钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统及其施工方法

1.本发明属于桥梁领域，尤其涉及一种梁的节段连接系统及其施工方法。


背景技术：

2.在桥梁工程的生产实践中，采用节段预制、现场拼接法施工，是桥梁工程中常见的施工方案。但由于现场环境因素复杂，往往存在梁段对接定位困难、对接不准确、连接不够稳定可靠、施工步骤繁琐等现实问题，极大的降低桥梁工程的建造速度，严重阻碍了桥梁工程快速化建设的发展目标。
3.专利cn114737462a中提出了一种组合箱梁结构及其施工方法，该组合箱梁结构具有施工简易、性能优良、造价适中等特点。但是，当组合箱梁结构采用节段预制、现场拼接法施工时，节段间接缝有湿接缝和干接缝两种做法，对于顶板，为防止今后漏水病害，宜采用湿接缝，对于腹板和底板，如果采用现浇湿接缝，存在现浇湿接缝多，现场施工工作量大的问题，且存在施工精度不高的问题。而腹板采用干接缝，当腹板壁较薄时，如何确保薄壁具有足够的抗剪能力又是急需解决的技术难题。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种施工效率高、安装精度高、腹板抗剪能力强的钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统及其施工方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
5.一种钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统，所述钢内芯-混凝土组合梁包括混凝土外壳和钢内芯，所述钢内芯通过剪力连接件贴合固定在混凝土外壳的内部；所述节段连接系统包括纵桥向相邻设置的钢内芯-混凝土组合梁以及用于连接纵桥向相邻设置的钢内芯-混凝土组合梁的连接组件，所述连接组件包括用于连接相邻钢内芯的紧固组件和用于连接相邻混凝土外壳侧面腹板的咬合齿键组件(即取消湿接缝而采用干接缝)。
6.上述钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统中，优选的，所述咬合齿键组件包括位于所述混凝土外壳两侧腹板端部的多个齿键，上下相邻所述齿键之间具有用于容纳另一相邻所述混凝土外壳两侧腹板端部的齿键的空间，相邻所述混凝土外壳两侧腹板端部的齿键相互匹配且相互咬合成一整体。通过设置匹配的齿键，可以便于组合梁段的定位与连接，起到方便定位嵌合的作用，也能承担结构连续后传递剪力的作用。
7.上述钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统中，优选的，所述齿键的最前端向外延伸超出所述混凝土外壳的端部，即保证对接连接时，本节段的咬合齿键可以伸入相邻节段内并与相邻节段的咬合齿键互相接触并咬合。所述钢内芯的端部向外延伸至所述齿键的纵桥向中部处(需要保证节段连接时相邻钢内芯端部可紧密贴合)。钢内芯纵桥向延伸至齿键的半高处，从而将齿键根部最薄弱处用钢内芯覆盖，由此接缝由单纯的齿键抗剪，变为接缝由齿键和钢内芯共同抗剪，可将腹板接缝抗剪强度提高30-40％，达到接近湿接缝的水平。
8.上述钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统中，优选的，所述混凝土外壳两侧腹板
端部还设有用于遮挡相邻所述齿键咬合后形成的接缝的混凝土板，所述混凝土板位于所述齿键的上方，相邻所述混凝土外壳端部的混凝土板相互匹配。上述混凝土板可与混凝土外壳的腹板一体成型，可用于改善组合梁节段对接后的接缝外形，使之为一平直接缝。
9.上述钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统中，优选的，所述齿键与混凝土外壳一体成型，所述齿键呈梯形。
10.上述钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统中，优选的，所述紧固组件包括螺栓对接钢板和螺栓，所述螺栓对接钢板上开设有螺栓连接孔，所述钢内芯的端部固设有螺栓对接钢板，相邻所述钢内芯的螺栓对接钢板上的螺栓连接孔相互匹配，相邻所述钢内芯的螺栓对接钢板相互贴合且被螺栓固接以实现相邻所述钢内芯的固接。
11.上述钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统中，优选的，所述螺栓对接钢板的外缘与所述钢内芯的端部固接，且所述螺栓对接钢板垂直于所述钢内芯的内壁面设置，所述钢内芯的内壁面与所述螺栓对接钢板之间固设有多块加劲钢板。通过设置加劲钢板可以增加螺栓对接钢板的连接刚度。
12.上述钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统中，优选的，所述加劲钢板采用变高度设置，靠近所述螺栓对接钢板的一侧的高度高于远离所述螺栓对接钢板的一侧。
13.上述钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统中，优选的，所述节段连接系统还包括用于连接相邻混凝土外壳顶部的混凝土接缝，所述钢内芯-混凝土组合梁端部顶面呈阶梯状，所述钢内芯的顶板为第一级阶梯，所述混凝土外壳的顶板设置一薄层段为第二阶梯，相邻所述钢内芯-混凝土组合梁相接后的顶面形成一t型槽口，所述混凝土接缝现浇设于所述t型槽口中。上述第一级阶梯的顺桥向宽度20厘米以上，薄层段的顺桥向宽度20厘米以上。通过紧固组件和混凝土接缝分别实现相邻钢内芯和相邻混凝土外壳顶部的可靠连接，相邻设置的钢内芯-混凝土组合梁连接牢固可靠，稳定性好。
14.上述钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统中，优选的，所述混凝土外壳中设有上下两层接缝结构钢筋，分别由所述混凝土外壳中向t型槽口中延伸，且相邻所述钢内芯-混凝土组合梁端部的接缝结构钢筋相互匹配且通过绑扎连接钢筋连接。上述两层接缝结构钢筋分别位于薄层段内以及薄层段上方的混凝土层中，钢筋的长度可与梁端平齐。
15.本发明的钢内芯-混凝土组合梁可用于拼装成主梁，其中钢内芯的横截面可采用箱型或半箱型截面，采用半箱形截面时，使半箱型截面位于组合梁的上方。钢内芯通过剪力连接件贴合固定在混凝土外壳的内部，剪力连接件的形式不限，如采用栓钉。混凝土外壳的材料可为普通混凝土或uhpc，钢内芯的材料优选采用耐候钢。
16.作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统的施工方法，包括以下步骤：
17.s1：将纵桥向相邻设置的钢内芯-混凝土组合梁运输至安装场地，并吊装到桥墩承台安装位置；
18.s2：使相邻钢内芯-混凝土组合梁紧临，通过相邻混凝土外壳侧面腹板的咬合齿键组件使相邻钢内芯-混凝土组合梁初步咬合紧贴，再通过紧固组件使相邻钢内芯连接；
19.s3：在相邻钢内芯-混凝土组合梁上方的t型槽口中绑扎连接钢筋，并浇筑混凝土，养护并形成强度后，张拉纵向预应力筋，即完成施工。
20.上述步骤s2中，使相邻钢内芯-混凝土组合梁紧临贴合中，通过相邻梁段间的齿键
来实现，由于预制梁段设置了尺寸较大的对接齿键，预制梁段吊装至桥墩承台上之后，仅需大致对齐相邻梁段的齿键的位置，再推紧，即可完成定位十分准确的对接工作。准确对接后，相邻梁段钢内芯上设置的螺栓对接钢板，此时也对接在一起，且螺栓连接孔准确对齐，此时通过高强螺栓，穿过螺栓连接孔将两梁段紧密栓接，相邻梁段的钢内芯即可形成可靠连接。
21.完成钢内芯的结构连接后，相邻梁段顶板预设的阶梯型接缝结构组合成为了一t型槽口，且预埋的接缝结构钢筋一一对齐，在对齐的预埋接缝结构钢筋上，绑扎连接钢筋，并浇筑普通混凝土或uhpc材料并养护形成强度，即完成对接施工。
22.本发明的钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统及相应施工方法至少具有以下优势：在施工性能上：施工步骤简单清楚，对施工设备要求低，施工速度快。在力学性能上：钢内芯全截面、外混凝土外壳顶板均形成了可靠连接，混凝土外壳的腹板和钢内芯共同作用也形成了可靠的剪力传递，对于相邻两个预制节段，在墩顶负弯矩区形成了可靠的结构连续，力学性能符合需求。耐久性能上：混凝土结构处于外部，可以保护钢内芯不易遭受雨水等环境因素锈蚀，钢内芯连接件处于内部，耐久性能好，且传力构件为高强螺栓，便于运营维护。
23.与现有技术相比，本发明的优点在于：
24.1、本发明的钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统，通过将钢内芯和咬合齿键组件共同抗剪，腹板处无需采用现浇湿接缝，可提高腹板接缝抗剪强度，且通过咬合齿键组件，可以确保相邻钢内芯-混凝土组合梁安装的安装精度，施工更加便捷，可以克服混凝土外壳腹板壁厚较薄时(如腹板厚度为10cm左右时)，存在的安装精度难以保证、抗剪能力弱等技术难题。
25.2、本发明的施工方法具有施工步骤简单清楚，对施工设备要求低，施工速度快，精度高等优势。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为实施例1中钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统的结构示意图(钢内芯为半箱型)。
28.图2为相邻钢内芯-混凝土组合梁组合后接缝处的局部放大图。
29.图3为实施例1中施工方法的结构示意图(图中
①
为齿键咬合；
②
为螺栓对接钢板通过螺栓连接；
③
为接缝结构钢筋与绑扎连接钢筋连接；
④
为在t型槽口中浇筑混凝土)。
30.图4为实施例2中钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统的结构示意图(钢内芯为全箱型)。
31.图例说明：
32.1、钢内芯；2、混凝土外壳；3、剪力连接件；4、混凝土接缝；5、接缝结构钢筋；6、绑扎连接钢筋；7、齿键；8、混凝土板；10、螺栓对接钢板；11、螺栓；12、螺栓连接孔；13、加劲钢板。
具体实施方式
33.为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
34.除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
35.除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
36.实施例1：
37.如图1和图2所示，本实施例的钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统，钢内芯-混凝土组合梁包括混凝土外壳2(uhpc材料)和钢内芯1，钢内芯1通过剪力连接件3(剪力钉)贴合固定在混凝土外壳2的内部，钢内芯1为半箱型。节段连接系统包括纵桥向相邻设置的钢内芯-混凝土组合梁以及用于连接纵桥向相邻设置的钢内芯-混凝土组合梁的连接组件，连接组件包括用于连接相邻钢内芯1的紧固组件、用于连接相邻混凝土外壳2侧面腹板的咬合齿键组件和用于连接相邻混凝土外壳2顶部的混凝土接缝4。
38.具体的，本实施例中，咬合齿键组件包括位于混凝土外壳2两侧腹板端部的多个齿键7，齿键7与混凝土外壳2一体成型，齿键7呈梯形，上下相邻齿键7之间具有用于容纳另一相邻混凝土外壳2两侧腹板端部的齿键7的空间，相邻混凝土外壳2两侧腹板端部的齿键7相互匹配且相互咬合成一整体。
39.本实施例中，齿键7的最前端向外延伸超出混凝土外壳2的端部，钢内芯1的端部向外延伸至齿键7的纵桥向中部。当相邻混凝土外壳2两侧腹板端部的齿键7相互匹配且相互咬合成一整体时，相邻钢内芯1的端部可以紧邻贴合。
40.本实施例中，混凝土外壳2两侧腹板端部还设有用于遮挡相邻齿键7咬合后形成的接缝的混凝土板8，混凝土板8位于齿键7的上方，相邻混凝土外壳2端部的混凝土板8相互匹配。
41.本实施例中，齿键7可设置为厚度为100mm等腰梯形，梯形顶为20cm，底为80cm，高为30cm，其中高15cm位置处正好设置于节段边缘。相邻节段咬合齿键交错布置，以保证对接后齿键吻合且保证足够的相互嵌入量。混凝土板8，厚度可设置为20mm，保证一定的强度，边缘与梁端边缘平齐，以保证相邻梁段平齐后，接缝外形为一条直线。
42.具体的，本实施例中，紧固组件包括螺栓对接钢板10和螺栓11，螺栓对接钢板10上开设有螺栓连接孔12，钢内芯1的端部固设有螺栓对接钢板10(钢内芯1的端部全截面固设螺栓对接钢板10)，相邻钢内芯1的螺栓对接钢板10上的螺栓连接孔12相互匹配，相邻钢内芯1的螺栓对接钢板10相互贴合且被螺栓11固接以实现相邻钢内芯1的固接。螺栓对接钢板10的外缘与钢内芯1的端部固接，且螺栓对接钢板10垂直于钢内芯1的内壁面设置，钢内芯1的内壁面与螺栓对接钢板10之间固设有多块加劲钢板13，加劲钢板13采用变高度设置，靠近螺栓对接钢板10的一侧的高度高于远离螺栓对接钢板10的一侧。
43.上述螺栓对接钢板10的厚度可为12mm，宽度可为150mm。加劲钢板13采用焊接方式，与钢内芯1和螺栓对接钢板10相连，采用变高度设计，靠近螺栓对接钢板10的一侧较高，可为140mm，远离螺栓对接钢板10的一侧较矮，可为50mm，节省材料且有利于结构稳定。
44.本实施例中，本实施例中，钢内芯-混凝土组合梁端部顶面呈阶梯状，总厚度可为100mm，钢内芯1的顶板为第一级阶梯，混凝土外壳2的顶板设置一薄层段为第二阶梯，相邻钢内芯-混凝土组合梁相接后的顶面形成一t型槽口，混凝土接缝4现浇设于t型槽口中。混凝土外壳2中设有上下两层接缝结构钢筋5(φ12mm)，分别由混凝土外壳2中向t型槽口中延伸，且相邻钢内芯-混凝土组合梁端部的接缝结构钢筋5相互匹配且通过绑扎连接钢筋6(φ12mm)连接。
45.如图3所示，本实施例的钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统的施工方法，包括以下步骤：
46.s1：将纵桥向相邻设置的钢内芯-混凝土组合梁运输至安装场地，并吊装到桥墩承台安装位置；
47.s2：将相邻待连接的钢内芯-混凝土组合梁的齿键7对齐，推紧并咬合；
48.s3：使相邻钢内芯-混凝土组合梁紧临贴合，并使相邻钢内芯1的螺栓对接钢板10相互贴合，通过螺栓连接孔12采用螺栓11固接相互贴合的螺栓对接钢板10以实现相邻钢内芯-混凝土组合梁的初步固接；
49.s4：将相邻钢内芯-混凝土组合梁上方的t型槽口中接缝结构钢筋5通过绑扎连接钢筋6连接；
50.s5：在相邻钢内芯-混凝土组合梁上方的t型槽口中浇筑普通混凝土或uhpc，养护并形成强度后，张拉体外预应力，即完成施工。
51.采用上述施工方法，在相邻梁段对接时，只需将对应的齿键7大致对齐，并推紧使两者嵌合，后续施工步骤所需的栓接孔位、接缝位置就得到准确定位，施工精度容易保证。
52.在步骤s3中采用螺栓11栓接相邻节段，连接强度易于保证，且能够传递梁体内力，在后期维护中也易于螺栓11紧固。
53.在步骤s5中，可浇筑uhpc接缝，连接强度更加可靠。
54.实施例2：
55.如图4所示，本实施例的钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统，与实施例1相比，本实施例的钢内芯1采用与混凝土外壳2相匹配的箱型结构，其他结构与施工方法可与实施例1相同。

技术特征：
1.一种钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统，所述钢内芯-混凝土组合梁包括混凝土外壳(2)和钢内芯(1)，所述钢内芯(1)通过剪力连接件(3)贴合固定在混凝土外壳(2)的内部；其特征在于，所述节段连接系统包括纵桥向相邻设置的钢内芯-混凝土组合梁以及用于连接纵桥向相邻设置的钢内芯-混凝土组合梁的连接组件，所述连接组件包括用于连接相邻钢内芯(1)的紧固组件和用于连接相邻混凝土外壳(2)侧面腹板的咬合齿键组件。2.根据权利要求1所述的节段连接系统，其特征在于，所述咬合齿键组件包括位于所述混凝土外壳(2)两侧腹板端部的多个齿键(7)，上下相邻所述齿键(7)之间具有用于容纳另一相邻所述混凝土外壳(2)两侧腹板端部的齿键(7)的空间，相邻所述混凝土外壳(2)两侧腹板端部的齿键(7)相互匹配且相互咬合成一整体。3.根据权利要求2所述的节段连接系统，其特征在于，所述齿键(7)的最前端向外延伸超出所述混凝土外壳(2)的端部，所述钢内芯(1)的端部向外延伸至所述齿键(7)的纵桥向中部处。4.根据权利要求2所述的节段连接系统，其特征在于，所述混凝土外壳(2)两侧腹板端部还设有用于遮挡相邻所述齿键(7)咬合后形成的接缝的混凝土板(8)，所述混凝土板(8)位于所述齿键(7)的上方，相邻所述混凝土外壳(2)端部的混凝土板(8)相互匹配。5.根据权利要求2所述的节段连接系统，其特征在于，所述齿键(7)与混凝土外壳(2)一体成型，所述齿键(7)呈梯形。6.根据权利要求1-5中任一项所述的节段连接系统，其特征在于，所述紧固组件包括螺栓对接钢板(10)和螺栓(11)，所述螺栓对接钢板(10)上开设有螺栓连接孔(12)，所述钢内芯(1)的端部固设有螺栓对接钢板(10)，相邻所述钢内芯(1)的螺栓对接钢板(10)上的螺栓连接孔(12)相互匹配，相邻所述钢内芯(1)的螺栓对接钢板(10)相互贴合且被螺栓(11)固接以实现相邻所述钢内芯(1)的固接。7.根据权利要求6所述的节段连接系统，其特征在于，所述螺栓对接钢板(10)的外缘与所述钢内芯(1)的端部固接，且所述螺栓对接钢板(10)垂直于所述钢内芯(1)的内壁面设置，所述钢内芯(1)的内壁面与所述螺栓对接钢板(10)之间固设有多块加劲钢板(13)。8.根据权利要求1-5中任一项所述的节段连接系统，其特征在于，所述节段连接系统还包括用于连接相邻混凝土外壳(2)顶部的混凝土接缝(4)，所述钢内芯-混凝土组合梁端部顶面呈阶梯状，所述钢内芯(1)的顶板为第一级阶梯，所述混凝土外壳(2)的顶板设置一薄层段为第二阶梯，相邻所述钢内芯-混凝土组合梁相接后的顶面形成一t型槽口，所述混凝土接缝(4)现浇设于所述t型槽口中。9.根据权利要求8所述的节段连接系统，其特征在于，所述混凝土外壳(2)中设有上下两层接缝结构钢筋(5)，分别由所述混凝土外壳(2)中向t型槽口中延伸，且相邻所述钢内芯-混凝土组合梁端部的接缝结构钢筋(5)相互匹配且通过绑扎连接钢筋(6)连接。10.一种如权利要求1-9中任一项所述的钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：将纵桥向相邻设置的钢内芯-混凝土组合梁运输至安装场地，并吊装到桥墩承台安装位置；s2：使相邻钢内芯-混凝土组合梁紧临，通过相邻混凝土外壳(2)侧面腹板的咬合齿键组件使相邻钢内芯-混凝土组合梁初步咬合紧贴，再通过紧固组件使相邻钢内芯(1)连接；
s3：在相邻钢内芯-混凝土组合梁上方的t型槽口中绑扎连接钢筋，并浇筑混凝土，养护并形成强度后，张拉纵向预应力筋，即完成施工。

技术总结
本发明公开了一种钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统，所述节段连接系统包括纵桥向相邻设置的钢内芯-混凝土组合梁以及用于连接纵桥向相邻设置的钢内芯-混凝土组合梁的连接组件，所述连接组件包括用于连接相邻钢内芯的紧固组件和用于连接相邻混凝土外壳侧面腹板的咬合齿键组件。本发明还提供一种上述的钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统的施工方法。本发明的钢内芯-混凝土组合梁的节段连接系统，腹板处无需采用现浇湿接缝，可提高腹板接缝抗剪强度，且通过咬合齿键组件，可以确保相邻钢内芯-混凝土组合梁安装的安装精度，施工更加便捷，可以克服混凝土外壳腹板壁厚较薄时，存在的安装精度难以保证、抗剪能力弱等技术难题。术难题。术难题。


技术研发人员：邵旭东 杨云逸 李盼盼
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/8/9