CN105714669A - 一种变截面箱梁桥主梁底板结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

一种变截面箱梁桥主梁底板结构，在置有底板预应力钢筋段的主梁腹板两内侧面上分别增设相互间隔布置的竖向体外预应力钢筋，竖向体外预应力钢筋的上端固定在主梁腹板内侧面上端的锚固块上，下端固定在主梁底板底面的钢横梁上。施工时，浇筑主梁及锚固块混凝土后安装竖向体外预应力钢筋，并按张拉力计算值进行张拉。该主梁底板结构利用竖向体外预应力钢筋抵消底板预应力钢筋施加在主梁底板上的径向作用力，可有效防止主梁底板发生崩裂。

Description

一种变截面箱梁桥主梁底板结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及公路桥梁，特别一种变截面箱梁桥主梁底板结构及其施工方法。

背景技术

变截面箱梁桥的主梁在跨中和边支点处高度较小，在中支点处高度较大，中支点处的梁高一般以抛物线形式向跨中和边支点处的梁高过渡，使主梁底板形成曲面(见图1)；又因底板预应力钢筋布置于主梁底板内，与主梁底板相似，也呈曲线形；曲线形的底板预应力钢筋张拉后会形成径向力(见图2)，主梁底板的混凝土在该径向力作用下，使主梁底板在施工中和桥梁投入运营后易发生崩裂。

防止变截面箱梁桥主梁底板发生崩裂的传统方法，是在主梁底板设置防崩钢筋。该方法存在两个问题：一是防崩钢筋的设计缺乏依据，包括防崩钢筋是否设置、设置的间距、所用防崩钢筋的钢筋等级和直径等均无直接规定；二是施工中防崩钢筋难以完全扣住底板预应力钢筋的波纹管，不易发挥作用。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种可防止变截面箱梁桥主梁底板发生崩裂的变截面箱梁桥主梁底板结构及其施工方法。

为实现上述目的，本发明提供的变截面箱梁桥主梁底板结构，在布置有底板预应力钢筋段的主梁腹板的两个内侧面上端分别增设沿纵桥向相互间隔的锚固块；在主梁底板底面预埋与锚固块上下对应的钢横梁；通过在锚固块、主梁底板和钢横梁中的预留孔道穿插由精轧螺纹钢筋构成的竖向体外预应力钢筋，竖向体外预应力钢筋的上端通过螺母固定在锚固块的上部，竖向体外预应力钢筋的下端通过螺母固定在钢横梁的下部。

所述锚固块沿纵桥向的相互间距s_v为：150cm≤s_v≤300cm；所述锚固块、主梁底板和钢横梁中的预留孔道与主梁腹板内侧面的垂直距离c为：10cm≤c≤15cm。

上述变截面箱梁桥主梁底板结构的施工方法，包括以下步骤：

步骤1、浇筑主梁

按常规完成架构模板、在模板中绑扎钢筋(包括锚固块的钢筋)后浇筑主梁的混凝土，同时在主梁底板底面预埋钢横梁，在锚固块和主梁底板中用波纹管作预留孔道，在钢横梁中钻取钻孔，使锚固块和主梁底板的预留孔道及钢横梁的钻孔上下相互对应；

步骤2、安装竖向体外预应力钢筋

待步骤1的混凝土强度达到90％设计强度时，将竖向体外预应力钢筋的上端穿过锚固块的预留孔道与其上端的螺母连接，将竖向体外预应力钢筋的下端穿过主梁底板的预留孔道和钢横梁的钻孔与其下端的螺母连接；

步骤3、张拉竖向体外预应力钢筋

利用竖向体外预应力钢筋上端的螺母将竖向体外预应力钢筋的上端固定在所述锚固块的上部，然后用旋拧竖向体外预应力钢筋下端螺母的方式对竖向体外预应力钢筋进行张拉，张拉时在竖向体外预应力钢筋上安装与振动测试仪器相连接的拾振器，测出竖向体外预应力钢筋张拉时的1阶振动角频率ω₁，然后按下式计算出竖向体外预应力钢筋内产生的拉力F_r：

$F_r=\[m{\left(\frac{{\mathrm{a\ω}}_1}{\mathrm{\π}}\right)}^2-E_{s}I\frac{{\mathrm{\π}}^2}{a^2}\]/1000\left(kN\right)$

式中

m：竖向体外预应力钢筋单位长度质量(kg/m)，

a：竖向体外预应力钢筋在上、下螺母之间的长度(m)，

ω₁：拾振器测得的竖向体外预应力钢筋的1阶振动角频率(Hz)，

E_s：竖向体外预应力钢筋的弹性模量(N/m²)，

I：竖向体外预应力钢筋的截面惯性矩(m⁴)；

当拉力F_r达到竖向体外预应力钢筋内产生的理论拉力F_p时，停止张拉竖向体外预应力钢筋；

竖向体外预应力钢筋内产生的理论拉力F_p按下式求得：

$F_P=\frac{{\mathrm{\σ}}_{con}{A}_p}{2r}{s}_v+\frac{1}{2}G\left(kN\right)$

式中

σ_con：底板预应力钢筋的设计张拉应力(MPa)，

A_P：底板预应力钢筋的总截面面积(mm²)，

s_v：竖向体外预应力钢筋沿纵桥向的相互间距(m)，

G：钢横梁的重量(kN)，

r：主梁底板的圆曲线半径(m)，当为其它曲线形式时，按照计算取用，其中l为曲线弦长，β为曲线矢高f与弦长l之比；

步骤4、对张拉后的竖向体外预应力钢筋进行防腐处理，变截面箱梁桥主梁底板结构施工即告完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)通过竖向体外预应力钢筋可抵消底板预应力钢筋对主梁底板混凝土的径向力，从而有效防止主梁底板受底板预应力钢筋的径向力作用发生崩裂。

(2)将锚固块置于腹板上端，利用竖向体外预应力的拉力F_r对腹板产生竖向压应力可提高腹板斜截面抗裂性能。

(3)采用拾振器监测竖向体外预应力钢筋张拉时在钢筋内产生的拉力F_r，使F_r逼近竖向体外预应力钢筋的理论拉力F_p，可确保竖向体外预应力钢筋内产生的拉力F_r对主梁底板构成的拉力恰好抵消底板预应力钢筋施加在主梁底板上的径向力，从而达到既对主梁底板加固、又不会因拉力过大损害主梁原有结构的效果。

(4)本发明施工方法简单，施工质量容易控制，施工周期短，加固用竖向体外预应力钢筋便于维护和更换。

附图说明

图1为变截面箱梁桥的示意图(侧视图)；

图2为图1梁桥底板预应力钢筋径向力的示意图；

图3为图1梁桥主梁底板曲线弦长l与矢高f示意图；

图4为本发明主梁底板结构的侧视图；

图5为图4中A-A断面图。

图中：1–主梁，2–主梁底板，2a–主梁顶板，3–底板预应力钢筋，4–主梁腹板，5–竖向体外预应力钢筋，6–锚固块，7–预留孔道，8–钢横梁，9–螺母。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

结合图1、图2和图3，本实施例变截面箱梁桥为主跨为90m的连续刚构桥，主梁1的跨中梁高2.2m，中支点处梁高5.8m，跨中主梁底板2曲线弦长l为86.0m。

由跨中和中支点处的梁高可得，矢高f＝5.8-2.2＝3.6m；

$r=\frac{l}{2}(\frac{1}{4\mathrm{\β}}+\mathrm{\β})=\frac{86}{2}(\frac{1}{4\×\frac{3.6}{86}}+\frac{3.6}{86})=258.6m.$

如图4和图5所示，在主梁底板上共布置有8孔底板预应力钢筋3，单个孔道的底板预应力钢筋的截面面积为2660mm²，8孔底板预应力钢筋的总截面面积A_P＝21280mm²，底板预应力钢筋的设计张拉应力σ_con＝1395MPa(图2所示底板预应力钢筋的张拉力N_p与其对应)。

为防止施工中和桥梁投入运营后主梁底板受底板预应力钢筋径向力作用发生崩裂，采取本发明增加主梁底板的强度。

主梁底板结构如图4和图5所示，在置有底板预应力钢筋段的主梁腹板4的两个内侧面分别增设沿纵桥向相互间隔s_v＝2.0m的锚固块6，锚固块位于距主梁顶板2a底面与主梁腹板内侧面交接部的下缘20cm处；在主梁底板底面增设与锚固块上下对应的钢横梁8，钢横梁采用厚16mm的Q235C钢板焊接制作而成，钢横梁的长度与主梁底板宽度相同，钢横梁的重量G＝12.6kN；在锚固块、主梁底板和钢横梁中设有与主梁腹板内侧面垂直距离c＝12.5cm的预留孔道7；由直径25mm的PSB785精轧螺纹钢筋(螺纹钢筋单位长度质量m＝3.85kg/m，弹性模量E_s＝2.0×10¹¹N/m²，截面惯性矩I＝1.92×10^-8m⁴)构成的竖向体外预应力钢筋5上端通过螺母9固定在锚固块的上部，下端通过螺母9固定在钢横梁的下部

该主梁底板结构的施工方法包括以下步骤：

步骤1、按常规完成架构模板、在模板中绑扎钢筋(包括锚固块的钢筋)后浇筑主梁的混凝土，同时在主梁底板底面预埋钢横梁，在锚固块和主梁底板中用波纹管作预留孔道，钢横梁钻取钻孔，使锚固块和主梁底板的预留孔道及钢横梁的钻孔上下相互对应；

步骤2、安装竖向体外预应力钢筋

待步骤1的混凝土强度达到90％设计强度时，将精轧螺纹钢筋上端穿过锚固块中的预留孔道后与螺母连接，下端穿过主梁底板预留孔道和钢横梁的钻孔后与螺母连接；

步骤3、张拉竖向体外预应力钢筋

利用竖向体外预应力钢筋上端的螺母将竖向体外预应力钢筋的上端固定在锚固块上部，然后旋拧竖向体外预应力钢筋下端的螺母，对竖向体外预应力钢筋逐根进行张拉，张拉时在竖向体外预应力钢筋上安装与振动测试仪器相连接的拾振器，随时测量竖向体外预应力钢筋张拉时的1阶振动角频率ω₁，计算出竖向体外预应力钢筋内产生的拉力F_r，当拉力F_r与竖向体外预应力钢筋内产生的理论拉力F_p的差值不超过理论拉力F_p的5％时，停止张拉竖向体外预应力钢筋。

竖向体外预应力钢筋内产生的理论拉力F_p为：

$F_P=\frac{N_p}{2r}{s}_v+\frac{1}{2}G=\frac{21280\×1395/1000}{2\×330.9}\×2+\frac{1}{2}\×12.6=96.0\left(kN\right).$

以图4和图5所示主梁段为例，主梁腹板左、右两内侧面上的各10根竖向体外预应力钢筋停止张拉时的实测结果见下表：

左侧竖向体外预应力钢筋实测结果

右侧竖向体外预应力钢筋实测结果

步骤4、完成竖向体外预应力钢筋张拉后，对张拉后的竖向体外预应力钢筋进行防腐处理，变截面箱梁桥主梁底板结构施工即告完成。

增强后的主梁底板在后续张拉底板预应力钢筋施工时未发生崩裂；在桥梁投入运营后，经一年时间的应用考验，亦未发生崩裂，说明主梁底板增强效果良好。

Claims (3)

1.一种变截面箱梁桥主梁底板结构，其特征在于，在布置有底板预应力钢筋(3)段的主梁腹板(4)的两个内侧面上端分别增设沿纵桥向相互间隔的锚固块(6)；在主梁底板(2)底面预埋与锚固块上下对应的钢横梁(8)；通过在锚固块、主梁底板和钢横梁中的预留孔道(7)穿插由精轧螺纹钢筋构成的竖向体外预应力钢筋(5)，竖向体外预应力钢筋的上端通过螺母(9)固定在锚固块的上部，竖向体外预应力钢筋的下端通过螺母固定在钢横梁的下部。

2.根据权利要求1所述的变截面箱梁桥主梁底板结构，其特征在于，所述锚固块沿纵桥向的相互间距s_v为：150cm≤s_v≤300cm；所述锚固块、主梁底板和钢横梁中的预留孔道与主梁腹板(4)内侧面的垂直距离c为：10cm≤c≤15cm。

3.权利要求1所述变截面箱梁桥主梁底板结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、浇筑主梁

按常规完成架构模板、在模板中绑扎钢筋后浇筑主梁(1)的混凝土，同时在主梁底板底面预埋钢横梁，在锚固块和主梁底板中用波纹管作预留孔道，在钢横梁中钻取钻孔，使锚固块和主梁底板的预留孔道及钢横梁的钻孔上下相互对应；

步骤2、安装竖向体外预应力钢筋

待步骤1的混凝土强度达到90％设计强度时，将竖向体外预应力钢筋的上端穿过锚固块的预留孔道与其上端的螺母连接，将竖向体外预应力钢筋的下端穿过主梁底板和钢横梁的预留孔道与其下端的螺母连接；

步骤3、张拉竖向体外预应力钢筋

利用竖向体外预应力钢筋上端的螺母将竖向体外预应力钢筋的上端固定在所述锚固块的上部，然后用旋拧竖向体外预应力钢筋下端螺母的方式对竖向体外预应力钢筋进行张拉，张拉时在竖向体外预应力钢筋上安装与振动测试仪器相连接的拾振器，测出竖向体外预应力钢筋张拉时的1阶振动角频率ω₁，然后按下式计算出竖向体外预应力钢筋内产生的拉力F_r：

$F_r=\[m{\left(\frac{{\mathrm{a\ω}}_1}{\mathrm{\π}}\right)}^2-E_{s}I\frac{{\mathrm{\π}}^2}{a^2}\]/1000$

式中

m：竖向体外预应力钢筋单位长度质量，

a：竖向体外预应力钢筋在上、下螺母之间的长度，

ω₁：拾振器测得的竖向体外预应力钢筋的1阶振动角频率，

E_s：竖向体外预应力钢筋的弹性模量，

I：竖向体外预应力钢筋的截面惯性矩；

当拉力F_r达到竖向体外预应力钢筋内产生的理论拉力F_p时，停止张拉竖向体外预应力钢筋；

竖向体外预应力钢筋内产生的理论拉力F_p按下式求得：

$F_P=\frac{{\mathrm{\σ}}_{con}{A}_p}{2r}{s}_v+\frac{1}{2}G$

式中

σ_con：底板预应力钢筋的设计张拉应力，

A_P：底板预应力钢筋的总截面面积，

s_v：竖向体外预应力钢筋沿纵桥向的相互间距，

G：钢横梁的重量，

r：主梁底板的圆曲线半径，当为其它曲线形式时，按照计算取用，其中l为曲线弦长，β为曲线矢高f与弦长l之比；

步骤4、对张拉后的竖向体外预应力钢筋进行防腐处理，变截面箱梁桥主梁底板结构施工即告完成。