一种超高性能钢管混凝土箱形拱肋及其施工方法

技术领域

本发明涉及桥梁设计及施工领域，具体为一种超高性能钢管混凝土箱形拱肋及其施工方法。

背景技术

钢管混凝土结构由于在受压状态下的优越力学性能，显著减少了钢材的消耗，在拱桥中的拱肋结构中得到了大量应用。但是随着拱桥跨度日益突破，钢管混凝土结构截面尺寸增加，材料用量的持续增加造成了结构自重过大、混凝土水化热和开裂问题显著等问题，且钢结构内部加劲肋构造和配筋复杂、建造过程繁琐，不利于拱肋的高效施工。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种超高性能钢管混凝土箱形拱肋及其施工方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种超高性能钢管混凝土箱形拱肋，包括相互拼接的若干个箱型单元，箱型单元包括横隔板、超高性能钢管混凝土标准单元、超高性能钢管混凝土异形节点杆单元，超高性能钢管混凝土标准单元、超高性能钢管混凝土异形节点杆单元内部均填充UPHC和多个PBL加劲肋。

优选的，超高性能钢管混凝土标准单元的截面为矩形。

优选的，超高性能钢管混凝土杆件标准单元内部设有一道第一横向PBL加劲肋和两道第一纵向PBL加劲肋，第一纵向PBL加劲肋等间距布置。

优选的，超高性能钢管混凝土箱型标准单元内部等间距设有四道隔板，隔板将其内部分为5个格式，端部格式设置有一道第二横向PBL加劲肋和两道第二纵向PBL加劲肋；中间格式中设有两道第二纵向PBL加劲肋，第二纵向PBL加劲肋等间距布置。

优选的，超高性能钢管混凝土异形节点杆单元包括L形单元和T形单元，L形单元用以连接任意两个超高性能钢管混凝土标准单元；T形单元用于连接任意三个超高性能钢管混凝土标准单元。

优选的，超高性能钢管混凝土异形节点杆单元内部设有等间距布置的第三加劲肋。

优选的，超高性能钢管混凝土异形节点杆单元的外部钢板的厚度大于超高性能钢管混凝土杆件标准单元的外部钢板的厚度。

优选的，超高性能钢管混凝土标准单元和超高性能钢管混凝土异形节点杆单元中均设有横隔板。

优选的，横隔板上开设有等间距预留孔洞，孔洞形状为矩形或圆形。

一种超高性能钢管混凝土箱形拱肋的施工方法，包括以下步骤：

步骤1、根据桥的实际设计和受力情况，确定超高性能钢管混凝土箱形拱肋箱型单元的数量，在工厂预制箱型单元；

步骤2、施工过程中依照拱肋节段分为边、中拱段两个部分，边拱段采用低位支架拼装的施工方法；中段拱肋采用承力架+整体提升的施工方法，完成低位拼装；

步骤3、施工体系转换，整体提升时，由于拱肋自身受重力影响，拱脚处有较大水平推力。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：结构形式突破传统钢管混凝土拱肋截面类型，提出了内填UHPC并设置PBL连接件的超高性能钢管混凝土箱形拱肋，采用单元化设计，减少了钢管节点的焊缝数量，构造轻便，工厂预制，施工快速，可灵活应用在地形、环境下的大跨径拱桥设计上。

本发明提出了一种超高性能钢管混凝土箱形拱肋及其施工方法。箱形截面的中性轴居中，对于抵抗正负弯矩具有几乎相等的能力，能较好地适应主拱圈各截面的正负弯矩变化的需要，由于是闭合空心截面，抗弯和抗扭刚度大，拱圈的整体性好，应力分布较均匀。钢管混凝土箱形截面相比与钢箱梁截面，由于UHPC的存在，提高了截面的抗压能力，进而减小了截面尺寸，使用钢量进一步降低。

钢管混凝土箱型截面，与传统钢箱截面和钢管混凝土截面相比，具有如下显著优势：其一，优化了连接构造，钢管节点焊缝数量少，抗疲劳性能优良。超高性能钢管混凝土箱形拱肋受力性能好，无须设置板件加劲肋，可极大程度简化连接构造。在桥梁结构体系中能够抵抗拉、压、弯、剪、扭等复杂受力模式，减少钢管节点数量，减少焊接带来的应力重分布，适用于跨径更大、海拔更高的拱桥。其二，减少了截面尺寸，节省用钢量，使结构轻量化。UHPC是一种基于最大密实度理论配制的新型纤维增强水泥基复合材料，其抗压强重比(抗压强度/材料容重)极高，约为普通混凝土的5倍、普通钢材的1.5～2倍，与钢通过界面PBL连接件组成的超高性能钢管混凝土构件，可实现钢和UHPC的协同受力，钢材屈服阶段良好的塑性变形能力，进一步提高了该结构的延性，大幅减小了材料用量和截面尺寸，实现轻量化和经济性的同时具有比传统钢结构更高的承载效率。其三，单元连接方便，具有超高的施工效率。制作成型的标准化单元吊重更轻，采用钢结构焊接的方式进行高效连接，安装速度快、精度高，较传统钢管混凝土桥梁施工过程更为快捷高效。

附图说明

下面结合附图对本发明专利进一步说明。

图1为超高性能钢管混凝土标准单元示意图。

图2为超高性能钢管混凝土箱形拱肋箱形单元示意图。

图3为超高性能钢管混凝土异形节点杆单元示意图。

图4为超高性能钢管混凝土异形节点杆单元与标准单元构件焊接示意图

图5为超高性能钢管混凝土标准单元构件与L形节点单元的焊接示意图。

图6为超高性能钢管混凝土箱形单元构件与T形节点单元的焊接示意图。

图7为两个超高性能钢管混凝土箱形单元构件之间的焊接示意图；

图8为相邻超高性能钢管混凝土箱形拱肋箱形单元的焊接示意图；

图9为超高性能钢管混凝土拱肋示意图。

图中，1、预制钢板；2、填充UHPC；3、第一PBL加劲肋；4、隔板；5、L形节点单元；6、T形节点单元；7、横隔板；8、箱型单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明公开了一种超高性能钢管混凝土箱形拱肋，参照图1、2，包括相互固定的若干个箱型单元8，本实施例中箱型单元8之间采用焊接方式进行连接。箱型单元8包括横隔板7、超高性能钢管混凝土标准单元、超高性能钢管混凝土异形节点杆单元，超高性能钢管混凝土标准单元与超高性能钢管混凝土异形节点杆单元采用焊接方式连接成箱形单元，中间设有横隔板7进行支撑，还可以加固箱型单元8与异性节点杆单元之间的连接稳固性。

超高性能钢管混凝土标准单元、超高性能钢管混凝土异形节点杆单元内部均填充UPHC和设置多个PBL加劲肋。

超高性能钢管混凝土标准单元的截面为矩形。超高性能钢管混凝土标准单元包括预制钢板1、内部填充UPHC、多个PBL加劲肋以及隔板4。超高性能钢管混凝土杆件标准单元内部设有一道第一横向PBL加劲肋和两道第一纵向PBL加劲肋，第一纵向PBL加劲肋等间距布置，多个PBL加劲肋和多个隔板4固定于预制钢板1的内壁上，内部填充的UHPC与预制钢板1通过界面PBL连接件实现协同受力。

本实施例中超高性能钢管混凝土箱型标准单元内部等间距设有四道隔板4，隔板4将其内部分为5个格式，端部格式设置有一道第二横向PBL加劲肋和两道第二纵向PBL加劲肋；中间格式中设有两道第二纵向PBL加劲肋，第二纵向PBL加劲肋等间距布置。

参照图3、4、5、6，超高性能钢管混凝土异形节点杆单元包括L形单元和T形单元，L形单元用以连接任意两个超高性能钢管混凝土标准单元；T形单元用于连接任意三个超高性能钢管混凝土标准单元。

超高性能钢管混凝土异形节点杆单元内部设有等间距布置的第三加劲肋，本实施例中第三PBL加劲肋采取加密布置，各钢板等间距布置2-3道。

超高性能钢管混凝土异形节点杆单元的外部钢板的厚度大于超高性能钢管混凝土杆件标准单元的外部钢板的厚度。

超高性能钢管混凝土标准单元和超高性能钢管混凝土异形节点杆单元中均设有横隔板7。横隔板7上开设有等间距预留孔洞，孔洞形状为矩形或圆形。

本发明还公开了一种超高性能钢管混凝土箱形拱肋的施工方法，参照图7、8、9，包括以下步骤：

步骤1、根据桥的实际设计和受力情况，确定超高性能钢管混凝土箱形拱肋箱型单元8的数量，在工厂预制箱型单元8；

步骤2、施工过程中依照拱肋节段分为边、中拱段两个部分，边拱段采用低位支架拼装的施工方法；中段拱肋采用承力架+整体提升的施工方法，完成低位拼装；

步骤3、施工体系转换，整体提升时，由于拱肋自身受重力影响，拱脚处有较大水平推力。在完成拱肋拼装和水平、竖向张拉预应力后，运用LSD连续同步液压提升技术将整个中拱段由提升装置提升至高度设计值，再采用浮吊拼装焊接合龙段，完成合龙。

本超高性能钢管混凝土箱形拱肋，通过内填UHPC并设置PBL连接件实现钢与UHPC的协同受力，具有超过传统钢和组合结构的承载效率，以及施工、耐久方面的超高性能，适用于大跨径高海拔拱桥。

与传统钢管混凝土拱桥相比，其一，优化了连接构造，钢管节点焊缝数量少，抗疲劳性能优良。超高性能钢管混凝土箱形拱肋受力性能好，无须设置板件加劲肋，可极大程度简化连接构造。在桥梁结构体系中能够抵抗拉、压、弯、剪、扭等复杂受力模式，减少钢管节点数量，减少焊接带来的应力重分布，适用于跨径更大、海拔更高的拱桥。其二，减少了截面尺寸，节省用钢量，使结构轻量化。UHPC是一种基于最大密实度理论配制的新型纤维增强水泥基复合材料，其抗压强重比(抗压强度/材料容重)极高，约为普通混凝土的5倍、普通钢材的1.5～2倍，与钢通过界面PBL连接件组成的超高性能钢管混凝土构件，可实现钢和UHPC的协同受力，钢材屈服阶段良好的塑性变形能力，进一步提高了该结构的延性，大幅减小了材料用量和截面尺寸，实现轻量化和经济性的同时具有比传统钢结构更高的承载效率。其三，单元连接方便，具有超高的施工效率。制作成型的标准化单元吊重更轻，采用钢结构焊接的方式进行高效连接，安装速度快、精度高，较传统钢管混凝土桥梁施工过程更为快捷高效。

上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。