一种新型的短节段钢箱混凝土组合梁.pdf

本发明涉及一种新型的短节段钢箱-混凝土组合梁，属于桥梁工程技术领域。它包括：钢箱梁，由短节段钢箱（1）通过拼接板（2）拼接而成；抗剪连接件（4），设置在钢箱梁的顶面和两个侧面上；三面外包钢筋混凝土结构，由混凝土（3）、纵向钢筋和横向钢筋组成，设置在钢箱梁的顶面和两个侧面上。本发明的有益效果是：采用钢箱-混凝土组合梁，充分利用钢箱的抗拉性能和混凝土的抗压性能，节约钢材，降低成本，具有显著的经济性；钢箱梁采用节段拼装，短节段钢箱和拼接板可以批量生产，施工进度快，施工周期短；组合梁采用三面外包钢筋混凝土，适应跨座式单轨交通轨道梁线形变化多的特点，即三面受力和线形多变要求。

1.   一种新型的短节段钢箱‑混凝土组合梁，其特征是：
一种新型的短节段钢箱‑混凝土组合梁，包括钢箱梁、抗剪连接件（4）和三面外包钢筋混凝土结构。钢箱梁由短节段钢箱（1）通过拼接板（2）拼接而成；抗剪连接件（4）设置在钢箱梁的顶面和两个侧面上；三面外包钢筋混凝土结构由混凝土（3）、纵向钢筋和横向钢筋组成，设置在钢箱梁的顶面和两个侧面上。

2.   根据权利要求1所述的一种新型的短节段钢箱‑混凝土组合梁，其特征是：
所述的钢箱梁由短节段钢箱（1）通过拼接板（2）进行拼接连接，拼接连接可以是焊接，可以是螺栓连接。

3.   根据权利要求1所述的一种新型的短节段钢箱‑混凝土组合梁，其特征是：
所述的短节段钢箱（1）具有不同的长度、高度和曲线半径，长度的取值范围为0.5m~60m，高度的取值范围为0.5m~2.0m，节段曲线半径的取值范围为50m~∞m，节段数的取值范围为1~60。
所述的拼接板（2）具有不同的曲线半径和间隙部分的间隙长度，曲线半径的取值范围为50m~∞m，间隙部分的间隙长度的取值范围为0m~0.20m。
所述的现浇混凝土（3）具有不同的厚度，厚度的取值范围为0.01m~0.85m。
所述的抗剪连接件（4）具有不同的高度和厚度，高度的取值范围为0m~0.20m，厚度的取值范围为0m~0.02m。

4.   根据权利要求1所述的一种新型的短节段钢箱‑混凝土组合梁，其特征是：
根据要替换轨道梁的跨度、受力情况，决定在该组合梁上是否施加预应力，以满足承载力的要求。施加预应力的方法有两种：分别为先张法和后张法。先张法是在浇筑外包混凝土（3）之前在钢箱梁上施加预应力，后张法是在外包混凝土（3）浇筑完成并达到设计强度后再在组合梁上施加预应力。

5.   根据权利要求1所述的一种新型的短节段钢箱‑混凝土组合梁，其特征是：
该组合梁可以调整平面线形和三个轮轨接触面的形状：通过选择事先设计的短节段钢箱（1）和拼接板（2）快速拼接形成钢箱梁，可实现组合梁整体线形的初次调整；然后在钢箱梁的顶面和两个侧面上现浇混凝土（3），通过混凝土厚度的变化来实现组合梁线形的最终调整。

一种新型的短节段钢箱‑混凝土组合梁
技术领域
本发明属于桥梁工程技术领域，涉及一种新型的短节段钢箱‑混凝土组合梁，应用于跨座式单轨交通系统运营过程中轨道梁的应急抢修，具体地说是一种当在运营中的轨道梁发生损坏时用来进行临时替代的结构。
背景技术
跨座式单轨交通系统中的轨道梁，不仅是承重结构，而且是引导列车运行的导向结构。轨道梁具有三个轮轨接触面：走行面、导向面和稳定面。车辆承重轮在轨道梁的走行面上行走，车辆导向轮在轨道梁的导向面上行走，车辆稳定轮在轨道梁的稳定面上行走。因此，轨道梁既要在三个面上承受荷载，又要在三个面上满足单轨车辆运行对轨道梁线形的要求。另外，轨道梁在使用过程中，随时都有可能遭遇撞坏、挂坏或炸坏等情况，导致跨座式单轨交通运营中断，其造成的社会影响将非常巨大。这就需要一种能对运营中遭到损坏的轨道梁进行快速替换的应急梁，以确保跨座式单轨交通快速恢复运营。
目前，跨座式单轨交通系统中的轨道梁多数为预制预应力混凝土轨道梁，为了保证混凝土收缩徐变到达稳定的线形要求，这种轨道梁从预制到出场完成架设的时间要求不低于4个月。用预制预应力混凝土轨道梁来替换遭遇损坏的轨道梁，将使线路停运的时间大大延长。为此，迫切需要开发一种新型的轨道梁，要求施工进度快、施工周期短、承载力高且能满足轨道梁的线形要求。
钢‑混凝土组合梁通常指型钢‑混凝土叠合，两者之间以抗剪连接件连接为整体受弯构件。这种组合梁具有建筑高度小、自重轻、承载力高、刚度大的特点。钢‑混凝土组合梁分为钢梁内置的组合梁及钢梁外露的组合梁两种。钢梁内置的组合梁是对钢梁围上足够的箍筋后再用混凝土将钢梁包上；钢梁外露的组合梁则是由外露的钢梁通过抗剪连接件与钢筋混凝土组合而成的结构。为充分发挥钢梁的效能，常用的钢梁截面型式有工字型钢梁、焊接工字钢梁和钢箱梁，钢梁截面若采用钢箱梁则为钢箱‑混凝土组合梁。
钢箱‑混凝土组合梁通过钢箱受拉、混凝土受压的方式来满足承载力要求。它不需4个月的受拉区混凝土收缩徐变稳定期，可以大大缩短轨道梁从预制到出场完成架设的时间。另外，为了加快钢箱梁的组拼速度，可以事先设计并加工一批短节段钢箱。通过对多段短节段钢箱的组拼，快速实现整榀钢箱梁的拼装。在此基础上，在整榀钢箱梁的三个外表面上布置纵向钢筋、横向钢筋，浇筑混凝土，最终形成一种新型的短节段钢箱‑混凝土组合梁。该组合梁可以满足要替换轨道梁三面受力和线形调整的要求。
有鉴于此，发明人根据理论分析和实际经验，研究、开发并经试验验证，最终产生本发明。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种新型的短节段钢箱‑混凝土组合梁，施工进度快，施工周期短，承载力高，能够满足三个轮轨接触面承受车辆荷载以及单轨车辆运行对轨道梁线形的要求，从而对运营中遭到损坏的预应力混凝土轨道梁进行快速替换，确保跨座式单轨交通快速恢复运营。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种新型的短节段钢箱‑混凝土组合梁，包括钢箱梁、抗剪连接件（4）和三面外包钢筋混凝土结构。钢箱梁由短节段钢箱（1）通过拼接板（2）拼接而成；抗剪连接件（4）设置在钢箱梁的顶面和两个侧面上；三面外包钢筋混凝土结构由混凝土（3）、纵向钢筋和横向钢筋组成，设置在钢箱梁的顶面和两个侧面上。
所述的钢箱梁由短节段钢箱（1）通过拼接板（2）进行拼接连接，拼接连接可以是焊接，可以是螺栓连接。
所述的短节段钢箱（1）具有不同的长度、高度和曲线半径，长度的取值范围为0.5m~60m，高度的取值范围为0.5m~2.0m，节段曲线半径的取值范围为50m~∞m，节段数的取值范围为1~60。
所述的拼接板（2）具有不同的曲线半径和间隙部分的间隙长度，曲线半径的取值范围为50m~∞m，间隙部分的间隙长度的取值范围为0m~0.20m。
所述的现浇混凝土（3）具有不同的厚度，厚度的取值范围为0.01m~0.85m。
所述的抗剪连接件（4）具有不同的高度和厚度，高度的取值范围为0m~0.20m，厚度的取值范围为0m~0.02m。
根据要替换轨道梁的跨度、受力情况，决定在该组合梁上是否施加预应力，以满足承载力的要求。施加预应力的方法有两种：分别为先张法和后张法。先张法是在浇筑外包混凝土（3）之前在钢箱梁上施加预应力，后张法是在外包混凝土（3）浇筑完成并达到设计强度后再在组合梁上施加预应力。
该组合梁可以调整平面线形和三个轮轨接触面的形状：通过选择事先设计的短节段钢箱（1）和拼接板（2）快速拼接形成钢箱梁，可实现组合梁整体线形的初次调整；然后在钢箱梁的顶面和两个侧面上现浇混凝土（3），通过混凝土厚度的变化来实现组合梁线形的最终调整。
本发明的有益效果是：
1. 采用钢箱‑混凝土组合梁，充分利用钢箱的抗拉性能和混凝土的抗压性能，节约钢材，降低成本，具有显著的经济性；
2. 钢箱梁采用节段拼装，短节段钢箱和拼接板可以批量生产，施工进度快，施工周期短，从而大大缩短应急抢修的时间；
3. 组合梁采用三面外包钢筋混凝土，适应跨座式单轨交通轨道梁线形变化多的特点，即三面受力和线形多变要求。
附图说明
图1 直线短节段钢箱示意图。
图2 曲线短节段钢箱示意图。
图3 直线拼接板整体示意图。
图4 顶面曲线拼接板整体示意图。
图5 侧面曲线拼接板整体示意图。
图6 三面外包钢筋混凝土结构示意图。
图7 短节段钢箱拼装前空间位置立体示意图。
图8 短节段钢箱采用拼接板拼装立体示意图。
图9 未施加预应力的钢箱梁纵剖面示意图。
图10 施加先张法预应力的钢箱梁纵剖面示意图。
图11 短节段钢箱‑混凝土组合梁整体示意图。
图12 施加预应力的短节段钢箱‑混凝土组合梁的纵剖面示意图，即图13的C‑C截面示意图。
图13 图12的A‑A截面示意图。
图14 图12的B‑B截面示意图。
图15 不施加预应力的短节段钢箱‑混凝土组合梁的纵剖面示意图，即图16的F‑F截面示意图。
图16 图15的D‑D截面示意图。
图17 图15的E‑E截面示意图。
图中标号：1为短节段钢箱，2为拼接板，3为混凝土，4为抗剪连接件，5为走行面，6为导向面，7为稳定面，8为预应力筋。
具体实施方式
结合附图对本发明做进一步说明：
实施例一
一种采用先张法的短节段钢箱‑混凝土组合梁的实现方法：
步骤一 根据要替换轨道梁的长度、高度、曲线半径、平面转折角度和轮轨接触面线形，选取短节段钢箱（1）和拼接板（2），如图1~图5所示。
短节段钢箱（1）具有不同的长度、高度和曲线半径；拼接板（2）具有不同的曲线半径。
短节段钢箱（1）的长度的取值范围为0.5m~60m，高度的取值范围为0.5m~2.0m，节段曲线半径的取值范围为50m~∞m，节段数的取值范围为1~60；拼接板（2）的曲线半径的取值范围为50m~∞m，间隙部分的间隙长度的取值范围为0m~0.20m；现浇混凝土（3）的厚度的取值范围为0.01m~0.85m；抗剪连接件（4）的高度的取值范围为0m~0.20m，厚度的取值范围为0m~0.02m。
步骤二 将短节段钢箱（1）在拼装平台上按照目标线形布置并固定好空间位置，各短节段钢箱（1）之间由对应的拼接板（2）通过螺栓连接进行拼接，或是焊接方式进行拼接，从而实现组合梁中钢箱梁的快速拼装，如图7、图8、图9所示。
步骤三 在钢箱梁预留孔道内穿预应力筋（8），并张拉锚固，如图10。
步骤四 根据要替换轨道梁的长度、高度、曲线半径、平面转折角度和三个轮轨接触面线形，选择预先设计好的组合梁中钢筋混凝土的配筋图，组合梁配筋图由非预应力纵向钢筋、横向钢筋和预应力筋（8）组成；把上述按设计尺寸和形状拼装好的钢箱梁放入制作外包混凝土的模板中，依靠对制作模板的外形和尺寸的调整，实现组合梁三个轮轨接触面的线形和尺寸的调整，从而满足单轨车辆运行对轨道梁线形的要求。
根据组合梁中钢筋混凝土的配筋图，在钢箱梁顶面和两侧面安装非预应力纵向钢筋和横向钢筋，然后浇筑混凝土，形成三面外包钢筋混凝土结构；三面外包钢筋混凝土结构通过抗剪连接件（4）与钢箱梁结合成一个受力整体，共同承受荷载。为了满足抵抗弯、剪、扭的要求，在组合梁端部短节段钢箱内部可以灌注混凝土，如图12、图13、图14。最终形成短节段钢箱‑混凝土组合梁，如图11。
实施例二
一种采用后张法的短节段钢箱‑混凝土组合梁的实现方法：
步骤一 根据要替换轨道梁的长度、高度、曲线半径、平面转折角度和轮轨接触面线形，选取短节段钢箱（1）和拼接板（2），如图1~图5所示。
短节段钢箱（1）具有不同的长度、高度和曲线半径；拼接板（2）具有不同的曲线半径。
短节段钢箱（1）的长度的取值范围为0.5m~60m，高度的取值范围为0.5m~2.0m，节段曲线半径的取值范围为50m~∞m，节段数的取值范围为1~60；拼接板（2）的曲线半径的取值范围为50m~∞m，间隙部分的间隙长度的取值范围为0m~0.20m；现浇混凝土（3）的厚度的取值范围为0.01m~0.85m；抗剪连接件（4）的高度的取值范围为0m~0.20m，厚度的取值范围为0m~0.02m。
步骤二 将短节段钢箱（1）在拼装平台上按照目标线形布置并固定好空间位置，各短节段钢箱（1）之间由对应的拼接板（2）通过螺栓连接进行拼接，或是焊接方式进行拼接，从而实现组合梁中钢箱梁的快速拼装，如图7、图8、图9所示。
步骤三 根据要替换轨道梁的长度、高度、曲线半径、平面转折角度和三个轮轨接触面线形，选择预先设计好的组合梁中钢筋混凝土的配筋图，组合梁配筋图由非预应力纵向钢筋、横向钢筋和预应力筋（8）组成；把上述按设计尺寸和形状拼装好的钢箱梁放入制作外包混凝土的模板中，依靠对制作模板的外形和尺寸的调整，实现组合梁三个轮轨接触面的线形和尺寸的调整，从而满足单轨车辆运行对轨道梁线形的要求。
根据组合梁中钢筋混凝土的配筋图，在钢箱梁顶面和两侧面安装非预应力纵向钢筋和横向钢筋，然后浇筑混凝土，形成三面外包钢筋混凝土结构，如图6；三面外包钢筋混凝土结构通过抗剪连接件（4）与钢箱梁结合成一个整体，共同承受荷载。为了满足抵抗弯、剪、扭的要求，在组合梁端部短节段钢箱内部可以灌注混凝土，如图15、图16、图17。
步骤四 在组合梁预留孔道内穿预应力筋（8），并张拉锚固，如图12、图13、图14。最终形成短节段钢箱‑混凝土组合梁，如图11。
实施例三
一种不采用预应力的短节段钢箱‑混凝土组合梁的实现方法：
步骤一 根据要替换轨道梁的长度、高度、曲线半径、平面转折角度和轮轨接触面线形，选取短节段钢箱（1）和拼接板（2），如图1~图5所示。
短节段钢箱（1）具有不同的长度、高度和曲线半径；拼接板（2）具有不同的曲线半径。
短节段钢箱（1）的长度的取值范围为0.5m~60m，高度的取值范围为0.5m~2.0m，节段曲线半径的取值范围为50m~∞m，节段数的取值范围为1~60；拼接板（2）的曲线半径的取值范围为50m~∞m，间隙部分的间隙长度的取值范围为0m~0.20m；现浇混凝土（3）的厚度的取值范围为0.01m~0.85m；抗剪连接件（4）的高度的取值范围为0m~0.20m，厚度的取值范围为0m~0.02m。
步骤二 将短节段钢箱（1）在拼装平台上按照目标线形布置并固定好空间位置，各短节段钢箱（1）之间由对应的拼接板（2）通过螺栓连接进行拼接，或是铆接进行拼接，或是焊接方式进行拼接，从而实现组合梁中钢箱梁的快速拼装，如图7、图8、图9所示。
步骤三 根据要替换轨道梁的长度、高度、曲线半径、平面转折角度和三个轮轨接触面线形，选择预先设计好的组合梁中钢筋混凝土的配筋图，组合梁配筋图由非预应力纵向钢筋、横向钢筋和预应力筋（8）组成；把上述按设计尺寸和形状拼装好的钢箱梁放入制作外包混凝土的模板中，依靠对制作模板的外形和尺寸的调整，实现组合梁三个轮轨接触面的线形和尺寸的调整，从而满足单轨车辆运行对轨道梁线形的要求。
根据组合梁中钢筋混凝土的配筋图，在钢箱梁顶面和两侧面安装非预应力纵向钢筋和横向钢筋，然后浇筑混凝土，形成三面外包钢筋混凝土结构；三面外包钢筋混凝土结构通过抗剪连接件（4）与钢箱梁结合成一个整体，共同承受荷载。为了满足抵抗弯、剪、扭的要求，在组合梁端部短节段钢箱内部可以灌注混凝土，如图15、图16、图17。最终形成短节段钢箱‑混凝土组合梁，如图11。
综上所述，本发明在不改变单轨交通轨道梁使用功能的前提下，通过对多段短节段钢箱（1）的组拼，快速实现整榀钢箱梁的拼装。在此基础上，在整榀钢箱梁的三个外表面上布置纵向钢筋、横向钢筋，浇筑混凝土（3），最终形成一种新型的短节段钢箱‑混凝土组合梁。该组合梁可以满足要替换轨道梁三面受力和线形调整的要求。本发明的功效有明显的提升，具有新颖性、实用性，符合发明专利各要件，故依法提出发明专利申请。