凝土预制场，预制上翼缘板上的混凝土板，并预留剪力槽；

(c)将同一组合梁对应的钢箱、混凝土板、预应力混凝土板运至施工现场；

(d)调整支座位置后，安装钢箱，再安装上翼缘板上的混凝土板，在剪力槽内浇筑微膨胀混凝土，微膨胀混凝土强度达到设计强度的85%后方可进入下一步骤；

(e)在钢箱底板上表面放置与设计的结构胶层等厚度的薄钢支垫板，并在剪力槽位置四周放置橡胶垫圈，将预应力混凝土板穿入钢箱，调整位置后缓缓落下，在剪力槽内浇筑微膨胀混凝土，微膨胀混凝土强度达到设计强度的85%后方可进入下一步骤；

(f)封闭梁两端面预应力混凝土板底板及侧面，与钢箱间的间隙，并在一端的底部安装多个进浆孔，另一端的侧面顶部安装多个出浆孔，缓缓地从进浆孔压注改性环氧树脂结构胶液，直到所有的出浆孔出浆且无气泡。

考虑到在安装预应力混凝土板时浇筑连接混凝土，会影响施工进度，可对上述施工方法略作修改，用结构胶及紧固螺栓连接预应力混凝土板。在步骤(a)中，在钢箱底板上焊接的抗剪连接件为螺杆，预应力混凝土板上相应地预留孔洞，在步骤(e)中连接紧固螺栓，在完成步骤(f)后终拧紧固螺栓。

若跨越河流或沟的桥梁长度不大，上翼缘板上的混凝土板可采用现浇法施工。这对于工期要求不是很高的公路桥、城市桥梁是可行的，可节约混凝土板的造价。

本发明中钢箱内的预制预应力混凝土板可采用单块板，也可沿梁的横向分割为多个窄板，不影响结构性能。也可在纵向分割，考虑到跨中部分需承受较大的弯矩，纵向宜对称地分割为三段。

为了减小使用过程中的维修费用，本发明中的钢材可采用耐候钢。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）增大了组合钢箱梁的截面抗弯能力，提高了桥梁的抗弯刚度；

（2）组合钢箱梁分部分制造，运输到现场安装，便于运输；

（3）采用现场组装的方法，便于吊装作业；

（4）应用于高速铁路桥梁，可增加简支梁的跨度；

（5）在刚度增加的同时，减小了重量，增加了结构的频率，保证了车辆过桥时的动力稳定特性。

附图说明

图1实施例一中组合钢箱梁的横断面示意图；

图2实施例一中预应力混凝土板的横断面示意图；

图3实施例一中预制的钢箱梁的横断面示意图；

图4图1中c处的局部示意图；

图5实施例二的组合箱梁横断面示意图；

图6实施例三的组合箱梁横断面示意图；

图中的标识：1-预应力混凝土板，2-预应力筋，3-粘结层，4-钢底板，5-腹板，6-钢支承板，7-底板剪力槽，8-橡胶垫圈，9-底板剪力钉群，10-底板微膨胀混凝土，11-上翼缘板，12-混凝土顶板，13-顶板剪力钉群，14-顶板剪力槽，15-顶板微膨胀混凝土，16-下垫板，17-上垫板，18-螺帽，19-螺杆，20-抗剪栓钉。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案进行了描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一

本实施例对应的示意图见图1、图2、图3和图4。本实施例应用于高速铁路桥梁制造和安装。本发明中的钢箱由腹板（5）、钢底板（4）和上翼缘板（11）组成，内部有沿纵向一定间距布置的上桁架式横隔板。钢箱内安装有预应力混凝土板（1），两者间有粘结层（3），预应力混凝土板（1）内有预应力筋（2）。上翼缘板（11）上连接有预制的混凝土顶板（12），两者通过上翼缘板（11）上表面上焊接的顶板剪力钉群（13）相连接。对应地，混凝土顶板（12）上预留有矩形的顶板剪力槽（14），其内浇筑有顶板微膨胀混凝土（15）。钢箱呈倒梯形，预应力混凝土板（1）也为倒梯形，并有底板剪力槽（7），相应地，钢底板（4）上焊接有底板剪力钉群（9）。底板剪力槽（7）内浇筑有底板微膨胀混凝土（10）。本实施例中钢箱梁的建造方法包括如下步骤：

(a)工厂制造钢箱，包括钢箱内的横隔板（横隔板与钢底板（4）预留有足够的安装预应力混凝土板（1）的空间），钢箱的腹板（5）内侧的加劲肋，上翼缘板（11）下表面的纵、横肋，以及上翼缘板（11）上表面的顶板剪力钉群（13），在混凝土预制场，预制将要穿入钢箱内的预应力混凝土板（1），预制方法为先张法，并采用长线法制作，使一条生产线可同时预制多片预应力混凝土板（1），并在相应位置预留底板剪力槽（7）；

(b)在混凝土预制场，预制上翼缘板（11）上的混凝土板（12），并预留顶板剪力槽（14）；

(c)将同一组合梁对应的钢箱、混凝土顶板（12）、预应力混凝土板（1）运至施工现场；

(d)调整支座位置后，安装钢箱，再安装上翼缘板（11）上的混凝土顶板（12），在顶板剪力槽（14）内浇筑顶板微膨胀混凝土（15），待其混凝土强度达到设计强度的85%后，方可进入下一步骤；

(e)在钢底板（4）上表面放置与设计的结构胶层粘结层（3）等厚度的钢支承板（6），并在底板剪力槽（7）四周放置橡胶垫圈（8），将预应力混凝土板（1）穿入钢箱，调整位置后缓缓落下，在底板剪力槽（7）内浇筑底板微膨胀混凝土（10），待其混凝土强度达到设计强度的85%后，方可进入下一步骤；

(f)封闭梁两端面预应力混凝土板（1）底板及侧面，与钢箱间的间隙，并在一端的底部安装多个进浆孔，另一端的侧面顶部安装多个出浆孔，缓缓地从进浆孔压注改性环氧树脂结构胶液，直到所有的出浆孔出浆且无气泡。

实施例二

本实施例对应的示意图见图5。本实施例是对实施例一的修改，改变预应力混凝土板（1）与钢底板（4）的连接方法。在钢底板（4）上表面焊接有螺杆（19），相应地，预制预应力混凝土板（1）时，在其上相应位置预留有竖向空洞。安装预应力混凝土板（1）后，螺杆（19）从下到上依次安装有下垫板（16）、上垫板（17）和螺帽（18）。安装预应力混凝土板（1）前，先安装下垫板（16），再在螺杆（19）上外套橡胶垫，落至下垫板（16）上表面。

实施例三

该实施例对应的示意图见图6。本实施例是对上一实施例的修改。采用现浇法建造混凝土顶板（12）。上翼缘板（11）上表面焊接有抗剪栓钉（20）。相应地，省略了建造方法中的步骤(b)，并将步骤(d)中预制的混凝土顶板（12）的安装，改为现场浇筑。该实施例减少了预制工作量，并减少了安装工作量，但需要加强现场质量管理，相应地增加了施工时间。