CN108166373A - 一种改善钢箱梁疲劳性能的可替换构件及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种改善钢箱梁疲劳性能的可替换构件及其施工方法，该构件包括与钢箱梁顶板(1.1)的下表面固定连接的纵肋保护段(3)，在纵肋保护段(3)下表面连接有上凹槽固定段(5.1)，在箱梁桥底板(1.2)的上表面固定连接有下凹槽固定段(5.2)，上凹槽固定段(5.1)和下凹槽固定段(5.2)通过伸缩卡位构件(4)相连接。使用时，钢箱梁顶板(1.1)所受局部荷载通过本装置，向钢箱梁腹板、钢箱梁底板(1.2)等处传递，从而避免疲劳裂缝的产生或扩展，达到改善疲劳性能的目的，且在车辆荷载作用下，可伸缩卡位构件(4)发生变形或者损坏后，可快速进行更换，便于实际应用。

Description

一种改善钢箱梁疲劳性能的可替换构件及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种改善钢箱梁疲劳性能的可替换构件及其施工方法，属于桥梁工程领域。

背景技术

钢箱梁桥因其跨越能力强、力学性能优越，在国内外大跨径桥梁领域得到了广泛应用。目前钢箱梁桥顶板普遍采用正交异性钢桥面板，这种桥面板具有材料利用率高、适用范围广、承载能力大、行车舒适等优点，而最突出的缺点是易于疲劳开裂。疲劳开裂主要集中在顶板焊缝部位，一旦开裂，不仅裂缝数量众多，而且疲劳损伤严重、危害大。

疲劳裂纹的产生与钢箱梁桥在使用过程中所承受的车辆荷载、人群荷载、风荷载及地震荷载等因素都有关系。在各类作用的影响下，顶板与加劲肋焊缝处承受应力幅值不断变化的反复荷载，从而造成钢材局部组织永久变化，并形成疲劳裂纹。现有研究表明，钢结构焊缝处应力幅的大小与其疲劳寿命直接相关——所承受荷载产生的应力幅较大的钢结构的疲劳寿命较短。钢箱梁出现疲劳开裂，不但对结构的使用性和耐久性造成不利影响，还会造成安全隐患。此外，钢箱梁顶板开裂会诱发桥面铺装反射裂缝、坑塘等多种病害，进而影响行车平顺和通行安全。

钢箱梁桥的疲劳问题随着服役时间的增加逐步产生，钢箱梁出现疲劳开裂，就需要对疲劳裂纹进行检测、评估，以确定合理的维修策略。钢箱梁顶板焊缝一旦出现疲劳裂纹，通常应立即更换受损构件。但钢箱梁构造及制作工艺特殊，各构件通过焊缝连接且尺寸较大。此外大跨径桥梁通常是重要的交通干道组成部分，若中断交通更换构件将给社会带来巨大的经济损失，因此，损伤构件很难方便、及时地更换。一般对疲劳裂纹采取止裂或修复措施，以延长构件疲劳寿命，避免断裂及倒塌事故发生。钢箱梁疲劳开裂修复是恢复钢箱梁运营期间疲劳部位的正常受力，延长使用寿命的重要途径。目前已形成了裂缝焊合、局部补强、冲击裂缝闭合修复处理等为主的维护技术，而现有的钢箱梁疲劳开裂修补技术不但费时费力，而且经济成本也较高。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种改善钢箱梁疲劳性能的可替换构件及其施工方法，该构件改善疲劳性能效果好、施工简便、便于更换。

技术方案：本发明提供了一种改善钢箱梁疲劳性能的可替换构件，该构件包括与钢箱梁顶板的下表面固定连接的纵肋保护段，在纵肋保护段下表面连接有上凹槽固定段，在箱梁桥底板的上表面固定连接有下凹槽固定段，上凹槽固定段和下凹槽固定段通过伸缩卡位构件相连接。

其中：

所述的纵肋保护段设置在钢箱梁顶板与纵肋焊缝疲劳开裂处，纵肋保护段用高强度钢制作，并与钢箱梁顶板采用焊接连接或者铆钉连接，其形状为长槽型。

所述的在纵肋保护段下表面固定连接有上凹槽固定段，其连接方式为通过高强螺栓连接或者焊接连接。

箱梁桥底板的上表面固定连接有下凹槽固定段，其连接方式为通过高强螺栓连接或者焊接连接。

所述上凹槽固定段和下凹槽固定段通过伸缩卡位构件相连接，其连接方式为嵌入结合高强螺栓连接方式。

所述的上凹槽固定段和下凹槽固定段为预留有螺栓孔道的高强度钢构件，其形状为圆形或多边形。

所述的伸缩卡位构件为可替换的钢构件或者高强轻质材料构件，其横截面为圆形或多边形，其上预留有分别与上凹槽固定段的螺栓孔道、下凹槽固定段的螺栓孔道相对应的螺栓孔道。

所述的伸缩卡位构件的形状为I型、A型、X型、O型、M型、W型或者O型与X型相结合的形状。

所述的钢构件采用低屈服点钢制作，所述的高强轻质材料为铝合金、钛合金或者镁合金。

所述伸缩卡位构件通过导轨、螺栓、弹簧、卡位轴实现长度变化和高度固定的功能。

所述纵肋保护段、上凹槽固定段和下凹槽固定段的刚度和强度均大于伸缩卡位构件。

本发明还提供了一种改善钢箱梁疲劳性能可替换构件的施工方法，包括以下步骤：

1)在钢箱梁顶板与纵肋的焊缝疲劳开裂处焊接连接或者铆钉连接纵肋保护段，在纵肋保护段下表面进行上凹槽固定段的连接施工，采用高强螺栓或者焊接连接；

2)在钢箱梁底板的上表面进行下凹槽固定段的施工，采用高强螺栓或者焊接连接；

3)在上凹槽固定段、下凹槽固定段之间采用嵌入结合高强螺栓的方式连接伸缩卡位构件。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

(1)纵肋保护段连接在需保护或已出现开裂的纵肋上，避免或预防疲劳裂缝的出现或扩展；凹槽固定段作为可替换伸缩卡位构件的固定装置，需要具有足够的刚度和承载力。选择高强度钢作为纵肋保护段和凹槽固定段的材料，可保证伸缩卡位构件出现变形或者损坏后，纵肋保护段和凹槽固定段不会发生损坏，进而保证该装置工作时桥体连接部位的稳定性；

(2)伸缩卡位构件在长期车辆作用下可发生弯曲变形，同时增强了加强部位的竖向刚度，使得加强桥体部位竖向变形幅度减小，承受局部荷载能力增强，这可以显著改善钢箱梁顶板的疲劳性能，减缓其出现疲劳裂纹，伸缩卡位构件出现变形或者损伤后，及时更换即可；

(3)在车辆荷载、人群荷载、风荷载、地震荷载等作用下，伸缩卡位构件通过与钢箱梁顶板、钢箱梁腹板、钢箱梁底板的有效连接，将原先只由顶板承受的应力转移到钢箱梁腹板、钢箱梁底板等部分，可显著降低顶板焊接部位的应力幅值，避免出现疲劳，还可增强了梁体的整体抗弯刚度；

(4)本发明装置可更换性强，在伸缩卡位构件出现变形或者损坏时，可快速方便进行更换，避免和延缓钢箱梁顶板出现疲劳，可明显减少经济成本，经济适用；

(5)本发明的施工方法简便快捷。

附图说明

图1为本发明与钢箱的连接结构示意图；

图2a为本发明采用I型伸缩卡位构件示意图；

图2b为本发明采用A型伸缩卡位构件示意图；

图2c为本发明采用O型伸缩卡位构件示意图；

图2d为本发明采用X型伸缩卡位构件示意图；

图2e为本发明采用M型伸缩卡位构件示意图；

图2f为本发明采用W型伸缩卡位构件示意图；

图2g为本发明采用O型结合X型伸缩卡位构件示意图；

图3a为本发明中下凹槽固定段与钢箱梁底板高强螺栓连接的结构示意图；

图3b为本发明中下凹槽固定段与钢箱梁底板焊接连接的结构示意图；

图4为本发明中下凹槽固定段与可替换伸缩卡位构件连接的结构示意图；

图中有：钢箱梁顶板1.1、箱梁桥底板1.2、纵肋2、纵肋保护段3、伸缩卡位构件4、上凹槽固定段5.1、下凹槽固定段5.2、高强螺栓6.1、焊接连接6.2。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例进行详细阐述。

本发明利用可替换卡位构件将钢箱梁桥顶板所受局部荷载向应力水平较低的腹板或底板转移，降低原本容易产生疲劳裂纹的顶板的应力幅值，实现改善钢箱梁疲劳性能的目的，具有很好的实用价值和推广应用前景。在车辆荷载作用下，伸缩卡位构件4通过自身的强抗压性与钢箱梁顶板1.1共同分担荷载，在伸缩卡位构件4出现变形或者损坏时，可快速方便进行更换，避免和延缓钢箱梁顶板1.1出现疲劳，可明显减少经济成本，经济适用。在使用时，通过本装置将钢箱梁顶板1.1所受局部荷载，向钢箱梁腹板、钢箱梁底板1.2等处传递，达到提高钢箱梁顶板1.1寿命的目的。

如图1所示一种改善钢箱梁疲劳性能的可替换构件，包括与钢箱梁顶板1.1的下表面固定连接的纵肋保护段3，在纵肋保护段3下表面连接有上凹槽固定段5.1，在箱梁桥底板1.2的上表面固定连接有下凹槽固定段5.2，上凹槽固定段5.1和下凹槽固定段5.2通过伸缩卡位构件4相连接。

如图2a、2b、2c、2d、2e、2f和2g所示，伸缩卡位构件4可采用多种构造型式，如I型、A型、O型、X型、M型、W型、O型与X型结合等，其型式选择需要结合钢箱梁结构的具体截面形式，选择具有良好荷载转移能力的装置型式，例如，对于单箱单室(单箱多室)的直腹钢箱梁可选择I型、O型、O型结合X型、M型、X型等构件型式；对于单箱多室的斜腹钢箱梁可选择M型、A型、W型等构件型式；除此以外，还应该结合钢箱梁结构的具体截面形式，选择留有可供检修人员和设备通过的装置型式。

如图3a和图3b所示，下凹槽固定段5.2通过高强螺栓6.1连接或者焊接连接6.2在纵肋保护段3上，上凹槽固定段5.1通过同样的方式固定连接在纵肋保护段3的下表面上。

如图4所示，伸缩卡位构件4通过嵌入结合高强螺栓6.1方式与下凹槽固定段5.2相连接，伸缩卡位构件4与上凹槽固定段5.1通过同样的方式的固定连接。

伸缩卡位构件4采用低屈服点钢材或者高强轻质的铝合金制作，纵肋保护段3及上凹槽固定段5.1、下凹槽固定段5.2采用高强度钢构件制作。

本实施例中，在钢箱梁顶板1.1和箱梁桥底板1.2之间设置多个伸缩卡位构件4，具体来说，对于旧桥应在已开裂位置设置伸缩卡位构件4，对于新桥应通过设计计算结果确定设置伸缩卡位构件4位置，且伸缩卡位构件4的强度和刚度均小于上凹槽固定段5.1、下凹槽固定段5.2，能够保证在伸缩卡位构件4首先发生变形或者损坏，上凹槽固定段5.1、下凹槽固定段5.2不会出现变形或者损坏。

采用本发明的改善钢箱梁疲劳性能的可替换构件便于在长期车辆荷载作用下，可替换的伸缩卡位构件4发生明显变形不能继续工作后进行及时更换；在钢箱梁顶板1.1已开裂纵肋2处设置纵肋保护段3，可防止裂纹继续延伸发展；在钢箱梁顶板1.1和箱梁桥底板1.2之间上凹槽固定段5.1、下凹槽固定段5.2，可为可替的伸缩卡位构件4提供足够的稳定性，防止出现构件失稳现象；采用伸缩卡位构件4，便于适应箱梁内部空间，更利于构件的快速安装；采用钢材或者高强轻质材料作为可替换的伸缩卡位构件4，可显著增强钢箱梁顶板1.1的局部承压能力，提高钢箱梁顶板1.1的抗疲劳能力。

本发明的改善钢箱梁疲劳性能可替换构件的施工方法包括以下步骤：

1)在钢箱梁顶板1.1与纵肋2的焊缝疲劳开裂处焊接连接6.2或者铆钉连接纵肋保护段3，在纵肋保护段3下表面进行上凹槽固定段5.1的连接施工，采用高强螺栓6.1或者焊接连接6.2；

2)在钢箱梁顶底板1.2的上表面进行下凹槽固定段5.2的施工，采用高强螺栓6.1或者焊接连接6.2；

3)在上凹槽固定段5.1、下凹槽固定段5.2之间采用嵌入结合高强螺栓6.1的方式连接伸缩卡位构件4。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (10)

1.一种改善钢箱梁疲劳性能的可替换构件，其特征在于：该构件包括与钢箱梁顶板(1.1)的下表面固定连接的纵肋保护段(3)，在纵肋保护段(3)下表面连接有上凹槽固定段(5.1)，在箱梁桥底板(1.2)的上表面固定连接有下凹槽固定段(5.2)，上凹槽固定段(5.1)和下凹槽固定段(5.2)通过伸缩卡位构件(4)相连接。

2.如权利要求1所述的一种改善钢箱梁疲劳性能的可替换构件，其特征在于：所述的纵肋保护段(3)设置在钢箱梁顶板(1.1)与纵肋(2)的焊缝疲劳开裂处，纵肋保护段(3)用高强度钢制作，并与钢箱梁顶板(1.1)采用焊接连接(6.2)或者铆钉连接，其形状为长槽型。

3.如权利要求1所述的一种改善钢箱梁疲劳性能的可替换构件，其特征在于：所述的在纵肋保护段(3)下表面固定连接有上凹槽固定段(3.1)，其连接方式为通过高强螺栓(6.1)或者焊接连接(6.2)。

4.如权利要求1所述的一种改善钢箱梁疲劳性能的可替换构件，其特征在于：箱梁桥底板(1.2)的上表面固定连接有下凹槽固定段(5.2)，其连接方式为通过高强螺栓(6.1)或者焊接连接(6.2)。

5.如权利要求1所述的一种改善钢箱梁疲劳性能的可替换构件，其特征在于：所述上凹槽固定段(5.1)和下凹槽固定段(5.2)通过伸缩卡位构件(4)相连接，其连接方式为嵌入结合高强螺栓连接(6.1)方式。

6.如权利要求1所述的一种改善钢箱梁疲劳性能的可替换构件，其特征在于：所述的上凹槽固定段(5.1)和下凹槽固定段(5.2)为预留有螺栓孔道的高强度钢构件，其形状为圆形或多边形。

7.如权利要求1所述的一种改善钢箱梁疲劳性能的可替换构件，其特征在于：所述的伸缩卡位构件(4)为可替换的空心钢构件或者空心高强轻质材料构件，其横截面为圆形或多边形，其上预留有分别与上凹槽固定段(5.1)的螺栓孔道、下凹槽固定段(5.2)的螺栓孔道相对应的螺栓孔道。

8.如权利要求1所述的一种改善钢箱梁疲劳性能的可替换构件，其特征在于：所述的伸缩卡位构件(4)的形状为I型、A型、X型、O型、M型、W型或者O型与X型相结合的形状。

9.如权利要求7所述的一种改善钢箱梁疲劳性能的可替换构件，其特征在于：所述的钢构件采用低屈服点钢制作，所述的高强轻质材料为铝合金、钛合金或者镁合金。

10.一种如权利要求1所述的改善钢箱梁疲劳性能可替换构件的施工方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)在钢箱梁顶板(1.1)与纵肋(2)的焊缝疲劳开裂处焊接连接(6.2)或者铆钉连接纵肋保护段(3)，在纵肋保护段(3)下表面进行上凹槽固定段(5.1)的连接施工，采用高强螺栓(6.1)或者焊接连接(6.2)；

2)在钢箱梁顶底板(1.2)的上表面进行下凹槽固定段(5.2)的施工，采用高强螺栓(6.1)或者焊接连接(6.2)；

3)在上凹槽固定段(5.1)、下凹槽固定段(5.2)之间采用嵌入结合高强螺栓(6.1)的方式连接伸缩卡位构件(4)。