CN104088228B - 无牛腿钢锚梁电加热施加预应力的方法 - Google Patents

Abstract

一种无牛腿钢锚梁电加热施加预应力的方法，包括如下步骤：⑴剖分制作成型；⑵临时固结，整体吊装；⑶安装就位，释放固结；⑷浇筑混凝土，加热升温致使钢锚梁纵向伸长；⑸永久固接；⑹自然降温，钢锚梁收缩达到施加预加应力效果；⑺质检。其优点在于：本发明方法使得索塔锚固结构传力路径清晰，整体结构受力明确，达到改善了无牛腿钢锚梁结构受力的目的。采用非机械法施加预应力，操作性强。低温加热，电加热装置选择较广，设备操作简单，加热温度控制较容易，同时便于加热后钢锚梁跨中永久固结施工。塔壁承担斜拉索水平分力较小，只需按照构造配置部分防裂塔壁水平预应力钢束/钢筋。

Description

无牛腿钢锚梁电加热施加预应力的方法

技术领域

本发明涉及桥梁构件设计及施工技术领域，具体的说是一种斜拉桥的斜拉索塔端联结的钢锚梁施工方法。

背景技术

斜拉桥索塔钢锚梁锚固构造源于加拿大的安娜西斯桥，在我国的南浦大桥、灌河大桥等得到应用，锚固钢横梁本身是独立的构件，支撑于塔柱内侧牛腿上，平衡两侧拉索的大部分水平分力，不平衡水平分力通过横梁下支撑的摩阻力和水平限位装置传递至塔壁，拉索的竖直分力传递至塔柱内侧牛腿。常规钢锚梁锚固构造的主要优点是受力机理明确，受力合理，混凝土塔壁拉应力很小。

对于密索体系的斜拉桥来说，其桥塔上竖向索距较小，索塔锚固高度及空间受到了较大限制，常规“钢锚梁+牛腿”锚固结构形式通常不能适用这种情况。因此，可采用一种无牛腿钢锚梁形式减小钢锚梁整体锚固高度，钢锚梁两端直接与塔壁连接，钢锚梁水平方向约束不能释放，在张拉斜拉索时，钢锚梁与塔壁共同承担斜拉索水平分力，这就退化为内置式钢锚箱的一种特殊形式。这种无牛腿钢锚梁刚度比常规钢锚箱小，同时远小于混凝土塔壁刚度，所分担的斜拉索水平分力比例相对较小，其钢锚梁作用不能体现出来，与钢锚梁锚固方式设计初衷相悖。比如某桥主桥为五跨双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，主跨跨径360m，主桥主梁标准节段长6m，主塔锚固区竖向斜拉索间距相当部分只有1.8m，设计采用了一种无牛腿钢锚梁索塔锚固形式，通过选取最不利锚固节段进行了数值分析以及索塔锚固区节段模型试验，结果表明：当不考虑塔壁水平环向预应力作用时，钢锚梁承担斜拉索水平分力所占比例将近50％，塔壁混凝土出现较大拉应力；当按照设计考虑塔壁水平环向预应力作用时，钢锚梁承担斜拉索水平分力所占比例为25％左右，塔壁混凝土局部还会出现较小拉应力。

因此，有必要采取施工措施，使得钢锚梁能够承担大部分斜拉索水平分力。

发明内容

针对无牛腿钢锚梁构造及受力存在的不足，本发明的目的在于提供一种改善结构受力、工艺简单、施工便利的无牛腿钢锚梁电加热施加预应力的施工方法。

一种无牛腿钢锚梁电加热施加预应力的方法，包括如下步骤：

1、将钢锚梁跨中剖分两半，在工厂制作加工成型；

2、临时固结两半钢锚梁，用于整体吊装及精确定位；

3、安装钢锚梁就位，然后释放两半钢锚梁跨中临时固结；

4、浇筑塔壁混凝土，待塔壁混凝土达到设计强度及张拉防裂预应力钢束或钢筋后，采用电加热法将两半钢锚梁加热升温至设计温度，致使钢锚梁受热而产生纵向伸长；

5、钢锚梁受热升温温度稳定后，将两半钢锚梁按照熔透焊方式焊接或高强螺栓固结形成整体；

6、停止对钢锚梁加热，使其自然降温至环境温度，钢锚梁收缩，达到施加预加应力效果；

7、对施工质量进行检测，保证各项性能指标符合各项要求。

所述对钢锚梁加热升温的装置包括加热装置、保温装置和温控装置，所述加热装置为电热丝、电热带、电热毯、电热条、导热盘管、陶瓷加热器、履带加热器或电磁加热器中的一种或几种。

所述保温装置为保温被或蓄热棉毡，敷设在加热装置外侧，根据加热升温时间长短考虑是否采取保温措施。

所述温控装置包括温度控制器和测温传感器，采用表贴式测温传感器自动采集温度数据。

所述加热装置采用三相变压器进行供电控制。

在安装斜拉索钢锚梁时，可将临时固结的两半钢锚梁与钢壁板一起整体吊装就位，用于提高安装精度。

钢锚梁施加预应力后，钢锚梁与塔壁的连接键为PBL剪力键与剪力栓钉混合连接。

钢锚梁施加预应力后，横桥向塔壁不需要额外布置预应力钢束或钢筋。

所述加热升温温度计算可以采用简化计算方法，即假设在水平力作用下钢锚梁应变均匀，与升温线膨胀基本一致；其升温温度计算公式为：

$W=\frac{Fcos\mathrm{\θ}}{E_s{A}_s\mathrm{\α}}$

式中：F——斜拉索控制拉力

θ——斜拉索水平角度

E_s——钢材弹性模量，可取值206×10³N/mm²

A_s——钢锚梁跨中截面面积

α——钢材线膨胀系数，可取值12×10^-6/℃。

本发明的工作原理在于：采用电加热法对钢锚梁施加预应力从而提高钢锚梁承担斜拉索水平分力比例，即通过加热钢锚梁使其伸长，然后锚固，冷却后钢锚梁产生预应力，此时塔壁对钢锚梁两端产生相应的约束反力，当张拉斜拉索时，斜拉索水平平衡力将抵消塔壁对钢锚梁约束反力，从而使得钢锚梁分担大部分斜拉索水平分力。

本发明无牛腿钢锚梁电加热施加预应力的方法的优点是：

1、对钢锚梁预加拉应力时，钢锚梁应力符号与斜拉索水平荷载引起的应力符号相同，横桥向塔壁为受弯状态，同时对顺桥向塔壁施加了压应力，当张拉斜拉索后及成桥状态时，斜拉索水平平衡力将抵消塔壁对钢锚梁约束反力，横桥向塔壁受拉和顺桥向塔壁压应力均减小，此时主塔塔壁在水平方向承受荷载作用效应较小，钢锚梁就分担了大部分斜拉索水平分力。本发明方法使得索塔锚固结构传力路径清晰，整体结构受力明确，达到改善了无牛腿钢锚梁结构受力的目的。

2、施加预应力方式与钢结构的类型、施工工艺和恒荷载的可分性等因素密切相关，在高空作业、结构尺寸受限或锚固区等情况下不易采用机械法施加预应力。由于钢锚梁安装及结构布置受限，采用机械法施加预应力操作性较差，而本发明方法对钢锚梁施加预应力是一种有效解决这些问题的施工方式。

3、通常钢锚梁在斜拉索索力作用下安全储备较大，钢锚梁在水平方向应变较小，即钢锚梁加热后伸长梁较小，采用电加热升温温度较低，属于低温加热范畴，电加热装置选择较广，设备操作简单，加热温度控制较容易，同时便于加热后钢锚梁跨中永久固结施工。

4、通常钢锚梁斜拉索锚固点间的截面大致相同，钢锚梁电加热升温温度计算可采用简化计算方法，实践表明该方法简单可行，与精确有限元计算值大体相当。

5、采用本发明方法后，塔壁承担斜拉索水平分力较小，可以减少塔壁水平预应力钢束或钢筋布置，只需按照构造配置部分防裂塔壁水平预应力钢束或钢筋。

附图说明

图1为本发明的流程框图。

图2为实施例中无牛腿钢锚梁的结构示意图。

图中，1为半钢锚梁，2为塔壁，3为斜拉索锚固头，4为钢壁板，5为剪力栓钉，6为PBL键，7为高强螺栓。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步说明。如图1、图2所示，一种无牛腿钢锚梁电加热施加预应力的方法，包括如下步骤：

1、将钢锚梁跨中剖分两半，在工厂制作加工成型；

2、临时固结两半钢锚梁1，用于整体吊装及精确定位；

3、安装钢锚梁就位，然后释放两半钢锚梁跨中临时固结；

4、浇筑塔壁混凝土，待塔壁混凝土达到设计强度及张拉防裂预应力钢束或钢筋后，采用电加热法将两半钢锚梁1加热升温至设计温度，致使钢锚梁受热而产生纵向伸长；

5、钢锚梁受热升温温度稳定后，将两半钢锚梁1按照熔透焊方式焊接或高强螺栓7固结形成整体；

6、停止对钢锚梁加热，使其自然降温至环境温度，钢锚梁收缩，达到施加预加应力效果；

7、对施工质量进行检测，保证各项性能指标符合各项要求。

本发明还在于加热升温装置由加热、保温和温控等部分组成，加热装置主要有电热丝、电热带、电热毯、电热条、导热盘管、陶瓷加热器、履带加热器或电磁加热器等。由于钢锚梁加热施加预应力的升温温度较低，属于低温加热范畴，可选择较经济的电热毯作为加热方式。保温一般采取保温被、蓄热棉毡等，敷设在加热装置外侧，根据加热升温时间长短考虑是否采取保温措施。温控装置主要由温度控制器、测温传感器等组成，采用表贴式测温传感器自动采集温度数据。

本发明还在于加热装置选用了安全低电压、大电流、大容量的三相变压器进行供电控制。

本发明还在于在安装斜拉索钢锚梁时，可将两半钢锚梁1临时固结，与钢壁板4等一起整体吊装就位，从而提高安装精度。

本发明还在于钢锚梁施加预应力后，钢锚梁与塔壁2连接键将受到较大拉力，剪力栓钉5连接不能完全满足要求，采用了具有较强的抗拔能力PBL剪力键6与剪力栓钉5混合连接方式适应施工要求。

本发明还在于钢锚梁施加预应力后，横桥向塔壁2处于受弯状态，即塔壁2内侧受拉，但横桥向塔壁2内侧与钢壁板4连接形成组合结构，钢壁板4将承担受弯产生的拉应力，故横桥向塔壁2在该施工阶段可不需要额外布置预应力钢束或钢筋。

实施例：

某桥主桥为五跨双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，主跨跨径360m，主桥主梁标准节段长6m，主塔锚固区竖向斜拉索间距相当部分只有1.8m，设计采用了一种无牛腿钢锚梁索塔锚固形式，如图2所示。选取斜拉索水平分力最大的3号主塔28号节段钢锚梁，采用Q345D钢材，成桥状态河侧斜拉索J28最大索力为6146kN，岸侧斜拉索A28最大索力为6764kN，斜拉索按照不对称荷载进行设计。28号节段钢锚梁跨中为开口箱型截面，面积为86920mm²，斜拉索J28、A28水平角度分别为31.042、31.493，两侧斜拉索锚点间距3.2m。按照斜拉索水平平衡力5270kN进行控制，根据简化计算方法计算加热升温温度，其升温温度为24.5℃，并按有限元精确分析校核，其校核升温温度为24.0℃，简化计算方法比有限元精确分析计算加热升温温度稍高，但大体相当。按照就高原则实际加热升温温度以25℃控制。

施工：按跨中两半制作加工钢锚梁；两半钢锚梁采用螺栓临时固结，整体吊装及就位至主塔相应位置；浇筑塔壁混凝土前释放跨中临时固结，并在跨中设置临时竖向支撑；塔壁混凝土浇筑完后达到设计强度时，张拉塔壁构造防裂预应力钢筋；采用电热毯作为加热装置，将电热毯包裹钢锚梁外表面形成封闭空间，加热升温致设定温度；加热升温温度稳定后，将跨中高强螺栓拧紧使得两半钢锚梁固结形成整体；钢锚梁自然降温，到达环境温度后，检测高强螺栓紧固预应力及复拧，同时检测钢锚梁预加拉应力水平。通过施加预应力和成桥状态的钢锚梁应力检测结果表明电加热施加预应力施工方法达到预定目标。

Claims (7)

1.一种无牛腿钢锚梁电加热施加预应力的方法，其特征在于包括如下步骤：

⑴将钢锚梁跨中剖分两半，在工厂制作加工成型；

⑵临时固结两半钢锚梁，用于整体吊装及精确定位；

⑶安装钢锚梁就位，然后释放两半钢锚梁跨中临时固结；

⑷浇筑塔壁混凝土，待塔壁混凝土达到设计强度及张拉防裂预应力钢束或钢筋后，采用电加热法将两半钢锚梁加热升温至设计温度，致使钢锚梁受热而产生纵向伸长；

⑸钢锚梁受热升温温度稳定后，将两半钢锚梁按照熔透焊方式焊接或高强螺栓固结形成整体；

⑹停止对钢锚梁加热，使其自然降温至环境温度，钢锚梁收缩，达到施加预加应力效果；

⑺对施工质量进行检测，保证各项性能指标符合各项要求。

2.如权利要求1所述的无牛腿钢锚梁电加热施加预应力的方法，其特征在于：对钢锚梁加热升温的装置包括加热装置、保温装置和温控装置，所述加热装置为电热丝、电热带、电热毯、电热条、导热盘管、陶瓷加热器、履带加热器或电磁加热器中的一种或几种。

3.如权利要求2所述的无牛腿钢锚梁电加热施加预应力的方法，其特征在于：所述保温装置为保温被或蓄热棉毡，敷设在加热装置外侧，根据加热升温时间长短考虑是否采取保温措施。

4.如权利要求2所述的无牛腿钢锚梁电加热施加预应力的方法，其特征在于：所述温控装置包括温度控制器和测温传感器，采用表贴式测温传感器自动采集温度数据。

5.如权利要求2所述的无牛腿钢锚梁电加热施加预应力的方法，其特征在于：所述加热装置采用三相变压器进行供电控制。

6.如权利要求1所述的无牛腿钢锚梁电加热施加预应力的方法，其特征在于：钢锚梁施加预应力后，横桥向塔壁不需要额外布置预应力钢束或钢筋。

7.如权利要求1所述的无牛腿钢锚梁电加热施加预应力的方法，其特征在于：所述步骤⑷中加热升温的温度计算采用简化计算方法，即假设在水平力作用下钢锚梁应变均匀，与升温线膨胀基本一致；其升温温度计算公式为：

$W=\frac{Fcos\mathrm{\θ}}{E_s{A}_s\mathrm{\α}}$

式中：F——斜拉索控制拉力

θ——斜拉索水平角度

E_s——钢材弹性模量，取值为206×10³N/mm²

A_s——钢锚梁跨中截面面积

α——钢材线膨胀系数，取值为12×10^-6/℃。