一种基于桁式结构形式的装配化UHPC腹板美兰拱构造及其施工方法

技术领域：

本发明涉及桥梁技术领域，是一种基于桁式结构形式的装配化UHPC腹板美兰拱构造及其施工方法

背景技术：

拱桥是一种古老的建筑结构，具有养护费用低、造型美观等优点，在我国应用颇广；目前，世界上最大的石拱桥（丹河大桥，2000年建成，主跨146m)、钢拱桥（重庆朝天门大桥，2009年建成，主跨552)、钢管混凝土拱桥（平南三桥，2020年建成，主跨575m)和美兰拱桥（北盘江特大桥，2016年建成，主跨445m)均在中国；这些拱桥的成功实践，为我国特大跨拱桥的建设积累了宝贵的经验，更使得我国拱桥建设技术处于世界引领地位。

相比其它桥型，采用美兰拱桥跨越山谷往往会节省1/3~1/2的成本，而且美兰拱具有承载能力高、刚度大、耐久性好以及后期维护工作量小等优点，但是目前美兰拱结构仍存在自重过大、施工高空作业多、工期长等问题，制约着美兰拱的应用与发展。

为解决上述问题，有学者提出过采用钢腹杆（板）替代混凝土腹板，但该方法使得拱圈截面刚度较低，且钢构件需长期养护。

发明内容：

本发明的目的在于针对大跨径美兰拱存在的腹杆数量较多、拱圈自重较大和腹板浇筑较为困难的问题，提供了一种结构构造新颖、力学性能良好、施工相对简便的装配化UHPC腹板美兰拱构造及其施工方法。

本发明基于桁式结构形式的装配化UHPC腹板美兰拱构造，其特征在于：包括钢管混凝土弦管、UHPC蝶形腹板、横联钢管和腹板与弦管接头；位于上部的两根平行设置的钢管混凝土弦管之间间隔垂直固定连接有横联钢管，位于下部的两根平行设置的钢管混凝土弦管之间间隔垂直固定连接有横联钢管，在同一立面内位于上部的钢管混凝土弦管与位于下部的钢管混凝土弦管之间通过UHPC蝶形腹板进行连接，所述钢管混凝土弦管与UHPC蝶形腹板之间通过腹板与弦管接头进行连接，所述腹板与弦管接头由焊接在钢管混凝土弦管上的带孔钢板与UHPC蝶形腹板通过螺栓连接形成接头。

进一步的，上述钢管混凝土弦管、横联钢管与腹板与弦管接头的外围包覆有混凝土顶底板，所述混凝土顶底板内设有顶底板箍筋、顶底板纵筋和混凝土，顶底板箍筋从UHPC蝶形腹板预留的腹板预留钢筋孔穿过，以提高UHPC蝶形腹板与混凝土顶底板界面的抗剪性能。

进一步的，上述钢管混凝土弦管由钢管内填混凝土固化形成。

进一步的，上述钢管混凝土弦管上焊接有两块平行间隔设置的带孔钢板，两块平行间隔设置的带孔钢板的间距小于钢管混凝土弦管的直径，两块平行间隔设置的带孔钢板之间插入所述UHPC蝶形腹板，所述带孔钢板上的孔与UHPC蝶形腹板上穿入所述螺栓锁紧固定。

进一步的，上述UHPC蝶形腹板为预制板，UHPC蝶形腹板上、下缘预留多个用于安装高强螺栓的孔和腹板预留钢筋孔。

进一步的，上述UHPC蝶形腹板两侧中部宽度尺寸小于上、下部的宽度尺寸，UHPC蝶形腹板两侧中部设置圆弧过渡段，相邻的两个UHPC蝶形腹板的侧部形成梭形镂空。

进一步的，上述同一立面内位于上部的钢管混凝土弦管与位于下部的钢管混凝土弦管之间还设有临时钢腹杆，该临时钢腹杆与UHPC蝶形腹板在钢管混凝土弦管1的长度方向上错位设置。

本发明基于桁式结构形式的装配化UHPC腹板美兰拱构造的施工方法，其步骤如下：

（1）按设计尺寸及其要求进行吊装装置的搭设，在搭设吊装装置的同时，在预制厂对钢管混凝土弦管、临时钢腹杆和横联钢管进行加工，并将横联钢管、临时钢腹杆和带孔钢板焊接在钢管混凝土弦管上形成劲性骨架节段；

（2）在加工劲性骨架节段的同时，平行进行UHPC蝶形腹板的预制，在吊装工作开始之前，上述工作应完成；

（3）在吊装装置搭设完毕之后，对劲性骨架节段进行吊装并固定到设计位置；

（4）在劲性骨架节段安装完成之后，对UHPC蝶形腹板进行吊装，通过两块带孔钢板之间形成的预留安装口滑入到上、下钢管混凝土弦管间的设计位置，使得UHPC蝶形腹板上的螺栓孔与钢管混凝土弦管上的带孔钢板对接，再用高强螺栓将两者连接起来，各UHPC蝶形腹板不连续布置且UHPC蝶形腹板上、下缘与钢管混凝土弦管之间留有间距；

（5）待一节段的UHPC蝶形腹板2拼装完成之后，即可进行下一个节段的安装工作，重复步骤④工作；

（6）合龙采用瞬时合龙装置，合龙前对主拱圈线形、位置进行全面复核和调整，合龙时须安排操作人员进行双肋同时合龙，待拱肋合龙形成完整的拱圈之后，灌注钢管混凝土弦管内混凝土；

（7）待管内混凝土强度达到一定程度时，拆除扣索和临时钢腹杆，绑扎顶底板的顶底板箍筋、顶底板纵筋并进行模板的安装，最后进行顶底板混凝土的浇筑工作。

与传统美兰拱构造形式相比，此结构构造新颖、力学性能良好、施工相对简便，能够比较好地解决大跨径美兰拱存在的腹杆数量较多和腹板浇筑较为困难的问题，采用UHPC蝶形腹板有效地降低了拱圈自重，在拱圈施工时还能起到支撑作用，在保证美兰拱的承载能力前提下，减少了大量的钢腹杆，缩短了施工周期，提高了大跨径美兰拱桥的经济性，具有非常广泛的应用前景。

附图说明：

图1是装配化UHPC蝶形腹板美兰拱桥总体布置图；

图2是UHPC蝶形腹板装配示意图(即图1的K部视图)；

图3是装配化UHPC腹板美兰拱的构造剖面图(即图2的A-A剖面图)；

图4是本发明的腹板与弦管接头的细部大样图。

图中：1-钢管混凝土弦管，2-UHPC蝶形腹板，3-横联钢管，4-临时钢腹杆，5-混凝土顶底板，6-腹板与弦管接头，7-带孔钢板，8-高强螺栓，9-顶底板箍筋，10-顶底板纵筋，11-腹板预留钢筋孔。

具体实施方式：

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

将UHPC蝶形腹板应用于美兰拱桥中，总体布置如图1所示，一种基于桁式结构形式的装配化UHPC腹板美兰拱构造及其施工方法如图2~3所示，装配化UHPC腹板的美兰拱构造包括钢管混凝土弦管1、UHPC蝶形腹板2、横联钢管3和腹板与弦管接头6，钢管混凝土弦管1由钢管内填混凝土固化形成；位于上部的两根平行设置的钢管混凝土弦管1之间间隔垂直固定连接有横联钢管3，位于下部的两根平行设置的钢管混凝土弦管1之间间隔垂直固定连接有横联钢管3，在同一立面内位于上部的钢管混凝土弦管1与位于下部的钢管混凝土弦管1之间通过UHPC蝶形腹板2进行连接，所述钢管混凝土弦管1与UHPC蝶形腹板2之间通过腹板与弦管接头6进行连接，所述腹板与弦管接头6由焊接在钢管混凝土弦管1上的带孔钢板7与UHPC蝶形腹板2通过螺栓8连接形成接头。

钢管混凝土弦管1、横联钢管3与腹板与弦管接头6的外围包覆有混凝土顶底板5，所述混凝土顶底板5内设有顶底板箍筋9、顶底板纵筋10和混凝土，顶底板箍筋9从UHPC蝶形腹板2预留的腹板预留钢筋孔11穿过，以提高UHPC蝶形腹板2与混凝土顶底板5界面的抗剪性能。

钢管混凝土弦管1上焊接有两块平行间隔设置的带孔钢板7，两块平行间隔设置的带孔钢板7的间距小于钢管混凝土弦管1的直径，两块平行间隔设置的带孔钢板7之间形成预留安装口，该预留安装口插入所述UHPC蝶形腹板2，所述带孔钢板7上的孔与UHPC蝶形腹板2上穿入所述螺栓8锁紧固定；其中UHPC蝶形腹板2为预制板，UHPC蝶形腹板2上、下缘预留多个用于安装高强螺栓8的孔和腹板预留钢筋孔11。

其中UHPC蝶形腹板2两侧中部宽度尺寸小于上、下部的宽度尺寸，UHPC蝶形腹板2两侧中部设置圆弧过渡段（有利于防止应力集中，），相邻的两个UHPC蝶形腹板2的侧部形成梭形镂空；同一立面内位于上部的钢管混凝土弦管1与位于下部的钢管混凝土弦管1之间还设有临时钢腹杆4，该临时钢腹杆4与UHPC蝶形腹板2在钢管混凝土弦管1的长度方向上错位设置。

上述实施例中，钢管混凝土弦管的尺寸和混凝土强度根据实际工程受力情况而定，UHPC蝶形腹板2的UHPC强度和构造尺寸根据实际工程受力情况和拱圈构造而定，临时钢腹杆4数量和布置间距可根据拱圈施工需求而定；顶底板箍筋9的布置形式决定腹板预留钢筋孔11的间距；UHPC蝶形腹板与弦管接头6上的带孔钢板7的尺寸和孔距需根据节点受力情况而定，考虑到腹板安装；螺栓8的尺寸和数量根据节点的受力情况确定。

本发明基于桁式结构形式的装配化UHPC腹板美兰拱构造的施工方法，其步骤如下：

（1）按设计尺寸及其要求进行吊装装置的搭设，在搭设吊装装置的同时，在预制厂对钢管混凝土弦管1、临时钢腹杆4和横联钢管3进行加工，并将横联钢管3、临时钢腹杆4和带孔钢板7焊接在钢管混凝土弦管1上形成劲性骨架节段；

（2）在加工劲性骨架节段的同时，平行进行UHPC蝶形腹板2的预制，在吊装工作开始之前，上述工作应完成；

（3）在吊装装置搭设完毕之后，对劲性骨架节段进行吊装并固定到设计位置；

（4）在劲性骨架节段安装完成之后，对UHPC蝶形腹板2进行吊装，通过两块带孔钢板7之间形成的预留安装口滑入到上、下钢管混凝土弦管1间的设计位置，使得UHPC蝶形腹板2上的螺栓孔与钢管混凝土弦管1上的带孔钢板7对接，再用高强螺栓8将两者连接起来，各UHPC蝶形腹板2不连续布置且UHPC蝶形腹板2上、下缘与钢管混凝土弦管1之间留有间距；

（5）待一节段的UHPC蝶形腹板2拼装完成之后，即可进行下一个节段的安装工作，重复步骤④工作；

（6）合龙采用瞬时合龙装置，合龙前对主拱圈线形、位置进行全面复核和调整，合龙时须安排操作人员进行双肋同时合龙，待拱肋合龙形成完整的拱圈之后，灌注钢管混凝土弦管内混凝土；

（7）待管内混凝土强度达到一定程度时，拆除扣索和临时钢腹杆4，绑扎顶底板5的顶底板箍筋9、顶底板纵筋10并进行模板的安装，最后进行顶底板5混凝土的浇筑工作。

上述的吊装装置为现有设备，其包括扣塔、锚碇、扣索和吊塔等，其具体构造简述如下：

扣挂缆索吊装系统采用斜拉扣挂缆索吊装系统施工，扣挂缆索吊装系统由起吊安装缆索吊机、斜拉扣挂系统和平衡稳定系统三部分组成；起吊安装缆索吊机由主承重索、主索锚碇、吊锚、起吊、牵引、动力机械等部分组成；斜拉扣挂系统由拱圈上锚固点、钢绞线扣索、扣塔前后平衡索、扣索锚梁含扣索张拉端等部分组成；平衡稳定系统由拱圈锚固点、钢丝绳风缆、地锚等部分组成；扣塔采用万能杆件拼装成全焊接门式格构柱，塔脚固结；在交界墩顶搭设扣塔并设置扣索锚梁，分别向沟谷和两岸张拉节段扣索和锚索，配合吊装进度二者同步、均衡进行，张拉过程中始终使锚梁所受水平分力处于平衡状态。

步骤（5）中，拱肋位置（也即不同节段的弦杆位置）可以先使用法兰盘连接定位，而后再进行焊接固定。

本发明基于桁式结构形式的装配化UHPC腹板美兰拱构造及其施工方法，其中装配化UHPC腹板的美兰拱构造主要由钢管混凝土弦管、UHPC蝶形腹板、横联钢管、临时钢腹杆、外包混凝土顶底板和腹板与弦管接头组成，腹板与弦管接头由焊接在弦管上的带孔钢板和UHPC蝶形腹板通过螺栓连接形成接头；所述钢管混凝土弦管由钢管内填混凝土构成，钢管制作时需焊接带孔钢板，钢管尺寸和混凝土强度根据实际工程受力情况而定；所述UHPC蝶形腹板为预制板，腹板上下缘预留一定数量的螺栓孔和钢筋孔，为防止应力集中，腹板两侧中部设置圆弧过渡段，腹板的UHPC强度和构造尺寸根据实际工程受力情况和拱圈构造而定；所述横联钢管用于连接横向弦管，布置形式可根据拱圈施工需求而定；所述临时钢腹杆用于连接上下弦管，每个劲性骨架节段按一定间距布置少量的直腹杆，腹杆数量和布置间距可根据拱圈施工需求而定；所述外包混凝土顶底板的箍筋需从腹板预留的钢筋孔穿过，以提高腹板与混凝土顶底板界面的抗剪性能，顶底板箍筋的布置形式决定腹板预留钢筋孔的间距；所述腹板与弦管接头上的带孔钢板的尺寸和孔距需根据节点受力情况而定。考虑到腹板安装，可在相邻钢腹杆之间取一片带孔钢板留有略大于腹板宽度的安装口；所述腹板与弦管接头上的带孔钢板和UHPC蝶形腹板通过螺栓连接，螺栓一般采用高强螺栓，而螺栓的尺寸和数量根据节点的受力情况确定。本发明结构构造新颖、力学性能良好、施工相对简便，能够比较好地解决传统美兰拱施工时劲性骨架腹杆数量较多和腹板浇筑较为困难的问题，并且将蝶形和UHPC材料结合可以较大程度地降低拱圈自重。因此，在满足美兰拱承载能力要求的同时，可以节省大量钢材、降低结构自重、提高施工效率和结构耐久性，使得大跨径美兰拱桥更加经济性，具有非常广泛的应用前景。

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，本发明不局限于上述的最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出各种腹板形式的美兰拱构造及施工方法。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，均应包含在本发明的保护范围之内。