预制吊装鱼腹波形钢腹板体内预应力组合箱梁及其施工方法.pdf

本发明公开了一种预制吊装鱼腹波形钢腹板体内预应力组合箱梁，箱梁的跨中部位采用鱼腹形梁段，鱼腹梁段下翼缘为混凝土翼缘，跨中鱼腹梁段的腹板采用波形钢腹板，支座梁段采用等高的混凝土箱梁，在跨中鱼腹梁段混凝土下翼缘-支座梁段混凝土箱梁腹板中张拉通长的体内预应力束。据此，发明人还建立了相应的施工方法，采用该法施工安全、方便、快捷。总之，本发明大幅提高了梁体的刚度，避免了波形钢腹板组合梁的预应力索的空气暴露，大幅提高了组合梁结构的耐久性与可靠性，清除了波形钢腹板组合梁大范围推广的一大障碍。

1.  一种预制吊装鱼腹波形钢腹板体内预应力组合箱梁，其特征在于：所述箱梁的跨中部位采用鱼腹形梁段，鱼腹梁段下翼缘为混凝土翼缘，跨中鱼腹梁段的腹板采用波形钢腹板，支座梁段采用等高的混凝土箱梁，在跨中鱼腹梁段混凝土下翼缘-支座梁段混凝土箱梁腹板中张拉通长的体内预应力束。

2.  根据权利要求1所述的体内预应力组合箱梁，其特征在于：所述跨中鱼腹梁段的下翼缘曲线采用圆曲线、抛物线或悬链线。

3.  根据权利要求2所述的体内预应力组合箱梁，其特征在于：所述跨中梁高与梁跨径L之比控制在1/13-1/25之间。

4.  根据权利要求1所述的体内预应力组合箱梁，其特征在于：所述组合箱梁支座梁段截面采用等高箱梁截面，等高箱梁截面与鱼腹梁段变高截面的交界处截面与开始设置波形钢腹板的截面距离大于梁跨径的1/20。

5.  根据权利要求1所述的体内预应力组合箱梁，其特征在于：所述跨中波形钢腹板沿梁纵向的布置长度控制在梁跨径的1/2-3/4之间。

6.  根据权利要求1所述的体内预应力组合箱梁，其特征在于：所述支座梁段的等高箱梁高度与跨中鱼腹梁最大高度的比控制在1/2-2/3之间。

7.  权利要求1所述预制吊装鱼腹波形钢腹板体内预应力组合箱梁的施工方法，其特征在于包括以下步骤：
<1>预制波形钢腹板，按鱼腹腹板所需形状预制加工波形钢腹板及其上、下钢翼缘及剪力连接件；
<2>搭设箱梁混凝土模板，绑扎钢筋，并将预制波形钢腹板定位安装在混凝土模板上，在跨中鱼腹梁段混凝土下翼缘-支座梁段混凝土腹板中设置波纹管，波纹管端部设置在梁端腹板与顶板交界区域；
<3>浇筑混凝土，养护混凝土后张拉跨中鱼腹梁段混凝土下翼缘-支座梁段混凝土腹板中的通长预应力筋，形成鱼腹波形钢腹板体内预应力组合箱梁。

8.  根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于：在开始设置波形钢腹板截面附近的腹板有平顺的过渡段，过渡段长度为L/20-L/30之间。

9.  根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于：在支座区域的等高截面与鱼腹梁变高截面的交界处截面设置混凝土横隔板。

10.  根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于：在跨中鱼腹梁段设置混凝土横隔板，在波形钢腹板上焊接剪力钉用以连接；所述横隔板采用混凝土空洞横隔板，所述剪力钉在 波形钢腹板上呈列垂直分布2-3列。

预制吊装鱼腹波形钢腹板体内预应力组合箱梁及其施工方法
技术领域
本发明属于交通运输桥涵工程领域，尤其涉及一种预制吊装鱼腹波形钢腹板体内预应力组合箱梁及其施工方法。
背景技术
与普通混凝土箱梁相比，波形钢腹板组合梁采用了波形钢腹板代替混凝土腹板，可大幅降低自重。但是，波形钢腹板组合梁需预应力以确保跨中的刚度以及防止跨中下翼缘的混凝土板开裂，目前工程上主要采用体外预应力束，可体外预应力束的耐久性低，且容易发生疲劳，经过一定年限(20-30年)的使用后，可能出现腐蚀、断裂，埋下了该种结构的安全隐患，因此，制约了该结构的广泛应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种结构简单、预制吊装工序简便、经济性能好的预制吊装鱼腹波形钢腹板体内预应力组合箱梁及其施工方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：预制吊装鱼腹波形钢腹板体内预应力组合箱梁，箱梁的跨中部位采用鱼腹形梁段，鱼腹梁段下翼缘为混凝土翼缘，跨中鱼腹梁段的腹板采用波形钢腹板，支座梁段采用等高的混凝土箱梁，在跨中鱼腹梁段混凝土下翼缘-支座梁段混凝土箱梁腹板中张拉通长的体内预应力束。
跨中鱼腹梁段的下翼缘曲线采用圆曲线、抛物线或悬链线。
跨中梁高与梁跨径L之比控制在1/13-1/25之间。
组合箱梁支座梁段截面采用等高箱梁截面，等高箱梁截面与鱼腹梁段变高截面的交界处截面与开始设置波形钢腹板的截面距离大于梁跨径的1/20。
跨中波形钢腹板沿梁纵向的布置长度控制在梁跨径的1/2-3/4之间。
支座梁段的等高箱梁高度与跨中鱼腹梁最大高度的比控制在1/2-2/3之间。
上述预制吊装鱼腹波形钢腹板体内预应力组合箱梁的施工方法，包括以下步骤：
<1>预制波形钢腹板，按鱼腹腹板所需形状预制加工波形钢腹板及其上、下钢翼缘及剪力连接件；
<2>搭设箱梁混凝土模板，绑扎钢筋，并将预制波形钢腹板定位安装在混凝土模板上，在跨中鱼腹梁段混凝土下翼缘-支座梁段混凝土腹板中设置波纹管，波纹管端部设置在梁端腹板与顶板交界区域；
<3>浇筑混凝土，养护混凝土后张拉跨中鱼腹梁段混凝土下翼缘-支座梁段混凝土腹板中的通长预应力筋，形成鱼腹波形钢腹板体内预应力组合箱梁。
在开始设置波形钢腹板截面附近的腹板有平顺的过渡段，过渡段长度为L/20-L/30之间。
在支座区域的等高截面与鱼腹梁变高截面的交界处截面设置混凝土横隔板。
在跨中鱼腹梁段设置混凝土横隔板，在波形钢腹板上焊接剪力钉用以连接；横隔板采用混凝土空洞横隔板，剪力钉在波形钢腹板上呈列垂直分布2-3列。
针对波形钢腹板梁体外预应力束耐久性低的技术难题，发明人设计一种预制吊装鱼腹波形钢腹板体内预应力组合箱梁，箱梁的跨中部位采用鱼腹形梁段，鱼腹梁段下翼缘为混凝土翼缘，跨中鱼腹梁段的腹板采用波形钢腹板，支座梁段采用等高的混凝土箱梁，在跨中鱼腹梁段混凝土下翼缘-支座梁段混凝土箱梁腹板中张拉通长的体内预应力束。预应力筋在梁端部的腹板与顶板交界部位锚固，跨中鱼腹梁段腹板采波形钢腹板可以大幅降低桥梁自重，利于预制、吊装，降低了梁体的造价；同时，跨中鱼腹梁段混凝土下翼缘-支座梁段混凝土箱梁腹板中张拉通长的体内预应力束，解决了波形钢腹板组合梁桥体外预应力耐久性低的问题。据此，发明人还建立了相应的施工方法，采用该法施工安全、方便、快捷。总之，本发明大幅提高了梁体的刚度，避免了波形钢腹板组合梁的预应力索的空气暴露，大幅提高了组合梁结构的耐久性与可靠性，清除了波形钢腹板组合梁大范围推广的一大障碍。
附图说明
图1是本发明预制吊装鱼腹波形钢腹板体内预应力组合箱梁的立面布置示意图。
图2是本发明预制吊装鱼腹波形钢腹板体内预应力组合箱梁的立体示意图。
图3是应用1中的公路工程组合梁立面布置图。
图4是图3中的跨中横截面布置图。
图5是图3中的支座等截面横截面布置图。
图6是应用2中的铁路工程组合梁立面布置图。
图7是图6中的跨中横截面布置图。
图8是图6中的支座等截面横截面布置图。
图中：1箱梁上翼缘板，2支座等截面梁段腹板，3波形钢腹板组合梁段的下翼缘板，4支座等截面梁段与组合梁段的过渡段靠近上翼缘混凝土腹板，5支座等截面梁段与组合梁段的过渡段靠近下翼缘混凝土腹板，6靠近支座等高截面的下翼缘板，7跨中鱼腹梁段 下翼缘-支座梁段腹板内的通长预应力束，8跨中波形钢腹板，9波形钢腹板上翼缘钢板，10波形钢腹板下翼缘板，11横隔板，12上翼缘板湿接缝，13横隔板湿接缝，14无砟道板，15高铁铁轨，16支座梁段，17跨中鱼腹梁段，18剪力钉。
具体实施方式
一、预制吊装鱼腹波形钢腹板体内预应力组合箱梁的基本结构(图1至2)
箱梁的跨中部位采用鱼腹形梁段，鱼腹梁段下翼缘为混凝土翼缘，跨中鱼腹梁段的腹板采用波形钢腹板，支座梁段采用等高的混凝土箱梁，在跨中鱼腹梁段混凝土下翼缘-支座梁段混凝土箱梁腹板中张拉通长的体内预应力束。
通过对多种曲线的力学计算，跨中鱼腹梁段的下翼缘曲线采用圆曲线、抛物线或悬链线这3种线型受力最为合理且构型优美。
基于力学计算与统计分析，该跨中梁高与梁跨径之比在跨径较大时可选用较大值，由于跨中鱼腹段采用钢腹板，采用较大的跨中梁高与梁跨径之比并不会显著增加主梁的自重，而跨中部位梁高的增加会大幅提升主梁的刚度，荷载提升效果显著；另外，铁路桥应采用较大的跨中梁高与梁跨径之比，以承受较大的列车荷载，1/13的跨中梁高与梁跨径之比可以满足1万吨重型列车的使用。另根据力学计算，若跨高比小于1/25，则支座梁段截面所需的高度会大于跨中截面高度，梁体已非鱼腹梁形式。故跨中梁高与梁跨径L之比控制在1/13-1/25之间。
组合箱梁支座梁段截面采用等高箱梁截面，等高箱梁截面与鱼腹梁段变高截面的交界处截面与开始设置波形钢腹板的截面距离应大于梁跨径的1/20。因为在支座梁段的等高截面与跨中鱼腹梁变高梁段的交界处截面发生较大的刚度突变时，开始设置波形钢腹板的截面也会发生较大的刚度突变，所以应要控制这两个突变截面之间的距离，以防止两个截面的刚度突变出现叠加而导致结构突变处拉应力过大。通过有限元计算，这两个刚度突变截面间距大于梁跨径的1/20，即可使波形钢腹板与混凝土腹板连接部位的混凝土拉应力符合混凝土抗拉设计值的要求。
根据工程量计算统计可知，跨中波形钢腹板沿梁纵向的布置长度控制在梁跨径的1/2-3/4之间，约可减轻主梁20％-30％的自重，留下的靠近支座的等截面梁段长度(L/8-L/4)刚好可以满足体内预应力在支座梁段腹板内的布置空间的需求。
支座梁段的等高箱梁高度与跨中鱼腹梁最大高度的比控制在1/2-2/3之间。靠近支座区域腹板沿主梁的长度控制根据主梁的设计剪力确定，支座附近的设计剪力应满足：
V≤t_fh_ff_v+0.75A_gf_gtanθ+A_sf_stanθ
式中，V为设计剪力，tf为腹板厚度，hf_为腹板高度，fv为腹板抗剪强度设计值，Ag为钢绞线总面积，fg为钢绞线抗拉强度设计值，θ为钢绞线或钢包混凝土翼缘与水平方向夹角，As为钢包翼缘钢材面积，fs为钢包翼缘钢材抗拉强度设计值。
二、预制吊装鱼腹波形钢腹板体内预应力组合箱梁的施工方法
<1>预制波形钢腹板，按鱼腹腹板所需形状预制加工波形钢腹板及其上、下钢翼缘及剪力连接件；
<2>搭设箱梁混凝土模板，绑扎钢筋，并将预制波形钢腹板定位安装在混凝土模板上，在跨中鱼腹梁段混凝土下翼缘-支座梁段混凝土腹板中设置波纹管，波纹管端部设置在梁端腹板与顶板交界区域；
<3>浇筑混凝土，养护混凝土后张拉跨中鱼腹梁段混凝土下翼缘-支座梁段混凝土腹板中的通长预应力筋，形成鱼腹波形钢腹板体内预应力组合箱梁。
其中，在开始设置波形钢腹板截面附近的腹板应有平顺的过渡段，过渡段长度为L/20-L/30之间。通过有限元计算，布置长度为L/30-L/20的腹板过渡段可将集中拉应力降低到未设过渡段的1/3以下，可满足混凝土抗拉强度设计要求。
在支座区域的等高截面与鱼腹梁变高截面的交界处截面应设置混凝土横隔板，以增大该截面处的抗扭刚度，减小抗扭刚度突变的影响。
在跨中鱼腹梁段若需设置混凝土横隔板，可在波形钢腹板上焊接剪力钉用以连接。横隔板一般采用混凝土空洞横隔板以减轻自重，剪力钉在波形钢腹板上呈列垂直分布2-3列。
三、预制吊装鱼腹波形钢腹板体内预应力组合箱梁的应用
应用例1(图3至5)
某高速公路高架桥设计跨径为40m，工程地点的软泥路段承载力低，故要求上部结构主梁的重量减小20％-30％，同时要求降低造价且主梁可预制吊装，故采用本发明提出的预制吊装鱼腹波形钢腹板体内预应力组合箱梁作为上部结构的方案。
主跨为40m，跨中梁高与跨径之比选为1/14，跨中梁高为2.8m，支座梁高为1.8m，双向6车道，桥梁设计宽度为21.5m。采用4片箱梁。每片箱梁的顶面宽5m，顶板厚度为20cm，腹板厚度为18cm，底板厚度为25cm。跨中鱼腹型下翼缘混凝土板-支座附近混凝土腹板中沿梁设置通长体内预应力钢绞线。梁的立面布置图见图3，跨中横截面布置图见图4，支座等截面段横截面布置图见图5。在鱼腹波形钢腹板体内预应力组合箱梁预制完成后，采用吊机将梁体吊装，并浇筑桥面、横隔板湿接缝，形成桥梁上部结构。
应用例2(图6至8)
某高速铁路箱梁设计跨径为30m，业主单位要求采用箱梁(无砟道板)，箱梁的重量需要减轻30％，禁止使用体外预应力束，主梁需采用预制吊装方式施工，故采用本发明提出的预制吊装鱼腹波形钢腹板体内预应力组合箱梁作为上部结构的方案。
主跨为30m，跨中梁高与跨径之比选为1/13.5，跨中梁高为2.2m，支座梁高为1.5m，设置双铁轨，桥面宽为9m。采用2片箱梁，每片梁顶面宽4.35m，顶板厚度为20cm，腹板厚度为20cm，底板厚度为25cm。梁的立面布置图见图6，跨中横截面布置图见图7，支座等截面段横截面布置图见图8。在鱼腹波形钢腹板体内预应力组合箱梁预制完成后，采用吊机将梁体吊装，并浇筑桥面、横隔板湿接缝，形成桥梁上部结构。
实践表明，本发明与传统混凝土箱梁对比，自重减小了20％-30％，综合造价降低了10％左右，在波形钢腹板组合梁上使用通长的体内预应力束，避免了波形钢腹板体外束的大气暴露，提高了桥梁的耐久性，并可方便地预制与吊装主梁，现场湿作业量小，吊装快速、安全，无扬尘作业，经济与社会效益良好，具有很强的竞争优势。表1列出了本发明波形钢腹板预应力箱与普通混凝土箱梁、普通波形钢腹板梁、钢箱梁的主要技术参数对比。
表1本发明波形钢腹板预应力箱与普通混凝土箱梁、普通波形钢腹板梁、钢箱梁的主要技术参数