CN107100094B - 一种连续刚构桥系杆拱加固结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

一种连续刚构桥系杆拱加固结构，主拱圈由混凝土拱肋和钢制拱座构成，钢制拱座埋在位于桥墩上方、顶板下方的两腹板之间的拱座横梁中；拱座横梁中有通过导管埋设、张拉后加以锚固的系杆；沿顺桥向以桥的中跨中心线为中心有相互对称置于两腹板之间的吊杆锚固横梁；吊杆的上下两端分别穿过混凝土拱肋和吊杆锚固横梁上对应的导管，张拉后锚固。该加固结构中拱座横梁的尺寸和每道系杆中钢绞线的根数按公司求得，可保证拱座横梁水平位移不超过[Δ]，为主拱圈提供可靠基础；拱座横梁中的系杆可平衡汽车荷载、张拉吊杆和主拱圈自重在拱座横梁上产生的水平力，使拱座横梁和主拱圈处于最佳受力状态；为解决连续刚构桥中跨跨中下挠过大的病害提供了一套完整的施工技术方案。

Description

一种连续刚构桥系杆拱加固结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及桥梁工程，特别是一种适用于连续刚构桥的系杆拱加固结构及其施工方法。

背景技术

大量的连续刚构桥投入使用后，常会出现一些病害，其中较为典型的病害是连续刚构桥中跨的跨中产生过大的下挠。

针对这一技术问题，CN102322019A专利文献公开了一种系杆拱——T型刚构协作体系桥。该体系是在一般T型刚构主梁中增设混凝土拱肋、系杆及吊杆，T型刚构采用混凝土材料。其工程造价比同等跨径的斜拉桥或悬索桥低，适合于大跨径桥梁结构；采用拱体系，使结构没有水平推力，对基础要求低。

但将该技术应用于解决连续刚构桥的上述病害时存在以下技术障碍：

(1)缺乏完整、有效的施工技术方案；

(2)系杆拱拱脚处缺乏有效的锚固方法；

(3)上述专利文献未确定系杆的张拉力，而过大施加系杆张拉力可能造成拱座横梁的破坏和主拱圈受力的重新分配；系杆张拉力不足，则主拱圈在拱脚处会产生水平推力。

发明内容：

本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题提供一种结构简单、施工技术方案完善、施工快捷、安全可靠和经济性好的连续刚构桥系杆拱加固结构及其施工方法。

为了实现上述目的，本发明提供的连续刚构桥系杆拱加固结构，包括主拱圈、系杆和吊杆；其特点是：

所述主拱圈由混凝土拱肋和分别与混凝土拱肋两端相接的两个钢制拱座构成，主拱圈的拱轴线为二次抛物线；所述两个钢制拱座分别埋设在拱座横梁中，拱座横梁置于桥墩上方、顶板下方的两腹板之间；所述系杆的数量为3～10道(按拱座横梁的横桥向宽度选取)，每道系杆分别穿过水平均匀间隔埋设在拱座横梁中的导管a，两端张拉后锚固在两个拱座横梁上；沿顺桥向以连续刚构桥的中跨中心线为中心有相互对称、均匀间隔布置于顶板下方两腹板之间的吊杆锚固横梁，吊杆锚固横梁中有竖向埋设的导管b；混凝土拱肋中有与导管b上下竖直对应、竖向埋设的导管c；所述吊杆的上下两端分别穿过相互对应的导管c和导管b，张拉后锚固在混凝土拱肋和吊杆锚固横梁上；

所述拱座横梁顺桥向长度b_GZ＝0.3L₀～0.6L₀，横桥向宽度等于D_b，高度h_GZ按下式计算得出：

其中：

L₀：主梁零号块长度(m)，

roundup[number，Num_digits]，number为需要向上舍入的任意实数，Num_digits舍入后的数字的小数位数(如roundup[5.325，1]＝5.4，再如roundup[3，1]＝3.0)，

E_c：拱座横梁混凝土的弹性模量(MPa)，

b_GZ：拱座横梁顺桥向长度(m)，

D_b：两腹板的净距(m)，

f：拱轴线的矢高(m)，

L：中跨跨径(m)，

N_ml：汽车荷载在拱脚处产生的最大轴向压力(kN)，可通过建立桥梁结构有限元模型计算得出，

N_d：张拉吊杆在拱脚处产生的轴向压力(kN)，可通过建立桥梁结构有限元模型计算得出，

N_G：主拱圈自重在拱脚处产生的轴向压力(kN)，可通过建立桥梁结构有限元模型计算得出，

[Δ]：拱座横梁水平位移的允许值(mm)，可通过建立桥梁结构有限元模型计算得出；

所述每道系杆中钢绞线的根数n按下式计算得出：

式中：

roundup[number，Num_digits]，number为需要向上舍入的任意实数，Num_digits舍入后的数字的小数位数(如roundup[5.325，1]＝5.4，再如roundup[3，1]＝3.0)，

f：拱轴线的矢高(m)，

L：中跨跨径(m)，

σ_con：钢绞线的张拉控制应力，其取值为1302～1395(MPa)

A_P1：单根钢绞线的截面面积(mm²)，

N_PS：系杆的道数，

N_ml：汽车荷载在拱脚处产生的最大轴向压力(kN)，可通过建立桥梁结构有限元模型计算得出，

N_d：张拉吊杆在拱脚处产生的轴向压力(kN)，可通过建立桥梁结构有限元模型计算得出，

N_G：主拱圈自重在拱脚处产生的轴向压力(kN)，可通过建立桥梁结构有限元模型计算得出。

上述连续刚构桥系杆拱加固结构的施工方法，包括以下步骤：

步骤一、构筑拱座横梁

对所述置有拱座横梁处的腹板表面进行凿毛、植筋后涂刷环氧树脂，然后搭设模板、绑扎拱座横梁钢筋、浇筑混凝土形成拱座横梁，同时在拱座横梁的上方开设孔洞，通过孔洞在每个拱座横梁中预埋钢制拱座，并在拱座横梁中预埋供系杆穿越的导管a；

步骤二、构筑吊杆锚固横梁

对所述置有吊杆锚固横梁处的腹板表面进行凿毛、植筋后涂刷环氧树脂，然后搭设模板、绑扎钢筋、浇筑混凝土形成吊杆锚固横梁，同时在吊杆锚固横梁上方开设孔洞，穿过孔洞在吊杆锚固横梁内部竖向预埋供吊杆穿越的导管b；

步骤三、构筑混凝土拱肋

搭设模板、绑扎钢筋、浇筑混凝土形成与钢制拱座相接的混凝土拱肋，同时在混凝土拱肋中预埋所述供吊杆穿越的导管c；

步骤四、安装和张拉系杆

将系杆的两端分别穿过两个拱座横梁中相互对应的导管a，按所取张拉力张拉后锚固在拱座横梁上；

步骤五、张拉吊杆

将吊杆逐个穿过上下竖直相互对应的导管b和导管c，按常规方法进行张拉后锚固在吊杆锚固横梁和混凝土拱肋上，结束施工。

本发明的有益效果是：

(1)本发明按限定的结构尺寸构筑拱座横梁，可有效保证汽车荷载在拱座横梁拱脚处产生的最大轴向压力N_ml、张拉吊杆在拱脚处产生的轴向压力N_d和主拱圈自重在拱脚处产生的轴向压力N_G等荷载对拱座横梁的共同作用下(不计系杆的水平拉力的贡献)，水平位移不超过[Δ]，确保拱座横梁的刚度既能使主拱圈处于良好受力状态，又能够在系杆失效的极端情况下有效保证主拱圈的安全，从而为主拱圈提供可靠的基础。

(2)因过大施加系杆张拉力可能造成拱座横梁的破坏和主拱圈受力的重新分配，本发明中拱座横梁中系杆的道数按拱座横梁的横桥向宽度选定后，单道系杆中钢绞线的根数按计算公式

求得，可恰好平衡汽车荷载在拱脚处产生的最大轴向压力N_ml、张拉吊杆在拱脚处产生的轴向压力N_d和主拱圈自重在拱脚处产生的轴向压力N_G等荷载在拱座横梁上产生的水平力，使拱座横梁和主拱圈处于最佳受力状态。

(3)本发明通过在拱座横梁上设置主拱圈，仅需1套系杆拱加固结构即可完成双幅连续刚构桥的加固，与现有技术相比较，可省去一半工程量，节省工期，经济性好。

(4)本发明为有效解决连续刚构桥中跨的跨中下挠过大的病害提供了一套完整、有效、独特的施工技术方案。

附图说明：

图1为本发明连续刚构桥系杆拱加固结构的立面示意图，图中ZXX表示中跨中心线，GZX表示主拱圈的拱轴线；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为图1的B-B断面图；

图中：1-连续刚构桥，2-拱座横梁，3-腹板，4-吊杆锚固横梁，51-导管a，52-导管b，53-导管c，6-主拱圈，61-混凝土拱肋，62-钢制拱座，7-吊杆，8-系杆，9-桥墩，10-顶板。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例待加固连续刚构桥1的桥梁组合为(65+120+65)m，该桥中跨跨径L＝120m，主梁零号块长度L₀＝10m，两腹板的净距D_b＝10m，其中跨的跨中下挠18.0cm。

采用本发明对其进行加固的加固结构包括主拱圈6、系杆8和吊杆7；所述主拱圈由混凝土拱肋61和分别与混凝土拱肋两端相接的两个钢制拱座62构成，主拱圈的拱轴线为二次抛物线，拱轴线的矢高f＝26.7m，混凝土拱肋61截面为4m(顺桥向)×2.4m(横桥向)，壁厚为0.6m；钢制拱座62截面为4m(顺桥向)×2.4m(横桥向)，壁厚为40mm，采用Q345钢制成；所述两个钢制拱座6)分别埋在拱座横梁2中，拱座横梁分别置于桥墩9上方、顶板10下方的两腹板3之间；所述系杆8的数量为四道，分别通过直径为Φ200mm的4个导管a51相互间隔200cm水平埋设在拱座横梁2中，每道系杆8的两端张拉后锚固在两个拱座横梁2上；顺桥向以连续刚构桥1的中跨中心线为中心有对称布置于顶板10下方两腹板3之间、相互间隔为10m的9个吊杆锚固横梁4，吊杆锚固横梁长2m、横桥向宽10m(等于两腹板的净距D_b)、高1m，吊杆锚固横梁4中有竖向埋设、直径为Φ100mm的导管b52；混凝土拱肋61中有与导管b上下竖直对应、竖向埋设、直径为Φ100mm的导管c53；所述吊杆7的上下两端分别穿过相互对应的导管c53和导管b52，张拉后锚固在混凝土拱肋61和吊杆锚固横梁4上。

通过建立的桥梁结构有限元模型计算得出：

(1)汽车荷载在拱脚处产生的最大轴向压力N_ml＝1700kN，

(2)主拱圈自重在拱脚处产生的轴向压力N_G＝15580kN，

(3)张拉吊杆在拱脚处产生的轴向压力N_d＝2100kN，

(4)拱座横梁水平位移的允许值[Δ]＝0.5mm；

所述拱座横梁2两腹板的净距D_b＝10m(等于拱座横梁横桥向宽度)、拱座横梁2顺桥向长b_GZ＝0.3L₀～0.6L₀，取b_GZ＝3.5m；拱座横梁2采用C50混凝土构筑，查《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(D62-2004)可得拱座横梁2混凝土的弹性模量E_c＝3.45×10⁴MPa，拱座横梁高度h_GZ为：

系杆8共设置4道(即系杆8的道数N_PS＝4)，其中，单道系杆由n根公称直径15.20mm、1×7标准型钢绞线组成；单根钢绞线的截面面积A_P1＝140mm²，钢绞线的张拉控制应力σ_con＝1395MPa，单道系杆中钢绞线的根数n为：

本实施例系杆拱加固结构的施工包括以下步骤：

步骤一、构筑拱座横梁

对所述置有拱座横梁处的腹板表面进行凿毛、植筋后涂刷环氧树脂，然后搭设模板、绑扎拱座横梁钢筋、浇筑C50混凝土形成拱座横梁，同时在拱座横梁的上方开设孔洞，通过孔洞在每个拱座横梁中预埋钢制拱座，并在拱座横梁中预埋供系杆穿越的导管a；

步骤二、构筑吊杆锚固横梁

对所述置有吊杆锚固横梁处的腹板表面进行凿毛、植筋后涂刷环氧树脂，然后搭设模板、绑扎钢筋、浇筑C50混凝土形成吊杆锚固横梁，同时在吊杆锚固横梁上方开设孔洞，穿过孔洞在吊杆锚固横梁内部竖向预埋供吊杆穿越的导管b；

步骤三、构筑混凝土拱肋

搭设模板、绑扎钢筋、浇筑C50混凝土形成与钢制拱座相接的混凝土拱肋，同时在混凝土拱肋中预埋所述供吊杆穿越的导管c；

步骤四、安装和张拉系杆

将4道系杆的两端分别穿过两个拱座横梁中相互对应的导管a，按所取张拉力σ_con＝1395MPa张拉后锚固在拱座横梁上；

步骤五、张拉吊杆

将吊杆逐个穿过上下竖直相互对应的导管b和导管c，按常规方法进行张拉后锚固在吊杆锚固横梁和混凝土拱肋上，结束施工。

Claims (2)

1.一种连续刚构桥系杆拱加固结构，包括主拱圈(6)、系杆(8)和吊杆(7)；其特征在于：

所述主拱圈(6)由混凝土拱肋(61)和分别与混凝土拱肋(61)两端相接的两个钢制拱座(62)构成，主拱圈(6)的拱轴线为二次抛物线；所述两个钢制拱座(62)采用Q345钢制成，分别埋设在拱座横梁(2)中，拱座横梁(2)置于桥墩(9)上方、顶板(10)下方的两腹板(3)之间；所述系杆(8)的数量为3～10道，每道系杆分别穿过水平均匀间隔埋设在拱座横梁(2)中的导管a(51)，两端张拉后锚固在两个拱座横梁(2)上；沿顺桥向以连续刚构桥(1)的中跨中心线为中心有相互对称、均匀间隔布置于顶板(10)下方两腹板(3)之间的吊杆锚固横梁(4)，吊杆锚固横梁(4)中有竖向埋设的导管b(52)；混凝土拱肋(61)中有与导管b(52)上下竖直对应、竖向埋设的导管c(53)；所述吊杆(7)的上下两端分别穿过相互对应的导管c(53)和导管b(52)，张拉后锚固在混凝土拱肋(61)和吊杆锚固横梁(4)上；

所述拱座横梁顺桥向长度b_GZ＝0.3L₀～0.6L₀，横桥向宽度等于D_b，高度h_GZ按下式计算得出：

其中：

L₀：主梁零号块长度，

roundup[number，Num_digits]，number为需要向上舍入的任意实数，Num_digits舍入后的数字的小数位数，

E_c：拱座横梁混凝土的弹性模量，

b_GZ：拱座横梁顺桥向长度，

D_b：两腹板的净距，

f：拱轴线的矢高，

L：中跨跨径，

N_ml：汽车荷载在拱脚处产生的最大轴向压力，可通过建立桥梁结构有限元模型计算得出，

N_d：张拉吊杆在拱脚处产生的轴向压力，可通过建立桥梁结构有限元模型计算得出，

N_G：主拱圈自重在拱脚处产生的轴向压力，可通过建立桥梁结构有限元模型计算得出，[Δ]：拱座横梁水平位移的允许值，可通过建立桥梁结构有限元模型计算得出；

所述每道系杆中钢绞线的根数n按下式计算得出：

式中：

roundup[number，Num_digits]，number为需要向上舍入的任意实数，Num_digits舍入后的数字的小数位数，

f：拱轴线的矢高，

L：中跨跨径，

σ_con：钢绞线的张拉控制应力，

A_P1：单根钢绞线的截面面积，

N_PS：系杆的道数，

N_ml：汽车荷载在拱脚处产生的最大轴向压力，可通过建立桥梁结构有限元模型计算而得，

N_d：张拉吊杆在拱脚处产生的轴向压力，可通过建立桥梁结构有限元模型计算而得，

N_G：主拱圈自重在拱脚处产生的轴向压力，可通过建立桥梁结构有限元模型计算而得。

2.权利要求1所述连续刚构桥系杆拱加固结构的施工方法，其特征是包括以下步骤：

步骤一、构筑拱座横梁

对所述置有拱座横梁处的腹板表面进行凿毛、植筋后涂刷环氧树脂，然后搭设模板、绑扎拱座横梁钢筋、浇筑混凝土形成拱座横梁，同时在拱座横梁的上方开设孔洞，通过孔洞在每个拱座横梁中预埋钢制拱座，并在拱座横梁中预埋供系杆穿越的导管a；

步骤二、构筑吊杆锚固横梁

对所述置有吊杆锚固横梁处的腹板表面进行凿毛、植筋后涂刷环氧树脂，然后搭设模板、绑扎钢筋、浇筑混凝土形成吊杆锚固横梁，同时在吊杆锚固横梁上方开设孔洞，穿过孔洞在吊杆锚固横梁内部竖向预埋供吊杆穿越的导管b；

步骤三、构筑混凝土拱肋

搭设模板、绑扎钢筋、浇筑混凝土形成与钢制拱座相接的混凝土拱肋，同时在混凝土拱肋中预埋所述供吊杆穿越的导管c；

步骤四、安装和张拉系杆

将系杆的两端分别穿过两个拱座横梁中相互对应的导管a，按所取张拉力张拉后锚固在拱座横梁上；

步骤五、张拉吊杆

将吊杆逐个穿过上下竖直相互对应的导管b和导管c，按常规方法进行张拉后锚固在吊杆锚固横梁和混凝土拱肋上，结束施工。

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