基于粘结波折件的钢纤维混凝土组合钢桥面板的制作方法

本发明属于桥梁工程技术领域，具体涉及一种基于粘结波折件的钢纤维混凝土组合钢桥面板。本发明采用新型钢波折剪力连接件和粘结连接，实现组合钢桥面板设计，主要用于提升钢桥面板疲劳性能、改善钢桥面板局部刚度、提高钢桥面板的铺装层耐久性、延长钢桥面板铺装层使用寿命。

背景技术：

正交异性钢桥面板因自重轻、承载能力大、施工方便等优势在大跨度桥梁结构中得到广泛应用，但正交异性钢桥面板的复杂构造引入诸多疲劳细节。随着交通运输行业的迅速发展，交通量、车重和车速都不断提高，由此引发的正交异性钢桥面板疲劳裂纹检测、剩余寿命计算、使用安全评估与维修加固问题不容忽视。目前，正交异性钢桥面板的疲劳开裂与疲劳寿命已成为国内外的热点研究问题。这也是该发明要解决的技术难题。

为了提高正交异性钢桥面板的使用寿命，国内学者就正交异性钢桥面板的疲劳、铺装层耐久性等问题已展开诸多研究，提出系列正交异性钢桥面板的设计与加固方法，如：(1)粘贴钢板法；(2)闭口纵肋内填充轻质混凝土；(3)焊接栓钉，加铺混凝土法；(4)在钢桥面板底部纵向焊缝附近粘贴型钢杆件等。然而，既有工程实践表明，正交异性钢桥面板的疲劳开裂问题与其上铺装层的耐久性问题仍未得到有效解决，仍需探寻更为有效的正交异性钢桥面板设计与加固方法。

本发明以解决正交异性钢桥面板的疲劳问题和铺装层受用寿命短为研究目标，通过采用超高性能钢纤维混凝土这种新型材料，开发新型波折剪力连接件，提出基于粘结新型剪力连接件的正交异性钢桥面板组合层设计方法。该发明中的设计方法在不增加结构自重的同时，提高了结构局部刚度、降低了疲劳细节处的疲劳应力水平、优化铺装层性能，该结构型式经济高效。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服正交异性钢桥面板结构中出现的典型病害，提出基于超高性能钢纤维混凝土和粘结新型波折剪力连接件的组合钢桥面板。

解决上述技术问题所采用的技术方案是具有以下步骤：

s1、对钢桥面板盖板采用高压气枪进行除尘、清洁；

s2、在钢桥面板盖板上粘结剪力连接件，相邻剪力连接件之间的纵向距离为10cm～20cm，横向距离为8cm～15cm；

s3、在钢桥面板盖板和剪力连接件上现浇超高性能钢纤维混凝土；

上述的剪力连接件为截面形状是带有水平边沿的等腰梯形钢板，水平边沿的宽度l1为40～80mm，等腰梯形斜边与底边的夹角α为40°～50°，等腰梯形的高为25～35mm，等腰梯形的顶边为30mm～40mm，钢板厚度为4mm～6mm，等腰梯形的斜边钢板上设置有20mmx50mm的矩形开口，等腰梯形钢板的水平边沿粘结在钢桥面板盖板上。

本发明的等腰梯形钢板的水平边沿通过环氧树脂胶粘结在钢桥面板盖板上。

本发明的环氧树脂胶的厚度为2～4mm。

本发明的钢桥面板盖板厚度在原始设计基础上降低2～4mm。

本发明的超高性能钢纤维混凝土铺装层，设计抗压强度为120mpa～150mpa，抗拉弹性极限强度为约6mpa～8mpa，弹性模量为35～45gpa。

本发明的剪力连接件的水平边沿纵向粘结在钢桥面板盖板上，或者横向粘结在钢桥面板盖板上，或者相邻两排剪力连接件纵横交错粘结在钢桥面板盖板上。

本发明的超高性能钢纤维混凝土的配合比如下：

上述质量配比中，水泥是型号为po425水泥；硅灰的颗粒分布范围为0.1～0.15μm，比表面积为15‐27m²/g；标准砂或河砂的最大粒径均小于0.8mm；钢纤维是表面镀铜的钢纤维，长为13mm、直径为0.16mm，减水剂的型号为西卡减水剂，包含2种组分，a组分为西卡3301c型高效减水剂，b组分为西卡微珠粉，a组分与b组分配合使用。

上述的超高性能钢纤维混凝土制备方法为：

1)按配合比称取各干粉类材料，依次将水泥、砂、硅灰、减水剂b组分加入强制式搅拌机内，干拌5分钟，拌合均匀，制备成干料。

2)依次将二分之一的减水剂a组分、水加入干料内进行搅拌，均速搅拌5～8分钟。

3)将剩余的二分之一的减水剂a组分与水加入干料内进行搅拌，均速搅拌5～8分钟，搅拌均匀。

4)继续均速搅拌，分3～5次加入钢纤维，持续搅拌至钢纤维均匀分布，停止搅拌。

本发明相对于现有技术具有以下的有益效果：

(1)与传统铺装层相比，，在受力特点方面，超高性能钢纤维混凝土组合铺装层不仅抗压强度高，而且具有抗拉强度，满足正交异性钢桥面板复杂的正、负弯矩区受力要求；在施工方面，超高性能钢纤维混凝土流动性强、施工方便、不需要振捣、养护方便；在耐久性方面，超高性能钢纤维混凝土铺装层结构密实性高，具有更优越的防水、防腐蚀、耐磨耗性能。

(2)采用粘结剪力连接件，实现超高性能钢纤维混凝土铺装层与钢桥面板盖板的组合设计，使铺装层与正交异性钢桥面板共同受力。与传统剪力连接件形式以及焊接连接件的制造方式相比，粘结剪力连接件避免了由于焊接制造而引入新的疲劳细节；与栓钉等传统剪力连接件相比，剪力连接件满足正交异性钢桥面板正、负弯矩多变的受力特点。采用粘结剪力连接件进行组合设计不仅组合效果良好，而且施工方便快捷、成本低、容易控制施工质量。

(3)剪力连接件可以实现铺装层与正交异性钢桥面板的协同受力，有效提高结构局部刚度，改善钢桥面板疲劳细节的应力幅。此外，波折剪力连接件对铺装层受力具有强化作用，也约束了铺装层的裂缝张开，提高了铺装层的耐久性。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的结构示意图。

图2是图1中剪力连接件2的结构示意图。

图3是第一组试验梁。

图4是第二组试验梁。

图5是1号试验梁荷载-位移曲线。

图6是1号试验梁荷载-相对滑移曲线。

图7是1号试验梁试验后破坏形态图。

图8是2号试验梁荷载-位移曲线。

图9是2号试验梁荷载-相对滑移曲线。

图10是2号试验梁试验后破坏形态图。

图11是实施例1龄期为14天的拉伸试件试验前的照片。

图12是实施例1龄期为14天的拉伸试件试验后的照片。

图13是实施例1龄期为28天的拉伸试件试验前的照片。

图14是实施例1龄期为28天的拉伸试件试验后的照片。

图中：1、钢桥面板盖板；2、剪力连接件；3、超高性能钢纤维混凝土铺装层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但是本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1、2中，本发明基于粘结波折件的钢纤维混凝土组合钢桥面板，具有以下步骤：

s1、对钢桥面板盖板1采用高压气枪进行除尘、清洁；

s2、在钢桥面板盖板1上采用环氧树脂胶粘结设置波折剪力连接件2，本实施例环氧树脂胶的厚度为2～4mm，本实施例的环氧树脂胶选择条件为：(a)适用于粘结钢板与钢板、钢板与混凝土；(b)适用于桥梁结构构件；(c)抗压强度、抗剪强度、弹性模量、剪切模量需满足结构受力要求；(d)硬化时间不宜小于10小时，以保证足够的施工时间。本实施例采用西卡环氧树脂胶粘结，在施工可行性方面，该环氧树脂胶容易混合和施工，可用于湿润的混凝土表面，具有足够的粘稠度；在强度方面，该环氧树脂胶具有满足结构强度要求的抗弯能力、抗剪能力，且具有高抗磨损和抗振动性；在耐久性方面，该环氧树脂胶固化后无收缩，具有良好的耐温性，且在长期荷载下高抗蠕变性。

上述的剪力连接件2为截面形状是带有水平边沿的等腰梯形钢板，水平边沿的宽度l1为40至80mm，等腰梯形斜边与底边的夹角α为40°～50°，等腰梯形的高为25～35mm，等腰梯形的顶边为30mm～40mm，钢板厚度为4mm～6mm，等腰梯形的斜边钢板上设置有20mm×50mm的矩形开口，等腰梯形钢板的水平边沿粘结在钢桥面板盖板1上，等腰梯形斜边钢板上的矩形开口可实现现浇超高性能钢纤维混凝土顺畅流入，保证现浇超高性能钢纤维混凝土密实填充于剪力连接件内部。相邻剪力连接件2之间的纵向距离为10cm～20cm，横向距离为8cm～15cm；本实施例的剪力连接件2的水平边沿可纵向粘结在钢桥面板盖板1上，或者横向粘结在钢桥面板盖板1上，或者相邻两排剪力连接件纵横交错粘结在钢桥面板盖板1上；

s3、在钢桥面板盖板和剪力连接件上现浇超高性能钢纤维混凝土铺装层；本实施例的超高性能钢纤维混凝土铺装层，设计抗压强度为120mpa～150mpa，抗拉弹性极限强度为约6mpa～8mpa，弹性模量为35～45gpa。与传统混凝土铺装层相比，不仅抗压强度高，而且具有抗拉强度，本实施例的超高性能钢纤维混凝土铺装层流动性强、具有自密实性，不需要振捣等优点，同时本实施例的超高性能钢纤维混凝土铺装层致密、防水、耐磨损，可以取消传统的防水层设计；

由于采用了粘结剪力连接件2和超高性能钢纤维混凝土铺装层3的组合设计方法，可有效提高结构局部刚度，故钢桥面板盖板1厚度可在原始设计基础上降低2～4mm；

本实施例的超高性能钢纤维混凝土的材料组成主要包括：水泥、硅灰、标准砂或河沙、高效减水剂、水、表面镀铜的钢纤维等。超高性能钢纤维混凝土的配合比如下：

上述的水泥是型号为po425水泥；硅灰的颗粒分布范围为0.1～0.15μm，表面积为15～27m²/g；标准砂的最大粒径均小于0.5mm；钢纤维为表面镀铜的钢纤维,长为13mm、直径为0.16mm；减水剂的型号为西卡减水剂，包含2种组分，a组分为西卡3301c型高效减水剂，b组分为西卡微珠粉，a与b两种组分配合使用可提高减水剂效果；水为自来水。

本实施例的超高性能钢纤维混凝土配制过程如下：

1、按配合比称取各干粉类材料，依次将水泥、砂、硅灰、减水剂b组分加入强制式搅拌机内，干拌5分钟，拌合均匀，制备成干料。

2、依次将二分之一的减水剂a组分、水加入干料内进行搅拌，均速搅拌5～8分钟。

3.将剩余的二分之一的减水剂a组分与水加入干料内进行搅拌，均速搅拌5～8分钟，搅拌均匀。

4.继续均速搅拌，分3至5次加入钢纤维，持续搅拌至钢纤维均匀分布，停止搅拌。

发明人采用本发明实施例1制备的超高性能钢纤维混凝土进行了抗压强度测试、抗拉强度测试，各种实验情况如下：

1、抗压强度实验

采用本发明实施例1的材料配比及其制备方法制备成长×宽×高为100mm×100mm×100mm的立方体试件2组，每组3个，在室温条件下覆盖塑料薄膜养生，其中第1组试件的育龄期为14天，第2组试件的育龄期为28天。采用万能压力机，按照《混凝土强度检验评定标准》(gb50107-2010)的抗压强度测试方法，按照万能压力机的操作方法，测试试件的抗压强度。

试验结果表明：第1组龄期为14天的3个试件，平均轴心抗压强度为130mpa，换算成150mm标准试件的抗压强度为123.5mpa，第2组龄期为28天的3个试件，平均轴心抗压强度为150mpa，换算成150mm标准试件的抗压强度为142.5mpa。

2、拉伸试验

采用本发明实施例1的材料配比及其制备方法制备成长×宽×厚为450mm×130mm×30mm的试件2组，每组2个，在室温条件下覆盖塑料薄膜养生，其中第1组试件的龄期为14天，第2组试件的龄期为28天。采用ans电子拉力试验机测试试件的抗拉强度。试验前将应变计、应变片布置在试件的测试标距段内。按仪器的操作方法对试件进行拉伸试验，试验前、试验后的照片如图11～图14。试验结果表明，第1组2个试件的平均抗拉弹性强度为3.9mpa，平均抗拉极限强度为6.8mpa；对第2组试件的测试后，1个试样由于操作原因，破坏形态无效，另1个有效试件的抗拉弹性强度为4.9mpa，抗拉极限强度为7.8mpa。采用本发明的设计方法制造的钢桥面板的试验研究如下：

实施例2

以1m³的超高性能钢纤维混凝土为例，在1m³的超高性能钢纤维混凝土中由下述质量配比的材料成：

上述的水泥是型号为po425水泥；硅灰的颗粒分布范围为0.1～0.15μm，表面积为15～27m²/g；标准砂的最大粒径均小于0.5mm；钢纤维为表面镀铜的钢纤维,长为13mm、直径为0.16mm；减水剂的型号为西卡减水剂，包含2种组分，a组分为西卡3301c型高效减水剂，b组分为西卡微珠粉，a与b两种组分配合使用可提高减水剂效果；水为自来水。

其制备方法如下与实施例1相同。

实施例3

以1m³的超高性能钢纤维混凝土为例，在1m³的超高性能钢纤维混凝土中由下述质量配比的材料成：

上述的水泥是型号为po425水泥；硅灰的颗粒分布范围为0.1～0.15μm，表面积为15～27m²/g；标准砂的最大粒径均小于0.5mm；钢纤维为表面镀铜的钢纤维,长为13mm、直径为0.16mm；减水剂的型号为西卡减水剂，包含2种组分，a组分为西卡3301c型高效减水剂，b组分为西卡微珠粉，a与b两种组分配合使用可提高减水剂效果；水为自来水。

其制备方法与实施例1相同。

为了验证本发明所提出的设计方法的有效性，开展粘结剪力连接件的正交异性钢桥面板组合层设计方法试验研究。

正交异性钢桥面板盖板可视为支撑于u肋上的连续梁，在车辆轮载的作用下，承担正弯矩与负弯矩的交替作用。故设计了2组试验梁以模拟正弯矩、负弯矩区的受力情况。第一组试验梁的受压翼缘采用uhpfrc，受拉翼缘采用钢板；第二组试验梁的受拉翼缘采用uhpfrc，受压翼缘采用钢板。

为了提高超高性能钢纤维混凝土组合层的抗弯强度，本发明提出一种剪力连接件的设计。采用在环氧树脂粘结层上粘贴剪力连接件真实模拟uhpfrc与钢盖板之间的组合效应，将一个剪力连接件粘结在钢板的中间部位。

为防止加载过程中超高性能钢纤维混凝土和剪力连接之间发生滑移，的剪力连接件2为截面形状是带有水平边沿的等腰梯形钢板，水平边沿的宽度l1为75mm，等腰梯形斜边与底边的夹角α为49°，等腰梯形的高为30mm，等腰梯形的顶边为40mm，钢板厚度为4mm，等腰梯形的斜边钢板上设置有20×50mm的矩形开口，等腰梯形钢板的水平边沿粘结在钢桥面板盖板上，通过等腰梯形斜边钢板上的矩形开口现浇超高性能钢纤维混凝土使剪力连接件与现浇超高性能钢纤维混凝土之间连接密实。

第一组试验梁加载如图3，第二组试验梁加载如图4。加工制造4片试验梁进行测试，试验梁具体几何尺寸如下表1。

表1试验梁尺寸表(单位：mm)

第一组试验梁的试验结果：

1号试验梁的抗弯过程可用荷载与挠度曲线、荷载-相对滑移曲线表示，见图5、6。荷载从0加载到35kn时，钢板和uhpfrc无相对滑移。荷载从33kn加载到75kn(钢板屈服)时，荷载位移曲线为线性增长，相对滑移从0.065mm增加到0.4mm。荷载从75kn加载到95.5kn(钢板极限荷载)时，荷载位移曲线为线性增长，相对滑移从0.4mm增加到0.6mm。当钢板屈服以后，肉眼可以观察到裂缝和剥离。荷载从95.5kn加载到106kn(极限承载力)时，荷载位移曲线为非线性增长，相对滑移从0.6mm增加到1.17mm，非线性曲线标志着应力重分配。当相对位移从1.0mm增长到1.7mm时，荷载在极限承载力维持一段时间，期间粘结层界面剥离现象严重，裂缝扩展明显。极限承载力之后，荷载降载到100kn，相对位移从1.7mm快速的增长到4.3mm，跨中挠度从5.8mm增长到19.5mm，试验后破坏形态见图7。

由1号试验梁荷载-相对滑移曲线可知，试验梁钢盖板发生屈服之前，uhpfrc翼缘与钢盖板之间的相对滑移数值几乎为0，证明二者之间具有良好的组合效应。随着继续加载，钢盖板进入材料强化阶段，二者之间的相对变形不断增加，从而促使组合层失效。从试验结果可知，基于环氧树脂粘结层+剪力连接件的组合设计方法在盖板发生屈服及屈服之前均具有稳定的组合效应，满足正交异性钢桥面的受力要求。假如不考虑uhpfrc组合层的贡献，相同尺寸与加载工况的钢板抗弯屈服强度为45kn。考虑uhpfrc组合层的贡献，1号试验梁的钢盖板屈服时试验梁抗弯承载力为95kn。可见，基于环氧树脂粘结层和剪力连接件的组合设计方法可使试样承载能力提高了2.11倍，验证了本发明所提出设计方法的有效性。

第二组试验梁的试验结果：

2号试验梁的抗弯过程可用荷载与挠度曲线、荷载-相对滑移曲线表示，见图8、9。当加载到64kn时，试验梁出现声响，底部出现可见裂缝。当荷载达到90kn时，试验梁持续出现声响。当荷载增大到120kn时，裂缝从uhpfrc底部贯穿到顶部，开裂声持续出现。之后荷载突然卸载到110kn，跨中底部可观察到明显裂缝。然后荷载又增加到并维持在120kn，跨中挠度从5.4mm增长到8.6mm。最终裂缝张开，试样梁破坏，试验后破坏形态见图10。

由2号试验梁荷载-相对滑移曲线可知，试验梁钢盖板发生屈服之前，uhpfrc翼缘与钢盖板之间的相对滑移数值几乎为0，证明二者之间具有良好的组合效应。随着继续加载，钢盖板进入材料强化阶段，二者之间的相对变形不断增加，从而促使组合层失效。从试验结果可知，基于环氧树脂粘结层的组合设计方法在盖板发生屈服及屈服之前均具有稳定的组合效应，满足正交异性钢桥面的受力要求。

假如不考虑uhpfrc组合层的贡献，相同尺寸与加载工况的钢板抗弯屈服强度为63kn。考虑uhpfrc组合层的贡献，2号试验梁的钢盖板屈服时试验梁抗弯承载力为75kn。可见，基于粘结层的uhpfrc组合层设计方法可使试样承载能力提高了1.14倍，验证了本发明所提出设计方法的有效性。