一种纵横向预应力CFRP筋钢混组合连续梁桥上部结构体系的制作方法

本发明属于土木建筑领域，具体涉及一种纵横向预应力cfrp筋钢混组合梁桥上部结构体系。

背景技术：

预应力混凝土梁桥是我国公路桥梁建设中广为应用的桥梁结构形式，50-100米跨径的大中桥梁多采用预应力混凝土梁。相对于发达国家，我国钢桥技术发展极不平衡，一方面是特大桥、大桥高水准应用；另一方面是中小桥低水准应用且总量很小。

因技术发展不平衡，我国一般混凝土桥梁存在质量问题较多，预应力后张梁工艺存在堵孔、张拉预应力控制不准、压浆不密实等技术瓶颈。预应力混凝土连续梁桥混凝土箱梁腹板承受较大的主拉应力，混凝土材料易开裂，致使结构刚度降低，影响结构的耐久性；而且混凝土箱梁自重较大，在自重、徐变等因素作用下，跨中挠度会持续增大，严重影响结构的承载力，降低结构的安全度，为桥梁带来很大安全隐患。

工程界有识之士正在大力呼吁采用高性能高强混凝土、采用钢混组合结构，推广钢结构，以彻底改变我国工程结构以混凝土为主的现状，与发达国家工程结构、桥梁结构发展趋势保持一致。

钢混凝土组合桥梁在中等跨度桥梁中已在世界各地广泛应用。它的主要优点是组合结构桥梁可以充分合理地发挥钢与混凝土两种材料的各自优势，可以最大程度地实现工厂化制造，减少现场操作，场地清洁较有保证，钢材部分可回收利用，有利于环保、节能，且具有整体受力的经济性与工程质量的可靠性。

钢混凝土组合桥梁的优势是：与钢桥相比有：节省钢材；降低建筑高度；减少冲击，耐疲劳；减少钢梁腐蚀；减少噪音；维修养护工作量较少等。与混凝土桥相比有：重量较轻；制造安装较为容易；施工速度快、工期短等。

但现有钢混组合梁桥普遍存在负弯矩区受力不均匀，混凝土桥面板开裂等情况。这就说明，对于钢混组合桥梁结构进行优化十分重要。近年来，cfrp（碳纤维增强复合材料）材料作为一种新型桥梁材料应用于桥梁工程领域。目前工程中应用的cfrp筋材是由多股连续纤维与树脂胶合后经过挤压和拉拔成型得到的，其特点是质轻高强和耐腐蚀，能有效的替代桥梁工程中的预应力钢筋。将cfrp筋体系作为预应力结构引入钢混组合梁桥，既减轻了结构自重，又能显著改善负弯矩区过大的拉应力。

环保、节能和实现可持续发展是使社会经济同能源、资源、环境实现良性循环的措施，是社会发展与自然关系的协调与保证。钢结构产业特点：钢结构建筑是一种新型的节能环保的建筑体系，被誉为21世纪的“绿色建筑”。钢结构是一种节能环保型、能循环使用的建筑结构，符合发展节能建筑和经济持续健康发展的要求。

我国又是钢铁大国，适时的发展我国桥梁钢结构，改变我国混凝土桥梁占多数的现状，才能实现可持续发展。设计更为优化的钢混结构，不仅对土木工程的发展有着巨大的意义，并且对产业结构、国民经济产生巨大的影响。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明公开了一种纵横向预应力cfrp筋钢混组合梁桥上部结构体系，并为该结构体系提供了一套完整的配套施工方案。所谓组合结构，即在钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构、钢结构以及砖石混凝土结构之后的第五大类结构形式。组合结构通常指在构件横截面上由不同的材料组合并能共同受力的结构。研究资料表明，cfrp材料不仅具有较高的力学性能，并具有较好的耐腐蚀性能。利用碳纤维复合材料替代通常意义上的预应力钢束，不仅提升了材料的整体力学性能，还可以有效的延长桥梁使用寿命。本发明于桥梁的中间支座负弯矩区段添加桥纵向cfrp筋，是结合钢混组合结构设计的理论原理与现有钢混组合结构支座顶部混凝土开裂实际病害而提出的新型结构形式。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种纵横向预应力cfrp筋钢混组合梁桥上部结构体系，采用钢混组合等高连续梁桥布置形式，梁桥每联上部结构为等高双工字钢梁与其上部的横向预制桥面板，二者之间采用剪力钉与后浇混凝土来共同工作；其中主梁采用双工字钢板组合梁，钢主梁采用q345d工字形直腹板钢梁，双主梁之间采用横梁加强横向联系，跨中横梁为小横梁，靠近支点端横梁为加强小横梁，支点端横梁为大横梁，钢主梁与横梁焊接连接为整联钢梁；所述桥面板为预制板块拼接而成，纵向采用bfrp纤维混凝土湿接缝连接，横向采用全宽预制，桥面板内部设置纵横向cfrp预应力筋，桥面板与钢梁上翼缘板接触处预留孔洞，孔洞后浇带处的钢梁上翼缘处设置剪力钉，后浇筑湿接缝bfrp纤维混凝土使得混凝土桥面板与钢梁连接。

桥面板横向预应力采用4φ10的cfrp筋，单块预制桥面板内预留有横桥向cfrp筋孔道用以布置横桥向桥面板预应力束，交替单端张拉，锚下控制应力为1395mpa。

锚具采用特种弧形扁锚，锚孔呈圆弧分布。

桥面板纵向cfrp预应力筋布置为：中支座预应力筋在顺桥向关于支座，横桥向关于钢主梁位置对称布置，在每联每幅3个中支座周围分别对称布置长度为6倍预制板宽、4倍预制板宽、2倍预制板宽的cfrp筋，cfrp束中心间距不小于180mm，其中靠近钢梁的第一根束中心距离钢主梁中心400-600mm，两侧护栏内部设置贯穿全联的预应力cfrp束。

桥面板预制部分采用6～10cm低塌落度混凝土，现浇部分采用c50补偿收缩高性能bfrp纤维混凝土。

本发明的有益效果是

1、受力特性好，cfrp筋预应力体系的加入使得桥梁纵向负弯矩区的混凝土桥面板应力以及横向混凝土桥面板悬臂根部的应力得到了显著的改善；

2、在耐久性的表现方面更为优异，cfrp筋预应力体系的加入有效地抑制了混凝土桥面板裂缝的发生，阻止了雨水、大气对结构钢材的侵蚀和混凝土的白化老化，延长了桥梁的使用寿命；

3、采用预制装配式施工方式，构件制作的质量比现场制作质量有保障，施工速度大大加快，施工精度更高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明桥梁纵向cfrp预应力筋布置图；

图3为本发明桥梁横向cfrp预应力筋布置图；

图4为本发明桥梁典型横断面图；

图5为本发明桥梁桥面板设计图；

图6为本发明桥梁剪力钉布置图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明所述的新型纵横向预应力cfrp筋钢混组合连续梁桥上部结构体系的纵向预应力cfrp筋布置如附图2所示；横向预应力cfrp筋布置如附图3所示；典型横断面如附图4所示；桥面板设计如附图5所示；剪力钉布置如附图6所示。

本发明提供了一种纵横向预应力cfrp筋预应力钢混组合连续梁桥上部结构体系，所谓组合结构，即在钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构、钢结构以及砖石混凝土结构之后的第五大类结构形式。组合结构通常指在构件横截面上由不同的材料组合并能共同受力的结构，本发明就是采用钢混组合等高连续梁桥布置形式，桥梁每联上部结构为等高双工字钢梁与其上部的横向预制桥面板，桥面板内部设有纵横向的cfrp预应力筋，使得桥梁纵向负弯矩区的混凝土桥面板应力以及横向混凝土桥面板悬臂根部的应力得到了显著的改善；耐久性更好，延长了桥梁的使用寿命。

一种纵横向预应力cfrp筋钢混组合连续梁桥上部结构体系，采用钢混组合等高连续梁桥布置形式，桥梁每联上部结构为等高双工字钢梁与其上部的横向预制桥面板，二者之间采用剪力钉与后浇混凝土来共同工作。

主梁设计

主梁采用双工字钢板组合梁，钢主梁采用q345d工字形直腹板钢梁，双主梁之间采用横梁加强横向联系，跨中横梁为小横梁，靠近支点端横梁为加强小横梁，支点端横梁为大横梁（横梁截面宜采用工字形截面，且刚度依次加强）。钢主梁与横梁之间采用焊接连接，每跨钢梁于地面焊接完成后整体起吊，与该联已经吊装的钢梁焊接为整联钢梁。

桥面板设计

（1）预制桥面板采用聚丙烯纤维混凝土，纵向采用bfrp纤维混凝土湿接缝连接，横向采用全宽预制，并设置横向cfrp预应力筋，改善桥面板受力。桥面板与钢梁上翼缘板接触处预留孔洞，孔洞后浇带处的钢梁上翼缘处设置剪力钉，后浇筑湿接缝bfrp纤维混凝土使得桥面板与钢梁连接。

（2）桥面板均按照矩形预制，曲线内的桥面板平面线形通过内、外侧的湿接缝宽度进行调整，用以满足不同的路线中心线的曲率要求。

（3）桥面板预制部分采用6～10cm低塌落度聚丙烯纤维混凝土，现浇部分采用c50补偿收缩高性能bfrp纤维混凝土。

（4）桥面板横向预应力采用4φ10的cfrp筋，结合预制桥面板宽度沿顺桥向以一定间距布置（注意避开后浇带开孔），交替单端张拉，锚下控制应力为1395mpa。锚具采用特种弧形扁锚，锚孔呈圆弧分布，改善结构的应力分布，减小预应力的摩阻损失。

预应力体系

采用本例纵横向cfrp筋结构预应力体系，单块预制桥面板内预留有横桥向cfrp筋孔道用以布置横桥向桥面板预应力束，该横向预应力体系可以有效改善桥面板自身受力，减小桥面板跨中以及悬臂根部位置的弯曲正应力，并且能够抑制桥梁运营过程中的桥面变形。

纵向cfrp预应力筋布置为：中支点预应力筋在顺桥向关于支座，横桥向关于钢主梁位置对称布置，在每联的中支点周围分别对称布置长度为6倍预制板宽、4倍预制板宽、2倍预制板宽，cfrp束中心间距不宜小于180mm，其中靠近钢梁的第一根束中心距离钢主梁中心宜取值400-600mm。两侧护栏内部设置贯穿全联的预应力cfrp束，支点出顶部纵向预应力的设计出发点是解决普通钢混组合连续梁桥该位置处混凝土开裂问题，以及开裂之后的雨水侵蚀钢筋与钢梁所带来的耐久性问题，该纵向预应力体系从结构受力机理上有效地解决了该问题。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。