可更换抗疲劳损伤元的装配式组合梁及施工方法与流程

本发明涉及桥梁结构组合梁领域，具体为一种可更换抗疲劳损伤员的装配式组合梁，适用于大跨度桥梁结构中的组合梁。

背景技术：

在传统的钢-混凝土组合梁结构通常将栓钉作为剪力连接件焊接在型钢上，并在钢筋网铺设和模板支护完成后，浇筑混凝土而成。在制作过程中，传统组合梁需要在现场完成，因钢筋网的绑扎铺设、模板的支护和混凝土的养护等一系列措施很大程度的延长了施工周期，提高了成本。在正常使用过程中，组合梁在长期车辆荷载的作用下可能会导致栓钉的疲劳破损，传统组合梁的疲劳寿命不够理想，且无法及时的检测到栓钉的损伤或断裂，若仍继续使用可能导致桥面板与钢梁脱离、桥面倾覆等事故，严重危害了人民的生命财产安全。即使发现了栓钉损坏，更换栓钉时也要先去除受损栓钉局部的混凝土板，然后重新对栓钉进行焊接，更换过程对操作空间和机械设备要求很高，其安装质量也难以保证，且栓钉的重新焊接和混凝土板的再浇筑大大增加了结构功能恢复的工作量和时间。

对于地震等偶然荷载作用下组合梁受损或破坏时，结构功能的快速恢复对加快灾后救援、保证交通畅通起到十分重要的作用，若长期无法恢复其功能，必将造成巨大的经济损失和消极的社会影响。除此之外，传统组合梁结构自重较大，很大程度限制了组合梁的跨径。因此，需要发展一种自重较小、可以简便高效拆装的组合梁，这样对于拓展组合梁的应用范围、实现其装配化和快速修复有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明为了解决传统组合梁自重较大，不仅限制组合梁的内径而且在损坏后修复工作量和时间较长的问题，提供了一种可更换抗疲劳损伤元的装配式组合梁。

本发明是通过如下技术方案来实现的：包括主结构、抗疲劳损伤元和桥面铺装；所述主结构包括预制高性能混凝土桥面板、高强钢梁、混凝土后浇带；所述抗疲劳损伤元包括摩擦型高强螺栓副和橡胶套筒；所述摩擦型高强螺栓副包括摩擦型高强螺栓杆、垫圈和螺母；所述预制高性能混凝土桥面板上设有预留螺栓孔，所述高强钢梁上翼缘预留螺栓孔；所述摩擦型高强螺栓杆穿过高强钢梁上翼缘的螺栓孔，再外套装橡胶套筒穿过预制高性能混凝土桥面板上的预留螺栓孔、并通过垫圈和螺母固定；所述预制高性能混凝土桥面板之间通过混凝土后浇带连接；所述桥面铺装铺设于预制高性能混凝土桥面板之上。

优选的，所述高强钢梁的材料采用高强钢制成的型钢，并按设计位置加工螺栓孔，高强钢梁上的螺栓孔比摩擦型高强螺栓杆的直径大1~2mm，在高强钢梁上的螺栓孔加工精度较高，可将摩擦型高强螺栓杆紧固于螺栓孔内。

所述的预制高性能混凝土桥面板采用超韧性混凝土，超韧性混凝土是在超高性能混凝土的基础上通过加入混杂纤维和纳米材料得到的，并要求蒸汽养护。优选的，预制高性能混凝土桥面板还要求按照设计位置设置和预留螺栓孔对应的凹槽，预制高性能混凝土桥面板上的预留螺栓孔的直径比摩擦型高强螺栓杆的直径大4.5~10.5mm，并配置较密的钢筋网，垫圈和螺母位于凹槽内，预留螺栓孔间距应满足相应规范要求，较密的钢筋网保证了桥面板与型钢的紧密连接，整个加工过程和高性能混凝土养护过程均在工厂完成。

优选的，所述的橡胶套筒套于所述的摩擦型高强度螺栓杆上，其厚度为2~5mm，内径与高强螺栓杆公称直径相等，长度小于等于预留螺栓孔高度，并与摩擦型高强度螺栓杆一同穿过预制高性能混凝土桥面板的预留螺栓孔，因橡胶套筒有厚度，因此预留螺栓孔的直径需要提前预留足够的间隙。

所述摩擦型高强螺栓副为连接预制高性能混凝土桥面板与高强钢梁的连接套件，其数量布置应根据设计要求确定，摩擦型高强螺栓杆的长度应根据预制混凝土桥面板的板厚决定，安装完成后螺栓杆超出螺母的长度应保持在2倍螺纹间距~0.5倍螺栓直径之间。

优选的，所述桥面铺装为铺装上表面至螺栓杆顶端的厚度大于等于10cm。

优选的，所述桥面铺装是沥青桥面铺装。

上述可更换抗疲劳损伤元的装配式组合梁，其施工方法步骤如下：

①将摩擦型高强螺栓杆从高强钢梁上翼缘底部插入，穿过高强钢梁上翼缘的螺栓孔，然后将橡胶套筒套于摩擦型高强螺栓杆外部，再穿过预制高性能混凝土桥面板的预留螺栓孔，在凹槽内通过垫圈和螺母固定连接；

②预制高性能混凝土桥面板和高强钢梁组装完成后，浇筑混凝土后浇带，最后完成桥面铺装；

③更换抗疲劳损伤元时，先去除摩擦型高强螺栓杆顶部的桥面铺装，然后旋拧螺母，从高强钢梁上翼缘底部取出受损的抗疲劳损伤元，并更换为新的抗疲劳损伤元，之后重新铺装摩擦型高强螺栓杆顶局部的桥面铺装。

上述的可更换抗疲劳损伤元的装配式组合梁结合了可恢复结构的设计理念，结构受到损伤时，主结构保持弹性或有轻微的塑性发展，损伤集中在抗疲劳损伤元，修复时只需通过更换损伤元即可使结构恢复正常使用功能，对加快灾后救援、保证交通畅通具有重要作用；同时采用摩擦型高强螺栓副代替了传统焊接的栓钉，避免了焊接缺陷，能使焊接性能较差的高强钢应用于组合梁结构中；而预制高性能混凝土桥面板采用了超韧性混凝土，有效提高了超高性能混凝土的抗裂强度，并降低了其收缩应变，保证了该类组合梁的安全使用，预制高性能混凝土桥面板在工厂加工而成，因此可使用需要蒸汽养护的超韧性混凝土，有效提高了组合梁的抗疲劳寿命以及桥面板的强度、刚度、韧性、耐久性。摩擦型高强螺栓副在设计上认为摩擦力丧失后即失效，但实际上摩擦型高强螺栓副丧失摩擦力后，仍能承压抵抗疲劳荷载；在此阶段，本发明通过将摩擦型高强螺栓副与橡胶套筒的结合，减小了预制高性能混凝土桥面板对摩擦型高强螺栓副的约束，有效降低了摩擦型高强螺栓副的应力集中和局部应力幅，提高了其安全储备，延长了组合梁在使用过程中的疲劳寿命。

本发明通过结合可恢复结构的设计理念，将摩擦型高强螺栓副与预制高性能混凝土桥面板、高强钢梁相结合，扩展了组合梁的适用范围，实现了组合梁的装配化施工，节约了现场绑扎钢筋、浇筑混凝土和混凝土养护的时间，很大程度的缩短了工期，提高了施工效率，解决了组合梁运营过程中经济、便捷维修的问题，降低了组合梁的维修成本和使用过程中的风险，在桥梁结构中具有较广阔的应用前景。

附图说明

图1表示本发明的正面结构示意图。

图2表示本发明的左视图。

图3表示本发明中抗疲劳损伤元的结构示意图。

图4表示本发明的施工结构示意图。

图中：1-预制高性能混凝土桥面板，2-凹槽，3-预留螺栓孔，4-钢筋网，5-高强钢梁，6-摩擦型高强螺栓副，7-混凝土后浇带，8-摩擦型高强螺栓杆，9-垫圈，10-螺母，11-橡胶套筒，12-桥面铺装，13-抗疲劳损伤元，14-螺栓孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行说明。

一种可更换抗疲劳损伤元的装配式组合梁，如图1、图2、图3所示，包括主结构、抗疲劳损伤元13和桥面铺装12；所述主结构包括预制高性能混凝土桥面板1、高强钢梁5、混凝土后浇带7；所述抗疲劳损伤元13包括摩擦型高强螺栓副6和橡胶套筒11；所述摩擦型高强螺栓副6包括摩擦型高强螺栓杆8、垫圈9和螺母10；所述预制高性能混凝土桥面板1上设有预留螺栓孔3，所述高强钢梁5上翼缘预留螺栓孔14；所述摩擦型高强螺栓杆8穿过高强钢梁5上翼缘的螺栓孔14，再外套装橡胶套筒11穿过预制高性能混凝土桥面板1上的预留螺栓孔3、并通过垫圈9和螺母10固定；所述预制高性能混凝土桥面板1之间通过混凝土后浇带7连接；所述桥面铺装12铺设于预制高性能混凝土桥面板1之上。

本实施例中，高强钢梁5采用的是高强钢制成的型钢，并按设计位置加工螺栓孔14，用于装配抗疲劳损伤元13来连接预制高性能混凝土桥面板1，螺栓孔14的直径比摩擦型高强螺栓杆8的直径大1mm，而摩擦型高强螺栓杆8为标准件，直径大小是本领域技术人员公知的。

本实施例中，预制高性能混凝土桥面板1采用超韧性混凝土，超韧性混凝土是在超高性能混凝土的基础上通过加入混杂纤维和纳米材料得到的，并蒸汽养护，是在工厂中预制出的，而且按照设计位置设置预留螺栓孔3和凹槽2，并配置较密的钢筋网4，可保证该种组合梁的安全使用，预留螺栓孔3和凹槽2是用于装配抗疲劳损伤元13的，预留螺栓孔3的直径比摩擦型高强螺栓杆8的直径大6.5mm，垫圈9和螺母10都位于凹槽2内。

在本实施例中，橡胶套筒11厚度为3mm，内径与摩擦型高强螺栓杆8公称直径相等，长度小于等于预留螺栓孔3高度，用于增加摩擦力，延长使用寿命。

在本实施例中，摩擦型高强螺栓杆8的长度根据预制高性能混凝土桥面板1的厚度决定，安装完成后的摩擦型高强螺栓杆8超出螺母10的长度为2倍螺纹间距~0.5倍螺栓直径。

桥面铺装12铺装于预制高性能混凝土桥面板1上，其上表面至摩擦型高强螺栓杆8顶端的厚度大于等于10cm，同时本实施例还选用了沥青桥面铺装。

上述实施例中的可更换抗疲劳损伤元的装配式组合梁，如图4所示施工方法步骤如下：

①将摩擦型高强螺栓杆8从高强钢梁5上翼缘底部插入，穿过高强钢梁5上翼缘的螺栓孔14，然后将橡胶套筒11套于摩擦型高强螺栓杆8外部，再穿过预制高性能混凝土桥面板1的预留螺栓孔3，在凹槽2内通过垫圈9和螺母10固定连接；

②预制高性能混凝土桥面板1和高强钢梁5组装完成后，浇筑混凝土后浇带7，最后完成桥面铺装12；

③更换抗疲劳损伤元13时，先去除摩擦型高强螺栓杆8顶部的桥面铺装12，然后旋拧螺母10，从高强钢梁5上翼缘底部取出受损的抗疲劳损伤元13，并更换为新的抗疲劳损伤元13，之后重新铺装摩擦型高强螺栓杆8顶局部的桥面铺装12。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。