采用超高性能混凝土填料的空心板梁桥结构及施工方法与流程

本发明涉及属于桥梁工程设计与施工技术领域，具体涉及采用超高性能混凝土填料的空心板梁桥结构及施工方法。

背景技术：

空心板梁桥是我国桥梁工程建设中常用的一种桥梁结构，广泛地使用与城市桥梁与公路桥梁的实际应用中。我国在采用空心板梁这一结构形式的初期(约20世纪80年代前)，空心板梁铰缝的形式多为“小铰缝”，即浅铰缝构造。在当时混凝土材料力学性能和耐久性能的背景下，这种铰缝构造尺寸小、断面窄、缝内无拉筋，导致两块空心板梁之间的横向联系较为薄弱。另一方面，由于浅铰缝上口的预留尺寸较小，在现场浇筑时无法采用振捣方式实现混凝土骨料的均匀分布，仅能插捣铰缝花瓶口以上的混凝土填料，严重影响了铰缝混凝土的浇筑质量。

针对浅铰缝不易振捣、铰缝混凝土质量难以有效保证的问题，20世纪90年代以后，工程界在建设装配式空心板梁时大多改用“大铰缝”，即深铰缝构造。这一构造加大了铰缝的断面面积，便于混凝土的充分振捣，从而保障了铰缝区域混凝土的浇筑质量。然而，在装配式空心板梁桥中采用深铰缝仍存在不可忽视的问题。一方面，在深铰缝的设计与施工中往往不配置铰缝钢筋或仅配置少量抗剪钢筋，导致铰缝区域在车辆荷载作用下的抗力不足；另一方面，传统铰接板理论的基本假定是铰缝在纵桥方向可绕板梁转动，但采用深铰缝后，随着铰缝区域面积的增大，自由转动受到约束，铰缝横向弯曲刚度提高，其传递的横向弯矩不可忽略，而铰缝区域的配筋仍基于剪力传递的计算模式，导致深铰缝在车辆荷载作用下出现较大的弯曲应力，使铰缝区域出现早期弯曲裂缝，进而导致空心板梁桥的横向连接性能下降，对结构的整体性和耐久性产生不利影响。

目前，桥梁工程从业人员已意识到空心板梁深铰缝的上述局限性，主要尝试从铰缝钢筋、填充材料、铰缝形式等方面提升深铰缝的受力性能，在一定程度上优化了深铰缝的受力性能，解决了空心板梁桥服役过程中深铰缝处存在的部分问题，但应当指出：其中一部分方法仍无法很好地解决铰缝区域早期劣化导致的一系列后续问题(如顶板开裂、桥面渗水、单板受力等)，而另一部分方法采用构造复杂、施工工序繁多、控制难度增大，也不利于装配式空心板梁桥快速施工的推进。

针对装配式空心板梁桥横向连接的优化与提升已出现瓶颈，传统的铰缝设计及后续的相关变式无法同时满足现代化桥梁受力性能、施工性能、耐久性能的要求。近年来，土木工程材料领域取得了突破性的进展，尤其是关于超高性能混凝土开展了深入的研究，但在这一材料的应用模式方面仍出于初步探索阶段。采用超高性能混凝土后空心板梁铰缝构造设计特点的调整及针对性的辅助支架，成为进一步提高铰缝服役性能和结构耐久性能的关键环节。

专利cn108951418a公开了一种预制装配式空心板梁的铰缝构造，包括第一预制空心板梁和第二预制空心板梁，第一预制空心板梁和第二预制空心板梁之间通过铰缝连接；第一预制空心板梁内设有第一弯折钢筋，第一弯折钢筋从第一预制空心板梁的下缘伸出进入铰缝内向上弯折；第二预制空心板梁内设有第二弯折钢筋，第二弯折钢筋从第二预制空心板梁的下缘伸出进入铰缝内向上弯折，第一弯折钢筋和第二弯折钢筋位于铰缝内的部分形成闭合的箍筋。该铰缝构造的铰缝内需要设置钢筋，且除了钢筋以外的铰缝区域全部采用混凝土进行填充，会出现深铰缝受力状态与计算假定不匹配的情况，且混凝土使用量巨大，不易于环境友好。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供采用超高性能混凝土填料的空心板梁桥结构及施工方法，克服了浅铰缝混凝土质量无法保证和深铰缝受力状态与计算假定不匹配的矛盾，并配套提供了实现这一铰缝浇筑的施工方法。铰缝构造形式简单明确，施工方法的操作方便有效，在保障横向连接性能的同时简化了施工过程，提高了施工效率。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

采用超高性能混凝土填料的空心板梁桥结构，该结构包括多片并排放置的空心板梁合连接多片空心板梁的铰缝，所述铰缝沿空心板梁的长度方向设置，包括上下依次连接的倾斜区段和竖直区段，所述倾斜区段采用超高性能混凝土填料填充，所述竖直区段无填充，所述空心板梁采用普通混凝土浇筑而成。空心板梁不设置向铰缝区域伸出的预留钢筋，铰缝内不配置构造钢筋，采用部分区域由超高性能混凝土浇筑而成，空心板梁与铰缝对接面取消传统的宝瓶口设计，采用倾斜区段和竖直区段组合的形式，具有简单明确的构造形式，利用超高性能混凝土与普通混凝土的优异粘结性能实现剪力在铰缝处的有效传递，保障了铰缝区域的剪力传递，并以优异的抗开裂性和抗渗水性提高了空心板梁在寿命周期内的横向连接性能和整体受力性能，并简化空心板梁与铰缝对接面的模板复杂度，降低施工难度；并只在倾斜区段浇筑混凝土，竖直区段在桥梁的施工及运营阶段均无混凝土填充，这一操作降低了铰缝的横向弯曲刚度，减少了铰缝处的弯矩水平，使空心板梁桥更为符合铰接板理论的基本计算假定，可以克服传统空心板梁铰缝形式存在的结构质量或受力模式的局限性。

进一步地，所述铰缝区域的最宽处宽度为160～200mm，最窄处宽度为15～25mm。进一步优选地，所述最窄处的宽度为20mm。适当厚度的混凝土填充有利于增加板梁的承重能力，克服了浅铰缝混凝土质量无法保证和深铰缝受力状态与计算假定不匹配的矛盾。

进一步地，所述竖直区段的高度为空心板梁高度的15％～20％，即倾斜区段的高度需保证该体积下所浇筑的混凝土具备足够的承重能力。

用于采用超高性能混凝土填料的空心板梁桥结构的施工方法，该方法包括以下步骤：

(a)将多片经过预制的空心板梁依次架设至指定位置；

(b)在铰缝的倾斜区段放置辅助支架，调整辅助支架的高度，使辅助支架的底部与竖直区段的顶部平齐；

(c)在设有辅助支架的倾斜区段浇筑超高性能混凝土，浇筑完毕后，对超高性能混凝土填充区域进行常温养护；

(d)养护结束后，拆除辅助支架。保证浇筑完成的板梁混凝土区域顶部平整。

进一步地，所述辅助支架包括上下依次连接的支撑板、吊杆和底板，所述支撑板架设在两侧的空心板梁上，底板位于竖直区段的顶部，支撑板与底板通过吊杆相连。辅助支架保持了桥梁施工场地及其下部区域的环境整洁，提高了环境友好程度。

进一步地，所述支撑板与吊杆为可拆分地连接。可在混凝土浇筑和养护结束后，进行支撑板的拆除，保证空心板梁上无突出物。

进一步地，所述吊杆的长度可调节，且可手动调节。不同预制的空心板梁有不同高度的倾斜区段和竖直区段，可调节高度的吊杆可使辅助支架灵活地适用于各种不同空心板梁。

进一步地，所述底板为长方形，长方形的宽度等于竖直区段的宽度，保证在倾斜区段浇筑混凝土时不会出现混凝土漏到下部区域的情况。

进一步地，所述辅助支架沿空心板梁的长度方向分段设置。通过多个辅助支架密封住铰缝的下部区域，灵活方便。

进一步地，所述空心板梁和铰缝的对接面在预制阶段经过拉毛处理，拉毛高度为3～5mm。采用钢刷进行拉毛操作，增强超高性能混凝土和普通混凝土的粘结性能，以便混凝土浇筑之后更好地连接固定空心板梁，提高铰缝和空心板梁的整体受力特性。

相对现有技术的空心板梁桥铰缝及其施工方法，本发明的优点如下：

(1)本发明提出的空心板梁桥结构取消了传统空心板梁结构中的花瓶口设计和铰缝内钢筋构造，降低了结构的复杂度，提高了施工效率，在铰缝区域采用部分浇筑的形式，进一步减小了铰缝的混凝土用量；

(2)采用辅助支架进行空心板梁铰缝底模的精确调整，高效便捷地实现了铰缝部分区域的浇筑，避免超高性能混凝土自铰缝下缘渗出，保持了桥梁施工场地及其下部区域的环境整洁；

(3)利用超高性能混凝土填料，降低了铰缝区域的弯矩传递水平，很大程度上避免了弯曲应力过高导致的铰缝下缘开裂问题，提高了结构的整体受力性能，且微观结构致密，孔隙率低，收缩率低，不易开裂，抗渗水性好，并避免了由于铰缝早期破坏导致有害物质通过铰缝侵蚀空心板梁，引起钢筋锈蚀的问题，保障了铰缝自身以及与空心板梁的耐久性能，很大程度上降低了后期养护管理以及结构翻修导致的直接费用和间接损失，降低了桥梁运营成本和交通延误影响，体现出明显的社会经济优越性；

(4)超高性能混凝土与普通混凝土对接面辅以工厂化预制的拉毛对接面，充分保障了空心板梁与铰缝的粘结性能，粘接强度保证了各空心板梁间剪力在铰缝中的有效传递，并充分避免了采用深铰缝时由于受力模式不匹配导致的铰缝内部弯曲应力，进而确保铰缝始终处于较为合理的受力状态，另外超高性能混凝土抗裂性能优异，抗裂性能保障了结构的完整性，保持全桥整体受力，避免了空心板梁出现单板受力的情况；

(5)超高性能混凝土具有自流平、自密实的工作铺展性能，轴心抗拉强度超过10mpa的特性，以及劈裂抗拉强度超过4mpa、抗拉强度超过2.5mpa的特性，省略了混凝土的振捣操作，充分克服了原有浅铰缝施工中无法采用振捣(仅能插捣)导致的混凝土质量隐患；

(6)超高性能混凝土无需高温蒸养，避免了在复杂施工场景下使用高温蒸养带来的高额开支，施工条件宽松，适合于现场施工。

附图说明

图1为采用超高性能混凝土填料的空心板梁桥结构的结构示意图；

图2和3为不同放置位置的相邻空心板梁的截面结构示意图；

图4为辅助支架的立体图；

图5-7分别为辅助支架的俯视图、主视图和侧视图；

图8-11为施工方法的步骤示意图。

图中：1-铰缝；2-空心板梁；3-辅助支架；4-对接面；5-支撑板；6-吊杆；7-底板；8-倾斜区段；9-竖直区段。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，采用超高性能混凝土填料的空心板梁桥结构，该结构包括多片并排放置的空心板梁2和连接多片空心板梁2的铰缝1，铰缝1沿空隙板梁2的长度方向设置，包括上下依次连接的倾斜区段8和竖直区段9，倾斜区段8采用超高性能混凝土填料填充，竖直区段9无填充。

如图2所示，放置于中间的两个相邻空心板梁2，均对称设有倾斜边和竖直边，形成中间的倾斜区段8和竖直区段9；如图3所示，放置于侧边的两个相邻空心板梁2，一个对称设有倾斜边和竖直边，另一个只有一边设有倾斜边和竖直边，形成中间的倾斜区段8和竖直区段9。铰缝1区域的最宽处为倾斜区段8的顶部，宽度为160～200mm，最窄处为竖直区段9的底部，宽度为15～25mm，优选为20mm。竖直区段9的高度为空心板梁2高度的15％～20％。

如图8-11所示，用于采用超高性能混凝土填料的空心板梁桥结构的施工方法，该方法包括以下步骤：

(a)将多片经过预制的空心板梁2依次架设至指定位置，如图8，架设完毕如图9；

(b)在铰缝1的倾斜区段8放置辅助支架3，调整辅助支架3的高度，使辅助支架3的底部与竖直区段9的顶部平齐，如图10；

(c)在设有辅助支架3的倾斜区段浇筑超高性能混凝土，浇筑完毕后，对超高性能混凝土填充区域进行常温养护，如图11；

(d)养护结束后，拆除辅助支架。

如图4-7所示，辅助支架3沿空心板梁2的长度方向分段设置，包括上下依次连接的支撑板5、吊杆6和底板7，支撑板5架设在两侧的空心板梁2上，底板7位于竖直区段9的顶部，支撑板5与底板7通过吊杆6相连。支撑板5与吊杆6为可拆分地连接。吊杆6的长度可手动调节，辅助支架3的高度可根据场景和施工组织通过调整吊杆的长度进行适当调整。底板7为长方形，长方形的宽度等于竖直区段9的宽度。

空心板梁2和铰缝1的对接面4在预制阶段经过拉毛处理，拉毛高度为3～5mm。

养护结束后，将支撑板5和吊杆6拆分，保证浇筑完成的板梁混凝土区域顶部平整。

在选择铰缝填料混凝土时，对所采用的超高性能混凝土应作如下规定：①具备自流平、自密实的特性，使铰缝区域的浇筑无需振捣，避免了普通混凝土铰缝由于难以振捣或振捣不充分导致的混凝土质量缺陷；②具备轴心抗拉强度超过10mpa的特性，以确保铰缝能够有效传递横向剪力；③具备与普通混凝土粘结的劈裂抗拉强度超过4mpa、抗拉强度超过2.5mpa的特性，使空心板梁和铰缝能够紧密连接并形成整体，从而提高横向剪力的传递效率，避免由于铰缝开裂导致的结构性能退化问题。

上述实施例说明，本发明利用超高性能混凝土解决了铰缝区域设计与施工过程中受力性能和施工性能难以同时兼顾的问题，使用配套的铰缝浇筑辅助结构能够进一步提高施工现场及其下部区域的环境整洁程度，从而同时从结构服役、施工优化、环境保护、经济适用等多个角度提高了空心板梁铰缝的设计与施工水平。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些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，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。