可用于钢-UHPC组合梁桥的桥面板、钢槽梁、梁桥及其施工方法与流程

可用于钢-uhpc组合梁桥的桥面板、钢槽梁、梁桥及其施工方法
技术领域
1.本发明涉及桥梁工程领域，具体涉及一种可用于钢-uhpc组合梁桥的桥面板、钢槽梁、梁桥及其施工方法。


背景技术：

2.跨海大桥一般由通航孔桥和非通航孔桥组成，其中非通航孔桥里程长、数量多，工程规模远大于通航孔桥，我国典型跨海大桥中，非通航孔桥在大桥总里程中约占70％～90％。
3.因此，非通航孔桥是跨海大桥的重要组成部分，确保其建设中合理经济、运营中安全耐久具有重要意义。跨海非通航桥主要包括预应力混凝土(pc)梁桥、钢梁桥、钢-混凝土组合梁桥，且普遍采用整孔预制吊装施工，以减少现场作业量。
4.上述三种现有跨海非通航孔桥各具特点。pc梁造价低，但自重大，整孔预制吊装后，需在墩顶设后浇段，由于龄期差等原因，该区域局部开裂风险较高；钢梁自重轻，但成本高，且普遍面临正交异性钢桥面板疲劳开裂、沥青铺装破损等难题；钢-混凝土组合梁桥因融合了两种材料的特点而具有独特优势，且钢-混凝土组合梁桥的自重和成本均居中，在跨海桥梁特别是非通航孔桥中具有广阔的应用前景。
5.然而跨海钢-混凝土组合梁桥仍存在性能提升空间：混凝土桥面板平均厚度可达0.4m，自重约占梁体总重的75%，限制了跨径的进一步突破（目前国内跨海钢-混凝土组合梁桥跨径一般在80~115m左右）；同时，混凝土桥面板抗裂性差，通过分块预制（需存放6个月以降低收缩）、张拉预应力、中间墩支座顶升等工艺仍无法根除桥面板的开裂风险，在海面浓氯离子腐蚀环境中存在劣化风险；此外，跨海钢-混凝土组合梁中的桥面板约4~8m设置一道横向接缝，不仅工艺繁冗，且大量接缝会影响混凝土桥面板的长期耐久性。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种可用于钢-uhpc组合梁桥的桥面板、钢槽梁、梁桥及其施工方法，用以解决目前钢-混凝土组合梁桥存在的桥梁结构偏重、跨径不高以及混凝土桥面板抗裂性差等技术问题。
7.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种可用于钢-uhpc组合梁桥的桥面板，所述桥面板为单向肋uhpc桥面板，所述单向肋uhpc桥面板包括薄型的桥面板本体和一体成型于桥面板本体底部的多个uhpc横肋，所述单向肋uhpc桥面板不设置纵肋，所述单向肋uhpc桥面板沿纵向设有与钢-uhpc组合梁桥的下部钢槽梁进行固接的纵向加厚部。
8.进一步优选的，上述桥面板本体的厚度为100~150mm；所述uhpc横肋的高度为100~500mm，所述纵向加厚部的厚度为所述桥面板本体的厚度与uhpc横肋的高度之和，相邻两条uhpc横肋的间距s为500~2000mm。
9.进一步优选的，上述uhpc横肋的底面设有钢板条，且钢板条上固接有埋入uhpc横肋中的栓钉，栓钉从钢板条向上延伸至所述桥面板本体内，所述单向肋uhpc桥面板中不设置桥面横向预应力。
10.对于普通钢-混凝土组合梁，由于跨海桥的桥面一般较宽，而混凝土材料抗拉强度低（仅约3mpa），混凝土桥面一般需要设置横向预应力，旨在防止桥面板开裂。但对于本发明，一方面，板的受力主要沿短边，而本发明的短边是横桥向，因而在uhpc底面设置了横肋，以提高该方向的刚度，从而降低横桥向拉应力，受力更合理；另一方面，uhpc自身具有较高的抗裂强度（可达7~12mpa），且横肋底面还通过设置钢板条进行强化，进一步提高了uhpc的抗裂强度。因此，基于以上两方面原因，可不用在本发明的uhpc桥面板中布设横向预应力。
11.进一步优选的，上述桥面板本体内的顶面、底面附近各布设有一层钢筋网，所述钢筋网由外侧的横桥向钢筋和内侧的纵桥向钢筋叠加而成；所述栓钉从钢板条向上延伸至所述桥面板本体内的两层钢筋网之间；所述横桥向钢筋和纵桥向钢筋为环氧涂层钢筋。
12.一种可用于钢-uhpc组合梁桥的钢槽梁，钢槽梁为u型槽梁，包括底板和连接于底板两侧的腹板，所述底板和腹板上均设有纵桥向加劲肋，所述腹板的顶端固接有与所述钢-uhpc组合梁桥的单向肋uhpc桥面板进行固接的翼缘板，所述翼缘板通过剪力键与所述单向肋uhpc桥面板固接。
13.进一步优选的，上述底板和腹板上均设有横桥向加劲肋，所述横桥向加劲肋与所述纵桥向加劲肋采取正交布置；所述底板和腹板上的横桥向加劲肋通过横隔系相互连接成一整体。
14.进一步优选的，上述单向肋uhpc桥面板的下方设有沿纵桥向分布的小纵梁或中腹板，所述中腹板与横隔系正交并支撑在钢槽梁上，所述小纵梁支撑在横隔系上方。
15.一种钢-uhpc组合梁桥，包括沿桥梁纵向相互连接的多个整孔简支梁，所述整孔简支梁包括如上所述的单向肋uhpc桥面板和如上所述的钢槽梁；所述单向肋uhpc桥面板铺设于钢槽梁上并通过埋置于纵向加厚部中的剪力键与钢槽梁连接形成整孔简支梁；相邻整孔简支梁的钢槽梁在拼接缝处相互连接，拼接缝处通过单向肋uhpc桥面板节段将相邻整孔简支梁的单向肋uhpc桥面板连接成一整体。
16.进一步优选的，上述整孔简支梁采用先简支后连续施工方法，且连接处无需进行中间墩的支座顶升施工，且单向肋uhpc桥面板不设置纵向预应力。
17.一种上述的钢-uhpc组合梁桥的施工方法，包括以下步骤：步骤一：厂内施工，首先在厂内加工形成整孔的钢槽梁，在整孔的钢槽梁的顶面架立单向肋uhpc桥面板的模板、绑扎钢筋，浇筑uhpc，然后对单向肋uhpc桥面板进行蒸汽养护，形成钢-uhpc组合的整孔简支梁，与此同时，在厂内完成墩顶负弯矩区的单向肋uhpc桥面板节段的预制和蒸汽养护施工。
18.步骤二：现场施工，首先对整孔简支梁进行运送、吊装，而后对整孔简支梁端部进行配切、焊接，使整孔简支梁由简支变为连续，然后吊装墩顶负弯矩区的单向肋uhpc桥面板节段，最后浇筑墩顶负弯矩区接缝中的uhpc，完成先简支后连续钢-uhpc组合梁桥施工，并在单向肋uhpc桥面板和单向肋uhpc桥面板节段的顶面铺筑沥青混凝土磨耗层。
19.技术原理：虽然钢-混凝土组合桥梁在跨海非通航桥中具有突出优势，但在以下方面仍存在
突破空间：1）由于混凝土桥面板的自重大，约占梁体总重的75%，导致钢-混凝土组合桥梁自重仍然较大，海上浮运和吊装难度同样较高，且限制了跨径的进一步突破；2）混凝土桥面板抗裂性能较差，即使通过分块预制 存放、张拉预应力、中间墩支座顶升等工艺仍无法根除桥面板的开裂风险，在海面浓氯离子腐蚀环境中存在劣化风险。因此，进一步提升钢-混凝土组合桥梁在跨海大桥中的竞争力，关键在于结构减重和桥面板抗裂。
20.本发明基于超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，简称uhpc）的优异力学性能和耐久性，针对跨海大桥严酷的建造运营环境以及轻型化、装配化的发展需求，提出了钢槽梁与单向肋uhpc桥面板组合成钢槽梁桥的新思路。uhpc是基于最大堆积密度原理配制的、抗压强度不低于120mpa或150mpa的水泥基复合材料，其组分剔除了粗骨料、掺入了大量钢纤维，使得材料致密、孔隙率低，从而获得优异的力学性能和耐久性。
21.本发明的新结构具有自重轻、跨越能力大、耐久性优、接缝少、施工方便、造价合理等优点。与现有技术相比，本发明的具体优势主要包括：1）大幅减轻结构自重。大跨径梁桥的荷载绝大部分为自重，而本发明的结构自重由简支状态承担，此时uhpc桥面板纵向受压，uhpc的抗压强度约为普通混凝土的3倍，因而桥面板平均厚度可降至0.2m左右，相比钢-混凝土组合梁桥面板降低约一半，钢槽梁的板厚和用钢量也可进一步优化，使得整梁自重相比现有钢-混凝土组合梁降低约35%，浮运、吊装更为轻便，跨越能力也可进一步提升。
22.2）显著提高墩顶抗裂性。本发明的连续状态仅需承担二期恒载和活载，荷载比重小，显著降低了墩顶负弯矩区的拉应力，且uhpc具有优异的抗裂性，并通过局部加厚、强化配筋等措施能够有效限制墩顶负弯矩区uhpc的裂缝宽度，从而能够取消传统组合梁桥中常用的防止该区域混凝土桥面板开裂的工艺（包括顶升中间墩的支座、布设混凝土桥面板纵向预应力等）。
23.3）桥面板受力合理。桥面板的短边为主要传力方向。本发明钢槽梁中可不设横梁，仅设横隔系，使得uhpc桥面板的横桥向成为主要传力方向（短边）。针对桥面板的这一关键受力特征，通过在uhpc桥面板中设置横肋来显著提高桥面的横桥向刚度，以适应跨海桥梁宽幅桥面的受力需求；同时，通过在uhpc横肋底部设置钢板条提高其抗裂性、简化配筋，从而可大大降低桥面板的开裂风险，并取消传统组合梁桥中混凝土桥面板中的桥面横向预应力。
24.4）施工简便、耐久性优。因uhpc在蒸汽养护后收缩基本完成，厂内施工时在整孔钢槽梁上浇筑uhpc形成钢-uhpc组合的整孔简支梁并完成蒸汽养护后，使得该部分桥面无需设置接缝，也无需如传统组合梁桥中的混凝土桥面板那样存放6个月；待整孔运送、吊装后，仅需在墩顶施工极少接缝，且取消了桥面预应力张拉和中间墩支座顶升等复杂工艺，施工效率和质量大幅提升。同时，uhpc具有高致密性和低渗透性，对于氯离子等侵蚀介质具有良好的抵抗性，从而能够有效保障桥面在海洋环境中的长期耐久。
25.5）具有良好的经济性。经测算，本发明的材料成本与钢-混凝土组合梁大体持平，跨越能力则显著提升，经济适用跨径预计可达80~160m，既能控制上部结构的材料和吊装成本，又能降低下部结构的工程规模，对于跨海大桥的成本控制十分有利。
26.总体而言，本发明的一种钢-uhpc组合梁桥充分发挥了组合结构桥梁的特点和uhpc的性能优势，具有自重轻、跨越能力大、施工方便、接缝少、耐久性优、造价合理等优点，
既能适应跨海大桥装配化和标准化的发展需求，又能抵抗海洋环境中浓氯离子的严酷侵蚀，从而显著降低其全寿命运营维护成本。因此，本发明将丰富我国跨海非通航孔桥的结构形式，拓展组合结构桥梁在跨海大桥中的竞争力，预期在跨海大桥建设中具有广阔的应用前景。
附图说明
27.图1为钢-uhpc组合梁桥的桥面板与钢槽梁组合结构示意图；图2为钢-uhpc组合梁桥的桥面板与钢槽梁组合结构的横桥向剖面图；图3为实施例1中用于钢-uhpc组合梁桥的桥面板示意图；图4为实施例1中用于钢-uhpc组合梁桥的桥面板横桥向剖面图；图5为图4中a-a段剖面示意图；图6为实施例2中用于钢-uhpc组合梁桥的钢槽梁立体结构示意图；图7为实施例2中用于钢-uhpc组合梁桥的钢槽梁横桥向剖面图；图8为实施例3中用于钢-uhpc组合梁桥的带小纵梁的钢槽梁立体结构示意图；图9为实施例3中用于钢-uhpc组合梁桥的带小纵梁的钢槽梁横桥向剖面图；图10为实施例4中用于钢-uhpc组合梁桥的带中腹板的钢槽梁立体结构示意图；图11为实施例4中用于钢-uhpc组合梁桥的带中腹板的钢槽梁横桥向剖面图；图12为实施例5中墩顶负弯矩区的单向肋uhpc桥面板节段的示意图；图13为实施例5中钢槽梁在中墩顶拼接缝处的结构示意图；图14为钢-uhpc组合梁桥的整孔吊装示意图；图15为钢-uhpc组合梁桥的墩顶钢槽梁焊接与墩顶预制单向肋uhpc桥面板节段吊装示意图；图16为钢-uhpc组合梁桥的墩顶uhpc接缝施工与铺筑沥青混凝土磨耗层后示意图。
28.图例说明：1、单向肋uhpc桥面板；11、桥面板本体；111、横桥向钢筋；112、纵桥向钢筋；12、uhpc横肋；121、钢板条；122、栓钉；13、纵向加厚部；2、钢槽梁；21、底板；22、腹板；23、纵桥向加劲肋；24、横桥向加劲肋；25、翼缘板；26、横隔系；27、小纵梁；28、中腹板；3、剪力键；4、单向肋uhpc桥面板节段；41、槽口；5、墩顶负弯矩区接缝中的uhpc；6、沥青混凝土磨耗层；s、相邻两条uhpc横肋的间距；m、浮吊船。
具体实施方式
29.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作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。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作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。需要特别说明的是，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以
特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.实施例1：一种可用于钢-uhpc组合梁桥的单向肋uhpc桥面板。
31.如图1-5所示，单向肋uhpc桥面板1包括桥面板本体11、uhpc横肋12以及与钢-uhpc组合梁桥的下部钢槽梁2进行固接的纵向加厚部13。
32.桥面板本体11下方设有uhpc横肋12，相邻两条uhpc横肋12的布置间距s为600mm。所述布置间距s为uhpc横肋12沿横桥向的中垂面之间的间距；uhpc横肋12底面设有钢板条121，钢板条121厚度为8mm。钢板条121上固接有埋入uhpc横肋12中的栓钉122，且栓钉122从钢板条121向上延伸至所述桥面板本体11内，单向肋uhpc桥面板1中不设置桥面横向预应力。钢板条121宽度与uhpc横肋12底部同宽，钢板条121仅布设在钢-uhpc组合梁桥的下部钢槽梁2的腹板22间的uhpc横肋12处。单向肋uhpc桥面板1沿纵向设有两条与钢-uhpc组合梁桥的下部钢槽梁2进行固接的纵向加厚部13，纵向加厚部13的厚度为桥面板本体11的厚度与uhpc横肋12的高度之和；桥面板本体11的厚度为120mm；uhpc横肋12的高度为230mm。桥面板本体11内的顶面、底面附近各布设有一层钢筋网，所述钢筋网由外侧的横桥向钢筋111和内侧的纵桥向钢筋112叠加而成；所述栓钉122从钢板条121向上延伸至所述桥面板本体11内的两层钢筋网之间；横桥向钢筋111与纵桥向钢筋112所采用的钢筋为环氧涂层钢筋。
33.实施效果：受力方面，本发明单向肋uhpc桥面板针对短边（横桥向）传力的主要特点，仅沿横桥向设置横肋，刚度匹配合理，受力更优，其平均厚度仅约0.2m，相比常规跨海钢-混凝土组合箱梁桥平均约0.4m厚的板厚降低50%；同时，横肋底面布设了钢板条，通过钢-uhpc的协同受力显著提高桥面板的抗裂性，并简化了配筋。施工方面，可取消桥面板预应力，施工工艺大大简化，且桥面板在厂内整孔钢槽梁上一次性浇筑、蒸养，桥面板接缝数量大大减少，工艺简化、质量更优。
34.实施例2：一种可用于钢-uhpc组合梁桥的钢槽梁。
35.如图6和7所示，钢槽梁2为u型槽梁，钢槽梁2包括底板21、连接于底板21两侧的腹板22和翼缘板25，底板21和腹板22上均设有纵桥向加劲肋23，腹板22的顶端固接有与实施例1的单向肋uhpc桥面板1进行固接的翼缘板25，翼缘板25通过剪力键3（本实施例采用栓钉122）与单向肋uhpc桥面板1固接。腹板22设计为倾斜型，腹板22所在面与底板21成钝角。
36.钢槽梁2的底板21和腹板22上还均设有横桥向加劲肋24，横桥向加劲肋24与所述纵桥向加劲肋23采取正交布置；底板21和腹板22上的横桥向加劲肋24通过横隔系26相互连接成一整体。
37.实施效果：跨海大桥非通航孔桥多采用上、下行分幅的形式，当单幅梁桥面宽度适宜时，横隔系的中间位置无需设置小纵梁或中腹板。
38.实施例3：一种可用于钢-uhpc组合梁桥的钢槽梁。
39.如图8和9所示，钢槽梁2为u型槽梁，钢槽梁2包括底板21、连接于底板21两侧的腹板22和翼缘板25，底板21和腹板22上均设有纵桥向加劲肋23，腹板22的顶端固接有与实施例1的单向肋uhpc桥面板1进行固接的翼缘板25，翼缘板25通过剪力键3（本实施例采用栓钉
122）与单向肋uhpc桥面板1固接。腹板22设计为倾斜型，腹板22所在面与底板21成钝角。
40.钢槽梁2的底板21和腹板22上还均设有横桥向加劲肋24，横桥向加劲肋24与所述纵桥向加劲肋23采取正交布置；底板21和腹板22上的横桥向加劲肋24通过横隔系26相互连接成一整体。所述单向肋uhpc桥面板1的下方设有沿纵桥向分布的小纵梁27，所述小纵梁27支撑在横隔系26上方。
41.实施效果：跨海大桥非通航孔桥多采用上、下行分幅的形式，当单幅梁桥面宽度较宽时，考虑到钢槽梁腹板间距较大，导致单向肋uhpc桥面板横桥向支撑间距相应增大，此时可在横隔系的中间位置设置小纵梁，以减小单向肋uhpc桥面板的横桥向跨度，改善桥面板的受力。
42.实施例4：一种可用于钢-uhpc组合梁桥的钢槽梁。
43.如图10和11所示，钢槽梁2为u型槽梁，钢槽梁2包括底板21和连接于底板21两侧的腹板22和翼缘板25，底板21和腹板22上均设有纵桥向加劲肋23，腹板22的顶端固接有与实施例1的单向肋uhpc桥面板1进行固接的翼缘板25，翼缘板25通过剪力键3（本实施例采用栓钉122）与单向肋uhpc桥面板1固接。腹板22设计为倾斜型，腹板22所在面与底板21、成钝角。
44.钢槽梁2的底板21和腹板22上还均设有横桥向加劲肋24，横桥向加劲肋24与所述纵桥向加劲肋23采取正交布置；底板21和腹板22上的横桥向加劲肋24通过横隔系26相互连接成一整体。所述单向肋uhpc桥面板1的下方设有沿纵桥向分布的中腹板28，所述中腹板28与横隔系26正交并支撑在钢槽梁上。中腹板28上设置有与单向肋uhpc桥面板1进行固接的翼缘板25。中腹板28上同样设置有纵桥向加劲肋23与横桥向加劲肋24。
45.实施效果：当跨海大桥非通航孔桥采用整幅桥宽时，即上、下行不分幅，若钢槽梁仅设置两道腹板将难以满足受力要求，此时可在横隔系的中间位置设置中腹板，以减小单向肋uhpc桥面板的横桥向跨度，改善桥面板和大桥整体的受力。
46.实施例5：一种钢-uhpc组合梁桥，如图1、2、16所示，包括沿桥梁纵向相互连接的多个整孔简支梁，整孔简支梁包括实施例1中的单向肋uhpc桥面板1和实施例2中的钢槽梁2；所述单向肋uhpc桥面板1铺设于钢槽梁2上并通过埋置于纵向加厚部13中的剪力键3与钢槽梁2连接形成整孔简支梁；相邻整孔简支梁的钢槽梁2在拼接缝处相互连接，拼接缝处通过单向肋uhpc桥面板节段4将相邻整孔简支梁的单向肋uhpc桥面板1连接成一整体。再浇筑墩顶负弯矩区接缝中的uhpc 5使桥面整体成型。单向肋uhpc桥面板不设置纵向预应力。
47.在本实施例中，如图12、13所示，单向肋uhpc桥面板节段4的基本结构与单向肋uhpc桥面板1相同，只是在墩顶负弯矩区的单向肋uhpc桥面板节段4的加厚部中，沿纵桥向按一定间距预留槽口41，而钢槽梁2上的翼缘板25对应槽口处先焊有剪力键3（栓钉），待整孔简支梁吊装就位、单向肋uhpc桥面板节段4安装完毕后，在槽口41中浇筑uhpc即可。本发明只在每个中间墩墩顶处的一个单向肋uhpc桥面板节段内设有槽口，减少了需二次浇注的槽口数量；同时，桥面仅在单向肋uhpc桥面板1和单向肋uhpc桥面板节段4之间设有接缝，接缝数量相比于现有跨海钢-混凝土组合梁桥大大减少，简化了施工工艺，有利于跨海非通航孔桥的装配化施工，且提升了施工质量，可有效保障桥面板的耐久性。
48.实施例6：
一种如实施例5中的钢-uhpc组合梁桥的施工方法，包括以下步骤：步骤一：厂内施工，如图1、2、12、13所示，首先在厂内加工钢槽梁2，按照钢槽梁2的施工流程，依次完成下料、板件制作、焊接、总拼等工艺，形成整孔的钢槽梁2；在整孔的钢槽梁2的顶面架立单向肋uhpc桥面板1模板、绑扎钢筋，浇筑uhpc，浇筑后在uhpc表面覆膜，洒水保湿48小时，然后布设蒸汽养护设备，对uhpc桥面板进行蒸汽养护，蒸汽养护可以在湿度95%、90℃条件下养护2天，也可在湿度95%、80℃条件下养护3天。养护结束后拆除模板，形成钢-uhpc组合的整孔简支梁。与此同时，在厂内完成墩顶负弯矩区的单向肋uhpc桥面板节段4的预制和蒸汽养护施工。
49.步骤二：现场施工，如图14-16所示，首先由大型运架梁一体船（浮吊船m）将整孔梁运输至桥址处，然后进行吊装，形成各跨简支状态，而后对整孔简支梁端部的钢槽梁2进行配切、焊接，使整孔简支梁由简支变为连续，然后吊装墩顶负弯矩区的单向肋uhpc桥面板，最后浇筑墩顶负弯矩区接缝中的uhpc 5，完成先简支后连续钢-uhpc组合梁桥施工，并在单向肋uhpc桥面板1和单向肋uhpc桥面板节段4的顶面铺筑沥青混凝土磨耗层6。
50.需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。