CN102359062B - 一种波纹钢板拱式桥涵固定铰支座 - Google Patents

Abstract

一种波纹钢板拱式桥涵固定铰支座，涉及一种桥涵支座。解决了现有的L型钢支座对于较大的转动变形易出现失稳现象、工业化程度低、可靠性较低的问题。该固定铰支座包括槽型上支座板(1)、槽型支座底板(2)、第一至第N个U型锚栓、橡胶板(4)、第一至第M个高强螺栓和螺母。所述的槽型上支座板的凹半圆柱面(P)与槽型支座底板的凸半圆柱面(Q)贴合形成铰接；第一至第N个U型锚栓等间距固定在槽型支座底板的下端面的中部；第一至第M个高强螺栓穿过槽型上支座板的两夹板(C)上的通孔并通过紧固螺母完成支座与波纹板(B)的固定连接；在所述的槽型上支座板与槽型支座底板的螺母一侧粘贴橡胶板；提高了同类支座的可靠性与可操作性。

Description

一种波纹钢板拱式桥涵固定铰支座

技术领域

本发明涉及一种波纹钢板拱桥涵固定铰支座。更具体的讲，本发明涉及采用一种更有效的固定铰支座来保证和提高波纹钢板拱桥涵的可靠性。

背景技术

在中国，波纹钢板桥涵是一种新兴的结构形式，较传统混凝土涵洞具有变形协调能力强、承载能力高、标准化程度高、施工快捷、养护方便等优点，有着广阔的发展前景。

对于桥涵结构而言，支座是一类重要的构件。它保证了结构受力与设计图式的一致，且满足结构变形的需要。目前波纹钢板拱桥涵常采用L型钢固定铰支座，拱脚波纹钢板片简单地搭接在L型钢的下肢上。这种支座的缺点是：

1）受到构造的限制，L型钢支座与波纹钢板的连接及转动的功能弱，对于较大的转动变形易出现失稳现象，难以满足固定铰支座的位移要求；

2）工业化程度低，支座施工安装随意性强，工程质量不易于保证；

3）传统的L型钢支座属于半固定铰支座，其缺点是受力过程中存在较大的弯矩，易产生局部应力过大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的L型钢支座对于较大的转动变形易出现失稳现象、工业化程度低、可靠性较低。

本发明解决其技术问题的技术方案：

一种波纹钢板拱式桥涵固定铰支座，其固定铰支座包括槽型上支座板、槽型支座底板、第一至第N个U型锚栓、橡胶板、第一至第M个高强螺栓和螺母。槽型上支座板的凹半圆柱面与槽型支座底板的凸半圆柱面贴合形成铰接；第一至第N个U型锚栓等间距固定在槽型支座底板的下端面的中部；第一至第M个高强螺栓穿过槽型上支座板的两夹板上的通孔并通过螺母完成槽型上支座板与波纹板的固定连接；在所述的槽型上支座板与槽型支座底板的螺母一侧粘贴橡胶板。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果：

本发明的槽型上支座板的凹半圆柱面与槽型支座底板的凸半圆柱面贴合形成铰接，槽型上支座板、槽型支座底板之间存在横向剪力键，形成两者无相对线位移的铰接，满足固定铰支座的位移要求。

槽型上支座板的两夹板将波纹钢板夹在其间，采用高强螺栓紧固，使夹板与波纹钢板紧密贴合，使用了上述的双夹板槽型结构，保证了支座板与波纹钢板的可靠连接，力的传递更均匀。

与传统L型钢固定铰支座采用内置螺栓固定于拱台的方法不同，本发明采用U型锚栓与拱台混凝土浇筑锚固的方式，传力更为可靠，U型锚栓不会在车辆往复荷载作用下松动，保证了支座的可靠性。

本发明的波纹钢板拱式桥涵固定铰支座，便于工业化生产。

附图说明

图1一种波纹钢板拱式桥涵固定铰支座立体示意图。

图2一种波纹钢板拱式桥涵固定铰支座主视图。

图3一种波纹钢板拱式桥涵固定铰支座右视图的局部示意图。

图4一种波纹钢板拱式桥涵固定铰支座使用时剖面示意图。

图5工程实例桥涵截面结构尺寸示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明。

实施方式一

一种波纹钢板拱式桥涵固定铰支座，如图1、2所示，其固定铰支座包括槽型上支座板1、槽型支座底板2、第一至第N个U型锚栓3-1、3-2……3-（N-1）、3-N、橡胶板4、第一至第M个高强螺栓和螺母5-1、5-2……5-（M-1）、5-M；槽型上支座板1的凹半圆柱面P与槽型支座底板2的凸半圆柱面Q贴合形成铰接；第一至第N个U型锚栓3-1、3-2……3-（N-1）、3-N等间距固定在槽型支座底板2的下端面的中部；第一至第M个高强螺栓穿过槽型上支座板的两夹板C上的通孔并通过螺母完成槽型上支座板1与波纹板B的固定连接；在所述的槽型上支座板1与槽型支座底板2的螺母一侧粘贴橡胶板4。

所述的槽型上支座板1的下端面为半径R的圆柱面，其中央设置凹半圆柱面P；所述槽型上支座板的两夹板C的底部内侧各设置有一个凹槽E；所述槽型上支座板的两夹板C上各设置M个等间距的通孔，在所述的槽型支座底板2的凹形槽面的中央设置凸半圆柱面Q，如图2所示。

所述的的槽型上支座板1和槽型支座底板2的材料采用Q235、Q345、Q390或Q410的钢材；所述的第一至第N个U型锚栓3-1、3-2……3-（N-1）、3-N的材料采用HPB235、HRB335、HRB400或RRB400的钢筋。

所述的槽型上支座板1与波纹板B间隙配合，槽型上支座板的两夹板C的间距a大于波纹板B的波高3mm～5mm；所述的槽型上支座板1的深度b为150mm～600mm，如图2所示。波纹板B的波高是根据中华人民共和国交通行业标准《公路桥涵用波纹钢板》（JT/T710-2008），推荐的公路工程波纹钢板产品主要有6种型号：A波型、B波型、C波型、D波型、E波型及F波型，波纹钢板的波形尺寸中相应的波高分别为25mm、50mm、55mm、110mm、140mm及180mm，标准中波纹钢板上的几何尺寸允许偏差为±3mm。

所述的槽型上支座板1的尺寸a1的取值要求应满足：

$\frac{F_s}{a1-v}\≤l\·f_v$

式中：F_s——所受垂直于槽型上支座板的两夹板C的剪力；

v——槽型上支座板夹板上凹槽E的深度；

l——槽型上支座板夹板侧边的长度；

f_v——槽型上支座板钢材的抗剪强度设计值；

所述的槽型上支座板1的下端圆柱面的半径R的取值要求是，需要满足赫兹接触应力公式：

${\mathrm{\σ}}_{\max }=0.423\sqrt{\frac{F_{N}E}{\mathrm{lR}}}\≤\left[{\mathrm{\σ}}_c\right]$

式中：F_N——波纹钢板拱式桥涵固定铰支座所受正向压力；

E——槽型上支座板钢材的弹性模量；

l——槽型上支座板夹板侧边长度；

[σ_c]——槽型上支座板钢材自由接触时的容许局部承压应力，如图2所示。

所述的第一至第N个U型锚栓3-1、3-2……3-（N-1）、3-N的锚固长度h的取值为200mm～400mm；所述的第一至第N个U型锚栓3-1、3-2……3-（N-1）、3-N相邻两个的间距n取值要求是，第一至第N个U型锚栓3-1、3-2……3-（N-1）、3-N与槽型支座底板2、拱台D的连接能够满足其抗剪强度：

$\frac{(F_s-\mathrm{\μ}\·F_N)n}{2A_s\·l}\≤f_v^c$

式中：F_s——所受垂直于槽型上支座板的两夹板C的剪力；

F_N——波纹钢板拱式桥涵固定铰支座所受正向压力；

μ——槽型支座底板2与拱台D接触面的摩擦系数；

l——槽型上支座板夹板侧边长度；

A_s——每个U型锚栓的钢筋截面积；

——槽型支座底板2与第一至第N个U型锚栓3-1、3-2……3-（N-1）、3-N连接处的抗剪强度设计值；

所述的第一至第M个高强螺栓和螺母5-1、5-2……5-（M-1）、5-M相邻两个的间距m取值要求是，第一至第M个高强螺栓完成紧固使得槽型上支座板的两夹板C与波纹钢板B贴合时能够满足每个高强螺栓的抗拉强度，由有限元软件模拟得出或由以下公式近似得出：

$w\≤\frac{f_t^b\·A_e\·e^2}{6\mathrm{EI}}(3b-e)$

式中：w——槽型上支座板的两夹板C与波纹钢板B贴合所需产生的位移，取3mm～5mm；

——每个高强螺栓的抗拉强度设计值；

A_e——每个高强螺栓的有效截面积；

E——槽型上支座板钢材的弹性模量；

I——在m长度上槽型上支座板的两夹板C的截面惯性矩，

l——槽型上支座板夹板侧边长度，如图3所示。

在所述的槽型上支座板1与槽型支座底板2的路基土一侧粘贴橡胶板4。主要用于防止槽型上支座板与槽型支座底板2之间侵入路基土等杂质，削弱支座的功能。

本实施方式中的所有的数值范围的端值及其中间的任意值，适用于任意的桥涵固定支座。波纹钢板拱式桥涵固定铰支座的安装工艺：

步骤一第一至第N个U型锚栓3-1、3-2……3-（N-1）、3-N等间距固定在槽型支座底板2的下表面的中部，在拱台D混凝土浇筑前将第一至第N个U型锚栓3-1、3-2……3-（N-1）、3-N固定在拱台D的钢筋上，然后浇筑拱台D；

步骤二

将槽型上支座板1的凹半圆柱面P与槽型支座底板2的凸半圆柱面Q贴合；

步骤三

将波纹钢板B放置在槽型上支座板的两夹板C之间，用第一至第M个高强螺栓和螺母5-1、5-2……5-（M-1）、5-M紧固。

步骤四

在槽型上支座板1与槽型支座底板2的螺母一侧（即路基土一侧）粘贴橡胶板4。

步骤五对波纹钢板B与槽型上支座板1之间的空隙采用沥青聚合物填充。

实施方式二

工程实例名称：内蒙锡盟国道207K199+480小桥

基本资料：

本工程为内蒙锡盟国道207桑根达来至宝昌段K199+480小桥结构。覆土为粉质砂土，覆土最小高度H＝1.8m。桥跨L＝7.41m，一级高速公路，按六车道设计，路面宽度26m，拱脚处铰接。设计荷载为公路Ⅰ级。结构尺寸：

桥梁上部结构为跨径L＝7.41m的波纹钢板拱(R＝4m，θ＝136°)，矢高f＝2.502m,矢跨比f/L＝0.337，桥面宽度为26m，基础用C20混凝土，具体尺寸如图5所示。

波纹钢板材料：

F波型波纹钢板即波高D=180mm，镀锌Q235A钢，厚度：7mm（钢板厚度以镀锌之前为准）。

由有限元软件建模模拟分析得出：支座的正压力（即图5中的X向）为F_N=5.48×10⁷N，支座的正向剪力（即图5中的Y向）为F_S=4.34×10⁷N。

所述的槽型上支座板1和槽型支座底板2的材料采用Q345的钢材；所述的第一至第N个U型锚栓3-1、3-2……3-（N-1）、3-N的材料采用HRB335的钢筋。

所述的槽型上支座板1与波纹板B间隙配合，槽型上支座板的两夹板C的间距a大于波纹板B的波高3mm～5mm，取183mm；所述的槽型上支座板1的深度b为450mm。波纹板B为F波型，相应的波高为180mm。

所述的槽型上支座板1的截面尺寸a1的取值为25mm，v的取值为10mm，满足：

$\frac{F_s}{a1-v}-l\·f_v=\frac{4.34\×{10}^7}{25-10}-26000\×170=-1.53\×{10}^6\≤0$

所述的槽型上支座板1的下端圆柱面的半径R的取值为800mm，满足赫兹接触应力公式：

${\mathrm{\σ}}_{\max }=0.423\sqrt{\frac{F_{N}E}{\mathrm{lR}}}=0.423\sqrt{\frac{5.48\×{10}^7\×2\×{10}^5}{26000\×800}}=307\mathrm{MPa}\≤\left[{\mathrm{\σ}}_c\right]=325\mathrm{MPa}$

所述的第一至第N个U型锚栓3-1、3-2……3-（N-1）、3-N的锚固长度h的取值为400mm；所述的第一至第N个U型锚栓3-1、3-2……3-（N-1）、3-N相邻两个的间距n取值为300mm，t的取值为500mm，第一至第N个U型锚栓3-1、3-2……3-（N-1）、3-N所采用的钢筋截面积A_s为380mm²，第一至第N个U型锚栓3-1、3-2……3-（N-1）、3-N与槽型支座底板2采用焊接，其抗剪强度满足：

$\frac{(F_s-\mathrm{\μ}\·F_N)n}{2A_s\·l}=\frac{(4.34\×{10}^7-0.6\×5.48\×{10}^7)\×300}{2\×380\×26000}=159.7\mathrm{MPa}\≤f_v^c=170\mathrm{MPa}$

一共使用N=87个U型锚栓。

所述的第一至第M个高强螺栓和螺母5-1、5-2……5-（M-1）、5-M相邻两个的间距m的取值为2000mm，e的取值为300mm，第一至第M个高强螺栓采用公称直径为22mm的10.9级承压型连接高强度螺栓，第一至第M个高强螺栓的抗拉强度满足：

$\frac{f_t^b\·A_e\·e^2}{6\mathrm{EI}}(3b-e)=\frac{500\×303\×{300}^2}{6\×2\×{10}^5\×\frac{2000\×{25}^3}{12}}(3\×450-300)=4.58\mathrm{mm}\≥3\mathrm{mm}$

一共使用M=13个高强螺栓和螺母。

本实例波纹钢板拱式桥涵固定铰支座，其固定铰支座包括槽型上支座板1、槽型支座底板2、第一至第87个U型锚栓、橡胶板4、第一至第13个高强螺栓和螺母；第一至第87个U型锚栓等间距焊接固定在槽型支座底板2的下端面的中部；第一至第13个高强螺栓和螺母穿过槽型上支座板的两夹板C上的通孔并通过紧固螺母完成支座与波纹板B的固定连接。

若槽型上支座板1与槽型支座底板2采用钢材型号不同、U型锚栓采用的钢筋型号不同、高强螺栓型号不同均按照以上方法进行计算：槽型上支座板1的尺寸a1、槽型上支座板1的下端圆柱面的半径R、U型锚栓相邻两个的间距n、高强螺栓和螺母相邻两个的间距m。

Claims (2)

1.一种波纹钢板拱式桥涵固定铰支座，

其固定铰支座包括槽型上支座板（1）、槽型支座底板（2）、第一至第N个U型锚栓（3-1、3-2……3-（N-1）、3-N）、橡胶板（4）、第一至第M个高强螺栓和螺母（5-1、5-2……5-（M-1）、5-M）；槽型上支座板（1）的凹半圆柱面（P）与槽型支座底板（2）的凸半圆柱面（Q）贴合形成铰接；第一至第N个U型锚栓（3-1、3-2……3-（N-1）、3-N）等间距固定在槽型支座底板（2）的下端面的中部；第一至第M个高强螺栓穿过槽型上支座板的两夹板（C）上的通孔并通过螺母完成槽型上支座板（1）与波纹板（B）的固定连接；在所述的槽型上支座板（1）与槽型支座底板（2）的螺母一侧粘贴橡胶板（4），其特征在于：

所述的槽型上支座板（1）的下端面为半径R的圆柱面，其中央设置凹半圆柱面（P）；所述槽型上支座板的两夹板（C）的底部内侧各设置有一个凹槽（E）；所述槽型上支座板的两夹板（C）上各设置M个等间距的通孔；

在所述的槽型支座底板（2）的凹形槽面的中央设置凸半圆柱面（Q）。

所述的槽型上支座板的两夹板（C）的间距a大于波纹板（B）的波高3mm～5mm；

所述的槽型上支座板凹槽的深度b为150mm～600mm；

所述的槽型上支座板夹板厚度a1的取值要求应满足：

$\frac{F_s}{a1-v}\≤l\·f_v$

式中：F_s——所受垂直于槽型上支座板的两夹板（C）的剪力；

v——槽型上支座板夹板上凹槽（E）的深度；

l——槽型上支座板夹板侧边的长度；

f_v——槽型上支座板钢材的抗剪强度设计值；

所述的槽型上支座板（1）的下端圆柱面的半径R的取值要求是，需要满足赫兹接触应力公式：

${\mathrm{\σ}}_{\max }=0.423\sqrt{\frac{F_{N}E}{\mathrm{lR}}}\≤\left[{\mathrm{\σ}}_c\right]$

式中：F_N——波纹钢板拱式桥涵固定铰支座所受正向压力；

E——槽型上支座板钢材的弹性模量；

l——槽型上支座板夹板侧边的长度；

[σ_c]——槽型上支座板钢材自由接触时的容许局部承压应力。

所述的第一至第N个U型锚栓（3-1、3-2……3-（N-1）、3-N）的锚固长度h的取值为200mm～400mm；所述的第一至第N个U型锚栓（3-1、3-2……3-（N-1）、3-N）相邻两个的间距n取值要求是，第一至第N个U型锚栓（3-1、3-2……3-（N-1）、3-N）与槽型支座底板（2）、拱台（D）的连接能够满足其抗剪强度：

$\frac{(F_s-\mathrm{\μ}\·F_N)n}{2A_s\·l}\≤f_v^c$

式中：F_s——所受垂直于槽型上支座板的两夹板（C）的剪力；

F_N——波纹钢板拱式桥涵固定铰支座所受正向压力；

μ——槽型支座底板（2）与拱台（D）接触面的摩擦系数；

l——槽型上支座板夹板侧边长度；

A_s——每个U型锚栓的钢筋截面积；

——槽型支座底板（2）与第一至第N个U型锚栓（3-1、3-2……3-（N-1）、3-N）连接处的抗剪强度设计值；

2.根据权利要求1所述的波纹钢板拱桥涵的固定铰支座，其特征在于：

所述的第一至第M个高强螺栓和螺母（5-1、5-2……5-（M-1）、5-M）相邻两个的间距m取值要求是，第一至第M个高强螺栓和螺母（5-1、5-2……5-（M-1）、5-M）高强螺栓完成紧固使得槽型上支座板的两夹板（C）与波纹钢板（B）贴合时能够满足高强螺栓的抗拉强度，由有限元软件得出或由以下公式近似得出：

$w\≤\frac{f_t^b\·A_e\·e^2}{6\mathrm{EI}}(3b-e)$

式中：w——槽型上支座板的两夹板（C）与波纹钢板（B）贴合所需产生的位移，取3mm～5mm；

——每个高强螺栓的抗拉强度设计值；

A_e——每个高强螺栓的有效截面积；

E——槽型上支座板钢材的弹性模量；

I——在m长度上槽型上支座板的两夹板（C）的截面惯性矩， l——槽型支座板夹板侧边的长度。

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