一种新型钢‑混凝土组合桥梁及其施工方法与流程

本发明涉及一种钢-混凝土组合桥梁及其施工方法。

背景技术：

目前，随着城市超饱和交通量的不断加剧，城市高架桥得以迅猛发展，高架桥作为城市立体交通中的重要环节，能够显著缓解交通压力，节约城市空间，提升人民生活品质，推动城市快速发展。传统城市高架桥以(预应力)钢筋混凝土梁为主，自重大，施工周期长，现场浇筑必然带来严重的交通拥堵难题；近年来，钢桥开始逐步发展，自重轻，施工便捷，但是钢桥面铺装层推移、拥包等病害难以克服，施工造价高，严重阻碍其发展与应用，而钢-混凝土组合桥梁充分发挥了钢材抗拉强度高与混凝土抗压性能好的特点，具有显著的技术经济综合优势。近年来，高架桥等城市交通基础设施建设发展迅猛，具有施工作业空间有限，工期紧迫，下部交通流量大、混凝土桥面板易开裂等显著特点，因此如何基于材料与结构提出适用于城市高架桥安全快速施工的新型桥梁是目前面临的重要难题。

FRP(Fiber Reinforced Polymer/Plastic，即纤维增强复合材料，简称FRP)是由纤维材料和基体材料按照一定比例混合并经过拉挤、手糊等工艺复合形成的新型高性能材料，近年来，FRP以其高强、轻质、耐腐蚀、施工性能好等优点开始在土木工程中得到应用，并逐步受到工程界广泛关注。

SAP((Super Absorbent Polymer，即高吸水性树脂，简称SAP)内养护混凝土一种以预湿后高吸水性树脂(SAP)作为内养护材料的混凝土，养护过程中可预湿多种功能性试剂，从而达到不同养护效果，避免常规混凝土养护过程中因内部水分缺失所引起的混凝土开裂等问题。

因此，基于上述FRP材料与SAP内养护混凝土的特点，针对目前城市高架桥建设面临的难题，本发明以FRP板或者T形钢梁的上翼缘钢板(以下简称钢板)为模板，整体浇筑SAP内养护混凝土桥面板，形成组合桥梁整体结构，不仅充分发挥了钢-FRP-SAP内养护混凝土的材料优势，避免超大超薄混凝土桥面板收缩开裂及其造成的桥面板内钢筋锈蚀、主梁渗水和钢主梁锈蚀等问题，而且显著提升组合桥梁整体力学性能，降低桥梁对施工作业空间与机械设备的需求，减少混凝土桥面板现浇立模-拆模工序，节约施工工期，大幅降低现场施工对环境的污染及其造成的城市交通拥堵，同时也克服了钢桥面铺装层易损难题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种新型钢-混凝土组合桥梁及其施工方法，提升桥梁整体受力性能，解决城市高架桥长期落地支架施工导致的城市交通拥堵难题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种新型钢-混凝土组合桥梁，其特征在于包括主梁、现浇SAP内养护混凝土桥面板和剪力钉；所述主梁上设置集束式或者均布式剪力钉；主梁沿横桥向拼装架设若干(如3～20片)，所有主梁沿桥梁纵向通过端连接板连接形成整体(沿桥梁纵向通过端连接板螺栓锚固连接形成整体)，构成多孔一联(多孔一联主梁的长度为两相邻伸缩缝之间的桥梁长度)；

所述主梁的顶面沿横桥向设置开孔加劲肋(相邻开孔加劲肋之间的距离为1～3m)，并且所述主梁的顶面涂有环氧树脂粘结层，开孔加劲肋上等间距布置多个孔洞(孔径为10～50mm，相邻孔洞之间的距离为100～200mm，孔洞的个数根据桥梁宽度确定)，纵向钢筋穿过开孔加劲肋上的孔洞，横向钢筋沿桥梁纵向等间距布置(如绑扎)在纵向钢筋上形成纵横向钢筋网；在环氧树脂粘结层上浇筑SAP内养护混凝土形成现浇SAP内养护混凝土桥面板，剪力钉、纵横向钢筋网与开孔加劲肋位于现浇SAP内养护混凝土桥面板内(其FRP板或者T形钢梁的上翼缘钢板与现浇SAP内养护混凝土桥面板之间通过环氧树脂粘结层、开孔加劲肋以及纵横向钢筋网加强连接；现浇SAP内养护混凝土桥面板与主梁之间通过剪力钉连接)；

所述的主梁为工字钢梁和FRP板连接形成，工字钢梁的上翼缘板设置剪力钉，FRP板位于工字钢梁的顶面，FRP板由剪力钉与工字钢梁固定；或者，所述的主梁为T形钢梁，T形钢梁的上翼缘钢板设置剪力钉。

按照上述技术方案，所述沿横桥向拼装架设若干的主梁，相邻主梁之间的距离为1.0～3.0米(根椐桥梁设计宽度确定主梁个数)。

按照上述技术方案，端连接板设置在支座位置处，端连接板布置局部纵向加劲肋以及横竖向剪力钉，沿桥梁纵向通过锚固螺栓连接。

按照上述技术方案，所述环氧树脂粘结层的厚度为3～5mm；所述环氧树脂粘结层6的材料可为环氧树脂。

按照上述技术方案，所述现浇SAP内养护混凝土桥面板的厚度为18～30cm。

按照上述技术方案，所述开孔加劲肋为FRP开孔加劲肋或钢开孔加劲肋，结构形式可为工字形、匚形或者U形；FRP开孔加劲肋通过环氧树脂粘结层粘结在FRP板上；钢开孔加劲肋预先焊接在T形钢梁的上翼缘钢板，主梁拼装后，焊接横向拼接缝形成整体。

按照上述技术方案，剪力钉可采用均布式或者集束式；剪力钉的直径为Ф15mm～Ф30mm，高度为80mm～350mm，相邻的剪力钉之间间距为100mm～115mm；剪力钉群间距为300mm～800mm(沿桥梁纵向，剪力钉群间距可变)。

按照上述技术方案，所述的SAP内养护混凝土由水泥、粉煤灰、矿粉、砂、碎石、水、减水剂、增韧抗裂材料、减缩增韧剂和高吸水性树脂(SAP)搅拌而成，各成分的配比按kg/m³计分别为：水泥380～550，粉煤灰80～140，矿粉50～160，砂570～620，碎石880～920，水160～170，减水剂8～8.5，增韧抗裂材料2～4，减缩增韧剂掺量为水泥用量的0.5％～1.5％，高吸水性树脂(SAP)掺量为水泥质量的0.2％～0.4％。其中高吸水性树脂(SAP)完全干燥条件下粒径为0.1～2mm，预湿后高吸水性树脂(SAP)体积为干燥树脂体积的十几倍到几十倍，且保水性能优良。现浇的SAP内养护混凝土是一种以预湿后高吸水性树脂(SAP)作为内养护材料的混凝土。

所述的内养护材料引入水量(以W/C记)，根据Powers理论计算得出：

当W/C≤0.36时，(W/C)e＝0.18(W/C)

当W/C＞0.36时，(W/C)e＝0.42-(W/C)。

按照上述技术方案，上述一种新型钢-混凝土组合桥梁的施工方法，其特征在于包括如下步骤：

1)主梁采用下述二种方式之一：

①将工字钢梁和FRP板连接形成主梁，工字钢梁的上翼缘板设置剪力钉，FRP板位于工字钢梁的顶面，FRP板通过剪力钉与工字钢梁固定；

②采用T形钢梁作为主梁，T形钢梁的上翼缘钢板设置剪力钉；

2)拼装主梁：主梁整孔吊装安置在临时支座上，沿横桥向拼装架设若干(如3～20片)，并通过端连接板沿桥梁纵向依次连接形成整体{主梁采用工字钢梁和FRP板时，利用弹性橡胶条密封FRP板之间接缝；主梁采用T形钢梁时，主梁拼装后，焊接相邻T形钢梁的上翼缘钢板(简称钢板)纵向拼接缝以形成整体}，构成多孔一联；

3)主梁的顶面沿横桥向设置开孔加劲肋，并且涂有环氧树脂粘结层，开孔加劲肋上等间距布置多个孔洞，纵向钢筋穿过开孔加劲肋上的孔洞，横向钢筋沿桥梁纵向等间距布置在纵向钢筋上形成纵横向钢筋网；

4)以FRP板或T形钢梁的上翼缘钢板为模板，在环氧树脂粘结层上面浇筑SAP内养护混凝土形成现浇SAP内养护混凝土桥面板，剪力钉、纵横向钢筋网与开孔加劲肋位于现浇SAP内养护混凝土桥面板内；养护达到设计强度后，安装永久支座，拆除临时支座，铺装桥面系，形成新型钢-混凝土组合桥梁。

所述主梁(现浇SAP内养护混凝土桥面板以外部分)分片整孔吊装后，除墩顶支座位置处，不同预制主梁之间可不设置横隔梁，各主梁之间通过SAP内养护混凝土桥面板、剪力钉、开孔加劲肋、纵横向钢筋网以及T形钢梁的钢板(只针对T形钢主梁)实现共同受力。

该桥梁将FRP板与工字钢梁连接形成主梁或者以T形钢梁为主梁结构，根据桥宽设计，沿横桥向布置若干片，不同主梁FRP板接缝之间密封弹性橡胶条7或者沿桥梁纵向焊接T形钢梁的上翼缘钢板拼接缝；在FRP板或者钢板顶部沿桥梁横向设置开孔加劲肋，通过开孔加劲肋布置纵向钢筋，沿桥梁纵向等间距布置横向钢筋形成纵横向钢筋网；以FRP板或者钢板为模板，整体浇筑SAP内养护混凝土桥面板18～30cm，使各主梁与SAP内养护混凝土桥面板等通过剪力钉形成整体，共同承担荷载，其中钢梁顶板与腹板可设置纵横向一般加劲肋。本发明充分发挥FRP板与钢板作为模板高强轻质、受力性能好且无需拆除的特点，同时利用SAP内养护混凝土的吸水-储水-释水特性，使混凝土早期收缩最小化和胶凝材料水化程度最大化，克服了常规混凝土板超大超薄时易开裂的难题，提升超大超薄混凝土桥面板抗裂性能，显著减少长期落地支架施工对城市交通的影响。

与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：

(1)充分发挥了FRP板、钢板作为模板轻质高强、受力性能好且无需拆除的特点，同时提供了一种预湿后的高吸水性树脂(SAP)作为内养护材料的混凝土，可减小混凝土密度，降低组合桥梁自重，避免常规混凝土在超大超薄混凝土桥面板养护过程中因内部水分缺失所引起的收缩开裂难题。

(2)以FRP板或者钢板为模板，现浇SAP内养护混凝土桥面板，实现多主梁共同承担荷载，材料新颖且受力性能优异，施工速度快，减少长期现场施工对周围环境的污染，解决了落地支架施工造成的城市交通拥堵难题。

(3)除支座位置处，不同主梁之间均可不设置横隔梁，能够减少组合桥梁下部作业时间，减少对桥下交通的影响，同时也能使桥梁结构更加美观。

(4)本发明的桥梁，质量优，整体性能高，耐久性好。

附图说明

图1为本发明新型钢-混凝土组合桥的整体示意图。

图2为本发明新型钢-混凝土组合桥梁的工字钢梁结构示意图。

图3为本发明新型钢-混凝土组合桥梁的T形钢梁结构示意图。

图4为本发明新型钢-混凝土组合桥梁的端连接板示意图。

图5为本发明新型钢-混凝土组合桥梁的施工示意图之一。

图6为本发明新型钢-混凝土组合桥梁的施工示意图之二。

图中：1.FRP板或T形钢梁的上翼缘钢板；2.现浇SAP内养护混凝土桥面板；3.工字钢梁；4.T形钢梁；5.剪力钉；6.环氧树脂粘结层；7.弹性橡胶条；8.桥面铺装；9.永久支座；10.临时支座；11.端连接板；12.FRP开孔加劲肋；13.钢开孔加劲肋。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

本发明实施例中试验采用：水泥为华新水泥厂生产的P·O 42.5硅酸盐水泥。粉煤灰为西塞山II级粉煤灰。细集料：试验用砂采用洞庭湖砂，表观密度2.65g/cm³，含泥量小于1.0％，细度模数为2.8。矿粉采用：鄂钢S95级磨细矿渣。粗集料中的碎石：试验用碎石为5-16mm连续级配的石灰岩碎石，表观密度为2.72g/cm³，压碎指标为2.7％，筛选除去针片状，控制针片状含量在5％以内，含泥量在0.2％(质量)以内。减水剂采用西卡ViscoCrete3301聚羧酸系高效减水剂。增韧抗裂材料采用高强有机聚合物纤维(如：亦博化工高强聚丙烯纤维)。减缩增韧剂采用广东复特减缩增韧剂。高吸水性树脂(SAP)采用聚丙烯酸钠超吸水树脂(SAP)作为内养护材料，粒径20～100μm。

实施例1

如图1、2、4～6所示，一种新型钢-混凝土组合桥梁，包括主梁、现浇SAP内养护混凝土桥面板2和剪力钉5。所述的主梁为工字钢梁3和FRP板1连接形成，工字钢梁3的上翼缘板设置剪力钉5，FRP板1位于工字钢梁3的顶面，FRP板1由剪力钉5与工字钢梁3固定。主梁沿横桥向拼装架设若干(如3～20片)，所有主梁沿桥梁纵向通过端连接板11连接形成整体(沿桥梁纵向通过端连接板螺栓锚固连接形成整体)，构成多孔一联(多孔一联主梁的长度为两相邻伸缩缝之间的桥梁长度)。

所述主梁的顶面(FRP板1的顶面)沿桥梁横向设置开孔加劲肋(采用FRP开孔加劲肋12，相邻开孔加劲肋之间的距离为1～3m；FRP开孔加劲肋12通过环氧树脂粘结层6粘结在FRP板1上)，并且涂有环氧树脂粘结层6，FRP开孔加劲肋12上等间距布置多个孔洞(孔径为10～50mm，相邻孔洞之间的距离为100～200mm，孔洞的个数根据桥梁宽度确定)，纵向钢筋穿过开孔加劲肋上的孔洞，横向钢筋沿桥梁纵向等间距布置(如绑扎)在纵向钢筋上形成纵横向钢筋网。

以FRP板1为模板，在环氧树脂粘结层6上浇筑SAP内养护混凝土形成现浇SAP内养护混凝土桥面板2，剪力钉5、纵横向钢筋网和FRP开孔加劲肋12位于现浇SAP内养护混凝土桥面板2内(其FRP板1与现浇SAP内养护混凝土桥面板2之间通过环氧树脂粘结层6、FRP开孔加劲肋12以及纵横向钢筋网加强连接；现浇SAP内养护混凝土桥面板2与主梁之间通过剪力钉5连接形成整体)。

所述工字钢梁3，相邻工字钢梁3之间的距离为1.0～3.0米(根椐桥梁设计宽度确定主梁个数)。

所述端连接板11设置在支座位置处，端连接板布置局部纵向加劲肋以及横竖向剪力钉，沿桥梁纵向通过锚固螺栓连接。

所述环氧树脂粘结层6的厚度为3～5mm。所述环氧树脂粘结层6的材料可为环氧树脂。

所述现浇SAP内养护混凝土桥面板2的厚度为18～30cm。

所述一种新型钢-混凝土组合桥梁除支座位置处，不同主梁之间可不设置横隔梁，各主梁之间主要通过现浇SAP内养护混凝土桥面板2实现共同受力。

如图2所示，本实施例的剪力钉5为集束式或者均布式，剪力钉直径为Ф15mm～Ф30mm，高度为80mm～350mm，单个剪力钉之间间距为100mm～115mm，对于集束式剪力钉，剪力钉群间距为300mm～800mm，沿桥梁纵向剪力钉群间距可变。

所述的SAP内养护混凝土由包含水泥、粉煤灰、矿粉、砂、碎石、水、减水剂、增韧抗裂材料、减缩增韧剂和高吸水性树脂(SAP)等均匀搅拌而成，各成分的配比按kg/m³计分别为：水泥380，粉煤灰140，矿粉160，砂620，碎石880，水170，减水剂8.5，增韧抗裂材料采用高强有机聚合物纤维，掺量为2，减缩增韧剂掺量为水泥用量的0.5％，高吸水性树脂(SAP)推荐掺量为水泥质量的0.2％，其中该树脂材料完全干燥条件下粒径为0.1～2mm，预湿后树脂体积为干燥树脂体积的十几倍到几十倍，且保水性能优良，克服了普通高强混凝土板超大超薄时开裂的难题。

其中以FRP板1为模板，充分发挥了FRP高强轻质、受力性能好、耐久性好且无需拆除的特点，大幅缩减混凝土现场浇筑立模-拆模时间，加快施工进度。

上述一种新型钢-混凝土组合桥梁的施工方法，主要包括如下步骤：

(1)将工字钢梁3和FRP板1连接形成主梁：按设计要求加工工字钢梁3(节段)，在拼装台座拼装单孔工字钢梁3，并在工字钢梁3上翼缘板焊接剪力钉5；在预制拼装工字钢梁3上翼缘铺1～2cm厚环氧砂浆垫层，起吊安装FRP板1，FRP板1与工字钢梁3通过剪力钉5连接形成一体，形成主梁；

(2)拼装主梁：主梁整孔吊装安置在临时支座10上，沿横桥向拼装架设若干(如3～20片)，通过三向千斤顶使主梁精确定位，将主梁下部通过端连接板11螺栓锚固依次纵向相连；密封不同预制主梁的FRP板1之间的接缝(利用弹性橡胶条7密封FRP板之间接缝，如图2所示)，构成多孔一联；除墩顶支座位置处，相邻的主梁之间可不设置横隔梁，主要通过SAP内养护混凝土桥面板2实现共同受力；

其中工字钢梁3截面形式可变，即工字钢梁形式、数量根据具体设计要求可变，工字钢梁腹板、底板均可设置纵横向加劲肋。

(3)在主梁顶面沿桥梁横向设置FRP开孔加劲肋12(粘结FRP开孔加劲肋)，并且在主梁的顶面涂有环氧树脂粘结层6(涂3～5mm厚)，FRP开孔加劲肋12上等间距布置多个孔洞，纵向钢筋穿过开孔加劲肋上的孔洞，横向钢筋沿桥梁纵向等间距布置在纵向钢筋上形成纵横向钢筋网；

4)以FRP板1为模板，在环氧树脂粘结层上面浇筑SAP内养护混凝土形成现浇SAP内养护混凝土桥面板2，厚度为18～30cm；剪力钉5、纵横向钢筋网和开孔加劲肋12位于现浇SAP内养护混凝土桥面板2内；按照混凝土养护规程养护现浇SAP内养护混凝土桥面板2，待达到设计强度后，安装永久支座9，拆除临时支座10，实现桥梁体系转换，桥面系8安装，全桥贯通。

实施例2

如图1、3、4～6所示，一种新型钢-混凝土组合桥梁，包括主梁、现浇SAP内养护混凝土桥面板2和剪力钉5。所述的主梁为T形钢梁4，T形钢梁4的上翼缘钢板设置剪力钉5。以预制的T形钢梁4为主梁结构，整体吊装安置在临时支座10上，沿横桥向拼装架设若干(如3～20片)，并通过端连接板11沿桥梁纵向依次相连，焊接T形钢梁4的上翼缘钢板(钢板)纵向接缝，使预制主梁形成整体，构成多孔一联(多孔一联主梁的长度为两相邻伸缩缝之间的桥梁长度)，如图3所示。其中T形钢梁4截面形式可变，即T形钢梁形式、数量根据具体设计要求可变，T形钢梁腹板、顶板均可设置纵横向加劲肋。

所述主梁的顶面(T形钢梁上翼缘钢板的顶面)沿桥梁横向设置开孔加劲肋(采用钢开孔加劲肋13，钢开孔加劲肋13沿桥梁横向排列布置，相邻开孔加劲肋之间的距离为1～3m；钢开孔加劲肋13焊接在T形钢梁的上翼缘钢板顶部)，并且所述主梁的顶面涂有环氧树脂粘结层6，厚度3～5mm，开孔加劲肋上等间距布置多个孔洞(孔径为10～50mm，相邻孔洞之间的距离为100～200mm，孔洞的个数根据桥梁宽度确定)，纵向钢筋穿过开孔加劲肋上的孔洞，横向钢筋沿桥梁纵向等间距布置(如绑扎)在纵向钢筋上形成纵横向钢筋网。

以T形钢梁4的上翼缘钢板为模板，在环氧树脂粘结层6上浇筑SAP内养护混凝土形成现浇SAP内养护混凝土桥面板2，使多片主梁与现浇SAP内养护混凝土桥面板2共同承担荷载。剪力钉5、纵横向钢筋网和钢开孔加劲肋13位于现浇SAP内养护混凝土桥面板2内(其T形钢梁4的上翼缘钢板与现浇SAP内养护混凝土桥面板2之间通过环氧树脂粘结层6、钢开孔加劲肋13以及纵横向钢筋网加强连接；现浇SAP内养护混凝土桥面板2与主梁之间通过剪力钉5连接)。

本实施例的剪力钉5为集束式或者均布式，剪力钉直径为Ф15mm～Ф30mm，高度为80mm～350mm，单个剪力钉之间间距为100mm～115mm，对于集束式剪力钉，剪力钉群间距为300mm～800mm(沿桥梁纵向，剪力钉群间距可变)。

所述的SAP内养护混凝土由包含水泥、粉煤灰、矿粉、砂、碎石、水、减水剂、增韧抗裂材料、减缩增韧剂和高吸水性树脂(SAP)等均匀搅拌而成，各成分的配比按kg/m³计分别为：水泥550，粉煤灰80，矿粉50，砂570，碎石920，水160，减水剂8，增韧抗裂材料采用高强有机聚合物纤维，掺量为4，减缩增韧剂掺量为水泥用量的1.5％，高吸水性树脂(SAP)推荐掺量为水泥质量的0.4％，按比例称量后搅拌均匀制备而成。

上述实施例中的一种新型钢-混凝土组合桥梁的施工方法，与实施例1基本相同，不同之处在于：1)采用T形钢梁作为主梁，T形钢梁的上翼缘钢板设置剪力钉；2)SAP内养护混凝土配合比如上所述。

该新型组合桥梁能够提升整体桥梁力学性能，同时大幅节约工期，减少环境污染以及长期现场施工对城市交通的影响，实现桥梁绿色建设。

本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。