一种对已疲劳开裂钢桥面板加固结构
技术领域
本实用新型涉及一种用于正交异性钢桥面板加固的桥梁结构，特别是一种对已疲劳开裂钢桥面板加固结构。
背景技术
正交异性钢桥面板自问世以来，以其自重轻、极限承载力大、施工快捷、造型优美等优点，受到桥梁设计者的青睐，尤其适用于大跨径桥梁。但钢桥面局部刚度过低，在长期运营中易出现疲劳开裂病害问题。国内已建的广东虎门大桥等，桥面采用正交异性钢桥面板，运营中出现了疲劳裂缝。针对上述病害，提出了各种加固方案，其中专利《一种无需修补已疲劳开裂钢桥面板的轻型组合加固结构（专利号：ZL201721470446.6）》提出了带有焊接短栓钉的钢板点焊于已裂桥面板，同时桥面板焊接短栓钉，最后浇筑超高性能混凝土，形成组合加固结构技术，以此来达到加固已裂钢桥面板的作用。
但是该专利技术仍存在以下问题：1. 钢板条点焊于已裂桥面板，不能与已裂桥面板紧密结合，两者间留有空隙，存在腐蚀风险，且钢板条难以与已裂桥面板共同受力；2. 钢板条密度较大，采用过多的钢板条会增加桥梁自重，降低桥梁的安全储备；3. 在已开裂钢桥面板上焊接大量栓钉，会引入焊接残余应力，存在形成新裂纹的风险，进一步削弱了钢桥面板的承载力。
实用新型内容
与将超高性能混凝土直接应用于完好正交异性钢桥面板（或修复至完好）不同，对于已疲劳开裂的钢桥面板，疲劳裂缝的存在会大大降低钢面板对超高性能混凝土的强化作用。若不在已裂钢桥面板顶面采取有效的强化措施，超高性能混凝土层底面的抗拉强度极低，将导致开裂。因此，对于超高性能混凝土应用于已裂正交异性钢桥面板，需要充分考量钢板裂缝对超高性能混凝土层受力的不利影响，采取合理的强化措施，且关键在于如何对超高性能混凝土层底面进行强化，防止混凝土层开裂。
本实用新型的目的是提供一种对已疲劳开裂钢桥面板加固结构；在现有轻型组合加固结构的基础上，通过增设碳纤维强化板条和/或金属板条、改善钢筋网的布置方式，强化已经开裂钢桥面板上方超高性能混凝土薄层底面的抗裂能力；采用多种抗剪连接件形式，加强了轻型组合结构与原开裂钢桥面板直接的抗剪连接；采用新的施工工艺，简化施工过程，同时减轻对已经开裂的钢桥面板的损害，该结构彻底消除了正交异性钢桥面板疲劳开裂病害。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：包括已裂钢桥面板、碳纤维强化板条、金属强化板条、剪力连接件、钢筋网、超高性能混凝土层以及磨耗层，在已裂钢面板上设置有碳纤维强化板条，所述金属强化板条上焊接有剪力连接件，所述带剪力连接件的金属强化板条设置在碳纤维强化板条上方，所述钢筋网安放在已裂钢桥面板上，所述超高性能混凝土层浇筑到已裂钢桥面板上，且覆盖碳纤维强化板条、金属强化板条、剪力连接件、钢筋网与已裂钢桥面板连接，所述磨耗层覆盖在超高性能混凝层顶面。
本实用新型还提供另一种对已疲劳开裂钢桥面板加固结构，其技术方案是：包括已裂钢桥面板、碳纤维强化板条、金属强化板条、剪力连接件、钢筋网、超高性能混凝土层以及磨耗层，在已裂钢面板上设置有碳纤维强化板条，所述金属强化板条上焊接有剪力连接件，带剪力连接件的金属强化板条直接焊接或胶结在已裂钢桥面板上，并与碳纤维强化板条平行、交替布置，所述钢筋网安放在已裂钢桥面板上，所述超高性能混凝土层浇筑到已裂钢桥面板上，且覆盖碳纤维强化板条、金属强化板条、剪力连接件、钢筋网与已裂钢桥面板连接，所述磨耗层覆盖在超高性能混凝层顶面。
本实用新型的剪力连接件包括栓钉、T型钢、L型钢、槽钢、PBL开孔钢板、弯起钢筋连接件。
本实用新型的碳纤维板条通过有机结构胶粘结在已裂钢桥面板顶面，沿横桥向布置。
本实用新型带剪力连接件的金属强化板条可直接焊接或胶结在已裂钢桥面板上、并与碳纤维强化板条平行、交替布置。
本实用新型所述钢筋网由纵横交错的纵向钢筋和横向钢筋组成，所述纵向钢筋和横向钢筋均匀等距的安放在已裂钢桥面板上的剪力连接件之间。
本实用新型的剪力连接件与已裂钢桥面板的连接方式包括采用有机粘结剂进行粘接、加热熔焊焊接。
本实用新型的碳纤维板条通过有机结构胶粘结在已裂钢桥面板顶面，沿横桥向布置。
本实用新型的钢筋网为包括纵、横桥向两层，其中横桥向钢筋布置在上层、纵桥向钢筋布置在下层，纵、横桥向钢筋的交叉位置可采用细钢丝绑扎，钢筋网位于碳纤维强化板和金属强化板的上方，钢筋直径优选为6-16mm、钢筋网间距优选为25-100mm。
本实用新型钢筋网也可以为三层。三层钢筋网结构的横向钢筋位于钢筋网上层和下层，纵向钢筋位于钢筋网中层,所述上层和下层的横向钢筋可在同一垂线，增加抗拉力,所述上层和下层的横向钢筋不在同一垂线，便于钢筋网交叉位置的绑扎。
本实用新型位于上层的横向钢筋增强轻型组合结构混凝土层顶面的抗拉能力，位于下层的横向钢筋增强轻型组合结构混凝土层底面的抗拉能力；上层横向钢筋可以满足混凝土顶面负弯矩区拉应力过大的构造需求，下层横向钢筋可以满足存在裂缝的原钢桥面板对混凝土底面起到保护作用的要求；若原钢桥面板裂缝不严重，可只布置上层横向钢筋；若全桥负弯矩区拉应力较小，可只布置下层横向钢筋。
本实用新型钢筋网的层间可以采用细钢丝进行绑扎固定。
本实用新型的超高性能混凝土层是由超高性能混凝土浇筑而成，所述超高性能混凝土是指组分中含钢纤维、无粗骨料、水胶比不大于0.25，抗压强度≥100MPa、轴拉强度≥5MPa的水泥基复合材料。
本实用新型的超高性能混凝土层上设有磨耗层，磨耗层包括沥青类和树脂类两种。
本实用新型其特征在于，包括已裂钢桥面板、剪力连接件、钢筋网以及超高性能混凝土层，所述剪力连接件固定于已裂钢桥面板上，所述钢筋网纵横交错布置于已裂钢桥面板上，所述超高性能混凝土层浇筑在已裂钢桥面板上，且覆盖剪力连接件、钢筋网及钢桥面板，构成解决已裂钢桥面板继续开裂问题的轻型组合桥面加固结构，消除已开裂的钢桥面板裂缝继续发展的风险。
本实用新型钢桥面板上的裂缝可以根据实际情况考虑是否修补，仅需调整钢筋网的布置方式和剪力连接件的形式，可以是三层钢筋网或者双层钢筋网，可以是栓钉或者T型钢或者角钢或者L型钢或者PBL（开孔钢板连接件）；将抗剪连接件预先固定在已开裂的钢桥面板，而后铺设钢筋网并进行绑扎，现浇超高性能混凝土层，不需要采用复杂的施工工艺和高投入的施工设备，设备投资小，操作简单，易于施工，对施工人员的素质和施工工艺要求较低。
通过改变钢筋的布置方式，包括钢筋网的层数、横向钢筋与纵向钢筋的布置顺序、钢筋保护层厚度，使超高性能混凝土层底面不会因钢桥面板存在裂缝而降低混凝土底面的横向拉应力，避免混凝土层开裂，进一步改善组合桥面加固结构的受力状况；采用了改善后的轻型组合加固结构，显著降低了钢桥面板的疲劳应力幅，进而消除了钢桥面继续开裂的风险，同时已存在的裂缝不会再继续扩大发展。
通过采用一种解决已裂钢桥面板继续开裂问题的轻型组合加固结构，基本消除了已开裂钢桥面板再开裂的可能性，带裂缝的钢桥面板依然可以作为永久性构件在整个设计周期中继续服役，延长其抗疲劳寿命，提高桥面系的耐久性。
本实用新型同时采用碳纤维板条和金属板条两种材料对已开裂钢桥面板进行加固和强化。与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：1）碳纤维板条具有密度低、抗拉强度高等优点，与纯金属板条强化技术相比，本实用新型技术有助于降低桥面自重；2）碳纤维板条与钢板粘结性能好，可与已裂钢桥面板紧密粘结，避免两者间出现空隙，提高加固方案的组合作用效果；3）无论是金属板条和碳纤维板条的布置关系是叠加布置还是平行间断布置，均能对已裂钢桥面板起到强化作用，从而弥补已裂钢桥面板的结构缺陷，协同超高性能混凝土层底面受拉，有效防止超高性能混凝土层底面开裂。
本实用新型的剪力键形式多样，可根据设计需求采用不同类型。与常规栓钉相比，T型钢、L型、槽钢、PBL开孔板、弯起钢筋等剪力键具有抗剪强度高、刚度大、效率高等优点，可优先采用。采用时可降低剪力键布置密度，因而可以减小现场焊接工作量，且能有效确保钢-超高性能混凝土的层间受力。因此，与现有技术对比，本实用新型降低了现场焊接工作量，有利于旧桥加固的快速化施工。
本实用新型钢桥面板上的裂缝可以根据实际情况考虑是否修补。本实用新型同时采用碳纤维板条和带有焊接剪力件的金属板条对已裂钢面板进行加固，两种板条均能克服钢桥面疲劳开裂带来的结构缺陷，大幅提高超高性能混凝土层底面的抗拉强度，从而防止混凝土层底面开裂。同时，超高性能混凝土层顶面布置了纵、横桥向钢筋网，提高混凝土层顶面的抗拉强度，从而防止混凝土层顶面开裂。
本实用新型的金属板条上焊接有剪力连接件，而金属板条通过焊接或胶结与已裂钢桥面板连接，能够确保超高性能混凝土层与钢板有效组合，从而大幅提高已裂钢桥面板的局部抗弯刚度，显著降低车载引起的钢桥面应力，从根源上消除钢桥面疲劳开裂的风险，从而延长钢桥面板的寿命。
本实用新型的有益效果是：本实用新型基本消除了已开裂钢桥面板再开裂的可能性，带裂缝的钢桥面板依然可以作为永久性构件在整个设计周期中继续服役，延长其抗疲劳寿命，提高桥面系的耐久性。本实用新型利用碳纤维板条、金属板条两种材料对已裂钢桥面进行加固，充分利用了两种建筑材料的优点，既能对钢桥面裂缝进行加固、又能与超高性能混凝土形成组合作用，有效防止超高性能混凝土层底面开裂。因此，本实用新型具有层间连结可靠、抗疲劳性好、施工简便等优点，具有极大的使用价值和良好的经济效益，在钢桥建设领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图（一）；
图2是图1的侧面剖视图；
图3是本实用新型的结构示意图（二）；
图4是图3的侧面剖视图（一）；
图5是图3的侧面剖视图（二）。
图中：1-已裂钢桥面板、2-碳纤维强化板条、3-金属强化板条、4-剪力连接件、5-钢筋网、6-超高性能混凝土层、7-磨耗层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明。
实施例1，本实用新型包括已裂钢桥面板、碳纤维强化板条、金属强化板条、剪力连接件、钢筋网、超高性能混凝土层以及磨耗层，所述碳纤维强化板条通过有机结构胶粘结在已裂钢面板上、所述金属强化板条上焊接有剪力连接件，所述带剪力连接件的金属强化板条通过有机结构胶粘结在碳纤维强化板条上方，所述钢筋网安放在已裂钢桥面板上，所述钢筋网由纵横交错的纵向钢筋和横向钢筋组成，所述超高性能混凝土层浇筑到已裂钢桥面板上，且覆盖碳纤维强化板条、金属强化板条、剪力连接件、钢筋网与已裂钢桥面板连接，所述磨耗层覆盖在超高性能混凝层顶面，参阅图1至图5。
实施例2，本实用新型包括已裂钢桥面板、碳纤维强化板条、金属强化板条、剪力连接件、钢筋网、超高性能混凝土层以及磨耗层，在已裂钢面板上设置有碳纤维强化板条，所述金属强化板条上焊接有剪力连接件，带剪力连接件的金属强化板条直接焊接或胶结在已裂钢桥面板上，并与碳纤维强化板条平行、交替布置，所述钢筋网安放在已裂钢桥面板上，所述超高性能混凝土层浇筑到已裂钢桥面板上，且覆盖碳纤维强化板条、金属强化板条、剪力连接件、钢筋网与已裂钢桥面板连接，所述磨耗层覆盖在超高性能混凝层顶面。参阅图1至图5。
实施例3，本实用新型的剪力连接件包括栓钉、T型钢、L型钢、槽钢、PBL开孔钢板连接件，参阅图1至图5，其余同以上任一实施例或2个以上实施例的组合。
实施例4，本实用新型的钢筋连接件包括弯起钢筋连接件，参阅图1至图5，其余同以上任一实施例或2个以上实施例的组合。
实施例5，本实用新型的碳纤维板条通过有机结构胶粘结在已裂钢桥面板顶面，沿横桥向布置，参阅图1至图5，其余同以上任一实施例或2个以上实施例的组合。
实施例6，本实用新型钢筋网中的钢筋均匀等距的安放在已裂钢桥面板上的剪力连接件之间，参阅图1至图5，其余同以上任一实施例或2个以上实施例的组合。
实施例7，本实用新型的剪力连接件与已裂钢桥面板的连接方式包括采用有机粘结剂进行粘接、加热熔焊焊接，参阅图1至图5，其余同以上任一实施例或2个以上实施例的组合。
实施例8，本实用新型的碳纤维板条通过有机结构胶粘结在已裂钢桥面板顶面，沿横桥向布置，参阅图1至图5，其余同以上任一实施例或2个以上实施例的组合。
实施例9，本实用新型的钢筋网为包括纵、横桥向两层，其中横桥向钢筋布置在上层、纵桥向钢筋布置在下层，纵、横桥向钢筋的交叉位置可采用细钢丝绑扎，钢筋网位于碳纤维强化板和金属强化板的上方，钢筋直径优选为6-16mm、钢筋网间距优选为25-100mm，参阅图1至图5，其余同以上任一实施例或2个以上实施例的组合。
实施例10，本实用新型三层钢筋网结构的横向钢筋位于钢筋网上层和下层，纵向钢筋位于钢筋网中层,所述上层和下层的横向钢筋可在同一垂线，增加抗拉力,所述上层和下层的横向钢筋不在同一垂线，增加弯矩区拉应力，参阅图1至图5，其余同以上任一实施例或2个以上实施例的组合。
实施例11，本实用新型位于上层的横向钢筋增强轻型组合结构混凝土层顶面的抗拉能力，位于下层的横向钢筋增强轻型组合结构混凝土层底面的抗拉能力；上层横向钢筋可以满足混凝土顶面负弯矩区拉应力过大的构造需求，下层横向钢筋可以满足存在裂缝的原钢桥面板对混凝土底面起到保护作用的要求；若原钢桥面板裂缝不严重，可只布置上层横向钢筋；若全桥负弯矩区拉应力较小，可只布置下层横向钢筋，参阅图1至图5，其余同以上任一实施例或2个以上实施例的组合。
实施例12，本实用新型钢筋网的层间可以采用细钢丝进行绑扎固定，参阅图1至图5，其余同以上任一实施例或2个以上实施例的组合。
实施例13，本实用新型的超高性能混凝土层是由超高性能混凝土浇筑而成，所述超高性能混凝土是指组分中含钢纤维、无粗骨料、水胶比不大于0.25，抗压强度≥100MPa、轴拉强度≥5MPa的水泥基复合材料，参阅图1至图5，其余同以上任一实施例或2个以上实施例的组合。
实施例14，本实用新型的超高性能混凝土层上设有耐磨层，耐磨层包括沥青类和树脂类两种，参阅图1至图5，其余同以上任一实施例或2个以上实施例的组合。
实施例15，本实用新型其特征在于，包括已裂钢桥面板、剪力连接件、钢筋网以及超高性能混凝土层，所述剪力连接件固定于已裂钢桥面板上，所述钢筋网纵横交错布置于已裂钢桥面板上，所述超高性能混凝土层浇筑在已裂钢桥面板上，且覆盖剪力连接件、钢筋网及钢桥面板，构成解决已裂钢桥面板继续开裂问题的轻型组合桥面加固结构，消除已开裂的钢桥面板裂缝继续发展的风险。
本实用新型钢桥面板上的裂缝可以根据实际情况考虑是否修补，仅需调整钢筋网的布置方式和剪力连接件的形式，可以是三层钢筋网或者双层钢筋网，可以是栓钉或者T型钢或者角钢或者L型钢或者PBL开孔钢板或者弯起钢筋连接件；将抗剪连接件预先固定在已开裂的钢桥面板，而后铺设钢筋网并进行绑扎，现浇超高性能混凝土层，不需要采用复杂的施工工艺和高投入的施工设备，设备投资小，操作简单，易于施工，对施工人员的素质和施工工艺要求较低。
通过改变钢筋的布置方式，包括钢筋网的层数、横向钢筋与纵向钢筋的布置顺序、钢筋保护层厚度，使超高性能混凝土层底面不会因钢桥面板存在裂缝而降低混凝土底面的横向拉应力，避免混凝土层开裂，进一步改善组合桥面加固结构的受力状况；采用了改善后的轻型组合加固结构，显著降低了钢桥面板的疲劳应力幅，进而消除了钢桥面继续开裂的风险，同时已存在的裂缝不会再继续扩大发展。
通过采用一种解决已裂钢桥面板继续开裂问题的轻型组合加固结构，基本消除了已开裂钢桥面板再开裂的可能性，带裂缝的钢桥面板依然可以作为永久性构件在整个设计周期中继续服役，延长其抗疲劳寿命，提高桥面系的耐久性，参阅图1至图5，其余同以上任一实施例或2个以上实施例的组合。
实施例16，本实用新型同时采用碳纤维板条和金属板条两种材料对已开裂钢桥面板进行加固和强化。与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：1）碳纤维板条具有密度低、抗拉强度高等优点，与纯金属板条强化技术相比，本实用新型技术有助于降低桥面自重；2）碳纤维板条与钢板粘结性能好，可与已裂钢桥面板紧密粘结，避免两者间出现空隙，提高加固方案的组合作用效果；3）无论是金属板条和碳纤维板条的布置关系是叠加布置还是平行间断布置，均能对已裂钢桥面板起到强化作用，从而弥补已裂钢桥面板的结构缺陷，协同超高性能混凝土层底面受拉，有效防止超高性能混凝土层底面开裂，参阅图1至图5，其余同以上任一实施例或2个以上实施例的组合。
实施例17，本实用新型的剪力键形式多样，可根据设计需求采用不同类型。T型钢、L型、槽钢、PBL开孔板、弯起钢筋等剪力键具有抗剪强度高、刚度大、效率高等优点，采用时可降低剪力键布置密度，因而可以减小现场焊接工作量，且能有效确保钢-超高性能混凝土的层间受力。因此，与现有技术对比，本实用新型降低了现场焊接工作量，有利于旧桥加固的快速化施工。
本实用新型钢桥面板上的裂缝可以根据实际情况考虑是否修补。本实用新型同时采用碳纤维板条和带有焊接剪力件的金属板条对已裂钢面板进行加固，两种板条均能克服钢桥面疲劳开裂带来的结构缺陷，大幅提高超高性能混凝土层底面的抗拉强度，从而防止混凝土层底面开裂。同时，超高性能混凝土层顶面布置了纵、横桥向钢筋网，提高混凝土层顶面的抗拉强度，从而防止混凝土层顶面开裂。
本实用新型的金属板条上焊接有剪力连接件，而金属板条通过焊接或胶结与已裂钢桥面板连接，能够确保超高性能混凝土层与钢板有效组合，从而大幅提高已裂钢桥面板的局部抗弯刚度，显著降低车载引起的钢桥面应力，从根源上消除钢桥面疲劳开裂的风险，从而延长钢桥面板的寿命，参阅图1至图5，其余同以上任一实施例或2个以上实施例的组合。
实施例18，本例中带焊接剪力键的金属板条粘结在碳纤维板条顶面。具体实施步骤如下：
1） 在工厂内准备好碳纤维板条和金属板条，在金属板条上焊接栓钉，然后将带栓钉的金属板条通过有机结构胶粘结在碳纤维板条顶面，形成复合板条；
2） 将复合强化板条粘结在已裂钢桥面板顶面，强化板条沿横桥向延伸；
3） 依次布设纵桥向钢筋和横桥向钢筋，钢筋网交叉位置可用细钢丝绑扎；
4） 浇筑超高性能混凝土层，并进行养护；
对超高性能混凝土层顶面进行糙化处理，并浇筑磨耗层，参阅图1至图5，其余同以上任一实施例或2个以上实施例的组合。
实施例19，本例中带焊接剪力键的金属板条直接粘结在已裂钢桥面板顶面，与粘结在已裂钢桥面板顶面的碳纤维板条平行、交替布置。具体实施步骤如下：
1） 在工厂内准备好碳纤维板条和金属板条，在金属板条上焊接栓钉；首先将碳纤维板条通过有机结构胶粘结在已裂钢桥面板顶面，然后将带栓钉的金属板条通过有机结构胶粘结在已裂钢桥面板顶面，且与碳纤维板条平行、交替布置；两种板条均沿横桥向延伸；
2） 依次布设纵桥向钢筋和横桥向钢筋，钢筋网交叉位置可用细钢丝绑扎；
3） 浇筑超高性能混凝土层，并进行养护；
对超高性能混凝土层顶面进行糙化处理，并浇筑磨耗层，参阅图1至图5，其余同以上任一实施例或2个以上实施例的组合。
