一种轻型钢-超高性能混凝土劲性组合肋板及施工方法与流程

本发明属于桥梁结构建筑领域，特别涉及一种轻型钢-超高性能混凝土劲性组合肋板及施工方法。

背景技术：

桥面板直接承受车辆荷载和环境作用，是受超载、腐蚀、疲劳等不利因素影响最直接的构件，因此其工作状态将直接影响倒桥梁主体结构的耐久性和行车舒适性。正交异性钢桥面板、普通混凝土桥面板是目前桥梁工程应用的两种主要的桥面板形式。普通混凝土桥面板可较好地适应沥青混凝土桥面铺装或水泥铺装，行车效果较好，但由于普通混凝土抗拉强度偏低，导致其板厚较大，结构自重较大，难以适应大跨度桥梁的需求，且在湿接缝、负弯矩区、斜拉索锚固区附近易开裂。正交异性钢桥面板具有自重轻、极限承载力大、施工周期短等优点，被广泛应用于大跨度桥梁中，但由于钢桥面板刚度偏低，与沥青混凝土的粘结性和变形协调性能差等原因，使得运营多年的正交异性钢桥面板易出现疲劳开裂和铺装破损等病害。

超高性能混凝土(uhpc)具有高弹性模量、高抗压、抗拉强度和良好的徐变特性等优点，可以减小结构尺寸，减轻结构自重，提高结构抵抗荷载有效性和增大跨越的能力。因此，基于超高性能混凝土性能研发的超高性能混凝土桥面板可避免正交异性钢桥面板疲劳开裂和铺装易损的难题，可减轻结构自重，适应大跨度桥梁需求，同时具有优异的抗拉性能的超高性能混凝土可解决普通混凝土桥面板易开裂的难题，耐久性好。

公布号cn106758813a的发明专利公开了一种用于钢混组合梁桥的超高性能混凝土井式肋桥面板及其施工方法，包括预制超高性能混凝土井式肋桥面板、矩形柱状槽口、上层钢筋、下层钢筋、簇钉群、高强灌浆料、湿接带钢筋以及湿接带混凝土。该发明的桥面板可发挥超高性能混凝土抗压、抗拉强度高的力学特性，利用井式肋和面板组合，有效提高刚度、承载力、减小板厚。但是该井式肋桥面板肋宽度仅10cm～15cm，在保证良好施工性能前提下，受拉区配置普通钢筋数量有限，桥面板跨径较大时，易疲劳开裂，难以适应高抗裂性能的需求。此外，宽度仅10cm～15cm板肋内配置普通钢筋，可能对超高性能混凝土内纤维分布产生不利影响，影响结构安全性。此外，井式肋桥面板间湿接缝带构造采用常规平口构造，易在新旧混凝土截面产生收缩裂缝，由于钢纤维不连续而导致的受力薄弱点开裂风险高，耐久性差。

公布号cn107604815a的发明专利公开了一种自带模板超高性能混凝土组合桥面板，它主要由数块单元板拼接而成，单元板包括钢底板和设于钢底板上的超高性能混凝土面板，钢底板上焊接有用于连接超高性能混凝土面板的剪力连接件，每块钢底板为扁平的四棱台形薄壁钢构件，相邻的钢底板与位于桥面板下方的主梁的内部构件连接而使各钢底板连接成一体；在剪力连接件的上方沿顺桥向和横桥向分别设有连接成一体的钢筋，构成桥面板上缘受力钢筋网，钢底板和剪力连接件相应成为桥面板下缘受力钢筋及剪力钢筋，并共同作为桥面板的底模。该发明桥面板采用超高性能混凝土，可有效解决现有钢桥面所存在的容易开裂、桥面铺装破损等难题，但是这类组合桥面板整个底部均设置有钢板，一方面会显著增加桥梁结构用钢量，增加结构自重和造价，影响桥梁结构的跨越能力，另外一方面底板钢板对桥面板的超高性能混凝土将会形成强约束边界，实桥应用中现场浇筑、常温养护容易产生收缩开裂等影响结构的安全性和耐久性，必须通过蒸汽养护等方式避免收缩开裂，这给施工带来不便。

公布号cn105780649a的发明专利公开了一种凹肋耐候钢一混凝土组合桥面板，组合桥面板单元包括底钢板和浇筑于其上的现浇混凝土板，以及使底钢板、现浇混凝土板连接为一体的剪力键，在底钢板宽度方向两端焊接连接封头带孔钢板，以有效减少桥面系用钢量，并使桥面板的施工质量易于得到保证，简化施工工艺，从而有效节约工程费用。但这类构造仅适用于普通混凝土组合桥面板，应用超高性能混凝土桥面板时，底部设置的钢板将会对超高性能混凝土形成强约束边界，易使超高性能混凝土在养护和运营过程中收缩开裂，影响结构安全性，且底部全宽设置钢板也无法发挥超高性能混凝土优异的抗压和抗拉性能，此外在底钢板宽度方向两端焊接连接的封头带孔钢板也将阻断超高性能混凝土内钢纤维的连续和随机分布，对结构安全产生不利影响。

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，提供一种自重轻、刚度大、施工便捷、耐久性好的轻型钢-超高性能混凝土劲性组合肋板及施工方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种轻型钢-超高性能混凝土劲性组合肋板，包括面板、板肋、劲性增强部件和剪力连接件，板肋设置于面板底部并与面板浇筑为一体，板肋垂直于面板，面板和肋板由超高性能混凝土浇筑而成，劲性增强部件设置于板肋的底部并与板肋底面等宽，板肋与劲性增强部件通过剪力连接件连接成整体，在组合肋板边缘处的边板肋的顶部接缝处设置有沿边板肋长度方向设置的槽口，在槽口下方沿边板肋长度方向设置若干楔形口，楔形口沿面板所处平面方向的截面为外窄内宽的楔形。槽口构成t形接缝的上部台阶。

进一步的，楔形口顶部贯通槽口，槽口与楔形口的总高度等于t形接缝的高度。

进一步的，所述边板肋的宽度为0.20m～0.60m，所述槽口的深度为0.03m～0.10m，槽口的宽度为0.05m～0.40m，所述楔形口近板外侧宽度为0.05m～0.30m，所述楔形口近板内侧宽度为0.10m～0.40m。边板肋顶面设置槽口，可以通过槽口顶面阻滞现浇超高性能混凝土的收缩，从而降低了浇筑前后新旧超高性能混凝土界面的收缩应力，避免了接缝出现收缩裂缝，显著提高了桥梁接缝处的耐久性，另外一方面设置槽口可以将钢纤维不连续的受力薄弱面设置于低拉应力区，大大降低其开裂风险。边板肋底部设置外窄内宽的楔形口，不仅可以阻滞现浇超高性能混凝土的收缩，还可以使楔形口构造处新旧超高性能混凝土的界面相互交错，改善了纤维不连续造成的薄弱环节的受力，有效提高了梁板接缝处的抗剪和抗拉承载力，取消现有接缝构造的凿毛过程，可以简化施工，预制板横向拼装并精确定位后，无需任何现场的钢筋作业，便于施工，有利于实现超高性能混凝土结构的快速化施工。

进一步的，所述面板厚度为0.02m～0.30m。

优选地，所述面板厚度大于0.06m时，所述面板内设置有由纵横交错组成的钢筋网，这一设置有益于增强提高面板的强度和抗冲切承载力。

进一步的，所述板肋包括纵桥向板肋和/或横桥向板肋，纵桥向板肋和横桥向板肋相互垂直交叉。

进一步的，所述板肋高度为0.10m～0.60m，所述面板与板肋组合形成肋板结构，所述板肋截面为倒梯形或矩形，其上缘宽度为0.08m～0.30m，下缘宽度为0.08m～0.30m，相邻所述板肋中心间距为0.30m～1.50m。该种设置在保证用料最少的前提下，提高了整体的刚度和强度。

进一步的，所述劲性增强部件厚度不小于0.006m。这一设置一方面可以提高桥面板的刚度、抗裂性和承载能力，同时可以取消肋板底部的纵向受拉钢筋，避免钢筋对超高性能混凝土薄板中纤维分布的不利影响，另外一方面仅在肋底部设置劲性增强部件不会对超高性能混凝土桥面板形成强约束边界，不易出现收缩开裂的病害，可适应于现场浇筑常温养护的情况，施工便捷。

进一步的，所述劲性增强部件为槽钢、板肋宽度方向的单向波纹钢板、花纹钢板或平钢板，其中槽钢高度为0.05m～0.40m，槽钢两边将板肋下侧包裹。采用槽钢的效果：采用槽钢作为劲性增强部件，一方面选用市场成品槽钢，无须加工，具有疲劳性能好和造价低廉的有点，可提高结构疲劳性能和降低结构造价；另外一方面，选用槽钢，槽钢两边将板肋下侧包裹，可以增大钢板与板肋的接触面积，进而增强与板肋的连接作用，取消板肋内部的箍筋，简化钢筋构造；而且槽钢的边钢板部分可提高板肋的有效受拉面积，进而提高截面的有效配筋率，从而显著提高组合桥面板的抗裂性能。采用单向波纹钢板和花纹钢板的效果：采用表面带单向波纹或花纹的劲性增强部件，可以利用波纹、花纹与超高性能混凝土的粘结和嵌固作用，显著增强界面的抗滑移性能，增强板肋与钢板的连接作用。

进一步的，所述的剪力连接件为圆柱头焊钉形式、角钢形式或开孔的带肋形式。所述圆柱头焊钉形式，其直径为0.006m～0.019m，长度为0.03m～0.20m；所述角钢形式，其长角肢宽度为0.03m～0.20m，短角肢宽度为0.03m～0.10m，长度为0.03m～0.20m；所述开孔的钢板条形式，其高度为0.03m～0.15m，厚度为0.006m～0.01m，孔洞直径为0.01m～0.10m.，且沿劲性增强部件方向至少设置有2条钢板条。

优选地，剪力连接件为圆柱头焊钉，纵桥向圆柱头焊钉的间距为0.08m～0.40m，这一设置可使超高性能混凝土与钢板之间结合更加紧密，避免发生脱层滑移现象，避免圆柱头焊钉底部产生超高性能混凝土的空洞，避免剪力连接件对超高性能混凝土纤维分布的影响。

超高性能混凝土为本领域内的一专有名称，一般是指具有超高抗压强度、高抗拉强度、高延性、高韧性、高耐久性、施工性好的混凝土，其是相对普通混凝土、高性能混凝土而言的另一类力学综合性能更加优异的混凝土材料。本发明中所述面板和板肋是由超高性能混凝土浇筑而成，所述超高性能混凝土可以为活性粉末混凝土、超高性能纤维增强混凝土、注浆纤维混凝土、密实配筋复合材料或工程胶凝复合材料等。优选超高性能混凝土为抗压强度不小于100mpa的活性粉末混凝土或超高性能纤维增强混凝土或密实配筋水泥基复合材料。该种超高性能混凝土更易于实现标组合肋板的轻量化、高强度、高刚度。

为说明本发明的优点，给出如下实验结果：图4、图5给出了配筋率相同的配筋uhpc构件和钢-uhpc组合构件的断面图，其中图4、图5中n1、n1a、n2、n3分别为直径8mm、16mm、8mm、8mm的hrb400钢筋，图中标记的尺寸单位为mm。经计算，图4所示截面的换算截面惯性矩为0.000317m⁴，图5所示截面的换算截面惯性矩为0.000357m⁴，与图4所示截面的换算截面惯性矩增大约12.4％。同时，图6给出了两种uhpc构件的荷载-位移曲线，由图6可以看出，相同荷载作用下，配筋uhpc构件的位移明显大于钢-uhpc组合构件，例如荷载约为210kn时，配筋uhpc构件的位移约为12mm，而钢板-uhpc组合构件的位移约为9mm，位移减小了约25％，这表明将受拉劲性增强部件设置在uhpc构件底部，可进一步提高uhpc构件截面的惯性矩，进而提高uhpc构件的初始刚度和裂后刚度。

图7给出了两种uhpc构件的荷载-最大裂缝宽度曲线，由图7可以看出，钢-uhpc组合构件荷载为80kn时观察到试验梁出现0.05mm的微裂缝。而对配筋uhpc构件，相应于裂缝宽度0.05mm的荷载值分别为60kn，钢-uhpc组合构件为配筋uhpc构件的1.33倍，表明钢板有效限制了微裂缝的萌生与扩展，提高uhpc构件的抗裂性。

上述实验结果可以表明：

(1)将受拉劲性增强部件设置在超高性能混凝土(uhpc)板肋底部，可进一步提高uhpc板肋截面的惯性矩，进而提高uhpc板肋的刚度；

(2)将受拉劲性增强部件设置在uhpc板肋底部，可使uhpc桥面板的中性轴向受拉区偏移，进而降低钢板的应力，另外一方面，受拉劲性增强部件设置在uhpc桥面板底部相当于钢筋保护层厚度为零，可减小uhpc构件的裂缝间距，可提高限制裂缝宽度发展的效率，进而提高uhpc构件的抗裂性。

所述轻型钢-超高性能混凝土劲性组合肋板的施工方法，包括以下步骤：

s1.将劲性增强部件和剪力连接件连接成整体，在模板内浇筑超高性能混凝土，形成组合肋板预制单元；

s2.架设相对设置的所述组合肋板预制单元，安装于钢梁顶部，形成现浇超高性能混凝土桥面板湿接缝区域；

s3.在现浇超高性能混凝土湿接缝区域现场浇筑超高性能混凝土。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明仅在超高性能混凝土肋板的受拉底部设置钢板(与板肋底面等宽)，形成组合肋板，可避免底部全宽钢板(钢板覆盖板肋侧面和面板底部)对超高性能混凝土形成的强约束边界而导致其养护和今后使用过程中易收缩开裂的难题。充分发挥钢材的抗拉性能，进一步提高桥面板的整体和局部刚度，显著提高桥面板的抗裂性能和抗超载能力，施工便捷、安全性能更好。取消了肋板底部的纵向受拉钢筋，避免钢筋对超高性能混凝土薄板中纤维分布的不利影响。

(2)本发明可充分发挥超高性能混凝土优异的抗压和抗拉性能，提高截面的利用效率，提高桥面板的整体和局部刚度，减小桥面板的板厚和结构自重，可适应大跨径桥梁和板跨较大的需求，避免了正交异性钢桥面板易疲劳开裂和混凝土桥面板自重大且易开裂的难题。

(3)本发明的边板肋在顶面设置槽口，在下部设置多个楔形口，使得槽口构造处和楔形口构造处新旧超高性能混凝土的界面相互交错，改善了纤维不连续造成的薄弱环节的受力，有效提高了梁板接缝处的抗剪和抗拉承载力，降低了浇筑前后新旧超高性能混凝土界面的收缩应力，避免了接缝出现收缩裂缝，显著提高了组合肋板接缝处的耐久性，可以简化施工，取消现有接缝构造的凿毛过程，由预制体板横向拼装并精确定位后，无需任何现场的钢筋作业，便于施工，有利于实现超高性能混凝土结构的快速化施工。

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为本发明实施例轻型钢-超高性能混凝土劲性组合肋板的横断面示意图；

图2为图1的a-a剖切示意图；

图3为图1的b-b剖切示意图；

图4为配筋uhpc构件的断面图；

图5为钢板-uhpc组合构件的断面图；

图6为两种uhpc构件荷载-位移曲线；

图7为两种uhpc构件荷载-最大裂缝宽度曲线；

图8为本发明实施例的轻型钢-超高性能混凝土劲性组合肋板的湿接缝处横断面示意图；

图9为图8b-b剖视示意图。

图例说明：

1、面板；21、纵桥向板肋；22、横桥向板肋；3、劲性增强部件；4、剪力连接件；5、槽口；6、楔形口。

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。

实施例：

本实施例的轻型钢-超高性能混凝土劲性组合肋板构造，包括面板1、板肋2、劲性增强部件3、剪力连接件4。板肋2设置于面板1底部，与面板1浇筑为一体且垂直于面板1，劲性增强部件3设置于板肋2底部并与板肋2底面等宽，并通过剪力连接件4连接成整体。

如图1～3所示，本实施例中，轻型钢-超高性能混凝土劲性组合肋板为pk钢箱-超高性能混凝土组合梁中的桥面板。面板1厚度为0.08m，面板1的纵桥向和横桥向底部均设置有板肋2，分别为纵桥向板肋21和横桥向板肋22。面板1内设置有由纵横交错组成的钢筋网。板肋2高度为0.17m，面板1与板肋2组合形成肋板结构，板肋2截面为倒梯形，其上缘宽度为0.20m，下缘宽度为0.18m，相邻纵肋2中心间距为0.70m。劲性增强部件3设置于板肋2底部，劲性增强部件3为槽钢，高度为0.08m，两边将板肋2下侧包裹。板肋2与劲性增强部件3通过剪力连接件4连接。剪力连接件为圆柱头焊钉，板肋2底部圆柱头焊钉的高度为0.12m，纵桥向圆柱头焊钉的间距为0.15m，板肋2侧面圆柱头焊钉的高度为0.35m，纵桥向圆柱头焊钉的间距为0.15m，与板肋2底部圆柱头焊钉呈交错布置。所述面板1和板肋2是由超高性能混凝土浇筑而成。

如图8和9，边板肋的宽度为0.35m，顶部接缝处沿边板肋长度方向设置有槽口5，槽口5的深度为0.05m，槽口5的宽度为0.20m，槽口5下方沿边板肋长度方向设置若干外窄内宽的楔形口6，楔形口6近板外侧宽度为0.10m，楔形口6近板内侧宽度为0.20m。

本实施例的轻型钢-超高性能混凝土劲性组合肋板的施工方法，包括以下步骤：

s1：在工厂预制轻型钢-超高性能混凝土劲性组合肋板预制单元，其具体步骤为：

s1.1：在工作台面上按设计要求配置好框模和用于形成板肋的模具，同时，按设计要求加工好与板肋长度和宽度相一致的劲性增强部件3；

s1.2：在劲性增强部件3的上表面设置剪力连接件4，按设计要求加工好钢筋网与箍筋，并将钢筋网与箍筋和剪力连接件连接成一个整体钢筋结构；

s1.3：浇筑超高性能混凝土，并及时进行养护；

s1.4：在浇筑超高性能混凝土达到设计要求时，拆除模板，存放至指定位置，形成轻型钢-超高性能混凝土劲性组合肋板预制单元。

s2：在施工现场架设相对设置的由所述s1预制得到的预制单元，相邻预制单元根据设计要求安装于钢梁顶部，并相对设置，形成现浇超高性能混凝土桥面板湿接缝区域；

s3：用连接筋绑扎相邻两个预制单元的纵、横向预埋筋，并注意呈交错布置，在现浇超高性能混凝土湿接缝区域现场浇筑超高性能混凝土；

s4：对现浇超高性能混凝土进行养护，达到设计强度后，使相对设置的轻型钢-超高性能混凝土劲性组合肋板形成整体桥面板。

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。