本發明涉及一種道路橋梁施工領域,具體是指道路橋梁無縫鋼橋面結構及施工方法。
背景技術:
受技術、材料、經濟和環境等條件的限制,道路橋梁一般由多跨組成,每跨橋面留有適應材料脹縮變形的間隙,即伸縮縫,并配以使車輛平穩通過橋面并滿足橋面變形需要的各種伸縮裝置。橋梁伸縮裝置長期暴露在大氣中,承受著來自車輛輪胎的磨損和沖擊作用,還承受著因熱脹冷縮、收縮徐變、基礎沉降等外界條件的影響,極易造成伸縮裝置破損并引起橋面乃至橋梁結構的破壞。伸縮裝置的破壞反過來會引起更大的車輛沖擊荷載,影響行車舒適性,且維修困難、費用較大。
目前對道路橋梁伸縮縫的研究主要有三個方向:一是采用多跨連續結構減少伸縮裝置的數量,包括先簡支后連續和橋面連續等;二是將中小跨徑橋梁和路基路面綜合設計成半整體式或整體式全無縫橋梁;三是研制高性能的伸縮裝置,包括彈塑體伸縮裝置。方法一雖然減少了伸縮裝置的數量,但對伸縮裝置性能要求更高;方法二雖然在一定橋長范圍內取消了伸縮裝置,但橋梁的無縫長度有限,國內外最大無縫長度300m左右,難再有較大的突破;由于伸縮裝置材料、制作工藝和使用條件等原因的限制,方法三也研究進展緩慢。
技術實現要素:
本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術的缺陷而提供一種構造簡單、安全可靠、工廠化和標準化程度高、應用范圍廣、跨越長度大的適用于多跨中小跨徑的道路橋梁無縫鋼橋面結構及其施工方法。
本發明的技術問題通過以下技術方案實現:
一種道路橋梁無縫鋼橋面結構,包括兩個橋臺、間距設置在兩個橋臺之間的多個橋墩、及連接在每個橋臺上的護坡,所述的兩個橋臺和多個橋墩上安裝多跨預制梁,相鄰每跨預制梁端之間預留伸縮縫,所述的多跨預制梁上部設有連續無縫跨越該多跨預制梁的鋼橋面和鋪筑在所述鋼橋面上的瀝青混凝土;所述鋼橋面的橫向外部兩側分別設置防撞護欄,該防撞護欄與鋼橋面之間安裝多個沿橋梁縱向等距設置的擋塊;所述的瀝青混凝土兩側外緣設置排水孔,防撞護欄內設有分別連通排水孔和接通至橋面外部的泄水管。
所述的鋼橋面是由沿橋梁軸線方向布置的多根工字鋼縱梁、橫向連接多根工字鋼縱梁的多根鋼橫隔梁、及固定安裝在多根工字鋼縱梁和多根鋼橫隔梁頂部的鋼面板組成,該多根工字鋼縱梁和多根鋼橫隔梁固定形成井字形鋼橋面骨架;每根所述的工字鋼縱梁長度與橋面總長度相同,每根工字鋼縱梁的下翼緣均由多個扣件彈性固定在預制梁上,每根工字鋼縱梁的縱向兩端點下翼緣底部與預埋在所述橋臺上的橋臺鋼板固定,相鄰兩根工字鋼縱梁之間的間距a=2m~3m;相鄰兩根鋼橫隔梁之間的間距b=3m~5m;所述鋼面板的總體平面是由多塊鋼面板a和多塊鋼面板b組成,每塊鋼面板與所述井字形鋼橋面骨架的井字形框格尺寸相同,且多塊鋼面板a安放在橋面最外側各一排,并懸出最外側工字鋼縱梁,多塊鋼面板b安放在其余井字形框格上,相鄰兩塊鋼面板的相接處平面為互相咬合的凹凸齒,該凹凸齒的凸處設有鋼面板螺栓連接在工字鋼縱梁和鋼橫隔梁的頂部;所述鋼面板的總寬度小于兩側防撞護欄內側之間的寬度2cm~3cm,作為排泄橋面水的縫隙。
多個所述的擋塊設置在防撞護欄與鋼橋面的最外側工字鋼縱梁之間,每個擋塊均為矩形塊,相鄰兩個擋塊之間的間距為5m~7m,且每個擋塊的一端固定在最外側工字鋼縱梁的外側面上,另一端固定有橡膠塊,該橡膠塊的外側面與預埋在防撞護欄內側面的護欄鋼板相貼。
所述的扣件是由彈性墊板、鋼墊板、軌距塊、彈條、平墊圈和扣件螺栓組成,該彈性墊板安放在預制梁上預埋的預制板鋼板上,并用軌距塊定位工字鋼縱梁,彈條壓緊工字鋼縱梁的下翼緣,再用平墊圈和扣件螺栓緊固工字鋼縱梁,每根工字鋼縱梁上的相鄰兩個扣件之間的間距d=50cm~60cm。
所述的預制梁與鋼橋面的疊合梁結構計算模型根據經典梁理論和彈性地基梁理論進行建立:
⑴鋼橋面與彈性墊板之間、彈性墊板與預制梁之間光滑接觸,鋼橋面和預制梁獨立承受彎曲,共同承擔橋梁恒載和車輛荷載的作用;
⑵彈性墊板滿足文克勒假定,鋼橋面底某一點的壓力只與該點的沉陷有關,而與鋼橋面底其他各點的沉陷無關,鋼橋面單位面積所受的壓力與彈性墊板的沉陷成正比,其比例常數為k;
⑶彈性墊板只起著傳遞壓力的作用,即鋼橋面底的壓力不會在預制梁頂產生壓力重分布,彈性墊板不承受彎矩、彈性墊板自重作為預制梁的荷載;
由以上計算模型可知,鋼橋面實際是簡支梁上的彈性地基梁,預制梁為普通的簡支梁,于是可得鋼橋面與預制梁疊合梁在均布荷載作用下的線性微分方程組,進而導出鋼橋面和預制梁彎矩和剪力計算公式,
公式一、
公式二、
在公式一、公式二中,
d——彈性固定每根工字鋼縱梁上的相鄰兩個扣件之間的距離,cm;
公式三、
在公式三中
由公式一、公式二計算得到鋼橋面和預制梁所受控制彎矩和剪力后,再按有關規范計算車輛制動力,并與鋼橋面車輛荷載的橫向分布系數、材料強度分項系數、極限狀態設計方法的分項系數和由公式三計算的設計鋼橋面鎖定溫度引起的溫差內力作多種組合,取其最不利情況下的控制內力驗算鋼橋面和預制梁的結構承載能力,再用有限元軟件計算復核,并滿足有關規范要求。
所述的鋼橋面最外側工字鋼縱梁中心至防撞護欄內邊緣的距離為
所述的預制梁為鋼筋混凝土或預應力混凝土結構,單跨跨徑5m~40m,安放在橋臺和橋墩頂的支座上;所述的預制梁上按照扣件的設置位置預埋預制板鋼筋,在該預制板鋼筋上焊接預制板鋼板,預制板鋼筋與預制板鋼板之間用水泥瀝青砂漿彈性找平層找平,再在預制板鋼板上安放扣件并固定鋼橋面的工字鋼縱梁。
所述的防撞護欄為鋼筋混凝土結構,每跨防撞護欄與預制梁端相同位置設一道伸縮縫。
所述的兩個橋臺和多個橋墩為多跨橋梁的下部結構,所述的護坡為橋臺的組成部分,并用于銜接路基、邊坡和橋臺主體。
一種道路橋梁無縫鋼橋面結構的施工方法,其包括如下步驟:
步驟一、擬定道路橋梁無縫鋼橋面結構方案:
①根據使用要求和地質鉆探資料,擬定橋梁總長、寬度、橋臺、橋墩尺寸;
②初擬預制梁、鋼橋面的所有構件尺寸和采用材料;
③按照公式一、公式二計算預制梁和鋼橋面的控制彎矩和控制剪力;
④設計配置橋梁各部件的鋼筋;
⑤確定設計鋼橋面鎖定溫度,用公式三計算的設計鋼橋面鎖定溫度引起的溫差內力與按照公式一、公式二計算預制梁和鋼橋面的控制彎矩和控制剪力作多種組合,取其最不利情況下的控制內力驗算鋼橋面和預制梁的結構承載能力;
⑥用有限元軟件計算復核道路橋梁無縫鋼橋面結構受力情況,直至滿足要求;
步驟二、施工橋臺、橋墩,預制預制梁,定制鋼橋面的各部件:
①采用鉆孔灌注樁機械施工橋臺、橋墩,并檢驗合格;
②現澆橋臺、橋墩的各部件混凝土,并檢驗合格;
③安放橋臺和橋墩支座、工廠預制預制梁和運輸并安裝就位,要求預制梁伸縮縫寬度符合設計要求,測量預制梁橋面標高,確定找平層厚度;
④澆筑水泥瀝青砂漿彈性找平層,安裝預制板鋼板和扣件的鋼墊板;
⑤定制鋼橋面的各部件,檢驗合格并運到工地,用接觸焊或氣壓焊組裝工字鋼縱梁、鋼橫隔梁和擋塊備用;
步驟三、安裝工字鋼縱梁、鋼橫隔梁和擋塊組裝件:
①安放彈性墊板;
②整體安裝工字鋼縱梁、鋼橫隔梁和擋塊組裝件;
③測量工字鋼縱梁、鋼橫隔梁和擋塊組裝件安裝位置,并調整準確;
④安裝軌距塊、彈條、平墊圈,做扣件螺栓固定鋼橋面的準備工作;
⑤根據設計要求的鋼橋面鎖定溫度,測量全天鋼橋面溫度,準確確定鋼橋面與橋臺鋼板焊接固定時間,在允許設計鋼橋面溫度范圍的時間內焊接牢固工字鋼縱梁的縱向兩端點下翼緣與橋臺鋼板;
⑥緊固全部扣件螺栓,壓緊彈條彈性固定工字鋼縱梁;
⑦安裝擋塊和橡膠塊;
驟四、現澆防撞護欄:
①綁扎防撞護欄鋼筋、安裝護欄鋼板預埋件和泄水管以及預留伸縮縫,并檢驗質量合格;
②安裝防撞護欄模板,并檢查合格后;
③采用泵送混凝土分層澆筑防撞護欄混凝土,伸縮縫符合要求;
步驟五、安裝鋼面板:
①在工字鋼縱梁、鋼橫隔梁頂部預拼裝齒狀鋼面板,要求各鋼面板定位準確,各齒縫相互嵌固密合、表面平整;
②用鋼面板螺栓固定鋼面板;
步驟六、鋪筑瀝青混凝土:
①拋丸處理鋼面板,要求達到規定的粗糙度;
②采用環氧樹脂或其他方法施工鋼面板與瀝青混凝土之間的粘結層,符合規定要求;
③拌和、運輸、攤鋪和碾壓瀝青混凝土,質量符合要求;
在以上全部施工程序中,根據設計要求的鋼橋面鎖定溫度測量至關重要,必須在允許的設計鋼橋面鎖定溫度范圍時間內焊接固定工字鋼縱梁縱向兩端點下翼緣底部與預埋在橋臺上的橋臺鋼板,并緊固扣件螺栓而彈性固定鋼橋面的工字鋼縱梁,才能確保工程質量。
與現有技術相比,本發明主要是在橋梁的多跨預制梁上部設有連續無縫跨越該多跨預制梁的鋼橋面和鋪筑在鋼橋面上的瀝青混凝土,從而形成了道路橋梁無縫鋼橋面結構,還在鋼橋面的橫向外部兩側設置防撞護欄,以及在該防撞護欄與鋼橋面之間安裝多個沿橋梁縱向等距設置的擋塊;同時,瀝青混凝土兩側外緣設置排水孔,防撞護欄內設有泄水管,并通過泄水管將排水孔的積水接通至橋面外部排出,這種道路橋梁無縫鋼橋面結構具有構造簡單、安全可靠、工廠化和標準化程度高、應用范圍廣、跨越長度大等優點,故能廣泛適用于多跨中小跨徑橋梁,其結合相應的施工方法,還具有節能減排的效果,行車舒適,經濟效益和社會效益十分顯著。
附圖說明
圖1為本發明的結構立面示意圖。
圖2為圖1的俯視圖。
圖3為圖2的a—a剖面圖。
圖4為鋼面板結構圖。
圖5為扣件立面圖。
圖6為扣件俯視圖。
圖7為鋼橋面和預制梁的受力計算圖式。
具體實施方式
下面將按上述附圖對本發明實施例再作詳細說明。
如圖1~圖7所示,1.橋臺、11.護坡、12.橋臺鋼板、2.橋墩、3.預制梁、31.支座、32.伸縮縫、33.預制板鋼筋、34.預制板鋼板、35.找平層、4.扣件、41.彈性墊板、42.鋼墊板、43.軌距塊、44.彈條、45.扣件螺栓、46.平墊圈、5.鋼橋面、51.工字鋼縱梁、511.下翼緣、512.腹板、513.上翼緣、514.鋼面板螺栓孔、52.鋼橫隔梁、53.鋼面板、531.鋼面板a、532.鋼面板b、533.凹凸齒、54.鋼面板螺栓、6.擋塊、7.瀝青混凝土、8.防撞護欄、81.護欄鋼板、82.泄水管、9.橡膠塊。
道路橋梁無縫鋼橋面結構及施工方法,如圖1、圖2所示,屬于道路橋梁施工領域,其結構主要包括兩個橋臺1、兩個護坡11、多個橋墩2、多跨預制梁3、鋼橋面5和瀝青混凝土7等,本實施例是將橋梁長度方向作為縱向、橋梁寬度方向作為橫向進行描述,即圖1、圖2的視圖左、右方向為縱向,視圖前、后方向為橫向。
其中,兩個橋臺1和多個橋墩2為多跨橋梁的下部結構,起到承受橋梁上部結構、車輛荷載和溫差內力等的作用,多個橋墩2按照一定的間距距離設置在兩個橋臺1之間,多個橋臺和多個橋墩2的頂部均安放支座31,則多跨預制梁3可依次安裝在多個支座31上,具體結構如圖1所示,是在兩個橋臺1和
所述的預制梁3為鋼筋混凝土或預應力混凝土結構,工廠化預制,單跨跨徑5m~40m,安放在多個橋臺1和多個橋墩2頂部的支座31上,主要承受橋面恒載和車輛荷載的作用;所述的預制梁3上按照扣件4的設置位置預埋預制板鋼筋33,該預制板鋼筋上焊接預制板鋼板34,預制板鋼筋33與預制板鋼板34之間用水泥瀝青砂漿彈性找平層35找平,再在預制板鋼板34上安放扣件4并固定鋼橋面5的工字鋼縱梁51,找平層35具有設計要求的彈性和強度不僅能夠支撐鋼橋面5和保證鋼橋面結構的平穩性,同時還能起到緩沖車輛撞擊力的作用。
所述的鋼橋面5為連續無縫跨越在多跨預制梁3上部,主要是由沿橋梁軸線方向布置的多根工字鋼縱梁51、橫向連接多根工字鋼縱梁的鋼橫隔梁52、及固定安裝在多根工字鋼縱梁51和多根鋼橫隔梁52頂部的鋼面板53組成;所述的工字鋼縱梁51單根長度與橋面總長度相同,可采用u74、u70mn等鋼的牌號,工廠定制的單段長度不足橋面總長度時,可多段焊接而成,每段定尺長度12.5m、25m、50m、100m等,也可按實際定制,總高度130mm~190mm、上翼緣513寬度68mm~75mm,下翼緣511寬度114mm~150mm,腹板512厚度13mm~20mm。
所述的多根工字鋼縱,51的下翼緣511由多個扣件4彈性固定在預制梁3上,其縱向兩端點下翼緣511底部與預埋在橋臺1上的橋臺鋼板12焊接固定,要求在設計鋼橋面5鎖定溫度范圍內焊接固定;同時,需按照橋面的總寬度來設置多排工字鋼縱梁51,相鄰兩根工字鋼縱梁之間的間距a=2m~3m;每排工字鋼縱梁51橫向相隔一定距離用鋼橫隔梁52焊接固定,并形成井字形鋼橋面骨架,相鄰兩根鋼橫隔梁52之間的間距b=3m~5m。
所述鋼面板53的總體平面是由多塊鋼面板a531和多塊鋼面板b532組成,每塊鋼面板53與井字形鋼橋面骨架的井字形框格尺寸相同,厚度1cm~3cm,且多塊鋼面板a安放在橋面最外側各一排,懸出最外側工字鋼縱梁
所述鋼橋面5的橫向外部兩側分別設置多跨防撞護欄8,該多跨防撞護欄為鋼筋混凝土結構,每跨防撞護欄8與預制梁3端相同位置設一道伸縮縫32,鋼面板53的總寬度需小于兩側防撞護欄8內側之間的寬度2cm~3cm,可作為排泄橋面水的縫隙,起到排泄橋面水的作用,而最邊緣工字鋼縱梁51中心至防撞護欄8內邊緣的距離為
所述的防撞護欄8與鋼橋面5之間安裝多個沿橋梁縱向等距設置的擋塊6,具體是:多個擋塊設置在防撞護欄8與最外側工字鋼縱梁51之間,每個擋塊6均為矩形擋塊,擋塊長度與最外側工字鋼縱梁中心至防撞護欄內邊緣的距離c匹配,高度7cm~10cm、寬度3cm~5cm,相鄰兩個擋塊6之間的間距為5m~7m;并且,每個擋塊的一端均與最外側工字鋼縱梁51外側面焊接固定,另一端固定橡膠塊9,該橡膠塊厚度2cm,高度和寬度與擋塊尺寸相同,橡膠塊9的外側面與預埋在防撞護欄8內側面的護欄鋼板81相貼,起到限制鋼橋面5橫向移動的作用,同時由于橡膠塊9存在剪切變形,允許工字鋼縱梁51以及鋼橋面5總體可以產生沿橋梁軸線縱向微量移動。
所述的扣件4為連接工字鋼縱梁51與預制梁3的部件,由彈性墊板41、鋼墊板42、軌距塊43、彈條44、平墊圈46和扣件螺栓45組成,其作用是將工字鋼縱梁51彈性固定在預制梁3上,保持和阻止工字鋼縱梁鋼軌相對于預制梁3的縱橫向移動,彈性墊板41安放在預制梁3預埋的預制板鋼板34上,用軌距塊43定位工字鋼縱梁51,用彈條44壓緊工字鋼縱梁51的下翼緣511,再用平墊圈46和扣件螺栓45緊固工字鋼縱梁51,每根工字鋼縱梁上的相鄰兩個扣件4之間的間距d=50cm~60cm。
所述的瀝青混凝土7鋪筑在鋼面板53頂部以作為車輛的承重結構層,可直接承受車輛荷載,在瀝青混凝土7兩側外緣設置排水孔,防撞護欄8內設有分別連通排水孔和接通至橋面外部的泄水管82。
根據經典梁理論和彈性地基梁理論,建立預制梁3與鋼橋面5的疊合梁結構計算模型:
⑴鋼橋面5與彈性墊板41之間、彈性墊板41與預制梁3之間光滑接觸,鋼橋面5和預制梁3獨立承受彎曲,共同承擔橋梁恒載和車輛荷載的作用;
⑵彈性墊板41滿足文克勒假定,鋼橋面5底某一點的壓力只與該點的沉陷有關,而與鋼橋面5底其他各點的沉陷無關,鋼橋面5單位面積所受的壓力與彈性墊板41的沉陷成正比,其比例常數為k;
⑶彈性墊板41只起著傳遞壓力的作用,即鋼橋面5底的壓力不會在預制梁頂產生壓力重分布,彈性墊板41不承受彎矩、彈性墊板自重作為預制梁的荷載;
由以上計算模型可知,鋼橋面5實際是簡支梁上的彈性地基梁,預制梁3為普通的簡支梁,于是可得鋼橋面5與預制梁3疊合梁在均布荷載作用下的線性微分方程組,進而導出鋼橋面和預制梁彎矩和剪力計算公式,
公式一、
公式二、
在公式一、公式二中,
d——彈性固定每根工字鋼縱梁51上的相鄰兩個扣件4之間的距離,cm;
公式三、
在公式三中
由公式一、公式二計算得到鋼橋面5和預制梁3所受控制彎矩和剪力后,再按有關規范計算車輛制動力,并與鋼橋面車輛荷載的橫向分布系數、材料強度分項系數、極限狀態設計方法的分項系數和由公式三計算的設計鋼橋面5鎖定溫度引起的溫差內力作多種組合,取其最不利情況下的控制內力驗算鋼橋面和預制梁的結構承載能力,再用有限元軟件計算復核,并滿足有關規范要求。
本發明涉及的道路橋梁無縫鋼橋面結構的施工方法包括如下步驟:
步驟一、擬定道路橋梁無縫鋼橋面結構方案:
①根據使用要求和地質鉆探資料,擬定橋梁總長、寬度、橋臺、橋墩尺寸;
②初擬預制梁、鋼橋面的所有構件尺寸和采用材料;
③按照公式一、公式二計算預制梁3和鋼橋面5的控制彎矩和控制剪力;
④設計配置橋梁各部件的鋼筋;
⑤確定設計鋼橋面鎖定溫度,用公式三計算的設計鋼橋面鎖定溫度引起的溫差內力與按照公式一、公式二計算預制梁和鋼橋面的控制彎矩和控制剪力作多種組合,取其最不利情況下的控制內力驗算鋼橋面和預制梁的結構承載能力;
⑥用有限元軟件計算復核道路橋梁無縫鋼橋面結構受力情況,直至滿足要求;
步驟二、施工橋臺、橋墩,預制預制梁,定制鋼橋面的各部件:
①采用鉆孔灌注樁機械施工橋臺1、橋墩2,并檢驗合格;
②現澆橋臺、橋墩的各部件混凝土,并檢驗合格;
③安放橋臺1和橋墩2支座31、工廠預制預制梁3和運輸并安裝就位,要求預制梁伸縮縫寬度符合設計要求,測量預制梁橋面標高,確定找平層35厚度;
④澆筑水泥瀝青砂漿彈性找平層,安裝預制板鋼板34和扣件4的鋼墊板42;
⑤定制鋼橋面的各部件,檢驗合格并運到工地,用接觸焊或氣壓焊組裝工字鋼縱梁51、鋼橫隔梁52和擋塊6備用;
步驟三、安裝工字鋼縱梁51、鋼橫隔梁52和擋塊6組裝件:
①安放彈性墊板;
②整體安裝工字鋼縱梁51、鋼橫隔梁52和擋塊6組裝件;
③測量工字鋼縱梁51、鋼橫隔梁52和擋塊6組裝件安裝位置,并調整準確;
④安裝軌距塊43、彈條44、平墊圈46,做扣件螺栓45固定鋼橋面5的準備工作;
⑤根據設計要求的鋼橋面5鎖定溫度,測量全天鋼橋面5溫度,準確確定鋼橋面與橋臺鋼板12焊接固定時間,在允許設計鋼橋面5溫度范圍的時間內焊接牢固工字鋼縱梁51的縱向兩端點下翼緣511與橋臺鋼板12;
⑥緊固全部扣件螺栓45,壓緊彈條44彈性固定工字鋼縱梁51;
⑦安裝擋塊6和橡膠塊9;
驟四、現澆防撞護欄:
①綁扎防撞護欄鋼筋、安裝護欄鋼板81預埋件和泄水管82以及預留伸縮縫32,并檢驗質量合格;
②安裝防撞護欄模板,并檢查合格后;
③采用泵送混凝土分層澆筑防撞護欄混凝土,伸縮縫符合要求;
步驟五、安裝鋼面板:
①在工字鋼縱梁51、鋼橫隔梁52頂部預拼裝齒狀鋼面板53,要求各鋼面板定位準確,各齒縫相互嵌固密合、表面平整;
②用鋼面板螺栓54固定鋼面板53;
步驟六、鋪筑瀝青混凝土:
①拋丸處理鋼面板53,要求達到規定的粗糙度;
②采用環氧樹脂或其他方法施工鋼面板53與瀝青混凝土7之間的粘結層,符合規定要求;
③拌和、運輸、攤鋪和碾壓瀝青混凝土7,質量符合要求;
在以上全部施工程序中,根據設計要求的鋼橋面鎖定溫度測量至關重要,必須在允許的設計鋼橋面鎖定溫度范圍時間內焊接固定工字鋼縱梁51縱向兩端點下翼緣511底部與預埋在橋臺上的橋臺鋼板,并緊固扣件螺栓45而彈性固定鋼橋面的工字鋼縱梁51,才能確保工程質量。
本發明所述實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外還應理解,在閱讀了本發明講授的內容之后,本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改,這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍內。