一种NC-UHPC组合装配式混凝土箱梁及其桥梁

一种nc-uhpc组合装配式混凝土箱梁及其桥梁
技术领域
1.本实用新型涉及桥梁领域，具体涉及一种nc-uhpc组合装配式混凝土箱梁。


背景技术：

2.当前我国正在大力推广预制装配式桥梁和组合结构桥梁。相对于现浇混凝土箱梁，预制装配式箱梁和组合结构箱梁具有施工质量和绿色建造效益显著提升、有效降低施工风险和施工对交通及环境的不利影响、提高生产效率等优势。传统装配式预制节段预应力混凝土箱梁施工精度要求高，预制工期相对较长、对存梁和运梁要求高，无论采用架桥机整孔节段拼装或悬臂法节段拼装，对现场施工设备的要求都很高。传统混凝土箱梁采用由于普通混凝土自身抗拉、抗剪强度低，存在腹板易开裂、自重大等缺点。针对该问题，通过使用波型钢腹板混凝土箱梁和钢桁腹混凝土组合梁可解决传统混凝土箱梁的弊端，但同时也存在后期维护工作量大、钢混连接节点应力集中、受力复杂等问题。超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，简称uhpc)，是一种是根据最大堆积密度原理(减小孔隙率和大孔)和低水胶比制备形成的高致密水泥基复合工程材料，具有高强度、高弹模、高耐久性、高韧性、高密实度、低徐变等突出优点。诸多工程实践表明：uhpc能够在保证同等强度和耐久性的条件下能显著减小构件尺寸、减轻结构自重、增大跨越能力。
3.在桥梁工程中，uhpc虽然已经被广泛的应用于组合桥面铺装结构以及旧桥加固等诸多方面，但从当前的使用情况来看，制约uhpc桥梁结构发展的主要因素之一是其高昂的造价和较高的自收缩特性。在桥梁结构工程技术领域中，如果将主体结构材料全部采用uhpc会很不经济，并且由于桥梁结构需要满足强度、刚度、稳定性等多个性能目标，其超高的力学性能也无法被全部利用，使得uhpc材料具有的优点会被闲置浪费。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型的nc-uhpc组合装配式混凝土箱梁，通过将nc-uhpc组合，充分利用nc抗压强度高、价格便宜的优点，充分发挥uhpc高强度、高弹模、高耐久性、高韧性、高密实度、低徐变等突出优点，并且具有结构受力性能优异、重量轻、性价比高、施工吊装重量轻、减少支架施工、施工工期短等优点。
5.本实用新型的nc-uhpc组合装配式混凝土箱梁，包括预制nc顶板(11)、预制nc底板(21)和预制uhpc变截面直腹板(31)，所述预制uhpc变截面直腹板(31)为腹板竖向两端板面面积大于中部板面面积设置；
6.进一步，所述预制uhpc变截面直腹板(31)为竖向两端板面分别向中部逐渐减小呈沙漏形结构；
7.进一步，所述预制uhpc变截面直腹板(31)内预埋有腹板竖向预应力钢筋(35)并沿主拉应力方向设置有斜向预应力钢筋(36)，所述预制nc顶板(11)预埋有顶板接头钢筋(18)，所述预制nc底板(21)预埋有底板接头钢筋(27)，所述腹板竖向预应力钢筋(35)的两端均设置有腹板连接接头(7)，所述顶板接头钢筋(18)和底板接头钢筋(27)分别与腹板竖
向预应力钢筋(35)竖向搭接并通过腹板连接接头(7)横向固定连接；
8.进一步，所述预制uhpc变截面直腹板(31)顶缘和底缘中央设置有腹板预埋开孔钢板(33)，所述腹板预埋开孔钢板(33)上的开孔采用腹板剪力键预埋钢管(34)横穿并焊接牢固，腹板预埋开孔钢板(33)的开孔和腹板预埋钢管(34)的钢管中均贯穿设置有剪力键钢筋(8，9)；
9.进一步，所述预制uhpc变截面直腹板(31)板面相对两侧沿纵桥向的中央设置腹板加强竖肋(32)；
10.进一步，所述预制nc顶板(11)底缘沿纵桥向的中央设置顶板加强横肋(12)，所述预制nc底板(21)顶缘沿纵桥向的中央设置底板加强横肋(22)，所述顶板加强横肋(12)、底板加强横肋(22)、腹板加强竖肋(32)之间对应设置；
11.进一步，所述预制nc顶板(11)之间和预制nc底板(21)之间拼装后现浇uhpc分别形成顶板连接带(6)和底板连接带(5)，所述腹板预埋开孔钢板(33)沿纵桥向的两端均设置拼接板(37)，通过高强度螺栓(38)将拼接板(37)连接成整体并埋置于底板连接带(5)和顶板连接带(6)之间；
12.进一步，所述nc预制顶板(11)和预制nc底板(21)内均设置纵向预应力钢束波纹管道，预应力钢束贯穿纵向预应力钢束波纹管道并通过钢束锚具(14)张拉锚固；
13.进一步，在nc预制顶板(11)的悬臂处设置悬臂顶板加强纵梁(102)，并在悬臂顶板加强纵梁(102)与顶板加强横肋(12)相交位置处设置uhpc预制斜撑杆(10)，所述uhpc预制斜撑杆(10)通过预制斜撑杆uhpc现浇连接接头(101)与顶板加强横肋(12)和预制nc底板(21)连接。
14.本实用新型还公开一种桥梁，具有nc-uhpc组合装配式混凝土箱梁。
15.本实用新型的有益效果是：本实用新型公开的nc-uhpc组合装配式混凝土箱梁，通过将nc-uhpc组合，充分利用nc抗压强度高、价格便宜的优点，充分发挥uhpc高强度、高弹模、高耐久性、高韧性、高密实度、低徐变等突出优点，并且具有结构受力性能优异、重量轻、性价比高、施工吊装重量轻、减少支架施工、施工工期短等优点。
附图说明
16.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述：
17.图1为本实用新型实施例ⅰ和实施例ⅱ的nc-uhpc组合装配式混凝土箱梁的立面布置图；
18.图2为本实用新型实施例ⅰ的nc-uhpc组合装配式混凝土箱梁的横断面布置图；
19.图3为本实用新型实施例ⅱ的nc-uhpc组合装配式混凝土箱梁的横断面布置图；
20.图4为本实用新型实施例ⅰ的nc-uhpc组合装配式混凝土箱梁的三维轴视透视图；
21.图5为本实用新型实施例ⅱ的nc-uhpc组合装配式混凝土箱梁的三维轴视透视图；
22.图6为本实用新型实施例ⅰ和实施例ⅱ的nc-uhpc组合装配式混凝土箱梁的受力机理示意图；
23.图7为本实用新型实施例ⅰ的nc-uhpc组合装配式混凝土箱梁的典型横断面图；
24.图8为本实用新型实施例ⅱ的nc-uhpc组合装配式混凝土箱梁的典型横断面图；
25.图9为图7和图8中a处的局部放大图；
26.图10为图7和图8中b处的局部放大图；
27.图11为本实用新型实施例ⅰ的nc-uhpc组合装配式混凝土箱梁的典型节段三维分解结构示意图；
28.图12为本实用新型实施例ⅱ的nc-uhpc组合装配式混凝土箱梁的典型节段三维分解结构示意图；
29.图13为本实用新型实施例ⅰ和实施例ⅱ的nc-uhpc组合装配式混凝土箱梁的典型节段预制顶板三维结构示意图；
30.图14为本实用新型实施例ⅰ和实施例ⅱ的nc-uhpc组合装配式混凝土箱梁的典型节段预制底板三维结构示意图；
31.图15为本实用新型实施例ⅰ和实施例ⅱ的nc-uhpc组合装配式混凝土箱梁的典型节段预制腹板的立面和横断面布置图。
32.图16为本实用新型实施例ⅰ和实施例ⅱ的nc-uhpc组合装配式混凝土箱梁的典型节段预制腹板的三维分解结构示意图；
33.其中，上述附图包括以下附图标记：1-nc预制顶板板块单元，2-nc预制底板板块单元，3-预制uhpc腹板板块单元，4-墩顶段uhpc预制实心腹板板块单元，5-底板连接带，6-顶板连接带，7-腹板加强竖肋连接接头，8-预制nc顶板与uhpc预制变截面直腹板的剪力键贯穿钢筋，9-预制nc底板与uhpc预制变截面直腹板的剪力键贯穿钢筋，10-uhpc预制斜撑杆，11-预制nc顶板，12-顶板加强横肋，13-顶板纵向预应力钢束，14-纵向预应力钢束锚具，15-顶板剪力键预埋开孔钢板，16-顶板剪力键预埋钢管，17-顶板剪力键预埋贯穿钢筋，18-顶板接头钢筋，19-预制nc顶板纵向钢筋，21-预制nc底板，22-底板加强横肋，23-底板纵向预应力钢束，24-预制nc底板剪力键预埋开孔钢板，25-nc预制底板剪力键预埋钢管，26-nc预制底板剪力键预埋贯穿钢筋，27-nc预制底板与加强竖肋连接接头预埋钢筋接头，28-nc预制底板纵向钢筋，31-预制uhpc变截面直腹板，32-腹板加强竖肋，33-腹板预埋开孔钢板，34-腹板剪力键预埋钢管，35-腹板加强竖肋竖向预应力钢筋，36-斜向预应力钢筋，37-拼接板，38-高强度螺栓，101-预制斜撑杆uhpc现浇连接接头，102-悬臂顶板加强纵梁。
具体实施方式
34.本实施例的nc-uhpc组合装配式混凝土箱梁，包括预制nc顶板11、预制nc底板21和预制uhpc变截面直腹板31，所述预制uhpc变截面直腹板31为腹板竖向两端板面面积大于中部板面面积设置；装配式预应力混凝土箱梁由墩顶节段和常规节段构成，其中墩顶节段由预制nc顶板板块单元1、预制nc底板板块单元2和墩顶段预制uhpc实心变截面直腹板板块单元4构成；常规节段由预制nc顶板板块单元1、预制nc底板板块单元2和预制uhpc变截面直腹板板块单元3构成。预制nc顶板板块单元1由预制nc顶板11构成，预制nc底板板块单元2由预制nc底板21构成，uhpc实心变截面直腹板板块单元4由预制uhpc变截面直腹板31构成，只是墩顶段的预制uhpc变截面直腹板31相较于常规段更厚实。预制uhpc变截面直腹板板块单元3由预制uhpc变截面直腹板31构成。箱梁采用直腹板单箱单室或者单箱多室结构，等梁高，腹板高度保持不变，在所述墩顶节段设置横隔梁，墩顶节段梁底与桥墩采用固结连接或者设置支座。预制nc顶板板块单元1，预制nc底板板块单元2，uhpc预制变截面直腹板板块单元3，墩顶段预制uhpc实心变截面直腹板板块单元(4)均采用工厂标准化预制。预制uhpc变截
面直腹板31的顶缘和底缘与预制nc顶板11和预制nc底板21顺桥向长度相同，在腹板中央处收至最窄，可视为沿腹板高度方向渐变的变截面构件，该箱梁的受力机理类似于双沃伦桁架结构。由于腹板采用uhpc，充分利用其高强度力学性能，使板厚得以减薄，同时通过对腹板进行开孔挖空，显著减轻结构自重，有效缩减下部结构桥墩截面积和基础工程数量。传统的预制箱梁节段体积大、重量重，本实用新型将预制箱梁节段化整为零，拆解为nc顶板、nc底板和uhpc腹板分别、分开预制，省去了预制节段箱梁的内模和支撑系统，实现预制构件的轻量化、小型化，避免超限运输，有效减轻现场吊装重量。主梁采用uhpc预制开孔腹板是在工厂制作的高质量构件，uhpc中使用高强度钢纤维，使其具有高抗拉强度和延性，无需再配置钢筋，因此不会发生盐害和混凝土炭化导致的钢筋腐蚀，具有高耐久性，进一步提高结构的免维护性能。由于预制uhpc变截面直腹板31的特殊结构，因此腹板与腹板之间形成的挖空开孔能提供良好的采光，使得主梁内部空间光线明亮，方便检查、管护。腹板之间形成的挖空开孔可让箱梁内外保证良好的通风效果，有效降低箱梁内外温差产生的温度梯度次应力对箱梁结构的不利影响。
35.本实施例中，所述预制uhpc变截面直腹板31为竖向两端板面分别向中部逐渐减小呈沙漏形结构(参见图15、图16)；腹板与腹板之间形成的挖空开孔能提供良好的采光，使得主梁内部空间光线明亮，方便检查、管护。腹板之间形成的挖空开孔可让箱梁内外保证良好的通风效果，有效降低箱梁内外温差产生的温度梯度次应力对箱梁结构的不利影响。常规梁段的预制uhpc变截面直腹板31使用抗压强度不低于80mpa的高强度纤维增强混凝土，无需在腹板内配置普通钢筋。预制nc顶板11和顶板连接带6组成的箱梁顶板作为桥面荷载的承载结构，与预制nc底板21和底板连接带5共同承受主梁产生的拉力和压力荷载作用，预制uhpc变截面直腹板31可视为沿腹板高度方向渐变的变截面构件，该箱梁的受力机理类似于双沃伦桁架结构(参见图6)。
36.本实施例中，所述预制uhpc变截面直腹板31内预埋有腹板竖向预应力钢筋35并沿主拉应力方向设置有斜向预应力钢筋36，所述预制nc顶板11预埋有顶板接头钢筋18，所述预制nc底板21预埋有底板接头钢筋27，所述腹板竖向预应力钢筋35的两端均设置有腹板连接接头7，所述顶板接头钢筋18和底板接头钢筋27分别与腹板竖向预应力钢筋35竖向搭接并通过腹板连接接头7横向固定连接；通过腹板加强竖肋连接接头7连接形成整体，以保证预制nc顶板11、预制nc底板21和预制uhpc变截面直腹板31的横向抗刚度和箱梁的抗扭刚度。
37.预制uhpc变截面直腹板31沿两侧预制腹板加强竖肋对称布置竖向预应力钢筋35和沿主拉应力方向配置斜向预应力钢筋36；先将张拉的预应力筋临时锚固在台座上，然后浇筑uhpc，待uhpc养护达到不低于设计强度值的90％，保证预应力钢筋与uhpc有足够的粘结时，放松预应力钢筋，借助于uhpc与预应力钢筋的粘结锚固，对沙漏形uhpc预制腹板施加预应力。上述的预应力钢筋的配置数量以恒载作用下不产生拉应力，最不利设计荷载组合作用下不产生裂缝为准。
38.本实施例中，所述预制uhpc变截面直腹板31顶缘和底缘中央设置有腹板预埋开孔钢板33，所述腹板预埋开孔钢板33上的开孔采用腹板剪力键预埋钢管34横穿并焊接牢固，腹板预埋开孔钢板33的开孔和腹板预埋钢管34的钢管中均贯穿设置有剪力键钢筋8，9；常规梁段的预制uhpc变截面直腹板31顶缘和底缘中央设置预制腹板预埋开孔钢板33，预埋于
沙漏形uhpc预制腹板31内的开孔采用腹板剪力键预埋钢管34横穿并焊接牢固，预制腹板预埋开孔钢板33的每个圆孔中央和腹板剪力键预埋钢管34的每根钢管中央均设置nc预制顶板与uhpc沙漏形预制腹板剪力键贯穿钢筋8或nc预制底板与uhpc沙漏形预制腹板的剪力键贯穿钢筋9(参见图9、图10、图13～图16)。
39.本实施例中，所述预制uhpc变截面直腹板31板面相对两侧沿纵桥向的中央设置腹板加强竖肋32；所述预制nc顶板11底缘沿纵桥向的中央设置顶板加强横肋12，所述预制nc底板21顶缘沿纵桥向的中央设置底板加强横肋22，所述顶板加强横肋12、底板加强横肋22、腹板加强竖肋32之间对应设置；(参见图4、图11)，顶板加强横肋12、底板加强横肋22与腹板加强竖肋32的位置相互对齐，厚度相等。
40.本实施例中，所述预制nc顶板11之间和预制nc底板21之间拼装后现浇uhpc分别形成顶板连接带6和底板连接带5，所述腹板预埋开孔钢板33沿纵桥向的两端均设置拼接板37，通过高强度螺栓38将拼接板37连接成整体并埋置于底板连接带5和顶板连接带6之间；各节段之间的预制nc顶板板块单元1采用uhpc现浇顶板连接带6连接；nc预制底板板块单元2采用uhpc现浇底板连接带5连接。顶板连接带6和底板连接带5都是预制nc底板21、预制nc顶板11拼装后的接缝处现浇uhpc形成。
41.本实施例中，所述nc预制顶板11和预制nc底板21内均设置纵向预应力钢束波纹管道，预应力钢束贯穿纵向预应力钢束波纹管道并通过钢束锚具14张拉锚固；参见图8、图9和图10，上述的nc-uhpc组合装配式混凝土箱梁中的预制nc顶板板块单元1和预制nc底板板块单元2内均设置纵向预应力钢束波纹管道，通过纵向预应力钢束连接，并在节段端部设置纵向预应力钢束锚具14进行张拉锚固并提供预压应力，以抵消自重和车辆荷载等对梁体截面产生的拉应力。
42.本实施例中，在nc预制顶板11的悬臂处设置悬臂顶板加强纵梁102，并在悬臂顶板加强纵梁102与顶板加强横肋12相交位置处设置uhpc预制斜撑杆10，所述uhpc预制斜撑杆10通过预制斜撑杆uhpc现浇连接接头101与顶板加强横肋12和预制nc底板21连接；如果需要增加桥面宽度，在不必增加箱室数量或改变箱室宽度的前提下，通过适当增大预制nc顶板11的横桥向悬臂长度，并在nc预制顶板11和预制nc底板21之间设置uhpc预制斜撑杆10，以辅助nc预制顶板悬臂部分的受力。
43.参见图6～图7和图9～图12，上述预埋于nc预制顶板剪力键预埋钢管16、nc预制底板剪力键预埋钢管25和预制腹板剪力键预埋钢管34兼做为剪力键的抗剪销和剪力键的圆形开孔的内模板。
44.上述填充灌注nc预制顶板板块单元1、nc预制顶板板块单元2和uhpc沙漏形预制腹板板块单元3或墩顶段uhpc预制实心腹板板块单元4之间间隙的现浇uhpc采用长度不大于15mm短钢纤维以保证其流动性，通过预埋于nc预制顶板剪力键预埋钢管16、nc预制底板剪力键预埋钢管25灌压进入这些间隙之间，保证缝隙被uhpc灌满填实。
45.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
46.(1)nc预制顶板、nc预制底板、uhpc预制腹板均在工厂提前预制、现场安装，uhpc现浇湿接带凝固时间短，大幅缩短箱梁的架设工期。
47.(2)nc预制顶板、nc预制底板、uhpc预制腹板均可采用定型模板进行标准化预制，桥梁平曲线、竖曲线、预拱和桥面超高横坡渐变等均可以利用各节段之间的uhpc现浇湿接
带来调整适应。
48.(3)缩减下部结构和基础的工程量。由于腹板采用uhpc，充分利用其高强度力学性能，使板厚得以减薄，同时通过对腹板进行开孔挖空，显著减轻结构自重，有效缩减下部结构桥墩截面积和基础工程数量。
49.(4)传统的预制箱梁节段体积大、重量重，本实用新型将预制箱梁节段化整为零，拆解为nc顶板、nc底板和uhpc腹板分别、分开预制，省去了预制节段箱梁的内模和支撑系统，实现预制构件的轻量化、小型化，避免超限运输，有效减轻现场吊装重量。
50.(5)将uhpc材料用于连接节点构件的现浇接头，材料用量少，构造简单，缩短工期，增强连接段强度，克服了预制构件的连接节点受力薄弱的缺点。保证湿接缝连接不再是预制装配结构的薄弱环节。
51.(6)节能减排、低碳环保。由于上、下部结构使用材料数量大幅度减少，与同规模的nc箱梁桥相比，建设期间的co2排放量减少。
52.(7)提高免维护性能。主梁采用uhpc预制开孔腹板是在工厂制作的高质量构件，uhpc中使用高强度钢纤维，使其具有高抗拉强度和延性，无需再配置钢筋，因此不会发生盐害和混凝土炭化导致的钢筋腐蚀，具有高耐久性，进一步提高结构的免维护性能。
53.(8)腹板上的挖空开孔能提供良好的采光，使得主梁内部空间光线明亮，方便检查、管护。
54.(9)腹板上的挖空开孔可让箱梁内外保证良好的通风效果，有效降低箱梁内外温差产生的温度梯度次应力对箱梁结构的不利影响。
55.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。