CN107366220A - 装配式拱桥 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种装配式拱桥，包括由板管组合单元沿拱桥长度和宽度方向拼接形成拱架，在拱架与桥面之间设有回填土或桁架结构；其中，所述板管组合单元包括弧形波纹板和位于其内侧凹槽内的管材，并在管材内填充混凝土，弧形波纹板的波纹纹路方向与拱桥的宽度相垂直。本发明的拱桥采用板管组合结构构拼接而成，弧形波纹板与管材的组合结整个结构的强度大大增加；拱桥内部是拱形承载钢架，上部有回填土，能产生管拱效应，截面抗弯性能优越，能够适应高填方、软地基等特殊工况，即使在静载及动载频繁作用下，整个结构的强度也不会受影响，管道的安全性得到有效的保证。
Description
技术领域
本发明涉及一种拱桥，尤其涉及一种由钢混组合结构装配而成的上承式拱桥。
背景技术
目前，大部分中小型拱桥以钢筋混凝土为主，然而钢筋混凝土拱桥造价高、施工周期长、砂石消耗大、不利环保；也有较少部分拱桥是钢结构拱桥，但这些拱桥的钢结构以桁架结构为主，造价较高；而且路面的结构也是钢质的，致使路面层与钢结构紧贴结合不牢，易脱层开裂；另外，紧贴路面的结构为钢质时，扰度大，路面层反复变形大，易开裂。
因此，亟待解决上述技术难题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种结构稳定、性能优良、节能环保的装配式拱桥。
技术方案：本发明的装配式拱桥，包括由板管组合单元沿拱桥长度和宽度方向拼接形成拱架，在拱架与桥面之间设有回填土或桁架结构；其中，所述板管组合单元包括弧形波纹板和位于其内侧凹槽内的管材，并在管材内填充混凝土，弧形波纹板的波纹纹路方向与拱桥的宽度方向相垂直。
其中，所述板管组合单元中，弧形波纹板内侧凹槽内平行设置若干管材。
所述板管组合单元中，所述弧形波纹板的两个弧形侧面设置周向法兰，相对的另外两侧设置纵向法兰。
所述板管组合单元先沿拱桥的长度方向拼接形成单拱架结构，再将该单拱架结构沿拱桥的宽度方向拼接得到拱架。其中，当板管组合单元沿拱桥的长度方向拼接时，位于波纹板内侧凹槽内的管材首尾相接形成连通结构。
所述拱架沿拱桥的长度方向连续设置形成多跨拱架。拱架与桥面之间设有分流管。拱架的两端设有基座，该基座设置在支墩上。弧形波纹板为弧形钢波纹板，管材为钢管，拱架为拱形钢架。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点体现在：首先，拱桥采用弧形波形板加混凝土管材的组合结构拼接而成，波纹板和管材两者优势互补，除了具备自身的结构强度，还分别增加了对方的结构强度，使得整个结构的强度大大增加，产生了一加一大于二的效果。其次，拱桥内部是拱形承载钢架，其上部有一定高度(例如，≥0.6m)的回填物质(沙、土或碎石等)，能产生管拱效应，结构强度大，可以减小波形板壁厚，节省造价；截面抗弯性能优越，能够适应高填方、软地基等特殊工况；强度高，即使在静载及动载频繁作用下，整个结构的强度也不会受影响，管道的安全性得到有效的保证；安装便捷，施工进度有保证。最后，该承载钢架与一般的方形结构框架不同，方形框架结构不能产生管土共同受力效应；当回填施工完毕后，管土共同受力作用形成，则混凝土钢管与波形板的波谷或波峰紧密压合，波形板的波谷或波峰限制了混凝土钢管的柱状失稳，同时混凝土钢管在波形钢板的波谷或波峰内，也限制了波形板的屈曲破坏，增加了波形板的承载能力。
附图说明
图1为本发明弧形波纹板的截面图；
图2-1、2-2为本发明弧形波纹板的立体图；
图3为本发明拱桥承载钢架的结构示意图；
图4为本发明拱桥的结构示意图；
图5为图4中A点的放大图；
图6为本发明连续多跨拱桥的结构示意图；
图7为本发明拱桥的实验状态图；
图8为本发明拱桥承载钢架的实验状态图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1、图2-1和图2-2所示，本发明的板管组合单元是在弧形波纹板1的内侧凹槽2内设管材3，这里的弧形波纹板1优选波纹钢板，管材3优选钢管，管材3可以连续或间隔设置于凹槽内，凹槽的形状可以为多种形式；钢管可以紧贴在该波形钢板内侧的弧形凹槽内，当有多根钢管时，钢管平行排列。凹槽2的内壁弧度与相接触的管材3的弧度相同，并在管材3内填充混凝土4。为了便于后续拼装，与弧形波纹板1的波纹纹路方向垂直的两侧设纵向法兰101，另外两侧即弧形侧面设周向法兰102，该周向法兰102的弧度与弧形波纹板1的弯曲弧度一致。为了提高板管组合单元的优良性能，弧形波纹板1的波纹纹路方向与拱桥的宽度方向相垂直，这里拱桥的宽度方向指与图6中拱桥的跨度方向相垂直的方向。
图3为拱形承载钢架的结构示意图，其中将板管组合单元先沿拱桥的长度方向拼接形成单拱架结构501，再将该单拱架结构501沿拱桥的宽度方向拼接得到拱架5，也就是拱形承载钢架。其中，相邻的单钢架结构中的纵向法兰101相互错开，当然，拱形承载钢架的拼接方式也不限于上述，可将弧形波纹板1先沿拱桥宽度方向拼接，然后再沿长度方向拼接。同时，拱形承载钢架两端设有基座104，该基座104置于支墩8上，如图4所示。图5为弧形波纹板1沿拱桥长度拼接时，相邻弧形波纹板1连接的局部放大图，图中，波纹板与管材3紧密贴合得到组合结构，管材3内填充混凝土4。
如图6所示，拱形承载钢架沿拱桥长度方向连续设置形成多跨钢架，不仅能提高拱桥的承载性能，还能实现在较宽的河面上制造拱桥。在拱形承载钢架与桥面之间设有回填土6或桁架结构，其中，回填土6的厚度≥0.6m，回填物质可以为沙、土或碎石拱形承载钢架与周边的回填土6产生管土共同受力效应，结构强度大。当然，回填土6也可以替换为桁架结构。对于多跨连续结构，在发生洪峰时，为了便于泄洪，各单跨拱桥结构间布设一道或多道分流管7，减小水流对拱桥侧面的冲击压力，保护拱桥结构的稳定和安全。
弧形波纹板、混凝土钢管及钢混组合结构弧形波纹板的实验报告
(一)实验目的：测试单独的弧形波纹板、单独的混凝土钢管及钢混组合结构弧形波纹板的承载能力。
(二)实验步骤：
1、在地面挖长度为5m、宽度为2.5m、深度为1.5m的土坑槽15，在其中布设实验材料及设备，如图7所示。
2、以弧形波纹板1(波形380x140mm，壁厚5mm)作为试验件，在试验件的表面安装压力传感器14，试验件的两端通过支座钢板和螺栓连接在混凝土基座9上，该混凝土基座9之间横向设置钢筋10，同时波纹板两侧对置设有竖直的平钢板11，平钢板11的底部设于混凝土基座9上，顶部通过上下两个平行的高强度型钢12连接，在这两个型钢之间设置液压油缸13，在位于下方的高强度型钢12、试验件与两侧的平钢板11围城的空间里填充沙子17作为回填材质，保证一定厚度的回填层，同时，两侧的平钢板11、位于顶部的高强度型钢12和位于底部的钢筋10将试验件围成框架结构，该框架结构外面为土坑。布设完成后，启动液压油缸13，缓慢加压，直至试验件破坏，读取并记录压力传感器的最大数值。
3、以混凝土钢管(外径φ140mm，壁厚5mm)作为试验件，其弯曲弧度与弧形波纹板的弧度一致，其两端设置在混凝土基座9上。为保证混凝土钢管受力数据的有效性，在混凝土钢管与周边沙土之间设有16mm厚的弧形钢板16(弧形钢板的作用是挡沙，不参与试件的受力)，弧形钢板16为多块拼叠而成，拼叠时，板间留有间隙18，可相互错动，如图8所示。其它与弧形波纹板作为试验件的布置方式相同，图8中未全部示出。布设完成后，启动液压油缸13，缓慢加压，直至试验件破坏，读取并记录压力传感器的最大数值。
4、以上述相同规格的波形钢板与混凝土钢管的组合结构作为试验件，重复上述实验，读取并记录压力传感器的最大数值。
5、更换波形钢板与混凝土钢管的规格参数(波距、波高、壁厚以及钢管直径等参数)，重复上述实验，得到多组相应规格参数所对应得压力数据。
(三)有限元分析
1、针对560x200x5mm(单独波形钢板)
| 油缸施加荷载Kpa | 传感器-最大应力值Mpa |
| 60(等价2米填土) | 60.6 |
| 90(等价4米填土) | 90.8 |
| 120(等价6米填土) | 121.1 |
| 160(等价8米填土) | 161.4 |
| 200(等价10米填土) | 201.8 |
由上表数据，最大应力与荷载近似线性关系，可推出若采用Q345材质的波形钢板，材料屈服为345Mpa，则在此种规格参数以及截面尺寸下最大能承受荷载341Kpa，折合填土高度为17米。
2、针对(单独混凝土钢管)
由上表数据，最大应力与荷载近似线性关系，可推出若采用Q235材质的钢管，材料屈服为235Mpa，混凝土采用C40,材料屈服为40Mpa，则在此种规格参数以及截面尺寸下最大能承受荷载678Kpa，折合填土为34米。
3、针对560x200x5mm+(波纹钢板+混凝土钢管)
| 油缸施加荷载Kpa | 传感器-最大应力值Mpa |
| 60(等价2米填土) | 16.6 |
| 90(等价4米填土) | 24.9 |
| 120(等价6米填土) | 33.2 |
| 160(等价8米填土) | 44.3 |
| 200(等价10米填土) | 55.4 |
由上表数据，最大应力与荷载近似线性关系，可推出若采用Q345材质的波形钢板，材料屈服为345Mpa，则在此种规格参数以及截面尺寸下最大能承受荷载1246Kpa，折合填土高度为62米。
(四)实验结论
单独波纹钢管最大承受荷载为341Kpa；单独混凝土钢管最大承受荷载为678Kpa；板管组合结构最大承受荷载为1246Kpa。
板管组合结构是单独波纹钢管承受荷载的3.65倍；板管组合结构是单独混凝土钢管承受荷载的1.84倍；板管组合结构是(单独波纹钢管+单独混凝土钢管)两者单独承受荷载之和的1.22倍。
综上所述，通过多组实验数据可发现：在管土共同受力作用下，弧形波纹板与弧形混凝土钢管组合后的承载能力是弧形波纹钢板与弧形混凝土钢管各自承载能力之和的1.23～1.4倍。
Claims (9)
1.一种装配式拱桥，其特征在于：包括由板管组合单元沿拱桥长度和宽度方向拼接形成拱架，在拱架与桥面之间设有回填土或桁架结构；其中，所述板管组合单元包括弧形波纹板(1)和位于其内侧凹槽(2)内的管材(3)，并在管材(3)内填充混凝土(4)，弧形波纹板(1)的波纹纹路方向与拱桥的宽度相垂直。
2.根据权利要求1所述的装配式拱桥，其特征在于：所述板管组合单元中，弧形波纹板(1)内侧凹槽(2)内平行设置若干管材(5)。
3.根据权利要求1或2所述的装配式拱桥，其特征在于：所述板管组合单元中，在弧形波纹板(1)的两个弧形侧面设置周向法兰(102)，相对的另外两侧设置纵向法兰(101)。
4.根据权利要求1所述的装配式拱桥，其特征在于：所述板管组合单元先沿拱桥的长度方向拼接形成单拱架结构(103)，再将该单拱架结构(103)沿拱桥的宽度方向拼接得到拱架(5)。
5.根据权利要求4所述的装配式拱桥，其特征在于：所述板管组合单元沿拱桥的长度方向拼接时，位于弧形波纹板(1)内侧凹槽(2)内的管材(3)首尾相接形成连通结构。
6.根据权利要求1所述的装配式拱桥，其特征在于：所述拱架(5)沿拱桥的长度方向连续设置形成多跨拱架。
7.根据权利要求1所述的装配式拱桥，其特征在于：所述拱架(5)与桥面之间设有分流管(7)。
8.根据权利要求1所述的装配式拱桥，其特征在于：所述拱架的两端设有基座(104)，该基座(104)设置在支墩(8)上。
9.根据权利要求1所述的装配式拱桥，其特征在于：所述弧形波纹板(1)为弧形钢波纹板，管材(3)为钢管，拱架(5)为拱形钢架。
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