基於粘結栓釘群的鋼纖維混凝土組合鋼橋面板的製作方法
2023-07-16 01:19:21
本發明屬於橋梁工程技術領域，具體涉及到一種基於粘結栓釘群的鋼纖維混凝土組合鋼橋面板，該方法主要用於提升鋼橋面板疲勞性能、提高鋼橋面板鋪裝層的耐久性、延長鋼橋面板鋪裝層使用壽命。
背景技術：
正交異性鋼橋面板不僅要承受車輪荷載的直接作用，而且可以作為主梁的一部分參與共同受力，是橋梁結構的重要受力組成。正交異性鋼橋面板因其自重輕、承載能力大、施工速度快、結構美觀等優點，廣泛應用於國內外的大、中跨徑橋梁和開啟橋梁中。按照傳結構體系分析法，帶正交異性鋼橋面板的鋼箱梁可分為主梁體系、橋面板體系及蓋板體系。主梁體系指由蓋板和縱肋組成主梁的上翼緣，是主梁的組成部分；橋面體系指蓋板作為縱肋與橫肋的共同上翼緣，三者組成橋面體系支承在主梁上承受橋面車輪荷載；蓋板體系僅將蓋板視作支承在縱肋和橫肋上的各向同性連續板，直接承受車輪局部荷載，並把荷載傳遞給縱橫肋。
正交異性鋼橋面板結構構造複雜，結構構件焊接產生的殘餘應力，結構本身存在的缺陷及施工質量和直接承受車輪荷載的反覆作用等綜合因素的影響，正交異性鋼橋面板易於遭受疲勞損傷，嚴重影響結構耐久性、降低結構的使用壽命、影響結構安全性。同時鋼橋面板的疲勞裂紋檢查和修復不易，並且一旦出現裂紋，修復費用十分昂貴。總之，正交異性鋼橋面板易發生疲勞及有效加固方法研究已是世界各國學者致力於解決的重要工程難題。
本發明針對正交異性鋼橋面板結構疲勞細節數量多、耐久性不足、檢測與加固成本高的工程問題，發明一種新型栓釘連接組件，並引入材料強度高、工作性能好、施工方便的新型橋梁建築材料——超高性能鋼纖維混凝土，從而提出基於粘結栓釘群的鋼纖維混凝土組合鋼橋面板。該發明中提出的採用粘結新型栓釘群連接組件的組合層結構是綜合考慮降低結構自重和提高結構局部剛度的最佳設計方法。該方法避免了傳統焊接連接件引入的疲勞細節、通過組合設計降低了蓋板處的疲勞應力水平、提高了局部剛度、改善了鋪裝層的受力性能。此外，新型栓釘連接組件有助於提高施工速度、保證施工質量。可見，該發明所提出的設計方法是實現正交異性橋面板長壽命設計的有效方法，也是該領域加固方式中最為經濟有效的設計方法之一。
目前在已獲準和已受理的專利以及國內外文獻中還未發現本申請內容所涉及的基於粘結栓釘群的鋼纖維混凝土組合鋼橋面板。本發明針對現有工程問題和技術的不足，通過新型栓釘連接組件將超高性能鋼纖維混凝土作為組合層應用於正交異性鋼橋面板橋梁中。採用試驗測試與分析的手段，驗證本發明所提出基於粘結栓釘群的鋼纖維混凝土組合鋼橋面板的有效性和合理性。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在於克服正交異性鋼橋面板結構中出現的典型病害,提供一種新型栓釘連接組件，通過在橋面板蓋板上粘結新型栓釘連接組件，然後現澆超高性能鋼纖維混凝土，從而實現橋面板蓋板與超高性能鋼纖維混凝土現澆層的理想組合效應的鋼橋面板，可提高結構局部剛度，降低疲勞細節處的應力幅，實現正交異性鋼橋面板的長壽命設計。
解決上述技術問題採用的技術方案是具有以下步驟：
s1、對鋼橋面板蓋板採用高壓氣槍進行清理、噴丸處理；
s2、在鋼橋面板蓋板上粘結栓釘連接組件；
s3、在粘結栓釘群的鋼橋面板蓋板上現澆超高性能鋼纖維混凝土；
上述的栓釘連接組件為在底板上垂直設置有至少一個栓釘連接件，所述的栓釘連接件為：第一加勁板和第二加勁板之間設置有栓釘，第一加勁板和第二加勁板關於栓釘中心對稱，第一加勁板和第二加勁板上加工有通孔；底板是截面形狀為矩形的鋼板，矩形邊長為140～200mm×140～200mm，第一加勁板為直角梯形鋼板，直角梯形的直角邊與栓釘連接，第二加勁板與第一加勁板的結構相同。
本發明的栓釘連接組件為在底板上垂直設置有兩個栓釘連接件，相鄰栓釘連接件之間的距離為150mm～250mm。
本發明的栓釘連接組件為在底板上垂直設置有四個栓釘連接件，四個栓釘連接件的中心線的連線為正方形，相鄰栓釘連接件之間的距離為150mm～250mm。
本發明的栓釘連接組件為在底板上垂直設置有六個栓釘連接件，六個栓釘連接件的中心線的連線為矩形，相鄰栓釘連接件之間的距離為150mm～250mm。
本發明的栓釘連接組件通過環氧樹脂膠粘結在鋼橋面板蓋板上。
本發明的環氧樹脂膠的厚度為2～4mm。
本發明的纖維混凝土鋪裝層，設計抗壓強度為120mpa～150mpa，抗拉彈性極限強度為約6mpa～8mpa，彈性模量為35～45gpa。
本發明在1m3的超高性能鋼纖維混凝土中由下述質量配比的材料製成：
上述質量配比中，水泥是型號為po425水泥；矽灰的顆粒分布範圍為0.1～0.15μm，比表面積為15～27m2/g；標準砂或河砂的最大粒徑均小於0.8mm；鋼纖維是表面鍍銅的鋼纖維，長為13mm、直徑為0.16mm，減水劑的型號為西卡減水劑，包含2種組分，a組分為西卡3301c型高效減水劑，b組分為西卡微珠粉，a組分與b組分配合使用；
上述的超高性能鋼纖維混凝土製備方法為：
1)按配合比稱取各乾粉類材料，依次將水泥、砂、矽灰、減水劑b組分加入強制式攪拌機內，幹拌5分鐘，拌合均勻，製備成乾料。
2)依次將二分之一的減水劑a組分、水加入乾料內進行攪拌，均速攪拌5～8分鐘。
3)將剩餘的二分之一的減水劑a組分與水加入乾料內進行攪拌，均速攪拌5～8分鐘，攪拌均勻。
4)繼續均速攪拌，分3～5次加入鋼纖維，持續攪拌至鋼纖維均勻分布，停止攪拌。
本發明相對於現有技術具有以下有益效果：
(1)採用超高性能鋼纖維混凝土組合層替代傳統混凝土鋪裝層，顯著改善了鋪裝層受力性能、延長了其使用壽命。從強度角度，超高性能鋼纖維混凝土鋪裝層抗壓強度高、且具有抗拉強度，提高了直接承受車輛荷載的橋面系的耐久性和使用壽命；從受力角度，採用新型栓釘連接組件將鋼橋面板與鋪裝層組合起來共同受力，可以滿足正交異性鋼橋面複雜的正、負彎矩區受力要求，同時超高性能鋼纖維混凝土流動性強，施工方便，不需要振搗，養護方便；在耐久性方面，超高性能鋼纖維混凝土鋪裝層結構密實性高，具有更優越的防水、防腐蝕、耐磨耗性能。
(2)根據正交異性鋼橋面板的受力，進行栓釘群連接組件布置。該組合設計方法不僅具有優越的組合效果，保證超高性能鋼纖維混凝土鋪裝層與蓋板的共同受力，而且本發明提出的新型栓釘連接組件組沒有方向性要求、施工方便快捷、成本低、容易控制施工質量。
(3)採用粘貼新型栓釘連接組件實現超高性能鋼纖維混凝土與橋面板蓋板的組合設計，可有效提高正交異性鋼橋面板結構的受力性能。首先，採用超高性能鋼纖維混凝土鋪裝層的組合設計不僅可以降低鋪裝層厚度，而且可以降低橋面板蓋板的厚度，在保證結構受力要求的前提下降低結構自重。其次，採用粘貼栓釘連接組件的組合設計方法避免了傳統焊接連接引入的焊接疲勞細節，保證了結構耐久性。再次，超高性能鋼纖維混凝土組合層與橋面板蓋板共同受力，可有效提高結構剛度、降低疲勞應力幅值尤其是蓋板處、提高結構使用壽命。
附圖說明
圖1是本發明一個實施例的結構示意圖。
圖2是圖1中栓釘連接組件2的結構示意圖。
圖3是栓釘連接組件2-2的結構示意圖。
圖4是實施例4齡期為28天的拉伸荷載‐變形曲線。
圖5是實施例4齡期為28天的拉伸試件斷口的照片。
圖6是栓釘連接組件2有兩個栓釘連接件2-2的結構示意圖。
圖7是栓釘連接組件2有四個栓釘連接件2-2的結構示意圖。
圖中：1、鋼橋面板蓋板；2、栓釘連接組件；3、纖維混凝土澆築層；2-1、底板；2-1、栓釘連接件；2-1-1、栓釘；2-2-2、第一加勁板；2-2-3、第二加勁板。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細說明，但本發明不限於這些實施例。
實施例1
在圖1、2、3中，本發明基於粘結栓釘群的鋼纖維混凝土組合鋼橋面板,具有以下步驟：
s1、對鋼橋面板蓋板1採用高壓氣槍進行清理、噴丸處理；
s2、在鋼橋面板蓋板1上粘結栓釘連接組件2；本實施例採用環氧樹脂膠將栓釘連接組件2粘貼在鋼橋面板蓋板1上，所述的環氧樹脂膠的厚度為2～4mm。進一步地，本實施例採用西卡30進行栓釘連接組件粘結，在強度方面，該粘結組合層不僅可滿足結構的受力要求，而且具有高抗磨損和抗振動性能；在耐久性方面，該環氧樹脂膠固化後無收縮，具有良好的耐溫性，且在長期荷載下抗蠕變性高；在施工可行性方面，該環氧樹脂膠容易混合和施工，可用於輕微潮溼的混凝土表面，具有足夠的粘稠度；
s3、在栓釘連接組件的鋼橋面板蓋板1和栓釘連接組件1上現澆纖維混凝土鋪裝層3；本發明涉及的超高性能鋼纖維混凝土鋪裝層3，設計抗壓強度為120mpa～150mpa，抗拉彈性極限強度為約6mpa～8mpa，彈性模量為35～45gpa，與傳統混凝土鋪裝層相比，本發明的纖維混凝土具有抗壓強度高、抗拉強度高、流動性強、自密實等優點，這些優越的材料特性與栓釘連接組件2可以良好匹配，實現理想的組合效應。
上述的栓釘連接組件2為在底板2-1上垂直設置有至少一個栓釘連接件2-2，所述的栓釘連接件2-2為：第一加勁板2-2-2和第二加勁板2-2-3之間設置有栓釘2-2-1，第一加勁板2-2-2和第二加勁板2-2-3關於栓釘2-2-1中心對稱，第一加勁板2-2-2和第二加勁板2-2-3上加工有通孔；底板2-1是截面形狀為矩形的鋼板，矩形邊長尺寸為140～200mm，第一加勁板2-2-2為直角梯形鋼板，直角梯形的直角邊與栓釘2-2-1連接，第二加勁板2-2-3與第一加勁板2-2-2的結構相同。
本實施例1m3的超高性能鋼纖維混凝土的配合比如下：
上述的水泥是型號為po425水泥；矽灰的顆粒分布範圍為0.1～0.15μm，比表面積為15-27m2/g；河砂的最大粒徑均小於0.5mm；鋼纖維為表面鍍銅的鋼纖維的長為13mm、直徑為0.16mm；減水劑的型號為西卡減水劑，包含2種組分，a組分為西卡3301c型高效減水劑，b組分為西卡微珠粉，a與b兩種組分配合使用可提高減水劑效果。
發明人採用本發明實施例1製備的超高性能鋼纖維混凝土進行了抗壓強度測試、抗拉強度測試，各種實驗情況如下：
1、抗壓強度測試
製備成長×寬×高為150mm×150mm×150mm的立方體試件1組、每組3個,製備長×寬×高為300mm×150mm×150mm的稜柱體試件1組、每組3個，在環境溫度20℃條件下覆蓋塑料薄膜養生。採用萬能壓力機，按照《混凝土強度檢驗評定標準》(gb50107-2010)的抗壓強度測試方法，按照萬能壓力機的操作方法，測試試件28天齡期時的抗壓強度。試驗結果表明：3個立方體試件的平均軸心抗壓強度為108.6mpa；3個稜柱體試件的平均軸心抗壓強度為101.6mpa。
2、拉伸試驗
製備成長×寬×厚為450mm×130mm×30mm的試件1組，每組3個，在環境溫度20℃條件下覆蓋塑料薄膜養生28天。採用ans電子拉力試驗機測試試件的抗拉強度。試驗前將導杆引申儀、應變片布置在試件的測試標距段內。按儀器的操作方法對試件進行拉伸試驗，試驗前、試驗後的照片如圖4、圖5。試驗結果表明，3個試件的平均抗拉極限強度為9.04mpa。
實施例2
在圖6中，本實施例的栓釘連接組件2為在底板2-1上垂直設置有兩個栓釘連接件2-2，相鄰栓釘連接件2-2之間的距離為150mm～250mmmm，其餘各零部件以及零部件的連接關係與實施例1相同。
實施例3
在圖7中，本實施例的栓釘連接組件2為在底板2-1上垂直設置有四個栓釘連接件2-2，四個栓釘連接件2-2的中心線的連線為正方形，相鄰栓釘連接件2-2之間的距離為150mm～250mm，其餘各零部件以及零部件的連接關係與實施例1相同。
實施例4
本實施例的栓釘連接組件2為在底板2-1上垂直設置有六個栓釘連接件2-2，六個栓釘連接件2-2的中心線的連線為矩形，相鄰栓釘連接件2-2之間的距離為150mm～250mm，其餘各零部件以及零部件的連接關係與實施例1相同。
實施例5
本實施例以1m3的超高性能鋼纖維混凝土為例，在1m3的超高性能鋼纖維混凝土中由下述質量配比的材料成：
上述的水泥是型號為po425水泥；矽灰的顆粒分布範圍為0.1～0.15μm，比表面積為15-27m2/g；標準砂的最大粒徑均小於0.5mm；鋼纖維為表面鍍銅的鋼纖維的長為13mm、直徑為0.16mm；減水劑的型號為西卡減水劑，包含2種組分，a組分為西卡3301c型高效減水劑，b組分為西卡微珠粉，a與b兩種組分配合使用可提高減水劑效果；水為自來水。
其製備方法與實施例1相同。
實施例6
在上述實施例1中，本實施例以1m3的超高性能鋼纖維混凝土為例，在1m3的超高性能鋼纖維混凝土中由下述質量配比的材料成：
上述的水泥是型號為po425水泥；矽灰的顆粒分布範圍為0.1～0.15μm，比表面積為15～27m2/g；標準砂的最大粒徑均小於0.5mm；鋼纖維為表面鍍銅的鋼纖維的長為13mm、直徑為0.16mm；減水劑的型號為西卡減水劑，包含2種組分，a組分為西卡3301c型高效減水劑，b組分為西卡微珠粉，a與b兩種組分配合使用可提高減水劑效果。
其製備方法與實施例1相同。
本發明可用於採用鋼橋面板的橋梁結構，與採用傳統混凝土鋪裝的鋼橋面板相比，採用本發明中基於粘結栓釘群的鋼纖維混凝土組合鋼橋面板，在設計上有以下區別：(1)傳統設計中，往往採用厚度35mm～80mm的混凝土鋪裝層或瀝青混合料鋪裝。採用本發明提出的基於粘結栓釘群的鋼纖維混凝土組合鋼橋面板時，由於鋼橋面板與鋪裝層的組合設計、超高性能鋼纖維混凝土層的受力優勢，可採用30mm～40mm厚的超高性能鋼纖維混凝土鋪裝層替換傳統鋪裝層，達到提高結構疲勞壽命且同時降低結構自重的目的；(2)採用本發明提出的基於粘結栓釘群的鋼纖維混凝土組合鋼橋面板時，可降低傳統設計方案中的鋼橋面板的蓋板厚度，降低了用鋼量，減輕了結構自重；(3)本發明的設計方法含傳統設計中未採用的粘結栓釘群施工，以實現組合效應；(4)超高性能鋼纖維混凝土的拌合方法與普通混凝土拌合方法有顯著區別，應按照本發明提出的超高性能鋼纖維混凝土拌合方法進行施工；由於正交異性鋼橋面板橋梁受力複雜，因此本發明中所採用的栓釘連接組可根據橋梁結構形式及結構受力部位的不同，選用不同形式的栓釘連接組。
本發明的設計方法還可用於加固帶疲勞裂紋的正交異性鋼橋面板橋梁結構，鋼橋面板直接承受車輪荷載的反覆作用，各部位的應力影響線較短，車輛荷載引起的應力循環次數多。縱肋、橫梁、橫隔板焊接到橋面板上，焊接殘餘應力和應力集中影響大，且焊接質量不易保證，容易產生疲勞裂紋。採用本發明的設計方法，對既有帶疲勞損傷結構進行加固可作為保證結構安全運營的重要手段，(1)檢測確定疲勞裂紋的位置，然後分析確定需要加固的區域；(2)清除原有鋪裝層，露出疲勞裂紋，對該疲勞裂紋進行補強；(3)根據所需加固範圍的面積和受力，粘結本發明所提出的新型栓釘連接組，具體採用的栓釘連接組的形式應根據橋梁具體情況進行選擇；(4)現澆鋪裝層。該加固方法，不僅對既有疲勞裂紋進行修補，而且顯著提高了加固後結構的承載能力，避免或推遲了疲勞裂紋的再次萌生和擴展，提高了結構的使用壽命。