CN105970839B - 斜拉桥钢箱桥塔过索孔的贴板补强方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种斜拉桥钢箱桥塔过索孔的贴板补强方法，所述方法步骤具体包括：(1)根据开设过索孔的板件即开孔板的几何尺寸和材料特性，计算开孔削弱后的极限受压强度；(2)根据开孔板几何特征和实际工程需求，选定合适的补强方式和补强板尺寸；(3)计算补强后的极限受压强度；(4)验算补强后的开孔板强度，若不满足设计要求，则重复步骤(2)到(4)，直到补强后的强度达到设计要求为止；(5)按照要求将补强板焊接在开孔板上。本发明理论可靠、逻辑清楚、方法简单。

Description

斜拉桥钢箱桥塔过索孔的贴板补强方法

技术领域

本发明属于钢结构设计与构造技术领域，具体的，涉及一种斜拉桥钢箱桥塔过索孔的贴板补强方法。

背景技术

钢桥塔具有体积小、自重轻、抗震性能好、施工周期短等优点。近年来，随着香港汀九桥、南京长江第三大桥、泰州长江大桥、宁波外滩大桥等桥梁的陆续竣工和开工建设，钢桥塔在我国桥梁建设中得到了更加广泛的应用。与混凝土桥塔相比，钢桥塔在满足相同承载能力的情况下可以做得更加轻巧，在工厂生产制造，然后到现场进行拼装，施工方便快捷，并可缩短施工周期。虽然钢桥塔的工程造价通常比混凝土桥塔高，但是采用钢桥塔之后基础承受的重量要小很多，因此从工程项目的总体效益来看，钢桥塔结构可能会比混凝土桥塔结构更加经济。此外，斜拉桥的拉索锚固区受力复杂、局部应力大，若采用钢筋混凝土桥塔，需要在拉索锚固区附近布置较多的预应力钢筋，施工比较复杂，采用钢桥塔则可以避免这些问题。目前，经济的可持续发展成为各国政府的战略方针，人们日益重视对有限资源的节约利用和对自然环境的保护，国际上也提出了可持续工程和绿色工程的概念。21世纪的桥梁设计将更加重视结构的耐久性和全寿命经济性，降低不可再生资源的消耗，提高工业和建筑废料的再利用以及减少对环境的破坏和影响。钢材作为绿色建材，将大有用武之地，采用钢桥塔设计完全符合第三代结构设计的新理念。我国经济建设不断健康发展，钢产量与品质不断提高，国家的工程建设技术政策己经发生重大变化，今后将会有更多的桥梁工程会采用钢桥塔结构形式。

由于构造、施工、检修、维护等需要，不可避免对钢箱桥塔中的某些受力板件进行开连续椭圆过索孔，此类开孔板专门针对斜拉桥而言，主要出现在塔顶部的拉索区段。拉索贯穿外壁板进入桥塔顶部锚固之后，在外壁板不可避免的留下单排或双排连续分布的椭圆孔，见图2。较大的开孔率将对钢桥塔受压板件的力学性能产生不可忽略的影响，具体表现为：①开孔板在面内荷载作用下产生孔边应力集中现象，可能导致钢板发生局部破坏，并影响其疲劳性能；②受压开孔板的弹性屈曲临界荷载和弹塑性受压极限强度均随着孔径增大而显著降低，且当板件宽厚比较小时(即厚板)的降低幅度更为明显。对于钢箱斜拉桥桥塔的开孔板而言，当椭圆孔开设于塔顶拉索区段时，板件承受着非常高的压应力。因此，过大的孔洞尺寸或过多的孔洞数量将可能导致这些开孔板的正常使用或结构安全难以满足，必要时需采取合理、有效的措施进行孔洞补强。

经检索，公开号为CN 101457591U、申请号为200810154696.8的中国发明专利，该专利公开了一种钢梁贯通孔补强方法,在钢梁的塑性区内开通孔；根据开孔位置、孔径确定出所需要的补强环的结构，将补强环焊接在所述通孔上。

上述专利不适用于孔洞形状为椭圆形、且钢板处于面内受压工况的情形，无法作为钢桥塔内部开设过索孔的补强方法，并且该专利没有给出补强前和补强后的强度计算公式。

发明内容

本发明的目的是提供一种斜拉桥钢箱桥塔过索孔的贴板补强方法，实现补强后的开孔钢板受压强度达到要求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种斜拉桥钢箱桥塔过索孔的贴板补强方法，所述方法包括以下步骤：

步骤(1)：根据斜拉桥钢箱桥塔开设过索孔的板件即开孔板的几何尺寸和材料特性，计算开孔板开孔削弱后的极限受压强度；所述开孔板处于面内单轴受压状态；

步骤(2)：根据开孔板几何特征和实际工程需求，选定贴板尺寸；

步骤(3)：根据步骤(2)的贴板尺寸，计算补强后的极限受压强度；

步骤(4)：根据步骤(3)的结果，验算补强后的开孔板强度，若不满足设计要求，则重复步骤(2)到步骤(4)，直到补强后的极限受压强度达到工程所需强度为止；

步骤(5)：根据符合设计要求的贴板尺寸，将贴板焊接在开孔板上；

首先在长a_f、宽b_f、厚t_f的矩形贴板上开设宽(d+2t_f)、长(h+2t_f)的连续椭圆孔，h为过索孔孔高，矩形贴板上的连续椭圆孔间距与开孔板上的过索孔间距保持一致；然后将矩形贴板紧紧贴在开孔板上，使矩形贴板上的连续椭圆孔与开孔板上的过索孔对中放置；最后在矩形贴板的四周及其椭圆孔的内边缘施加整圈角焊缝。

优选地，步骤(1)中，所述开孔板处于面内单轴受压状态。

优选地，步骤(1)中，所述开孔板被竖向加劲肋和横向加劲肋分隔之后的横向宽度b与厚度t之比介于10至30之间。

优选地，步骤(1)中，所述过索孔宽度d与开孔板横向宽度b之比介于0.1至0.3之间。

优选地，步骤(1)中，所述过索孔孔间距离l_s与过索孔孔高h之比介于2至4之间。

优选地，步骤(1)中，所述开孔板开孔削弱后的极限受压强度σ_u按照如下公式计算：

其中：σ_y为钢材的屈服强度，d为过索孔宽度，b为开孔板横向宽度。

优选地，步骤(2)中，所述贴板补强适用于贴板厚度与开孔板厚度比t_f/t<0.3且强度提高需求≥1.5σ_u的情况，其中：t为开孔板厚度，t_f为贴板厚度。

更优选地，所述贴板补强包括整体式贴板补强与分离式贴板补强。

更优选地，由于整体式贴板补强比分离式贴板补强的补强效果更好，本发明采用整体式贴板补强。

优选地，步骤(2)中，所述贴板尺寸包括贴板厚度、贴板横向宽度和贴板竖向高度，其中：贴板厚度t_f不大于1.3t；贴板横向宽度b_f介于2.5d至3.5d之间；贴板竖向高度a_f介于h+1.5d至h+2.5d之间。

优选地，步骤(3)中，所述补强后的极限受压强度按照如下公式计算：

其中：σ_u为开孔板开孔削弱后的极限受压强度。

优选地，步骤(5)中，角焊缝的焊脚高度不小于6mm与0.5t_f之间的较大值。

本发明与现有技术相比较，具有如下有益效果：

本发明可以弥补钢箱桥塔顶部开设单排连续椭圆孔导致钢板受压强度削弱的不足，为之提供相对应的开孔补强方法，并且可以计算确定补强之后的钢板受压极限强度。本发明理论可靠、逻辑清楚、方法简单。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的钢箱桥塔顶部开设过索孔及补强示意图，其中：(a)为开孔未补强示意图，(b)为贴板补强示意图；

图2为本发明一实施例的钢箱桥塔顶部过索孔构造图；

图3为本发明一实施例的经过贴板补强的钢箱桥塔顶部开设有单排连续椭圆孔的受压钢板的构造图，其中：(a)为主视图，(b)为侧视图，(c)为俯视图；

图4为本发明一实施例的实施流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1中(a)所示，钢箱桥塔顶部开设有单排连续椭圆孔的受压钢板主要由桥塔壁板、横向隔板和竖向隔板组成，并且处于竖向压力荷载工况下；如图1中(b)所示，钢箱桥塔顶部开设有单排连续椭圆孔的受压钢板的贴板补强方法，主要是按照施工要求，将矩形贴板焊接在开设有单排连续椭圆孔的受压钢板上。

如图2所示，本实施例的对象是钢箱桥塔顶部开设有单排连续椭圆孔的受压钢板，其尺寸包括：钢板竖向高度a、钢板横向宽度b、钢板厚度t，以及过索孔孔高h、过索孔孔宽d、过索孔横向孔间距b/3，其中：受压钢板被竖向加劲肋和横向加劲肋分隔之后的横向宽度b与厚度t之比介于10至30之间；过索孔孔宽d与开孔板横向宽度b之比介于0.1至0.3之间，过索孔孔间距离l_s与过索孔孔高h之比介于2至4之间。

如图3中(a)、(b)、(c)所示，一种钢箱桥塔顶部开设单排连续椭圆过索孔的贴板补强方法，具体施工：首先在矩形贴板上开设连续椭圆孔，矩形贴板上的连续椭圆孔间距与受压钢板上的过索孔间距保持一致；然后将矩形贴板紧紧贴在受压钢板上，使矩形贴板上的连续椭圆孔与与受压钢板上的过索孔对中放置；最后在矩形贴板的四周及其椭圆孔的内边缘施加整圈角焊缝。

如图4所示，一种钢箱桥塔顶部开设单排连续椭圆过索孔的贴板补强方法，所述方法具体实施步骤如下：

(1)根据开孔板，即开设有单排连续椭圆孔的受压钢板的几何尺寸(包括受压钢板的宽度b、厚度t、长度a、过索孔孔宽d和过索孔孔高h和材料特性，其中需要满足：宽厚比b/t≤30，间隔率l/h≥3(l为椭圆孔中心距)，开孔率0.1≤d/b≤0.2并且h_f/t_f＝10(其中：t_f为贴板厚度，h_f为贴板上的开孔孔高)；利用公式计算受压钢板开孔削弱后的极限受压强度，其中：σ_y为钢材的屈服强度；

(2)根据受压钢板几何特征(包括开孔率d/b以及间隔率l/h的要求)，贴板补强适用于贴板厚度t_f与受压钢板厚度t比较小(t_f/t<0.3)且强度提高需求较大(≥1.5σ_u)的情况，要求角焊缝的焊脚高度不小于6mm与0.5t_f之间的较大值，贴板厚度t_f不大于1.3t，贴板横向宽度b_f介于2.5d至3.5d之间，贴板竖向高度a_f介于h+1.5d至h+2.5d之间；然后根据实际工程对于强度提高的需求选定合适的贴板尺寸；

(3)基于公式计算补强后的极限受压强度，所述受压钢板补强后的极限受压强度采用公式来计算，其中：σ_u为受压钢板在补强之前的极限受压强度。

(4)验算补强后的受压钢板强度，若不满足设计要求，则重复步骤(2)到(4)，直到补强后的极限受压强度达到设计要求为止；

(5)按照补强施工方法将贴板焊接在受压钢板上，具体的：

首先在长为a_f、宽为b_f、厚为t_f的矩形贴板上开设一排宽为(d+2t_f)、长为(h+2t_f)的连续椭圆孔，矩形贴板上的连续椭圆孔间距与受压钢板上的过索孔间距保持一致；然后将矩形贴板紧紧贴在受压钢板上，注意将使矩形贴板上的连续椭圆孔与受压钢板上的过索孔对中放置；最后在矩形贴板的四周及其椭圆孔洞的内边缘施加整圈角焊缝，其中角焊缝的焊脚高度不小于6mm与0.5t_f之间的较大值。

综上实施例，可以弥补钢箱桥塔顶部开设单排连续椭圆孔导致钢板受压强度削弱的不足，为之提供相对应的开孔补强方法，并且可以计算确定补强之后的钢板受压极限强度，但应当认识到上述描述不应被认为是本发明的限制。除此之外，本发明还有其它实施方式。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种斜拉桥钢箱桥塔过索孔的贴板补强方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤(1)：根据斜拉桥钢箱桥塔开设过索孔的板件即开孔板的几何尺寸和材料特性，计算开孔板开孔削弱后的极限受压强度；所述开孔板处于面内单轴受压状态；

步骤(2)：根据开孔板几何特征和实际工程需求，选定贴板尺寸；

步骤(3)：根据步骤(2)的贴板尺寸，计算补强后的极限受压强度；

步骤(3)中，所述补强后的极限受压强度按照如下公式计算：

其中：σ_u为开孔板开孔削弱后的极限受压强度；d为过索孔宽度，b为开孔板横向宽度，t为开孔板厚度；

步骤(4)：根据步骤(3)的结果，验算补强后的开孔板强度，若不满足设计要求，则重复步骤(2)到步骤(4)，直到补强后的极限受压强度达到工程所需强度为止；

步骤(5)：根据符合设计要求的贴板尺寸，将贴板焊接在开孔板上；

首先在长a_f、宽b_f、厚t_f的矩形贴板上开设宽(d+2t_f)、长(h+2t_f)的连续椭圆孔，h为过索孔孔高，矩形贴板上的连续椭圆孔间距与开孔板上的过索孔间距保持一致；然后将矩形贴板紧紧贴在开孔板上，使矩形贴板上的连续椭圆孔与开孔板上的过索孔对中放置；最后在矩形贴板的四周及其椭圆孔的内边缘施加整圈角焊缝。

2.根据权利要求1所述的一种斜拉桥钢箱桥塔过索孔的贴板补强方法，其特征在于，步骤(1)中，所述开孔板被竖向加劲肋和横向加劲肋分隔之后的横向宽度b与厚度t之比介于10至30之间。

3.根据权利要求2所述的一种斜拉桥钢箱桥塔过索孔的贴板补强方法，其特征在于，步骤(1)中：所述过索孔宽度d与开孔板横向宽度b之比介于0.1至0.3之间。

4.根据权利要求3所述的一种斜拉桥钢箱桥塔过索孔的贴板补强方法，其特征在于，所述过索孔孔间距离l_s与过索孔孔高h之比介于2至4之间。

5.根据权利要求1所述的一种斜拉桥钢箱桥塔过索孔的贴板补强方法，其特征在于，步骤(1)中，所述开孔板开孔削弱后的极限受压强度σ_u按照如下公式计算：

其中：σ_y为钢材的屈服强度，d为过索孔宽度，b为开孔板横向宽度。

6.根据权利要求1所述的一种斜拉桥钢箱桥塔过索孔的贴板补强方法，其特征在于，步骤(2)中，所述贴板补强适用于贴板厚度与开孔板厚度比t_f/t<0.3且强度提高需求≥1.5σ_u的情况，其中：t为开孔板厚度，t_f为贴板厚度。

7.根据权利要求6所述的一种斜拉桥钢箱桥塔过索孔的贴板补强方法，其特征在于，所述贴板补强包括整体式贴板补强与分离式贴板补强。

8.根据权利要求1所述的一种斜拉桥钢箱桥塔过索孔的贴板补强方法，其特征在于，步骤(2)中，所述贴板尺寸包括贴板厚度、贴板横向宽度和贴板竖向高度，其中：贴板厚度t_f不大于1.3t；贴板横向宽度b_f介于2.5d至3.5d之间；贴板竖向高度a_f介于h+1.5d至h+2.5d之间，t为开孔板厚度。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种斜拉桥钢箱桥塔过索孔的贴板补强方法，其特征在于，步骤(5)中，角焊缝的焊脚高度不小于6mm与0.5t_f之间的较大值。