一种带狭长切口的正交异性钢-UHPC组合桥面及其施工方法

一种带狭长切口的正交异性钢-uhpc组合桥面及其施工方法
技术领域：
1.本发明涉及工程领域，尤其涉及一种带狭长切口的正交异性钢-uhpc组合桥面及其施工方法。


背景技术：

2.正交异性桥面于上世纪中叶在德国桥梁建设中开始采用，多年来该种桥面结构已成为钢结构桥梁的首选型式，特别是大跨径桥梁。经过几十年的工程实践，正交异性桥面的纵肋-横隔板连接处通常采用纵肋连续通过的方式，并在横隔板上额外设置弧形切口如图10所示。然而，在轮载作用下，纵肋-横隔板接头处于复杂的三维空间受力状态，且纵肋-横隔板接头处加工处理难度很大，造价高，质量难以控制。为改善此类问题，向泽,祝志文公开的文献无切口钢-uhpc组合桥面纵肋-横隔板接头疲劳性能，提出了一种新型无切口桥面结构，将纵肋与横隔板进行顶紧连接，以消除纵肋-横隔板接头的复杂围焊打磨工作。然而，在轮载作用下，横隔板约束了纵肋的挠曲或扭转等变形，导致纵肋-横隔板接头产生高的应力集中。
3.由于传统正交异性钢桥面局部刚度小，通常会引发桥面铺装破损，从而增加了车辆荷载的冲击效应，进而提升了桥面疲劳细节的应力水平，造成钢桥面疲劳开裂-铺装层破损的恶性循环。对于该问题的处理，现有的解决方案是采用如文献(邵旭东,曹君辉,易笃韬,等.正交异性钢板-薄层rpc组合桥面基本性能研究.中国公路学报,2012)提出的组合桥面，提升桥面刚度。该思路着眼于将轮载分散到更大范围的结构上，对靠近面板的纵肋-面板接头构造细节疲劳性能改善明显，但对于远离面板的纵肋-横隔板接头构造细节，轮载应力降低水平有限。因此，单纯采用组合桥面仍不能完全解决正交异性桥面构造细节疲劳开裂的问题。在轮载作用下，纵肋-横隔板接头存在应力集中，应力水平较高，容易产生疲劳开裂。
4.彭勃,邵旭东等公开的闭口肋轻型组合桥面板疲劳性能研究，研究得出，通过单纯的增加横隔板或纵肋厚度可以降低某个细节的应力水平，但又会增加其它构造细节的应力水平，也不经济，同时增加了整个桥面结构自重。另外，顾萍,裴辉腾,盛博,等公开的u肋带内隔板钢桥面疲劳性能研究在纵肋内部设置小隔板或肋条，虽然可以改善纵肋-横隔板接头的受力，但也会引入新的疲劳构造细节，且不便于制造加工，增加了工程造价，且不利于工业自动化快速生产。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明公开了一种带狭长切口的正交异性钢-uhpc组合桥面及其施工方法，本发明纵肋-横隔板顶紧连接采用连续施焊，可避免中断纵肋-横隔板连接焊缝，消除了纵肋-横隔板接头围焊构造细节，改善了疲劳性能，且简化了制造工艺，能实现工业化快速生产。在横隔板母材上设置狭长切口，可保证轮载作用下的纵肋-横隔板接头应力流连续，同时又释放了横隔板对纵肋的约束，有利于降低构造细节二次应力，进一步改善了
疲劳性能。钢-uhpc组合桥面能提高整个桥面结构的刚度，使得桥面各个组件能更好地协同承担轮载作用，能有效解决钢桥面构造细节疲劳开裂和铺装破损问题。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
7.一种带狭长切口的正交异性钢-uhpc组合桥面，包括面板1，面板1底部的中部沿长度方向固定有横隔板2，面板1底部还固定有若干垂直于横隔板2的u形纵肋3；所述u形纵肋3底部形成有圆弧形部4,圆弧形部4两侧为与圆弧形部4切向设置的直板部41；横隔板2上形成有与u形纵肋3配合的u型纵肋槽口5；横隔板2与u形纵肋3焊接固定；所述穿孔5下方形成有与圆弧形部4同心设置的弧形的横隔板狭长切口6，圆弧形部4与横隔板狭长切口6的圆心角相等；所述u形纵肋3与横隔板狭长切口6之间形成有隔板部7。
8.进一步的改进，所述面板1包括钢面板11，钢面板11上方铺设有uhpc层12，uhpc层12上方铺设有沥青磨耗层13；uhpc层12内布设有纵、横桥向钢筋网。
9.进一步的改进，所述钢面板11厚度为12mm，uhpc层12的厚度为45mm，沥青磨耗层13的厚度为35mm；钢面板11与uhpc层12通过直径13mm、高35mm的抗剪栓钉14连接；纵、横桥向钢筋网采用直径为10mm的hrb400级带肋钢筋，间距为30mm；横桥向钢筋的顶部与抗剪栓钉14顶部平齐。
10.进一步的改进，所述横隔板狭长切口6的自由边的边缘光洁度不大于0.025mm；隔板部7的厚度为20mm，横隔板狭长切口6的宽度为40mm；横隔板狭长切口6两端为圆弧形，圆弧的半径为20mm。
11.进一步的改进，所述u型纵肋槽口5的底部与u形纵肋3之间预留有2mm间隙，u型纵肋槽口5的底部与u形纵肋3进行角焊缝，角焊缝的贴角尺寸为8mm；圆弧形部4与横隔板狭长切口6的圆心角为150
°
。
12.一种带狭长切口的正交异性钢-uhpc组合桥面的施工方法，包括如下步骤：
13.s1.根据面板1的钢板厚度，对u形纵肋3、横隔板2下料；
14.s2.u形纵肋3热轧成型，横隔板2切割供u型纵肋连续通过的u型纵肋槽口5；
15.s3.u形纵肋3与面板1焊接：在焊接前，将面板1和u形纵肋3进行翻转，即面板1置于u形纵肋3下方，以避免仰位焊，保证焊接质量；u形纵肋-面板接头采用单侧坡口焊，控制u形纵肋3与u形纵肋3的腹板焊接熔透率不低于80％；u形纵肋-面板的组装的间隙要求不大于0.5mm；当u形纵肋-面板焊接完成后，角焊缝的贴角尺寸为8mm；加工出横隔板狭长切口6，横隔板狭长切口6的自由边打磨光顺，边缘光洁度不大于0.025mm，以减小应力集中，降低疲劳开裂风险；
16.s4.u形纵肋3、面板1与横隔板2的焊接：横隔板2也采用翻转的方式焊接到面板1上；在面板1、u形纵肋3和横隔板2的相交处，将横隔板2的连接处先加工成10mm
×
10mm的倒角，u形纵肋3、面板1与横隔板2就位后，将面板1、横隔板2和u形纵肋3的焊接采取连续焊过倒角的方式，填实倒角，以提高抗疲劳性能；所述横隔板2的u型纵肋槽口5上预留有2mm的工艺间隙，当u形纵肋-横隔板焊接完成后，工艺间隙进行角焊缝，角焊缝的贴角尺寸为8mm。
17.s5.在面板1上焊接的抗剪栓钉，抗剪栓钉的纵、横桥向间距均为150mm；
18.s6.在面板1上依次铺设纵向钢筋和横向钢筋，形成纵、横桥向钢筋网；相邻纵向钢筋和相邻横向钢筋钢的间距均为30mm；
19.s7.在面板1浇筑uhpc结构层并蒸汽养护；
20.s8.铺筑沥青磨耗层：采用抛丸工艺对uhpc结构层顶面进行处理，然后再在上面铺筑35mm厚的沥青磨耗层，完成新型带狭长切口的正交异性钢-uhpc组合桥面结构的施工。
21.本发明的有益效果在于：
22.(1)纵肋与横隔板顶紧连接。现有技术方案下的纵肋-横隔板连接处通常设置额外的弧形切口，会中断焊缝构造。该新型纵肋-横隔板顶紧连接为连续施焊，能消除纵肋-横隔板接头围焊构造细节，改善结构疲劳性能；同时避免了围焊处复杂的打磨工作，简化了制造工艺，有利于工业自动化快速生产。本发明方案需要保证纵肋-横隔板的顶紧组装误差在2mm以内。
23.(2)横隔板母材上设置狭长切口。现有技术方案的弧形切口都是设置在横隔板开孔(装配纵肋)边缘，为横隔板开孔的扩大构造，会中断纵肋-横隔板的焊缝构造，容易引发应力集中，增加制造难度。本发明在横隔板母材上设置弧形切口，可避免中断纵肋-横隔板焊缝，保证应力流连续，同时又削弱了横隔板对纵肋弯曲或扭转等变形的约束，有利于降低局部刚度，减小二次应力，改善疲劳性能。
24.(3)钢-超高性能混凝土(uhpc)组合桥面。现有技术方案下的纯钢桥面存在局部刚度低的问题，会引发钢桥面构造细节疲劳开裂和铺装层破损。本发明的钢-uhpc组合桥面能提高整个桥面结构的刚度，使正交异性桥面各个组件能更好地协同承担轮载作用。该方法对钢桥面各个构造细节的轮载应力都有不同程度的降低，其中对减小纵肋-面板构造细节轮载应力有显著效果，能有效改善钢桥面构造细节疲劳性能和桥面铺装层工作条件。
附图说明
25.图1为本发明的结构示意图；
26.图2为本发明的施工流程图；
27.图3为u形纵肋与面板焊接的示意图；
28.图4为u形纵肋与横隔板焊接的示意图；
29.图5为u形纵肋与横隔板双面角焊接的示意图；
30.图6为抗剪栓钉的结构示意图；
31.图7为纵、横桥向钢筋网的俯视结构示意图；
32.图8为无切口组合桥面和本发明桥面的纵肋-横隔板接头纵肋侧的应力响应曲线；
33.图9为为无切口组合桥面和本发明桥面的纵肋-横隔板接头横隔板侧的应力响应曲线。；
34.图10为无切口组合桥面纵肋-横隔板接头纵肋侧应力云图；
35.图11为本发明桥面的纵肋-横隔板接头纵肋侧应力云图。
具体实施方式
36.下面对本发明的具体实施例作进一步详细描述。
37.本发明采用以下技术方案：
38.为了改善正交异性钢桥面板在轮载作用下的受力性能，降低疲劳开裂风险，并解决桥面铺装破损问题，在本发明提出的新型正交异性桥面构造中，主要对纵肋-横隔板连接构造进行了改进，在横隔板母材上设置狭长切口，且采用圆底u型纵肋构造，方便连续施焊，
并在钢面板上铺设了uhpc(超高性能混凝土)刚性结构层。uhpc为高强、高韧性以及高弹模的绿色建造材料，其力学指标受温度影响较小。具体要点如下：
39.(1)闭口截面纵肋与开口截面纵肋相比，具有焊接工作量小，抗弯、抗扭刚度大，稳定性好等优点。本发明采用的圆底u型纵肋上开口宽300mm，高度为300mm，厚度为8mm，u型纵肋横桥向中心间距为600mm。圆底u型纵肋采用热轧成型，内侧半径r1＝92mm，外侧半径r2＝100mm，以避免冷弯塑性变形对韧性产生过大影响。
40.(2)为消除图10中传统结构纵肋-横隔板接头处的围焊构造细节，本发明在纵肋-横隔板连接处采用连续施焊不息弧方式，焊缝不间断，如图1所示。在制造加工过程中，应保证横隔板开孔与纵肋形状相匹配，控制二者组装顶紧误差在2mm以内，以降低疲劳开裂的风险。横隔板的厚度为12mm，纵桥向间距为3.0m。
41.(3)纵肋-横隔板连接部位是控制正交异性桥面疲劳性能的关键构造细节，轮载作用下的应力传递复杂，如构造设计不当极易产生疲劳开裂。为减小轮载作用下该连接部位横隔板的面外变形，释放横隔板对纵肋挠曲的约束，降低纵肋-横隔板接头的应力水平，本发明在横隔板母材上设置狭长切口的构造形式，如图1所示。狭长切口上端的半个圆弧半径为20mm，下端的两个圆弧半径分别为136mm和176mm。狭长切口自由边的直线和圆弧均采用相切连接，纵肋底部至狭长切口的距离为20mm。狭长切口沿纵肋腹板方向的高度为135mm，狭长切口间隙为40mm。狭长切口的具体位置及形状如图1所示。狭长切口的设计不仅要与纵肋尺寸相匹配，而且纵肋底部至狭长切口的距离和上端圆弧半径不宜过小，以释放横隔板对纵肋的约束作用，同时避免引发高的应力集中。
42.(4)为提高整个桥面结构的刚度，使正交异性钢桥面各个组件能更好地协同承担轮载作用，给桥面铺装创造良好的工作条件，本发明在12mm厚的钢面板上铺设45mm厚uhpc层，二者通过直径13mm、高35mm的抗剪栓钉进行可靠连接。uhpc结构层中的纵、横桥向钢筋网采用直径为10mm的hrb400级带肋钢筋，间距为30mm。横桥向钢筋的顶部与栓钉顶部平齐，施工中如遇钢筋与栓钉位置冲突，可适当调整钢筋位置。另外，采用组合桥面结构后，还可以降低构造细节的应力水平，特别是纵肋-面板构造细节，减小开裂风险。
43.本发明提出的带狭长切口的正交异性钢-uhpc组合桥面结构组装流程如图2所示。该组装流程可最大程度地保证结构的制造质量，缩短工期，具体可分为如下8个步骤：
44.s1.根据钢桥面组件的钢板厚度，对u型纵肋、横隔板下料；
45.s2.u型纵肋热轧成型，横隔板切割供u型纵肋连续通过的开孔；
46.s3.纵肋与面板焊接。因面板与车辆荷载直接接触，该处焊接的质量直接影响纵肋-面板接头构造细节的疲劳性能。在焊接前，应将面板和纵肋进行翻转，即面板置于纵肋下方，以避免仰位焊，保证焊接质量。纵肋-面板接头采用单侧坡口焊，控制纵肋腹板焊接熔透率不低于80％。纵肋-面板的组装还要控制纵肋与面板的装配误差，避免焊接过程中因二者组装间隙过大导致纵肋根部烧穿，进而产生内部焊接缺陷。该组装间隙要求不大于0.5mm，具体如图3所示。当纵肋-面板焊接完成后，角焊缝的贴角尺寸为8mm。另外，横隔板狭长切口的制作加工可在步骤s3同步进行，狭长切口构造如图4所示。狭长切口自由边要求打磨光顺，其边缘光洁度不大于0.025mm，以减小应力集中，降低疲劳开裂风险。
47.s4.纵肋、面板与横隔板的焊接。为保证焊接质量并减少构件的翻转次数，横隔板也采用翻转的方式焊接。在面板、纵肋和横隔板的相交处，将此处的横隔板局部先加工成
10mm
×
10mm的倒角。待各板件就位后，将横隔板与面板、纵肋的焊接采取连续焊过倒角的方式，将此处填实，目的是提高此处的抗疲劳性能。由于纵肋在面板上组装存在误差，且横隔板切割有一定的误差，为确保横隔板与纵肋顺利拼装，在横隔板的u型纵肋槽口预留2mm的工艺间隙，如图5所示。当纵肋-横隔板焊接完成后，角焊缝的贴角尺寸为8mm。
48.s5.钢面板上焊接如图6所示的抗剪栓钉。抗剪栓钉的纵、横桥向间距均为150mm。
49.s6.钢面板上依次铺设纵向钢筋和横向钢筋，即钢筋网，钢筋的纵、横桥向间距均为30mm，如与抗剪栓钉位置冲突，可适当调整钢筋位置，具体如图7所示。
50.s7.浇筑uhpc结构层并蒸汽养护。在不增大桥面系重量的前提下，钢-uhpc组合桥面结构的抗弯惯性矩显著增加，特别是局部抗弯刚度，有利于将集中轮载扩散至更多组件受力。同时，钢-uhpc组合桥面的刚度不随温度变化，可以避免夏季高温对传统铺装刚度降低的影响。因此，采用钢-uhpc组合桥面结构后可以降低轮载作用下钢桥面构造细节的整体应力水平，能有效改善钢桥面疲劳性能与铺装层工作状态。
51.s8.铺筑沥青磨耗层。采用抛丸工艺对uhpc结构层顶面进行处理，然后再在上面铺筑35mm厚的沥青磨耗层，完成新型带狭长切口的正交异性钢-uhpc组合桥面结构的施工。
52.在本实施例中，狭长切口的尺寸如图5所示，纵肋底部至切口边缘的距离为20mm，切口上端圆弧半径为20mm，两种结构形式的其它构造尺寸均保持一致。基于数值仿真平台建立了如图8和图9所示的两种结构的有限元模型，采用规范双轴组疲劳车进行纵桥向移动加载，横桥向包含三种典型加载位置，即正肋式、骑肋式和跨肋式，据此获得了纵肋-横隔板接头在轮载作用下的应力响应曲线和应力云图。
53.在纵肋-横隔板接头局部构造上，由于本实施例在横隔板母材上设置了狭长切口，因而可以降低横隔板对纵肋的约束，减小轮载作用下的二次应力，降低应力集中效应，从而减小构造细节应力幅，改善疲劳性能。
54.从图10和图11构造细节的应力响应曲线可以看出，轮载作用下，纵肋-横隔板接头的纵肋侧(rf-1)应力远高于横隔板侧(rf-2)，为控制疲劳设计的关键构造细节。基于名义应力法对比两种纵肋-横隔板接头构造可知，本实施例纵肋侧的最大名义应力为27.3mpa，而无切口构造纵肋侧的最大应力为39.5mpa，可见本实施例的应力水平下降了44.7％。同时，从最不利荷载工况下的应力云图(图11)可以看出，无切口构造和本实施例的纵肋侧应力峰值分别为52.8mpa和31.5mpa，应力峰值降低了67.6％。根据式(1)的疲劳损伤d的计算公式可知，构造细节的疲劳损伤与应力大小的三次方或五次方成正比，即疲劳寿命与应力大小的三次方或五次方成反比。因此，本实施例有效地降低了构造细节应力响应，可以大幅改善纵肋-横隔板接头的疲劳性能。
[0055][0056]
其中，si和sj分别为构造细节的低应力幅和高应力幅，si低于常幅疲劳极限值但高于截止应力幅，而sj高于常幅疲劳极限值；ni和nj为对应应力幅的加载循环次数；ai和aj分别为低应力幅和高应力幅的疲劳强度常数值。
[0057]
由于切口设置的位置以及尺寸大小对纵肋-横隔板接头处的应力集中效应有显著影响，故在实际的桥梁工程设计中，可先基于本实施例初步拟定尺寸，然后再根据规范进行验算，不断优化狭长切口形状和尺寸，如调整纵肋底部至切口边缘的距离或切口上端圆弧
半径值等，直至纵肋-横隔板接头的疲劳性能满足设计要求。
[0058]
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。