CN104894984A - 采用反吊桥结构体系的刚构桥加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用反吊桥结构体系的刚构桥加固方法，通过引入反吊桥结构体系使刚构桥发生受力体系的转变，使原有刚构桥受力体系发生卸载效应，抑制刚构桥由于混凝土收缩徐变而产生的长期下挠。应用本发明的刚构桥加固方法可消除刚构桥的下挠问题，提高刚构桥的承载能力与结构耐久性，具有很好的工程推广价值。

Description

采用反吊桥结构体系的刚构桥加固方法

技术领域

本发明属于交通运输业桥涵工程中的桥梁加固技术领域，尤其涉及一种采用反吊桥结构体系的刚构桥加固方法。

背景技术

混凝土刚构桥具有单位造价低、施工方便等优点，在我国中等跨径桥梁建设中占有重要地位，但受混凝土的长期收缩徐变影响，随着使用年限的增加，刚构桥的跨中下挠问题将越发突出，由此引发的刚构桥预应力松弛、腹板开裂加剧等病害严重危及桥梁的安全与使用性能。反吊桥体系具有结构受力合理、承载能力大等特点，在100-300m的中等跨径桥梁建设领域具有较强的竞争力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种采用反吊桥结构体系的刚构桥加固方法，以起到对刚构桥原有结构卸载的作用，大幅提高刚构桥的整体刚度，减小由于长期收缩徐变而发展迅速的跨中挠度。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：采用反吊桥结构体系的刚构桥加固方法，通过引入反吊桥结构体系使刚构桥发生受力体系的转变，使原有刚构桥受力体系发生卸载效应，抑制刚构桥由于混凝土收缩徐变而产生的长期下挠。

上述采用反吊桥结构体系的刚构桥加固方法，在刚构桥中跨下翼缘安装横向钢梁与多个高度不等的钢爪字型支承结构，支承结构下端为拉索转向固定装置；在刚构桥的墩顶横隔板处加浇筑倾斜立柱与横梁，在横梁与横隔板内预埋波纹管与钻孔形成散索孔道、跨中拉索孔道，在横梁与立柱内预埋、钻孔形成边跨拉索孔道，共同形成拉索孔道；在横隔板上设置中跨拉索齿块，根据拉索的预设线型，在刚构桥下翼缘底板上钻拉索孔道，将中跨钢拉索a1穿过拉索孔道与拉索转向装置，将中跨钢拉索a1通过散索孔道锚固在中跨拉索齿块处，施加设计预应力N₁；将边跨钢绞线a2穿过边跨拉索孔道，边跨钢绞线a2两端分别锚固在倾斜立柱与主梁齿块a3上，并分别施加设计预应力F_i。

中跨钢拉索a1施加的设计预应力N₁与边跨钢绞线设计预应力F_i的关系为： 

$N_{1}sin\mathrm{\α}=\underset{i}{\Σ}{F}_i{\mathrm{sin\β}}_i$

式中，α为中跨预应力钢拉索a1锚固段与垂直方向的夹角；β_i为各边跨预应力钢绞 线a2与垂直方向的夹角。

钢爪字型支承结构由多根斜杆构成，每个钢爪字型支承结构的斜杆总截面面积∑AG_i应满足下式要求，且每根支撑杆件应满足受压杆件的稳定性要求；

$\underset{i}{\Σ}{\mathrm{AG}}_i{\mathrm{cos\ω}}_i>K_1\×{\mathrm{FG}}_i$

式中，AGi为每个钢爪字型支承结构的任意斜杆截面面积，ω_i为任意斜杆与水平面的夹角，K₁为安全系数，FG_i为钢拉索a1对钢爪字型支承结构的反作用力，FG_i表达式为：

FG_i＝FG_i-1,i-FG_i,i+1

${\mathrm{FG}}_{i-1,i}=N_1\×\frac{y_{i-1}-y_i}{x_{i-1}-x_i}$

${\mathrm{FG}}_{i,i+1}=N_1\×\frac{y_i-y_{i+1}}{x_i-x_{i+1}}$

式中，FG_i-1,i和FG_i,i+1分别为支撑点左右两边的竖向力，N₁为跨中拉索a1的设计预应力值，y_i和x_i为点i的横、竖坐标值。

跨中钢拉索a1所预设形状为内切于悬链线或抛物线的折线，该悬链线或抛物线的矢跨比设置在1/15-1/20之间，使钢爪型支撑段长度为中跨跨径长度的0.5-0.65倍之间。

中跨钢拉索、边跨预应力钢绞线的设计容许应力水平为0.4倍的钢绞线屈服应力f_spk。

跨中的钢拉索a1为整束的平行钢丝拉索或钢绞线拉索。

跨中钢拉索为多根，采用多个钢结构爪字型支承结构在桥梁横向进行布置，或采用能同时布置多根拉索的转向固定装置。

倾斜立柱与横梁通过栓钉与刚构桥墩顶横隔板连接，共同形成反吊桥加固结构体系的端部锚固装置。

中跨拉索齿块采用栓钉与刚构桥墩顶横隔板连接，并在齿块中布置局部受压钢筋。

针对刚构桥长期下挠与开裂缺乏有效加固措施的问题，发明人大胆提出将反吊桥体系用于加固设计中，从而建立了一种采用反吊桥结构体系的刚构桥加固方法，通过引入反吊桥结构体系使刚构桥发生受力体系的转变，使原有刚构桥受力体系发生卸载效应，抑制刚构桥由于混凝土收缩徐变而产生的长期下挠。该法具有以下主要优点：

a.反吊桥结构体系预应力效率高，加固性能好，可以大幅提高刚构桥的刚度，改善跨中下挠问题。

b.结构简单、计算简便、施工快速、经济性能好，无需扩建桥梁墩台基础。

c.该法丰富了桥梁线型，加固后桥梁外观流畅简洁，具有很高的景观价值。

总之，应用本发明的刚构桥加固方法可消除刚构桥的下挠问题，提高刚构桥的承载能力与结构耐久性，具有很好的工程推广价值。

附图说明

图1是本发明采用反吊桥结构体系的刚构桥加固方法的总体布置示意图。

图2是本发明方法中下弦钢架布置示意图。

图3是本发明方法中中跨是单根钢拉索的转向固定装置示意图。

图4是本发明方法中中跨是两根钢拉索的转向固定装置示意图。

图5是本发明方法中刚构桥墩顶箱室内的锚固装置布置示意图(立面)。

图6是本发明方法中刚构桥墩顶箱室内的锚固装置布置示意图(俯视)。

图7是本发明方法中跨中拉索锚固处齿块与散索孔道的布置示意图。

图8是应用本发明的跨径90m+160m+90m刚构桥跨中爪型支承结构支撑的刚构桥梁段示意图。

图9是跨中支撑段范围内重量变化比率引起的收缩徐变变化比率关系图。

图中：1下翼缘横向钢梁，2钢爪字型支承结构，21斜杆，3拉索转向固定装置，31穿过转向装置3的拉索钢绞线，32转向固定结构3的高强螺丝，33转向固定结构3上的纵向加劲肋，34转向固定结构高强螺栓连接板，35圆形管，36斜杆与固定转向装置3连接部位的局部加劲肋，37固定转向装置3的圆弧型外包钢管，38转向固定结构3上的纵环向加劲肋，39转向装置之间的连接构件，39a转向装置连接构件顶板，39b转向装置连接构件的横加劲肋，39c转向装置连接构件的腹板，39d转向装置连接构件的底板，4墩顶横隔板，5后浇筑的倾斜立柱，6后浇筑横梁，7混凝土结构中的预留索孔道，8中跨拉索锚固齿块，81齿块内的局部受压钢筋，9刚构桥混凝土下翼缘底板，10下翼缘底板中的拉索孔道，a1中跨拉索，a2边跨拉索，a3边跨拉索下翼缘主梁齿块，a4刚构桥腹板，a5刚构桥桥墩，a6刚构桥上翼缘板，a7连接栓钉，a8爪型结构支承刚构桥梁段。

具体实施方式

一、采用反吊桥结构体系的刚构桥加固方法的建立

1.基本原理

通过引入反吊桥结构体系使刚构桥发生受力体系的转变，使原有刚构桥受力体系发生卸载效应，抑制刚构桥由于混凝土收缩徐变而产生的长期下挠。

2.具体步骤

如图1所示，在刚构桥中跨下翼缘安装横向钢梁1与多个高度不等的钢爪字型支承结 构2，支承结构下端为拉索转向固定装置3(图3)；在刚构桥的墩顶横隔板4处加浇筑倾斜立柱5与横梁6，倾斜立柱5与横梁6通过栓钉与刚构桥墩顶横隔板4连接，共同形成反吊桥加固结构体系的端部锚固装置(图4和图5)；在横梁6与横隔板4内预埋波纹管与钻孔形成散索孔道71、跨中拉索孔道72，在横梁与立柱内预埋、钻孔形成边跨拉索孔道73，共同形成拉索孔道7；在横隔板4上设置中跨拉索齿块8(图6)，锚固中跨拉索的齿块8采用栓钉与刚构桥墩顶横隔板4连接，并在齿块8中布置局部受压钢筋81；根据拉索的预设线型，在刚构桥下翼缘底板9上钻拉索孔道10，将中跨钢拉索a1穿过拉索孔道71、72、10与拉索转向装置3，将中跨钢拉索a1通过散索孔道71锚固在中跨拉索齿块8处，施加设计预应力N₁；将边跨钢绞线a2穿过边跨拉索孔道73，边跨钢绞线a2两端分别锚固在倾斜立柱5与主梁齿块a3上，并分别施加设计预应力F_i，最终完成采用反吊桥结构体系对刚构桥的加固。

其中，跨中的钢拉索a1为整束的平行钢丝拉索或钢绞线拉索。跨中钢拉索可为多根，采用横向宽度较小的多个钢结构爪字型支承结构2在桥梁横向进行布置，也可采用能同时布置多根拉索的转向固定装置3。

中跨拉索挂索施工时，先在无应力状态下将钢拉索穿过转向装置，此时转向装置3的高强螺丝32不拧紧，不约束拉索的纵向移动，在钢拉索张拉到设计预应力值后，将转向装置3的高强螺丝32拧紧，使转向装置与拉索箍紧。

3.设计计算

中跨钢拉索a1施加的设计预应力N₁与边跨钢绞线设计预应力F_i的关系为： 

$N_{1}sin\mathrm{\α}=\underset{i}{\Σ}{F}_i{\mathrm{sin\β}}_i---\left(1\right)$

式中，α为中跨预应力钢拉索a1锚固段与垂直方向的夹角；β_i为各边跨预应力钢绞线a2与垂直方向的夹角；边跨的钢绞线与中跨的钢绞线在水平方向上应平衡，以减小拉索对桥墩的横向作用。钢爪字型支承结构2由多根斜杆21构成(图2)，每个钢爪字型支承结构2的斜杆21总截面面积∑AG_i应满足下式要求，且每根支撑杆件应满足受压杆件的稳定性要求；

$\underset{i}{\Σ}{\mathrm{AG}}_i{\mathrm{cos\ω}}_i>K_1\×{\mathrm{FG}}_i---\left(2\right)$

式中，AGi为每个钢爪字型支承结构2的任意斜杆21截面面积，ω_i为任意斜杆21与水平面的夹角，K₁为安全系数(根据大量工程实践经验，取1.5～2.5)，FG_i为钢拉索a1对钢爪字型支承结构的反作用力，FG_i表达式为：

FG_i＝FG_i-1,i-FG_i,i+1   (3) 

$\begin{array}{c}{\mathrm{FG}}_{i-1,i}=N_1\×\frac{y_{i-1}-y_i}{x_{i-1}-x_i}\\ {\mathrm{FG}}_{i,i+1}=N_1\×\frac{y_i-y_{i+1}}{x_i-x_{i+1}}\end{array}---\left(4\right)$

式中，FG_i-1,i和FG_i,i+1分别为支撑点左右两边的竖向力，由于在支撑点间的拉索受到很大拉力，两受力点间的拉索线型可认为是直线，它们的差值为拉索支撑点提供的支撑力；N₁为跨中拉索a1的设计预应力值，y_i和x_i为点i的横、竖坐标值，由拉索线型决定。

跨中钢拉索a1所预设形状为内切于悬链线或抛物线的折线，该悬链线或抛物线的矢跨比设置在1/15-1/20之间，使钢爪型支撑段长度为中跨跨径长度的0.5-0.65倍之间。根据大量工程实例统计，刚构桥下翼缘线型为1.6-2次曲线，支撑段的重量为整跨跨径的0.4-0.55倍之间。通过刚构桥有限元计算结果分析，获得反吊桥体系分担的跨中支撑段荷载比例引起的收缩徐变减小比例关系图9，在跨中支撑段荷载比例为0％-30％时，跨中的收缩徐变减小的速率最快，并且跨中支撑段荷载比例达25％时，收缩徐变效应减小45％。

中跨钢拉索、边跨预应力钢绞线的设计容许应力水平为0.4f_spk(钢绞线屈服应力)。

中跨拉索的设计预应力N₁与截面积AM1的求解：根据跨中支撑段恒载的0.2-0.3倍计算反吊桥体系分担的恒载大小，根据中跨拉索线型方程，获得中跨钢绞线索a1的设计预应力N₁与设计截面积AM1。为此，跨中拉索a1面积AM1、边跨拉索a2面积AM2按0.2-0.3倍的爪型结构支撑段混凝土自重荷载决定，有：

$AM1=\frac{D_L\×\underset{j}{\Σ}{\mathrm{MZ}}_j}{0.4\×f_{spk}\×\cos \mathrm{\α}}---\left(5\right)$

$AM1\×sin\mathrm{\α}=\underset{i}{\Σ}AM{2}_i\×{\mathrm{sin\β}}_i---\left(6\right)$

式中，∑MZ_j为爪型支撑段混凝土的总重，D_L为反吊桥体系支撑段的恒载分担系数，一般取为0.2-0.3之间。分析表明，将反吊桥体系分担的荷载量为爪型结构支撑段混凝土自重荷载的0.2-0.3倍之间，可将跨中收缩徐变下挠量减小约50％。

需要说明的是，设计的反吊桥体系对刚构桥施加的竖向反作用力之和-∑FG_i对刚构桥产生的挠度变化值-s(∑FG_i)可以部分抵消刚构桥由于收缩徐变、桥梁混凝土内预应力松弛而引发的跨中挠度△s，但对于一些下挠过大的刚构桥，完全消除由于收缩徐变、桥梁混凝土内预应力松弛而引发的跨中挠度△s是不可能的。通过计算可得，支撑段受到的反作用力为支撑段重力的10％时，其挠度/跨径比约减小1/3500-1/4000。加固后挠度变化的 计算，可以通过有限元方法精确计算获得。

二、本发明刚构桥加固方法的应用

1.施工

按照前述加固方法具体步骤进行。

2.计算

如图7所示，斜线填充的a8段为爪型结构支承刚构桥梁段。本桥的跨径为90m+160m+90m，跨中爪型结构支承的刚构桥梁段的长度为104m，总重为2080T，反吊桥加固结构的跨中拉索形状选用悬链线，其矢跨比为1/16.67，钢爪字型支承结构的尺寸根据拉索悬链线形状布置。跨中拉索在锚固端与垂直方向的夹角α＝79°，cosα＝0.1915。本刚构桥选取跨中拉索分担的支承段恒载比例为0.2倍，拉索的应力为0.4f_spk，采用f_spk＝1860MPa的钢绞线索，通过式(2)即可知所需的跨中拉索的面积为：

$AM1=\frac{D_L\×\underset{j}{\Σ}{\mathrm{MZ}}_j}{0.4\×f_{spk}\×\cos \mathrm{\α}}=\frac{0.2\×2080\×9800}{0.6\×1860\×0.1915}=28614{\mathrm{mm}}^2$

如果采用一根跨中拉索布置形式，截面为208×7φ5mm，采用二根跨中拉索布置形式，截面为104×7φ5mm。边跨拉索a2面积由式(6)计算获得，边跨对称于桥梁纵向中心线双侧共布置10根钢拉索，其中，β₁＝48°、β₂＝75°、β₃＝82°、β₄＝86°、β₅＝88°，假设每根钢拉索的面积AM2相同，故而有AM2面积如下式，截面为22×7φ5mm。

$\begin{array}{c}AM2=AM1\×sin\mathrm{\α}/\underset{i}{\Σ}S={\mathrm{sin\β}}_i\\ =0.5\×28614\×0.98/(0.99+0.99+0.99+0.96+0.74)=3002{\mathrm{mm}}^2\end{array}$ 。

Claims (10)

1.一种采用反吊桥结构体系的刚构桥加固方法，其特征在于通过引入反吊桥结构体系使刚构桥发生受力体系的转变，使原有刚构桥受力体系发生卸载效应，抑制刚构桥由于混凝土收缩徐变而产生的长期下挠。

2.根据权利要求1所述的采用反吊桥结构体系的刚构桥加固方法，其特征在于：在刚构桥中跨下翼缘安装横向钢梁(1)与多个高度不等的钢爪字型支承结构(2)，支承结构下端为拉索转向固定装置(3)；在刚构桥的墩顶横隔板(4)处加浇筑倾斜立柱(5)与横梁(6)，在横梁(6)与横隔板(4)内预埋波纹管与钻孔形成散索孔道(71)、跨中拉索孔道(72)，在横梁与立柱内预埋、钻孔形成边跨拉索孔道(73)，共同形成拉索孔道(7)；在横隔板(4)上设置中跨拉索齿块(8)，根据拉索的预设线型，在刚构桥下翼缘底板(9)上钻拉索孔道(10)，将中跨钢拉索a1穿过拉索孔道(71)、(72)、(10)与拉索转向装置(3)，将中跨钢拉索a1通过散索孔道(71)锚固在中跨拉索齿块(8)处，施加设计预应力N₁；将边跨钢绞线a2穿过边跨拉索孔道(73)，边跨钢绞线a2两端分别锚固在倾斜立柱(5)与主梁齿块a3上，并分别施加设计预应力F_i。

3.根据权利要求2所述的采用反吊桥结构体系的刚构桥加固方法，其特征在于：所述中跨钢拉索a1施加的设计预应力N₁与边跨钢绞线设计预应力F_i的关系为：

$N_{1}sin\mathrm{\α}=\underset{i}{\Σ}{F}_i{\mathrm{sin\β}}_i$

式中，α为中跨预应力钢拉索a1锚固段与垂直方向的夹角；β_i为各边跨预应力钢绞线a2与垂直方向的夹角。

4.根据权利要求2所述的采用反吊桥结构体系的刚构桥加固方法，其特征在于：所述钢爪字型支承结构(2)由多根斜杆(21)构成，每个钢爪字型支承结构(2)的斜杆(21)总截面面积∑AG_i应满足下式要求，且每根支撑杆件应满足受压杆件的稳定性要求；

$\underset{i}{\Σ}{\mathrm{AG}}_i{\mathrm{cos\ω}}_i>K_1\×{\mathrm{FG}}_i$

式中，AGi为每个钢爪字型支承结构(2)的任意斜杆(21)截面面积，ω_i为任意斜杆(21)与水平面的夹角，K₁为安全系数，FG_i为钢拉索a1对钢爪字型支承结构的反作用力，FG_i表达式为：

FG_i＝FG_i-1,i-FG_i,i+1

${\mathrm{FG}}_{i-1,i}=N_1\×\frac{y_{i-1}-y_i}{x_{i-1}-x_i}$

${\mathrm{FG}}_{i,i+1}=N_1\×\frac{y_i-y_{i+1}}{x_i-x_{i+1}}$

式中，FG_i-1,i和FG_i,i+1分别为支撑点左右两边的竖向力，N₁为跨中拉索a1的设计预应力值，y_i和x_i为点i的横、竖坐标值。

5.根据权利要求2所述的采用反吊桥结构体系的刚构桥加固方法，其特征在于：所述跨中钢拉索a1所预设形状为内切于悬链线或抛物线的折线，该悬链线或抛物线的矢跨比设置在1/15-1/20之间，使钢爪型支撑段长度为中跨跨径长度的0.5-0.65倍之间。

6.根据权利要求2所述的采用反吊桥结构体系的刚构桥加固方法，其特征在于：所述中跨钢拉索、边跨预应力钢绞线的设计容许应力水平为0.4倍的钢绞线屈服应力f_spk。

7.根据权利要求2所述的采用反吊桥结构体系的刚构桥加固方法，其特征在于：所述跨中的钢拉索a1为整束的平行钢丝拉索或钢绞线拉索。

8.根据权利要求2所述的采用反吊桥结构体系的刚构桥加固方法，其特征在于：所述跨中钢拉索为多根，采用多个钢结构爪字型支承结构(2)在桥梁横向进行布置，或采用能同时布置多根拉索的转向固定装置(3)。

9.根据权利要求2述的采用反吊桥结构体系的刚构桥加固方法，其特征在于：所述倾斜立柱(5)与横梁(6)通过栓钉与刚构桥墩顶横隔板(4)连接，共同形成反吊桥加固结构体系的端部锚固装置。

10.根据权利要求2所述的采用反吊桥结构体系的刚构桥加固方法，其特征在于：所述中跨拉索齿块(8)采用栓钉与刚构桥墩顶横隔板(4)连接，并在齿块(8)中布置局部受压钢筋(81)。