CN110878535A - 用于刚桁架桥加固的斜拉调载系统及其加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于刚桁架桥加固的斜拉调载系统，包括斜拉塔和斜拉索；斜拉塔主要由塔架和工作平台组成，工作平台固定在塔架的顶端，工作平台四周上安装索鞍及拉索孔道，斜拉索从拉索孔道穿过。据此，发明人还建立相应加固方法，将斜拉调载系统置于桥墩处，通过斜拉索对刚桁架桥下弦杆进行斜拉调载，使刚桁架桥发生受力体系的转变以有效调整桥梁结构内力，改善结构内力分布。应用本发明使加固后的桥梁内力分布更为合理，可大大改善刚桁架桥承载力低和刚度小的问题，并充分发挥加固材料的强度，达到提高该类结构桥梁的承载能力与结构耐久性的目的，具有很好的工程推广价值。

Description

用于刚桁架桥加固的斜拉调载系统及其加固方法

技术领域

本发明属于交通运输业桥涵工程中的桥梁加固技术领域，尤其涉及一种用于刚桁架桥加固的斜拉调载系统及其加固方法。

背景技术

钢筋混凝土桁架桥是继双曲拱桥结构之后发展起来的一种新型的轻型桥梁。1966年，中国第一座农用钢筋混凝土桁架拱桥建成，因其优点突出，这类桥型在全国范围内迅速得到了推广应用。其结构优点主要体现在以下几方面：

1)施工简便：常采用预制拼装施工，拼装方法有悬臂拼装、缆索吊装等。

2)质量轻巧：桁架桥构件尺寸均较小，恒载小。

3)造价低廉：以混凝土和钢筋为主要建造材料，用量少，造价较低。

4)外形美观：结构轻盈，外形优美。

然而，随着我国交通运输事业的蓬勃发展，该类结构桥梁逐步暴露出其承载力低和刚度小的缺点，主要体现在：现役钢筋混凝土桁架桥建设年代普遍较早，设计荷载等级偏低，材料强度偏低，承载力较小，难以适应当前交通情况；由于构件尺寸较小，且由多个预制杆件拼装而成，整体性差、刚度小。随着时间的推移，早年建造的此类桥梁病害逐步显现，必须采取有效的加固方法对病害进行处置，保证桥梁的安全运营。以往加固设计中，大多数情况下均未充分考虑到加固前结构损伤已造成桥梁内力重分布，各杆件内力与成桥时存在较大差异。由于桥梁内力重分布，部分杆件在恒载作用下已经达到或接近承载极限状态，若直接对其进行加固，在二次受力阶段原材料仍可能发生破坏，危及桥梁整体的安全。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种设计科学、结构合理、施工简单且加固效果优良的用于刚桁架桥加固的斜拉调载系统及其加固方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

用于刚桁架桥加固的斜拉调载系统，包括斜拉塔和斜拉索；斜拉塔主要由塔架和工作平台组成，工作平台固定在塔架的顶端，工作平台四周上安装索鞍及拉索孔道，斜拉索从拉索孔道穿过。

塔架的底部设置基座，基座由塔底横梁和塔底纵梁构成，塔架的中下部设置斜撑。

工作平台由纵梁、横梁及面板构成，工作平台四周对称安装索鞍及拉索孔道，斜拉索的两端从对称的两个拉索孔道穿过。

斜拉索的两端分别连接弦下锚固系统，弦下锚固系统包括横梁固定装置、张拉横梁及锚垫板，横梁固定装置为带加劲肋的钢板，张拉横梁由多道工字钢组成。

使用上述斜拉调载系统的加固方法，将斜拉调载系统置于桥墩处，通过斜拉索对刚桁架桥下弦杆进行斜拉调载，使刚桁架桥发生受力体系的转变以有效调整桥梁结构内力，改善结构内力分布。

为确保斜拉塔的稳定，斜拉调载系统通过基座固定；基座设置在塔架的底部，基座由塔底横梁和塔底纵梁构成，通过张拉精扎螺纹钢将塔架与桥梁上弦杆固定，塔架的中下部设置斜撑。

上述加固方法，在刚桁架桥下弦杆底安装弦下锚固系统，通过设置在弦下锚固系统张拉端的千斤顶，对斜拉索施加体外力；体外力的竖向分量起到调载作用，斜拉索在塔顶的竖向分力由斜拉塔向下通过刚桁架桥弦杆、腹杆直至传递至桥墩基础；体外力的水平分量通过弦下锚固系统与下弦杆间的锚栓剪力平衡，斜拉索在塔顶的水平分力通过设置在工作平台的纵、横梁承担；弦下锚固系统的横梁固定装置承受斜拉索的张拉力，并将张拉力传递给锚栓，实现水平分力的平衡以及竖向分力的施加。

斜拉塔的高度设置为跨径的0.25～0.40倍；斜拉索的钢绞线的设计容许应力水平设为 0.4f_pk。

斜拉索施加的设计预应力N₁产生的水平分力控制锚栓的总面积，符合以下式：

式中：A_s为一个横梁固定装置处所有植入锚栓面积之和；α为斜拉索与桥面夹角；f_ud,t为锚栓抗剪强度设计值。

斜拉塔和工作平台的稳定性计算结果应满足第一类稳定(即弹性屈曲的结构稳定)的结构稳定安全系数不应小于4的要求，且应满足第二类稳定(即计入材料非线性影响的弹塑性强度稳定)的结构稳定安全系数不小于1.75的要求，其应力计算结果应小于材料的允许强度值。

针对刚桁架桥承载力低和刚度小的问题，发明人提出将斜拉结构体系用于刚桁架桥加固中，从而设计了一种用于刚桁架桥加固的斜拉调载系统，包括斜拉塔和斜拉索；斜拉塔主要由塔架和工作平台组成，工作平台固定在塔架的顶端，工作平台四周上安装索鞍及拉索孔道，斜拉索从拉索孔道穿过。据此，发明人还建立相应加固方法，将斜拉调载系统置于桥墩处，通过斜拉索对刚桁架桥下弦杆进行斜拉调载，使刚桁架桥发生受力体系的转变以有效调整桥梁结构内力，改善结构内力分布。应用本发明使加固后的桥梁内力分布更为合理，可大大改善刚桁架桥承载力低和刚度小的问题，并充分发挥加固材料的强度，达到提高该类结构桥梁的承载能力与结构耐久性的目的，具有很好的工程推广价值。

与常规加固方法相比，本发明具有以下主要优点：

1)该法属于主动加固法，能改善结构受力，并能充分发挥加固材料的强度，加固性能好，可提高结构承载力和耐久性。

2)结构简单、计算简便，施工快捷、经济性能好，无需增设基础。

3)采用的斜拉调载系统可以是永久保留结构，亦可以是临时结构，可重复利用，经济效益好。

附图说明

图1是本发明用于刚桁架桥加固的斜拉调载系统及其加固方法的结构示意图和使用状态示意图。

图2是图1斜拉调载系统中弦下锚固系统的构造示意图。

图3是图1斜拉调载系统中工作平台及索鞍的构造示意图。

图4是应用本发明的双层桥面预应力混凝土连续刚桁架桥的加固示意图。

图5是斜拉塔结构离散图。

图6是弦下锚固系统结构离散图。

图7是工作平台von mises应力云图。

图8是塔架von mises应力云图。

图中：1工作平台；2斜拉索；3斜拉塔；4塔底纵梁；5精扎螺纹钢；6塔底横梁； 7弦下锚固系统；8弦下锚固系统；9拉索孔道；10斜撑；A1横梁固定装置；A2锚栓； A3张拉横梁；A4张拉端；A5加劲肋。

具体实施方式

一、用于刚桁架桥加固的斜拉调载系统及其加固方法的建立

1.基本原理

通过引入斜拉调载体系，从根本上改善刚桁架桥结构内力分布，并充分发挥加固材料的强度，达到提高该类结构桥梁的承载能力与结构耐久性的目的。

2.具体步骤

如图1至图3所示，在桥墩定位放样标识斜拉塔3的位置，斜拉塔主要由塔架和工作平台组成。先在相应位置安装塔底横梁6和塔底纵梁4以及精扎螺纹钢5，形成斜拉塔3 的基座。基座纵、横梁固定后，向上施工塔架和斜撑10，斜撑设置在塔架的中下部；然后，安装工作平台1的纵、横梁及面板，并将工作平台1于塔架的顶端连接处焊接，在工作平台四周上1上安装索鞍及拉索孔道9便于斜拉索2穿过孔道，不引起斜拉索2相互缠绕，至此完成桥上结构施工。在桥上结构施工过程中可同步开展桥下结构施工，桥下结构主要是弦下锚固系统，包括横梁固定装置、张拉横梁及锚垫板。首先在桥梁下弦杆制定位置钻孔，钻孔时需严格按设计要求确定孔位、孔径和孔深，钻孔时需避免损坏原结构钢筋和预应力筋。钻孔后按要求植埋锚栓A2，安装横梁固定装置A1，待锚栓A2完全固定后，灌注横梁固定装置A1空腔内自密实混凝土。安装桥下张拉横梁A3及锚垫板，穿斜拉索2，利用斜拉索张拉产生的竖向分力尽量消除部分影响桥梁加固不利的内力，使结构内力和线形更趋于合理。调载需分级、对称张拉斜拉索，直至设计索力，至此完成刚桁架桥的斜拉调载工作，在调载过程中应实时监控结构变形和关键部位应力，避免构件应力超标或结构失稳。若斜拉调载系统为临时结构，在施工完成后构件拆除顺序应与前文所述安装顺序反向分布进行，需注意的是斜拉索2的放松也应遵循分级、对称的原则。其中，

斜拉索布置数量、角度和张拉力大小须在对结构进行详细的建模计算后确定，计算要考虑原结构的损伤情况、施加张拉力过程各构件的内力分布情况及安全性、成桥后结构的承载能力状况。从结构安全角度出发，斜拉索2钢绞线的设计容许应力水平设为0.4f_pk。

根据斜拉索2布置数量、角度和张拉力大小确定弦下锚固系统、斜拉塔和工作平台的具体构造。

横梁固定装置为带加劲肋的钢板，钢板厚度及加劲肋的布置需根据张拉力大小经强度和稳定性验算后确定。张拉横梁A3为多道工字钢组成，通过张拉横梁A3实现斜拉索2无需破环桥梁原结构即可进行穿索和张拉。

3.受力分析

通过设置在弦下锚固系统张拉端的千斤顶，对斜拉索施加体外力；体外力的竖向分量起到调载作用，斜拉索在塔顶的竖向分力由斜拉塔向下通过刚桁架桥弦杆、腹杆直至传递至桥墩基础；体外力的水平分量通过弦下锚固系统与下弦杆间的锚栓剪力平衡，斜拉索在塔顶的水平分力通过设置在工作平台的纵、横梁承担；弦下锚固系统的横梁固定装置承受斜拉索的张拉力，并将张拉力传递给锚栓，实现水平分力的平衡以及竖向分力的施加。

4.设计计算

对于刚桁架结构桥梁的维修加固，计算时应充分考虑加固前桥梁内力重分布带来的不利影响，考虑构件连接点损伤导致边界条件的转变。

设计计算要考虑施工过程附加荷载以及施工工序对结构内力的影响，必须保证桥梁在所有施工阶段结构始终处于安全状态，且成桥阶段承载能力满足规范要求。

斜拉塔的高度对调载效率和工程造价有较大的影响，斜拉塔高度过小会可能导致调载效率低或达不到预期调载效果，斜拉塔设置的过高会造成费用偏高，经济性较差，经综合试算，建议塔高设置为跨径的0.25～0.40倍。

从结构安全角度出发，斜拉索钢绞线的设计容许应力水平设为0.4f_pk。

由斜拉索施加的设计预应力N₁产生的水平分力控制锚栓的总面积，具体关系为：

式中：As为一个横梁固定装置A1处所有植入锚栓面积之和；α为斜拉索2与桥面夹角；f_ud,t为锚栓抗剪强度设计值。

应对斜拉塔和工作平台进行强度和稳定性验算，采用空间有限元模型分析工作平台及塔架的稳定性，稳定性计算结果应满足第一类稳定(即弹性屈曲的结构稳定)的结构稳定安全系数不应小于4的要求，且应满足第二类稳定(即计入材料非线性影响的弹塑性强度稳定)的结构稳定安全系数不小于1.75的要求。且结构应力计算结果应小于材料的允许强度值。

二、应用实例

1.施工

按照前述加固方法具体步骤进行。

2.计算

如图4所示，本桥为一座60m+3×100m+60m双层桥面预应力混凝土连续刚桁架桥，桥塔设置高度为26.5m，斜拉索与桥面交角分别为38.5°和52°，拉索张拉力368.4kN和429.4kN，最大拉索应力不超过0.4f_pk＝744MPa，锚栓数量分布为22套和18套。对结构进行有限元分析，结果如下所述：

1)施工阶段桥梁混凝土构件最大拉应力0.78MPa，最大压应力-13.84MPa，均小于规范限值，满足规范要求。

2)成桥阶段后，桥梁承载能力极限状态验算结果见表1，正常使用极限状态验算结果见表2-4。

表1主桥受力最不利构件承载力验算结果汇总表

上表仅列出所有同类构件中受力最不利构件的验算结果。轴力负值表示受压，正值表示受拉。

表2主桥变形验算结果表

表3荷载组合Ⅰ作用下主桥裂缝验算结果表

表中已根据非预应力钢筋配筋率对混凝土容许名义拉应力进行修正；“——”表示未出现拉应力。下同。

表4荷载组合Ⅱ作用下主桥裂缝验算结果表

上述计算结果表明：加固后的桥梁内力分布合理，桥梁承载力满足规范要求。

3)斜拉塔和工作平台计算

用ansys建立斜拉塔有限元模型，工作平台采用shell181单元划分，塔架除了塔架顶部与工作平台连接段采用shell181划分以外，其余采用beam189单元划分。斜拉塔总计由19528个shell181单元、350个beam189单元组成，总计19726个节点。

斜拉塔顶工作平台von mises应力最大值为108MPa，塔架von mises应力最大值为130MPa，均小于Q345强度设计值310MPa。

(2)工作平台及塔架整体稳定性验算

工作平台与塔架组成的斜拉塔，前5阶失稳模态均为工作平台的腹板面外失稳，1阶失稳临界荷载系数为8.162＞4，满足结构体系第一类稳定(即弹性屈曲的结构稳定安全系数)的结构稳定安全系数不应小于4的要求。

工作平台及塔架失稳的临界荷载系数为4.338＞1.75，满足结构体系第二类稳定(即计入材料非线性影响的弹塑性强度稳定)的结构稳定安全系数不小于1.75的要求。

4)弦下锚固系统计算

用ansys建立有限元模型，弦下锚固系统采用shell181单元划分，锚栓采用beam189 单元划分，下弦杆及混凝土垫层采用solid45划分。计算模型总计由2472个shell181单元、198个beam189单元、10360个solid45单元组成，总计15649个节点。

(1)下锚点强度

弦下锚固系统von mises应力最大值为89.0MPa，小于Q345强度设计值310MPa。

(2)混凝土垫层底部锚栓受力分析

假设弦下锚固系统顶板与垫层之间摩擦力为0，斜拉索索力水平分力全部由锚栓承担。斜拉索与水平夹角为38.5°，斜拉索水平分力为686.7kN，每处弦下锚固系统水平为1373.4kN。

该处锚栓无杠杆壁，总计22根锚栓。锚栓抗剪承载力为：

抗剪满足要求。

Claims (10)

1.一种用于刚桁架桥加固的斜拉调载系统，其特征在于包括斜拉塔和斜拉索；所述斜拉塔主要由塔架和工作平台组成，工作平台固定在塔架的顶端，工作平台四周上安装索鞍及拉索孔道，斜拉索从拉索孔道穿过。

2.根据权利要求1所述的用于刚桁架桥加固的斜拉调载系统，其特征在于：所述塔架的底部设置基座，基座由塔底横梁和塔底纵梁构成，塔架的中下部设置斜撑。

3.根据权利要求2所述的用于刚桁架桥加固的斜拉调载系统，其特征在于：所述工作平台由纵梁、横梁及面板构成，工作平台四周对称安装索鞍及拉索孔道，斜拉索的两端从对称的两个拉索孔道穿过。

4.根据权利要求3所述的用于刚桁架桥加固的斜拉调载系统，其特征在于：所述斜拉索的两端分别连接弦下锚固系统，弦下锚固系统包括横梁固定装置、张拉横梁及锚垫板，横梁固定装置为带加劲肋的钢板，张拉横梁由多道工字钢组成。

5.使用权利要求1所述斜拉调载系统的加固方法，其特征在于：将斜拉调载系统置于桥墩处，通过斜拉索对刚桁架桥下弦杆进行斜拉调载，使刚桁架桥发生受力体系的转变以有效调整桥梁结构内力，改善结构内力分布。

6.根据权利要求5所述的加固方法，其特征在于：所述斜拉调载系统通过基座固定；所述基座设置在塔架的底部，基座由塔底横梁和塔底纵梁构成，通过张拉精扎螺纹钢将塔架与桥梁上弦杆固定，塔架的中下部设置斜撑。

7.根据权利要求5所述的加固方法，其特征在于：在刚桁架桥下弦杆底安装弦下锚固系统，通过设置在弦下锚固系统张拉端的千斤顶，对斜拉索施加体外力；所述体外力的竖向分量起到调载作用，斜拉索在塔顶的竖向分力由斜拉塔向下通过刚桁架桥弦杆、腹杆直至传递至桥墩基础；所述体外力的水平分量通过弦下锚固系统与下弦杆间的锚栓剪力平衡，斜拉索在塔顶的水平分力通过设置在工作平台的纵、横梁承担；所述弦下锚固系统的横梁固定装置承受斜拉索的张拉力，并将张拉力传递给锚栓，实现水平分力的平衡以及竖向分力的施加。

8.根据权利要求5所述的加固方法，其特征在于：所述斜拉塔的高度设置为跨径的0.25～0.40倍；所述斜拉索的钢绞线的设计容许应力水平设为0.4f_pk。

9.根据权利要求5所述的加固方法，其特征在于：所述斜拉索施加的设计预应力N₁产生的水平分力控制锚栓的总面积，符合以下式：

式中：A_s为一个横梁固定装置处所有植入锚栓面积之和；α为斜拉索与桥面夹角；f_ud,t为锚栓抗剪强度设计值。

10.根据权利要求5所述的加固方法，其特征在于：所述斜拉塔和工作平台的稳定性计算结果应满足第一类稳定的结构稳定安全系数不应小于4的要求，且应满足第二类稳定的结构稳定安全系数不小于1.75的要求，其应力计算结果应小于材料的允许强度值。

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