CN104695341B - 一种用于加固大跨度连续梁桥的非自平衡张弦梁结构 - Google Patents
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Abstract
一种用于加固大跨度连续梁桥的非自平衡张弦梁结构，涉及土木工程专业的桥梁结构工程的桥梁加固技术领域，是通过房建专业大跨空间结构传统的张弦梁结构技术与桥梁加固技术结合和改进。非自平衡张弦梁结构主要由桁架、竖撑杆、预应力索组成，非自平衡张弦梁结构的非自平衡的特点是其预应力索不与上部桁架两端自锚连接，而是通过拉索锚固装置固定与桥跨两侧桥墩，并通过对预应力索进行预应力张拉产生的竖向反力通过桁架作用于桥梁主梁，达到加固桥梁并提高桥梁承载力效果。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程专业的桥梁结构工程的桥梁加固技术领域，通过房建专业大跨空间结构传统的张弦梁结构技术与桥梁加固技术结合和改进，提出一种非自平衡张弦梁结构并用与加固大跨度连续梁桥。
背景技术
桥梁的建设发展至今，由于简支梁桥跨径相对较小、大多采用预制装配式施工，使其加固技术简单且主梁更换造价较低。因此，简支梁桥出现病害致承载力不足时往往通过现有被动加固技术即可达到预期加固效果，出现病害严重致承载力严重不能满足要求时，往往通过更换主梁方式解决。
但是大跨度的连续梁桥，由于其跨径较大、结构规模较大且复杂，使其加固技术复杂，且主梁更换造价较高。而且大跨度连续梁桥往往是跨越江河峡谷或既有线的交通干线，造成其加固难度更大且对交通中断影响的敏感性较高。
目前，国内外对大跨度连续梁桥加固改造技术主要分为被动加固技术和主动加固技术。
被动加固技术包括：①增大梁截面加固法、②加厚桥面补强法、③增大梁肋加固法、④锚喷混凝土、⑤增设纵梁加固法、⑥黏贴钢板加固法及⑦黏贴碳纤维加固法。由于大跨度连续梁桥跨度较大对恒荷载敏感性较高，因此，被动加固技术的①②③④⑤加固方法无疑二次极大地增加了桥梁自重，不适用于大跨度连续梁桥加固改造，而⑥⑦加固方法对自重影响较小，但由于其加固敏感性较低且达到加固效果前提是桥梁只有再次发生下挠变形，当两者发挥应有的作用时，被加固梁体往往已变形较大。因此，在大跨度连续梁桥已经发生较大跨中下挠情况下，加固效果不是很理想。
主动加固技术包括：①体外预应力加固法和②变体系加固法。对于大跨度连续梁为了减轻过大自重的影响往往采用抛物线线型的变截面主梁结构，导致跨中梁高小，而①体外预应力加固法，一般将其预应力筋设置在箱梁的箱室内，但由于箱梁跨中的梁高比较小，使得体外预应力的布置角度受到一定限制，体外预应力的竖向分力有限，即使预应力筋布置在箱室外也会遇到同样问题而且加固设计不当还会引起箱梁局部截面应力超限，造成附加安全隐患。②变体系加固法主要有采用增设桥墩加固技术、连续梁桥变拱桥加固技术、连续梁桥变斜拉桥加固技术、连续梁桥变悬索桥加固技术以及连续梁桥变前几种组合体系加固技术。大跨度连续梁桥往往是跨越江河沟谷或既有线的交通主干线，采用增设桥墩加固技术受桥下交地理环境和交通线限制，采用变体系加固法往往需要进行全桥封闭加固施工且施工周期较长，将严重中断交通，而且变体系加固过程吊杆或拉索与主梁的连接端施工不免对主梁造成二次损伤。
随着我国经济发展，交通运输量猛增，车辆承载能力不断攀升；同时，规范设计荷载标准值较低导致大量桥梁承载力不足，使用短期间易出现结构损坏。针对目前常规桥梁加固方案用于大跨度预应力连续桥技术改造、大幅度提高其承载力方面还存在一定缺陷和不足这一情况。本专利提出一种用于加固大跨度连续梁桥的非自平衡张弦梁结构，是一种钢材与预应力索组合的轻型加固结构，其不仅可以有效加固大跨度连续梁桥，达到提高大跨度连续梁桥承载力效果，而且加固施工过程不中断交通、不对主梁造成二次损伤或产生过大局部应力。使加固大跨度连续梁桥并提高其承载力更高效、更简单、更安全和更经济。
发明内容
本发明的目的是克服目前在加固大跨度连续梁桥及提高其承载力方面仍存在一定的缺陷和不足这一情况，设计出一种用于加固大跨度连续梁桥的非自平衡张弦梁结构，本发明的结构特征如下：
大跨度连续梁桥自身结构：主梁1、桥墩2，主梁1通过桥梁支座或者刚性连接方式与桥墩2相连组成大跨度连续梁桥主体结构。
非自平衡张弦梁结构包括：上部加固结构和下部加固结构。上部加固结构为空间桁架构造。空间桁架由下弦杆13、上弦杆14、竖腹杆15、斜腹杆16、上剪刀撑杆17、上横杆18、下横杆19、下弦杆端锚6、上弦杆端锚7、预埋连接件8组成，空间桁架下侧左右副布置的下弦杆13和上侧左右副布置的上弦杆14作为空间桁架骨架，下侧左右副的下弦杆13之间通过下横杆19横向连接，上侧左右副的上弦杆14间通过上横杆18横向连接，下弦杆13和上弦杆14再通过竖腹杆15、斜腹杆16和剪刀撑杆17上下连接组成空间桁架。预埋连接件8预埋于主梁1的底板，上弦杆端锚7固定在主梁1的底板与桥墩2衔接角处，下弦杆端锚6布置在桥墩2的两侧。空间桁架的上弦杆14通过预埋连接件8的连接和上弦杆端锚7的连接并贴附于主梁1底板下，上弦杆14的弯曲曲率与主梁1底板曲率相同；下弦杆13通过两端的下弦杆端锚6与桥墩2两侧相连。下部加固结构由竖撑铰12、竖撑杆10、下剪刀撑杆3、横撑杆20、索限位扣11、预应力索9、索锚固装置4、锚具5组成。其中，竖撑杆10通过布置预应力索9上的索限位扣11与预应力索9相连接，再通过横撑杆20和下剪刀撑杆3将左右结构连成整体，并将预应力索9穿过索锚固装置4通过锚具5固定于桥墩2，索锚固装置4布置在桥墩2上。下部结构再通过竖撑杆10上端的竖撑铰12与上部加固结构空间桁架相连成整体组成用于加固大跨度连续箱梁的非自平衡张弦梁结构。
非自平衡张弦梁结构工作原理：非自平衡张弦梁结构与传统的平衡张弦梁结构索与自身空间桁架组成自锚自平衡体系不同，非自平衡张弦梁结构的非自平衡是索与非自身结构锚固组成非自平衡体系，并将非自身结构锚固区作为强大的反力后座为索施加较大预应力时提供反力固定座，从而通过较大预应力施加产生较大的竖向力的反拱作用来加固主梁。非自平衡张弦梁结构的预应力索9通过索锚固装置4锚固于桥墩2，并利用桥墩2作为预应力索9的预应力张拉后座和提供反力固定座。非自平衡张弦梁结构安装布置于主梁下部后，通过张拉预应力设备将预应力索9进行张拉，预应力索9产生的竖向力通过竖撑杆10传递至上部加固结构，然后再通过上部加固结构的反拱作用于主梁1，减少主梁1的弯矩和弯曲下挠，达到加固效果。
进一步，大跨度连续梁桥的主梁(1)为等截面主梁加固时，将上部加固结构空间桁架去除即可。
进一步，通过改变上部加固结构空间桁架的结构形式和上弦杆(14)曲率适应不同曲率的主梁(1)。
进一步，对于单相多室或多相多室主梁结构，通过增加上弦杆(14)数量并与桥梁腹板对齐即可适用。
进一步，在横截面构造上，空间桁架上下副设计调整为单层或多层桁架，左右副设计调整为单榀或多榀桁架；下部结构预应力索布置为单排索、多排索；下部结构预应力索布置为单层索或多层索，竖撑杆布置调整为竖直布置或斜向三角布置。
本发明通过其上部空间桁架结构的调整，在横截面构造上，空间桁架上下副可以设计调整为单层、多层桁架，左右副可以设计调整为单榀、多榀桁架。下部结构预应力索可以布置为单排索、多排索及单层索或多层索，竖撑杆布置可以调整为竖直布置或斜向三角布置。
本发明不仅适用于大跨度连续梁桥，还适用于小跨径简支梁桥、斜拉桥、悬索桥、拱桥、组合结构桥及大跨空间结构。还适用于一般结构的连续梁桥，包括：两跨梁、三跨梁、多跨梁的桥跨类型和单箱单室、单箱双室、单箱多室、多箱多室的箱室类型之间组合成各类结构的连续梁桥。
进一步，适用于大跨度连续梁桥，还适用于小跨径简支梁桥、斜拉桥、悬索桥、拱桥、组合结构桥或大跨空间结构。
进一步，适用于两跨梁、三跨梁或多跨梁的桥跨类型。
进一步，适用于单箱单室、单箱双室、单箱多室或多箱多室的箱室类型或者它们组合成各类结构的连续梁桥。
由于大跨度连续梁桥的主梁1存在两种形式：等截面主梁和变截面主梁。由于跨径较大的大跨度连续梁桥的主梁1大多为变截面主梁，本专利的说明仅以变截面主梁形式为加固对象，而需进等截面主梁加固时将本专利说明里的上部加固结构空间桁架去除即可适用。本发明的非自平衡张弦梁结构通过改变上部加固结构空间桁架的结构形式和上弦杆14曲率来适应不同截面形式主梁的大跨度连续梁桥。本专利说明仅以单箱室主梁结构为加固对象，对于单相多室、多相多室主梁结构，通过增加本专利中上弦杆14数量并与桥梁腹板对齐即可适用。
本发明可以获得如下有益效果：与传统的自平衡张弦梁结构不同，本专利的非自平衡张弦梁结构的下部预应力索不锚在上部桁架的两端，而是锚在桥墩两侧。利用桥梁刚性很大的桥墩作为预应力拉索的预应力张拉后座和提供作用反力来进行预应力索张拉并为主梁提供竖向力和反拱作用于主梁，从而达到加固大跨度连续梁。本专利的非自平衡张弦梁结构，通过调整预应力索张拉力和索弧度即可有效调整其对上部结构产生竖向力的大小，弥补了传统被动加固方法被动受力的缺陷和主动加固方法预应力索弧度调整有限产生竖向力不足的缺点，可以有效改善连续梁桥下挠问题，从而提高连续梁桥承载力；本专利非自平衡张弦梁结构的下部预应力索是锚在桥墩两侧，避免了如传统体外预应力索加固方法因索锚固在主梁上造成主梁锚固区局部应力过大并对原本已病害的主梁造成二次损坏。本专利的非自平衡张弦梁结构安装布置在桥梁主梁下部，其加固施工过程不需进行全桥封闭施工，避免了如变体系加固方法封闭全桥中断交通的缺点。
附图说明
图1变截面主梁形式大跨度连续梁桥；
图2采用非自平衡张弦梁结构加固大跨度连续梁桥；
图3 I-I加固构造横断面图；
图4空间桁架和下部结构组成的非自平衡张弦梁结构立体图；
图5锚固装置侧面图
图6锚固装置平面图
图中：1为变截面主梁、2为桥墩、3为下剪刀撑杆、4为索锚固装置、5为锚具、6为下弦杆端锚、7为上弦杆端锚、8为预埋连接件、9为预应力索、10为竖撑杆、11为索限位扣、12为竖撑铰、13为下弦杆、14为上弦杆、15为竖腹杆、16为斜腹杆、17为上剪刀撑杆、18为上横杆、19为下横杆、20为横撑杆。
具体实施方式
下面结合附图和发明内容对于本发明作进一步的说明；
利用上述发明特征设计的一种用于加固大跨度连续梁桥的非自平衡张弦梁结构的具体施工步骤如下：
步骤一：在地面加工厂将用于变截面主梁的大跨度连续梁桥的非自平衡张弦梁结构的各构件进行预制拼装组成结构整体(如图4所示)。并将预埋连接件8预埋至主梁1的底板，上弦杆端锚7安装至主梁1和桥墩2衔接角处，下弦杆端锚6安装至桥墩2两侧，索锚固装置4安装至桥墩2(如图2和图6所示)。
步骤二：采用吊装设备将用于变截面主梁的大跨度连续梁桥的非自平衡张弦梁结构吊至主梁1底板对齐。然后，通过预埋连接件8将上弦杆14连接并贴附于变截面主梁1的底板，并将上弦杆14的两端与上弦杆端锚7铰接连接，将下弦杆13的两端与下弦杆端锚6铰接连接(如图2和图3所示)。
步骤三：将预应力索9两端均穿过锚固装置4，并采用张拉预应力设备对预应力索9进行张拉，张拉完成后采用锚具5进行锚固(如图2和图5所示)。
步骤四：拆除施工设备，完成加固施工。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种用于加固大跨度连续梁桥的非自平衡张弦梁结构，其结构特征在于：
大跨度连续梁桥自身结构：主梁(1)、桥墩(2)，主梁(1)通过桥梁支座或者刚性连接方式与桥墩(2)相连组成大跨度连续梁桥主体结构；
非自平衡张弦梁结构包括：上部加固结构和下部加固结构；上部加固结构为空间桁架构造；空间桁架由下弦杆(13)、上弦杆(14)、竖腹杆(15)、斜腹杆(16)、上剪刀撑杆(17)、上横杆(18)、下横杆(19)、下弦杆端锚(6)、上弦杆端锚(7)、预埋连接件(8)组成，空间桁架下侧左右副布置的下弦杆(13)和上侧左右副布置的上弦杆(14)作为空间桁架骨架，下侧左右副的下弦杆(13)之间通过下横杆(19)横向连接，上侧左右副的上弦杆(14)间通过上横杆(18)横向连接，下弦杆(13)和上弦杆(14)再通过竖腹杆(15)、斜腹杆(16)和剪刀撑杆(17)上下连接组成空间桁架；预埋连接件(8)预埋于主梁(1)的底板，上弦杆端锚(7)固定在主梁(1)的底板与桥墩(2)衔接角处，下弦杆端锚(6)布置在桥墩(2)的两侧；空间桁架的上弦杆(14)通过预埋连接件(8)和上弦杆端锚(7)连接主梁并贴附于主梁(1)底板下，上弦杆(14)的弯曲曲率与主梁(1)底板曲率相同；下弦杆(13)通过两端的下弦杆端锚(6)与桥墩(2)两侧相连；下部加固结构由竖撑铰(12)、竖撑杆(10)、下剪刀撑杆(3)、横撑杆(20)、索限位扣(11)、预应力索(9)、索锚固装置(4)、锚具(5)组成；其中，竖撑杆(10)通过布置在预应力索(9)上的索限位扣(11)与预应力索(9)相连接，再通过横撑杆(20)和下剪刀撑杆(3)将左右结构连成整体，并将预应力索(9)穿过索锚固装置(4)通过锚具(5)固定于桥墩(2)，索锚固装置(4)布置在桥墩(2)上；下部加固结构再通过竖撑杆(10)上端的竖撑铰(12)与上部加固结构空间桁架相连成整体组成用于加固大跨度连续箱梁的非自平衡张弦梁结构。
2.根据权利要求1所述的一种用于加固大跨度连续梁桥的非自平衡张弦梁结构，其特征在于具体施工步骤如下：
步骤一：在地面加工厂将用于变截面主梁的大跨度连续梁桥的非自平衡张弦梁结构的各构件进行预制拼装组成结构整体；并将预埋连接件(8)预埋至主梁(1)的底板，上弦杆端锚(7)安装至主梁(1)和桥墩(2)衔接角处，下弦杆端锚(6)安装至桥墩(2)两侧，索锚固装置(4)安装至桥墩(2)；
步骤二：采用吊装设备将用于变截面主梁的大跨度连续梁桥的非自平衡张弦梁结构吊至主梁(1)底板对齐；然后，通过预埋连接件(8)将上弦杆(14)连接并贴附于变截面主梁(1)的底板，并将上弦杆(14)的两端与上弦杆端锚(7)铰接连接，将下弦杆(13)的两端与下弦杆端锚(6)铰接连接；
步骤三：将预应力索(9)两端均穿过锚固装置(4)，并采用张拉预应力设备对预应力索(9)进行张拉，张拉完成后采用锚具(5)进行锚固；
步骤四：拆除施工设备，完成加固施工。
3.根据权利要求1所述的一种用于加固大跨度连续梁桥的非自平衡张弦梁结构，其特征在于：通过改变上部加固结构空间桁架的结构形式和上弦杆(14)曲率适应不同曲率的主梁(1)。
4.根据权利要求1所述的一种用于加固大跨度连续梁桥的非自平衡张弦梁结构，其特征在于：对于单箱多室或多箱多室主梁结构，通过增加上弦杆(14)数量并与桥梁腹板对齐即可适用。
5.根据权利要求1所述的一种用于加固大跨度连续梁桥的非自平衡张弦梁结构，其特征在于：在横截面构造上，空间桁架上下副设计调整为单层或多层桁架，左右副设计调整为单榀或多榀桁架；下部结构预应力索布置为单排索或多排索；下部结构预应力索布置为单层索或多层索，竖撑杆布置调整为竖直布置或斜向三角布置。
6.根据权利要求1所述的一种用于加固大跨度连续梁桥的非自平衡张弦梁结构，其特征在于：适用于小跨径简支梁桥、斜拉桥、拱桥、组合结构桥或大跨空间结构。
7.根据权利要求1所述的一种用于加固大跨度连续梁桥的非自平衡张弦梁结构，其特征在于：适用于两跨梁、三跨梁或多跨梁的桥跨类型。
8.根据权利要求1所述的一种用于加固大跨度连续梁桥的非自平衡张弦梁结构，其特征在于：适用于单箱单室、单箱双室、单箱多室或多箱多室的箱室类型或者它们组合成各类结构的连续梁桥。
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