一种钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁及其施工方法

技术领域

本发明属于桥梁工程技术领域，尤其涉及一种盖梁及其施工方法。

背景技术

桥梁墩台结构是桥梁结构的重要组成部分，而在桥梁墩台结构中，盖梁负责将上部荷载，包括上部结构所承受的恒载、活载等传递至下部结构与基础，起着承上启下的作用。由于盖梁的设计需要考虑桥梁上部结构跨径、桥宽、车辆荷载、桥下交通等因素的影响，因此盖梁的独特性设计与施工对于一座桥梁的建成具有关键意义。

随着中国城市化进程的不断推进，对于城市高架桥下空间的合理利用越来越引起桥梁工程师们的关注，大悬臂盖梁结构能够充分利用城市空间、节约用地，与此同时又能达到美观、视野开阔等目的，能很好地适应城市化进程的需要。

大悬臂盖梁结构的施工方法主要可以分为现场浇筑及预制拼装两种。由于梁体庞大，现场浇筑施工过程中需要在现场完成繁杂的支架和模板搭建、钢筋网绑扎、浇筑及养护、多次预应力张拉等一系列工序，大大降低了施工效率，且浇筑现场长期占据桥下大面积交通空间、造成大量的粉尘与噪音污染。预制拼装是我国建筑业转型升级与战略性产业发展的方向，可实现建筑业整体产业升级，达到减少劳动强度、节能环保、经济耐久的目的。目前，常用的全预制盖梁结构主要包括全预制预应力混凝土盖梁和全预制钢盖梁。对于全预制预应力混凝土盖梁，梁高较高(盖梁高度与其悬臂长度之比通常需大于1/4)，对桥下空间利用率较低，且吊装重量超500吨，通常需分次吊装、现场拼接、分批张拉预应力，施工复杂。对于全预制钢盖梁，具有吊装重量轻、梁高矮等优点，但钢结构造价昂贵，且钢盖梁与混凝土桥墩间过渡的钢混结合段处两种材料刚度相差悬殊、受力复杂，易成为结构体系的薄弱点。

钢-混凝土组合结构是指同一种截面采用不同材料组合，通过合理的力学分配，将钢材与混凝土各自的材料性能优势充分发挥的一种结构形式。对于大悬臂盖梁，上部结构引起的高拉、压应力是其主要的受力特征。420MPa级以上的高强钢能够承受高拉应力，超高性能混凝土(UHPC)具有高抗压强度，且在同等承压条件下，UHPC的造价约为钢造价的40％。因此，将高强钢与UHPC组合，提出一种新型装配式盖梁，能有效减小结构自重、降低梁高、获取良好的经济性，在装配式桥梁快速建造技术及大跨桥梁结构中具有较好的应用前景。

发明内容

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，提供一种重量轻、施工方便、梁高低、力学性能好的钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁及其施工方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁，包括钢梁与UHPC板(实心板)，所述钢梁包括底板和腹板，所述腹板设于所述底板的纵桥向两侧且所述腹板的底部向下延伸设有下延段，所述UHPC板夹设于所述下延段和所述底板围成的空腔中。上述腹板无缝固设于所述底板的纵桥向两侧，以使上述空腔底面与纵桥向两侧为封闭状态以便于后期浇筑UHPC板。

上述钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁中，优选的，所述UHPC板的厚度不超过组合盖梁高度(包括下延段的高度)的1/5。UHPC板厚度的确定需要考虑众多因素，厚度过小可能会使得结构各项指标验算(例如应力验算)不能满足规范要求，厚度过大则会造成造价浪费，增大结构吊装重量，降低该结构的性价比。本发明中采用的UHPC板的厚度较薄，不超过组合盖梁高度的1/5，易将截面的中和轴控制在高于UHPC板的位置，实现UHPC板全截面受压，使UHPC板承受高压应力，充分发挥了超高性能混凝土的抗压性能，同时大大降低了组合盖梁的吊装重量，整体具有成本低、重量轻，性价比高等优势。

上述钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁中，优选的，所述下延段的高度(即竖向的高度)与所述UHPC板的厚度相等。上述设置即保证下延段和底板围成的空腔深度与UHPC板的厚度相等，保证顶部钢梁的梁高等于组合盖梁截面的总梁高。腹板的抗剪承载力与其纵桥向断面面积密切相关，如果不设置下延段，主要承受结构剪力的钢腹板高度减小，盖梁梁高或腹板厚度需要为满足抗剪要求而适当增大，盖梁梁高增大限制了该盖梁结构在城市桥梁中的应用，腹板厚度增加不利于施工焊接，不利于焊接时焊接质量的把控。本发明通过在盖梁中通高设置抗剪钢腹板(即设置下延段)，增大抗剪腹板的高度，可充分利用下延段来减小盖梁的整体高度，减少腹板厚度，利于焊接。若下延段的高度小，难以满足受力需求，腹板厚度需增加，且难以作为模板浇筑UHPC板。若下延段高度增大，虽然相应的钢腹板的厚度可以适当减薄，但这也代表着盖梁总高度也会随之增大，对于桥下空间的利用率便会减小，不利于该结构的推广应用。整体而言，通过控制下延段的高度与UHPC板的厚度相等，为较优选择。

上述钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁中，优选的，所述底板和下延段上设有多个抗剪连接件(如采用圆柱头焊钉)，所述UHPC板通过所述抗剪连接件固设于所述下延段和所述底板围成的空腔中。位于钢梁受压侧的底板与UHPC板顶面通过抗剪连接件连接，这样设置可以大大提高钢梁受压侧的稳定性。本发明中，底板于组合盖梁断面上连通(即底板是将两侧腹板完全连接起来的，中间不断开)，为设置用于连接UHPC板和底板的抗剪连接件提供了足够的空间，使得顶部钢梁和实心UHPC板的连接更充分可靠，更有利于提高钢梁受压侧的稳定性。

上述钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁中，优选的，所述钢梁为变截面结构，沿组合盖梁的悬臂端向中心方向截面逐渐增大后变为等截面；所述钢梁端部的高度为1200-1500mm，中心部位的高度为组合盖梁悬臂长度的1/6-1/4.5。

上述钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁中，优选的，所述UHPC板为变截面结构，沿组合盖梁的悬臂端向中心方向截面逐渐增大后变为等截面；所述UHPC板端部的厚度为150-250mm，中心部位的厚度为400-500mm。

本发明中，由于组合盖梁采用大悬臂结构，当盖梁结构承受上部结构通过支座传递下来的荷载时，从悬臂端至中心部位，结构承受的应力逐渐增大，故本发明的组合盖梁采用悬臂端至中心部位逐渐变高的变截面结构。

上述钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁中，优选的，所述钢梁还包括顶板，所述顶板设于所述腹板顶部，所述顶板上设有多道沿横桥向布置的横桥向加劲肋，所述腹板上间隔布置有多块呈竖向布置的竖向加劲肋，所述顶板、腹板和底板之间间隔布置有多块呈竖向布置的横隔板。

上述钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁中，优选的，所述顶板的厚度为30-70mm，所述腹板的厚度为14-25mm，所述底板的厚度为16-20mm，所述横桥向加劲肋的厚度为20-30mm，所述竖向加劲肋的厚度为20-24mm，所述横隔板的厚度为16-20mm，相邻所述横桥向加劲肋的间距为1000-1300mm，相邻所述竖向加劲肋的间距和相邻所述横隔板的间距均为2000-2400mm；所述钢梁的材质采用Q420及以上强度等级的钢材，可使得组合盖梁梁高更为易控，获得更好的经济性。

上述钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁中，优选的，所述顶板上设有用于承受上部结构荷载的支座。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁的施工方法，包括以下步骤：

S1：预拼装成型所述钢梁，成型所述钢梁时在所述下延段和底板上固设抗剪连接件；

S2：控制所述下延段和所述底板围成的空腔开口向上，在空腔中浇筑UHPC，养护得到UHPC板，即预制得到钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁。

上述施工方法中，优选的，所述步骤S2中，浇筑UHPC时同步浇筑墩梁拼接部，浇筑墩梁拼接部前装设模板，并预埋墩柱连接件，浇筑完成后拆除模板并养护。

上述施工方法中，具体的，预制以及后续的安装施工包括以下步骤：

S1：在工厂完成钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁的预制工作，具体包括以下步骤：

S1.1：根据设计要求，在腹板及底板上焊接抗剪连接件；

S1.2：在工厂焊接顶板、腹板、底板、横桥向加劲肋、竖向加劲肋和横隔板，拼装形成钢梁；

S1.3：将钢梁翻转，腹板和底板形成的空腔槽口朝上，按照设计要求绑扎钢筋，并在空腔槽口上方搭建模板(用于同步浇筑成型墩梁拼接部)，且注意预埋墩柱连接件，接着进行超高性能混凝土的浇筑，并进行蒸汽养护；

S1.4：在超高性能混凝土强度达到设计要求后，拆除模板，妥善进行存放，即完成钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁预制单元的制作；

S2：将S1预制得到的组合盖梁单元运送至施工现场，并进行吊装安装，形成墩柱连接；

S3：按照设计要求进行结构的养护后，于钢梁顶板安装支座，即完成了预制以及施工。

上述施工方法中，优选的，用于浇筑UHPC板的超高性能混凝土钢纤维掺量可为1.5％，减少钢纤维掺量可提高经济效益。优选地，选用抗压强度不低于140MPa的超高性能混凝土并添加微膨胀剂以控制收缩，在保证UHPC板抗压性能要求的同时，保证组合截面连接紧密。

本发明采用高强钢和超高性能混凝土的组合结构，充分利用高强钢材优异的抗拉强度和超高性能混凝土优异的抗压强度，二者组合得到一种高强钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁结构。本发明通过设置下延段，增大抗剪腹板的高度，可充分利用下延段来减小组合盖梁的整体高度，并控制腹板厚度，且下延段还可作为UHPC板浇筑时模板的作用。本发明的钢梁-超高性能混凝土组合盖梁的底板是将两侧腹板完全连接起来，为设置用于连接UHPC板和底板的抗剪连接件提供了足够的空间，使得钢梁和UHPC板连接更为充分可靠。且与受压底板连接充分可靠的UHPC板又充分保证了钢梁受压侧的稳定性，使得钢梁能够更好地发挥其受拉性能。本发明将超高性能混凝土浇筑的UHPC板完全控制于组合截面的受压区，全面发挥了超高性能混凝土的抗压性能，同时大大降低了组合盖梁的吊装重量，使得组合盖梁达到轻质高强、梁高易控、更加适应城市桥梁限高需求的效果。整体而言，本发明的钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁具有吊装重量轻、经济性好、梁高易控、承载能力有保证、刚度满足要求、装配施工快捷可靠等优势。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁，充分利用钢材优异的抗拉性能和超高性能混凝土优异的抗压性能，且超高性能混凝土浇筑的UHPC板又保证了钢梁受压侧的稳定性，使得钢梁更好地发挥其受拉性能，两种材料相辅相成，大大降低了组合盖梁的吊装重量，降低了组合盖梁设计所需梁高，能更好地适应城市桥梁的限高要求，达到轻质高强的设计效果，初步估算用于六车道的大悬臂盖梁吊装重量仅约120吨。

2、本发明的钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁，将UHPC板夹设于下延段和底板围成的空腔中，通过设置下延段可以利于UHPC板与钢梁的可靠连接，且通过设置下延段增大抗剪腹板的高度，可充分利用下延段来减小组合盖梁的整体高度，并控制腹板厚度，利于焊接施工，提高焊接质量。

3、本发明的钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁在浇筑施工时，腹板下延段和底板可起到模板的作用，避免预制施工中搭建复杂的模板，预制快捷高效。

4、本发明的钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁选用了高强钢材，能够承受大悬臂盖梁上缘的高拉应力，还可降低梁高，获取更好的经济性和使用效果。并且由于盖梁位于上部结构下方，可避免日晒雨淋，钢材耐久更易得以保证，全寿命养护成本较全混凝土盖梁结构低。

5、本发明的钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁的施工工艺与施工设备均发展成熟，无需新增人员培训、设备更新等花费，施工方法简便。

附图说明

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。

图1为实施例1中钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁的主视结构图。

图2为实施例1中钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁的俯视平面图。

图3为实施例1中钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁的仰视平面图。

图4为图1中A-A剖视图。

图5为图1中B-B剖视图。

图6为图1中C-C剖视图。

图例说明：

1、钢梁；11、顶板；12、横桥向加劲肋；13、竖向加劲肋；14、横隔板；15、腹板；151、下延段；16、底板；2、UHPC板；3、墩梁拼接部；31、墩柱连接件；4、支座；5、抗剪连接件。

具体实施方式

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。

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。

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。

实施例：

如图1-图6所示，本实施例的钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁，包括钢梁1与UHPC板2，钢梁1包括底板16和腹板15，腹板15设于底板16的纵桥向两侧且腹板15的底部向下延伸设有下延段151，UHPC板2夹设于下延段151和底板16围成的空腔中。上述腹板15无缝固设于底板16的纵桥向两侧，以使上述空腔底面与纵桥向两侧为封闭状态以便于后期浇筑UHPC板2，且浇筑得到的UHPC板2为实心板，与钢梁1固接成一整体。

本实施例中，UHPC板2的厚度不超过组合盖梁高度的1/5。

本实施例中，下延段151的高度与UHPC板2的厚度相等。

如图4-图6所示，本实施例中，底板16和下延段151上设有多个抗剪连接件5，UHPC板2通过抗剪连接件5固设于下延段151和底板16围成的空腔中。上述抗剪连接件5可采用圆柱头焊钉。

本实施例中，钢梁1为变截面结构，沿组合盖梁的悬臂端向中心方向截面逐渐增大后变为等截面；钢梁1端部的高度为1200-1500mm(如可为1200mm)，中心部位的高度为组合盖梁悬臂长度的1/6-1/4.5(如可为2200mm)。

本实施例中，UHPC板2为变截面结构，沿组合盖梁的悬臂端向中心方向截面逐渐增大后变为等截面；UHPC板2端部的厚度为150-250mm(如可为150mm)，中心部位的厚度为400-500mm(如可为400mm)。

本实施例中，钢梁1还包括顶板11，顶板11设于腹板15顶部，顶板11上设有多道沿横桥向布置的横桥向加劲肋12，腹板15上间隔布置有多块呈竖向布置的竖向加劲肋13，顶板11、腹板15和底板16之间间隔布置有多块呈竖向布置的横隔板14。

本实施例中，顶板11的厚度为30-70mm(如可为30mm、50mm或40mm)，腹板15的厚度为14-25mm(如可为16mm、18mm或14mm)，底板16的厚度为16-20mm(如可为16mm或20mm)，横桥向加劲肋12的厚度为20-30mm(如可为20mm)，竖向加劲肋13的厚度为20-24mm(如可为20mm)，横隔板14的厚度为16-20mm(如可为16mm)，相邻横桥向加劲肋12的间距为1000-1300mm(如可为1220mm)，相邻竖向加劲肋13的间距和相邻横隔板14的间距均为2000-2400mm(如均可为2315mm)；钢梁1的材质采用Q420及以上强度等级的钢材。

本实施例中，顶板11上设有用于承受上部结构荷载的支座4。

本实施例中，浇筑所用超高性能混凝土钢纤维掺量可为1.5％，选用抗压强度为140MPa的超高性能混凝土并添加膨胀剂以控制收缩，在保证UHPC板2抗压性能要求的同时，保证组合截面连接紧密。

本实施例通过将超高性能混凝土浇筑的UHPC板2完全控制于组合截面的受压区，全面发挥了超高性能混凝土的抗压性能，使得组合盖梁达到轻质高强、梁高易控、更加适应城市桥梁限高需求的效果。

本实施例的上述钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁的预制以及施工方法，包括以下步骤：

S1：在工厂完成钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁的预制工作，具体步骤如下：

S1.1：根据设计要求，在腹板15及底板16焊接抗剪连接件5；

S1.2：在工厂焊接顶板11、横桥向加劲肋12、竖向加劲肋13、横隔板14、腹板15和底板16，拼装形成钢梁1；

S1.3：将钢梁1翻转，腹板15和底板16形成的空腔槽口朝上，按照设计要求绑扎钢筋，并在空腔槽口上方搭建模板以用于浇筑墩梁拼接部3，且注意预埋墩柱连接件31，接着进行超高性能混凝土的浇筑，并进行蒸汽养护；

S1.4：在超高性能混凝土强度达到设计要求后，拆除模板，妥善进行存放，即完成钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁预制单元的制作。

S2：将S1预制得到的组合盖梁单元运送至施工现场，并进行吊装安装，形成墩柱连接；

S3：按照设计要求进行结构的养护后，于顶板11上安装支座4，即完成了钢梁-超高性能混凝土板组合盖梁的预制以及施工安装。