CN112982142B - 一种冷弯薄壁型钢腹板组合pc箱梁 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷弯薄壁型钢腹板组合PC箱梁，包括上翼缘、下翼缘以及两个桁架式冷弯型钢组合腹板。腹板和下翼缘均由冷弯薄壁型钢组合而成，减轻梁体自重，实现跨度的突破。腹板及下翼缘采用桁架的形式，可以提高结构的整体稳定性，从而解决冷弯薄壁型钢局部稳定性差的问题。腹板采用冷弯薄壁型钢从根本上解决了普通预应力混凝土梁桥腹板易开裂的病害问题。冷弯薄壁型钢及预制叠合板的工厂化生产可以有效加快施工进度，提高构件质量。本发明具有装配速度快、标准化程度高、造价低廉、自重轻、抗弯及抗裂性能优，可有效解决传统混凝土箱梁构件施工复杂、造价高、自重大、腹板易开裂等问题，适用于桥梁结构主梁或者建筑结构主、次梁等构件。

Description

一种冷弯薄壁型钢腹板组合PC箱梁

技术领域

本发明涉及一种具有自重轻、标准化程度高、抗裂性能好、造价低廉等优点的冷弯薄壁型钢腹板组合PC箱梁，属于桥梁工程结构领域，亦可用于建筑结构技术领域。

背景技术

预应力混凝土桥梁是我国常见的桥型之一。然而随着其广泛的应用，预应力混凝土桥梁在施工、运营过程中存在的一系列问题也逐渐显现出来。该种桥梁结构在施工阶段存在梁体自重大，不易运输，现场湿作业较多、预应力管道隐蔽施工质量难保证等问题。而在运营阶段存在的主要问题为：腹板易开裂、收缩徐变大、预应力损失明显、跨中长期性下挠以及混凝土耐久性差等。这些问题在一定程度上限制并制约了预应力混凝土桥梁在跨径上的进一步突破。为了推进预应力混凝土桥梁的应用与发展，近年来我国基于普通钢筋混凝土箱梁和钢箱梁，对箱梁的形式进行了不断的探索，钢-混凝土组合梁在桥梁结构中的应用越来越广泛。

近年来，冷弯薄壁型钢在轻钢结构中的广泛应用为新型箱梁结构形式的提出提供了新的思路。冷弯薄壁型钢可用作钢架、桁架、梁柱等承重结构，也可用作屋面板、楼板等次要构件。冷弯薄壁型钢结构具有自重轻、强度高、抗震性能好、造价低、自动化程度高等特点，将其应用于大跨结构更能彰显其优势。冷弯薄壁型钢和混凝土结合而形成的组合结构可以充分发挥不同材料的优势，具有优异的结构性能，不但可以满足结构的功能使用要求，还能产生很好的经济效应。目前冷弯薄壁型钢—混凝土组合结构多应用于工业厂房、民用建筑(特别是轻钢住宅)中。而由于其薄壁的特点，冷弯薄壁型钢组合结构普遍存在着诸如连接构造施工复杂、腹板稳定性较差、抗屈曲能力不足等问题，这些不足限制了其进一步的推广和应用。因此，本发明提出了一种冷弯薄壁型钢腹板组合PC箱梁，其具有良好稳定性、抗震性能优、构造简单、标准化程度高、价格低廉等优点，可用于简支梁桥、连续梁桥、连续刚构桥、拱桥等桥梁结构主梁，亦可用于建筑结构主、次梁等构件中。该型箱梁结构的提出可为冷弯薄壁型钢组合结构的进一步推广与应用提供基础，具有显著的理论意义和实际应用价值。

发明内容

为解决传统混凝土箱梁构件施工复杂、造价高、自重大、腹板易开裂等问题，充分利用冷弯薄壁型钢结构自重轻、强度高、抗震性能好、造价低、自动化程度高等特点，本发明提供了一种装配速度快、标准化程度高、造价低廉、自重轻并具备优异的抗弯、抗裂性能等优点的冷弯薄壁型钢腹板组合PC箱梁，适用于桥梁结构主梁或者建筑结构主、次梁等构件。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种冷弯薄壁型钢腹板组合PC箱梁，其特征在于：包括上翼缘(1)、下翼缘(2)、两个桁架式冷弯型钢组合腹板(3)。

所述上翼缘(1)由预制混凝土叠合板(1a)和现浇混凝土段(1b)组成，预制混凝土叠合板(1a)可为普通钢筋混凝土构件，也可为预应力混凝土构件，预制混凝土叠合板(1a)和现浇混凝土段(1b)的混凝土材料均可依据实际需求选用普通混凝土、再生混凝土、高性能混凝土(UHPC)等材料。预制混凝土叠合板(1a)设置有贯穿板厚的不同形状的后浇孔(1c)，后浇孔(1c)用来增加预制混凝土叠合板(1a)与现浇混凝土段(1b)之间的粘结，后浇孔(1c)可为圆形、矩形、三角形等。预制混凝土叠合板(1a)沿着其两条纵边分别设置了一排安装孔(1d)用于与腹板进行连接。

所述桁架式冷弯型钢组合腹板(3)由上弦杆(3a)、下弦杆(3b)、竖腹杆(3c)、斜腹杆(3d)组成。其中，上弦杆(3a)和下弦杆(3b)采用U型冷弯薄壁型钢，竖腹杆(3c)和斜腹杆(3d)采用C型冷弯薄壁型钢，桁架高度根据实际工程(桥梁结构或建筑结构)需求进行选择。斜腹杆与上下弦杆的夹角在30°～60°之间，竖腹杆(3c)和斜腹杆(3d)的间距为50～100mm，竖腹杆(3c)和斜腹杆(3d)同上弦杆(3a)和下弦杆(3b)的连接采用自攻自钻螺钉等连接件(5)进行连接。

所述上翼缘(1)与桁架式冷弯型钢组合腹板(3)采用L型角钢连接件(4)以及对穿螺栓进行连接。L型角钢连接件(4)的长肢(4a)和桁架式冷弯型钢组合腹板(3)的上弦杆(3a)设置有位置一一对应的安装孔，在L型角钢连接件的短肢(4b)处设置有一排预留孔，预制混凝土叠合板(1)中的横向钢筋(1e)穿过该预留孔，并通过现浇混凝土段(1b)形成上翼缘(1)，该种形式可以有效地加强上翼缘与腹板的整体性。

所述下翼缘(2)亦采用桁架式冷弯型钢组合翼缘板，桁架式冷弯型钢组合腹板(3)的下弦杆(3b)作为下翼缘(2)的弦杆支撑，下翼缘(2)的水平支撑(2a)和斜撑(2b)均采用C型冷弯薄壁型钢。下翼缘(2)的水平支撑(2a)和斜撑(2b)可为上翼缘混凝土板的浇筑提供支撑并充当模板。下翼缘(2)的水平支撑(2a)和斜撑(2b)通过带有安装孔的C型冷弯薄壁型钢连接件(6)和自攻自钻螺钉等连接件(5)进行连接。下翼缘(2)的水平支撑(2a)和斜撑(2b)按照指定位置、指定角度插入到C型冷弯薄壁型钢连接件(6)中，并采用自攻螺钉等连接件(5)将下翼缘(2)的水平支撑(2a)和斜撑(2b)拼装起来，之后采用自攻螺钉等连接件(5)将桁架式冷弯型钢组合腹板(3)的下弦杆(3b)同C型冷弯薄壁型钢连接件(6)进行连接。

所述连接件(5)可为自攻自钻螺钉连接、拉铆钉连接、射钉连接、高强螺栓、锁铆连接等连接构件。连接件的尺寸、间距、数目等布置方式可以根据实际工程需求进行选择。

所述冷弯薄壁型钢均为1.5mm～6mm厚的镀锌冷弯薄壁型钢，钢材规格可为Q235、Q345等。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明合理的利用了冷弯薄壁型钢和混凝土两种材料，可以在减轻结构自重的同时改善结构的力学性能。腹板和下翼缘均由自重轻、造价低、强度高、工业化程度高的冷弯薄壁型钢组合而成，质量得以保证，可以有效加快施工进度。该型箱梁还能有效减轻梁体自重，减少恒载，进而降低地震力，不仅提高了结构的安全性，还可实现跨度的突破，非常适用于中、大跨度梁体。此外，采用冷弯薄壁型钢还可以有效降低梁高，使结构外形更加纤巧，也可用于有限高或者景观要求的城市桥梁和建筑悬挑。

(2)本发明中连接件的连接方式可采用自攻自钻螺钉连接、拉铆钉连接、射钉连接、高强螺栓、锁铆连接等连接方法，该方式可有效提高装配进度，且易于操作。同时，可以避免由于焊接导致局部连接处的加工硬化被消除，局部强度回到了其热轧材的强度，使得局部连接处强度下降，严重影响结构的疲劳强度。

(3)本发明采用箱型截面梁，作为闭口截面能够有效地提高截面抗弯能力和抗扭能力，进而提高箱梁结构整体的稳定性。腹板及下翼缘采用桁架的形式，可以进一步提高结构的整体稳定性，从而解决冷弯薄壁型钢局部稳定性差的问题，同时下翼缘和腹板可作为上翼缘现场施工的模板，进一步降低了模板制作和施工的工期。腹板采用冷弯薄壁型钢从根本上解决了普通预应力混凝土梁桥腹板易开裂的病害问题。由于腹板主要用于抗剪，其抗压能力很低，使得顶底板混凝土的抗压能力利用更为充分。

附图说明

图1为一种冷弯薄壁型钢腹板组合PC箱梁的轴测图；

图2为一种冷弯薄壁型钢腹板组合PC箱梁的装配构件轴测图；

图3为一种冷弯薄壁型钢腹板组合PC箱梁的预制混凝土叠合板轴测图；

图4为一种冷弯薄壁型钢腹板组合PC箱梁的桁架式腹板轴测图；

图5为一种冷弯薄壁型钢腹板组合PC箱梁的腹板和下翼缘连接轴测图；

图6为一种冷弯薄壁型钢腹板组合PC箱梁的角钢轴测图；

图中，1-上翼缘，1a-预制混凝土叠合板，1b-现浇混凝土段，1c-后浇孔，1d-预制混凝土叠合板的安装孔，1e-横向钢筋，2-下翼缘，2a水平支撑，2b-斜撑，3-桁架式腹板，3a-上弦杆，3b-下弦杆，3c-竖腹杆，3d-斜腹杆，3e-上弦杆的安装孔，4-角钢连接件，4a-L型角钢连接件的长肢，4b-L型角钢连接件的短肢，4c-长肢上的安装孔，5-自攻自钻螺钉等连接件，6-C型冷弯薄壁型钢连接件。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

优选实例一：

如图1所示，本实例提供了用于桥梁结构主梁的一种冷弯薄壁型钢腹板组合PC箱梁，包括上翼缘(1)、桁架式冷弯型钢组合下翼缘(2)、桁架式冷弯型钢组合腹板(3)、角钢连接件(4)、自攻自钻螺钉等连接件(5)及C型冷弯薄壁型钢连接件(6)。

如图2-3所示，所述上翼缘(1)由预制混凝土叠合板(1a)和现浇混凝土段(1b)组成，预制混凝土叠合板(1a)为UHPC-钢筋混凝土板，板厚300mm。现浇混凝土段(1b)为UHPC材料。预制混凝土叠合板(1a)设置有贯穿板厚的圆形后浇孔(1c)。后浇孔(1c)在现浇混凝土段(1b)施工过程中一并采用UHPC填充。预制混凝土叠合板(1c)两条纵边设置有间距为200mm的安装孔(1d)，并通过对穿螺栓同桁架式冷弯型钢腹板(3)、角钢连接件(4)进行连接。该预制叠合板在工厂预制完成后运至施工现场。

所述桁架式冷弯型钢组合下翼缘(2)和桁架式冷弯型钢组合腹板(3)均采用冷弯薄壁型钢，首先在预制工厂将所需的U型、C型、L型冷弯薄壁型钢按照图纸尺寸制作好，并在对应的位置开好孔洞。实际施工时，将桁架式冷弯型钢组合下翼缘(2)和桁架式冷弯型钢组合腹板(3)先进行部分拼装再运至施工现场。

如图4所示，所述桁架式冷弯型钢组合腹板(3)主要由上弦杆(3a)、下弦杆(3b)、竖腹杆(3c)、斜腹杆(3d)组成。其中，所述上弦杆(3a)和下弦杆(3b)采用U型冷弯薄壁型钢，上弦杆的顶面内缘设置了一排安装孔(3e)，用于同角钢连接件(4)、预制混凝土叠合板(1a)进行连接。竖腹杆(3c)和斜腹杆(3d)采用C型冷弯薄壁型钢，桁架总高度为2000mm。斜腹杆与上下弦杆的夹角在30°～60°之间，竖腹杆(3c)和斜腹杆(3d)的间距为50～100mm。在拼装腹板时，首先固定上弦杆(3a)和下弦杆(3b)的位置，将两者侧放在地面，然后将竖腹杆(3c)和斜腹杆(3d)按照指定位置、指定角度插入到上弦杆(3a)和下弦杆(3b)的内部，并将腹杆与弦杆的安装孔洞一一对齐，采用自攻螺钉等连接件(5)进行腹杆与弦杆的连接。

如图5所示，所述下翼缘亦采用桁架式冷弯型钢组合翼缘(2)，桁架式冷弯型钢组合腹板(3)的下弦杆(3b)作为下翼缘(2)的弦杆支撑，下翼缘(2)的水平支撑(2a)和斜撑(2b)均采用C型冷弯薄壁型钢(6)和自攻螺钉等连接件(5)进行拼装。在预制工厂中，先将下翼缘(2)的水平支撑(2a)和斜撑(2b)按照指定位置、指定角度插入到C型冷弯薄壁型钢连接件(6)中，并将预留孔进行对齐，采用自攻螺钉等连接件(5)将下翼缘的水平支撑(2a)和斜撑(2b)拼装起来。

在实际施工时，在施工现场先进行桁架式冷弯型钢组合腹板(3)与桁架式冷弯型钢组合下翼缘(2)的拼装，如图5所示，通过自攻螺钉等连接件(5)将腹板的下弦杆(3b)与下翼缘侧面的C型冷弯薄壁型钢连接件(6)进行连接。之后在桁架式冷弯型钢组合腹板(3)的上弦杆(3a)上放置L型角钢连接件(4)，L型角钢连接件(4)的长肢(4a)上设置有与上弦杆(3a)顶面的安装孔(3e)一一对应的孔洞(4c)，在L型角钢连接件(4)的短肢(4b)处设置有一排预留孔，在L型角钢连接件(4)之上再放置预制混凝土叠合板(1a)，预制混凝土叠合板(1a)的横向钢筋(1e)穿过L型角钢连接件(4)的短肢(4b)的预留孔。调整预制混凝土叠合板(1a)的位置，将预制混凝土叠合板(1a)上的安装孔(1e)同角钢长肢的安装孔(4c)、上弦杆(3a)上的安装孔(3e)进行对齐，然后通过对穿螺栓将预制混凝土叠合板(1a)、L型角钢(4)、腹板的上弦杆(3a)进行连接，该种连接方式可以有效加强上翼缘与腹板的连接整体性。最后搭建模板，进行混凝土的浇筑工作。

优选实例二：

本实例提供了用于建筑结构主次梁的一种冷弯薄壁型钢腹板组合PC箱梁。

所述上翼缘(1)由预制混凝土叠合板(1a)和现浇混凝土段(1b)组成，预制混凝土叠合板(1a)为再生混凝土-钢筋混凝土板，板厚70mm。现浇混凝土段(1b)为再生混凝土材料。预制混凝土叠合板(1a)设置有贯穿板厚的方形后浇孔(1c)。后浇孔(1c)在现浇混凝土段(1b)施工过程中一并采用再生混凝土填充。预制混凝土叠合板(1c)两条纵边设置有间距为100mm的安装孔(1d)，并通过对穿螺栓同桁架式冷弯型钢腹板(3)、角钢连接件(4)进行连接。该预制叠合板在工厂预制完成后运至施工现场。

所述桁架式冷弯型钢组合下翼缘(2)和桁架式冷弯型钢组合腹板(3)均采用冷弯薄壁型钢，首先在预制工厂将所需的U型、C型、L型冷弯薄壁型钢按照图纸尺寸制作好，并在对应的位置开好孔洞。实际施工时，将桁架式冷弯型钢组合下翼缘(2)和桁架式冷弯型钢组合腹板(3)先进行部分拼装再运至施工现场。

所述桁架式冷弯型钢组合腹板(3)主要由上弦杆(3a)、下弦杆(3b)、竖腹杆(3c)、斜腹杆(3d)组成。其中，所述上弦杆(3a)和下弦杆(3b)采用U型冷弯薄壁型钢，上弦杆的顶面内缘设置了一排安装孔(3e)，用于同角钢连接件(4)、预制混凝土叠合板(1a)进行连接。竖腹杆(3c)和斜腹杆(3d)采用C型冷弯薄壁型钢，桁架总高度为500mm。斜腹杆与上下弦杆的夹角为45°，竖腹杆(3c)和斜腹杆(3d)的间距为50mm。在拼装腹板时，首先固定上弦杆(3a)和下弦杆(3b)的位置，将两者侧放在地面，然后将竖腹杆(3c)和斜腹杆(3d)按照指定位置、指定角度插入到上弦杆(3a)和下弦杆(3b)的内部，并将腹杆与弦杆的安装孔洞一一对齐，采用锁铆连接方式进行腹杆与弦杆的连接。

所述下翼缘亦采用桁架式冷弯型钢组合翼缘(2)，桁架式冷弯型钢组合腹板(3)的下弦杆(3b)作为下翼缘(2)的弦杆支撑，下翼缘(2)的水平支撑(2a)和斜撑(2b)均采用C型冷弯薄壁型钢(6)和锁铆连接等连接件(5)进行拼装。在预制工厂中，先将下翼缘(2)的水平支撑(2a)和斜撑(2b)按照指定位置、指定角度插入到C型冷弯薄壁型钢连接件(6)中，并将预留孔进行对齐，采用锁铆连接等连接件(5)将下翼缘的水平支撑(2a)和斜撑(2b)拼装起来。

具体的施工方式同优选实例一，此处不作赘述。

以上所述仅是本发明专利的优选实施方式，但本发明专利的实施不限于此。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种冷弯薄壁型钢腹板组合PC箱梁，其特征在于：包括上翼缘（1）、下翼缘（2）、两个桁架式冷弯型钢组合腹板（3），所述上翼缘（1）由预制混凝土叠合板（1a）和现浇混凝土段（1b）组成，预制混凝土叠合板（1a）沿着其两条纵边分别设置一排安装孔（1d）用于与腹板进行连接；所述桁架式冷弯型钢组合腹板（3）由上弦杆（3a）、下弦杆（3b）、竖腹杆（3c）、斜腹杆（3d）组成，上弦杆（3a）和下弦杆（3b）采用U型冷弯薄壁型钢，竖腹杆（3c）和斜腹杆（3d）采用C型冷弯薄壁型钢；上翼缘（1）与桁架式冷弯型钢组合腹板（3）采用L型角钢连接件（4）以及对穿螺栓进行连接，所述L型角钢连接件（4）的长肢（4a）和桁架式冷弯型钢组合腹板（3）的上弦杆（3a）设置有位置一一对应的安装孔，在L型角钢连接件的短肢（4b）处设置有一排预留孔，预制混凝土叠合板（1a）中的横向钢筋（1e）穿过该预留孔，并通过现浇混凝土段（1b）形成上翼缘（1）；所述下翼缘（2）亦采用桁架式冷弯型钢组合翼缘板，桁架式冷弯型钢组合腹板（3）的下弦杆（3b）作为下翼缘（2）的弦杆支撑，下翼缘（2）的水平支撑（2a）和斜撑（2b）均采用C型冷弯薄壁型钢。

2.根据权利要求1所述的一种冷弯薄壁型钢腹板组合PC箱梁，其特征在于：所述预制混凝土叠合板（1a）为普通钢筋混凝土构件，或者为预应力混凝土构件，预制混凝土叠合板（1a）和现浇混凝土段（1b）的混凝土材料均依据实际需求选用普通混凝土、再生混凝土或高性能混凝土材料，预制混凝土叠合板（1a）设置有贯穿板厚的不同形状的后浇孔（1c），后浇孔（1c）为圆形、矩形或三角形。

3.根据权利要求1所述的一种冷弯薄壁型钢腹板组合PC箱梁，其特征在于：桁架高度根据桥梁结构或建筑结构需求进行选择，斜腹杆与上下弦杆的夹角在30°~60°之间，竖腹杆（3c）和斜腹杆（3d）的间距为50~100mm，竖腹杆（3c）和斜腹杆（3d）同上弦杆（3a）和下弦杆（3b）的连接采用自攻自钻螺钉连接件（5）进行连接。

4.根据权利要求1所述的一种冷弯薄壁型钢腹板组合PC箱梁，其特征在于：所述下翼缘（2）的水平支撑（2a）和斜撑（2b）通过带有安装孔的C型冷弯薄壁型钢连接件（6）和自攻自钻螺钉连接件（5）进行连接，下翼缘（2）的水平支撑（2a）和斜撑（2b）按照指定位置、指定角度插入到C型冷弯薄壁型钢连接件（6）中，并采用自攻自钻螺钉连接件（5）将下翼缘（2）的水平支撑（2a）和斜撑（2b）拼装起来，之后采用自攻自钻螺钉连接件（5）将桁架式冷弯型钢组合腹板（3）的下弦杆（3b）同C型冷弯薄壁型钢连接件（6）进行连接。

5.根据权利要求3或4所述的一种冷弯薄壁型钢腹板组合PC箱梁，其特征在于：所述自攻自钻螺钉连接件（5）还能够为拉铆钉、射钉、高强螺栓或锁铆。

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