CN108086591B - 型钢-超高性能混凝土预应力组合梁 - Google Patents

型钢-超高性能混凝土预应力组合梁 Download PDF

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Abstract

本发明属于土木建筑技术领域，公开一种型钢‑超高性能混凝土预应力组合梁，包括超高性能混凝土梁和预应力钢束，超高性能混凝土梁作为受拉区的底部设有至少一层型钢钢板，型钢钢板上方连接有端部位于超高性能混凝土梁外的预应力筋转向块，所述预应力钢束包括位于超高性能混凝土梁体内部的体内预应力钢束和/或通过预应力筋转向块与超高性能混凝土梁连接的的体外预应力钢束。在超高性能混凝土梁受拉区布置型钢钢板，增大了受拉区普通钢筋配筋率，使普通钢筋面积与预应力筋面积比提高，既能使超高性能箱梁或T梁承载性能满足设计要求，又能克服中小跨径超高性能箱梁或T梁预应力张拉过程中截面压应力过大、上拱明显的缺点。

Description

型钢-超高性能混凝土预应力组合梁
技术领域
本发明涉及土木建筑技术领域，具体地，涉及一种型钢-超高性能混凝土预应力组合梁。
背景技术
目前现有技术的预应力组合梁主要包括钢-混凝土组合梁技术及超高性能混凝土梁技术。
钢-混凝土组合梁技术一般是在钢梁顶板浇筑混凝土形成组合截面，该截面性能能充分发挥混凝土及钢材的优势，但钢-混凝土组合梁技术存在钢材锈蚀及受压区钢材得不到充分利用的问题，此外，钢-混凝土组合梁不宜采用预应力技术，因为对钢材施加预压应力不经济也不必要。
超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete），简称UHPC。是过去三十年中最具创新性的水泥基工程材料，UHPC具有较高的韧性、高的抗压强度和优异的耐久性，在热养护的条件下基本无收缩，且长期荷载作用下徐变很小（约为普通混凝土的1/10），UHPC在使桥梁结构向轻质、大跨方向发展和实现使用环境下的长寿命以及减少后期维护费用等方面极具潜力，是土木工程领域极具应用前景的新型建筑材料，UHPC因其优异的力学性能，一般构件尺寸较小，目前的研究表明：采用UHPC可使构件板厚减少20%～40%，截面高度降低20%，中、小跨径桥梁断面面积下降30%～40%，但小跨径超高性能箱梁或T梁预应力在张拉过程中由于断面面积小，配筋空间不够，存在截面压应力过大，上拱明显的缺点，且超高性能混凝土梁承载能力与正常使用阶段所需预应力不匹配，某40mT梁在配置刚好满足承载能力要求所需预应力钢束的情况下，张拉过程中跨中上拱近20cm，截面最大压应力达50MPa，如此大的压应力及上拱会影响该桥正常使用。
此外，目前体外预应力体系所需的转向块一般采用混凝土浇筑，导致转向块内钢筋网密集且体积庞大，既浪费材料又增加了结构自重。
发明内容
本发明解决的技术问题在于针对现有技术的缺陷，提供一种可使预应力组合梁的承载能力与正常使用阶段所需预应力匹配的型钢-超高性能混凝土预应力组合梁。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种型钢-超高性能混凝土预应力组合梁，包括超高性能混凝土梁和预应力钢束，超高性能混凝土梁作为受拉区的底部设有至少一层型钢钢板，型钢钢板上方连接有端部位于超高性能混凝土梁外的预应力筋转向块，所述预应力钢束包括位于超高性能混凝土梁体内部的体内预应力钢束和/或通过预应力筋转向块与超高性能混凝土梁连接的体外预应力钢束。
进一步地，型钢钢板上固定有剪力键。
更进一步地，剪力键焊接于型钢钢板上。
再进一步地，剪力键为专用剪力键、短钢筋和小型槽钢中的任意一种。
更进一步地，剪力键为PBL键，PBL键包括设于型钢钢板上的通孔、***通孔并凸出于通孔两端的钢筋，钢筋与通孔之间浇注填充有超高性能混凝土。
进一步地，剪力键在型钢钢板上呈梅花型分布。
进一步地，型钢钢板为压纹钢板。
进一步地，型钢钢板两端分别设置有端锚板。
进一步地，预应力筋转向块包括转向块顶钢板、将转向块顶钢板与型钢钢板相连的连接钢板，连接钢板上设有预应力孔道供体外预应力钢束穿过。
更进一步地，预应力筋转向块还包括同时与转向块顶钢板、型钢钢板和连接钢板连接的剪力连接板，所述剪力连接板垂直于连接钢板，多块剪力连接板在连接钢板上均匀分布。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1）利用超高性能混凝土抗压强度高、受拉延性好的优点，在超高性能混凝土梁受拉区布置型钢钢板，增大了受拉区普通钢筋配筋率，使普通钢筋面积与预应力筋的面积比提高，既能使超高性能箱梁或T梁承载性能满足设计要求，又能克服目前中小跨径超高性能箱梁或T梁预应力张拉过程中截面压应力过大，上拱明显的缺点，同时还能克服钢-混组合结构钢材易锈蚀的问题；
2）超高性能混凝土中无粗骨料，合适配比下超高性能混凝土具有很好地流动性，型钢钢板设于超高性能混凝土梁底部不会影响混凝土的浇筑质量；
3）型钢钢板与预应力筋转向块连接成一个整体，使体外预应力筋通过专项块形成有效张拉，解决了现有技术中体外预应力体系转向***庞大且设计复杂的问题；
4）型钢钢板表面焊接剪力键或型钢钢板采用压纹钢板的设计，可有效增强型钢钢板与超高性能混凝土的粘结；
5）型钢钢板表面剪力键呈梅花型分布或压纹钢板上压纹呈斜向设置及型钢钢板端部端锚板的设计，进一步辅助增强了型钢钢板与超高性能混凝土的粘结稳定，避免两者之间发生错位滑移现象；
6）预应力筋转向块上预应力孔道的设置为体外预应力钢束提供了优良的转向固定位置，而垂直于连接钢板设置的剪力连接板可保证预应力筋转向块与超高性能混凝土梁的稳定连接，进而确保体外预应力钢束的工作稳定。
附图说明
图1为实施例1所述的型钢-超高性能混凝土预应力组合梁的主视图；
图2为图1中A-A截面图；
图3为图2中预应力筋转向块的细节图；
图4为图1中型钢钢板的俯视图；
图5为实施例1中型钢钢板上固定剪力键的局部示意图；
图6为实施例2中型钢钢板上固定剪力键的局部示意图；
图7为实施例3中型钢钢板上固定剪力键的局部示意图；
图8为实施例4中型钢钢板上设置PBL键的局部示意图；
图9为图8中B-B截面图；
图10为实施例5中压纹钢板的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
一种型钢-超高性能混凝土预应力组合梁，如图1和图2所示，包括超高性能混凝土梁1和预应力钢束，超高性能混凝土梁1具有顶部11和作为受拉区的底部12，底部12设有至少一层与顶部平行的型钢钢板21，型钢钢板21上方连接有端部位于超高性能混凝土梁外的预应力筋转向块22，预应力钢束包括位于超高性能混凝土梁体内部的体内预应力钢束31和通过预应力筋转向块22与超高性能混凝土梁连接的体外预应力钢束32。
为增强型钢钢板21与预应力筋转向块22的连接稳定性，本实施例中型钢钢板21与预应力筋转向块22一体成型，型钢钢板采用高强钢材加工而成。
超高性能混凝土梁1一般采用工厂预制，可采用后张法或先张法预应力超高性能混凝土结构，其中体内预应力钢束31可采用后张法预应力钢束或先张法预应力钢筋，钢束或钢筋的面积需根据超高性能混凝土梁承载能力及正常使用状态下计算确定。
利用超高性能混凝土抗压强度高、受拉延性好的优点，在超高性能混凝土梁受拉区布置型钢钢板，增大了受拉区普通钢筋配筋率，使普通钢筋面积与预应力筋的面积比提高，既能使超高性能箱梁或T梁承载性能满足设计要求，又能克服目前中小跨径超高性能箱梁或T梁预应力张拉过程中截面压应力过大，上拱明显的缺点，同时还能克服钢-混组合结构钢材易锈蚀的问题。
超高性能混凝土中无粗骨料，合适配比下超高性能混凝土具有很好地流动性，型钢钢板设于超高性能混凝土梁底部不会影响混凝土的浇筑质量，型钢钢板与预应力筋转向块一体成型，使体外预应力筋通过专项块形成有效张拉，解决了现有技术中体外预应力体系转向***庞大且设计复杂的问题。
为增强型钢钢板与超高性能混凝土的粘结性能，型钢钢板21上固定有剪力键4，剪力键4避开预应力筋转向块22与型钢钢板21的连接位置，剪力键4的主要作用是确保型钢钢板21受力过程中不发生局部粘结滑移、分层剥离。
本实施例中剪力键4为专用剪力键，其焊接于型钢钢板21上，如图5所示，专用剪力键包括与型钢钢板21表面焊接的剪力部41、设于剪力部41端部且外周凸出于剪力部外周的卡接部42，剪力部41和卡接部42两相结合可确保型钢钢板稳定粘结在超高性能混凝土梁内。
具体地，如图4所示，剪力键4在型钢钢板上呈梅花型分布，杜绝其呈简单规则布置时造成型钢钢板相对于超高性能混凝土梁滑移的可能，同时采取在型钢钢板21两端分别设置端锚板5的措施，将型钢钢板的位置牢牢固定，也确保型钢钢板21在受力过程中不受粘结破坏。
如图3所示，预应力筋转向块22包括转向块顶钢板221、将转向块顶钢板与型钢钢板相连的连接钢板222，连接钢板222上设有预应力孔道223供体外预应力钢束32穿过。
预应力筋转向块22还包括同时与转向块顶钢板、型钢钢板和连接钢板连接的剪力连接板224，剪力连接板224垂直于连接钢板222，多块剪力连接板224在连接钢板222上均匀分布。
预应力筋转向块上预应力孔道223的设置为体外预应力钢束32提供了优良的转向固定位置，而垂直于连接钢板设置的剪力连接板224可保证预应力筋转向块与超高性能混凝土梁的稳定连接，进而确保体外预应力钢束的工作稳定。
型钢钢板21面积均可沿预应力组合梁跨径方向改变，弯矩越大的位置钢板面积越大，具体可通过改变型钢钢板的宽度、厚度、层数等来改变型钢钢板的面积。
采用体外预应力钢束，需采用部分预应力比率PPR进行非预应力筋估算，受拉区布置型钢钢板时，应按PPR≥0.4进行型钢面积估算。
本实施例的型钢-超高性能混凝土预应力组合梁，其预应力度宜控制在0.4～0.7之间。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于剪力键为短钢筋，如图6所示，短钢筋远离型钢钢板的端部为弯折端部。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于剪力键为小型槽钢，如图7所示，槽钢的侧凹槽部外表面焊接在型钢钢板上。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于剪力键为PBL键，如图8和图9所示，PBL键包括设于型钢钢板上的通孔、***通孔并凸出于通孔两端的钢筋61，钢筋与通孔之间浇注填充有超高性能混凝土62，局部形成UHPC-钢筋组合体系。
实施例5
本实施例与实施例1的不同之处在于型钢钢板为压纹钢板，此时型钢钢板上无需焊接剪力键，压纹钢板上的压纹即充当了剪力键的角色。
压纹钢板上的压纹71一般采用压纹机整体压制，优选地，压纹应为斜向压纹，压纹钢板如图10所示，其作用同于实施例1中剪力键的梅花型布置方式，可确保型钢钢板与超高性能混凝土梁的粘结稳定。
经有限元模拟、模型试验验证，对于50m左右跨径的小箱梁，在受拉区配置配筋率5%的型钢钢板，可很好地克服目前中小跨径超高性能箱梁或T梁预应力张拉过程中截面压应力过大，上拱明显的缺点。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种型钢-超高性能混凝土预应力组合梁，其特征在于，包括超高性能混凝土梁和预应力钢束，超高性能混凝土梁上作为受拉区的底部设有至少一层型钢钢板，型钢钢板上方连接有端部位于超高性能混凝土梁外的预应力筋转向块，所述预应力钢束包括位于超高性能混凝土梁体内部的体内预应力钢束和/或通过预应力筋转向块与超高性能混凝土梁连接的体外预应力钢束；
型钢钢板上固定有剪力键；剪力键焊接于型钢钢板上；
预应力筋转向块包括转向块顶钢板、将转向块顶钢板与型钢钢板相连的连接钢板，连接钢板上设有预应力孔道供体外预应力钢束穿过；
预应力筋转向块还包括同时与转向块顶钢板、型钢钢板和连接钢板连接的剪力连接板，所述剪力连接板垂直于连接钢板，多块剪力连接板在连接钢板上均匀分布。
2.根据权利要求1所述的型钢-超高性能混凝土预应力组合梁，其特征在于，剪力键为专用剪力键、短钢筋和小型槽钢中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的型钢-超高性能混凝土预应力组合梁，其特征在于，剪力键为PBL键，PBL键包括设于型钢钢板上的通孔、***通孔并凸出于通孔两端的钢筋，钢筋与通孔之间浇注填充有超高性能混凝土。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的型钢-超高性能混凝土预应力组合梁，其特征在于，剪力键在型钢钢板上呈梅花型分布。
5.根据权利要求1所述的型钢-超高性能混凝土预应力组合梁，其特征在于，型钢钢板为压纹钢板。
6.根据权利要求1所述的型钢-超高性能混凝土预应力组合梁，其特征在于，型钢钢板两端分别设置有端锚板。
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