一种适用于大跨径桥梁的超轻型组合梁结构及其施工方法与流程

本发明属于桥梁构件及其施工技术领域，特别是一种适用于大跨径桥梁的超轻型组合梁结构及其施工方法。

背景技术：

传统钢-混凝土组合梁由于其受力合理，充分利用钢受拉、混凝土受压的优势，使得其组合后的性能要优于两种材料性能简单的叠加，从而具有良好的技术和经济效益。但随着桥梁跨径的增大，当钢-混凝土组合梁应用于连续体系桥梁和大跨柔性体系桥梁时，其负弯矩区内面临着上缘混凝土出现受拉开裂的风险，而常规抗裂措施的效果又不甚理想。

传统组合梁斜拉桥中由于混凝土桥面板要承担来自斜拉索的水平分力，故其平均厚度较厚，一般大于26cm，导致桥面板占主梁总重量的比值较大，往往在70％以上，过重的主梁是限制桥梁跨径上限的主要因素，使得钢-混凝土连续体系梁桥的跨径超过110m时不经济，组合梁斜拉桥经济跨径上限为600m。国内外大量工程实践表明，钢-混凝土组合梁桥普遍存在着主梁自重过大和混凝土桥面板易开裂的难题，长期困扰工程界，成为制约传统钢-混凝土组合梁进一步发展的主要技术瓶颈。

传统钢-混凝土组合梁中存在上述难题的根本原因是普通混凝土材料本身的力学性能的限制，普通混凝土材料具有开裂应变小、抗拉强度低以及收缩徐变效应明显的力学特性，在收缩徐变效应及温度作用下极易产生约束拉应力，致使混凝土桥面板在运营中存在开裂风险。

超高性能混凝土(ultra-highperformanceconcrete，uhpc，以下简称uhpc)具有优良的力学性能，其出现使桥梁建筑结构的发展趋向于大跨化、轻型化。然而，由于uhpc造价较高，采用较厚的板厚不能充分利用uhpc的经济优势，且实际桥梁结构中，桥面板纵横向的受力是不同的，一般以一个方向为主(一般为纵向)，而只采用平板型纯uhpc板作桥面板势必会造成一个方向的富余度过大，造成材料浪费，经济性偏差；同时由于接缝处新老uhpc交界面处钢纤维不连续，其抗拉强度降低，若采用传统的竖直平面接缝，则很容易因界面薄弱且接缝处拉应力较高出现开裂，因此，对于钢-uhpc组合梁的桥面板，宜优化接缝处构造，降低接缝的开裂风险。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种适用于大跨径桥梁的超轻型组合梁结构，大幅度降低桥面板的自重，增大组合梁的跨越能力，降低开裂风险。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种适用于大跨径桥梁的超轻型组合梁结构，该结构主要由下部的钢梁和上部的桥面板单元组合而成，所述桥面板单元包括型钢-uhpc轻型组合桥面板以及周边的接缝构造；所述型钢-uhpc轻型组合桥面板主要由uhpc板和型钢组合而成，型钢作为纵肋沿纵桥向布置，设置于uhpc板底部；纵、横向接缝构造均为t型接缝，所述t型接缝由uhpc板上部边缘处的阶梯状槽口和相邻uhpc板的间隙构成。

进一步的，所述钢梁为取消正交异性钢桥面板的pk梁、钢箱梁、钢板梁或钢桁梁，仅需在纵隔板、中腹板、边腹板或纵梁，与横隔板或横梁的上方布置一定宽度用于连接型钢-uhpc轻型组合桥面板单元的上翼缘板。

进一步的，所述uhpc板为平板或在与型钢连接处作加厚处理的平板，其平均厚度不超过140mm，所述平均厚度不含接缝。

进一步的，所述型钢为h型钢、工字钢、槽钢、角钢、t型钢、球扁钢或u型钢。

进一步的，所述型钢高度不超过400mm，横向间距为300mm～1000mm。

进一步的，所述t型接缝阶梯状槽口高度为uhpc板高度的30～70％。

进一步的，纵向接缝由型钢-uhpc轻型组合桥面板搭在纵隔板、中腹板、边腹板或纵梁上翼缘上的密封橡胶条预留而成，与纵隔板、中腹板、边腹板或纵梁上翼缘连接处的型钢大致呈匚形，该处型钢上下翼缘板朝向外侧，构成接缝两侧的边界，在接缝相邻两个型钢上翼缘焊接横向连接短钢筋。

进一步的，横向接缝由型钢-uhpc轻型组合桥面板搭在横隔板或横梁上翼缘板上的密封橡胶条预留而成，在接缝相邻两个型钢上翼缘焊接纵向连接短钢筋，接缝处型钢腹板之间通过横向钢板或uhpc横向加劲板连接。

进一步的，t型接缝构造沿接缝宽度方向的顶层钢筋预留一定的长度且错开布置。

所述超轻型组合梁结构的施工方法，：采用下述两种施工方法中的一种：

第一种施工方法：下部钢梁和上部型钢-uhpc轻型组合桥面板单元分开预制，再在现场拼接形成超轻型组合梁结构，包括下述步骤：

s1：分别完成型钢-uhpc轻型组合桥面板单元和钢梁的预制；

s2：在钢梁纵隔板、中腹板、边腹板或纵梁，与横隔板或横梁的上翼缘板上焊接抗剪栓钉，同时在钢梁纵、横梁的上翼缘板外侧布置密封用的橡胶胶条；

s3：安装型钢-uhpc轻型组合桥面板单元，将其搁置在橡胶胶条上，然后沿接缝宽度方向摆放加强钢筋；

s4：浇筑超高性能混凝土层使栓钉和加强钢筋包埋于超高性能混凝土中，使得型钢-uhpc轻型组合桥面板单元之间结合为一个整体，完成施工；

第二种施工方法：下部钢梁和上部型钢-uhpc轻型组合桥面板单元整体预制形成超轻型组合梁节段，再在现场完成节段间的拼接，包括下述步骤：

s1：将型钢-uhpc轻型组合桥面板单元和钢梁整体预制，型钢-uhpc轻型组合桥面板单元通过钢梁纵隔板、中腹板、边腹板或纵梁，与横隔板或横梁的上翼缘板上的抗剪栓钉连接成为一个节段的超轻型组合梁，并预留出节段间横向接缝的位置；

s2：安装超轻型组合梁结构的节段，然后沿横向接缝沿桥梁纵向摆放纵向加强钢筋；

s3：浇筑超高性能混凝土层使栓钉和加强钢筋包埋于超高性能混凝土中，使得超轻型组合梁结构的节段之间结合为一个整体，完成施工。

与现有技术相比，本发明的显著效果为：

本发明提供了一种适用于大跨径桥梁的超轻型组合梁结构，首次提出主梁与桥面板组合、桥面板自身组合的“双组合”结构，目的是大幅度降低主梁自重。该超轻型组合梁结构具有如下优点：

(1)传统型钢-混凝土组合梁中，由于普通混凝土收缩较大，为避免其收缩开裂，一般需将型钢和普通混凝土板分开预制，再现浇接缝处混凝土使得其形成整体，其受力为先钢梁受力，再变为组合梁受力，本发明中型钢-uhpc轻型组合桥面板中型钢和uhpc板整体预制而成，直接变为组合板受力，其力学性能更优。

(2)本发明中型钢-uhpc轻型组合桥面板中型钢的主要作用为充当uhpc板的加劲肋和承受板下缘拉应力的作用，跨度较小，为一个横隔板(横梁)间距，因此其高度不需要很高，一般不超过400mm。在uhpc板底面设置型钢纵肋，充分发挥了钢和uhpc的材料的力学性能，使得材料的利用率更高同时具有更大的抗弯刚度；由于在桥面板板中采用了成品型钢，造价低，具有更高的抗弯惯性矩，降低了桥面板的开裂风险。与传统正交异性钢桥面相比，焊接量很少，极大地降低了疲劳开裂的风险。

(3)桥面板uhpc材料用量少且抗弯刚度大，满足桥面板纵、横向受力的要求，并显著降低了桥面板的自重，使得主梁结构自重显著降低，增大了组合梁的跨越能力。与传统钢-混凝土组合梁相比，主梁自重可降低40～50％，与纯钢梁相比，主梁自重增加10～20％，跨度可以达到2000米。

(4)桥面板单元周边“t”型接缝构造将顶层接缝位置布置在离横隔板(横梁)较远的位置，可使得接缝位置避开负弯矩峰值拉应力区，同时又由于“t”型接缝上下层台阶的设置，使得接缝处现浇接缝uhpc与下层台阶的接触面为uhpc且接触面较长，其接触面间的水平摩阻力可以阻滞uhpc收缩，避免界面出现收缩裂缝，避免出现渗漏病害。

(5)通过调整桥面板、型钢的尺寸以及型钢的横向间距，可方便匹配桥面板的纵、横向刚度。

(6)由于桥面板在工厂预制，现场只需要对纵、横向湿接缝进行浇筑，现场浇筑量小，接缝仅需要对顶层阶梯进行凿毛，工作量小，接缝处钢筋无需弯折和绑扎，也不需要搭接或焊接，操作简单，设备投入小、简单易操作、对劳动力素质和工艺要求较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1—为下部钢梁为取消正交异性钢桥面板的pk梁的本发明应用实例横截面图；

图2—为下部钢梁为取消正交异性钢桥面板的钢箱梁的本发明应用实例横截面图；

图3—为下部钢梁为取消正交异性钢桥面板的钢板梁的本发明应用实例横截面图；

图4—为下部钢梁为取消正交异性钢桥面板的钢桁梁的本发明应用实例横截面图；

图5—为本发明应用实例中钢梁的俯视图；

图6—为实施例1中一种型钢-uhpc轻型组合桥面板单元的结构示意图(横截面)；

图7—为图6中a-a截面剖视图；

图8—为图6中b-b截面剖视图；

图9—为uhpc板在与型钢连接处做加厚处理的一种型钢-uhpc轻型组合桥面板单元的结构示意图(横截面)；

图10—为图9中a-a截面剖视图；

图11—为图9中b-b截面剖视图；

图12—为图6中一种型钢-uhpc轻型组合桥面板单元纵向接缝的顶层结构示意图(俯视图，为图14中的d-d剖面图)；

图13—为图6中一种型钢-uhpc轻型组合桥面板单元纵向接缝的底层结构示意图(俯视图，为图14中的e-e剖面图)；

图14—为图12、图13中c-c截面剖视图(示出uhpc板内底层钢筋)；

图15—为图6中一种型钢-uhpc轻型组合桥面板单元横向接缝的顶层结构示意图(俯视图，为图17中的h-h剖面图)；

图16—为图6中一种型钢-uhpc轻型组合桥面板单元横向接缝的底层结构示意图(俯视图，为图17中的i-i剖面图)；

图17—为图15和图16中f-f截面剖视图；

图18—为图15和图16中g-g截面剖视图。

图例说明：

1.uhpc板；2.型钢；3.短栓钉；4.沥青铺装层；5.纵向“t”型接缝处切掉一边上下翼缘板的型钢；6.纵向“t”型接缝处uhpc板顶层阶梯；7.纵向“t”型接缝处uhpc板底层阶梯；8.uhpc预制板内顶层横向钢筋；9.纵向“t”型接缝处顶层横向加强钢筋；10.纵向“t”型接缝处顶层纵向钢筋；11.接缝处栓钉；12.纵隔板(中腹板、边腹板或纵梁)；13.纵隔板(中腹板、边腹板或纵梁)的上翼缘板；14.密封橡胶条；15.接缝处现浇uhpc；16.横向“t”型接缝处经过坡口处理的型钢；17.横向“t”型接缝处横向加劲板；18.横向“t”型接缝处型钢腹板上的栓钉；19.横向“t”型接缝处uhpc板顶层阶梯；20.横向“t”型接缝处uhpc板底层阶梯；21.uhpc预制板内顶层纵向钢筋；22.横向“t”型接缝处顶层纵向加强钢筋；23.横向“t”型接缝处顶层横向钢筋；24.横隔板(横梁)；25.横隔板(横梁)上翼缘板；26.纵向接缝处型钢与型钢间横向连接短钢筋；27.纵向接缝处型钢与型钢间横向连接短钢筋的焊缝；28.横向接缝处型钢与型钢间纵向连接短钢筋；29.横向接缝处型钢与型钢间纵向连接短钢筋的焊缝；30.pk钢梁；31.钢箱梁；32.钢板梁；33.钢桁梁；34.小纵梁；35.纵向“t”型接缝处顶层横向钢筋预留长度；36.横向“t”型接缝处顶层纵向钢筋预留长度。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

参照图1～8、图12～18，本实施例的一种适用于大跨径桥梁的超轻型组合梁结构，该超轻型组合梁结构主要由下部的钢梁和上部的型钢-uhpc轻型组合桥面板单元组成。

所述钢梁可为取消正交异性钢桥面板的pk钢梁30、钢箱梁31、钢板梁32或钢桁梁33，仅需在纵隔板(中腹板、边腹板或纵梁)12和横隔板(横梁)24的上方布置一定宽度用于连接型钢-uhpc轻型组合桥面板单元的纵隔板(中腹板、边腹板或纵梁)的上翼缘板13、横隔板(横梁)上翼缘板25即可。

所述型钢-uhpc轻型组合桥面板单元包括型钢-uhpc轻型组合桥面板以及周边的接缝构造，型钢-uhpc轻型组合桥面板由uhpc板1，型钢2以及连接用的短栓钉3组成。

所述型钢-uhpc轻型组合桥面板单元中uhpc板1可为平板(如图6～8)或在接缝处作加厚处理的平板(如图9～12)，其平均厚度(不含接缝)不超过140mm，uhpc板1内需配置uhpc预制板内顶层横向钢筋8和uhpc预制板内顶层纵向钢筋21，纵、横向钢筋直径为10mm～20mm,钢筋间距为70mm～300mm。

所述型钢-uhpc轻型组合桥面板单元中uhpc板1置于型钢2上方，型钢2的主要作用为充当uhpc板1的加劲肋和承受拉应力的作用，型钢2一般为h型钢、工字钢、槽钢、角钢、t型钢、球扁钢或u型钢，型钢2为纵向布置，横向间距为300mm～1000mm，型钢2宽度一般为100mm～400mm，由于型钢2作用为加劲肋的作用，其高度较小，一般不超过400mm。

所述型钢-uhpc轻型组合桥面板单元中uhpc板1通过短栓钉3与型钢2连接，短栓钉3直径为9mm～25mm，短栓钉3高度为25mm～80mm，型钢2上翼缘板焊有短栓钉3，每个型钢2上方横向一般布置2～4排栓钉，间距为50mm～200mm，纵向间距为100mm～300mm。

所述型钢-uhpc轻型组合桥面板单元中纵、横向接缝构造均为“t”型接缝，顶层阶梯高度一般为uhpc板高度的一半，接缝总高度为钢-uhpc轻型组合桥面板高度与密封用橡胶胶条的高度之和；顶层阶梯宽度较宽，以避开负弯矩的高拉应力区，避免接缝处由于新老uhpc交界面钢纤维不连续致使抗拉强度低，过早出现裂缝，顶层阶梯和底层阶梯间湿接缝处交界面为uhpc，可避免出现收缩裂缝。

所述型钢-uhpc轻型组合桥面板单元中纵向接缝由型钢-uhpc轻型组合桥面板搭在纵隔板(中腹板、边腹板或纵梁)的上翼缘板13上的密封橡胶条14预留而成，此时，预制板中在与纵隔板上翼缘连接处的型钢需去除一端的上下翼缘板，在接缝相邻两个型钢上翼缘焊接纵向接缝处型钢与型钢间横向连接短钢筋26，纵向接缝处型钢与型钢间横向连接短钢筋26纵向间距为100mm～1000mm，纵隔板上翼缘板焊有接缝处栓钉11，顶层阶梯预留宽度为400～1200mm，为平口型，浇筑前需凿毛处理；底层阶梯为预留宽度为200～600mm，为平口型，浇筑前不需要凿毛处理。对于设置了小纵梁34的桥梁，可搁置在小纵梁34的上翼缘板上，对于既无纵隔板又无小纵梁的桥梁，可直接搁置在边腹板的上翼缘板上。

所述型钢-uhpc轻型组合桥面板单元中横向接缝由型钢-uhpc轻型组合桥面板搭在横隔板(横梁)上翼缘板25上的密封橡胶条14预留而成，在接缝相邻两个型钢上翼缘焊接横向接缝处型钢与型钢间纵向连接短钢筋28，横向接缝处型钢与型钢间纵向连接短钢筋28横向布置为每个型钢上翼缘板分布2～4根，横隔板上翼缘板焊有接缝处栓钉11，接缝处型钢腹板之间通过横向“t”型接缝处横向加劲板17(可为uhpc也可为钢板)连接，横向“t”型接缝处横向加劲板17与腹板间通过短栓钉连接，其中型钢-uhpc轻型组合桥面板中型钢下翼缘板与横隔板(横梁)上翼缘板25无需焊接，顶层阶梯高度为桥面板顶板高度，预留宽度为400～1200mm，为平口型，浇筑前需凿毛处理；底层阶梯预留宽度为200～600mm，如果横向接缝宽度较小，横隔板上翼缘板布置栓钉有限制，可从型钢上翼缘板做一坡口至下翼缘板。

所述型钢-uhpc轻型组合桥面板单元中“t”型接缝构造，“t”型接缝构造，钢筋无需弯折，钢筋之间也无需搭接或焊接，沿接缝宽度方向的uhpc预制板内顶层横向钢筋8和uhpc预制板内顶层纵向钢筋21需预留一定的长度且需错开布置，纵向“t”型接缝处顶层横向钢筋预留长度35、横向“t”型接缝处顶层纵向钢筋预留长度36应大于10倍的钢筋直径，错开布置相交的长度不应小于7.5倍的钢筋直径，错开布置的距离不应小于1.5倍的钢纤维最大长度，同时对于钢筋间距较大的需沿接缝宽度方向摆放平行的纵、横向加强钢筋。

所述uhpc板1、接缝处现浇uhpc15由超高性能混凝土浇筑而成，所述超高性能混凝土是指组分中含钢纤维且无粗骨料、抗压强度不低于100mpa、轴拉强度不低于5mpa的混凝土。所述超高性能混凝土层的上方设置有沥青铺装层。

与南京五桥170mmuhpc平板型桥面板相比，采用桥面板为80mmuhpc板+hw200×200的型钢-uhpc轻型组合桥面板，其桥面板结构层自重下降了20％，桥面板结构层造价降低了10％，然而桥面板纵向刚度却是南京五桥的2.53倍，可见其具有明显的技术经济性。

本实施例的一种适用于大跨径桥梁的超轻型组合梁结构的施工方法，具体包括以下步骤：

s1：预制型钢-uhpc轻型组合桥面板单元和钢梁：将型钢2固定好位置，将接缝处型钢之间的横向“t”型接缝处横向加劲板17的模板与型钢2连接好，制作uhpc桥面板单元的模板，在型钢2上翼缘板焊接短栓钉3，放入绑扎好的钢筋，并预留一定长度的钢筋于模板外，浇筑uhpc养护完成后形成型钢-uhpc轻型组合桥面板单元；预制pk钢梁30、钢箱梁31、钢板梁32或钢桁梁33，按照常规钢-混凝土组合桥梁施工方法进行下部钢梁的预制，并在钢梁纵隔板(中腹板、边腹板或纵梁)的上翼缘板13、横隔板(横梁)上翼缘板25上焊接抗剪栓钉；

s2：架设pk钢梁30、钢箱梁31、钢板梁32或钢桁梁33和预制好的型钢-uhpc轻型组合桥面板：按照常规钢-混凝土组合桥梁施工方法进行钢梁的现场拼接工序，再吊装预制好的型钢-uhpc轻型组合桥面板单元，将其搁置在纵隔板(中腹板、边腹板或纵梁)和横隔板(横梁)上翼缘板的密封橡胶条14上，对于无纵隔板的桥梁，可以增设小纵梁34，搁置在小纵梁的上翼缘板上，或直接搁置在边腹板的上翼缘板上，在接缝处型钢上翼缘板焊接纵横向短钢筋；

s3：浇筑湿接缝：对平口型的纵向“t”型接缝处uhpc板顶层阶梯6和横向“t”型接缝处uhpc板顶层阶梯19进行凿毛处理，对钢筋间距较大的还需沿接缝宽度方向摆放平行的纵向“t”型接缝处顶层横向加强钢筋9和横向“t”型接缝处顶层纵向加强钢筋22，最后浇筑超高性能混凝土使栓钉、预留钢筋以及加强钢筋包埋于超高性能混凝土中，使得正交异性uhpc轻型桥面板单元之间结合为一个整体，共同受力；

s4：铺筑沥青铺装层4：在所述的预制桥面板和现浇接缝的超高性能混凝土顶面进行糙化处理，并在其上方铺筑沥青铺装层4，完成钢-uhpc组合梁桥面结构的施工。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。