[发明专利]波纹腹板预应力FRP‑混凝土组合箱梁及其施工方法

说明书

技术领域

本发明属于土木工程中新材料新结构和组合结构领域，尤其涉及波纹腹板预应力FRP-混凝土组合箱梁及其施工方法。

背景技术

随着桥梁等基础设施的长期运营，不可避免的出现环境侵蚀，材料老化等问题，其中以钢材锈蚀，混凝土开裂，剥离等问题最为常见。尤其是在北方，除冰盐的使用导致了钢筋混凝土结构腐蚀，劣化速度进一步加剧，氯离子或其他腐蚀性物质通过混凝土微小空隙从表面层扩散至钢筋表面，从而钢筋锈蚀并膨胀，最终导致混凝土开裂，剥离和脱落。这不仅使得结构的正常使用寿命降低，维修费用增加，还可能导致结构的坍塌，带来了大量安全隐患。因此，为解决传统钢筋混凝土桥和钢桥的腐蚀，老化等问题，近年来 FRP 材料以轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳等特点已作为建筑材料在桥梁建设领域得到广泛运用。目前，国内外学者致力于将FRP材料用于桥梁上部承重结构中，包括：全FRP箱型梁和FRP-混凝土组合箱梁。由于全FRP箱梁前期投资过大，刚度低，轮压下容易冲切，局部挤压破坏等特点，于是采用FRP-混凝土组合结构则是当前桥梁建设领域的一个主要选择方向。FRP材料在FRP-混凝土组合构件中既作为底板承受拉力，亦作为模板对混凝土材料起到保护作用；而上方直接承载的混凝土材料则具有很好的抗压强度，避免下面FRP板材的冲切破坏。整个组合结构受力明确，各组成部分材料的性能得到充分发挥，从而大大提高了桥梁的安全性和耐久性。然而，由于FRP材料弹模低于传统材料的特点，致使FRP-混凝土组合箱梁的刚度仍是桥梁设计主要目标，特别是当桥梁的跨径较大时，需通过增加混凝土板层厚度或FRP板厚度、高度来提高构件的刚度，大大增加了桥梁的自重，FRP构件轻质高强的优势没有发挥出来。此外，组合构件受压区翼缘板或肋板的局部屈曲或剪切破坏；FRP-混凝土界面的粘结性能薄弱，组合界面应力集中导致的界面剥离破坏等也是亟待解决的关键问题，这些都将导致FRP-混凝土组合构件无法共同工作。目前，现有处理技术解决实际工程问题成效十分有限，制约了FRP-混凝土组合结构在桥梁工程中的应用。鉴于目前FRP-混凝土组合箱梁存在的诸多缺陷，如何开发轻质高强，安全适用，经济合理FRP-混凝土组合箱梁是当前工程建设的迫切需要。

发明内容

本发明针对现有FRP-混凝土组合梁结构厚重，整体刚度小，腹板易屈曲剪切破坏，FRP-混凝土界面薄弱和结合性能差等缺点，提供了一种结构整体变形小，承载力高、自重轻和FRP-混凝土结合界面滑移不良现象得到有效解决的新型波纹腹板预应力FRP-混凝土组合箱梁及其施工方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：波纹腹板预应力FRP-混凝土组合箱梁，包括FRP箱梁，所述FRP箱梁包括顶板、底板以及支撑连接于顶板和底板之间的若干波纹腹板，顶板和底板之间相邻的波纹腹板构成一个箱梁箱室；每个箱梁箱室内均设有体外预应力筋，体外预应力筋的两端分别连接于顶板纵向两端，张拉能够使FRP箱梁沿高度方向产生预拱度；

顶板顶面凸起有呈网格状分布的若干半椭圆球体，每个半椭圆球体上沿桥梁长度方向预留有纵向孔道、沿桥梁宽度方向预留有横向孔道；纵向孔道内穿插有纵筋，每个纵筋穿置于所有位于同一纵向直线上的纵向孔道；部分横向孔道内穿插有横筋，部分横向孔道内穿插有横向预应力筋，每个横筋和横向预应力筋分别穿置于所有位于同一横向直线上的横向孔道；纵筋、横筋以及横向预应力筋共同形成筋网；FRP箱梁的顶板上浇筑有混凝土，混凝土与FRP箱梁通过半椭圆球体以及筋网连接成一体。

具体实施时，本发明所述FRP箱梁的制作采用的是拉挤工艺，将FRP箱梁与顶板上的半椭圆球体一次成型，半椭圆球体上在需穿筋的位置预留孔道。另外，横筋增强了FRP-混凝土横向整体受力性能和混凝土层顶部受拉抗裂性能。纵筋充当构造筋，以抵抗混凝土收缩和温度开裂。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)FRP材料具有轻质高强的特点，但其因存在弹性模量低的劣势，于是在每个箱梁箱室内张拉体外预应力筋，使梁体沿高度方向产生一定预拱度，减小了FRP-混凝土组合箱梁在车辆荷载下的下挠度，改变了以往通过增加FRP或混凝土材料用量来满足结构刚度的做法，减轻了结构自重，降低了造价，且不存在传统预应力混凝土结构的收缩徐变，预应力筋松弛等问题。