CN110130202A - 采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁及其施工方法，该铁路桥梁包括主梁，所述主梁上沿顺桥向间隔设置有桥塔，所述主梁的两侧设置有沿顺桥向布置的拱肋，所述主梁设置于拱肋的上方或者主梁沿顺桥穿过拱肋的中部。本发明通过拱肋与悬索或斜拉相反的温度作用变形效应，把拱肋引入到斜拉桥、悬索桥及悬索斜拉组合桥体系中，对柔性体系桥面温度变形进行反向叠加从而达到平抑目的，同时引入拱肋后可以大幅度提高柔性体系铁路桥梁的竖向刚度。
Description
技术领域
本发明属于柔性体系铁路桥梁的技术领域，具体涉及一种采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁及其施工方法。
背景技术
柔性体系桥梁是指悬索桥、斜拉桥以及它们的一些演变或组合结构形式，比如：悬索斜拉组合结构。柔性体系桥梁具有自重较轻、跨越能力较强的特点因而被广泛应用于大跨度桥梁结构中，几乎垄断了主跨500米以上大跨桥梁(拱桥有突破500米的但很少)。由于跨越能力的需求，目前铁路对柔性体系桥梁已有放宽挠跨比要求的迹象，但是，即使对活载挠度要求放宽、放行，柔性体系桥梁在温度作用下的桥面挠曲变形依然很大，客观上会使得桥面平顺性恶化，尤其是高速铁路静态验收中对平顺性明确要求的“长短波平顺度指标”难于满足，而即使不是高速铁路，运营维护部门也必须经常性检测轨道的平顺性，只是标准没有高速铁路严格而已。由于温度变化使得桥面总处于上下起伏中，升温时下挠、降温时上拱，会给日常维护必然带来很大麻烦，同时也一定程度上影响行车安全稳定。归结起来柔性体系铁路桥梁有两个较为突出的问题：一是其竖向刚度偏低，这会使工程经济指标劣化；二是温度变化对桥面产生的上下挠曲变形对日常养护不利，是安全隐患。
众所周知，桥梁竖向刚度不足导致活载挠度偏大是可以通过加大结构尺寸与桥梁规模来解决的，但是，温度变形如果超标光靠其结构自身几乎是束手无策，这就是大跨度高速铁路柔性桥梁上还没有真正铺设无砟轨道的主要原因。所以，要使大跨度柔性体系桥梁在铁路上得到更广泛的应用，必须首先克服温度作用产生的桥面挠曲变形问题，是需要解决而又没有解决的关键技术问题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁及其施工方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁，包括主梁，所述主梁上沿顺桥向间隔设置有桥塔，其特殊之处在于：所述主梁的两侧设置有沿顺桥向布置的拱肋，所述主梁设置于拱肋的上方或者主梁沿顺桥穿过拱肋的中部。
作为优选实施方式地，当所述主梁设置于拱肋的上方时，所述主梁的底端面与拱肋的顶端面之间设置有若干根沿顺桥向间隔布置的拱上立柱。
作为优选实施方式地，当所述主梁沿顺桥穿过拱肋的中部时，位于主梁上方的拱肋的底端面与主梁的顶端面之间设置有若干根沿顺桥向间隔布置拱上吊杆，位于主梁下方的拱肋的顶端面与主梁的底端面之间设置有若干根沿顺桥向间隔布置的拱上立柱。
作为优选实施方式地，所述桥塔的横桥向两侧各架设有沿顺桥向延伸的主缆，所述主缆与主梁的顶端面之间设置有若干根沿顺桥向间隔布置的吊杆。
作为优选实施方式地，所述桥塔的横桥向两侧通过斜拉索与主梁连接。
作为优选实施方式地，所述桥塔的正下方设置有主墩。
本发明还提供一种采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁的施工方法，包括如下步骤：
1)在已竣工铁路桥梁的主梁下方施工拱上立柱或者在主梁的上方施工拱上吊杆，直至所有拱上立柱或者拱上吊杆施工完成；
2)在拱上立柱的下方或者拱上吊杆的上方施工拱肋，在拱肋完成合拢前，位于拱肋两端端部的拱脚处于悬空状态，直至拱肋施工完成；
3)最后，将两端端部的拱脚与主墩封固，即形成采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁。
作为优选实施方式地，所述步骤1)中，所述拱上立柱或者拱上吊杆由主梁的中间向顺桥向的两端或者由两端向中间施工。
作为优选实施方式地，所述步骤2)中，所述拱肋由主梁的中间向顺桥向的两端或者由两端向中间施工。
本发明的有益效果是：
其一，本发明通过拱肋与悬索或斜拉相反的温度作用变形效应，把拱肋引入到斜拉桥、悬索桥及悬索斜拉组合桥体系中，做成斜拉拱桥、悬索拱桥及悬索斜拉拱桥，对柔性体系桥面温度变形进行反向叠加从而达到平抑目的，斜拉桥和悬索桥因为温度升高拉索、主缆、吊杆都伸长，结果引起主梁下挠，温降则相反；拱肋在温度作用下的情况则刚好相反，即温度升高拱肋上拱，从而通过拱上立柱促使主梁桥面向上变形，可以做到温度作用时桥面上下起伏变形量趋近于零，从而大幅度平抑这种桥面起伏变形。
其二，本发明的施工方法在拱肋完成合拢前两端的拱脚一直保持脱空状态，目的是力求使拱肋不受任何恒载作用，最大程度地保证了拱肋在成桥时接近于零受力状态，只参与分担成桥后的各种活载作用，从而保证在拱肋结构安全的前提下实现本发明的平抑柔性体系桥梁竖向挠曲的目的，同时，引入拱肋后可以大幅度提高柔性体系铁路桥梁的竖向刚度。
附图说明
图1为本发明第一种方式的采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁的结构示意图；
图2为本发明第二种方式的采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁的结构示意图；
图3为本发明第三种方式的采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁的结构示意图；
图4为本发明第四种方式的采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁的结构示意图；
图5为本发明第五种方式的采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁的结构示意图；
图6为现有的悬索桥在升温时主梁下挠示意图；
图7为现有的拱肋在升温时主梁上拱示意图；
图8为本发明的悬索拱桥在升温时主梁的变形示意图；
图9为悬索桥的结构示意图；
图10为本发明中安装拱上立柱的结构示意图；
图11为本发明安装拱肋的结构示意图；
图12为拱肋两端的拱脚悬空状态时的结构示意图；
图13为拱肋两端的拱脚封固后的结构示意图；
图中：1-主梁、1’-下挠的主梁、1”-上拱的主梁、2-桥塔、3-拱肋、4-拱上立柱、5-吊杆、6-主缆、7-吊杆、8-斜拉索、9-主墩、10-拱脚。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示的本发明的第一种方式的采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁，包括主梁1，所述主梁1上沿顺桥向间隔设置有桥塔2，所述桥塔2的横桥向两侧各架设有沿顺桥向延伸的主缆6，所述主缆6与主梁1的顶端面之间设置有若干根沿顺桥向间隔布置的吊杆7。所述主梁1的两侧设置有沿顺桥向布置的拱肋3(或者采用超坦拱肋)，所述主梁1设置于拱肋3的上方时，所述主梁1的底端面与拱肋3的顶端面之间设置有若干根沿顺桥向间隔布置的拱上立柱4。所述桥塔2的正下方设置有主墩9，所述拱肋3的两端分别与位于同侧的主墩9刚性连接。
如图2所示的本发明的第二种方式的采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁，包括主梁1，所述主梁1上沿顺桥向间隔设置有桥塔2，所述桥塔2的横桥向两侧各架设有沿顺桥向延伸的主缆6，所述主缆6与主梁1的顶端面之间设置有若干根沿顺桥向间隔布置的吊杆7。所述主梁1的两侧设置有沿顺桥向布置的拱肋3，所述主梁1沿顺桥穿过拱肋3的中部，位于主梁1上方的拱肋3的底端面与主梁1的顶端面之间设置有若干根沿顺桥向间隔布置拱上吊杆5，位于主梁1下方的拱肋3的顶端面与主梁1的底端面之间设置有若干根沿顺桥向间隔布置的拱上立柱4。所述桥塔2的正下方设置有主墩9，所述拱肋3的两端分别与位于同侧的主墩9刚性连接。
如图3所示的本发明的第三种方式的采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁，包括主梁1，所述主梁1上沿顺桥向间隔设置有桥塔2，所述桥塔2的横桥向两侧通过斜拉索8与主梁1连接。所述主梁1的两侧设置有沿顺桥向布置的拱肋3(或者采用超坦拱肋)，所述主梁1设置于拱肋3的上方时，所述主梁1的底端面与拱肋3的顶端面之间设置有若干根沿顺桥向间隔布置的拱上立柱4。所述桥塔2的正下方设置有主墩9，所述拱肋3的两端分别与位于同侧的主墩9刚性连接。
如图4所示的本发明的第四种方式的采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁，包括主梁1，所述主梁1上沿顺桥向间隔设置有桥塔2，所述桥塔2的横桥向两侧通过斜拉索8与主梁1连接。所述主梁1的两侧设置有沿顺桥向布置的拱肋3，所述主梁1沿顺桥穿过拱肋3的中部，位于主梁1上方的拱肋3的底端面与主梁1的顶端面之间设置有若干根沿顺桥向间隔布置拱上吊杆5，位于主梁1下方的拱肋3的顶端面与主梁1的底端面之间设置有若干根沿顺桥向间隔布置的拱上立柱4。所述桥塔2的正下方设置有主墩9，所述拱肋3的两端分别与位于同侧的主墩9刚性连接。
如图5所示的本发明的第四种方式的采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁，包括主梁1，所述主梁1上沿顺桥向间隔设置有桥塔2，所述桥塔2的横桥向两侧各架设有沿顺桥向延伸的主缆6，所述主缆6与主梁1的顶端面之间设置有若干根沿顺桥向间隔布置的吊杆7。所述桥塔2的横桥向两侧通过斜拉索8与主梁1连接。所述主梁1的两侧设置有沿顺桥向布置的拱肋3，所述主梁1设置于拱肋3的上方时，所述主梁1的底端面与拱肋3的顶端面之间设置有若干根沿顺桥向间隔布置的拱上立柱4。所述桥塔2的正下方设置有主墩9，所述拱肋3的两端分别与位于同侧的主墩9刚性连接。
本发明的采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁以悬索拱桥为例对上述原理作进一步说明。如图6所示，悬索桥因为温度升高拉索6、主缆2、吊杆7都伸长，结果引起主梁7下挠，温降则相反，这是所用建材热胀冷缩的自然规律；如图7所示，拱肋3在温度作用下的情况则刚好相反，即温度升高拱肋3上拱，从而通过拱上立柱4促使主梁3的桥面向上变形。如图8所示，把拱肋6引入到悬索桥或者斜拉桥、及悬索斜拉组合桥体系中，做成悬索拱桥或者斜拉拱桥、及悬索斜拉拱桥，悬索桥升温使主梁下挠，拱桥升温使主梁上拱，两者组合在一起的悬索拱桥主梁变形量必然小于悬索桥和拱桥各自独立变形量的绝对值，通过拱肋与悬索或斜拉相反的温度作用变形效应，对柔性体系桥面温度变形进行反向叠加从而达到平抑目的，可以做到温度作用时桥面上下起伏变形量趋近于零，能够实现大幅度平抑这种桥面起伏变形。
不管以何种具体形式把拱肋结构引入到柔性体系铁路桥梁结构中，客观上都将显著地提高柔性结构体系的竖向刚度，并大幅度减小温度作用下的主梁挠曲变形，这两点对于提高大跨度铁路悬索桥和斜拉桥的使用性能具有非常大的作用，而这正是目前大跨度柔性体系铁路桥梁所缺少的特性。根据对主跨1010米的悬索拱与悬索桥的对比，活载挠度和温度变形均成倍减小，可见其改善是非常显著的，这对于解决一直困扰纯铁路桥梁向大跨、轻型、高强发展面临的桥梁变形偏大的难题提供了很好的解决方案，尤其是对高速铁路、重载铁路以及高速磁浮铁路悬索桥和斜拉桥的修建具有重要作用，所以，它的应用必将获得很好的社会经济效益。
本发明采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁的施工方法，以悬索拱桥为例，包括以下步骤：
1)在已竣工铁路桥梁(如图9所示以悬索拱桥为例)的主梁1下方由中间向顺桥向的两端施工拱上立柱4，直至所有拱上立柱4施工完成(如图10所示)，铁路桥梁按现有通常的施工方法施工而成；
2)在拱上立柱4的下方由中间向顺桥向的两端施工拱肋3(如图11所示)，在拱肋3完成合拢前，位于拱肋3两端端部的拱脚10处于悬空状态，直至拱肋3施工完成(如图12所示)；
3)最后，将两端端部的拱脚10与主墩9封固，即形成采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁(如图13所示)。
为了使超大跨度的拱肋能够免受压屈稳定问题制约，要设法尽量降低拱肋受到的荷载，为此，拱肋的施工是在铁路桥梁(悬索桥、斜拉桥或者悬索斜拉拱桥)按照通常的施工方法基本竣工后，依托已经形成的体系把拱肋、拱上立柱及拱上吊杆作为“二期恒载”进行施工的，同时进行附属工程等所有二期恒载施工，并且在拱肋完成合拢前两端的拱脚一直保持悬空状态，目的是力求使拱肋不受任何恒载作用，当拱上立柱及拱上吊杆(除拱脚外)及二期恒载完全施工好了后，对于斜拉桥此时进行一次索力调整，保证桥面处于设计标高；对于悬索桥，找形计算就是按照此时工况进行的，即此时桥面处于设计标高，待一切调整完成之后，封固拱脚、拱肋形成，施工完毕。这样就最大程度地保证了拱肋在成桥时接近于零受力状态，只参与分担成桥后的各种活载作用，从而保证在拱肋结构安全的前提下实现本发明的平抑柔性体系桥梁竖向挠曲的目的，同时可以大幅度提高竖向承载刚度。
以上，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，其余未详细说明的为现有技术，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁，包括主梁(1)，所述主梁(1)上沿顺桥向间隔设置有桥塔(2)，其特征在于：所述主梁(1)的两侧设置有沿顺桥向布置的拱肋(3)，所述主梁(1)设置于拱肋(3)的上方或者主梁(1)沿顺桥穿过拱肋(3)的中部。
2.根据权利要求1所述的采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁，其特征在于：当所述主梁(1)设置于拱肋(3)的上方时，所述主梁(1)的底端面与拱肋(3)的顶端面之间设置有若干根沿顺桥向间隔布置的拱上立柱(4)。
3.根据权利要求1所述的采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁，其特征在于：当所述主梁(1)沿顺桥穿过拱肋(3)的中部时，位于主梁(1)上方的拱肋(3)的底端面与主梁(1)的顶端面之间设置有若干根沿顺桥向间隔布置拱上吊杆(5)，位于主梁(1)下方的拱肋(3)的顶端面与主梁(1)的底端面之间设置有若干根沿顺桥向间隔布置的拱上立柱(4)。
4.根据权利要求1或2或3所述的采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁，其特征在于：所述桥塔(2)的横桥向两侧各架设有沿顺桥向延伸的主缆(6)，所述主缆(6)与主梁(1)的顶端面之间设置有若干根沿顺桥向间隔布置的吊杆(7)。
5.根据权利要求1或2或3所述的采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁，其特征在于：所述桥塔(2)的横桥向两侧通过斜拉索(8)与主梁(1)连接。
6.根据权利要求1或2或3所述的采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁，其特征在于：所述桥塔(2)的正下方设置有主墩(9)。
7.一种采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)在已竣工铁路桥梁的主梁(1)下方施工拱上立柱(4)或者在主梁(1)的上方施工拱上吊杆(5)，直至所有拱上立柱(4)或者拱上吊杆(5)施工完成；
2)在拱上立柱(4)的下方或者拱上吊杆(5)的上方施工拱肋(3)，在拱肋(3)完成合拢前，位于拱肋(3)两端端部的拱脚(10)处于悬空状态，直至拱肋(3)施工完成；
3)最后，将两端端部的拱脚(10)与主墩(9)封固，即形成采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁。
8.根据权利要求7所述的一种采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁的施工方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述拱上立柱(4)或者拱上吊杆(5)由主梁(1)的中间向顺桥向的两端或者由两端向中间施工。
9.根据权利要求7所述的一种采用拱肋平抑竖向挠曲的柔性体系铁路桥梁的施工方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述拱肋(3)由主梁(1)的中间向顺桥向的两端或者由两端向中间施工。
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