可更换组合桥面板及其施工方法与流程

本发明涉及桥梁施工技术领域，特别是一种可更换组合桥面板及其施工方法。

背景技术：

桥面板及铺装结构是直接提供交通通行的关键受力构件，长期受车辆荷载直接作用和服役环境侵蚀，因此其工作状态直接影响到桥梁运营的安全性和行车舒适性。目前桥梁工程应用的两种常用桥面板型式为：混凝土桥面和钢桥面。混凝土桥面板能够很好地适应沥青混凝土桥面铺装或水泥铺装，行车效果好，但混凝土自重较大，限制了桥梁的跨越能力；钢桥面板刚度大且自重轻，适用于大跨桥梁，但钢桥面板易出现疲劳开裂，且与桥面铺装连接性不好，引发铺装层开裂等问题，影响耐久性。

钢混组合桥面板则是近年来发展起来的桥面板构造型式，通过底部设置钢板上部浇筑混凝土，并通过焊钉或pbl连接件进行钢混连接，形成组合型式桥面板结构。钢混组合桥面板兼顾了混凝土桥面板和正交异性桥面板的优势：(1)钢混组合作用增加了桥面板刚度，充分利用混凝土抗压性能和钢材抗拉性能，提高桥面板整体承载力；(2)相对于混凝土桥面板降低了桥面板的自重，可以实现更大跨度；相对于钢桥面板可以和沥青铺装更好的结合，提高了行车平稳性和桥面板耐久性；(3)钢板作为模板直接提供混凝土的浇注平台，免去模板材料和支撑架设等，实现快速施工，节省工期。因此，钢混组合桥面板受到广泛关注，并逐渐在实际桥梁工程中得到了应用和发展，一些单位也推出了相关设计规范；另外，随着科学技术的发展，我国建筑行业中出现了一种性能更高的施工材料，即为钢纤维混凝土材料。采用钢纤维混凝土的桥面其厚度一般为普通混凝土桥面厚度的50％～60％，不仅可以有效增强混凝土的抗裂性能、耐久性能、抗折性强度，还能增加桥梁本身的刚度，降低自重，改善桥梁的受力状况，提高路面的舒适度。

桥面板在服役期间不可避免会出现开裂和刚度不足等问题，为延长桥梁的使用寿命，通常需更换桥面板，如九江长江大桥、武汉长江三桥、九堡大桥等。但组合桥面板一般都是焊接于钢主梁，存在拆除容易损伤主体结构、施工周期长等缺陷。具体体现在：大量密集布置的剪力钉，会给既有破损组合桥面板的拆除带来很大的麻烦，作业量巨大，造成超出时间耗时、耗钱。剪力连接件将桥面板与钢梁非常牢固地固定在一起，横向切开并移走整块桥面板是不可行的，需要采用手工作业，如用尖锤及割炬等来拆除。如果工程还是一项包括在既有钢梁上更换桥面板的修复项目，还需要采取额外的措施，避免损坏钢梁的上翼缘；对于焊缝连接的桥面板，在更换时也会对既有钢主梁造成一定的损伤。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种可更换组合桥面板及其施工方法，本发明在组合梁桥设计之初考虑钢混组合桥面板的更换问题，以降低组合梁桥的全寿命成本，在保证钢混结合面力学性能满足结构使用要求的前提下，采用高强螺栓连接件替代常用的焊缝连接，实现钢混组合桥面板可更换性，具有降低拆除成本、缩短工期，且不影响主体结构性能的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可更换钢混组合桥面板，包括钢混组合桥面板、高强螺栓和钢主梁，所述钢混组合桥面板上预留有用于容纳所述高强度螺栓的凹槽，所述钢混组合桥面板通过所述高强螺栓与所述钢主梁连接。

作为一种优选的实施方式，所述高强螺栓沿所述钢主梁的长度方向呈u型对称分布于钢主梁的两侧。

作为另一种优选的实施方式，所述钢混组合桥面板的混凝土中掺加有钢纤维形成乱向分布的三维网状结构，且在钢混组合桥面板上还设有桥面铺装层。

本发明还提供一种可更换钢混组合桥面板的施工方法，包括以下步骤：

s10、计算考虑滑移的钢混组合桥面板与钢主梁交界面的剪力分布；

s20、根据剪力分布确定高强螺栓的选型及布置位置；

s30、根据确定出的高强螺栓的型号及布置的位置，通过高强螺栓将钢混组合桥面板连接到钢主梁上。

作为一种优选的实施方式，所述步骤s10具体包括以下步骤：

s11、通过既有试验确定高强螺栓的荷载滑移曲线并进行拟合；

s12、建立钢混组合桥面板、高强螺栓和钢主梁模型；

s13、根据设计荷载，完成计算并提取钢混组合桥面板与钢主梁交界面的滑移和剪力分布。

作为另一种优选的实施方式，所述步骤s12中，在模型的建立过程中，为保证模型的正确性，合理考虑结构的材料非线性和边界模拟条件；所述边界模拟条件包括钢主梁的上翼缘板与钢混组合桥面板接触面之间沿法向和切向两个方向的相互作用，接触面的法向作用采用“硬”接触，即接触面之间可以传递足够大的法向压力而不发生相互侵入，当接触压力为0时接触面之间可以相互分离；接触面的切向作用采用摩擦模型，为避免理想摩擦模型中接触状态不连续造成的收敛困难，采用罚摩擦，摩擦系数为0.2～0.6。

作为另一种优选的实施方式，所述步骤s12中，用三维弹簧分别模拟高强螺栓的水平抗剪、横向抗剪和竖向抗掀起作用，高强螺栓的竖向抗掀起作用由轴向线性弹簧模拟，其刚度k按下式计算，即高强螺栓自身的抗拉刚度:式中，est为高强螺栓栓钉的材料弹性模量，a为高强螺栓栓杆的截面积，h为高强螺栓栓杆的长度。

作为另一种优选的实施方式，所述步骤s20具体如下：

假定钢主梁和钢混组合桥面板交接面上的纵向水平剪力完全由高强螺栓承担，忽略钢主梁与钢混组合桥面板之间的粘结力，梁段高强螺栓布置的数量与交接面的剪力大小及高强度螺栓的抗剪承载力有关，选用常见高强螺栓型号，按照剪力键的设计方法初步设计高强螺栓的布置位置，对该初步设计进行有限元模拟，分析高强螺栓的抗剪是否满足要求，如果不满足要求，改变高强螺栓的间距或者是增大高强螺栓的直径，再次利用有限元软件进行分析计算，反复迭代优化，直至满足剪力分布的要求。

作为另一种优选的实施方式，所述步骤s30具体包括以下步骤：

s31、在桥梁的一端，铺设第1块钢纤维混凝土组合的钢混组合桥面板，利用钢混组合桥面板中预留的凹槽作型板，在钢主梁的上翼缘中钻孔，将钢混组合桥面板栓接就位至贴合状态，再铺设相邻的钢混组合桥面板，对已设在钢混组合桥面板纵向预应力孔道中、并锚固在第1块桥面板上的预应力筋进行后张拉，以连接第2块钢混组合桥面板并施加预应力；

s32、在第2块钢混组合桥面板下面的钢主梁的上翼缘中钻孔，重复步骤s31的施工过程，直到所有的钢混组合桥面板安装完毕；

s33、采用临界滑移连接理论中规定的高强螺栓的标准施拧步骤将所有的螺栓拧紧，并对连接逐一进行检查，当检查完所有的高强螺栓，并纠正了存在的缺陷后，将所述预留凹槽填上不收缩水泥砂浆，再加铺桥面铺装层。

作为另一种优选的实施方式，所述步骤s33中，对连接逐一进行检查以及纠正存在的缺陷具体包括以下步骤：

s331、检查高强螺栓连接面板间是否紧密贴实，对因板厚公差、制造偏差或安装偏差等产生的接触面间隙，应按以下规定处理：a)当间隙不大于1mm时，不作处理；b)当间隙在1-3mm时，将厚板一侧削成1:10缓坡过渡或加填板处理；c)当间隙大于3mm时加填板处理，填板材质及摩擦面与构件作同样级别处理；

s332、用0.3kg-0.5kg的小锤逐颗敲击高强螺栓，检查其紧固程度，防止螺栓漏拧；

s333、高强螺栓连接安装时，穿入方向应一致，连接副终拧后，检查高强螺栓丝扣外露是否为2-3扣，其中允许有10％的高强螺栓丝扣外露1扣或4扣。

本发明的有益效果是：本发明通过前期桥梁检测确定需要更换的桥面板，在工厂预制该桥面板，然后拆除连接件，整体移除桥面板，基本上对主体结构没有任何损伤，换置新桥面板，整个更换周期得到了极大的缩短，且更加安全可靠便利；创新桥面板与钢主梁的连接方式，具有创新理念，并且结合工程实际需要，具有广泛的应用前景和研究价值。

附图说明

图1为本发明实施例中可更换钢混组合桥面板的横截面示意图；

图2为本发明实施例中可更换钢混组合桥面板的正截面示意图；

图3为本发明实施例中高强螺栓的荷载滑移曲线图；

图4为本发明实施例中钢混组合桥面板与钢主梁的交界面的滑移曲线图；

图5为本发明实施例中钢混组合桥面板与钢主梁的交界面的剪力曲线图；

图6为本发明实施例中高强螺栓处的剪应力分布图。

附图标记：

1、钢混组合桥面，2、高强螺栓，3、钢主梁，4、凹槽，5、桥面铺装层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例

如图1和图2所示，一种可更换钢混组合桥面板，包括钢混组合桥面板1、高强螺栓2和钢主梁3，所述钢混组合桥面板1上预留有用于容纳所述高强度螺栓的凹槽4，所述钢混组合桥面板1通过所述高强螺栓2与所述钢主梁3连接。

所述高强螺栓2沿所述钢主梁3的长度方向呈u型对称分布于钢主梁3的两侧。

所述钢混组合桥面板1的混凝土中掺加有钢纤维形成乱向分布的三维网状结构，且在钢混组合桥面板1上还设有桥面铺装层5。

接触关系说明：首先架设钢主梁3，将预制的钢混组合桥面板1铺在钢主梁3上。钢混组合桥面板1上有预留的凹槽4，在预留的凹槽4处，给钢主梁3的上翼缘打孔。然后通过高强螺栓2连接预制的钢混组合桥面板1和钢主梁3，拧紧螺栓。

本实施例在组合梁桥设计之初考虑钢混组合桥面板1的更换问题，以降低组合梁桥的全寿命成本，在保证钢混结合面力学性能满足结构使用要求的前提下，采用高强螺栓2的连接件替代常用的焊缝连接，实现钢混组合桥面板可更换性，具有降低拆除成本、缩短工期，且不影响主体结构性能的优点；在钢混组合桥面板1的混凝土中掺加适量钢纤维可以形成乱向分布的三维网状结构,能有效抑制混凝土干缩,能大幅度提高混凝土抗折疲劳性能,从而有效防止重复荷载作用产生的裂缝,同时钢纤维混凝土桥面铺装层具有优良的抗冲击、抗磨损、抗疲劳等特性,高温抗车辙、低温抗裂的能力。

本实施例还提供一种可更换钢混组合桥面板的施工方法，在实施之初，考虑采用高强螺栓替换栓钉作为钢混组合桥面板与钢主梁的连接件，施工方法具体包括以下步骤：

(1)计算考虑滑移的钢混组合桥面板与钢主梁交接面的剪力分布：

a、通过既有试验确定如图3所示的高强螺栓的荷载滑移曲线并进行拟合。

b、模型建立：

建立钢混组合桥面板、高强螺栓、钢主梁模型，为保证模型的正确性，合理考虑结构的材料非线性和边界条件模拟。

边界条件的考虑：钢主梁上翼缘板与钢混组合桥面板之间的相互作用分别沿法向和切向两个方向来考虑。接触面的法向作用采用“硬”接触，即接触面之间可以传递足够大的法向压力而不发生相互侵入，当接触压力为0时接触面之间可以相互分离。接触面的切向作用采用摩擦模型，为避免理想摩擦模型中接触状态不连续造成的收敛困难，本实施例采用了允许“弹性滑动”的罚摩擦。刚主梁与钢混组合桥面板接触面的摩擦系数取0.2～0.6，本实施例的模型取0.3，桥梁两端简支。

高强螺栓的模拟：在本实施例中，采用高强螺栓将钢混组合桥面板与钢主梁连接在一起。为模拟这种连接，用三维弹簧分别模拟螺栓的水平抗剪、横向抗剪、竖向抗掀起作用。螺栓的竖向抗掀起作用由轴向线性弹簧模拟，其刚度k按下式计算，即高强螺栓自身的抗拉刚度:

高强螺栓的纵向抗剪作用：水平及纵向弹簧设定为非线性弹簧，其荷载-变形曲线采用如图3所示拟合出的螺栓荷载滑移曲线。在分析中极限滑移量取为4mm。滑移模型在超过4mm后设置了下降段，以模拟高强螺栓的破坏。est为高强螺栓栓钉的材料弹性模量；a为高强螺栓栓杆的截面积；h高强螺栓为栓杆的长度。

c、根据设计荷载，完成计算并提取交界面的滑移、剪力分布。钢混组合桥面板与钢主梁的交界面的滑移曲线如图4所示，图4是交界面上，钢主梁和钢混组合桥面板的相对滑移量沿跨度的变化。由图4可知，滑移在梁端达到最大，并且逐渐减小至跨中的零滑移，例如，当高强螺栓间距d＝200mm时，在梁端的滑移为2.5mm，在跨中为0mm。并且，滑移量也会随着高强螺栓间距的增大而增大，例如当螺栓间距由d＝100mm增大到间距d＝200mm时，梁端滑移由1mm增大到2.5mm。

钢混组合桥面板与钢主梁的交界面的剪力曲线如图5所示，高强螺栓处的剪应力分布如图6所示，图6表明高强螺栓承担的剪力大小受高强螺栓布置间距的影响，随着高强螺栓间距的增大，单根高强螺栓承担的剪力增大。在跨中集中荷载作用下跨中的剪力为零，剪力值由跨中向支点方向逐渐增大。

(2)根据剪力分布确定螺栓的选型及布置：

假定钢主梁和钢混组合桥面板交接面上的纵向水平剪力完全由高强螺栓承担，忽略钢主梁与钢混组合桥面板之间的粘结力。梁段高强螺栓布置的数量与交接面的剪力大小及高强螺栓的抗剪承载力有关，选用常见高强螺栓型号，按照传统剪力键的设计方法初步设计高强螺栓的布置。对该初步设计进行有限元模拟，分析高强螺栓的抗剪是否满足要求。如果不满足要求，改变高强螺栓的间距或者是增大高强螺栓的直径，再次利用有限元软件进行分析计算，反复迭代优化，直至满足要求。

(3)根据确定出的高强螺栓的型号及布置的位置，通过高强螺栓将钢混组合桥面板连接到钢主梁上，施工方法：

高强螺栓剪力连接件在预制桥面板安装过程中安装。首先，在桥梁的一端，铺设第1块钢混组合桥面板，利用钢混组合桥面板中预留的凹槽作型板，在钢主梁上翼缘中钻孔，将钢混组合桥面板栓接就位至贴合状态。再铺设相邻的钢混组合桥面板，对已设在钢混组合桥面板纵向预应力孔道中、并锚固在第1块桥面板上的预应力筋进行后张拉，以连接第2块钢混组合桥面板并施加预应力。

然后在第2块钢混组合桥面板下面的钢主梁上翼缘中钻孔，重复这些施工过程，直到所有的钢混组合桥面板安装完毕。最后采用临界滑移连接理论中规定的高强螺栓的标准施拧步骤将所有的高强螺栓拧紧。这种最后拧紧高强螺栓剪力连接件的延迟做法是为了防止连接的部分抗剪能力在抵抗预应力筋张拉力时损失。

采用临界滑移连接理论中规定的高强螺栓标准步骤，对连接逐一进行检查。一旦检查完所有高强螺栓，并纠正了存在的缺陷后，将容纳高强螺栓的凹槽填上不收缩水泥砂浆，再加铺桥面铺装层。

在施工的过程中：

①高强度螺栓连接面板间应紧密贴实，对因板厚公差、制造偏差或安装偏差等产生的接触面间隙，应按以下规定处理：a)当间隙不大于1mm时，可不作处理；b)当间隙在1-3mm时，将厚板一侧削成1:10缓坡过渡；在这种情况下也可以加填板处理；c)当间隙大于3mm时应加填板处理，填板材质及摩擦面与构件作同样级别处理。

②用0.3-0.5kg的小锤逐颗敲击高强螺栓，检查其紧固程度，防止高强螺栓漏拧。

③高强螺栓连接安装时，穿入方向应一致，连接副终拧后，螺栓丝扣外露应为2-3扣，其中允许有10％的螺栓丝扣外露1扣或4扣。

如需更换桥面板，可以用工具拧松高强螺栓，卸下剪力连接件；割断后张预应力筋。然后用吊机或者斗车吊走需要更换的桥面板。移走混凝土碎屑，清理钢梁顶部，安装定位新的预制前面板，安装抗剪螺栓，重复上述组合桥面板安装方法。

既有公路钢桥桥面板与主梁的连接方式基本上是焊接或者用大量密集的栓钉连接。随着桥梁的长期运营或者碰到突发灾害，桥面板发生破损而主梁完好时，为了经济性，只需更换钢桥面板。如果采用焊接或栓钉连接，需要拆除焊缝或者切断栓钉，这会对主体结构造成一定的损伤，并且更换周期长，费用高，阻碍交通的快速恢复。正交异性钢桥面等桥面板通常发生钢桥面板开裂、铺装层损坏等问题，这类病害对桥梁的维修养护造成了极大的负担，并且通常在翻新、维护过程中需要长时间阻碍交通。对于位于交通咽喉的桥梁而言，这无疑会增加物流的时间成本，造成一定的经济损失。不仅如此，还存在反复维修、更换等问题。可更换钢混组合桥面板的应用可以极大的缓解桥面板更换过程中存在的问题，通过前期桥梁检测确定需要更换的钢混组合桥面板，在工厂预制该钢混组合桥面板，然后拆除高强螺栓连接件，整体移除钢混组合桥面板，换置新钢混组合桥面板。整个更换周期得到了极大的缩短，且更加安全可靠便利。本实施例创新桥面板与钢主梁的连接方式，具有创新理念，并且结合工程实际需要，具有广泛的应用前景和研究价值。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。