CN102493365B - 一种中承式单索面拱桥的加固结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种中承式单索面拱桥的加固结构，该加固结构是在所述拱桥的每一由主梁(1)与拱圈(2)所形成的夹角内设置两组形状记忆合金拉索(3)构成的；其中，所述的两组形状记忆合金拉索(3)对称设在经过桥轴线的铅垂面的两侧，且每一组形状记忆合金拉索(3)的上端锚固在主梁(1)腹板上，其锚固点位于主梁(1)的伸缩缝(19)旁靠近拱圈(2)中心的一侧，下端锚固在拱圈(2)的拱脚(2-1)的内壁上。本发明的加固结构可有效的抑制单索面拱桥主梁的扭转振动和纵飘振动，且结构简单、投资省、减振效果突出。
Description
技术领域
本发明涉及现有桥梁的加固结构，具体涉及一种现有拱桥动力性能的加固结构。
背景技术
桥梁是一种永久性建筑物，随着时间的推移、环境的变迁以及车流量和通行车辆吨位的增大，原结构的薄弱环节就会显现出来。因此在现有技术中，为了延长现有桥梁的服役寿命、改善使用性能所采用的加固方案主要有两类，一是结构损伤的修复，二是受力构件的补强，如本发明人之一在前申请并授权的申请号为200810219685.3和200810219686.8的发明专利方案就属于前者，公开号为CN102140780A的发明专利申请方案就属于后者。
单索面拱桥是一种比较新颖的桥梁型式，其最大的结构特点在于只有一组吊索且该组吊索分布于桥轴线上，该类桥梁造型简约美观、视野开阔、桥面使用率高，因而受到了工程界推崇。现有的有单索面拱桥主要分为中承式单索面拱桥和下承式单索面拱桥两类。其中，中承式单索面拱桥最为常见，该桥型的特点是吊杆弹性支承主梁，拱圈的两端支承在桥墩上。单索面拱桥存在以下两个方面的不足：①在地震、风载或汽车运行产生的偏载作用下，主梁容易产生扭转振动，且桥宽度越大、扭转振动的幅度就会越大；②主梁的纵向约束较弱，容易发生纵向的飘移振动，从而易导致伸缩缝内的伸缩装置发生挤压破坏。因此对于单索面拱桥来说，如果也采用增设补强受力构件的方式来进行加固，显然难以解决其扭转振动、纵飘振动的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种单索面拱桥的加固结构，该加固结构简单、投资省、减振效果突出。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：
一种中承式单索面拱桥的加固结构，该加固结构是在所述拱桥的每一由主梁与拱圈所形成的夹角内设置两组形状记忆合金拉索构成的；其中，所述的两组形状记忆合金拉索对称设在经过桥轴线的铅垂面的两侧，且每一组形状记忆合金拉索的上端锚固在主梁腹板上，其锚固点位于主梁的伸缩缝旁靠近拱圈中心的一侧，下端锚固在拱圈的拱脚的内壁上。
上述加固结构，其中所述的形状记忆合金拉索，在所述拱桥纵垂面内的投影与水平面的夹角为15°～30°，在水平面内的投影与经过所述拱桥的桥轴线的铅垂面的夹角为15°～45°，在所述拱桥横截面内的投影与水平面的夹角为20°～45°，以进一步提高所述加固结构的稳定性。
所述的形状记忆合金拉索的一个优选方案是选用NiTi形状记忆合金拉索。
本发明所述的形状记忆合金拉索由拉索和配套的冷铸锚具组成；所述的冷铸锚具主要由锚杯和连接筒组成，其中，所述锚杯为圆柱形，其体内设有与所述圆柱形同轴的锥形孔，所述连接筒由端面积较小的一头伸进所述的锥形孔并与锚杯螺纹连接，所述的拉索从另一端伸进连接筒并延伸至所述的锥形孔内，其每一根NiTi合金丝的端部均固定在位于所述锥形孔内的一锚板上，所述锚板为圆锥盘，其外径与所述锥形孔横截面较大的一头相匹配；所述的锚杯的外壁上螺纹连接一螺母。
为了防止由多根NiTi合金丝拼组在一起的拉索松散，所述的拉索上设有若干个索夹，该索夹由两个半圆柱筒组成，并采用螺栓紧固在一起。
本发明的加固结构的具体实施方法如下：
1、收集影响待加固的中承式单索面拱桥舒适性指标和地震荷载作用下的纵向位移的主要结构参数，如，跨径、桥宽、伸缩缝内伸缩装置的允许压缩量、拱肋矢跨比等。
2、拟定加固要求和控制目标，如，拱桥在偏心车辆荷载作用下的斯佩林(Sperling)舒适性指标和预设地震烈度下的纵向最大位移。
3、进行加固设计。首先对待加固拱桥进行有限元软件分析，判断待加固拱桥是否已达到所拟定的控制目标；若未达到便按本发明所述的加固结构进行加固设计。
4、加固设计方案校核。建立加固设计方案的有限元模型并进行分析，再判断分析结果是否达到所拟定的控制目标，若未达到便改变所述形状记忆合金拉索的锚固点及其规格和根数进行修正，然后再进行校核，直至达到所拟定的控制目标。
5、将经过校核达到所拟定的控制目标的加固设计方案确定为待加固拱桥的加固方案并付诸实施。
本发明所述的加固结构，其中所述的形状记忆合金拉索与所述的主梁和拱圈形成了一个稳定的三角形结构，当桥梁在汽车偏载荷作用或地震产生的偏摆振动时，位于偏载对侧的一组形状记忆合金拉索受拉，由其阻尼作用将主梁的偏摆振动转换成热能而耗散，从而有效地降低了主梁的扭转振动的幅度；同理，当桥梁受地震载荷作用而产生纵向振动时，则由分别设在拱圈两头的形状记忆合金拉索的阻尼作用将主梁的纵向振动转换成热能而耗散，有效的降低了主梁的纵向振幅，避免伸缩缝内的伸缩装置受挤压破坏。可见，本发明所述加固结构无论是与现有更换直径较大的吊索的方案相比，还是与现有给桥梁施加体外预应力的方案相比，不但耗材显著减少，而且施工简单、节省人力。
附图说明
图1～图3为本发明所述的单索面拱桥的加固结构的一个具体结构示意图，其中图1为主视图，图2为俯视图，图3为图1的A-A剖视图。
图4为本发明所述的冷铸锚具的一种结构示意图。
图5为本发明所述的冷铸锚具与主梁的腹板之间的一种连接结构示意图。
图6为本发明所述的拱脚的断面图。
图7为本发明所述的冷铸锚具与拱脚之间的一种连接结构示意图。
图8和图9为本发明所述的索夹的一种结构示意图，其中，图8为主视图，图9为图8的B-B剖视图。
图10为图8和图9所示的索夹的一个使用状态图。
图11为实施本发明的加固结构的流程框图。
图12～图15为图1～图3所示单索面拱桥加固前的有限元模型图，其中，图12为单索面拱桥桥体的有限元计算模型图，图13为主梁的纵飘振型图，图14为主梁的扭转振型图；图15为主梁的竖弯振型图。
图16为本发明所述的NiTi形状记忆合金拉索的有限元模型。
图17为本发明所述的NiTi形状记忆合金拉索在3％初应变下力与位移滞回曲线。
图18～图21为图1～图3所示单索面拱桥添加了NiTi形状记忆合金拉索后的有限元模型图，其中，图18为单索面拱桥桥体的有限元计算模型图，图19为主梁的纵飘振型图，图20为主梁的扭转振型图；图21为主梁的竖弯振型图。
具体实施方式
参见图11，本发明的加固结构的实施步骤如下所述。
1、收集待加固的中承式单索面拱桥的结构参数
参见图1～图3，本实施例中的中承式单索面拱桥为单拱拱桥，跨径150m、桥宽46m，桥面与设计水位之间高度为9mm，拱圈顶部距桥面高度为21m，伸缩缝19内伸缩装置的允许压缩量为100cm。桥轴线处设单片与桥面垂直的拱肋，拱肋矢跨比f/L＝1/5(式中，f为拱的高度，L为拱的跨度)，截面高3m、宽2.5m，拱肋桥面以上部分采用钢管混凝土截面，桥面以下部分采用壁厚30cm的C50混凝土箱型截面；主梁1为高2m的单箱三室钢箱梁。主桥拱肋钢板、桥面钢箱梁钢板采用Q345C。
2、拟定加固要求
此处以中承式单索面拱桥在偏心车辆荷载作用下的斯佩林(Sperling)舒适性指标及在预设地震烈度作用下的纵向最大位移为控制目标，加固后，上述两个指标应该达到设定标准。其中，所述的斯佩林舒适性指标是体现行车过程中人的舒适性感受的一个指标，其评价标准如表1所示(表中wZ表示舒适度指标值)；所述的纵向最大位移表示主梁1的纵向允许位移值，其大小必须小于伸缩缝19内伸缩装置的允许压缩量，以免对伸缩缝19内伸缩装置受挤压破坏。
依据上述原则，本例按《公路工程技术标准》(JTJ001-97)定义的挂车-120作为产生偏载的行车荷载，行驶速度为70Km/h，拟定斯佩林舒适性指标的设定标准为：wZ≤1；同时，预设地震烈度为8度，主梁1的纵向最大位移的设定标准为大不于伸缩缝19内伸缩装置的允许压缩量，即不大于100cm。
(1)待加固拱桥的振动响应分析、舒适度及纵向最大位移校核
①利用ANSYS软件建立待加固的中承式单索面拱桥有限元计算分析模型(参见图12)；
②对拱桥进行振动响应分析，计算拱桥在偏心车辆荷载作用下的斯佩林舒适性指标及在预设地震烈度作用下的纵向最大位移，并将计算结果与步骤2中的设定标准进行比较，判断是否需要加固。
其中，斯佩林舒适性指标计算公式为：
(I)式中，Z为振动幅值(mm)；f为行车振动卓越频率(Hz)；F(f)为频率修正系数，对于扭转振动：
F(f)＝0.8f2 0.5Hz＜f≤5.4Hz
F(f)＝650/f 5.4Hz＜f≤26Hz (II)
F(f)＝1
经计算，本实施例中的拱桥在偏心车辆荷载作用下佩斯林舒适性指标wZ＝1.96(参见表2)，而设定标准wZ≤1，因此不满足要求；在预设的地震烈度下，主梁1的最大纵向位移为113.6cm(参见表3)，而容许最大位移为100cm，也不满足要求，因此需要采用本发明的加固结构对该拱桥进行加固。
(2)拟定加固方案
①初步确定形状记忆合金拉索3的锚固位置。根据桥面宽度、高度以及通航净空来初步确定形状记忆合金拉索3在拱脚2-1以及主梁1腹板上的锚固点位置。
本例中，初步确定形状记忆合金拉索3上端锚固点位于主梁1的斜腹板上，锚固点形心与伸缩缝19的距离为10m、距桥轴线的距离为14m；下端锚固在拱肋的拱脚2-1上，锚固点形心位于拱脚2-1中线处，距离设计水位1.5m。为了进一步提高加固结构的稳定性，需对形状记忆合金拉索3两头的锚固位置进行细微调整，使它在待加固拱桥纵垂面内的投影与水平面的夹角α1＝17°，在水平面内的投影与经过待加固拱桥轴线的铅垂面的夹角α2＝21°，在待加固拱桥横截面内的投影与水平面的夹角α3＝42°(参见图1～图3)。
②初步确定形状记忆合金拉索3的数量及截面积。本例中选用NiTi形状记忆合金来制作形状记忆合金拉索3，单根由NiTi形状记忆合金制成的形状记忆合金拉索3通常由直径为5mm的NiTi合金丝3-2组拼而成。
根据拱桥的结构参数以及步骤3-(1)的待加固拱桥的振动响应分析、舒适度及纵向最大位移校核结果，初步确定每组形状记忆合金拉索3中包括2根形状记忆合金拉索3，每一根形状记忆合金拉索3的横截面积为0.01235m2(即每根形状记忆合金拉索3包含629根直径为5mm的NiTi合金丝3-2)。亦即，在主梁1与拱圈2所形成的两个夹角内共设置四组形状记忆合金拉索3，每个夹角内设置两组，这两组形状记忆合金拉索3对称设在经过桥轴线的铅垂面的两侧(参见图1～图3)。
3、拟定加固方案的校核
(1)利用ANSYS软件建立形状记忆合金拉索3的三维实体有限元计算模型(参见图16)，获得其初应变为3％时力与位移的滞回曲线(参见图17)，并按公式(III)和(IV)分别求得形状记忆合金拉索3等效刚度和等效阻尼系数。
上式中，Fmax和Fmin分别为一个加载循环中的最大输出力和最小输出力；Δmax和Δmin分别为一个加载循环中的最大输出位移和最小输出位移；Wc为单位循环耗能量。
(2)基于步骤2-(1)-①中所建立的有限元模型，添加上述步骤3-(1)中所建立的形状记忆合金拉索3单元，建立安装有形状记忆合金拉索3的中承式单索面桥全桥有限元计算分析模型(参见图18)，形状记忆合金拉索3的等效刚度和等效阻尼系数根据上述步骤3-(1)确定；
计算拱桥在偏心车辆荷载作用下的斯佩林舒适性指标及在预设地震烈度作用下的纵向最大位移，并与设定标准比较，判断是否达到所拟定的加固要求。
经计算，拱桥加固后的斯佩林舒适性指标wZ＝0.97(参见表2)，达到了所拟定的加固要求，即wZ≤1的要求；加固后的纵向最大位移为76.2mm(参见表3)，也达到了所拟定的加固要求，即小于100mm的要求。
若上述两个指标不符合设定标准，则应当重复步骤2-(2)，重新拟定形状记忆合金拉索3的锚固位置、数量及截面积，并重新校核，直到两个指标均达到设定标准为止。
4、加固结构的具体实施
由步骤3的校核结果可见，步骤2所述的加固设计方案已满足步骤2所述的加固要求，故采用步骤2所述的加固设计方案对本例所述的待加固的中承式单索面拱桥进行加固。具体加固方法如下所述。
参见图4和图8～图10，本例中的形状记忆合金拉索3由拉索3-1和配套的冷铸锚具4组成，其中，所述的拉索3-1由629根直径为5mm的NiTi合金丝3-2拼组而成，其横截面呈圆形，每一根拉索3-1上均布有四个索夹16，该索夹16由两个半圆柱筒16-1组成，并由螺栓17固定在一起(参见图8～图10)；所述的冷铸锚具4主要由锚杯5和连接筒6组成，其中，所述锚杯5为圆柱形，其体内设有与所述圆柱形同轴的锥形孔，所述连接筒6由锥形孔端面积较小的一头伸进该锥形孔并与锚杯5螺纹连接，所述的连接筒6伸进锥形孔的一头的末端设有一约束板8；所述的拉索3-1从连接筒6上位于锥形孔外的一端伸进连接筒6，其上的多根NiTi合金丝3-2在连接筒6内分散并分别穿过所述的约束板8，每一根NiTi合金丝3-2的端部均固定在位于所述锥形孔内的一锚板7上，所述锚板7为圆锥盘，其外径与锥形孔横截面较大的一端相匹配；所述的连接筒6位于锥形孔外的一端的内部由里向外依次设有密封胶10、橡胶密封环11和连接筒前盖12；所述的锚杯5的另一端设有锚杯后盖18，锚杯5的外壁上设有外螺纹，其上连接有一螺母9。
参见图5，所述的拉索3-1上端的冷铸锚具4与主梁1的腹板之间锚固结构为：主梁1的斜腹板1-1和横隔板1-2的夹角处焊接有钢锚箱1-3，所述的斜腹板1-1和横隔板1-2上还设有倾斜向下的预埋套筒13，该预埋套筒13的上端延伸至钢锚箱1-3的内侧，所述的拉索3-1上端的冷铸锚具4从预埋套筒13的下端插入，其末端从预埋套筒13的上端伸出并穿越所述的钢锚箱1-3，冷铸锚具4的锚杯5上套有一锚固板14，该锚固板14的一侧贴紧在钢锚箱1-3的外表面上，另一侧由螺母9压紧。所述的预埋套筒13的下端口上设有密封胶10。
参见图6和图7，所述的拉索3-1下端的冷铸锚具4与拱脚2-1之间的锚固结构为：拱脚2-1的横断面为空心矩形，其内设有横隔板2-2，拱脚2-1中线处设有预埋套筒13，该预埋套筒13的下端延伸至拱脚2-1的横隔板2-2的腋窝处，所述的冷铸锚具4的从预埋套筒13的上端口插入，其末端从预埋套筒13的下端伸出并穿越所述的横隔板2-2的腋窝，冷铸锚具4的锚杯5上套有一锚固板14，该锚固板14的一侧贴紧在所述的腋窝的表面上，另一侧由螺母9压紧。所述的预埋套筒13的上端口上设有密封胶10和套筒端盖15。
在本发明的实施过程中，还可以比较加固前后拱桥的一些其他指标，如主梁1的扭转、纵飘、竖弯自振频率以及主梁1在偏载车辆荷载下的扭转振动最大位移幅值，以进一步验证本发明的加固结构的加固效果。具体方法如下：
根据上述步骤2中所构建的有限元计算分析模型，进一步计算出如图12～图14所示的加固前的主梁1的横向扭转、纵飘和竖向弯曲振型，求得相应的扭转自振频率为0.522Hz，纵飘自振频率为0.752Hz，竖弯自振频率为1.401Hz(参见表4)，主梁1在所述偏载车辆荷载下的扭转振动最大位移幅值为16.4mm(参见表2)。
根据上述步骤3中所构建的有限元计算分析模型，进一步计算出如图19～图21所示的加固后的主梁1的横向扭转、纵飘和竖向弯曲振型，并求得相应的扭转自振频率为4.326Hz，纵飘自振频率为1.123Hz，竖弯自振频率为1.491Hz(参见表4)，主梁1在偏载车辆荷载下的扭转振动最大位移幅值为10.2mm(参见表2)。
将上述的加固前后的相应数据对比可见，应用本发明的加固结构可有效度提高中承式单索面拱桥的纵向刚度、横向抗扭刚度，也可有效减小中承式单索面拱桥的扭转振动位移幅值。
表1 舒适度指标的评价标准
| WZ | 舒适度 |
| 1.00 | 感觉稍有振动 |
| 2.00 | 感觉明显振动 |
| 2.50 | 明确地感觉振动，但不感觉不舒适 |
| 3.00 | 振动强烈而不规则，但能忍受 |
| 3.25 | 振动非常不规则，感觉不舒适 |
| 3.5 | 振动极端不规则，时间长则不能忍受 |
| 4.00 | 极端不舒适，时间长则对人体有害 |
表2 偏载荷载作用下主梁扭转振幅以及舒适度指标的比较
| 未安装NiTi拉索 | 安装NiTi拉索 | |
| 扭转振动最大位移幅值ΔV(mm) | 16.4 | 10.2 |
| 舒适度指标WZ | 1.96 | 0.97 |
表3 地震荷载作用下主梁纵向位移的比较
表4 安装NiTi形状记忆合金拉索前后主梁自振频率的比较
Claims (5)
1.一种中承式单索面拱桥的加固结构，该加固结构是在所述拱桥的每一由主梁（1）与拱圈（2）所形成的夹角内设置两组形状记忆合金拉索（3）构成的；其中，所述的两组形状记忆合金拉索（3）对称设在经过桥轴线的铅垂面的两侧，且每一组形状记忆合金拉索（3）的上端锚固在主梁（1）腹板上，其锚固点位于主梁（1）的伸缩缝（19）旁靠近拱圈（2）中心的一侧，下端锚固在拱圈（2）的拱脚（2-1）的内壁上。
2.根据权利要求1所述的一种单索面拱桥的加固结构，其特征在于，所述的形状记忆合金拉索（3），在所述拱桥纵垂面内的投影与水平面的夹角为15°～30°，在水平面内的投影与经过所述拱桥的桥轴线的铅垂面的夹角为15°～45°，在所述拱桥横截面内的投影与水平面的夹角为20°～45°。
3.根据权利要求1或2所述的一种单索面拱桥的加固结构，其特征在于，所述的形状记忆合金拉索（3）为NiTi形状记忆合金拉索。
4.根据权利要求3所述的一种单索面拱桥的加固结构，其特征在于，所述的形状记忆合金拉索（3）由拉索（3-1）和设在其两头的冷铸锚具（4）组成；所述的冷铸锚具（4）主要由锚杯（5）和连接筒（6）组成，其中，所述锚杯（5）为圆柱形，其体内设有与所述圆柱形同轴的锥形孔，所述连接筒（6）由端面积较小的一头伸进所述的锥形孔并与锚杯（5）螺纹连接，所述的拉索（3-1）由629根直径为5mm的NiTi合金丝3-2拼组而成，且从另一端伸进连接筒（6）并延伸至所述的锥形孔内，其每一根NiTi合金丝（3-2）的端部均固定在位于所述锥形孔内的一锚板（7）上，所述锚板（7）为圆锥盘，其外径与所述锥形孔横截面较大的一头相匹配；所述的锚杯（5）的外壁上螺纹连接一螺母（9）。
5.根据权利要求1～4所述的一种单索面拱桥的加固结构，其特征在于，所述的拉索（3-1）上设有若干个索夹（16），该索夹（16）由两个半圆柱筒（16-1）组成，并由螺栓（17）固定在一起。
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