一种型钢-薄钢板-UHPC组合板及桥面板的制作方法

一种型钢-薄钢板-uhpc组合板及桥面板
技术领域
[0001]
本发明属于桥梁领域，尤其涉及一种组合板及桥面板。


背景技术：

[0002]
大跨径桥梁是反映国家科技水平的标志。钢结构桥梁具有自重轻、跨越能力大、抗震性能好等优点，是大跨径桥梁的首选。钢桥的桥面结构通常采用正交异性钢桥面系，但由于钢桥面是全焊结构，不仅造价高，在重载车作用下，钢桥面系饱受两大病害的困扰：(1)钢桥面板疲劳开裂和局部屈曲，危及桥梁安全；(2)沥青铺装频繁破损，翻修成本巨大。上述病害降低了桥梁营运效率，是钢桥领域公认的世界性难题，我国重载交通量大，上述病害尤为严重。
[0003]
针对上述难题，湖南大学邵旭东教授在前期研究中将具有优异力学性能的超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，uhpc，以下简称uhpc)用于强化钢桥面，于2010年成功研发正交异性钢板-uhpc轻型组合桥面板，该项成果大幅提高了桥面刚度，降低了疲劳开裂和铺装破损风险，该成果已应用于我国100多座实桥，至今无一出现病害，反响良好。但由于该成果未取消正交异性钢桥面板，该桥面结构造价仍然较高，约为4000元/m2，且uhpc层对与u肋连接细节应力降幅很明显，但对于其他细节，降幅程度不够大，故理论上无法彻底消除钢桥面疲劳开裂风险。2015年邵旭东教授又研发了uhpc矮肋板桥面结构，并已应用于实际工程。但实践表明，uhpc矮肋桥面板自重比传统钢桥面重了30％，仍难以适用于大跨径桥梁。在专利cn109338866a和cn109610310a中，邵旭东教授提出了一种新型的型钢-uhpc组合板，但该型钢-uhpc组合板结构仍存在许多可以优化的空间，如自重、接缝连接构造的全截面受拉能力等方面，以使这种结构形式发挥出更大的优势。
[0004]
因此，为了获得一种可代替正交异性板成为大跨径桥梁的“第二种”桥面体系，需开发一种可最大限度发挥该桥面结构自重轻优势的桥面结构，使得该桥面结构具有自重轻、刚度大、造价低、经久耐用等优势，这是工程实践中需要解决的技术难题。


技术实现要素：

[0005]
本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种具有刚度大、经久耐用、自重轻等优势型钢-薄钢板-uhpc组合板及桥面板。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
[0006]
一种型钢-薄钢板-uhpc组合板，包括uhpc板和多根纵桥向间隔布置的型钢，所述uhpc板设于所述型钢上，所述型钢上部、uhpc板底部还设有一钢板，所述钢板的上表面与所述uhpc板固接，所述钢板的下表面与所述型钢连接。
[0007]
上述型钢-薄钢板-uhpc组合板中，钢板与型钢的连接方式不限，如采用点焊、栓接或胶接均可。上述钢板可以充当uhpc板底面纵、横向的钢筋，可以省略uhpc板底部钢筋网的布置，同时还可以充当浇筑预制板及现浇湿接缝的底面模板，钢板的厚度最低可取3mm。
[0008]
上述型钢-薄钢板-uhpc组合板中，优选的，所述钢板的下表面设于所述型钢的上
翼缘板上，且所述钢板在所述上翼缘板处开设有多个第一通孔，且所述第一通孔的横桥向宽度小于所述上翼缘板的横桥向宽度。更优选的，所述第一通孔为圆孔、椭圆孔或方孔，所述圆孔、椭圆孔和方孔的尺寸大于位于所述上翼缘板上的、用于所述型钢与所述uhpc板连接的剪力连接件(如栓钉)的尺寸。上述第一通孔的存在，可以便于上翼缘板上的剪力连接件穿过并与uhpc板固接，第一通孔不能过大，以便于钢板搭在上翼缘板上，第一通孔不能过小，以便于栓钉穿过。
[0009]
上述型钢-薄钢板-uhpc组合板中，优选的，所述钢板的上表面上设有多个用于所述钢板与所述uhpc板连接的剪力连接件(如栓钉)。钢板通常预埋设于uhpc板底部，通过在钢板上设置栓钉，可以便于钢板与uhpc板的固接。
[0010]
上述型钢-薄钢板-uhpc组合板中，优选的，所述钢板全覆盖设于所述uhpc板底部。以往的型钢-uhpc组合板底面有外露的uhpc，需考虑底面钢筋保护层的问题，uhpc板往往需要的厚度更厚。而本发明中钢板全覆盖于uhpc板底部时，无需担心uhpc板底面钢筋的保护层问题，无需设置保护层，uhpc板可以做到更薄，最低可取30mm厚，自重更轻，可与传统正交异性钢桥面体系持平甚至低于传统钢桥面体系。
[0011]
上述型钢-薄钢板-uhpc组合板中，优选的，所述uhpc板中预埋设有单层钢筋网，所述单层钢筋网主要由横向钢筋和纵向钢筋交错铺设而成，所述横向钢筋和纵向钢筋的直径为8-20mm，相邻横向钢筋与横向钢筋之间的间距、相邻纵向钢筋与纵向钢筋之间的间距为30-200mm。由于本发明中钢板可以充当uhpc板底面纵、横向的钢筋，可以省略uhpc板底部钢筋网的布置，只需要采用单层钢筋网即可(传统uhpc板采用上下双层钢筋网)，可以减小钢筋绑扎时间，钢筋的使用量，可以节省施工工序、施工成本。
[0012]
上述型钢-薄钢板-uhpc组合板中，优选的，所述uhpc板厚度为30-120mm(更优选的为35-50mm)。本发明中的uhpc板厚度最低可取30mm，这比传统的uhpc板明显更薄。通过在uhpc板底面设置钢板，本发明中采用的uhpc板允许采用的厚度更薄，整体桥面结构的自重更轻，更加有利于应用于大跨径桥梁。本发明中，以35mm厚的uhpc板为例，uhpc板的厚度可以包括15mm保护层厚度+10mm横向钢筋+10mm纵向钢筋。
[0013]
上述型钢-薄钢板-uhpc组合板中，优选的，所述型钢为h型钢、工字钢、槽钢、角钢、t型钢、球扁钢或u型钢，型钢高度不超过400mm，横向间距为300-1000mm。
[0014]
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种桥面板，主要由多个上述的型钢-薄钢板-uhpc组合板纵桥向连接而成，纵桥向相邻所述型钢-薄钢板-uhpc组合板中的型钢一一对应设置，纵桥向相邻所述型钢-薄钢板-uhpc组合板之间通过横桥向现浇接缝连接，且所述钢板的边缘越过所述uhpc板的纵桥向端部(即uhpc板靠近横桥向现浇接缝的一端)并向所述横桥向现浇接缝内延伸。上述型钢-薄钢板-uhpc组合板由于uhpc板较薄，若按照传统横向接缝设置t型接缝的方式设计，则由于uhpc板下台阶高度较小，在制作、运输及安装过程中容易损坏。本发明在uhpc板底部设有钢板，并使钢板的边缘越过uhpc板的纵桥向端部并向横桥向现浇接缝内延伸，钢板可以充当横向接缝区域uhpc板底面纵、横向的钢筋，同时充当浇筑预制板及现浇接缝的底面模板，加快施工进度。
[0015]
上述桥面板中，优选的，所述型钢的上翼缘板、腹板和下翼缘板的端部均向外延伸设有延伸段；所述上翼缘板端部的延伸段为多根间隔排布的第一长直条，所述第一长直条的端部设有放大部；所述腹板端部的延伸段为外延钢板或至少一根第二长直条，所述外延
钢板上开设有多个第二通孔，所述第二长直条的端部设有放大部；所述下翼缘板端部的延伸段为多根间隔排布的第三长直条，所述第三长直条的端部设有放大部。上述放大部一般为长方形或带过渡边的长方形等，上述第一长直条、第二长直条和第三长直条的端部较较大，以增大与uhpc的接触面积，增大型钢与uhpc接缝的锚固。上述具有放大部的长直条结构简单，长直条的受力性能与钢筋类似，在长直条端部增大可以起到类似锚固组件的效果，有利于增强长直条和uhpc的锚固力，可增加型钢与接缝处uhpc的接触面积，提高二者间的粘结力，从而保证接缝处的力学性能。另外，上翼缘板的外伸段为第一长直条也方便施工，利于后续接缝处的uhpc浇筑密实。下翼缘板的外伸段采用第三长直条也利于后续在接缝中浇筑uhpc，便于浇筑的uhpc流入型钢-uhpc组合板与主梁横隔板上面板之间的缝隙中。此外，uhpc中含有规律分布的钢纤维，在接缝处型钢腹板外伸段的外延钢板上开设第二通孔，可以保证钢纤维的连续性，同时可以利用uhpc和第二通孔形成的卯榫，增强现浇接缝处uhpc的受力性能。
[0016]
上述桥面板中，优选的，纵桥向相邻所述上翼缘板上的第一长直条两两对应设置，纵桥向相邻所述下翼缘板上的第三长直条两两对应设置，且所述第一长直条和第三长直条的端部均越过所述横桥向现浇接缝的横桥向中心线；纵桥向相邻所述腹板上的所述第二长直条两两上下对应设置，且所述第二长直条的端部越过所述横桥向现浇接缝的横桥向中心线。上述相邻上翼缘板上的第一长直条的数量可以设置的相同，使第一长直条两两对应设置，保证第一长直条的放大部相互配合，起到更好的锚固作用。同理，第二、三长直条的设置方式与作用效果与第一长直条类似。第一长直条、第二长直条和第三长直条的端部均越过所述现浇接缝的横桥向中心线，使相邻长直条间的混凝土处于受压状态，改善接缝处uhpc的抗拉能力，保证横向湿接缝的受力性能。
[0017]
上述桥面板中，优选的，至少一根所述第三长直条向上倾斜设置，且倾斜角度θ在10-60
°
之间。进一步优选的，所有的第三长直条向上倾斜设置。研究表明，采用倾斜的长直条，一方面可增加型钢与现浇接缝处uhpc之间的粘结力，使下翼缘板的外伸段可以更好的参与受力，另一方面也可使横向相邻两倾斜的长直条所包裹范围内uhpc处于受压状态，故而可使接缝处的力学性能更优。并且，下翼缘板的外伸段倾斜角θ过小，与水平长直条的构造效果接近，仅通过长直条与横向现浇接缝处uhpc的粘结力来提高横向连接结构的抗拉能力，且不能很好地改善在浇筑接缝处uhpc时浇筑密实的问题；下翼缘板的外伸段倾斜角θ过大时，长直条与横向现浇接缝处uhpc的相互作用大于倾斜角较小情况下的相互作用，也能较好地改善横向现浇接缝处uhpc浇筑密实的问题，但倾斜角过大时，在外界荷载作用下，下翼缘板的外伸段长直条与横向现浇接缝处uhpc间会产生很大的作用力，这样使得长直条起弯处承受很大的作用力，对外伸段长直条受力不利，除此之外，长直条倾斜角过大会使得其在横向连接处的覆盖范围减小，仅能提高部分截面的抗拉性能，所以第三长直条的倾斜角宜在10-60
°
之间。
[0018]
上述桥面板中，优选的，所述横桥向现浇接缝为t型接缝，所述t型接缝的横向上部位于相邻uhpc板之间，所述t型接缝的竖向下部位于相邻型钢之间，所述横向上部的纵桥向两端为平口型或燕尾型。
[0019]
本发明对型钢的端部进行结构优化，使型钢端部具有外延伸段，利用上述型钢得到的型钢-uhpc组合板在利用湿接缝进行连接时，接缝传力更加可靠，抗拉能力强，刚度大，
可以承受拉、压、弯、剪、扭等各种受力工况，接缝可以满足全截面受拉的情况。且宽度可以更窄，自重可与传统正交异性钢桥面体系持平甚至低于传统钢桥面体系，因而能适用于悬索桥等对自重高度敏感的大跨径桥梁。
[0020]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0021]
1、本发明的型钢-薄钢板-uhpc组合板中由于uhpc板底面为一整块钢板，无需担心uhpc板底面钢筋的保护层问题，而以往的型钢-uhpc组合板底面有外露的uhpc，需考虑底面钢筋保护层的问题。因此，本发明的uhpc板可以做到更薄，最低可取30mm厚，从而使得型钢-薄钢板-uhpc组合板体系的自重更轻，可与传统正交异性钢桥面体系持平甚至低于传统钢桥面体系，因而能适用于悬索桥等对自重高度敏感的大跨径桥梁。
[0022]
2、本发明的型钢-薄钢板-uhpc组合板纵、横向抗拉能力更强。由于uhpc板底面为一整块钢板，钢板充当uhpc板底面纵、横向钢筋的作用，距离中性轴较传统铺设纵、横向钢筋更大，故受拉时钢板的参与度更大，可显著提高uhpc板底纵、横向的抗拉能力。
[0023]
3、本发明的型钢-薄钢板-uhpc组合板+混凝土铺装的初始造价不足传统正交异性钢桥面+钢桥面专用铺装造价的一半，同时由于更换铺装的代价不同，本发明的型钢-薄钢板-uhpc组合板体系的全寿命成本更低，不足传统正交异性钢桥面体系的30％。
[0024]
4、传统钢桥面产生病害的主要原因是局部刚度过低。桥面板的局部刚度可以用et3(e为材料弹性模量，t为面板厚度)来表征，35mm厚uhpc板+底面6mm钢板刚度远大于16mm厚钢板刚度，因而本发明的桥面板的铺装等早期病害不易发生。
[0025]
5、本发明中，由于型钢-薄钢板-uhpc组合板在工厂预制，现场只需要对横向湿接缝进行浇筑，现场浇筑量小，操作简单，设备投入小、简单易操作、对劳动力素质和工艺要求较低。
[0026]
6、本发明的型钢-薄钢板-uhpc组合板采用热轧型钢而非焊接钢板作为纵肋，显著降低了疲劳开裂风险，本发明的桥面结构除了栓钉焊接之外，无任何其他焊接(包括接缝)，因而型钢的抗疲劳能力将高于传统焊接钢结构，由此，本发明的型钢-薄钢板-uhpc组合板具有良好的抗疲劳性能。
[0027]
7、钢材只要表面防护得当，本身具有很好的耐久性。水泥基材料的耐久性主要包括抗渗性、抗碳化性、抗冻性等。由于uhpc材料比普通混凝土更为密实，“百毒不侵”，其耐久性通常比普通混凝土高出一个数量级，通常认为uhpc具有超200年的寿命，故本发明的型钢-uhpc组合板具有更高的耐久性。
[0028]
总的来说，本发明的型钢-薄钢板-uhpc组合板+普通铺装组成的桥面板有望在未来成为完全替代传统正交异性钢桥面+钢桥面专用铺装方案，作为第二种桥面方案供大跨径桥梁。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]
图1为实施例中钢板切口为小圆孔的型钢-薄钢板-uhpc组合板的结构示意图(平
面图)。
[0031]
图2为实施例中钢板切口为方孔的型钢-薄钢板-uhpc组合板的结构示意图(平面图)。
[0032]
图3为实施例中钢板切口为大圆孔的型钢-薄钢板-uhpc组合板的结构示意图(平面图)。
[0033]
图4为图1中钢板平面图(钢板切口为小圆孔)。
[0034]
图5为图2中钢板平面图(钢板切口为方孔)。
[0035]
图6为图3中钢板平面图(钢板切口为大圆孔)。
[0036]
图7为图1中a-a截面剖面图。
[0037]
图8为图2中a-a截面剖面图。
[0038]
图9为图1、图2、图3中b-b截面剖面图。
[0039]
图10为图1中c-c截面剖面图。
[0040]
图11为图2中c-c截面剖面图。
[0041]
图12为图1、图2、图3中d-d截面剖面图。
[0042]
图13为实施例中相邻型钢-薄钢板-uhpc组合板之间的横桥向接缝的结构示意图(t型接缝的横向上部为燕尾型，腹板的外伸段为开设多个第二通孔的外延钢板)。
[0043]
图14为实施例中相邻型钢-薄钢板-uhpc组合板之间的横桥向接缝的结构示意图(t型接缝的横向上部为平口型，腹板的外伸段为开设多个第二通孔的外延钢板)。
[0044]
图15为图13、图14中钢结构的结构示意图。
[0045]
图16为图13、图14中型钢的结构示意图。
[0046]
图17为实施例中相邻型钢-薄钢板-uhpc组合板之间的横桥向接缝的结构示意图(t型接缝的横向上部为燕尾型，腹板的外伸段为第二长直条)。
[0047]
图18为实施例中相邻型钢-薄钢板-uhpc组合板之间的横桥向接缝的结构示意图(t型接缝的横向上部为平口型，腹板的外伸段为第二长直条)。
[0048]
图19为图17、图18中钢结构的结构示意图。
[0049]
图20为图17、图18中型钢的结构示意图。
[0050]
图21为实施例中相邻型钢-薄钢板-uhpc组合板之间的横桥向接缝处的结构示意图(t型接缝的横向上部为燕尾型，俯视图，为图27、图28、图29、图30中的e-e剖面图，图中未示出横向钢筋)。
[0051]
图22为实施例中相邻型钢-薄钢板-uhpc组合板之间的横桥向接缝处的结构示意图(t型接缝的横向上部为平口型，俯视图，为图27、图28、图29、图30中的e-e剖面图，图中未示出横向钢筋)。
[0052]
图23为图27、图29中的f-f剖面图(腹板的外伸段为开设多个第二通孔的外延钢板，俯视图)。
[0053]
图24为图28、图30中的f-f剖面图(腹板的外伸段为第二长直条，俯视图)。
[0054]
图25为图27、图29中的g-g剖面图(腹板的外伸段为开设多个第二通孔的外延钢板，俯视图)。
[0055]
图26为图28、图30中的g-g剖面图(腹板的外伸段为第二长直条，俯视图)。
[0056]
图27为图21、图22、图23、图25中的h-h剖面图(俯视图)。
[0057]
图28为图21、图22、图24、图26中的h-h剖面图(俯视图)。
[0058]
图29为图21、图22、图23、图25中的i-i剖面图(俯视图)。
[0059]
图30为图21、图22、图24、图26中的i-i剖面图(俯视图)。
[0060]
图例说明：
[0061]
1、型钢；101、上翼缘板；102、腹板；103、下翼缘板；2、uhpc板；3、第一长直条；4、放大部；5、外延钢板；6、第二长直条；7、第二通孔；8、第三长直条；9、横桥向现浇接缝；10、钢板；11、剪力连接件；12、第一通孔。
具体实施方式
[0062]
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。
[0063]
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
[0064]
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
[0065]
实施例：
[0066]
如图1-图12所示，本实施例的型钢-薄钢板-uhpc组合板，包括uhpc板2和多根纵桥向间隔布置的型钢1，uhpc板2设于型钢1上，型钢1上部、uhpc板2底部还设有一钢板10，钢板10的上表面与uhpc板2固接，钢板10的下表面与型钢1连接(定位连接即可)。
[0067]
如图4、5、6所示，本实施例中，钢板10的下表面设于型钢1的上翼缘板101上，且钢板10在上翼缘板101处开设有多个第一通孔12，且第一通孔12的横桥向宽度小于上翼缘板101的横桥向宽度。
[0068]
本实施例中，第一通孔12为圆孔、椭圆孔或方孔(如图所示的圆孔或长方形孔)，圆孔、椭圆孔和方孔的尺寸大于位于上翼缘板101上的、用于型钢1与uhpc板2连接的剪力连接件11(栓钉)的尺寸。
[0069]
本实施例中，钢板10的上表面上设有多个用于钢板10与uhpc板2连接的剪力连接件11(栓钉)。
[0070]
本实施例中，除开第一通孔12的区域，钢板10全覆盖设于uhpc板2底部。
[0071]
本实施例中，uhpc板2中预埋设有单层钢筋网，单层钢筋网主要由横向钢筋和纵向钢筋交错铺设而成，横向钢筋和纵向钢筋的直径为8-20mm(上述范围均可)，相邻横向钢筋与横向钢筋之间的间距、相邻纵向钢筋与纵向钢筋之间的间距为30-200mm(上述范围均可)。
[0072]
本实施例中，uhpc板2厚度最低可取30mm(30-120mm范围内均可)，这明显低于传统技术中uhpc板2的厚度。
[0073]
如图21-30所示，本实施例的桥面板，主要由多个上述的型钢-薄钢板-uhpc组合板纵桥向连接而成，纵桥向相邻型钢-薄钢板-uhpc组合板中的型钢1一一对应设置，纵桥向相邻型钢-薄钢板-uhpc组合板之间通过横桥向现浇接缝9(t型接缝)连接，且钢板10的边缘越过uhpc板2的纵桥向端部并向横桥向现浇接缝9内延伸。
[0074]
如图13-20所示，本实施例中，型钢1的上翼缘板101、腹板102和下翼缘板103的端部均向外延伸设有延伸段；上翼缘板101端部的延伸段为多根间隔排布的第一长直条3，第一长直条3的端部设有放大部4(如图13-20所示，放大部4的形状为带过渡边的长方形)；腹板102端部的延伸段为外延钢板5(如图13-16所示)或至少一根第二长直条6(如图17-20所示)，外延钢板5上开设有多个第二通孔7，第二长直条6的端部设有放大部4；下翼缘板103端部的延伸段为多根间隔排布的第三长直条8，第三长直条8的端部设有放大部4。
[0075]
本实施例中，上述上翼缘板101、腹板102和下翼缘板103的端部均向外延伸设有延伸段的数量不限，具体可以根据实际施工过程的需要，根据受力性能的需要进行优化选择。
[0076]
如图13-20所示，本实施例中，至少一根第三长直条8向上倾斜设置(本实施例中均倾斜设置)，且倾斜角度θ在10-60
°
之间(上述范围均可)。
[0077]
本实施例中，纵桥向相邻上翼缘板101上的第一长直条3两两对应设置，纵桥向相邻下翼缘板103上的第三长直条8两两对应设置，且第一长直条3和第三长直条8的端部均越过横桥向现浇接缝9的横桥向中心线；纵桥向相邻腹板102上的第二长直条6两两上下对应设置，且第二长直条6的端部越过横桥向现浇接缝9的横桥向中心线。上述第一长直条3两两对应设置、第二长直条6两两对应设置、第三长直条8两两对应设置时，优选使两两对应设置的长直条的放大部4形成类似于扣合的结合，更加有利于力学性能的发挥。