刚构桥结构及施工方法与流程

本发明涉及结构工程技术领域，特别涉及一种刚构桥结构及施工方法。

背景技术：

如图1所示，为典型刚构桥结构体系，由基础100、桥墩200和主梁300组成，刚构桥最大的特点在于，主梁300和桥墩200采用固接节点(如图1中i处)的形式连接，因此，桥墩200参与主梁300的受力中，抵抗主梁300所承受的各类荷载，这样做的优势在于，桥墩200参与主梁300的受力能够为主梁300提供额外的刚度，分担主梁300的内力，因此刚构桥相比传统纯梁式结构具有更大的跨越能力。相比于其他梁式桥，刚构桥桥墩200的力学性能更为明显地影响着主梁300的力学行为和桥梁结构整体的使用性能。

如图2所示，为刚构桥再在典型工况下的内力图，可以看到，由于刚构桥的桥墩200参与主梁300的受力，因此在桥墩200与主梁300的结合部分、桥墩200与基础100的结合部分，桥墩200承受着较大的弯矩，若结构设计不合理，可能导致桥墩200上下两端弯矩过大而引起桥墩混凝土开裂，尤其是墩梁结合部区域，在传统设计中，尤其是中低墩的刚构桥结构体系中，很容易发生开裂。除了墩梁结合部和基础位置的开裂问题，在刚构桥的墩顶存在的非常大的负弯矩，传统刚构桥一般都是采用混凝土结构，为了防止混凝土结构的开裂，刚构桥正负弯矩区，尤其是负弯矩区，配置有大量的预应力钢筋，工程量极大，影响施工周期，增加施工成本。

此外，由于传统刚构桥一般都是采用的全混凝土结构体系外加预应力筋控制桥体裂缝，混凝土材料在长期荷载作用下的徐变和收缩、以及预应力筋的松弛，这些因素很可能导致桥梁梁体长期下挠和开裂等问题，影响结构的耐久性，且后期维护养护十分困难。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明第一方面的一个目的在于提出一种刚构桥结构，刚构桥的桥墩墩底部位、桥墩与钢梁的结合部位和负弯矩区的混凝土桥面板无开裂问题，刚构桥的质量轻、结构刚度和承载能力大、跨越能力大，且施工周期短，施工难度低。

根据本发明第一方面实施例的刚构桥结构，包括：

桥墩，所述桥墩为竖向预应力桥墩且包括混凝土桥墩主体和钢套筒，所述钢套筒套设在所述混凝土桥墩主体的上部且所述钢套筒的顶端与所述混凝土桥墩主体的顶端平齐；

钢梁，所述钢梁包括顶板、底板和连接在所述顶板和所述底板之间的腹板，所述钢梁的底板固定在所述桥墩的顶部且与所述钢套筒的顶端焊接连接，所述钢梁的正弯矩区的所述顶板上布置有多个第一普通栓钉，所述钢梁的负弯矩区的所述顶板上布置有多个抗拔不抗剪栓钉；

混凝土桥面板，所述混凝土桥面板浇筑固定在所述顶板上，所述顶板上的所述第一普通栓钉和所述抗拔不抗剪栓钉埋设在所述混凝土桥面板内，与所述混凝土桥面板形成组合作用。

根据本发明第一方面实施例的刚构桥结构，相比于传统的预应力混凝土刚构桥结构体系，可以避免刚构桥的桥墩墩底部位、桥墩与钢梁的结合部位和负弯矩区的混凝土桥面板的开裂问题，同时，刚构桥的质量更轻、结构刚度和承载能力更大，因此，相比于传统的刚构桥具有很大的跨越能力。另外，本发明第一方面实施例的主梁(包括钢梁和混凝土面板)部分不需要施加任何预应力，因此，施工时预应力工程量大大减小，缩短了施工周期，降低了施工难度，而且避免了传统刚构桥后期主梁预应力损失、混凝土收缩徐变引起的长期下挠问题。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述钢梁的截面为箱型截面，所述箱型截面为闭口箱型或开裂箱型。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述腹板为波形钢腹板。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述混凝土桥面板的材料为普通混凝土或者为掺有微膨胀剂的混凝土。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述混凝土桥面板采用直接在所述顶板上现浇施工成型得到的面板，或者所述混凝土桥面板采用在预先铺设在所述顶板上的混凝土预制板上浇筑成型得到的面板。

根据本发明第一方面的一个实施例，还包括浇筑固定在所述钢梁的负弯矩区的所述底板上的混凝土层，所述钢梁的负弯矩区的所述底板上布置有多个第二普通栓钉，所述第二普通栓钉埋设在所述混凝土层内，与所述混凝土层形成组合作用。

根据本发明第一方面进一步的实施例，所述桥墩还包括预应力筋，所述预应力筋竖向贯穿在所述混凝土桥墩中且所述预应力筋的上端伸出所述混凝土桥墩主体的顶端并穿过所述钢梁的负弯矩区的所述底板，锚固在所述底板上的所述混凝土层内。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述钢套筒的内壁上布置有多个第三普通栓钉，所述第三普通栓钉埋设在所述混凝土桥墩主体内。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述钢套筒的长度为所述混凝土桥墩主体的高度的一半。

本发明第二方面还提供了一种根据本发明第一方面任意一个实施例的刚构桥结构的施工方法。

根据本发明第二方面的施工方法，包括如下施工步骤：

现场桥墩施工：现场浇筑所述混凝土桥墩主体的下半部分，定位安装所述钢套筒，以所述钢套筒为所述混凝土桥墩主体的上半部分的施工模板，浇筑所述混凝土桥墩主体的上板半部分；

工厂准备钢梁：在工厂，在正弯矩区的所述钢梁的所述顶板上布置多个所述第一普通栓钉、在负弯矩区的所述钢梁的所述顶板上布置多个所述抗拔不抗剪栓钉。

现场安装钢梁：在现场悬拼安装正弯矩区的所述钢梁和负弯矩区的所述钢梁，并将所述桥墩墩顶处的负弯矩区的所述钢梁的底板与所述钢套筒采用焊接的方式连接，正弯矩区的所述钢梁和负弯矩区的所述钢梁之间的悬拼连接方式采用高强螺栓连接或者焊接；

浇筑混凝土桥面：待所述钢梁安装完成后，先浇筑正弯矩区的所述混凝土桥面板，再浇筑负弯矩区的所述混凝土桥面板；

张拉桥墩竖向预应力：待所述混凝土桥面板成型后，张拉所述桥墩墩顶竖向预应力，直至所述桥墩墩底处于均匀受压状态，移除施工设备，完成结构施工。

根据本发明第二方面实施例的施工方法，主梁(包括钢梁和混凝土面板)部分不需要施加任何预应力，因此，施工时预应力工程量大大减小，缩短了施工周期，降低了施工难度，而且避免了传统刚构桥后期主梁预应力损失、混凝土收缩徐变引起的长期下挠问题和开裂问题。通过本发明第二方面实施例的施工方法，得到的刚构桥相比于传统的预应力混凝土刚构桥结构体系，可以避免刚构桥的桥墩墩底部位、桥墩与钢梁的结合部位和负弯矩区的混凝土桥面板的开裂问题，同时，刚构桥的质量更轻、结构刚度和承载能力更大，因此，相比于传统的刚构桥具有很大的跨越能力。

根据本发明第二方面的一个实施例，在所述工厂准备钢梁的步骤中，在负弯矩区的所述钢梁的所述底板上布置多个第二普通栓钉；相应地，在所述现场安装钢梁的步骤中，当负弯矩区的所述钢梁安装好后，在负弯矩区的所述钢梁的底板上浇注所述混凝土层，所述第二普通栓钉埋设在所述混凝土层内，待所述混凝土层成型后，再悬拼后续节段。

根据本发明第二方面进一步的实施例，在所述现场桥墩施工步骤中，浇筑混凝土桥墩主体的过程中预埋竖向预应力筋；相应地，在所述现场安装钢梁的步骤中，使得所述预应力筋的上端穿过负弯矩区的所述钢梁的底板，以便在负弯矩区的所述钢梁的底板上浇注所述混凝土层时，预埋在所述混凝土层内。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有技术的刚构桥结构的示意图。

图2是图1的刚构桥结构在典型工况下的内力图。

图3为本发明第一方面实施例的刚构桥的侧面示意图。

图4为图3的纵向剖面示意图。

图5为图3中a-a处示意图。

图6为图3中b-b处示意图。

图7为图3中c-c处示意图。

图8(a)为本发明第二方面实施例的施工方法中的现场桥墩施工的一个状态侧面图。

图8(b)为图8(a)的剖面示意图。

图9(a)为本发明第二方面实施例的施工方法中的现场桥墩施工的另一个状态侧面图。

图9(b)为图9(a)的剖面示意图。

图10(a)为本发明第二方面实施例的施工方法中的现场安装钢梁的一个状态侧面图。

图10(b)为图10(a)的剖面示意图。

图11(a)为本发明第二方面实施例的施工方法中的现场安装钢梁的另一个状态侧面图。

图11(b)为图11(a)的剖面示意图。

图12为本发明第二方面实施例的施工方法中的浇筑混凝土桥面的一个状态示意图。

图13为本发明第二方面实施例的施工方法中的浇筑混凝土桥面的另一个状态示意图。

附图标记：

刚构桥结构1000

桥墩1混凝土桥墩主体11钢套筒12预应力筋13第三普通栓钉14

钢梁2顶板21底板22腹板23

第一普通栓钉24抗拔不抗剪栓钉25第二普通栓钉26

混凝土桥面板3

混凝土层4

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合图3至图7来描述根据本发明第一方面实施例的刚构桥结构1000。

如图3至图7所示，根据本发明第一方面实施例的刚构桥结构1000，包括桥墩1、钢梁2和混凝土桥面板3，桥墩1为竖向预应力桥墩且包括混凝土桥墩主体11和钢套筒12，钢套筒12套设在混凝土桥墩主体11的上部且钢套筒12的顶端与混凝土桥墩主体11的顶端平齐；钢梁2包括顶板21、底板22和连接在顶板21和底板22之间的腹板23，钢梁2的底板22固定在桥墩1的顶部且与钢套筒12的顶端焊接连接，钢梁2的正弯矩区的顶板21上布置有多个第一普通栓钉24，钢梁2的负弯矩区的顶板21上布置有多个抗拔不抗剪栓钉25；混凝土桥面板3浇筑固定在顶板21上，顶板21上的第一普通栓钉24和抗拔不抗剪栓钉25埋设在混凝土桥面板3内，与混凝土桥面板3形成组合作用。

具体而言，桥墩1为竖向预应力桥墩1；也就是说，在成桥后，对桥墩1施加竖向预应力，可以调节桥墩1墩底应力分布，使得桥墩1尽可能处于全截面均匀受压的有利状态，从而使得桥墩1墩底不会产生拉应力，避免桥墩1墩底发生开裂。桥墩1包括混凝土桥墩主体11和钢套筒12，钢套筒12套设在混凝土桥墩主体11的上部且钢套筒12的顶端与混凝土桥墩主体11的顶端平齐；也就是说，混凝土桥墩主体11起主要支撑作用，钢套筒12包裹在混凝土桥墩主体11的上部，通过钢套筒12与混凝土桥墩主体11的组合作用，提升了桥墩1的刚度。

钢梁2包括顶板21、底板22和连接在顶板21和底板22之间的腹板23。其中，钢梁2的底板22固定在桥墩1的顶部且与钢套筒12的顶端焊接连接，也就是说，钢梁2通过底板22固定在桥段的顶部而被支撑，底板22与钢套筒12的顶端焊接连接，为钢结构连接形式，由于墩梁结合部的外表面有钢板包裹，因此不存在墩梁结合部在弯矩作用下开裂的风险，解决了刚构桥在传统设计中墩梁结合部在长期荷载作用下易开裂的问题，同时钢套筒12在施工时还能兼做模板，减少了桥墩1施工时的模板工程量。此外，通过钢套筒12和桥墩1组合作用，桥墩1的刚度得到提升，桥梁结构的竖向刚度也得到了提升。钢梁2的正弯矩区的顶板21上布置有多个第一普通栓钉24，以便与正弯矩区的混凝土桥面板3相连，形成组合作用，以提升正弯矩区的主梁即正弯矩区的钢梁2和混凝土桥面板3一体的刚度和承载力。钢梁2的负弯矩区的顶板21上布置有多个抗拔不抗剪栓钉25；以便释放负弯矩区的混凝土桥面板3与钢梁2的组合作用，防止负弯矩区的混凝土桥面板3因与负弯矩区的钢梁2协同变形而开裂。

混凝土桥面板3浇筑固定在顶板21上，顶板21上的第一普通栓钉24和抗拔不抗剪栓钉25埋设在混凝土桥面板3内，与混凝土桥面板3形成组合作用。可以理解的是，正弯矩区的顶板21上的第一普通栓钉24，正弯矩区的混凝土桥面板3相连，形成组合作用，可以提升正弯矩区的主梁即正弯矩区的钢梁2和混凝土桥面板3一体的刚度和承载力。负弯矩区的顶板21上的抗拔不抗剪栓钉25，可以释放负弯矩区的混凝土桥面板3与钢梁2的组合作用，防止负弯矩区的混凝土桥面板3因与负弯矩区的钢梁2协同变形而开裂。

根据本发明第一方面实施例的刚构桥结构1000，相比于传统的预应力混凝土刚构桥结构1000体系，可以避免刚构桥的桥墩1墩底部位、桥墩1与钢梁2的结合部位和负弯矩区的混凝土桥面板3的开裂问题，同时，刚构桥的质量更轻、结构刚度和承载能力更大，因此，相比于传统的刚构桥具有很大的跨越能力。另外，本发明第一方面实施例的主梁(包括钢梁2和混凝土面板)部分不需要施加任何预应力，因此，施工时预应力工程量大大减小，缩短了施工周期，降低了施工难度，而且避免了传统刚构桥后期主梁预应力损失、混凝土收缩徐变引起的长期下挠问题。

根据本发明第一方面的一个实施例，钢梁2的截面为箱型截面，箱型截面可以为闭口箱型或开裂箱型。可以理解的是，箱型截面的钢梁2抗扭能力强，便于现浇施工，自身重量轻。

根据本发明第一方面的一个实施例，腹板23为波形钢腹板。可以理解的是，腹板23采用波形钢腹板结构，可以降低主梁的轴向刚度，减轻温度荷载作用下主梁轴向变形对桥墩1墩梁结合部和墩底与基础结合部的弯矩，减小对基础的推力。

根据本发明第一方面的一个实施例，混凝土桥面板3的材料可以为普通混凝土，经济性好；或者混凝土桥面板3的材料为掺有微膨胀剂的混凝土，可以适当地降低混凝土的收缩率，有利于避免混凝土桥面板3的开裂问题。

根据本发明第一方面的一个实施例，混凝土桥面板3采用直接在顶板21上现浇施工成型得到的面板，或者混凝土桥面板3采用在预先铺设在顶板21上的混凝土预制板上浇筑成型得到的面板。由此，施工简单。

根据本发明第一方面的一个实施例，还包括浇筑固定在钢梁2的负弯矩区的底板22上的混凝土层4，钢梁2的负弯矩区的底板22上布置有多个第二普通栓钉26，第二普通栓钉26埋设在混凝土层4内，与混凝土层4形成组合作用。可以理解的是，在钢梁2的负弯矩区的底板22上布置第二普通栓钉26，同时在钢梁2的负弯矩区的底板22上浇筑一层混凝土层4，与钢梁2的负弯矩区的底板22形成组合作用，从而提升负弯矩区的主梁的刚度和承载力。

根据本发明第一方面进一步的实施例，桥墩1还包括预应力筋13，预应力筋13竖向贯穿在混凝土桥墩1中且预应力筋13的上端伸出混凝土桥墩主体11的顶端并穿过钢梁2的负弯矩区的底板22，锚固在底板22上的混凝土层4内。通过设置预应力筋13，以便从负弯矩区的底板22上的混凝土层4上部对桥墩1通过张拉法施加竖向预应力；同时，也方便对桥墩1墩底两侧的混凝土拉应力水平进行监控，使得两侧拉应力大小基本一致。

根据本发明第一方面的一个实施例，钢套筒12的内壁上布置有多个第三普通栓钉14，第三普通栓钉14埋设在混凝土桥墩主体11内。由此，有利于增强钢套筒12与混凝土桥墩主体11连接的组合作用。

根据本发明第一方面的一个实施例，钢套筒12的长度为混凝土桥墩主体11的高度的一半。由此，可以提高桥墩1的刚度，施工方便。

本发明第二方面还提供了一种根据本发明第一方面任意一个实施例的刚构桥的施工方法。

下面结合图8(a)至图13来描述本发明第二方面实施例的施工方法。该施工方法包括如下施工步骤：

现场桥墩施工：如图8(a)至图9(b)所示，现场浇筑混凝土桥墩主体11的下半部分，定位安装钢套筒12，以钢套筒12为混凝土桥墩主体11的上半部分的施工模板，浇筑混凝土桥墩主体11的上板半部分；在浇筑过程中，注意预埋预应力筋管道，用于后期预应力筋13的张拉。

工厂准备钢梁：在工厂，在正弯矩区的钢梁2的顶板21上布置多个第一普通栓钉24、在负弯矩区的钢梁2的顶板21上布置多个抗拔不抗剪栓钉25，将准备好的钢梁2运至现场。

现场安装钢梁：在现场悬拼安装正弯矩区的钢梁2和负弯矩区的钢梁2，其中，如图10(a)和图10(b)所示，负弯矩区的钢梁2安装在桥墩1墩顶处，并将负弯矩区的钢梁2的底板22与钢套筒12采用焊接的方式连接，同时，考虑到焊缝处的应力集中和疲劳荷载下可能撕裂的问题，可以在钢套筒12和底板22之间采用三角形的加劲肋补强，即将三角形加劲肋的两个直角边分别与底板22和套筒外壁焊接；正弯矩区的钢梁2和负弯矩区的钢梁2之间的悬拼连接方式采用高强螺栓连接或者焊接。

浇筑混凝土桥面：待钢梁2安装完成后，如图12和图13所示，先浇筑正弯矩区的混凝土桥面板3，再浇筑负弯矩区的混凝土桥面板3。这里需要说明的是，为了使成桥时结构内力分布尽可能合理，建议先浇筑两端的正弯矩区的混凝土桥面板3，再浇筑跨中正弯矩区的混凝土桥面板3，最后，再浇筑负弯矩区的混凝土桥面板3，负弯矩区的顶板21上的混凝土桥面板3建议采用掺有微膨胀剂的补偿收缩混凝土，以提升负弯矩区的混凝土桥面板3的抗裂能力。

张拉桥墩竖向预应力：待混凝土桥面板3成型后，张拉桥墩1墩顶竖向预应力，直至桥墩1墩底处于均匀受压状态，移除施工设备，完成结构施工。

根据本发明第二方面实施例的施工方法，主梁(包括钢梁2和混凝土桥面板3)部分不需要施加任何预应力，因此，施工时预应力工程量大大减小，缩短了施工周期，降低了施工难度，而且避免了传统刚构桥后期主梁预应力损失、混凝土收缩徐变引起的长期下挠问题和开裂问题。通过本发明第二方面实施例的施工方法，得到的刚构桥相比于传统的预应力混凝土刚构桥结构1000体系，可以避免刚构桥的桥墩1墩底部位、桥墩1与钢梁2的结合部位和负弯矩区的混凝土桥面板3的开裂问题，同时，刚构桥的质量更轻、结构刚度和承载能力更大，因此，相比于传统的刚构桥具有很大的跨越能力。

根据本发明第二方面的一个实施例，在工厂准备钢梁2的步骤中，在负弯矩区的钢梁2的底板22上布置多个第二普通栓钉26；相应地，在现场安装钢梁2的步骤中，如图11(a)和图11(b)所示，当负弯矩区的钢梁2安装好后，在负弯矩区的钢梁2的底板22上浇注混凝土层4，第二普通栓钉26埋设在混凝土层4内，待混凝土层4成型后，再悬拼后续节段，也即再悬拼正弯矩区的钢梁2。这里需要说明一下，负弯矩区的钢梁2的底板22上浇注混凝土层4的厚度根据计算确定，一般在300-600mm之间。

根据本发明第二方面进一步的实施例，如图8(a)至图11(b)所示，在现场桥墩1施工步骤中，浇筑混凝土桥墩主体11的过程中预埋竖向预应力筋13；相应地，在现场安装钢梁2的步骤中，使得预应力筋13的上端穿过负弯矩区的钢梁2的底板22，以便在负弯矩区的钢梁2的底板22上浇注混凝土层4时，预埋在混凝土层4内。

根据本发明第二方面的一个实施例，钢套筒12的内壁上可以根据钢结构设计规范布置竖向加劲肋，以保证施工过程中钢套筒12的局部稳定性。

根据本发明第三方面的一个实施例，钢套筒12的内壁布置有多个第三普通栓钉14，以增强与混凝土桥墩主体11的组合作用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。