一种锈蚀钢桥主梁端部的UHPC包覆修复结构

一种锈蚀钢桥主梁端部的uhpc包覆修复结构
技术领域
1.本实用新型属于桥梁修复构造技术领域，更具体地，涉及一种锈蚀钢桥主梁端部的uhpc包覆修复结构。


背景技术：

2.钢梁桥相对传统混凝土桥来说自重小，承载能力大、跨越能力强、能够有更大的桥下净空与更低的桥面高程、桥梁结构外形纤细、景观效果好，且构件大多是在工厂直接制造，到现场组装，安装速度快、施工周期短、便于修复与更换，在我国逐步推广使用。
3.虽然钢梁桥施工简便、造型美观，但在实际工程应用中也存在一些问题。钢桥主梁端部钢板长期受到桥面接缝渗漏下来的水流的冲刷与腐蚀，会产生结构缺陷，丧失其原有的力学性能，从而降低桥梁的强度与承载能力。
4.现在常用的修复锈蚀钢桥主梁端部的方法是用新的钢材替换原来被锈蚀的钢材，需要进行大量的钢与钢之间的手工焊接，现场手工焊接工艺复杂、焊接前要做大量表面处理工作、速度慢，焊接后的结构延展性差、有大量残余应力；再者，传统的油漆涂装不能有效阻止钢桥主梁的腐蚀，耐久性差，上述问题是钢桥主梁修复工作中亟待解决的问题。
5.如《北方交通》2021年9月刊发的名为《既有钢结构桥梁病害分析及其防护技术研究》的文献中提及“钢结构桥梁的腐蚀病害会对桥梁建设工程安全稳定的生产应用造成极其大的危害”；又如期刊《中国公路学报》2021年2月刊出的名为《中国桥梁工程学术研究综述
·
2021》的综述文献第12页提到“焊接作为目前钢结构桥梁的主要连接方式，初始焊接缺陷和焊接残余应力在细观尺度上所导致的几何不连续、应力集中和局部塑化，显著降低了焊接节点的疲劳扩展寿命”。


技术实现要素：

6.针对上述存在的技术问题，本实用新型提出一种锈蚀钢桥主梁端部的uhpc 包覆修复结构，一方面能够有效阻止钢桥主梁端部的继续锈蚀，从而提高钢桥主梁耐久性；另一方面修复后钢主梁相对其受损前承载能力提高20％以上、竖向刚度提高60％以上，大幅提高了钢桥主梁的结构刚度和承载能力。
7.本实用新型采用以下具体的技术方案：
8.一种锈蚀钢桥主梁端部的uhpc包覆修复结构，由钢桥主梁与uhpc包覆节段通过剪力连接件连接，所述uhpc包覆节段由uhpc腹板和uhpc翼缘板构成，所述uhpc包覆节段包覆在钢桥主梁端部的锈蚀区域外部。
9.优选的，所述uhpc包覆节段的长度大于钢桥主梁锈蚀长度。
10.优选的，所述uhpc腹板的高度超过钢桥主梁锈蚀部分的高度0.2m且不低于钢桥主梁总高度的1/3，所述uhpc腹板的厚度为2—5cm。
11.优选的，所述uhpc翼缘板为马蹄形，马蹄形uhpc翼缘板的上部为变厚度过渡区。
12.优选的，所述uhpc翼缘板的厚度为5—7cm，所述变厚度过渡区的高度为 5—10cm。
13.优选的，所述uhpc包覆节段的材料采用超高性能纤维增强混凝土或活性粉末混凝土。
14.优选的，所述钢桥主梁从上至下分别由钢顶板、钢腹板和钢底板组成。
15.优选的，所述剪力连接件分为横向剪力连接件和纵向剪力连接件，所述横向剪力连接件设置在钢桥主梁端部的钢腹板上且埋置在uhpc腹板内，所述纵向剪力连接件设置在钢桥主梁端部的钢底板未锈蚀区域上且埋置在uhpc翼缘板内。
16.优选的，所述剪力连接件采用圆柱头剪力钉或/和焊接钢筋。
17.优选的，所述横向剪力连接件的长度小于uhpc腹板的厚度，所述竖向剪力连接件长度小于uhpc翼缘板的高度。
18.本实用新型的有益效果为：
19.(1)采用结构致密、轻质高强的uhpc包裹钢桥主梁端部的劣化截面，充分利用uhpc优良的抗渗性、抗裂性、超高的力学性能和延展性，能大幅增强钢桥主梁的耐久性、结构刚度和承载力；
20.(2)uhpc翼缘板设马蹄型变厚度区过渡，能够防止水流聚集和避免应力集中，同时协助底板局部承压，提高结构稳定性；
21.(3)采用剪力连接件连接钢桥主梁与uhpc包覆节段，能够增强结构抗剪能力与结构整体性，使各部分结构受力更加合理，同时能够避免大量手工焊接工作，大幅减小残余应力，提高结构安全性。
附图说明
22.图1为本实用新型锈蚀钢桥主梁端部的uhpc包覆修复结构示意图；
23.图2为图1的a-a方向截面图。
24.1、钢桥主梁；11、钢顶板；12、钢腹板；13、钢底板；2、uhpc包覆节段； 21、uhpc腹板；22、uhpc翼缘板；3、剪力连接件；31、侧向剪力连接件； 32、底面剪力连接件；4、桥台；5、桥墩。
具体实施方式
25.下面结合具体实施例进一步说明本实用新型。除非特别说明，本实用新型实施例中采用的原料和方法为本领域常规市购的原料和常规使用的方法。本技术中的uhpc为超高性能混凝土英文简称，全称为ultra-high performance concrete。
26.实施例1
27.如图1、2所示，桥墩5上的桥台4连接钢桥主梁1的端部，本实施例的锈蚀钢桥主梁端部的uhpc包覆修复结构，由钢桥主梁1与uhpc包覆节段2通过剪力连接件3连接，uhpc包覆节段2由uhpc腹板21和uhpc翼缘板22 构成，钢桥主梁1从上至下分别由钢顶板11、钢腹板12和钢底板13组成，剪力连接件3分为横向剪力连接件和纵向剪力连接件，uhpc包覆节段2包覆在钢桥主梁1端部的锈蚀区域外部补偿钢桥主梁1端部因锈蚀而损失的截面。uhpc 包覆节段2的材料采用超高性能纤维增强混凝土和/或活性粉末混凝土，其按照最大堆积密度原理配制，水胶比低、结构致密，通过添加短而细的纤维(常以钢纤维为主)，改善材料的强度与变形性能。相对于普通混凝土、高强混凝土，超高性能混凝土具有超高的力学性能、超高
的耐久性能、优异的防水性、面向性能需求的可调配型与可设计性。
28.uhpc包覆节段2的长度大于钢桥主梁1锈蚀长度，uhpc腹板21的高度超过钢桥主梁锈蚀部分的高度0.2m且不低于钢桥主梁1总高度的1/3，uhpc腹板21的厚度为2—5cm。uhpc翼缘板22的厚度为5—7cm，截面设计为马蹄形，马蹄形uhpc翼缘板的上部为变厚度过渡区，变厚度过渡区的高度为5—10cm，变厚度过渡区用以防止水流聚集和避免应力集中，同时协助底板局部承压。
29.横向剪力连接件设置在钢桥主梁1端部的钢腹板12上且埋置在uhpc腹板 21内，纵向剪力连接件设置在钢桥主梁1端部的钢底板13未锈蚀区域上且埋置在uhpc翼缘板22内。剪力连接件3采用圆柱头剪力钉或/和焊接钢筋，横向剪力连接件的长度小于uhpc腹板21的厚度，纵向剪力连接件长度小于uhpc翼缘板22的高度，安装剪力连接件3能够增强结构抗剪能力及结构整体性，使各部分结构受力更合理。
30.uhpc包覆节段2具有优良的抗裂性与抗渗性，保护钢桥主梁1端部免受腐蚀性物质侵蚀，提高钢桥的耐久性；优良的抗裂性能表现为受拉应变硬化性能，拉应变水平超过0.2％时，uhpc包覆节段2的裂缝宽度不超过0.05mm；优良抗渗性为抗渗等级不低于p35，氯离子渗透系数小于2.0
×
10-14
m2/s，自然环境下碳化深度不大于0.5mm/年。uhpc包覆节段2还具有优良的力学性能，以强化 uhpc包覆修复后钢主梁1的结构刚度和承载能力；力学性能为抗压强度不低于 130mpa，抗拉强度不低于7.0mpa；修复后钢桥承载能力相对其受损前提高20％以上，整体刚度相对其受损前提高5％以上，竖向刚度相对其受损前提高60％以上。
31.本实施例中的uhpc包覆修复结构设计，对于典型的桥梁类型，采用同一套标准设计，避免对特定项目单独设计、定制设计形状。
32.实施例2
33.本实施例的锈蚀钢桥主梁端部的uhpc包覆修复结构，由钢桥主梁1与 uhpc包覆节段2通过剪力连接件3连接，uhpc包覆节段2由uhpc腹板21 和uhpc翼缘板22构成，钢桥主梁1从上至下分别由钢顶板11、钢腹板12和钢底板13组成，剪力连接件3分为横向剪力连接件和纵向剪力连接件，uhpc 包覆节段2包覆在钢桥主梁1端部的锈蚀区域外部补偿钢桥主梁1端部因锈蚀而损失的截面。uhpc包覆节段2的材料采用超高性能纤维增强混凝土和/或活性粉末混凝土，其按照最大堆积密度原理配制，水胶比低、结构致密，通过添加短而细的纤维(常以钢纤维为主)，改善材料的强度与变形性能。相对于普通混凝土、高强混凝土，超高性能混凝土具有超高的力学性能、超高的耐久性能、优异的防水性、面向性能需求的可调配型与可设计性。
34.uhpc包覆节段2的长度大于钢桥主梁1锈蚀长度，uhpc腹板21的高度超过钢桥主梁锈蚀部分的高度0.2m且不低于钢桥主梁1总高度的1/3，uhpc腹板21的厚度为2—5cm。uhpc翼缘板22的厚度为5—7cm，截面设计为马蹄形，马蹄形uhpc翼缘板的上部为变厚度过渡区，变厚度过渡区的高度为5—10cm，变厚度过渡区用以防止水流聚集和避免应力集中，同时协助底板局部承压。
35.横向剪力连接件设置在钢桥主梁1端部的钢腹板12上且埋置在uhpc腹板 21内，纵向剪力连接件设置在钢桥主梁1端部的钢底板13未锈蚀区域上且埋置在uhpc翼缘板22内。剪力连接件3采用圆柱头剪力钉或/和焊接钢筋，横向剪力连接件的长度小于uhpc腹板21的
厚度，纵向剪力连接件长度小于uhpc翼缘板22的高度，安装剪力连接件3能够增强结构抗剪能力及结构整体性，使各部分结构受力更合理。
36.uhpc包覆节段2具有优良的抗裂性与抗渗性，保护钢桥主梁1端部免受腐蚀性物质侵蚀，提高钢桥的耐久性；优良的抗裂性能表现为受拉应变硬化性能，拉应变水平超过0.2％时，uhpc包覆节段2的裂缝宽度不超过0.05mm；优良抗渗性为抗渗等级不低于p35，氯离子渗透系数小于2.0
×
10-14
m2/s，自然环境下碳化深度不大于0.5mm/年。uhpc包覆节段2还具有优良的力学性能，以强化 uhpc包覆修复后钢主梁1的结构刚度和承载能力；力学性能为抗压强度不低于 130mpa，抗拉强度不低于7.0mpa；修复后钢桥承载能力相对其受损前提高20％以上，整体刚度相对其受损前提高5％以上，竖向刚度相对其受损前提高60％以上。
37.本实施例的锈蚀钢桥主梁端部的uhpc包覆修复结构中，工字钢桥主梁1 高度为528mm、厚度为14mm，uhpc包覆节段2的长度为660mm、高度为 230mm，uhpc腹板21的厚度为45mm，uhpc翼缘板22的厚度为73mm、其高度为50mm，uhpc腹板21与uhpc翼缘板22之间的变厚度过渡区的宽度为 50mm。剪力连接件3直径为10mm、长度为30mm，uhpc包覆节段2为剪力连接件3提供厚度为15mm的保护层。
38.uhpc包覆节段2采用超高性能纤维增强混凝土浇筑，剪力连接件3采用超短圆柱头剪力钉。
39.实施例3
40.本实施例的锈蚀钢桥主梁端部的uhpc包覆修复结构，由钢桥主梁1与 uhpc包覆节段2通过剪力连接件3连接，uhpc包覆节段2由uhpc腹板21 和uhpc翼缘板22构成，钢桥主梁1从上至下分别由钢顶板11、钢腹板12和钢底板13组成，剪力连接件3分为横向剪力连接件和纵向剪力连接件，uhpc 包覆节段2包覆在钢桥主梁1端部的锈蚀区域外部补偿钢桥主梁1端部因锈蚀而损失的截面。uhpc包覆节段2的材料采用超高性能纤维增强混凝土和/或活性粉末混凝土，其按照最大堆积密度原理配制，水胶比低、结构致密，通过添加短而细的纤维(常以钢纤维为主)，改善材料的强度与变形性能。相对于普通混凝土、高强混凝土，超高性能混凝土具有超高的力学性能、超高的耐久性能、优异的防水性、面向性能需求的可调配型与可设计性。
41.uhpc包覆节段2的长度大于钢桥主梁1锈蚀长度，uhpc腹板21的高度超过钢桥主梁锈蚀部分的高度0.2m且不低于钢桥主梁1总高度的1/3，uhpc腹板21的厚度为2—5cm。uhpc翼缘板22的厚度为5—7cm，截面设计为马蹄形，马蹄形uhpc翼缘板的上部为变厚度过渡区，变厚度过渡区的高度为5—10cm，变厚度过渡区用以防止水流聚集和避免应力集中，同时协助底板局部承压。
42.横向剪力连接件设置在钢桥主梁1端部的钢腹板12上且埋置在uhpc腹板 21内，纵向剪力连接件设置在钢桥主梁1端部的钢底板13未锈蚀区域上且埋置在uhpc翼缘板22内。剪力连接件3采用圆柱头剪力钉或/和焊接钢筋，横向剪力连接件的长度小于uhpc腹板21的厚度，纵向剪力连接件长度小于uhpc翼缘板22的高度，安装剪力连接件3能够增强结构抗剪能力及结构整体性，使各部分结构受力更合理。
43.uhpc包覆节段2具有优良的抗裂性与抗渗性，保护钢桥主梁1端部免受腐蚀性物质侵蚀，提高钢桥的耐久性；优良的抗裂性能表现为受拉应变硬化性能，拉应变水平超过
0.2％时，uhpc包覆节段2的裂缝宽度不超过0.05mm；优良抗渗性为抗渗等级不低于p35，氯离子渗透系数小于2.0
×
10-14
m2/s，自然环境下碳化深度不大于0.5mm/年。uhpc包覆节段2还具有优良的力学性能，以强化 uhpc包覆修复后钢主梁1的结构刚度和承载能力；力学性能为抗压强度不低于 130mpa，抗拉强度不低于7.0mpa；修复后钢桥承载能力相对其受损前提高20％以上，整体刚度相对其受损前提高5％以上，竖向刚度相对其受损前提高60％以上。
44.本实施例的锈蚀钢桥主梁端部的uhpc包覆修复结构中，工字钢桥主梁1 高度为528mm、厚度为14mm，uhpc包覆节段2的长度为660mm、高度为 230mm，uhpc腹板21的厚度为45mm，uhpc翼缘板22的厚度为73mm、其高度为50mm，uhpc腹板21与uhpc翼缘板22之间的变厚度过渡区的宽度为 50mm。剪力连接件3直径为10mm、长度为30mm，uhpc包覆节段2为剪力连接件3提供厚度为15mm的保护层。
45.本实施例与实施例2不同的是，uhpc包覆节段2采用超高性能纤维增强混凝土浇筑，剪力连接件3采用焊接钢筋。
46.实施例4
47.一种锈蚀钢桥主梁端部的uhpc包覆修复的施工方法：
48.s1、清除已锈蚀钢桥主梁端部的铁锈并局部喷砂除锈。该方式与传统修复方法相比，其施工过程能减少大量复杂的表面处理工作，避免复杂的铅消除工作，防止含铅废料污染环境。
49.s2、在钢桥主梁钢腹板12和钢底板13上焊接剪力钉或施工其它抗剪连接件；
50.s3、制作uhpc包覆节段模板，将剪力连接件3和钢桥主梁1端部包覆埋置于uhpc包覆节段2中，浇筑uhpc材料，使uhpc包覆修复构造与钢桥主梁1形成整体，待uhpc包覆节段2养护完成后拆除模板，完成施工。
51.该施工过程能避免顶升与地应力复核，对于待修复桥梁周围的地形与地基承载力要求较低、适用范围更广，同时能大幅缩短工期、降低项目成本。
52.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。