CN102733320B - 桥梁顶升用桥墩环形牛腿式抱柱梁 - Google Patents
桥梁顶升用桥墩环形牛腿式抱柱梁 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种桥梁顶升用桥墩环形牛腿式抱柱梁，包括两个以上的预制抱柱梁分体，各预制抱柱梁分体采用连接螺栓通过剪切连接板径向拼接而成；每一个预制抱柱梁分体均包括端顶板、抱箍钢管；端顶板安装在桥墩的顶部，且端顶板的边缘没出桥墩外围；抱箍钢管套接在桥墩的外围，且抱箍钢管与桥墩之间设置环形高摩阻橡胶片；端顶板覆盖于抱箍钢管断面的板体部分通过顶部锚固螺栓与桥墩紧固，而端顶板延伸出抱箍钢管断面的板体部分通过剪切板与抱箍钢管的外壁焊接固定。因此，本发明具有制作成本低、结构整体性高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种抱柱梁，尤其是一种环形牛腿式抱柱梁，属于土木工程桥梁工程改造领域。
背景技术
整体同步顶升技术已成功应用于现有桥梁的支座更换、净空改造、桩基托换以及灾后姿态调整等领域，并逐渐成为一门成熟的施工技术。在此之前，PLC液压同步控制系统已在闸门开关、海上平台调控、高层高耸建筑安装等工程成功运用，部分工程已安全运营数十年，基本上论证了该技术的可靠性与安全性；而已大量完成的桥梁顶升工程证明，除千斤顶及控制系统外，综合支承系统逐渐成为控制施工安全、工期及成本的关键因素。
综合支承系统大体可分为直立式与抱箍式两类，且通常情况下，应优先采用直立式综合支承系统，源于其结构简单，传力体系明确、各构件易模数化、标准化施工且误差容易控制等优点；然而当遇到下述状况时，应考虑采用抱箍式结构：
1、原桥结构不具备足够面积的承台作为支承结构的支撑平台；
2、原桥上部结构桥墩高度较高时，采用原有规格构件搭建的支承系统存在着显著的稳定问题；若更改构件尺寸将大幅增加改造成本。
此时，抱箍式综合支承结构体现出较大的适应性。
以往的抱箍式支承系统（又称抱柱梁），均通过界面连接力抵抗顶升反力，如传统的混凝土抱柱梁结构通过在原桥墩外壁进行凿毛处理后，通过新老混凝土的界面摩擦剪力获得竖直向的支承反力；而近些年有人提出采用剪力键模式，使抱柱梁搁置于桥墩外表面；此外，在部分小型桥梁顶升工程中还采用的传统的牛腿式结构（依据短悬臂桁架传力原则，竖直向力沿45°压力线传递至锚固端，并由上、下锚固螺栓所 产生的一对力偶抵抗竖向力产生的弯矩效应）。上述结构鲜明的传力特点决定了其工程应用的优劣，尤其在桥梁顶升工程中，优缺点的差异更显著：
钢牛腿（对结构放大效应较为敏感）的结构简单，但受到结构尺寸的限制（悬臂端长度较小，通常适用于单个千斤顶的支承面积），上、下排螺栓的间距也较小（受45°压力线控制），所能承受的弯矩也相当局限，使得该结构的承载力较小；当顶升重量增加时，若单纯增加结构尺寸，则材料的使用效率大幅降低，综合效益很差；而且钢牛腿通常单个设置（牛腿间设置支撑结构对整体稳定影响较小），故仅适用于轻型桥梁（跨径不大于20m的简支板梁桥）的支座更换与小幅净空改造。
抱柱梁结构（对结构放大效应不敏感）则需依靠界面连接力提供顶升反力，故无一例外需要对原桥墩进行一定形式的处理（凿毛或切槽）。凿毛处理的单位面积抗剪强度甚低，故构件的尺寸往往较大；切槽处理对施工要求较高。钢结构抱柱梁与钢混组合结构抱柱梁大大降低了现场施工时间，但是，其结构规模仍与混凝土抱柱梁相仿，结构的制作成本较高，不适用于中小型桥梁的顶升工程。
总而言之，开发一套适用性介于上述抱箍式综合支承体系之间的针对性产品，并拓宽此类结构的适用范围，进而降低桥梁顶升的综合成本与改造工期，具有现实的工程意义。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种桥梁顶升用桥墩环形牛腿式抱柱梁，其具有制作成本低、结构整体性高的优点。
为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：
一种桥梁顶升用桥墩环形牛腿式抱柱梁，包括环形牛腿式抱柱梁本体，该环形牛腿式抱柱梁本体包括两个以上的预制抱柱梁分体，各预制抱柱梁分体采用连接螺栓通过剪切连接板径向拼接而成；每一个预制抱柱梁分体均包括端顶板、抱箍钢管；端顶板安装在桥墩的顶部，且端顶板的边缘没出桥墩外围；抱箍钢管套接在桥墩的外围，且抱箍钢管与桥墩之间设置环形高摩阻橡胶片；端顶板覆盖于抱箍钢管断面的板体部分通过顶部锚固螺栓与桥墩紧固，而端顶板延伸出抱箍钢管断面的板体部分通过剪切板与抱箍钢管的外壁焊接固定；所述剪切板、剪切连接板的长度方向均平行于抱箍钢管的长度方向、垂直于端顶板，而剪切板、剪切连接板的宽度方向则与抱箍钢管的外壁面法向平行。
所述剪切板邻近端顶板的区域沿环向设置预应力钢束，而剪切板背离端顶板的区域沿环向设置抗剪锚固螺栓。
端顶板延伸出抱箍钢管断面的板体部分长度为覆盖于抱箍钢管断面的板体部分长度的0.6-1；所述剪切板的长宽比为3-5。
所述环形牛腿式抱柱梁本体沿径向等分成三个预制抱柱梁分体。
根据以上的技术方案，与目前普遍采用的混凝土抱柱梁以及部分学者提出钢结构抱柱梁、钢-混组合结构抱柱梁相比，桥梁顶升用环形钢牛腿式抱柱梁结构具有以下几个特点：
A、制作成本低： 全结构以承受剪力为主，材料的使用率高，相应的耗材较少；单元中各构件的焊缝设置简单明了，加工费用低； 现场无须对原桥墩进行额外处理，仅需用螺栓拼装即可，工期短，费用少。
B、结构整体性高：全结构通过竖向密布螺栓连接；钢管外壁采用预应力钢束紧箍；端部搁置于桥墩处，并用螺栓锚固；底部环向密布抗剪螺栓。这些措施均确保了本产品在施工期间的整体性与稳定性。
介于上述特点，该发明主要适用于以下几类情况：
A、中小型桥梁（跨度小于60m）的桥梁支座更换、净空改造以及姿态调整，尤其当桥墩较高时，可以大量节省钢管支承墩的耗材量，且具有较高的结构稳定性；
B、多跨桥梁的整体同步顶升工程，顶升工程的规模越大，跨数越多，该方案的优越性越显著—— 整个安装、拆除过程不损伤原有桥墩，且整个过程施工方便，所需费用、时间短。
附图说明
图1是本发明的俯视图；
图2是本发明的正视图；
图3是图2中I部分的放大结构示意图；
图4是本发明的横向展开示意图；
图5是本发明端顶板承受千斤顶施力时的结构示意图；
图6是本发明在图5所示受力状况下的传力示意图；
图1至4中：端顶板1；支承式承压顶板11；悬挑式承压顶板12；抱箍钢管2；剪切连接板31；剪切板32；桥墩4；顶部锚固螺栓5；抗剪锚固螺栓6；抗剪锚固螺杆孔道61；高摩阻橡胶片7；预应力钢束8；环向预应力钢束81；螺旋型预应力锚固件82；连接螺栓孔道9。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
如图1至4所示，本发明所述桥梁顶升用桥墩环形牛腿式抱柱梁，包括环形牛腿式抱柱梁本体，该环形牛腿式抱柱梁本体包括两个以上的预制抱柱梁分体，本申请中，环形牛腿式抱柱梁本体沿径向等分成三个预制抱柱梁分体，以中心120°为一个单元（分为4份过于凌乱，影响拼装后的整体性；分为两份则加大现场的拼装难度）；各预制抱柱梁分体采用连接螺栓通过剪切连接板径向拼接而成。各个单元在工厂完成预制，所有构件均通过焊接连接；各个单元的边界位置预留连接螺栓孔道，单元间在现场通过螺栓完成拼装；全结构拼装为整体后，设置顶部锚固螺栓与底部抗剪锚固螺栓，使抱柱梁结构与原桥桥墩形成一个整体。
每一个预制抱柱梁分体均包括端顶板、抱箍钢管；端顶板安装在桥墩的顶部，且端顶板的边缘没出桥墩外围；抱箍钢管套接在桥墩的外围，且抱箍钢管与桥墩之间设置环形高摩阻橡胶片；端顶板覆盖于抱箍钢管断面的板体部分通过顶部锚固螺栓与桥墩紧固，而端顶板延伸出抱箍钢管断面的板体部分通过剪切板与抱箍钢管的外壁焊接固定；所述剪切板、剪切连接板的长度方向均平行于抱箍钢管的长度方向、垂直于端顶板，而剪切板、剪切连接板的宽度方向则与抱箍钢管的外壁面法向平行。所述剪切板邻近端顶板的区域沿环向设置预应力钢束，而剪切板背离端顶板的区域沿环向设置抗剪锚固螺栓。端顶板延伸出抱箍钢管断面的板体部分长度为覆盖于抱箍钢管断面的板体部分长度的0.6-1；所述剪切板的长宽比为3-5。
本发明通过修正结构的受力体系以大大简化产品的制作与安装，其传力方式可分为两部分，如图5-6所示：
第一部分，按照钢牛腿的受力方式（整体结构的高宽比较大），沿45°压力线传递至墩梁接触界面。此时，若搁置式端板处的临时支承结构或千斤顶承受并传递顶升反力（如图5所示）时，其通过杠杆原理抵消弯矩效应；若仅悬挑式端板受力时，其弯矩效应则由桥墩的水平反力及端部锚固螺栓共同承担。值得指出的是，端部锚固螺栓的主要功能在于确保全结构在顶升施工阶段的可靠性与安全性，
第二部分，按照传统抱柱梁的受力方式，将未能通过45°线传递至墩梁界面的顶升反力通过墩梁界面接触力（通过高摩阻橡胶提供，法向压力有环向预应力提供）逐渐传递至桥墩，并在环形抱箍式钢管底部设有锚固螺栓，承担残余顶升反力，并与搁置式端板一道控制结构的整体位移，避免在顶升施工期间偶然因素（骤然偏心作用）导致的工程隐患。
此外，尽管高宽比较大，但该结构整体上仍属于深受弯构件的范畴，墩梁接触面的法向应力状态不明确，故需沿抱柱梁竖向布置多道预应力钢束，以提供足够的径向压应力及竖向剪力。值得注意的是，在临近底部抗剪螺栓区域附近，在螺栓施工期间已设置了初始的预压力，且深受弯构件在底部始终处于受压状态，故在抱柱梁自上而下2/3以外的区域，可不设置预应力钢束。
综上所述，本发明中各构件的布置如下所述：
1. 采用环形结构布置结构，增强结构的整体性与稳定性；
2. 采用半支承式结构，以环形抱箍式钢管为界，将向桥墩方向（径向）延伸部分作为搁置式端板直接支承于原桥桥墩顶部或截断面处；将背离桥墩方向（径向）延伸部分作为悬挑式端板，以竖向通长的剪切板支承；其中，搁置式端板的延伸长度约为悬挑式端板延伸长度的0.6~1.0倍；
3. 搁置式端板与桥墩面之间设置锚固螺栓，以抵抗悬臂结构端部的负弯矩；
4. 剪切板沿环向均匀布置，其宽度与悬挑式端板的延伸长度相仿；剪切板的长宽比控制在3.0~5.0；
5. 在环形抱箍式钢管内壁设置5~10mm高摩（擦）阻（力）橡胶，且橡胶的弹性模量适中；且在环形抱箍式钢管外侧的中上部直接设置多道环向预应力钢束，并采用螺旋式锚固；并在剪切板的相应位置预留预应力钢束孔道。通过张拉预应力钢束以获得较大的径向围压，进而获得足够的竖向摩擦力；
环形抱箍式钢管底部沿环向（即各个剪切板间）均匀设置一道抗剪锚固螺栓，每道沿竖向设置上、下两个螺栓，以承担残余顶升反力，并控制结构整体竖向位移。
Claims (4)
1. 一种桥梁顶升用桥墩环形牛腿式抱柱梁，其特征在于：包括环形牛腿式抱柱梁本体，该环形牛腿式抱柱梁本体包括两个以上的预制抱柱梁分体，各预制抱柱梁分体采用连接螺栓通过剪切连接板径向拼接而成；每一个预制抱柱梁分体均包括端顶板、抱箍钢管；端顶板安装在桥墩的顶部，且端顶板的边缘没出桥墩外围；抱箍钢管套接在桥墩的外围，且抱箍钢管与桥墩之间设置环形高摩阻橡胶片；端顶板覆盖于抱箍钢管断面的板体部分通过顶部锚固螺栓与桥墩紧固，而端顶板延伸出抱箍钢管断面的板体部分通过剪切板与抱箍钢管的外壁焊接固定；所述剪切板、剪切连接板的长度方向均平行于抱箍钢管的长度方向、垂直于端顶板，而剪切板、剪切连接板的宽度方向则与抱箍钢管的外壁面法向平行。
2.根据权利要求1所述桥梁顶升用桥墩环形牛腿式抱柱梁，其特征在于：所述剪切板邻近端顶板的区域沿环向设置预应力钢束，而剪切板背离端顶板的区域沿环向设置抗剪锚固螺栓。
3.根据权利要求1所述桥梁顶升用桥墩环形牛腿式抱柱梁，其特征在于：端顶板延伸出抱箍钢管断面的板体部分长度为覆盖于抱箍钢管断面的板体部分长度的0.6-1倍；所述剪切板的长宽比为3-5：1。
4.根据权利要求1所述桥梁顶升用桥墩环形牛腿式抱柱梁，其特征在于：所述环形牛腿式抱柱梁本体沿径向等分成三个预制抱柱梁分体。
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