CN102635072A - 桥梁顶升用钢夹箍支撑体系 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种桥梁顶升用钢夹箍支撑体系,包括墩柱,还包括钢夹箍结构,钢夹箍结构为环形结构,钢夹箍结构与墩柱通过植入若干钢筋进行连接;钢夹箍结构包括若干弧形钢夹箍,在相邻的两弧形钢夹箍的连接处设置有间隙,弧形钢夹箍的两连接端各设置一竖向连接件,相邻的两竖向连接件通过若干摩擦型高强螺栓紧固连接在墩柱的外周上。本方案通过拧松或拧紧摩擦型高强螺栓来调整钢抱箍结构与墩柱间的摩擦力,并通过植入钢筋的方式使得钢夹箍支撑体系所承受的上部荷载通过钢夹箍结构与墩柱的摩擦力及钢筋的抗剪力共同平衡实现,解决了现有支撑体系承载吨位有限,施工工艺复杂,不可重复使用等技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种顶升支撑体系,特别涉及一种桥梁顶升用钢夹箍支撑体系。
背景技术
目前,为了满足城市桥梁顶升改造的要求,现阶段普遍通过在原结构如盖梁,墩柱顶,布设同步顶升千斤顶进行同步顶升。但是随着现有城市桥梁陆续进入维修期,大量既有老式桥梁未设置盖梁或墩柱顶无足够布顶空间,由此给桥梁顶升施工带来了很大的困难。同时既有钢结构牛腿支撑,由于在使用过程中存在滑移,承载吨位较小等缺陷很难大范围应用。而改变原结构体系的方法成本高,可行性也受到诸多限制。因此如何实现一种即安全可靠,又经济适用的顶升支撑体系是城市桥梁顶升改造的迫切需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种桥梁顶升用钢夹箍支撑体系,适用于圆柱型墩柱,此体系即安全可靠,又经济适用,以解决现有支撑体系承载吨位有限,施工工艺复杂,不可重复使用等技术问题。
为了解决上述问题,本发明提供了一种桥梁顶升用钢夹箍支撑体系,包括墩柱,还包括钢夹箍结构,所述钢夹箍结构为环形结构,所述钢夹箍结构与所述墩柱通过植入若干钢筋进行连接;所述钢夹箍结构包括若干弧形钢夹箍,在相邻的两弧形钢夹箍的连接处设置有间隙,所述弧形钢夹箍的两连接端各设置一竖向连接件,相邻的两竖向连接件通过若干摩擦型高强螺栓紧固连接在所述墩柱的外周上。
较佳地,所述弧形钢夹箍的内表面设置有橡胶板。
较佳地,所述钢夹箍结构包括两个半圆筒形钢夹箍,每一半圆筒形钢夹箍的两端各设置一竖向连接件,相邻的两竖向连接件通过若干摩擦型高强螺栓紧固连接。
较佳地,所述竖向连接件包括一夹箍顶板、一夹箍腹板和一夹箍底板,所述夹箍腹板竖直连接在所述半圆筒形钢夹箍的连接端,所述夹箍顶板垂直连接在所述夹箍腹板的上端,所述夹箍底板垂直连接在所述夹箍腹板的下端。
较佳地,所述夹箍腹板为梯形,夹箍顶板的长度与梯形夹箍腹板的上底面长度相同,夹箍底板的长度与梯形夹箍腹板的下底面长度相同,所述夹箍顶板的长度大于所述夹箍底板的长度。
较佳地,所述夹箍腹板上设置一排或两排螺纹孔,所述摩擦型高强螺栓连接在所述螺纹孔内。
较佳地,所述半圆筒形钢夹箍的中部外侧还设置一钢牛腿结构,在所述钢牛腿结构位置处,所述半圆筒形钢夹箍上包括若干钢筋孔,所述钢筋通过所述钢筋孔植入到所述墩柱上。
较佳地,所述钢牛腿结构包括一牛腿顶板和若干牛腿腹板,所述牛腿顶板设置在所述半圆筒形钢夹箍的顶部,所述牛腿腹板竖向连接在所述牛腿顶板的下方。
较佳地,所述钢牛腿结构还包括一牛腿加劲板,所述牛腿加劲板设置在所述牛腿顶板下方,并连接在若干牛腿腹板之间。
较佳地,所述夹箍顶板、夹箍腹板、夹箍底板以及牛腿顶板和若干牛腿腹板均与所述半圆筒形钢夹箍一体制成。
与现有技术相比,本发明存在以下技术效果:
本发明一种桥梁顶升用钢夹箍支撑体系,特别适用于圆柱型墩柱,通过拧松或拧紧摩擦型高强螺栓来调整钢夹箍结构的内径,以达到适用于不同直径的墩柱,为了增加钢夹箍结构与墩柱之间的紧固连接,并采用钢夹箍结构与墩柱之间种植钢筋的方式进行进一步的连接,使得钢夹箍支撑体系所承受的上部荷载通过钢夹箍结构与墩柱的摩擦力及钢筋的抗剪力共同平衡实现。在本发明中,钢夹箍结构可以非常方便地从墩柱上拆卸下来,方便操作;而且在钢夹箍结构的内表面还设置一层橡胶板作为缓冲垫层,不仅增大了钢夹箍 结构与墩柱之间的摩阻力,还使得墩柱外表面得到保护,解决了现有支撑体系承载吨位有限,施工工艺复杂,不可重复使用等技术问题。
附图说明
图1为本发明中钢夹箍结构的结构示意图;
图2为本发明一种桥梁顶升用钢夹箍支撑体系的结构俯视图;
图3为本发明一种桥梁顶升用钢夹箍支撑体系的剖视图A-A;
图4为本发明一种桥梁顶升用钢夹箍支撑体系的剖视图B-B;
图5、图6为本发明一种桥梁顶升用钢夹箍支撑体系的尺寸标注图;
图7为本发明的钢夹箍外荷载分解图。
具体实施方式
本发明提供一种桥梁顶升用钢夹箍支撑体系,包括墩柱和钢夹箍结构,钢夹箍结构为环形结构,钢夹箍结构与墩柱通过植入若干钢筋进行连接。本发明对在钢夹箍结构的哪个位置进行种植钢筋不做限制。钢夹箍结构包括若干弧形钢夹箍,在相邻的两弧形钢夹箍的连接处设置有间隙,弧形钢夹箍的两连接端各设置一竖向连接件,相邻的两竖向连接件通过若干摩擦型高强螺栓紧固连接在墩柱的外周上。本发明在安装使用时,利用计算得到的摩擦型高强螺栓连接若干弧形钢夹箍,并通过对摩擦型高强螺栓进行初拧、复拧、终拧,施加预紧力于钢夹箍结构,使钢夹箍结构与墩柱紧贴。在本发明中,对弧形钢夹箍以及摩擦型高强螺栓的个数不做限制。一般情况下,用两个弧形钢夹箍组成一个环形结构的钢夹箍结构即可,即弧形钢夹箍为半圆筒形钢夹箍,但不发明并不局限于半圆筒形钢夹箍。
为了增大钢夹箍结构与墩柱之间的摩阻力,也令墩柱外表面得到保护,在弧形钢夹箍的内表面设置橡胶板作为缓冲垫层。
为了增加支撑体系的承载吨位,在钢夹箍结构外侧还设置若干钢牛腿结构,此钢牛腿结构可以为箱型或工字型等钢牛腿,本发明对此不做限制。
为了便于说明本发明,以下结合附图,举一具体实施例加以详细说明。
请参考图1和图2,一种桥梁顶升用钢夹箍支撑体系,包括墩柱1和钢夹箍结构2,钢夹箍结构2为环形结构,钢夹箍结构2连接在墩柱1的外周上。在本实施例中,墩柱1为圆柱型,因此,钢夹箍结构2的内表面也形成圆柱形,以便与墩柱1良好的连接。
在本实施例中,钢夹箍结构2是由两个无肋钢板略小于半圆的半圆筒形钢夹箍21拼装而成,在两个半圆筒形钢夹箍21的连接处预留4~5cm间隙,并且,在连接处,还设置刚度足够的竖向联接件22,即在每一半圆筒形钢夹箍的两端各设置一竖向连接件22,相邻的两竖向连接件22通过若干摩擦型高强螺栓24紧固连接。
在本发明中,这两个半圆筒形钢夹箍的结构完成相同,以下一个半圆筒形钢夹箍的结构为例加以详细说明。
请参考图3,在本实施例中,竖向连接件22包括一夹箍顶板221、一夹箍腹板222和一夹箍底板223,夹箍腹板222竖直连接在半圆筒形钢夹箍21的连接端,夹箍顶板221垂直连接在夹箍腹板222的上端,夹箍底板223垂直连接在夹箍腹板222的下端。在本实施例中,夹箍顶板221和夹箍底板223连接在夹箍腹板222上并向夹箍腹板222的外侧延伸,在夹箍腹板222的内侧,夹箍顶板221、夹箍腹板222和夹箍底板223在竖直方向是齐平的。夹箍顶板221、夹箍腹板222、夹箍底板223是焊接在半圆筒形钢夹箍21的,也可以与半圆筒形钢夹箍21一体制成,本发明不加以限制,在本实施例中,夹箍顶板221、夹箍腹板222、夹箍底板223均与半圆筒形钢夹箍21一体制成。
在本实施例中,夹箍腹板222为梯形,夹箍顶板221的长度与梯形夹箍腹板222的上底面长度相同,夹箍底板223的长度与梯形夹箍腹板222的下底面长度相同,夹箍顶板221的长度大于夹箍底板223的长度。
在本实施例中,夹箍腹板222上设置一排或两排螺纹孔,摩擦型高强螺栓24连接在螺纹孔内。
请参考图4,在本发明中,半圆筒形钢夹箍21的中部外侧还设置一钢牛腿结构23,钢牛腿结构23包括一牛腿顶板231、若干牛腿腹板232和一牛腿加劲板233,牛腿顶板231设置在半圆筒形钢夹箍21的顶部,若干牛腿腹板232竖向 连接在牛腿顶板231的下方。牛腿腹板232设置在牛腿顶板231的下方两侧,牛腿加劲板233设置牛腿顶板231的下方并连接在牛腿腹板232之间。本发明对牛腿腹板232的个数不做限制,在本实施例中,牛腿腹板232为三个。在本实施例中,若干牛腿腹板232结构相同,均为梯形结构,且梯形牛腿腹板232的上底面的长度大于下底面的长度。在本发明中,牛腿顶板231和牛腿腹板232可以是焊接在半圆筒形钢夹箍21上端,也可以是与半圆筒形钢夹箍21一体制成的,本发明对此不加以限制。在本实施例中,牛腿顶板231和牛腿腹板232均与半圆筒形钢夹箍21一体制成。
在本实施例中,在钢夹箍结构位置处,进行钢夹箍结构2和墩柱1之间的植入钢筋26工作。具体的,在钢夹箍结构2位置处,半圆筒形钢夹箍21上设置若干钢筋孔211,若干钢筋孔211用于钢筋26植入到墩柱上,在本实施例中,若干钢筋211形成四列,即在两牛腿腹板232和牛腿加劲板233的左右侧各设置一列钢筋,且,每一列钢筋又包括若干个钢筋孔211。本发明对钢筋孔的个数不做限制,上述只是其中的一个具体实施例,但本发明并不局限于此。
在本实施例中,钢筋是预先设置在半圆筒形钢夹箍上的。在安装时,首先,将两个半圆筒形钢夹箍放置在墩柱外侧,通过摩擦型高强螺栓进行连接,并对摩擦型高强螺栓进行初拧、复拧、终拧,施加预紧力于钢夹箍,使夹柱箍结构与墩柱紧贴;然后,对应着钢筋的位置,在墩柱上进行钻孔,进行植入钢筋,钢夹箍支撑体系所承受的上部荷载通过钢夹箍结构与墩柱的摩擦力及钢筋的抗剪力共同平衡实现。
在本实施例中,每个半圆筒形钢夹箍21的没表面还黏贴一层厚度不小于5毫米的橡胶板25作为缓冲垫层,其作用可增大半圆筒形钢夹箍与墩柱之间的摩阻力,也使得墩柱外表面得到保护。
以下结合附图,根据具体数据进行详细描述。
请参考图5和图6,钢夹箍结构的高度为H,内径为r,半圆筒形钢夹箍的厚度为t1;钢牛腿结构高度为h,宽度为T,长度为L,牛腿顶板厚度、腹板厚度分别为t2和t3,钢牛腿结构的上下端至钢夹箍结构顶与底面的距离为c,即 H=h+2c。钢牛腿结构上竖直荷载至钢夹箍结构的力臂长度为1。为了便于描述,以下所述的钢夹箍均为上述的钢夹箍结构,双牛腿为上述的双钢牛腿结构,高强螺栓为上述的摩擦型高强螺栓,使用简称,只是便于理解,但结构和含义均与上述相同,无任何改变。
1、夹箍双牛腿工作原理及力学模型
根据夹箍双牛腿上作用的等值竖直外荷载kP值(k为安全系数),计算出两个半圆筒形钢夹箍前、后联接的高强螺栓上应施加的预拉力T值及其在钢夹箍竖截面上的预拉力强度t的分布。在安装夹箍时,预先用张拉法把预拉力T施加到高强螺栓上(此时两个半圆筒形钢夹箍联接处预留的空隙会缩小,但仍有间隙存在),则夹箍自身有了水平环向拉力T,这个环向拉力伴生了对墩柱表面的正压力N。当牛腿上的外荷载kP加上后,这个正压力N在夹箍与桩(柱)之间伴生出摩阻力F,该摩阻力刚好与竖直的外荷载平衡。
请参考图7,夹箍的前、后联接处高强螺栓施加了预拉力T值后,双牛腿上各受竖向外荷载kP。双牛腿竖直外荷kP工况分解成夹箍上口左、右的竖向力kP和箍身左、右的弯矩M=kP1这两种计算模式。
2、夹箍箍身顶面上对称作用等值竖向外荷kP的受力分析
作用在箍身左、右顶面的竖直向下荷载kP与夹箍内侧面和墩柱表面之间向上的摩阻力F相平衡。根据夹箍内面设橡胶板垫层及对圆夹箍的联接高强螺栓预先收紧,施加预张拉力T“箍紧”圆墩柱的情况,可以认为夹箍内侧面与桩(柱)表面之间正压力和摩阻力的强度(应力)呈近似均匀分布。
总摩阻力=上部荷载
摩阻力的强度f=F/S,S=2πrH,上部荷载F=2kP,则f=kP/πrH
总摩阻力F=μN
则夹箍内面正压力N=2kP/μ,式中,μ为橡胶板与钢板之间的摩擦系数。
3、夹箍水平环向拉力的合力
可认为夹箍内侧面单位面积上的正压力强度n近似也呈均匀分布:
n=N/S=N/2πrH
式中:S为夹箍内侧面的表面积;r、H分别是夹箍的内径和高度。
取夹箍单位高度为1cm,则夹箍圆周单位高度上正压力的线荷载qN为:
qN=n×1=N/2πrH
由夹箍上的几何关系可知,
(Δl/2)/r=tanΔα/2≈Δα/2,则Δl=Δα*r
由此得到,qN在y方向的分量为:qy=qNsinα
夹箍单位高度上正压力线荷载的微分变量ΔN为:
ΔNy=qyΔl=(qN*sinα)(rΔα)
则可求夹箍高度H上的水平环向拉力T与N的关系式:
T=qNHr=(N/2πrH)Hr=N/2π
将夹箍内面正压力N=2kP/μ代入得到
T=2kP/2πμ=kP/πμ
上式表明:夹箍连接高强螺栓上预先施加的拉力T等于双边等值荷载kP除以(πμ),与摩擦系数μ有关系,而与夹箍和牛腿尺寸无关;因此,摩擦系数μ的准确取值至关重要。
在竖直荷载(2kP)单独作用下,夹箍竖截面上的拉应力是均匀的,平均拉力强度t的计算式为:
t=T/A=(kP/πμ)/Ht1=kP/πHt1
4、夹箍箍身两侧在一对外弯矩M=kP作用下的受力分析
假定弯矩M=kPl单独作用时,夹箍并无“下滑”的趋势,水平环向预拉力T所起作用仅为平衡夹箍自身很小的自重,可忽略不计。
在夹箍牛腿上的外弯矩M=kPl作用下,牛腿根部处夹箍外侧的应力σ=±My/I分布为上半截的拉应力+σ和下半截的压应力-σ;他们的上下合力以±2T表示。令上、下合力的间距为h0,则组成的弯矩应等于外力弯矩:M=(2T)h0=kPl
则由弯矩M引起的上、下附加水平环向拉力计算则为:
T′=±kPl/2h0
令牛腿箱型截面上,上半截受拉应力的合力为+2T′;此合力为面板受拉合力+T′1和腹板受拉合力+T′2之和,2T′=T′1+T′2
牛腿根部箱形截面上由弯矩M引起的上、下合力+2T′1和-2T′2之间的距离h0为
前、后竖截面的上半截向左拉力T′至夹箍顶面的距离a0:
箱形截面牛腿根部外力矩为M,截面惯性矩为I,y为箱形截面水平中和轴至面板厚度平分线之间的距离,面板厚度平分线上的应力为:
腹板(与面板接触处)最大应力为:
总结弯矩M对夹箍的影响可知,弯矩M引起的附加水平环向拉力T′的存在加大和减小了夹箍上半截和下半截竖向截面上与两个竖直荷载kP对应的均匀水平环向拉力数值。
由弯矩M引起的夹箍半截和下半截竖截面上的最大附加环向拉力和力的强度分别为:
tmax=±kPl/3hoaot1
5、夹箍在竖向等值双荷载kP和弯矩M=kPl共同作用下
根据前述的分项工况的分析,夹箍高强联接螺栓上预先施加的理论张拉力总和为:
T>kP/πμ
夹箍竖截面及高强螺栓强度计算时,夹箍上半截和下半截采用的拉力理论计算值分为T01和T02,
T01>T/2+T1=kP/2πμ+kPl/2h0
T02>T/2-T2=kP/2πμ-kPl/2h0
高强螺栓和夹箍竖截面强度计算时,最大和最小拉力强度值为(分别位于夹箍内侧面顶部和底部):
t0max=t+tmax=kP/πHt1+kPl/3hoaot1
在本发明中,夹箍支撑体系作为顶升支撑其强度、刚度、稳定性均须满足要求,由于夹箍与混凝土墩柱接触面的摩擦系数取值对夹箍承载力计算至关重要。根据本本发明所做的破坏性试验,建议接触面的摩擦系数0.25-0.35。若实际使用中材料有所不同,建议在正式施工前必须对夹箍进行破坏性试验,以检验接触面摩擦系数及夹箍的承载力。
夹箍试拼可在墩柱底进行。夹箍内侧与墩柱接触处用橡胶垫环包以增大墩身与夹箍间的摩阻力,并避免夹箍与墩柱间的刚性接触,损伤混凝土表面。
1、夹箍在钢结构加工厂进行制作。连接板和连接母体应经过喷砂或抛丸处理,在运输和施工中需要保证施工前结合面的粗糙度和清洁度。不允许泥土、杂物污染结合面。表面粗糙度达不到设计要求时要在现场重新进行喷砂或抛丸处理然后在进行施工。同时要特别注意保护好高强度螺栓连接处的连接板和母体的连接表面的清洁度、摩擦表面的特性。
2、连接处的螺栓必须分三步进行紧固:
a)在夹箍拼装好后进行;
b)在夹箍拼装好后第3天进行;
c)是在给夹箍加压后进行,压力的大小必须与夹箍理论承受的荷载一致;
d)夹箍螺栓使用前必须检查其是否有缺陷,有缺陷不得使用,夹箍加压前在夹箍下方应设置位移计,以作为检验夹箍是否有滑移;
3、高强度螺栓连接副组装时,螺母带圆台面的一侧应朝向垫圈有倒角的一侧。对于大六角头高强度螺栓连接副组装时,螺栓头下垫圈有倒角的一侧 应朝向螺栓头。安装高强度螺栓时,严禁强行穿入螺栓。如不能自由穿入时,该孔应用铰刀进行修整,修整后孔的最大直径应小于1.2倍螺栓直径。修孔时,为了防止铁屑落入板迭缝中,铰孔前应将四周螺栓全部拧紧,使板迭密贴后再进行。
4、高强度螺栓拧紧时,只准在螺母上施加扭矩。只有在空间受限制时,才允许拧螺栓。
对高强螺栓应分为初拧、复拧、终拧。初拧扭矩为施工扭矩的50%左右,复拧扭矩等于初拧扭矩。为防止遗漏,对初拧或复拧后的高强度螺栓,应使用颜色在螺母上涂上标记。对终拧后的高强度螺栓,再用另一种颜色在螺母上涂上标记。
以上公开的仅为本申请的一个具体实施例,但本申请并非局限于此,任何本领域的技术人员能思之的变化,都应落在本申请的保护范围内。
Claims (10)
1.一种桥梁顶升用钢夹箍支撑体系,包括墩柱,其特征在于,还包括钢夹箍结构,所述钢夹箍结构为环形结构,所述钢夹箍结构与所述墩柱通过植入若干钢筋进行连接;所述钢夹箍结构包括若干弧形钢夹箍,在相邻的两弧形钢夹箍的连接处设置有间隙,所述弧形钢夹箍的两连接端各设置一竖向连接件,相邻的两竖向连接件通过若干摩擦型高强螺栓紧固连接在所述墩柱的外周上。
2.如权利要求1所述的桥梁顶升用钢夹箍支撑体系,其特征在于,所述弧形钢夹箍的内表面设置有橡胶板。
3.如权利要求1所述的桥梁顶升用钢夹箍支撑体系,其特征在于,所述钢夹箍结构包括两个半圆筒形钢夹箍,每一半圆筒形钢夹箍的两端各设置一竖向连接件,相邻的两竖向连接件通过若干摩擦型高强螺栓紧固连接。
4.如权利要求3所述的桥梁顶升用钢夹箍支撑体系,其特征在于,所述竖向连接件包括一夹箍顶板、一夹箍腹板和一夹箍底板,所述夹箍腹板竖直连接在所述半圆筒形钢夹箍的连接端,所述夹箍顶板垂直连接在所述夹箍腹板的上端,所述夹箍底板垂直连接在所述夹箍腹板的下端。
5.如权利要求4所述的桥梁顶升用钢夹箍支撑体系,其特征在于,所述夹箍腹板为梯形,夹箍顶板的长度与梯形夹箍腹板的上底面长度相同,夹箍底板的长度与梯形夹箍腹板的下底面长度相同,所述夹箍顶板的长度大于所述夹箍底板的长度。
6.如权利要求4所述的桥梁顶升用钢夹箍支撑体系,其特征在于,所述夹箍腹板上设置一排或两排螺纹孔,所述摩擦型高强螺栓连接在所述螺纹孔内。
7.如权利要求3所述的桥梁顶升用钢夹箍支撑体系,其特征在于,所述半圆筒形钢夹箍的中部外侧还设置一钢牛腿结构,在所述钢牛腿结构位置处,所述半圆筒形钢夹箍上包括若干钢筋孔,所述钢筋通过所述钢筋孔植入到所述墩柱上。
8.如权利要求7所述的桥梁顶升用钢夹箍支撑体系,其特征在于,所述钢牛腿结构包括一牛腿顶板和若干牛腿腹板,所述牛腿顶板设置在所述半圆筒形钢夹箍的顶部,所述牛腿腹板竖向连接在所述牛腿顶板的下方。
9.如权利要求8所述的桥梁顶升用钢夹箍支撑体系,其特征在于,所述钢牛腿结构还包括一牛腿加劲板,所述牛腿加劲板设置在所述牛腿顶板下方,并连接在若干牛腿腹板之间。
10.如权利要求4或9所述的桥梁顶升用钢夹箍支撑体系,其特征在于,所述夹箍顶板、夹箍腹板、夹箍底板以及牛腿顶板和若干牛腿腹板均与所述半圆筒形钢夹箍一体制成。
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