本發(fā)明屬于橋梁工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于粘結(jié)波折件的鋼纖維混凝土組合鋼橋面板。本發(fā)明采用新型鋼波折剪力連接件和粘結(jié)連接，實現(xiàn)組合鋼橋面板設計，主要用于提升鋼橋面板疲勞性能、改善鋼橋面板局部剛度、提高鋼橋面板的鋪裝層耐久性、延長鋼橋面板鋪裝層使用壽命。

背景技術(shù)：

正交異性鋼橋面板因自重輕、承載能力大、施工方便等優(yōu)勢在大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中得到廣泛應用，但正交異性鋼橋面板的復雜構(gòu)造引入諸多疲勞細節(jié)。隨著交通運輸行業(yè)的迅速發(fā)展，交通量、車重和車速都不斷提高，由此引發(fā)的正交異性鋼橋面板疲勞裂紋檢測、剩余壽命計算、使用安全評估與維修加固問題不容忽視。目前，正交異性鋼橋面板的疲勞開裂與疲勞壽命已成為國內(nèi)外的熱點研究問題。這也是該發(fā)明要解決的技術(shù)難題。

為了提高正交異性鋼橋面板的使用壽命，國內(nèi)學者就正交異性鋼橋面板的疲勞、鋪裝層耐久性等問題已展開諸多研究，提出系列正交異性鋼橋面板的設計與加固方法，如：(1)粘貼鋼板法；(2)閉口縱肋內(nèi)填充輕質(zhì)混凝土；(3)焊接栓釘，加鋪混凝土法；(4)在鋼橋面板底部縱向焊縫附近粘貼型鋼桿件等。然而，既有工程實踐表明，正交異性鋼橋面板的疲勞開裂問題與其上鋪裝層的耐久性問題仍未得到有效解決，仍需探尋更為有效的正交異性鋼橋面板設計與加固方法。

本發(fā)明以解決正交異性鋼橋面板的疲勞問題和鋪裝層受用壽命短為研究目標，通過采用超高性能鋼纖維混凝土這種新型材料，開發(fā)新型波折剪力連接件，提出基于粘結(jié)新型剪力連接件的正交異性鋼橋面板組合層設計方法。該發(fā)明中的設計方法在不增加結(jié)構(gòu)自重的同時，提高了結(jié)構(gòu)局部剛度、降低了疲勞細節(jié)處的疲勞應力水平、優(yōu)化鋪裝層性能，該結(jié)構(gòu)型式經(jīng)濟高效。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的典型病害，提出基于超高性能鋼纖維混凝土和粘結(jié)新型波折剪力連接件的組合鋼橋面板。

解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是具有以下步驟：

s1、對鋼橋面板蓋板采用高壓氣槍進行除塵、清潔；

s2、在鋼橋面板蓋板上粘結(jié)剪力連接件，相鄰剪力連接件之間的縱向距離為10cm～20cm，橫向距離為8cm～15cm；

s3、在鋼橋面板蓋板和剪力連接件上現(xiàn)澆超高性能鋼纖維混凝土；

上述的剪力連接件為截面形狀是帶有水平邊沿的等腰梯形鋼板，水平邊沿的寬度l1為40～80mm，等腰梯形斜邊與底邊的夾角α為40°～50°，等腰梯形的高為25～35mm，等腰梯形的頂邊為30mm～40mm，鋼板厚度為4mm～6mm，等腰梯形的斜邊鋼板上設置有20mmx50mm的矩形開口，等腰梯形鋼板的水平邊沿粘結(jié)在鋼橋面板蓋板上。

本發(fā)明的等腰梯形鋼板的水平邊沿通過環(huán)氧樹脂膠粘結(jié)在鋼橋面板蓋板上。

本發(fā)明的環(huán)氧樹脂膠的厚度為2～4mm。

本發(fā)明的鋼橋面板蓋板厚度在原始設計基礎上降低2～4mm。

本發(fā)明的超高性能鋼纖維混凝土鋪裝層，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(fā)明的剪力連接件的水平邊沿縱向粘結(jié)在鋼橋面板蓋板上，或者橫向粘結(jié)在鋼橋面板蓋板上，或者相鄰兩排剪力連接件縱橫交錯粘結(jié)在鋼橋面板蓋板上。

本發(fā)明的超高性能鋼纖維混凝土的配合比如下：

上述質(zhì)量配比中，水泥是型號為po425水泥；硅灰的顆粒分布范圍為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于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制備方法為：

1)按配合比稱取各干粉類材料，依次將水泥、砂、硅灰、減水劑b組分加入強制式攪拌機內(nèi)，干拌5分鐘，拌合均勻，制備成干料。

2)依次將二分之一的減水劑a組分、水加入干料內(nèi)進行攪拌，均速攪拌5～8分鐘。

3)將剩余的二分之一的減水劑a組分與水加入干料內(nèi)進行攪拌，均速攪拌5～8分鐘，攪拌均勻。

4)繼續(xù)均速攪拌，分3～5次加入鋼纖維，持續(xù)攪拌至鋼纖維均勻分布，停止攪拌。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下的有益效果：

(1)與傳統(tǒng)鋪裝層相比，，在受力特點方面，超高性能鋼纖維混凝土組合鋪裝層不僅抗壓強度高，而且具有抗拉強度，滿足正交異性鋼橋面板復雜的正、負彎矩區(qū)受力要求；在施工方面，超高性能鋼纖維混凝土流動性強、施工方便、不需要振搗、養(yǎng)護方便；在耐久性方面，超高性能鋼纖維混凝土鋪裝層結(jié)構(gòu)密實性高，具有更優(yōu)越的防水、防腐蝕、耐磨耗性能。

(2)采用粘結(jié)剪力連接件，實現(xiàn)超高性能鋼纖維混凝土鋪裝層與鋼橋面板蓋板的組合設計，使鋪裝層與正交異性鋼橋面板共同受力。與傳統(tǒng)剪力連接件形式以及焊接連接件的制造方式相比，粘結(jié)剪力連接件避免了由于焊接制造而引入新的疲勞細節(jié)；與栓釘?shù)葌鹘y(tǒng)剪力連接件相比，剪力連接件滿足正交異性鋼橋面板正、負彎矩多變的受力特點。采用粘結(jié)剪力連接件進行組合設計不僅組合效果良好，而且施工方便快捷、成本低、容易控制施工質(zhì)量。

(3)剪力連接件可以實現(xiàn)鋪裝層與正交異性鋼橋面板的協(xié)同受力，有效提高結(jié)構(gòu)局部剛度，改善鋼橋面板疲勞細節(jié)的應力幅。此外，波折剪力連接件對鋪裝層受力具有強化作用，也約束了鋪裝層的裂縫張開，提高了鋪裝層的耐久性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1中剪力連接件2的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是第一組試驗梁。

圖4是第二組試驗梁。

圖5是1號試驗梁荷載-位移曲線。

圖6是1號試驗梁荷載-相對滑移曲線。

圖7是1號試驗梁試驗后破壞形態(tài)圖。

圖8是2號試驗梁荷載-位移曲線。

圖9是2號試驗梁荷載-相對滑移曲線。

圖10是2號試驗梁試驗后破壞形態(tài)圖。

圖11是實施例1齡期為14天的拉伸試件試驗前的照片。

圖12是實施例1齡期為14天的拉伸試件試驗后的照片。

圖13是實施例1齡期為28天的拉伸試件試驗前的照片。

圖14是實施例1齡期為28天的拉伸試件試驗后的照片。

圖中：1、鋼橋面板蓋板；2、剪力連接件；3、超高性能鋼纖維混凝土鋪裝層。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明，但是本發(fā)明不限于這些實施例。

實施例1

在圖1、2中，本發(fā)明基于粘結(jié)波折件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采用高壓氣槍進行除塵、清潔；

s2、在鋼橋面板蓋板1上采用環(huán)氧樹脂膠粘結(jié)設置波折剪力連接件2，本實施例環(huán)氧樹脂膠的厚度為2～4mm，本實施例的環(huán)氧樹脂膠選擇條件為：(a)適用于粘結(jié)鋼板與鋼板、鋼板與混凝土；(b)適用于橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件；(c)抗壓強度、抗剪強度、彈性模量、剪切模量需滿足結(jié)構(gòu)受力要求；(d)硬化時間不宜小于10小時，以保證足夠的施工時間。本實施例采用西卡環(huán)氧樹脂膠粘結(jié)，在施工可行性方面，該環(huán)氧樹脂膠容易混合和施工，可用于濕潤的混凝土表面，具有足夠的粘稠度；在強度方面，該環(huán)氧樹脂膠具有滿足結(jié)構(gòu)強度要求的抗彎能力、抗剪能力，且具有高抗磨損和抗振動性；在耐久性方面，該環(huán)氧樹脂膠固化后無收縮，具有良好的耐溫性，且在長期荷載下高抗蠕變性。

上述的剪力連接件2為截面形狀是帶有水平邊沿的等腰梯形鋼板，水平邊沿的寬度l1為40至80mm，等腰梯形斜邊與底邊的夾角α為40°～50°，等腰梯形的高為25～35mm，等腰梯形的頂邊為30mm～40mm，鋼板厚度為4mm～6mm，等腰梯形的斜邊鋼板上設置有20mm×50mm的矩形開口，等腰梯形鋼板的水平邊沿粘結(jié)在鋼橋面板蓋板1上，等腰梯形斜邊鋼板上的矩形開口可實現(xiàn)現(xiàn)澆超高性能鋼纖維混凝土順暢流入，保證現(xiàn)澆超高性能鋼纖維混凝土密實填充于剪力連接件內(nèi)部。相鄰剪力連接件2之間的縱向距離為10cm～20cm，橫向距離為8cm～15cm；本實施例的剪力連接件2的水平邊沿可縱向粘結(jié)在鋼橋面板蓋板1上，或者橫向粘結(jié)在鋼橋面板蓋板1上，或者相鄰兩排剪力連接件縱橫交錯粘結(jié)在鋼橋面板蓋板1上；

s3、在鋼橋面板蓋板和剪力連接件上現(xiàn)澆超高性能鋼纖維混凝土鋪裝層；本實施例的超高性能鋼纖維混凝土鋪裝層，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。與傳統(tǒng)混凝土鋪裝層相比，不僅抗壓強度高，而且具有抗拉強度，本實施例的超高性能鋼纖維混凝土鋪裝層流動性強、具有自密實性，不需要振搗等優(yōu)點，同時本實施例的超高性能鋼纖維混凝土鋪裝層致密、防水、耐磨損，可以取消傳統(tǒng)的防水層設計；

由于采用了粘結(jié)剪力連接件2和超高性能鋼纖維混凝土鋪裝層3的組合設計方法，可有效提高結(jié)構(gòu)局部剛度，故鋼橋面板蓋板1厚度可在原始設計基礎上降低2～4mm；

本實施例的超高性能鋼纖維混凝土的材料組成主要包括：水泥、硅灰、標準砂或河沙、高效減水劑、水、表面鍍銅的鋼纖維等。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；硅灰的顆粒分布范圍為0.1～0.15μm，表面積為15～27m²/g；標準砂的最大粒徑均小于0.5mm；鋼纖維為表面鍍銅的鋼纖維,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與b兩種組分配合使用可提高減水劑效果；水為自來水。

本實施例的超高性能鋼纖維混凝土配制過程如下：

1、按配合比稱取各干粉類材料，依次將水泥、砂、硅灰、減水劑b組分加入強制式攪拌機內(nèi)，干拌5分鐘，拌合均勻，制備成干料。

2、依次將二分之一的減水劑a組分、水加入干料內(nèi)進行攪拌，均速攪拌5～8分鐘。

3.將剩余的二分之一的減水劑a組分與水加入干料內(nèi)進行攪拌，均速攪拌5～8分鐘，攪拌均勻。

4.繼續(xù)均速攪拌，分3至5次加入鋼纖維，持續(xù)攪拌至鋼纖維均勻分布，停止攪拌。

發(fā)明人采用本發(fā)明實施例1制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、抗壓強度實驗

采用本發(fā)明實施例1的材料配比及其制備方法制備成長×寬×高為100mm×100mm×100mm的立方體試件2組，每組3個，在室溫條件下覆蓋塑料薄膜養(yǎng)生，其中第1組試件的育齡期為14天，第2組試件的育齡期為28天。采用萬能壓力機，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，測試試件的抗壓強度。

試驗結(jié)果表明：第1組齡期為14天的3個試件，平均軸心抗壓強度為130mpa，換算成150mm標準試件的抗壓強度為123.5mpa，第2組齡期為28天的3個試件，平均軸心抗壓強度為150mpa，換算成150mm標準試件的抗壓強度為142.5mpa。

2、拉伸試驗

采用本發(fā)明實施例1的材料配比及其制備方法制備成長×寬×厚為450mm×130mm×30mm的試件2組，每組2個，在室溫條件下覆蓋塑料薄膜養(yǎng)生，其中第1組試件的齡期為14天，第2組試件的齡期為28天。采用ans電子拉力試驗機測試試件的抗拉強度。試驗前將應變計、應變片布置在試件的測試標距段內(nèi)。按儀器的操作方法對試件進行拉伸試驗，試驗前、試驗后的照片如圖11～圖14。試驗結(jié)果表明，第1組2個試件的平均抗拉彈性強度為3.9mpa，平均抗拉極限強度為6.8mpa；對第2組試件的測試后，1個試樣由于操作原因，破壞形態(tài)無效，另1個有效試件的抗拉彈性強度為4.9mpa，抗拉極限強度為7.8mpa。采用本發(fā)明的設計方法制造的鋼橋面板的試驗研究如下：

實施例2

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(zhì)量配比的材料成：

上述的水泥是型號為po425水泥；硅灰的顆粒分布范圍為0.1～0.15μm，表面積為15～27m²/g；標準砂的最大粒徑均小于0.5mm；鋼纖維為表面鍍銅的鋼纖維,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與b兩種組分配合使用可提高減水劑效果；水為自來水。

其制備方法如下與實施例1相同。

實施例3

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(zhì)量配比的材料成：

上述的水泥是型號為po425水泥；硅灰的顆粒分布范圍為0.1～0.15μm，表面積為15～27m²/g；標準砂的最大粒徑均小于0.5mm；鋼纖維為表面鍍銅的鋼纖維,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與b兩種組分配合使用可提高減水劑效果；水為自來水。

其制備方法與實施例1相同。

為了驗證本發(fā)明所提出的設計方法的有效性，開展粘結(jié)剪力連接件的正交異性鋼橋面板組合層設計方法試驗研究。

正交異性鋼橋面板蓋板可視為支撐于u肋上的連續(xù)梁，在車輛輪載的作用下，承擔正彎矩與負彎矩的交替作用。故設計了2組試驗梁以模擬正彎矩、負彎矩區(qū)的受力情況。第一組試驗梁的受壓翼緣采用uhpfrc，受拉翼緣采用鋼板；第二組試驗梁的受拉翼緣采用uhpfrc，受壓翼緣采用鋼板。

為了提高超高性能鋼纖維混凝土組合層的抗彎強度，本發(fā)明提出一種剪力連接件的設計。采用在環(huán)氧樹脂粘結(jié)層上粘貼剪力連接件真實模擬uhpfrc與鋼蓋板之間的組合效應，將一個剪力連接件粘結(jié)在鋼板的中間部位。

為防止加載過程中超高性能鋼纖維混凝土和剪力連接之間發(fā)生滑移，的剪力連接件2為截面形狀是帶有水平邊沿的等腰梯形鋼板，水平邊沿的寬度l1為75mm，等腰梯形斜邊與底邊的夾角α為49°，等腰梯形的高為30mm，等腰梯形的頂邊為40mm，鋼板厚度為4mm，等腰梯形的斜邊鋼板上設置有20×50mm的矩形開口，等腰梯形鋼板的水平邊沿粘結(jié)在鋼橋面板蓋板上，通過等腰梯形斜邊鋼板上的矩形開口現(xiàn)澆超高性能鋼纖維混凝土使剪力連接件與現(xiàn)澆超高性能鋼纖維混凝土之間連接密實。

第一組試驗梁加載如圖3，第二組試驗梁加載如圖4。加工制造4片試驗梁進行測試，試驗梁具體幾何尺寸如下表1。

表1試驗梁尺寸表(單位：mm)

第一組試驗梁的試驗結(jié)果：

1號試驗梁的抗彎過程可用荷載與撓度曲線、荷載-相對滑移曲線表示，見圖5、6。荷載從0加載到35kn時，鋼板和uhpfrc無相對滑移。荷載從33kn加載到75kn(鋼板屈服)時，荷載位移曲線為線性增長，相對滑移從0.065mm增加到0.4mm。荷載從75kn加載到95.5kn(鋼板極限荷載)時，荷載位移曲線為線性增長，相對滑移從0.4mm增加到0.6mm。當鋼板屈服以后，肉眼可以觀察到裂縫和剝離。荷載從95.5kn加載到106kn(極限承載力)時，荷載位移曲線為非線性增長，相對滑移從0.6mm增加到1.17mm，非線性曲線標志著應力重分配。當相對位移從1.0mm增長到1.7mm時，荷載在極限承載力維持一段時間，期間粘結(jié)層界面剝離現(xiàn)象嚴重，裂縫擴展明顯。極限承載力之后，荷載降載到100kn，相對位移從1.7mm快速的增長到4.3mm，跨中撓度從5.8mm增長到19.5mm，試驗后破壞形態(tài)見圖7。

由1號試驗梁荷載-相對滑移曲線可知，試驗梁鋼蓋板發(fā)生屈服之前，uhpfrc翼緣與鋼蓋板之間的相對滑移數(shù)值幾乎為0，證明二者之間具有良好的組合效應。隨著繼續(xù)加載，鋼蓋板進入材料強化階段，二者之間的相對變形不斷增加，從而促使組合層失效。從試驗結(jié)果可知，基于環(huán)氧樹脂粘結(jié)層+剪力連接件的組合設計方法在蓋板發(fā)生屈服及屈服之前均具有穩(wěn)定的組合效應，滿足正交異性鋼橋面的受力要求。假如不考慮uhpfrc組合層的貢獻，相同尺寸與加載工況的鋼板抗彎屈服強度為45kn?？紤]uhpfrc組合層的貢獻，1號試驗梁的鋼蓋板屈服時試驗梁抗彎承載力為95kn?？梢?，基于環(huán)氧樹脂粘結(jié)層和剪力連接件的組合設計方法可使試樣承載能力提高了2.11倍，驗證了本發(fā)明所提出設計方法的有效性。

第二組試驗梁的試驗結(jié)果：

2號試驗梁的抗彎過程可用荷載與撓度曲線、荷載-相對滑移曲線表示，見圖8、9。當加載到64kn時，試驗梁出現(xiàn)聲響，底部出現(xiàn)可見裂縫。當荷載達到90kn時，試驗梁持續(xù)出現(xiàn)聲響。當荷載增大到120kn時，裂縫從uhpfrc底部貫穿到頂部，開裂聲持續(xù)出現(xiàn)。之后荷載突然卸載到110kn，跨中底部可觀察到明顯裂縫。然后荷載又增加到并維持在120kn，跨中撓度從5.4mm增長到8.6mm。最終裂縫張開，試樣梁破壞，試驗后破壞形態(tài)見圖10。

由2號試驗梁荷載-相對滑移曲線可知，試驗梁鋼蓋板發(fā)生屈服之前，uhpfrc翼緣與鋼蓋板之間的相對滑移數(shù)值幾乎為0，證明二者之間具有良好的組合效應。隨著繼續(xù)加載，鋼蓋板進入材料強化階段，二者之間的相對變形不斷增加，從而促使組合層失效。從試驗結(jié)果可知，基于環(huán)氧樹脂粘結(jié)層的組合設計方法在蓋板發(fā)生屈服及屈服之前均具有穩(wěn)定的組合效應，滿足正交異性鋼橋面的受力要求。

假如不考慮uhpfrc組合層的貢獻，相同尺寸與加載工況的鋼板抗彎屈服強度為63kn?？紤]uhpfrc組合層的貢獻，2號試驗梁的鋼蓋板屈服時試驗梁抗彎承載力為75kn?？梢姡谡辰Y(jié)層的uhpfrc組合層設計方法可使試樣承載能力提高了1.14倍，驗證了本發(fā)明所提出設計方法的有效性。