CN106436589B - 一种控制山区悬吊式桥梁变形协调的加固结构及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制山区悬吊式桥梁变形协调的加固结构及其方法，属于桥梁工程领域。本发明在桥梁的两侧分别对称张拉有呈弧形的横斜向限位缆，并将限位缆和桥梁主梁用短索相连；限位缆和短索所成的平面位于桥梁的梁板下方并与梁板呈一定的夹角。本发明通过限位缆和短索，有效地控制了桥梁在侧向或者向上的风力或其他作用力时产生的结构变形，使其能够维持桥梁原先的承载能力。该结构及施工方法，结构简单、施工成本较低，可有效应用于已建成或待建桥梁的变形协调控制之中。

Description

一种控制山区悬吊式桥梁变形协调的加固结构及其方法

技术领域

本发明属于桥梁工程领域，具体涉及一种控制山区悬吊式桥梁变形协调的加固结构及其方法。

背景技术

桥梁是常见的道路形式之一，因此其结构安全的重要性不言而喻。但近年来，很多已建成的中小跨度公路桥梁过早地出现结构损坏、甚至垮塌的现象。有统计表面国内已出现数十次桥梁坍塌事故。而一旦发生桥梁坍塌事故，不仅会造成巨大的经济损失，通常还伴随着严重的人员伤亡，社会影响极其恶劣。但究其原因，除了在后期使用过程中，因超载、养护不足或天灾等原因导致垮塌之外，还存在大量的因先天设计不足造成的桥梁结构失稳、损坏的案例。申请人经过研究发现，悬吊式桥梁，诸如悬索桥、斜拉桥、系杆拱桥等，其结构整体刚度会随着跨度的增加而减小，当整体刚度偏小的情况下，在横向力、上翻力等作用下，桥梁往往会发生较大变形，严重的会发生结构破坏，因此必须限制桥梁横向与竖向变形。例如，国内某垮塌的大桥，产生破坏的主要原因是由于主梁由贝雷钢架梁只在底部连接构成，不但竖向刚度不够而且横向刚度以及扭转刚度也不够。桥梁的原设计可能重点考虑竖向荷载影响，较少考虑刚度不够而引起的主梁较大次应力和吊杆与主梁连接接头较大次应力以及主梁与吊杆等构件积累损伤影响(而此类破坏现象已在公路系杆拱桥中多次出现)。因此，申请人在研究中认为要控制桥梁变形协调，特别是山区悬吊式桥梁的变形协调，需要对其采取加固措施。在现有的桥梁设计过程中，横向变形控制以被纳入考虑范围，但纵向向上的变形则很少被纳入桥梁初步设计之中。如目前较为风行的旅游景点大峡谷玻璃桥设计中，也需要解决类似两个问题：1、底梁与钢化玻璃的变形协调控制问题；2、底梁对旋风顶升力的控制问题。

特别是在大跨度悬索桥设计中，为防止荷载不均匀和风产生的振动等的变形，需设置刚度加强梁或控制梁结构的变形协调问题；侧向不均匀变形更加复杂需要采用结构措施加以控制，如何有效控制桥梁结构的变形协调是解决此类问题的关键。现有技术中，如申请号为 00100556.1的发明专利，公开了一种大跨度双向拉索悬索桥，其方法时在桥梁桥面下部设置下拉索，并连接主塔下部。该发明通过设置下拉索，并使其与桥梁结构共同受力变形以改变或提高桥梁结构刚度，相当于扶幼儿走路的加力方式。该发明能够使得桥梁结构处于稳定平衡状态，但由于其需要和桥梁共同受力变形，因此会对其拉索本身的性能产生较高的要求，成本较大。而且，事实上，在现有的设计规范下，大多数桥梁的本身结构性能是可以满足正常使用状态下的竖向向下荷载需求的，其破坏主要是发生在桥梁受到横向或者竖向向上的力量作用导致变形时。因此，如前述的发明专利提供的方法，在大部分桥梁中并不需要进行此类的加固。因此，有必要设计一种更为经济、可行的桥梁加固方式。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种控制山区悬吊式桥梁变形协调的加固结构，以预防因桥梁变形协调问题导致的损毁或垮塌。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

控制山区悬吊式桥梁变形协调的加固结构，具体为：在桥梁的两侧分别对称张拉有呈弧形的横斜向限位缆，并将限位缆和桥梁主梁用短索相连；限位缆和短索所成的平面位于桥梁的梁板下方并与梁板呈一定的夹角。

该结构中，两条限位缆因设置于桥梁的梁板下方且呈一定夹角，因此当桥梁受到横向或向上的作用力时，短索能够对主梁起到限位作用，使其不至于因为这些作用力而导致脱离设计安全范围，产生损毁风险。但在桥梁承担常规的垂直向下的荷载时，限位缆和短索并不会对桥梁形成除自身重量之外的额外拉力。也就是说，临界平衡状态桥梁结构在无外界干扰的正常受力状态下，桥梁结构表面上也能满足设计要求，但难以满足非常规受力时的稳定平衡状态。而通过采用本发明中辅助限位缆控制桥梁结构变形协调时，无论有无外界干扰，均能够使桥梁处于正常受力的稳定平衡状态，这时辅助限位缆不改变或提高桥梁结构的刚度。相当于牵幼儿走路的省力方式，幼儿自身能够承担其重量，仅需要外界提供一定的辅助控制力，保持其平衡状态。因此，该方法对限位缆及短索的性能要求可大大降低。

作为优选，限位缆和短索所成的平面与梁板之间的夹角为30～60°。该夹角下，可以同时限制主梁水平、竖向和扭转位移。当取30°角时，可提供较大的水平限位作用；当取60°角时，可提供较大的竖向限位作用。当取45°角时，限位缆受力最小，也最为经济。因此夹角优选为45°。

作为优选，当桥梁的跨度小于300m时，桥梁每侧均张拉一整条限位缆，且限位缆两端分别锚固在桥梁两侧的岸边或山体上；当桥梁的跨度不小于300m时，桥梁的每侧均张拉两条限位缆，每条限位缆跨度为桥梁全长的1/4～1/3，并将限位缆和桥梁主梁用短索相连，限位缆的一端锚固在桥梁两侧的岸边或山体上，另一端固定在桥梁的主梁底部。

作为优选，所述的限位缆应满足如下要求：1)采用钢丝绳、高强度钢丝或钢绞线并进行防腐处理，或采用碳纤维复合材料；2)线形为空间曲线，包括抛物线或悬链线，矢跨比为 1/12～1/9；3)两端与锚固在岩石中的预应力锚杆相连。

作为优选，所述的短索应满足如下要求：1)采用钢丝绳、高强度钢丝或钢绞线并进行防腐处理，或采用碳纤维复合材料；2)短索间距与主桥吊索间距相同；3)一端与限位缆连接，另一端与主梁连接，两端均应为铰接形式。

上述限位缆或短索，当采用碳纤维复合材料的缆索时，可由多股碳纤维复合材料的绞线缠绕组成，索体外部套有添加炭黑填料的高密度聚乙烯保护套，并在保护套内填充树脂或砂浆。该材质的缆索能够提供较高的强度并减少紫外线的辐射作用，防止长期使用过程中出现老化。

作为优选，短索两端的索扣应满足如下要求：1)采用合金铸钢或钢板加工而成并进行防腐处理；2)短索与限位缆连接处采用骑跨式或销接式；3)短索与主梁连接处采用销接式； 4)销轴材质采用40Cr钢。

本发明的另一目的在于提供一种控制山区悬吊式桥梁变形协调的加固方法，步骤如下：

1)根据预定的限位缆线形及设计要求，计算每根限位缆、短索的理论下料长度并精确下料；

2)在两侧岸边或山体上的设计位置施工锚杆，确保锚杆锚入基岩中；

3)借助牵引装置将限位缆引至主梁与吊索外侧，同时在设计位置安装短索，并将短索的另一端与主梁上的设计位置连接；

4)下抛限位缆，下抛时应从两端向跨中进行；

5)在限位缆两端锚固位置放下限位缆锚头与已施工锚杆相连，并引入锚固装置，然后拉紧限位缆。

作为优选，所述的步骤5)中，拉紧限位缆之后，限位缆及短索初应力约为0。即拉紧之后，在桥梁没有受到横向或竖向向上的外力时，限位缆和短索仅具有自身的重量带来的应力，不需要额外增加预应力。由此，可以保证限位缆和短索的增加，不会对桥梁原有的设计参数造成影响。由此，限位缆和短索成为仅在桥梁受到非正常的外力干扰时限制桥梁变形的辅助结构，可以直接应用于现有已建成桥梁的加固。

本发明通过在桥梁的两侧张拉有呈弧形的横斜向限位缆，并使其与主梁相连，有效地控制了桥梁在侧向或者向上的风力或其他作用力时产生的结构变形，使其能够维持桥梁原先的承载能力。该结构及施工方法，结构简单、施工成本较低，可有效应用于已建成或待建桥梁的变形协调控制之中。

附图说明

图1为悬索桥加劲梁刚度不同直接影响主索的变形和受力示意图；其中：a)为悬索桥加劲梁结构示意图；b)为追加荷载为竖直向下时悬索桥变形和受力示意图；c)为追加荷载为竖直向上和向下同时存在时悬索桥变形和受力示意图；

图2中小跨度悬吊式桥梁限位缆立面布置示意图；

图3中小跨度悬吊式桥梁限位缆平面布置示意图；

图4大跨度悬吊式桥梁限位缆立面布置示意图；

图5大跨度悬吊式桥梁限位缆平面布置示意图；

图6短索与梁板间的倾角关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明，因便于更好地理解。本发明中的技术特征在不相互冲突的前提下，均可进行相互组合，不构成限制。

如图1所示，为悬索桥加劲梁的一种常见形式，其上部主缆两端锚固，并通过吊索连接刚度加强梁。当其在常规承载情况(设计考虑情形)下，车辆的荷载竖直向下，悬索能够满足其荷载要求。但在非常规承载情况(设计未考虑情形)下，部分向上的荷载会导致梁板产生形变。若该梁板为目前风行的玻璃桥时，由于设计时未考虑该形变，因此会导致玻璃破裂，承载面损坏。而由于较多的此类桥梁设置与山区或峡谷地区，若发生较大的风向向上的风灾时，甚至会导致其倾覆，桥上承载的人和车辆存在严重的风险。

针对该种已建成的桥梁，可采用本发明的结构和方法进行加固。加固结构具体做法是，在桥梁的两侧分别对称张拉有呈弧形的横斜向限位缆，并将限位缆和桥梁主梁用短索相连；限位缆和短索所成的平面位于桥梁的梁板下方并与梁板呈一定的夹角α(如图6所示)。该夹角可以根据桥梁所在地的风险发生可能性而定。若侧向风较多，则角度可设置偏小，增加其对横向的限制作用。当顶升旋风较多时，角度可设置偏大，增加其对纵向的限制力。角度α整体可设置于30～60°之间，考虑到受力和经济性，优选为α＝45°。

该结构的施工方法如下：

(1)根据限位缆的空间曲线选型和空间几何关系，精确计算每根限位缆、短索的理论下料长度并精确下料。

根据限位缆和短索在本结构中所起的作用，其分别需要满足如下的要求：

限位缆的要求：(1)可为钢丝绳、高强度钢丝、钢绞线等，并防腐处理；也可采用碳纤维复合材料(CFRP)，缆索通常为多股绞线组成，一般在碳纤维索体外面套上一层高密度聚乙烯保护套(HDPE)，在中间填充树脂或砂浆，在高密度聚乙烯保护套制造的过程中加入了炭黑填料来保护索体免受紫外线的辐射作用；(2)线形为空间曲线，一般为抛物线、悬链线等线形，矢跨比(空间曲线矢度与跨度的比值)取值1/12～1/9，矢跨比大限位缆受力小，反之亦能；(3)两端与锚固在岩石中的预应力锚杆相连。

短索的要求：(1)可为钢丝绳、高强度钢丝、钢绞线等，并防腐处理；也可采用碳纤维复合材料(CFRP)，缆索通常为多股绞线组成，一般在碳纤维索体外面套上一层高密度聚乙烯保护套(HDPE)，在中间填充树脂或砂浆，在高密度聚乙烯保护套制造的过程中加入了炭黑填料来保护索体免受紫外线的辐射作用；(2)短索间距与主桥吊索间距相同；(3)一端与限位缆连接，另一端与主梁连接，两端均应为铰接形式。

索扣的要求：(1)一般采用合金铸钢、钢板加工而成，并防腐处理；(2)短索与限位缆连接处索夹可采用骑跨式、销接式；(3)短索与主梁连接一般采用销接式；(4)销轴一般采用40Cr钢。

(2)在两侧山体设计位置施工锚杆，确保锚杆锚入基岩中。

(3)借助牵引系统将限位缆引至主梁与吊索外侧，同时在设计位置安装短索，并将短索的另一端与主梁上的设计位置连接(短索尽量与桥梁上方的吊索一一对应)。

(3.1)对于中小跨度桥梁(L<300m)而言，如图2、3所示，通过在桥梁的两侧分别张拉一根呈弧形的横斜向限位缆，并将限位缆和桥梁主梁用短索相连，限位缆的两端锚固在大桥两侧的岸边或山体上。

(3.2)对于大跨度桥梁(L≥300m)而言，如图4、5所示，通过在桥梁的两侧分别张拉两条呈弧形的横斜向限位缆，两条限位缆分别位于桥的两端并对称设置，每条限位缆跨度为桥梁全长的1/4～1/3，限位缆的一端锚固在桥梁两侧的岸边或山体上，另一端固定在桥梁的主梁底部，将限位缆和桥梁主梁用短索相连。

(4)下抛限位缆，下抛时应从两端向跨中进行。

(5)在限位缆两端锚固位置放下限位缆锚头与已施工锚杆相连，并引入锚固装置，然后稍微拉紧限位缆，并保持限位缆及短索初应力约为0(仅承担自身重量)。

(6)通车运输过程监测与反馈。由于限位缆和短索对主梁在横向、纵向和侧向的限制作用，因此梁板在使用过程中均保持承担纵向向下的荷载状态，不会承担其他方向的荷载，因此可大大提高其使用寿命和损坏风险。

当然，本发明的加固结构和方法也可以适用于新建桥梁中，在设计之初便将该结构纳入设计要求中，能够更为合理的布设整个桥梁的结构并优化相应的参数。

以上所述的实施方式只是本发明的一些较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种控制山区悬吊式桥梁变形协调的加固结构，该桥梁用于承担人或车辆的载荷，其特征在于，在桥梁的两侧分别对称张拉有呈弧形的横斜向限位缆，并将限位缆和桥梁主梁用短索相连；限位缆和短索所成的平面位于桥梁的梁板下方并与梁板呈一定的夹角；限位缆及短索初应力约为0，即拉紧之后，在桥梁没有受到横向或竖向向上的外力时，限位缆和短索仅具有自身的重量带来的应力，对桥梁不额外增加预应力。

2.如权利要求1所述的控制山区悬吊式桥梁变形协调的加固结构，其特征在于，限位缆和短索所成的平面与梁板之间的夹角为30~60°。

3.如权利要求1所述的控制山区悬吊式桥梁变形协调的加固结构，其特征在于，所述的夹角优选为45°。

4.如权利要求1所述的控制山区悬吊式桥梁变形协调的加固结构，其特征在于，当桥梁的跨度小于300m时，桥梁每侧均张拉一整条限位缆，且限位缆两端分别锚固在桥梁两侧的岸边或山体上；当桥梁的跨度不小于300m时，桥梁的每侧均张拉两条限位缆，每条限位缆跨度为桥梁全长的1/4～1/3，并将限位缆和桥梁主梁用短索相连，限位缆的一端锚固在桥梁两侧的岸边或山体上，另一端固定在桥梁的主梁底部。

5.如权利要求1所述的控制山区悬吊式桥梁变形协调的加固结构，其特征在于，所述的限位缆应满足如下要求：1）采用钢丝绳、高强度钢丝或钢绞线并进行防腐处理，或采用碳纤维复合材料；2）线形为空间曲线，包括抛物线或悬链线，矢跨比为1/12～1/9；3）两端与锚固在岩石中的预应力锚杆相连。

6.如权利要求1所述的控制山区悬吊式桥梁变形协调的加固结构，其特征在于，所述的短索应满足如下要求：1）采用钢丝绳、高强度钢丝或钢绞线并进行防腐处理，或采用碳纤维复合材料；2）短索间距与主桥吊索间距相同；3）一端与限位缆连接，另一端与主梁连接，两端均应为铰接形式。

7.如权利要求5或6所述的控制山区悬吊式桥梁变形协调的加固结构，其特征在于，碳纤维复合材料的缆索，由多股绞线组成，索体外部套有添加炭黑填料的高密度聚乙烯保护套，并在保护套内填充树脂或砂浆。

8.如权利要求1所述的控制山区悬吊式桥梁变形协调的加固结构，其特征在于，短索两端的索扣应满足如下要求：1）采用合金铸钢或钢板加工而成并进行防腐处理；2）短索与限位缆连接处采用骑跨式或销接式；3）短索与主梁连接处采用销接式；4）销轴材质采用40Cr钢。

9.一种控制山区悬吊式桥梁变形协调的加固方法，其特征在于，步骤如下：

1）根据预定的限位缆线形及设计要求，计算每根限位缆、短索的理论下料长度并精确下料；

2）在两侧岸边或山体上的设计位置施工锚杆，确保锚杆锚入基岩中；

3）借助牵引装置将限位缆引至主梁与吊索外侧，同时在设计位置安装短索，并将短索的另一端与主梁上的设计位置连接；

4）下抛限位缆，下抛时应从两端向跨中进行；

5）在限位缆两端锚固位置放下限位缆锚头与已施工锚杆相连，并引入锚固装置，然后拉紧限位缆；拉紧限位缆后，限位缆及短索初应力约为0。