一种适用于大跨径桁梁桥的超高性能钢管混凝土桁架结构 |
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| 申请号 | CN202311572017.X | 申请日 | 2023-11-22 | 公开(公告)号 | CN117344625A | 公开(公告)日 | 2024-01-05 |
| 申请人 | 重庆大学; 长安大学; | 发明人 | 刘永健; 周绪红; 马印平; 王琨; 陈鸿杰; 姜磊; 刘江; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及 桥梁 工程技术领域，尤其涉及一种适用于大跨径桁梁桥的超高性能 钢 管 混凝土 桁架结构 ，包括若干个首尾连接的桁架节段，桁架节段包括矩形钢管桁架和填充混凝土结构，混凝土结构由超高性能混凝土浇筑成型，矩形钢管桁架包括 弦杆 和腹杆，弦杆采用超高性能钢管混凝土杆件，内 力 较大的腹杆采用超高性能钢管混凝土杆件，内力较小的腹杆采用空钢管。本发明可以充分发挥钢材和超高性能混凝土材料强度，降低桁架杆件截面尺寸，避免厚钢板应用带来的 缺陷 ，实现上部结构轻量化，突破现有钢桁梁 桥跨 径限制。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种适用于大跨径桁梁桥的超高性能钢管混凝土桁架结构，其特征在于，包括若干个首尾连接的桁架节段，桁架节段包括矩形钢管桁架和填充混凝土结构(6)，混凝土结构(6)由超高性能混凝土浇筑成型，矩形钢管桁架包括弦杆和腹杆，弦杆采用超高性能钢管混凝土杆件，内力较大的腹杆采用超高性能钢管混凝土杆件，内力较小的腹杆采用空钢管；承受拉应力的弦杆处设有FRP预应力筋(7)。 |
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| 说明书全文 | 一种适用于大跨径桁梁桥的超高性能钢管混凝土桁架结构技术领域背景技术[0002] 钢结构可采用高效的构件形式以及结构体系实现高承载力。桁架结构即为典型高性能结构体系，其在竖向荷载作用下杆件以承受轴力为主，通过上、下弦杆轴力形成的力偶来抵抗弯矩，通过腹杆轴力来抵抗剪力，相较于实腹式构件材料利用率更高。此外，钢材具有拉压同性以及轻质高强的特征，其与桁架结构形成的钢桁梁桥具有承载力高、抗弯刚度大、经济性能优异和施工高效等特点。因此，钢桁梁桥在强调施工效率的城市桥梁及交通量较大的双层桥梁中得到了广泛应用。 [0003] 随着钢桁梁桥跨径向着更大跨径的发展，杆件内力急剧增大，对应杆件钢板的厚度也达到了50mm以上。厚钢板的使用给钢桁梁桥的节点连接构造、焊接质量和经济性等方面带来了更多挑战，制约了钢桁梁桥跨径的进一步发展。桁架杆件内填充混凝土形成钢管混凝土桁架结构可提高整体承载力和跨越能力，并简化结构形式。但普通混凝土结构自重较大、抗拉强度较差，导致结构自身重量占设计荷载较大比重，将其应用至大跨径桁梁桥时结构所承担的恒活载比例也较高，且跨径越大上述效应越明显。综上，大跨径钢管混凝土桁梁桥因其自重较大导致的经济效益低、运输安装困难以及厚钢板的应用导致焊接疲劳以及残余应力等问题限制了该桥型跨径的进一步发展。 [0004] 因此，目前亟需一种新型钢管混凝土桁架结构，其可继承传统钢管混凝土桁架抗弯刚度大、施工便捷、高效等优点，还可以克服上述大跨径钢桁梁桥所面临的一系列设计问题，从而进一步提高跨越能力。 发明内容[0005] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种适用于大跨径桁梁桥的超高性能钢管混凝土桁架结构，解决了现有钢管混凝土桁架结构应用至大跨径桥梁中，为避免采用厚钢板所带来的材料韧性、焊接疲劳和残余应力等问题，以及普通混凝土自重大导致的运输安装不方便等问题。 [0006] 本发明是通过以下技术方案来实现： [0007] 一种适用于大跨径桁梁桥的超高性能钢管混凝土桁架结构，包括若干个首尾连接的桁架节段，桁架节段包括矩形钢管桁架和填充混凝土结构，混凝土结构由超高性能混凝土浇筑成型，矩形钢管桁架包括弦杆和腹杆，弦杆采用超高性能钢管混凝土杆件，内力较大的腹杆采用超高性能钢管混凝土杆件，内力较小的腹杆采用空钢管，承受拉应力的上弦杆和下弦杆设有FRP预应力筋。 [0008] 优选的，弦杆包括上弦杆、下弦杆，腹杆包括若干第一斜腹杆、若干第二斜腹杆和若干竖腹杆，竖腹杆间隔设置于上弦杆与下弦杆之间，第一斜腹杆与任一竖腹杆的下部连接，第一斜腹杆与第二斜腹杆首尾连接，第一斜腹杆与相邻的第二斜腹杆对称设置，若干第一斜腹杆相互平行，若干第二斜腹杆相互平行，第二斜腹杆与相邻的竖腹杆的下部连接。 [0009] 优选的，超高性能钢管混凝土杆件包括矩形钢管和若干焊接于钢板内壁的PBL加劲板，矩形钢管内部填充有超高性能混凝土浇筑成型的混凝土结构，PBL加劲板的一端与矩形钢管的内壁连接，另一端为自由端。 [0010] 优选的，PBL加劲板为长条形钢板，且钢板上等间距开设孔洞。 [0011] 优选的，PBL加劲板的长度与矩形钢管的长度一致。 [0012] 优选的，腹杆的两端均通过焊接或螺栓连接与弦杆相连。 [0013] 优选的，FRP预应力筋采用先张法施加，预应力施加于钢管内部的UHPC上。 [0014] 优选的，钢管杆件由钢板焊接而成，且呈空心设置，钢管杆件内部不设置PBL加劲板，不灌注混凝土结构。 [0015] 优选的，相邻的两个桁架节段拼接时，采用栓焊结合方式进行超高性能钢管混凝土杆件的拼接。 [0016] 优选的，相邻的两个桁架节段采用拼接钢板和高强螺栓进行拼接，拼接钢板设于两个桁架节段杆件拼接端头处，高强螺栓贯穿开孔的拼接钢板和桁架杆件进行栓接，未开孔的拼接钢板则与拼接的杆件进行焊接。 [0017] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： [0018] 本发明一种适用于大跨径桁梁桥的超高性能钢管混凝土桁架结构将矩形钢管内灌注UHPC并设置开孔钢板加劲肋的的杆件结构首次应用于桁架结构，可以充分发挥钢材和超高性能混凝土材料强度，减小桁架杆件截面尺寸，避免厚钢板应用带来的问题，实现上部结构轻量化，实现钢桁梁桥的跨径突破。 [0019] 本发明在截面层面，矩形钢管截面设计灵活多变，所采用矩形钢管可采用四块钢板焊接而成，可根据节点承载力和杆件承载力灵活调整四块钢板的厚度；截面高宽比可依据桁架杆件承受的弯矩方向进行调整，在受弯方向获取更大的截面抗弯刚度。当桁架下弦节点承载力不足，而杆件承载力较大时，可通过增大下弦杆顶板厚度，降低其余三块钢板的厚度来提高节点承载力并降低杆件总用钢量。 [0020] 在构件层面，钢管和UHPC均为轻质高强材料，桁架结构采用钢管UHPC结构可有效减小截面尺寸，降低杆件用钢量，实现上部结构轻量化和钢桁梁桥跨径突破。超高性能钢管混凝土杆件在受压时，结构受压强重比高，可以显著降低截面尺寸，减轻结构自重，进一步实现轻量化；超高性能钢管混凝土桁架杆件截面尺寸减小后可以降低杆件次应力，提高受力效率。；超高性能钢管混凝土杆件在受拉时，弦杆内设的PBL加劲板开孔处的UHPC可以形成混凝土榫，其较高的抗剪刚度可以增大弦杆和混凝土界面剪切滑移模量，减小节点传力长度。同时由于UHPC抗拉强度高，采用UHPC后桁架受拉弦杆抗拉强度也得到提高。在节点连接层面，矩形钢管截面节点处杆件可以平直切割，简化节点连接构造。 [0021] 在受拉的杆件中采用先张法施加FRP预应力筋，提高了杆件受拉性能。 [0022] 本发明所采用超高性能钢管混凝土杆件管内UHPC为FRP预应力筋提供施工条件。管内超高性能混凝土局部承压强度高，FRP筋和UHPC结合可以为弦杆施加较高的预应力水平，进一步实现轻量化。 [0023] 本发明所采用的超高性能钢管混凝土桁架结构自重轻，对吊装能力要求低，桁架杆件可于工厂制作，形成桁架节段在施工现场进行拼装；实际施工时桁架节段纵向采用栓焊结合的拼接方式，装配化、标准化程度高。 [0024] 综上所述，本发明所述适用于大跨径钢桁梁桥的超高性能钢管混凝土桁架结构是一种高性能桥梁结构体系，主要体现在受力高性能和施工高性能等方面。本发明继承了统矩形钢管混凝土桁架抗弯刚度大、施工便捷、经济性能优异、运输安装方便、节点构造简单以及装配化程度高的优势，并且可以进一步实现结构轻量化、突破跨径极限、显著避免厚钢板来带的缺陷、充分发挥高强材料性能以及具有更高的力学效率。附图说明 [0025] 图1为本发明一种适用于大跨径桁梁桥的超高性能钢管混凝土桁架结构的结构示意图； [0026] 图2为本发明一种适用于大跨径桁梁桥的超高性能钢管混凝土桁架结构中超高性能钢管混凝土杆件示意图。 [0027] 图3为本发明一种适用于大跨径桁梁桥的超高性能钢管混凝土桁架结构的立面图。 [0028] 图4为本发明一种适用于大跨径桁梁桥的超高性能钢管混凝土桁架结构的节段纵向连接示意图。 [0029] 图中，1、上弦杆；2、下弦杆；3、斜腹杆；4、竖腹杆；5、PBL加劲板；6、混凝土结构；7、FRP预应力筋；8、钢管UHPC受压弦杆；9、预应力钢管UHPC受拉弦杆；10、高强螺栓；11、拼接钢板。 具体实施方式[0030] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。 [0031] 本发明公开了一种适用于大跨径桁梁桥的超高性能钢管混凝土桁架结构，参照图1，包括矩形钢管桁架和填充混凝土结构6，混凝土结构6由超高性能混凝土浇筑成型，矩形钢管桁架包括弦杆和腹杆，腹杆的两端均通过焊接或螺栓连接与弦杆相连。弦杆采用超高性能钢管混凝土杆件，内力较大的腹杆采用超高性能钢管混凝土杆件，内力较小的腹杆采用空钢管。 [0032] 钢管杆件由钢板焊接而成，且呈空心设置，管内不设置PBL加劲板5，不灌注混凝土结构6。 [0033] 参照图2，超高性能钢管混凝土杆件包括矩形钢管和若干PBL加劲板5，矩形钢管内部填充有超高性能混凝土浇筑成型的混凝土结构6，PBL加劲板5的一端与矩形钢管的内壁连接，另一端为自由端。PBL加劲板5为长条形钢板，且设有等间距的孔洞，PBL加劲板5的长度与弦杆的长度一致。 [0034] 弦杆包括上弦杆1、下弦杆2，腹杆包括若干第一斜腹杆3、若干第二斜腹杆3和若干竖腹杆4，竖腹杆4间隔设置于上弦杆1与下弦杆2之间，竖腹杆4设置于钢管UHPC桁架的支点处，也可以其他腹杆布置类型的桁架。第一斜腹杆3与任一竖腹杆4的下部连接，第一斜腹杆3与第二斜腹杆3首尾连接，第一斜腹杆3与相邻的第二斜腹杆3对称设置，若干第一斜腹杆3相互平行，若干第二斜腹杆3相互平行，第二斜腹杆3与相邻的竖腹杆4的下部连接。 [0035] 参照图3，承受拉应力的弦杆中设有FRP预应力筋7，形成预应力钢管UHPC受拉弦杆9，FRP预应力筋7采用先张法施加，预应力施加于钢管内部的UHPC上，FRP预应力筋7沿受拉弦杆的长度方向布设，FRP预应力筋7的长度与受拉弦杆的长度相同。由图3可知，上弦杆1和下弦杆2均由钢管UHPC受压弦杆8和预应力钢管UHPC受拉弦杆9交替组成，上弦杆1的钢管UHPC受压弦杆8与下弦杆2的预应力钢管UHPC受拉弦杆9相对设置于腹杆的两端。 [0036] 参照图4，相邻的两个桁架节段拼接时，采用栓焊结合方式进行超高性能钢管混凝土杆件的拼接；即采用拼接钢板11和高强螺栓10进行拼接，拼接钢板11设于两个桁架节段杆件拼接端头处，高强螺栓10贯穿开孔的拼接钢板11和桁架杆件进行栓接，未开孔的拼接钢板11则与拼接的杆件进行焊接。 [0037] 本发明一种适用于大跨径桁梁桥的超高性能钢管混凝土桁架结构，首先制作钢管钢管桁架节段，并灌注管内UHPC并施加预应力。将制作好的桁架节段运输至桥位现场进行拼接。 |
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