曲线组合梁桥负弯矩区内衬混凝土底板组合结构的制作方法

本发明属于桥梁工程技术领域，具体涉及一种曲线组合梁桥负弯矩区内衬混凝土底板组合结构。

背景技术：

由于梁轴水平曲率的影响，曲线梁桥的受力特点与直线梁桥有本质上的区别，最大的特点就是：在竖向荷载作用下，曲线梁桥在发生竖向弯曲的同时，还会产生扭转现象，二者彼此相互影响，产生“弯扭耦合”效应。这导致其主梁内外侧支座反力存在差异，具有外侧大、内侧小的特点。若主梁承受较大的偏心荷载，使外梁超载，内梁卸载，内侧支座可能会产生负反力，出现“内侧支座脱空”现象。该现象是比较常见的桥梁病害之一，如果在桥梁运营阶段发生支座脱空现象，意味着梁体边界条件以及结构受力状态发生改变，与设计严重不符，这是必须予以避免的。如果不采取措施，运营期间主梁在活载作用下发生竖向振动，使其承受较大的动荷载，影响车辆行驶的舒适性；情况更为严重下，主梁有倾覆危险。这对桥梁及桥墩正常使用带来不利影响，减少桥梁使用寿命。

曲线组合梁桥由槽形钢梁与混凝土桥面板通过连接件组合而成。根据钢材抗拉强度高的优点，将传统混凝土箱梁的混凝土腹板和底板用钢腹板和底板代替，能够解决混凝土腹板或底板开裂问题，减轻结构自重，缩短施工周期，具有良好的耐久性，近年来在国内得到积极推广。

曲线组合梁桥由于结构轻巧，自重产生的支座正反力较小，内侧支座可能会产生负反力。因此，需采取相应措施防止“内侧支座脱空”现象出现，确保曲线组合梁桥支点力分布均匀。根据曲线梁桥的特点，常采用支座横向偏心设置、设置拉压支座或者梁端配重等构造措施防止支座脱空现象发生。

1.支座横向偏心设置，可有效改善支座反力分布不均现象，但须加大过渡墩墩帽，不利桥墩的整体美观，增加施工难度。

2.拉压支座，需要根据不同设计方案特殊设计，相对于同等承载力的普通支座，其价格更高，尺寸更大，支座更换存在困难。

3.相对上述两种方案，采用桥梁两端设置配重更有效和便利。

曲线组合梁桥由于截面较薄，在荷载作用下，结构应力与形变较其它结构复杂。负弯矩区的受压钢底板存在局部失稳隐患，影响结构的整体稳定性能。当拉应力超过混凝土材料极限抗拉强度时，混凝土桥面板会开裂产生裂缝，严重影响结构受力性能，耐久性也会降低。因此，负弯矩区结构成为该种桥梁设计的关键；在保证支座不出现负反力现象且支点力分布均匀的情况下，还需解决受压钢底板的稳定性及混凝土桥面板的开裂问题，确保负弯矩区截面具有足够的刚度承担“弯扭耦合”作用。

梁端配重措施虽然可以避免支座负反力的产生，但是对于负弯矩区截面的受力没有起到改善作用，在连续曲线组合梁桥负弯矩区，还存在受压底板局部失稳和混凝土桥面板拉应力过大的隐患。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明提供了一种曲线组合梁桥负弯矩区内衬混凝土底板组合结构，以解决传统曲线组合梁桥在荷载作用下出现的支座脱空现象，提高负弯矩区域截面的抗弯和抗扭刚度，改善钢底板受压稳定性能，减轻负弯矩区混凝土桥面板的拉应力，确保结构受力均匀，具有良好耐久性。

一种曲线组合梁桥负弯矩区内衬混凝土底板组合结构，包括槽形钢梁和混凝土桥面板，混凝土桥面板铺设于槽形钢梁上，所述槽形钢梁由两块上翼缘钢板、两块钢腹板和一块钢底板构成；其中，两块钢腹板分别垂直焊接于钢底板两边沿，上翼缘钢板水平焊接于对应钢腹板顶部，上翼缘钢板顶面、钢底板顶面以及钢腹板内侧底部均设有焊钉，钢底板顶面现浇混凝土形成混凝土底板，上翼缘钢板与混凝土桥面板、钢腹板内侧底部与混凝土底板、钢底板与混凝土底板均通过焊钉+混凝土结合连接。

进一步地，所述上翼缘钢板、钢腹板以及钢底板均在工厂预制并焊接形成槽形钢梁。

进一步地，所述上翼缘钢板和钢底板上的焊钉呈阵列满面排布，并作为上翼缘钢板与混凝土桥面板、钢底板与混凝土底板之间的竖向直立连接件。

进一步地，所述钢腹板内侧底部的焊钉作为钢腹板与混凝土底板之间的横向侧立连接件。

进一步地，所述焊钉采用圆柱头焊钉，其数量需满足整体结构的受力要求，间距则根据构造要求确定。

进一步地，所述钢底板可兼作施工模板，其顶面现浇混凝土，通过钢底板上方竖向直立的焊钉以及钢腹板内侧底部横向侧立的焊钉使得槽形钢梁与混凝土底板结合，形成稳定连接。

进一步地，所述混凝土底板不仅参与结构受力，提高结构承载力，还能起到配重作用，解决支座脱空问题，其将压重和组合截面合理构造结合起来，提高了材料利用率，可避免厚钢板焊接存在的一系列问题。

进一步地，对于现浇法施工的组合结构，上翼缘钢板顶面以及钢底板顶面的焊钉按照点阵式均匀布置；对于预制装配化施工的组合结构，上翼缘钢板顶面以及钢底板顶面的焊钉按照集束式等间距布置。

在本发明负弯矩区内衬混凝土底板组合结构中，混凝土底板与钢腹板和钢底板通过连接件结合，可同时起到压重和参与截面受力的效果，极大地优化曲线组合梁桥负弯矩区的受力特性，提高材料利用率。

基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

(1)本发明槽形梁钢底板可充当底板混凝土浇筑的永久施工模板，方便施工，缩短施工周期。

(2)本发明混凝土底板与钢主梁结合后，可解决支座脱空问题，保证支点反力分布均匀，改善结构受力状态。

(3)本发明混凝土底板与钢主梁结合后，还极大提高截面的抗弯和抗扭刚度，改善钢底板和混凝土桥面板的受力情况，提高结构的稳定性和生命周期。

(4)本发明可充分发挥混凝土材料的抗压性能和钢材的抗拉性能，提高材料利用率，具有较好的经济效益。

(5)本发明混凝土板底面均有钢板保护，浇筑质量可得到保证，提高了结构耐久性。

附图说明

图1为本发明实例采用现浇法施工工艺的连续曲线组合梁桥负弯矩区内衬混凝土底板组合结构的立体示意图。

图2为本发明实例采用现浇法施工工艺的连续曲线组合梁桥负弯矩区内衬混凝土底板组合结构的上翼缘钢板组件结构示意图。

图3为本发明实例采用现浇法施工工艺的连续曲线组合梁桥负弯矩区内衬混凝土底板组合结构的钢腹板组件结构示意图。

图4为本发明实例采用现浇法施工工艺的连续曲线组合梁桥负弯矩区内衬混凝土底板组合结构的钢底板组件结构示意图。

图5为本发明实例采用预制装配化施工工艺的连续曲线组合梁桥负弯矩区内衬混凝土底板组合结构的立体示意图。

图6为本发明实例采用预制装配化施工工艺的连续曲线组合梁桥负弯矩区内衬混凝土底板组合结构的预制混凝土桥面板组件结构示意图。

图7为本发明实例采用预制装配化施工工艺的连续曲线组合梁桥负弯矩区内衬混凝土底板组合结构的上翼缘钢板组件结构示意图。

图8为本发明实例采用预制装配化施工工艺的连续曲线组合梁桥负弯矩区内衬混凝土底板组合结构的钢腹板组件结构示意图。

图9为本发明实例采用预制装配化施工工艺的连续曲线组合梁桥负弯矩区内衬混凝土底板组合结构的钢底板组件结构示意图。

图10为本发明实例采用预制装配化施工工艺的连续曲线组合梁桥负弯矩区内衬混凝土底板组合结构的预制混凝土底板组件结构示意图。

图中：1-混凝土桥面板，2-上翼缘钢板，3-钢腹板，4-钢底板，5-混凝土底板，6-圆柱头焊钉，7-现浇湿接缝。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明曲线组合梁桥负弯矩区的内衬混凝土组合结构，主要由混凝土桥面板1、上翼缘钢板2、钢腹板3、钢底板4、混凝土底板5和圆柱头焊钉6组成。

首先，根据设计要求，按照设计图中构件尺寸，加工制造上翼缘钢板2、钢腹板3和钢底板4等钢结构板件。

其次，在相应的钢结构板件上焊接圆柱头焊钉。分别在上翼缘钢板2和钢底板4上方垂直焊接竖向圆柱头焊钉6，在钢腹板3的底部区域内侧垂直焊接横向圆柱头焊钉6。

然后，将加工的钢结构板件进行组装。在钢结构板件的拼装过程中，钢腹板3的顶部需与上翼缘钢板2的横向中心位置对齐，并且在其下方垂直焊接钢腹板3；钢腹板3的底部需与钢底板4的外侧边缘对齐，并且垂直焊接，形成槽形钢梁。这样可保证上翼缘钢板2与钢底板4互相平行。

最后，混凝土桥面板1以及混凝土底板5通过焊钉连接件与槽形钢梁结合，形成内衬混凝土底板组合结构。

其中，混凝土底板5分别与钢腹板3和钢底板4结合。垂直焊接于钢腹板3底部区域内侧的横向圆柱头焊钉6，作为混凝土底板5与钢腹板3之间的横向侧立连接件；垂直焊接于钢底板4上方的竖向圆柱头焊钉6，作为混凝土底板5与钢底板4的竖向直立连接件。混凝土桥面板1与上翼缘钢板2结合，垂直焊接于上翼缘钢板2上方的竖向圆柱头焊钉6，作为混凝土桥面板1与上翼缘钢板2的竖向直立连接件。

按照混凝土板的施工工艺，可将本发明内衬混凝土组合结构分为现浇法施工方案和预制装配化施工方案，分别如图1和图5所示，两种方案中在施工流程和圆柱头焊钉6的布置方式存在差异。

现浇法施工方案：

本实施方式中上翼缘钢板2、钢腹板3和钢底板4均在工厂预制，如图2～图4所示，其表面上的圆柱头焊钉6均按照点阵式均匀布置，分别垂直焊接于上翼缘钢板2、钢底板4的上方以及钢腹板3的底部区域内侧，其作为槽形钢梁与混凝土板之间的连接件。

上翼缘钢板2表面的圆柱头焊钉6之间的间距可根据构造要求确定，其最小间距需大于五倍的圆柱头焊钉6直径，圆柱头焊钉6至上翼缘钢板2边缘的距离需大于三倍圆柱头焊钉6的直径。本实施方式中圆柱头焊钉6的直径一般为19mm～25mm，长度一般为200mm。

钢腹板3底部区域内侧和钢底板4上表面的圆柱头焊钉6的数量可根据构造要求进行布置，圆柱头焊钉6之间的最小间距需大于五倍的焊钉6直径，圆柱头焊钉6至钢腹板3和钢底板4边缘的距离需大于三倍圆柱头焊钉6的直径。本实施方式中圆柱头焊钉6的直径一般为19mm～22mm，长度一般为150mm。

其中，混凝土桥面板1和混凝土底板5采取现浇施工方式。

在实际工程中，待槽形钢梁加工完毕，运输吊装至指定桥位后，先以钢底板4为施工模板，在其上方现浇底板混凝土。通过钢底板4上方的竖向直立圆柱头焊钉6以及钢腹板3内侧底部的横向侧立圆柱头焊钉6，实现槽形钢梁与混凝土底板5的稳定连接，保证了混凝土与钢构件的整体工作性能。

待混凝土底板5养护到位，达到规定强度后，在槽形钢梁顶部搭建混凝土桥面板1的模板，然后浇筑桥面板混凝土。通过上翼缘钢板2上方的竖向直立圆柱头焊钉6实现槽形钢梁与混凝土桥面板1的有效结合，形成内衬混凝土底板组合结构。

预制装配化施工方案：

本实施方式中上翼缘钢板2、钢腹板3和钢底板4均在工厂预制，如图7～图9所示。上翼缘钢板2和钢底板4表面上的竖向圆柱头焊钉6均按照集束式等间距布置，集束式圆柱头焊钉6之间的净间距约为0.8m。

上述圆柱头焊钉6之间的最小间距需大于五倍的焊钉6直径，圆柱头焊钉6至上翼缘钢板2和钢底板4边缘的距离亦需大于五倍圆柱头焊钉6的直径。本实施方式中圆柱头焊钉6的直径一般为19mm～22mm，其中上翼缘钢板2表面的竖向圆柱头焊钉6长度一般为200mm，而钢底板4表面的竖向圆柱头焊钉6长度一般为150mm。

钢腹板3底部区域内侧的横向圆柱头焊钉6则按照点阵式均匀布置，作为槽形钢梁与混凝土底板之间的连接件。钢腹板3底部区域内侧的圆柱头焊钉6可根据构造要求进行布置，其最小间距需大于五倍的焊钉6直径，圆柱头焊钉6至钢腹板3边缘的距离需大于三倍圆柱头焊钉6的直径。本实施方式中圆柱头焊钉6的直径一般为19mm～22mm，长度一般为150mm。

另外，混凝土桥面板1和混凝土底板5均采取先支护模板预制、养护，后吊装、浇筑湿接缝的方式。这样即能保证桥面板浇筑质量，也能节约施工时间，实现装配化施工。

预制混凝土桥面板1如图6所示，预留孔为正方形，其位置与上翼缘钢板2上方的集束式圆柱头焊钉6相匹配，尺寸大小为上翼缘钢板2的宽度，纵向净间距约为0.6m。

预制混凝土底板5如图10所示，宽度应小于两侧上翼缘钢板2之间的净距。其预留孔为正方形，其位置与钢底板4上方的集束式圆柱头焊钉6相匹配，尺寸大小为上翼缘钢板2的宽度，纵向净间距约为0.6m。混凝土底板两侧齿块长度约为0.3×0.3m。

在实际工程中，待槽形钢梁运输吊装至桥位后，先将预制混凝土底板5吊装就位，与钢底板4上方的竖向直立圆柱头焊钉6进行装配，分别在齿块区域的纵向湿接缝以及预留孔处浇筑微膨胀混凝土，保证混凝土底板5分别通过钢腹板3底部区域内侧的横向圆柱头焊钉6以及钢底板4上方的集束式圆柱头焊钉6与钢腹板3和钢底板4形成有效结合。实现槽形钢梁与混凝土底板5的稳定连接，保证了混凝土与钢构件的整体工作性能。

混凝土底板5装配完成后，可将混凝土桥面板1吊装就位，在预留孔处浇筑微膨胀混凝土，通过上翼缘钢板2上表面的圆柱头焊钉6实现预制混凝土桥面板1与槽形钢箱梁有效结合。

对于圆柱头焊钉6的数量，可根据最不利荷载状态下混凝土桥面板1与槽形钢梁之间的剪力，计算上翼缘钢板2上方所需集束式圆柱头焊钉6的最小数量，以保证圆柱头焊钉6的数量满足结构的受力要求。

相对于现浇方案，预制方案可实现工厂化预制构件、装配化施工，简化操作流程，缩短施工周期，降低成本造价。

在内衬混凝土底板组合结构中，混凝土底板5不仅能起到配重作用，解决支座脱空问题；还参与结构受力，提高结构承载力，改善受压钢底板的稳定性。

因此，本发明将压重和组合截面有效结合起来，可充分发挥材料的性能，大大提高材料的利用率。内衬混凝土底板组合结构有效提高截面的抗扭刚度，确保结构受力均匀，改善负弯矩区受压钢底板的稳定性能以及降低混凝土桥面板的拉应力，避免厚钢板焊接存在的一系列问题，具有良好的作用效果。此外，钢底板4可充当底板混凝土浇筑的永久施工模板，方便施工，缩短施工周期，提高结构的耐久性。经理论推导和有限元分析，相对于普通组合结构，内衬混凝土底板组合结构的抗扭刚度提高30％以上，效果显著。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。