预制梁段、高早强UHPC湿接缝及其的大跨梁桥悬拼施工方法
技术领域
本发明涉及大跨梁桥结构，具体地，涉及一种高早强UHPC湿接缝，此外，还涉及一种预制梁段以及具有上述预制梁段的高早强UHPC湿接缝的大跨梁桥悬拼施工方法。
背景技术
悬臂拼装法(以下简称悬拼法)是连续梁桥中常用的一种施工方法，悬拼法指的是在桥墩两侧设置吊架，平衡地逐段向桥墩两端对称地拼装预制混凝土梁段，并逐段施加预应力的施工方法，相较于采用现浇混凝土梁段的悬臂浇筑法，悬拼法结合了预制拼装技术的优点，使得施工更加快捷，施工质量得以保证。在我国，自上世纪90年代开始，悬拼法在连续梁桥中的应用越来越广泛，同时悬拼法建造的桥梁的安全性问题也越来越多。悬拼法建造的桥梁的相邻预制梁段靠接缝连接，接缝的主要作用就是将若干预制梁段连接成整体，同时保证正应力与剪应力能够在梁段间传递，由于纵向钢筋在接缝处断开，因此接缝即是悬拼法梁桥的关键部位也是薄弱部位，悬拼法建造的桥梁的很多问题都是由于接缝较差的力学性能和耐久性造成的，改善接缝的各项性能是悬拼法在大跨连续梁桥能广泛应用的关键。传统悬拼法中常采用的接缝形式有湿接缝、干接缝、胶接缝，三种接缝各自存在的问题如下：
1.混凝土湿接缝：湿接缝一般在梁段间先预留30-100cm的空隙，之后在施工现场浇筑水泥砂浆或混凝土来填满。混凝土湿接缝的问题在于：一方面湿接缝中新浇混凝土与预制梁段的老混凝土粘结强度低，界面处容易开裂漏水、进而影响结构耐久性。另一方面采用湿接缝的预制梁段两端有钢筋伸出，浇筑混凝土前要进行绑扎、焊接，而且浇筑完的混凝土需要养护较长时间使其强度满足施工下一节段的要求，这大大增加了桥梁的施工时间。
2.干接缝：干接缝是在梁段两端端面设置剪力键，将两梁段直接拼装在一起，靠预应力将预制梁段连成整体。干接缝虽然可实现快速连接，但混凝土梁段在接缝处完全断开，接缝处应力的传递依赖于接缝处的预应力钢绞线及剪力键。由于预制梁段的端面很难完全平直，致使接缝在连接时将出现缝隙；加之桥梁在超限荷载作用下干接缝部位可能出现拉应力，而使接缝张开；水汽或腐蚀介质将通过接缝的间隙渗入而腐蚀预应力钢绞线；其受力性能、抗震性能及耐久性均存在风险。
3.胶接缝：胶接缝是在干接缝的基础上，在梁段端面涂抹一层1～3mm厚的环氧树脂胶，然后进行拼接，环氧树脂胶能润滑梁段段表面使其易于对接拼装，消除端面凹凸不平引起的应力集中问题，其自身与梁段有一定的粘结强度，施工也比湿接缝快捷，由此应用最为广泛，但是，由于桥梁长期处于复杂应力状态和交替变化的自然环境中，环氧树脂胶不可避免的出现粘结强度降低、老化等问题，影响桥梁的安全性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高早强UHPC湿接缝，该高早强UHPC湿接缝具有良好的力学性能与耐久性能；与预制梁段的粘结强度高，能够很好地起到桥梁横向接缝传递应力的作用。
进一步地，本发明所要解决的技术问题是提供一种预制梁段，该预制梁段能够使梁桥接缝具有较好的力学性能。
此外，本发明所要解决的技术问题是提供一种高早强UHPC湿接缝的大跨梁桥悬臂拼装施工方法，该高早强UHPC湿接缝的大跨梁桥悬臂拼装施工方法的优势在于采用了高早强UHPC湿接缝作为预制梁段间的连接方式，使大跨度连续梁桥悬臂拼装施工方法不仅使施工较为快捷，且能够保证梁桥接缝的力学性能。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高早强UHPC湿接缝，采用早期强度发展快的高早强UHPC浇筑而成，呈“丰”字型结构，以能够提高接缝的抗剪性能。
本发明还提供了一种预制梁段，所述预制梁段端面均形成有多个开口向内收缩的凹槽，且所述预制梁段端面均设置有伸出的多个钢筋。
优选地，所述凹槽为锯齿凹槽。
更优选地，所述预制梁段端面伸出环形钢筋，所述环形钢筋包括能够被锚固钢筋穿过的顶板环形钢筋、腹板环形钢筋和底板环形钢筋。
本发明还提供一种高早强UHPC湿接缝的大跨梁桥悬拼施工方法，其中，包括如下步骤：S1、从起始位置的桥墩上向两边逐段对称安装上述技术方案中任一项所述的预制梁段，使得相邻所述预制梁段之间预留浇筑空间，对所述预制梁段的端面进行表面处理，使相邻所述预制梁段的相邻钢筋搭接固定在一起；S2、在所述浇筑空间内浇筑高早强UHPC材料(高早强超高性能混凝土)形成高早强UHPC湿接缝；S3、养护设定时间后，张拉预应力，完成对相邻所述预制梁段的拼装；S4、重复步骤S1、S2和S3，完成桥梁主体的施工。
可选地，全桥采用高早强UHPC湿接缝连接所述预制梁段，以能够保证了施工的快捷性以及提高接缝的力学性能和耐久性。
通过上述技术方案，本发明具有如下技术效果：
本发明的高早强UHPC湿接缝采用丰字形设计，具有良好的力学性能与耐久性能；与预制梁段的粘结强度高，能够很好地起到桥梁横向接缝传递应力的作用。
本发明的预制梁段的端部设置有开口向内收缩的凹槽，可以增加接缝的抗剪性能，而且，由于凹槽的开口向内收缩，增加了凹槽与接缝之间的扣合力，增加了接缝的抗拉性能，从而使接缝具有较好的力学性能。
而且，预制梁段的端部设置有环形钢筋，在梁桥悬臂拼装过程中，相邻预制梁段端部对应位置的环形钢筋交叉形成孔洞，可以将锚固钢筋插入孔洞中并焊接在环形钢筋上，实现钢筋的有效连接，而且，施工简便。
另外，本发明的高早强UHPC湿接缝的大跨梁桥悬臂拼装施工方法将高早强UHPC应用于大跨连续梁桥悬臂拼装施工中，使施工更加快捷，而且，通过对预制梁段的结构进行设计，即预制梁段的端部增加了凹槽结构以加强高早强UHPC湿接缝的抗剪与抗拉性能，有效保证高早强UHPC湿接缝能够很好地传递正应力与剪应力。
本发明的其它特征和更加突出优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1是本发明一个实施例的高早强UHPC湿接缝的大跨梁桥悬臂拼装施工方法的流程步骤框图；
图2是本发明一个实施例中的预制梁段的立体结构示意图；
图3是本发明一个实施例中的预制梁段的正视图；
图4是本发明一个实施例中的预制梁段的侧视图；
图5是本发明一个实施例中的接缝的立体结构示意图；
图6是本发明一个实施例中的两相邻预制梁段安装就位时环形钢筋搭接的立体结构示意图；
图7是本发明一个实施例中的顶板环形钢筋搭接方式的示意图；
图8是本发明一个实施例中的顶板环形钢筋与锚固钢筋搭接方式的示意图；
图9是本发明一个实施例中的腹板环形钢筋搭接方式的示意图；
图10是本发明一个实施例中的腹板环形钢筋与锚固钢筋搭接方式的示意图；
图11是本发明一个实施例中的底板环形钢筋搭接方式的示意图；
图12是本发明一个实施例中的底板环形钢筋与锚固钢筋搭接方式的示意图；
图13是本发明一个实施例中的两相邻预制梁段拼装形式的立体结构示意图；
图14是本发明一个实施例中的两相邻预制梁段拼装形式的侧视图；
图15是本发明一个实施例中的两相邻预制梁段拼装形式的俯视图。
附图标记说明
1顶板 11顶板环形钢筋
2腹板 21腹板环形钢筋
3底板 31底板环形钢筋
4凹槽 5锚固钢筋
6接缝
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图5所示，本发明基本实施方式的高早强UHPC湿接缝，采用早期强度发展快的高早强UHPC浇筑而成，呈“丰”字型结构，能够很好地提高接缝的抗剪性能。
如图2至图15所示，本发明基本实施方式的预制梁段，包括顶板1、腹板2和底板3的端面均形成有多个开口向内收缩的凹槽4，且顶板1、腹板2和底板3的端面均设置有伸出的多个钢筋。
由于顶板1、腹板2和底板3的端面形成凹槽4结构，使得相邻预制梁段之间形成的接缝6两侧形成对应形成的凸起，从而有效增加了接缝6的抗剪性能；而且，凹槽4的开口向内收缩，使得凹槽4与接缝6之间具有较好的扣合力，从而增加了接缝的抗拉性能，配合钢筋，进一步增强接缝6的力学性能。
具体地，凹槽4可以具有多种结构形式，如圆形凹槽、椭圆形凹槽等，优选为锯齿凹槽，锯齿凹槽为截面为梯形的凹槽，以能够加强接缝6抗剪与抗拉性能。
进一步地，顶板1、腹板2和底板3的端面伸出的钢筋为环形钢筋；为了方便预制梁段内纵向钢筋的连接，环形钢筋分为顶板环形钢筋11、腹板环形钢筋21和底板环形钢筋31，顶板环形钢筋11竖直布置于顶板1上，底板环形钢筋31竖直布置于底板31上，腹板环形钢筋21水平布置于腹板2上；在进行大跨度连续梁桥悬臂拼装施工时，使相邻预制梁段的顶板环形钢筋11、腹板环形钢筋21和底板环形钢筋31能交叉形成的孔洞内，锚固钢筋5能插入其中，并且与环形钢筋焊接在一起，相对于采用直筋需要绑扎焊接所造成的施工繁杂的特点，本发明的预制梁段采用环形钢筋有效加快了施工周期，进而保证钢筋搭接工作的顺利完成。
如图2至图15所示，本发明优选实施方式的预制梁段，包括顶板1、腹板2和底板3的端面均形成有多个锯齿凹槽，且顶板1、腹板2和底板3的端面均设置有伸出的多个环形钢筋；环形钢筋分为顶板环形钢筋11、腹板环形钢筋21和底板环形钢筋31，顶板环形钢筋11竖直布置于顶板1上，底板环形钢筋31竖直布置于底板31上，腹板环形钢筋21水平布置于腹板2上；在进行大跨度连续梁桥悬臂拼装施工时，使相邻预制梁段的顶板环形钢筋11、腹板环形钢筋21和底板环形钢筋31能交叉形成的孔洞内，锚固钢筋5能插入其中，并且与环形钢筋焊接在一起。
图5示出了本发明的高早强UHPC湿接缝的一种具体结构形式，接缝6的两侧形成有与锯齿凹槽形状对应的凸起，使得接缝6与锯齿凹槽之间具有较好的扣合力，增加了接缝6的抗拉性能，而且，接缝6形成近似“丰”字形状，进一步增加接缝6的抗剪抗拉性能；而且，环形钢筋的结构设计使得其能够与锚固钢筋5快速完成搭接工作，相对于采用直筋需要绑扎焊接的方式，施工更加便捷；本发明的高早强UHPC接缝并不限于图5所示的燕尾榫结构，也可以为圆形接头、椭圆形接头等，由相邻预制梁段之间预留浇筑空间而浇筑形成，侧面上看去，整体呈丰字形结构，高早强UHPC不仅自身材料性能优异，抗压/拉强度、弹性模量高、早期强度发展快，且与普通混凝土的界面粘结性能好，丰字形设计也能进一步增加接缝的抗剪抗拉性能，因此采用高早强UHPC湿接缝既能保证施工快捷性，也能保证接缝的力学性能。
为了更好地理解本发明预制梁段的技术构思，下面结合连续梁段悬臂拼装施工过程进一步说明。
如图1、图2、图5、图6和图13所示，本发明基本实施方式的高早强UHPC湿接缝的大跨梁桥悬拼施工方法，其中，包括如下步骤：
S1、从起始位置的桥墩上向两边逐段对称安装上述技术方案所述的预制梁段，使得相邻所述预制梁段之间预留浇筑空间，对所述预制梁段的端面进行表面处理，使相邻所述预制梁段的相邻钢筋搭接固定在一起；
S2、在所述浇筑空间内浇筑高早强UHPC材料形成高早强UHPC湿接缝；
S3、养护设定时间后，张拉预应力，完成对相邻所述预制梁段的拼装；
S4：重复步骤S1、S2和S3，完成桥梁主体的施工。
公知地，传统悬臂拼装法中常采用的接缝形式有湿接缝、干接缝、胶接缝，都存在各自的问题，薄弱的接缝使桥梁在长期使用过程中存在安全隐患，对人民的人身和财产安全造成威胁，也限制了悬臂拼装法在大跨连续梁桥中的应用。
超高性能混凝土(UHPC:Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC)是过去三十年中最具创新性的水泥基材料。UHPC作为无机超高性能新材料，具有优异抗拉/压强度、韧性和耐久性，研究表明其与普通混凝土之间的界面粘结性能也非常优异。高早强超高性能混凝土(High Early Strength Ultra-High Performance Concrete，简称高早强UHPC)是UHPC的衍生产品，除具有普通UHPC的优点外，其早期强度及与普通混凝土的界面粘结强度在自然养护条件下发展非常迅速，根据试验(试验根据GB/T31387-2015规定的试验方法进行)，高早强UHPC自然养护一天其抗压强度及弹性模量能分别达到90MPa、35GPa，是一种很适合用于预制构件间接缝的材料。
为此，在上述本发明的基本实施方式中，将高早强UHPC材料作为相邻预制梁段间接缝的浇筑材料，在相邻预制梁段之间预留浇筑空间，对预制梁段的端面进行表面处理，并使得相邻预制梁段的相邻钢筋搭接固定在一起，在浇筑空间内浇筑高早强UHPC材料；养护设定时间后，以完成对相邻所述预制梁段的拼装；利用高早强UHPC材料的优异抗拉/压强度、韧性和耐久性，以及其与普通混凝土之间优异的界面粘结性能，使得相邻预制梁段之间的接缝6能够很好地传递正应力与剪应力。
为了使所述高早强UHPC湿接缝能够更好地发挥出其优势，做如下处理：
1、将预制梁段两端端面的顶板1、底板2、及腹板3设计有凹槽结构，这使得高早强UHPC湿接缝成近似“丰”字形，预制梁段上的凹槽结构与高早强UHPC湿接缝扣合在一起，这样既能提高高早强UHPC湿接缝竖向的抗剪能力，亦能提供一定的抗拉能力。
2、将预制梁段顶板1、底板2及腹板3纵向钢筋两两闭合形成环形钢筋，环形钢筋伸出预制梁段两端端面约25cm，与另一相邻预制梁段伸出的环形钢筋交叉形成孔洞，在孔洞四角插入锚固钢筋5，将5锚固钢筋与环形钢筋焊接，完成纵向钢筋的搭接工作，使得在接缝6处原本断开的纵向钢筋能够连接上，从而提高高早强UHPC湿接缝的抗剪及抗拉性能。
3、将预制梁段两端端面进行凿毛与钻孔处理，以加强高早强UHPC湿接缝与预制梁段界面的抗剪抗拉能力
其中，相邻预制梁段之间的相邻端面与搭设模板围成浇筑空间，搭设模板用于浇筑混凝土。
而且，采用早期强度发展快的高早强UHPC，高早强UHPC湿接缝强度能够快速发展到满足张拉预应力的要求，试验结果表明(试验结果根据GB/T31387-2015规定的试验方法进行)，高早强UHPC自然养护1天至2天时，强度能分别达到90MPa、120MPa以上，远大于桥梁领域常用的C50混凝土养护28天所能达到的强度，因此，在浇筑完湿接缝1至2天时间以后就可张拉预应力进而施工下一节段，有效加快施工周期。
如图7至图12所示，在具体实施例中，相邻环形钢筋交叉形成孔洞，所述锚固钢筋5插入所述孔洞，并且与各所述环形钢筋焊接固定。环形钢筋与锚固钢筋的搭接设计比传统的植筋连接方便快捷。而且，预制梁段是由预制厂浇筑普通混凝土并养护而成，采用起重机将预制梁段吊装到位。
参照图1至图15所示，本发明优选实施方式的高早强UHPC湿接缝的大跨梁桥悬拼施工方法，包括如下步骤：
S1、采用起重装置对预制梁段进行吊装，从起始位置的桥墩上向两边逐段对称安装，使得相邻预制梁段之间预留浇筑空间，参照图7至图12，使相邻所述预制梁段的相邻环形钢筋交叉形成孔洞，在孔洞四角插入锚固钢筋5，将各环形钢筋与锚固钢筋5焊接固定在一起；完成纵向钢筋的搭接工作，使得在接缝处原本断开的纵向钢筋连接上，从而提升高早强UHPC湿接缝的抗剪及抗拉性能的；其中，环形钢筋包括顶板环形钢筋11、腹板环形钢筋21和底板环形钢筋31，顶板环形钢筋11竖直布置于顶板1上，底板环形钢筋31竖直布置于底板31上，腹板环形钢筋21水平布置于腹板2上，相对于传统悬臂拼装法中采用直筋需要绑扎焊接的连接方式，更加方便快捷；
S2、在浇筑空间内浇筑高早强UHPC材料；其中，如图5所示，浇筑高早强UHPC材料后形成接缝6，接缝6呈近似“丰”字形；高早强UHPC不仅自身材料性能优异，抗压/拉强度、弹性模量高、早期强度发展快，且与普通混凝土的界面粘结性能好，“丰”字形设计也能进一步增加接缝6的抗剪及抗拉性能，因此采用高早强UHPC湿接缝既能保证施工快捷性，也能保证接缝的力学性能；
S3、养护1至2天后，张拉预应力，完成对相邻所述预制梁段的拼装；
S4、重复步骤S1、S2和S3，以完成桥梁主梁的拼装施工。
由上述优选实施方式可知，采用高早强UHPC作为湿接缝材料，高早强UHPC的各项材料力学性能指标优异，且自然养护下早期强度发展快速，养护时间短便于快速施工，并且高早强UHPC与普通混凝土制成的预制梁段的粘结强度高，不易开裂，具有较好的耐久性，保证了桥梁的整体性；预制梁段端面做成凹形锯齿形状，即锯齿凹槽可以增加接缝6抗剪性能，凹槽的扣合力也增加了接缝6的抗拉性能，表面凿毛钻孔可以增加混凝土与高早强UHPC的界面粘结性能；而且，环形钢筋与锚固钢筋5的钢筋搭接形式既可以实现钢筋的有效连接，也避免了采用直筋需要绑扎焊接所造成的施工繁杂的缺点。
相较于传统接缝形式悬臂拼装施工方法，本发明的带高早强UHPC湿接缝的大跨连续梁桥悬拼施工方法融合了三种传统形式接缝的优点，避免了他们的缺点，施工既方便快捷，接缝性能也优异。具体优点从如下几个方面得以体现：
力学性能优异：一方面高早强UHPC具有超高抗拉压强度、高弹性模量，高早强UHPC与预制梁段的普通混凝土界面粘结强度高，实验结果表明，当普通混凝土界面经过凿毛处理以后，高早强UHPC与普通混凝土的界面粘结强度比整浇混凝土强度都要高，能很好的满足接缝6传递应力的要求；另一方面预制梁段端部的锯齿凹槽设计以及伸出预制梁段端面的环形钢筋使得接缝6整体的抗剪抗拉强度提高；
耐久性强：一方面高早强UHPC本身的耐久性能优异；另一方面，由于高早强UHPC与普通混凝土优异的粘结性能，界面不易开裂，水与腐蚀介质不会进入预制梁段内部腐蚀钢筋，提升结构的耐久性；
施工快捷：采用早期强度发展快的高早强UHPC，高早强UHPC湿接缝强度能够快速发展到满足张拉预应力的要求，试验结果表明(试验根据GB/T31387-2015规定的试验方法进行)，HESUHPC自然养护1天、2天时，强度能分别达到90MPa、120MPa以上，远大于桥梁领域常用的C50混凝土养护28天所能达到的强度，因此，在浇筑完湿接缝1～2天时间就可张拉预应力进而施工下一节段；另外，环形钢筋与锚固钢筋5的搭接设计也比传统的植筋连接方便快捷。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
