一种预制拼装箱型拱肋的制作方法

本实用新型涉及木工程行业中的结构工程技术领域，特别是一种预制拼装箱型拱肋。

背景技术：

拱桥是以受压为主的结构。传统混凝土拱桥以廉价的抗压强度高的混凝土材料为主，配置少量的钢筋抵抗应力，因此得到了广泛的应用。但随着时间的推移，拱桥的跨径逐渐增大。由于传统混凝土自重大，施工时需要大量的临时辅助设施，施工成本大量增加，当跨径增大时这个问题愈显突出。超高性能混凝土(Ultra-High-Performance Concrete，简称UHPC)是一种新型超高强度、超高韧性、超高耐久性的水泥基复合材料。UHPC的标准抗压强度超过150MPa，甚至可以达到250MPa。拱能够充分发挥UHPC的超高抗压强度，在同级荷载作用下，UHPC拱裂缝的宽度约为普通混凝土拱的25％～50％，且开裂荷载、钢筋屈服荷载和极限承载能力均较普通混凝土拱有明显的提高。UHPC通过提高成分的细度与活性，不使用粗骨料，以减小材料内部缺陷(微裂缝和空隙)从而获得超过高的耐久性。UHPC可大幅度提高钢在混凝土中的强度利用率，行成混凝土、钢纤维、钢筋更加协调的钢-混凝土复合新模式，实现混凝土结构的轻质高强和高韧性。

为适应拱桥跨径的不断增长，拱肋的截面形式以及施工工艺也发生了变化。箱型拱肋具有良好的抗弯抗扭能力、截面挖空率大的优点，大量的减轻了结构自重。拱肋节段预制拼装工艺具有施工速度快、施工质量好、机械化程度高等优点。接缝是节段拼装施工桥梁的特殊构造，结构的整体性、稳定性、抗震性及桥面平顺性等都与连接接缝的可靠性有很大关系。在预制节段施工结构中，节段之间的接缝起着传递界面上剪力和压力的作用，但其刚度和抗剪强度都比附近的截面要小，是桥梁的受力薄弱部位。因此，接缝的抗剪性能对桥梁的使用极限状态和承载能力极限状态的整体受力性能影响很大，对桥梁接缝的长期健康监测也变得尤为重要。常规混凝土干接缝形式有斜接缝、阶梯型接缝、抗剪齿块接缝、剪力键接缝四种。其中斜接缝抗剪能力较差，阶梯型接缝易产生裂缝，抗剪齿块接缝和剪力键接缝具有良好的抗剪承载能力，但预制、施工拼装都具有一定难度。因此，有必要对接缝面进行优化设计和长期健康监测。

压电陶瓷(PZT)作为压电材料的代表，因其特有的正逆压电效应，既可作为传感器，也可作为驱动器，且具有造价低廉、响频宽、响应速度快等优点，被广泛应用于智能监测与损伤诊断领域。在实际应用中，常将压电陶瓷制作成压电智能骨料，预埋在结构指定位置，对结构进行长久的健康监测。目前尚未见到在箱型结构预制拼装的关键连接部位预埋压电智能骨料进行健康监测相关的文献。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种预制拼装箱型拱肋法，提高箱型拱肋的强度、韧性和耐久性。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种预制拼装箱型拱肋，包括多段依次拼接的箱型拱肋预制构件；所述箱型拱肋预制构件两侧腹板上部、中部、下部处均安装有压电智能骨料，且其中一侧腹板上的压电智能骨料用作信号驱动器，另一侧腹板上的压电智能骨料用作信号传感器。

所述压电智能骨料与数据采集仪连接，数据采集仪与计算机(电脑)连接，便于发出和接收信号。

相邻两段箱型拱肋预制构件的接缝面上均设有牛腿，且所述牛腿上开设有安装孔；相邻两段箱型拱肋预制构件的接缝面上均设有能插入相应安装孔的连接杆，结构更加稳固可靠。

所述牛腿倾斜段与水平面夹角θ的取值范围为15°到45°；所述牛腿接缝高度H₁与箱型拱肋的高度H₂的比值为1/2；牛腿键齿深度D与牛腿接缝高度H₁的比值≥1/9。保证了接缝面抗剪性能，且降低箱型拱肋节段预制、施工拼装等施工难度。

所述安装孔的深度与所述牛腿键齿深度D相同；所述连接杆的长度与所述牛腿键齿深度D相同，进一步保证结构稳固。

所述箱型拱肋预制构件材料的质量比为：水泥：石英砂：硅灰：减水剂：钢纤维＝1：1.1：0.25：1.5：0.02。

所述石英砂平均粒径为300nm；硅灰平均粒径为100nm；减水剂采用聚羧酸型高效减水剂，水胶比为0.18；钢纤维长度为12mm，直径为0.02mm，抗压强度大于2600MPa。

所述压电智能骨料的预埋位置与箱型拱肋预制构件的接缝面之间的距离小于15cm

与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果为：本实用新型提高了箱型拱肋的强度、韧性和耐久性，大幅度减少了结构的自重和配筋数量，从而提高结构的跨越能力。本实用新型采用预制节段拼装结构，便于超高性能混凝土箱型拱肋的养护，保证施工质量，加快施工进程。本实用新型采用牛腿—插销接缝，在保证其优越抗剪性能的前提下，能降低节段预制、施工拼装等施工难度。

附图说明

图1为预制箱型拱肋拼装示意图；

图2为牛腿—插销接缝面示意图；

图3为预制箱型拱肋接缝立面图；

图4为压电智能骨料预埋位置示意图；

图5为拱肋吊装示意图；

其中：

1：预制箱型拱肋构件；2：连接杆；3：安装孔；4：压电智能骨料；5：吊缆；6：吊索；7：拉索。

具体实施方式

本实用新型拱肋构件见图1，其接缝面放大图见图2，拱肋制作过程及监测过程如下：

(1)超高性能混凝土(UHPC)配合比设计：水泥：石英砂：硅灰：减水剂：钢纤维＝1：1.1：0.25：1.5：0.02(质量比)，其中水泥采用标准PO52.5级普通硅酸盐水泥，石英砂平均粒径在300nm左右，硅灰平均粒径在100nm左右，减水剂采用聚羧酸型高效减水剂，水胶比为0.18，钢纤维长度12mm，直径0.02mm，抗压强度大于2600MPa。

(2)将所需要的各种原材料，按设定的配比称量好，按水泥，硅灰，石英砂，水，减水剂的顺序投入搅拌机搅拌7分钟，在不停机状态下加入全部钢纤维混合搅拌1分钟，将混合均匀的料浆注入真空抽气罐，随后在压力作用下，慢速将拌合物注入备好钢筋骨架的模型，并在水平方向低频震实。将浇筑好浆料的模具送入45℃养护室进行第一次养护12h。经一次初养形成胚体达到强度后，脱模、编组送入二次养护室，90℃恒温养护48h后养护完成。

上述步骤(2)中，箱型拱肋接缝面采用牛腿—插销接缝，其模型如图3所示，牛腿水平倾角θ的取值范围为15°到45°，D为键齿深度，H₁为牛腿接缝高度，H₂为箱型拱肋的高度，牛腿接缝深高比D/H₁≥1/9，牛腿接缝高度与箱型拱肋高度之比H₁/H₂＝1/2。浇筑箱型拱肋时，模型两端安装预埋件，其中一端预埋件上设有预留孔，预留孔深度与健齿深度D相同。另一端的预埋件上固定有与预留孔相匹配的高强度连接杆。高强度连接杆2外设长度与健齿深度D相同。

上述步骤(2)中，用超高性能混凝土作为压电智能骨料4的保护壳体，经养护完成后，将经过防水处理且外接屏蔽线的压电陶瓷包裹，制备成压电智能骨料4。在浇筑箱型拱肋的过程中，将压电智能骨料预埋在箱型拱肋两侧腹板上部、中部、下部三处位置，每个接缝面附近共布置6个压电智能骨料，其中一个箱型拱肋中预埋的压电智能骨料作为信号驱动器，则相邻箱型拱肋中的压电智能骨料作为信号传感器。且智能骨料预埋位置距接缝面的距离不宜大于15cm。

(3)将预制好的箱型拱肋移至相应桥位正下方，将预留孔(即安装孔3)和连接杆2清理干净后，在预留孔中和连杆表面均匀涂抹环氧树脂胶，然后将相邻箱型拱肋预制构件1吊装就位，到位后调整线形，将连杆对准预留孔，缓慢推进预留孔中，直至接缝面契合完好，安装拉索后逐渐张拉拉索7，并放松吊索6，严格控制扣索索力及拱肋标高，直至吊索完全卸下，依次将所有构件吊装拼接形成拱肋。

(4)通过BNC接头，将压电智能骨料引出的屏蔽线与多功能数据采集仪器—NI6363连接起来，再通过USB通信线将NI6363与电脑连接起来，通过电脑控制NI6363驱动智能骨料发射100HZ-150kHZ的正弦扫频信号，其信号的幅值为10V，再由NI6363通过智能骨料传感器接收传递过来的响应信号，并将测得的数据保存在笔记本电脑中。

(5)将采集的信号用matlab小波分析程序进行小波包能量分析，采用Daubechies小波作为结构损伤预警的小波函数，选择分解层次为i的小波包能量谱向量E_i中前m个较大能量系数的特征频率带，将各特征频率带的能量比I_k作为结构损伤预警参数：

式中E_i,k和E_i,j分别表示第k个特征频率带能量和所有特征频率带能量。

将各特征频率带的能量比I_k按最大值归一化进行调整，然后通过这些能量比I_k的变化(Energy Ratio Variation，简称ERV)来判断判断结构的损伤情况，即

ERV_k＝│I│_uk-I(_dk，)k＝1,2,3...m

式中，ERV _k为第k个特征频率带的能量比变化；I_uk和I_dk分别为结构在健康和损伤状态下第k个特征频率带的能量比。在结构健康状态下ERV_k的值约为0，随着损伤程度的增加，小波包能量谱各特征频率带能量比的变化ERV_k的值也不断增加，且变化将更加明显，当能量比变化值ERV_k的取值大于10％时，结构进入预警状态；当能量比变化值ERV_k的取值大于70％时，必须立即停止对结构的使用。