一种正交异性钢桥面板疲劳加固体结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及桥梁结构，具体涉及一种正交异性钢桥面板疲劳加固体结构及其施工方法。

背景技术

正交异性钢桥面板因其高强轻质等特点在现代大跨径桥梁工程中得到了广泛的应用。但由结构受力特性、服役环境、荷载条件、结构体系和构造细节设计及加工制造等多种因素共同决定，正交异性钢桥面板疲劳开裂问题突出，严重影响桥梁结构的安全性、耐久性，疲劳开裂显著降低桥梁结构的服役质量，引发中断交通等多种次生效应，导致了重大的经济损失和恶劣的社会影响，已成为制约钢结构桥梁工程可持续发展的世界性难题。

正交异性钢桥面板中桥梁纵肋-顶板构造细节和桥梁纵肋与横隔板交叉构造细节两类构造细节疲劳开裂数量占比较大，成为了控制正交异性钢桥面板疲劳性能的两类关键疲劳易损细节。其中，桥梁纵肋与顶板连接焊缝处的疲劳裂纹的发生将导致直接承担车轮荷载的面板结构的局部刚度显著降低；且由于其裂纹萌生部位隐蔽、裂纹扩展早期难以检测发现，一旦发现，往往已沿焊缝长度和面板顶板厚度方向均有相当程度的扩展，甚至已裂透面板顶板厚度；因此，桥梁纵肋与顶板连接焊缝处的疲劳开裂往往伴随着铺装层开裂、铺装层车辙、钢箱梁渗水、钢板腐蚀等严重的次生病害；此外，该类疲劳裂纹还存在维修加固困难、加固费用高、需中断交通等问题，往往造成重大的经济损失和不良的社会影响。

目前，对桥梁纵肋-顶板构造细节疲劳裂纹的局部加固方法比较单一，主要为先铣掉原有焊缝再进行补焊的加固方法，该方法存在以下社会与经济性问题：(1)桥梁纵肋-面板连接焊缝的数量较多，局部修补工作量大；(2)主要采用现场焊接，且施工环境差，焊接质量难以得到保障；(3)需要长期中断交通，易造成不良社会影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种正交异性钢桥面板疲劳加固体结构，以实现提高局部刚度，降低应力幅，提高疲劳性能的目的。

为了实现上述目的，本申请采用的技术方案是一种正交异性钢桥面板疲劳加固体结构，包括桥梁纵肋上的混凝土层，该混凝土层包括钢筋组，其中，上述钢筋组包括上下叠放的横向钢筋和纵向钢筋；

上述钢筋组下方设置有焊接在桥梁纵肋上设置的钢顶板上的剪力销件，该剪力销件上开有凹槽，该剪力销件沿横向钢筋方向延伸，该凹槽沿剪力销件的长度方向排列，上述剪力销件沿纵向钢筋延伸方向排列；上述纵向钢筋支撑于剪力销件上，该支撑节点位于相邻的两个凹槽之间的剪力销件部分上。

本发明提出一种基于组合销剪力连接件(本剪力销件)与高性能混凝土结构层的正交异性钢桥面板疲劳加固结构，在全桥钢桥面上焊接上述的剪力销件后，在其上布置钢筋网、浇筑超高性能混凝土结构层，将纯正交异性钢桥面板转化为组合桥面板，以实现提高局部刚度，降低应力幅，达到提高疲劳性能的目的。

本剪力销件的作用在于：(1)提高桥梁纵肋-顶板构造细节处的局部横向刚度；(2)作为剪力连接件保障钢混两个部分的组合效应，协同工作。三类组合销的优点在于：(1)组合销剪力连接件的底部是连续钢板，可以采用机器连续施焊，提升焊接质量的同时还能减少施工时间；(2)组合销剪力连接件的开口形式便于钢筋的穿插，降低施工难度，从而减少施工时间；(3)组合销剪力连接件的静力性能和疲劳性能优越，工作性能可以长期得到保障。

进一步地是，所述剪力销件的为一整条的、无焊缝的长条结构。本剪力销件为一整条结构，即剪力销件上无焊缝，这样可以保证该剪力销件具有较高的稳定性和强度。当然这里在运输时，为了降低成本，剪力销件太长，也可以将该剪力销件做为几段进行运输，装配时进行焊接。

进一步地是，上述凹槽的两侧为圆弧边且该凹槽的两侧为向外凹陷。

进一步地是，相邻的上述凹槽之间为凸出部，该凸出部与纵向钢筋抵接，上述桥梁纵肋与钢顶板的焊接部分、凸出部上下对应。

进一步地是，上述凸出部的顶端向外延伸的部分的端头为圆弧形、钩形、锥形中的任意一种。

进一步地是，上述桥梁纵肋为U型肋板，该U型肋板的两侧顶边与钢顶板焊接，该两侧顶边与相邻凹槽之间凸出部分的中间部分上下对应。

进一步地是，上述混凝土层包含填充在混凝土顶板和钢顶板之间的超高性能混凝土浇筑结构。

本发明还提供了一种正交异性钢桥面板疲劳加固体结构施工方法，包括以下步骤：

(1)准备闭口肋，将闭口肋与钢顶板焊接，该闭口肋的截面为形状为上大下小的等腰梯形；

(2)在钢顶板上表面通过焊接工具连续施焊，将剪力销件焊接于钢顶板上表面，并铺设钢筋组；焊接时，采用机器焊接并同时采用焊接保护气体保护；

(3)在钢顶板上浇筑免蒸养超高性能混凝土，使该免蒸养超高性能混凝土完全没过上述钢筋组。

采用本正交异性钢桥面板疲劳加固体结构施工方法得到的正交异性钢桥面板疲劳加固体结构，在全桥钢桥面上焊接上述的剪力销件后，在其上布置钢筋网、浇筑超高性能混凝土结构层，将纯正交异性钢桥面板转化为组合桥面板，以实现提高局部刚度，降低应力幅，达到提高疲劳性能的目的。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显。或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的正交异性钢桥面板疲劳加固体结构的示意图；

图2为本发明的正交异性钢桥面板疲劳加固体结构的示意图；

图3为本发明的正交异性钢桥面板疲劳加固体结构的局部示意图

图中标记：

1-横向钢筋；

2-纵向钢筋；

3-剪力销件；

310-凹槽；

320-凸出部。

4-钢顶板；

5-桥梁纵肋。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：

本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一分部的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”以及它的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

如图1、2和3，一种正交异性钢桥面板疲劳加固体结构，包括桥梁纵肋5上的混凝土层，该混凝土层包括钢筋组，其中，上述钢筋组包括上下叠放的横向钢筋1和纵向钢筋2；

上述钢筋组下方设置有焊接在桥梁纵肋5上设置的钢顶板4上的剪力销件3，该剪力销件3上开有凹槽310，该剪力销件3沿横向钢筋1方向延伸，即该剪力销件3的长度方向与横向钢筋1的长度方向相同，该凹槽310沿剪力销件3的长度方向排列，上述剪力销件3沿纵向钢筋2延伸方向排列；上述纵向钢筋2支撑于剪力销件3上，该支撑节点位于相邻的两个凹槽310之间的剪力销件3部分上。

本发明提出一种基于组合销剪力连接件与高性能混凝土结构层的正交异性钢桥面板疲劳加固结构，在全桥钢桥面上焊接上述的剪力销件3后，在其上布置钢筋网、浇筑超高性能混凝土结构层，将纯正交异性钢桥面板转化为组合桥面板，以实现提高局部刚度，降低应力幅，提高疲劳性能的目的。

本剪力销件3的作用在于：(1)提高桥梁纵肋5-顶板构造细节处的局部横向刚度；(2)作为剪力连接件保障钢混两个部分的组合效应，协同工作。三类组合销的优点在于：(1)组合销剪力连接件的底部是连续钢板，可以采用机器连续施焊，提升焊接质量的同时还能减少施工时间；(2)组合销剪力连接件的开口形式便于钢筋的穿插，降低施工难度，从而减少施工时间；(3)组合销剪力连接件的静力性能和疲劳性能优越，工作性能可以长期得到保障。

上述凹槽310的两侧为圆弧边且该凹槽310的两侧为向外凹陷。采用这样的弧形边，具有较好的受力性能和疲劳性能，可以经过参数优化，使受力性能和疲劳性能更好。

相邻的上述凹槽310之间为凸出部320，该凸出部320与纵向钢筋2抵接，上述桥梁纵肋5与钢顶板4的焊接部分、凸出部320上下对应。

上述凸出部320的顶端向外延伸的部分的端头为圆弧形、钩形、锥形中的任意一种。采用这几种结构的剪力销件3，在与超高性能混凝土结合后得到的结构能更加稳固。

上述桥梁纵肋5为U型肋板，该U型肋板的两侧顶边与钢顶板4焊接，该两侧顶边与相邻凹槽310之间凸出部320分的中间部分上下对应。因桥梁纵肋5与钢顶板4的焊接，当采用上述的结构时，桥梁纵肋5与钢顶板4的焊接部分、凸出部320上下对应，剪力销件3的上凹槽310之间的凸出部320分与桥梁纵肋5与钢顶板4的焊接部分上下对应，增大局部刚度，这样使本结构具有更好的强度与稳定性。

参照图2，相邻凹槽310之间凸出部分为凸出部320，上述U型肋板的两侧顶边之间的距离a与相邻的两个凸出部320的中心位置之间的距离b相等。这样设置，可以使本U型肋板与钢顶板4、剪力销件3受力更优化。

上述混凝土层包含填充在混凝土顶板和钢顶板4之间的超高性能混凝土浇筑结构。

本专利采用免蒸养超高性能混凝土作为结构层，使得桥面系在自重没有明显增加的前提下，进一步提高其横向刚度。由于超高性能混凝土材料本身的优良抗压、抗弯拉性能，其能以较薄的厚度便能对面板-桥梁纵肋5焊缝构造细节产生较大的改善效果。组合销剪力连接件的使得钢桥面和超高性能混凝土结构层共同承受轮载作用，从而进一步降低了面板-桥梁纵肋5焊缝疲劳细节的应力水平，进而大幅延长钢桥面的疲劳寿命。采用免蒸养超高性能混凝土可以大幅降低施工难度，提升施工效率。

本发明还提供了一种正交异性钢桥面板疲劳加固体结构施工方法，包括以下步骤：

(1)准备闭口肋，将闭口肋与钢顶板4焊接，该闭口肋的截面为形状为上大下小的等腰梯形；

(2)在钢顶板4上表面通过焊接工具连续施焊，将剪力销件3焊接于钢顶板4上表面，并铺设钢筋组；焊接时，采用机器焊接并同时采用焊接保护气体保护；

(3)在钢顶板4上浇筑免蒸养超高性能混凝土，使该免蒸养超高性能混凝土完全没过上述钢筋组。

上述的钢板制造可以按照“钢板赶平及预处理→数控精确下料→零件加工→胎型组装→反变形焊接→局部修正”的顺序进行。

制作闭口肋，在工厂采用机器与钢顶板4焊接，闭口肋为尺寸较大的闭口加劲肋，形状为上大下小的等腰梯形。

剪力销件3在工厂进行焊接，采用机器焊接保证焊接质量。安装前应对其平面位置进行准确的测量放样。焊接时采用CO

待桥梁吊装完成后，安装现浇混凝土模板并铺设钢筋。

以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。