一种组合钢箱梁及其建造方法与流程

本发明涉及一种组合钢箱梁及其建造方法，属于桥梁结构技术领域，主要应用于高速铁路桥梁。

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。因此，应借助混凝土材料增加箱梁底板对刚度的贡献。

若在组合钢箱梁的钢底板上直接浇筑混凝土，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，仍难以避免使用荷载作用下的开裂。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，只能采用在横向多梁拼装的形式，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，提供了一种组合钢箱梁及其建造方法。该组合钢箱梁的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。本发明的的钢箱内部有一水平隔板，将钢箱内部空间分为上下两部分，分别称为上钢箱和下钢箱，下钢箱内通过结构胶粘结有预制的预应力混凝土板。本方案充分利用了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。一般情况下，在梁的横断面上，上钢箱的面积比下钢箱的大，上钢箱内可以设置横隔板，及腹板的加劲肋。上钢箱腹板和下钢箱腹板可为同一钢板。

进一步地，下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。

进一步地，下钢箱内的预应力混凝土板预留有竖向的孔洞，同时在下钢箱的底板和顶板相应位置也有开孔，紧固螺栓将预应力混凝土板与下钢箱的顶、底板挤压密贴。该措施是为了提高预制的预应力混凝土板与下钢箱的整体性，确保两者变形的一致性。

考虑到上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。

本发明中的混凝土顶板除了可以现浇施工外，也可为预制的预应力混凝土板，预制时留有剪力槽，安装后通过集束式抗剪连接件与钢箱的上翼缘板相连。这些也是常规组合梁中混凝土顶板的施工方法。预制的混凝土顶板可加快施工进度，混凝土质量得到保障。

钢箱内部可以有竖向隔板，将钢箱内部分为多个横向的空间。这主要是针对宽幅桥面的，可形成一箱多室的内部结构。

本发明中的建造方法包括如下步骤：

(a)工厂制造钢箱，包括上钢箱内的横隔板，上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，预制将要穿入下钢箱的预应力混凝土板，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，并在相应位置预留竖向孔洞，孔洞内径同下钢箱顶、底板上预留的开孔内径；

(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；

(e)待微膨胀混凝土强度达到设计强度的85%后，将预应力混凝土板穿入下钢箱，在板端部下面放入与设计的结构胶层等厚度的薄钢支垫板，并使下钢箱顶、底板及预应力混凝土板上的孔洞相对应，穿入外径同开孔内径的pvc管，并将管与下钢箱顶、底板孔间隙用砂浆密封；

(f)封闭梁两端面预应力混凝土板与下钢箱间的间隙，并在一端的底部安装多个进浆孔，另一端的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，待粘结层的结构胶强度达到100%设计强度后，剪除外露的pvc管，安装紧固螺栓。

本发明中的施工方法可与上述的略有不同，不采用紧固螺栓，相应地，预应力混凝土板及下钢箱的顶、底板不预留孔洞，这样处理可简化制造和施工；也可上翼缘板上的混凝土板采用现浇法施工，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。

本发明中下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，本发明的一种组合钢箱梁及其建造方法具有以下有益效果：

（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组合箱梁的横断面示意图；

图2预应力混凝土板的横断面示意图；

图3预制的钢箱梁的横断面示意图；

图4实施例二的组合箱梁横断面示意图；

图5实施例一的组合箱梁横断面示意图；

图中标识：1-预应力混凝土板，2-预应力筋，3-粘结层，4-下钢箱腹板，5-下钢箱底板，6-两钢箱间隔板，7-上钢箱腹板，8-上钢箱横隔板，9-人洞，10-上翼缘板，11-栓钉连接件，12-混凝土顶板，13-紧固螺栓，14-集束式剪力钉，15-剪力槽，16-微膨胀混凝土。

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5。本实施例应用于高速铁路桥梁制造和安装。本发明中的钢箱包括上钢箱和下钢箱。上钢箱由上钢箱腹板（7）、两钢箱间隔板（6）和上翼缘板（10）组成，内部有沿纵向一定间距布置的上钢箱横隔板（8），上钢箱横隔板（8）中间留有人洞（9）；下钢箱由下钢箱腹板（4）、两钢箱间隔板（6）和下钢箱底板（5）组成，下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（10）上连接有预制的混凝土顶板（12），两者通过上翼缘板（10）上表面上焊接的集束式剪力钉（14）相连接。对应地，混凝土顶板（12）上预留有矩形的剪力槽（15）。上钢箱腹板（7）和下钢箱腹板（4）为制作的一整块平钢板，使下钢箱呈倒梯形。相应地，预应力混凝土板（1）也为倒梯形。本实例中的钢箱外形更美观。

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，包括上钢箱横隔板（8），上钢箱腹板（7）内侧的加劲肋，上翼缘板（10）下表面的纵、横肋，以及上翼缘板（10）上表面的集束式剪力钉（14），在混凝土预制场，预制将要穿入下钢箱的预应力混凝土板（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），并在相应位置预留竖向孔洞，孔洞内径同下钢箱顶、底板上预留的开孔内径；

(b)在混凝土预制场，预制上翼缘板（10）上的混凝土顶板（12），并预留剪力槽（15）；

(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（10）上的混凝土顶板（12），在剪力槽（15）内浇筑微膨胀混凝土（16）；

(e)待微膨胀混凝土（16）强度达到设计强度的85%后，将预应力混凝土板（1）穿入下钢箱，在板端部下面放入与设计的粘结层（3）等厚度的薄钢支垫板，并使下钢箱顶、底板及预应力混凝土板（1）上的孔洞相对应，穿入外径同开孔内径的pvc管，并将管与下钢箱顶、底板孔间隙用砂浆密封；

(f)封闭梁两端面预应力混凝土板（1）与下钢箱间的间隙，并在一端的底部安装多个进浆孔，另一端的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，待粘结层（3）的结构胶强度达到100%设计强度后，剪除外露的pvc管，安装紧固螺栓（13）。该组合钢箱梁安装完成后，可继续进行桥面施工。

实施例二

本实施例对应的示意图见图4，应用于城市桥梁，对应的项目中桥梁跨数较少。本实施例是对实施例一的修改，采用现浇法建造混凝土顶板（12），上翼缘板（10）上表面焊接有栓钉连接件（11）。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。在浇筑后，按施工要求养护7天，才可进行下个步骤的施工。上钢箱的制作同常规的钢箱梁，在其底板下方焊接u形的槽形钢构件，组成下钢箱。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。

实施例三

该实施例对应的示意图见图1、图2和图3。本实施例是对实施例二的修改。主要是考虑到紧固螺栓（13）的底部在下钢箱底板（5）的下表面外，也就是钢箱外侧，影响美观，予以取消，从而简化了预制和现场施工。