CN110904864A

CN110904864A - 一种提升混凝土箱梁桥承载能力的钢混组合系统

Info

Publication number: CN110904864A
Application number: CN201911260305.5A
Authority: CN
Inventors: 付一小; 刘华; 张军雷; 耿东升; 孙英杰; 崔海; 周剑光; 栾嘉豪; 王大宝
Original assignee: China Railway Bridge Nanjing Bridge and Tunnel Diagnosis and Treatment Co Ltd
Current assignee: China Railway Major Bridge Nanjing Bridge and Tunnel Inspec and Retrofit Co Ltd; China Railway Bridge Nanjing Bridge and Tunnel Diagnosis and Treatment Co Ltd
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2020-03-24
Anticipated expiration: 2039-12-10
Also published as: CN110904864B

Abstract

本发明公开了一种提升混凝土箱梁桥承载能力的钢混组合系统，包括钢纵梁、钢横梁和桥墩加固机构，所述钢纵梁和钢横梁纵横交叉相连；所述钢纵梁包括安装于腹板位置的主纵梁以及安装于底板位置的若干辅纵梁，所述主纵梁的宽度大于所述辅纵梁的宽度；所述钢横梁包括若干通长式横梁、设于通长式横梁间的分段式横梁以及设于原桥墩两侧的支撑式横梁；所述桥墩加固机构包括包覆于原桥墩外部的外包混凝土桥墩以及安装于所述外包混凝土桥墩与支撑式横梁间的若干支座。本发明能够大幅度提升混凝土桥梁的承载能力，节省钢材用量，施工方便。

Description

一种提升混凝土箱梁桥承载能力的钢混组合系统

技术领域

本发明属于桥梁技术领域，具体涉及一种提升混凝土箱梁桥承载能力的钢混组合系统。

背景技术

预应力混凝土箱梁桥由于其结构强度高、整体性能好，通常用于中等及以上跨径桥梁上部结构形式。但是预应力混凝土箱梁桥随着运营期的增长受到外部环境的影响会出现一系列病害，例如预应力损失、超载车辆的长期作用导致的混凝土开裂、劣化等。随着病害的加深箱梁结构承载能力及刚度下降，处于带病服役的状态。因此需要对箱梁进行结构性加固，以提升或恢复桥梁结构的承载能力。

目前关于预应力混凝土箱梁桥的加固方法主要有：粘贴钢板加固法、粘贴碳纤维布加固法、增设体外预应力钢束加固法等。上述加固方法的缺点有以下三个方面：

1）现有预应力混凝土箱梁桥的加固方法无论是常规的粘贴钢板、粘贴碳纤维布、增设体外预应力钢束，还是增设纵、横向型钢，加固后的桥梁结构受力体系均没有改变，混凝土箱梁仍然是主要受力结构，受力构件截面强度仍然以混凝土截面拉、压为主，因此实际桥梁承载能力主要还是由原混凝土箱梁来承担；

2）由于加固后的结构受力体系未改变，因此作为主要受力结构，混凝土箱梁的承载能力提升空间十分的有限，主要原因有两个方面：一是增设的加固构件刚度太小，对原混凝土箱梁结构承载能力提升贡献不大，例如粘贴钢板加固方法由于钢板厚度太薄，其自身刚度较小，无法为混凝土箱梁桥提供更多的承载力；二是增设的加固构件没有形成完整的结构受力体系，构件呈现单独受力状态，因而对于原混凝土箱梁结构承载能力提升贡献也较小，例如混凝土空心板梁桥增设型钢加固措施中虽然型钢具有一定的刚度，但是型钢之间没有形成完整的受力体系，因而给原混凝土桥梁提供的承载力有限；

3）由于加固或增设的构件没有形成完整的受力体系，因此现有桥梁结构受力理论计算方法无法准确计算加固构件的承载力提升值。

实际上现有的关于混凝土箱梁桥常规的加固方法只适用于承载能力良好或者轻微损伤的桥梁，而不适用于承载能力损伤较多的桥梁。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种提升混凝土箱梁桥承载能力的钢混组合系统，能够大幅度提升混凝土桥梁的承载能力，节省钢材用量，施工方便。

本发明提供了如下的技术方案：

一种提升混凝土箱梁桥承载能力的钢混组合系统，包括钢纵梁、钢横梁和桥墩加固机构，所述钢纵梁和钢横梁纵横交叉相连；

所述钢纵梁包括安装于腹板位置的主纵梁以及安装于底板位置的若干辅纵梁，所述主纵梁的宽度大于所述辅纵梁的宽度；

所述钢横梁包括若干通长式横梁、设于通长式横梁间的分段式横梁以及设于原桥墩两侧的支撑式横梁；

所述桥墩加固机构包括包覆于原桥墩外部的外包混凝土桥墩以及安装于所述外包混凝土桥墩与支撑式横梁间的若干支座。

优选的，所述主纵梁以及位于最外侧的两个辅纵梁均为全桥通长式设置，包括若干根相连的纵向钢梁，各纵向钢梁间以纵梁连接板相连。

优选的，除最外侧两个辅纵梁之外的其它辅纵梁在原桥墩处分离设置，包括若干根相连的纵向钢梁，各纵向钢梁间以纵梁连接板相连。

优选的，所述主纵梁和辅纵梁在纵向方向上每隔1.5~2米设有一道纵梁加劲板。

优选的，所述分段式横梁包括以横梁连接板相连的若干段横向钢梁。

优选的，所述通长式横梁为整根横向钢梁，设于相邻两个所述钢纵梁之间。

优选的，所述支撑式横梁包括顶板以及设于顶板下方且与所述钢纵梁相连的立板，所述顶板包括主板以及设于所述主板两侧的若干侧板，所述侧板与箱梁桥的底板通过节点连接板固定连接。

优选的，所述分段式横梁、通长式横梁及支撑式横梁均通过节点连接板与所述钢纵梁固定连接。

优选的，所述外包混凝土桥墩包括微膨胀混凝土、安插于微膨胀混凝土内部的钢筋以及包覆于微膨胀混凝土外部的钢面板。

优选的，所述桥墩加固机构还包括安装于原桥墩与原承台间的若干锚栓。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明通过对混凝土箱梁桥增设钢纵梁和钢横梁，形成钢混组合受力体系，解决传统加固方法中混凝土箱梁作为受力体系的缺点，能够大幅度的提升混凝土桥梁承载能力；

（2）本发明中的钢纵梁包括安装于腹板位置的主纵梁以及安装于底板位置的若干辅纵梁，且主纵梁的宽度大于辅纵梁的宽度；钢横梁包括通长式横梁、分段式横梁以及支撑式横梁；钢纵梁和钢横梁采用整体构件与节段构件相结合的形式，主要受力构件与辅助受力构件相互配合的模式，既可以解决加固提升混凝土旧桥承载能力的要求，又可以较大程度节约钢材的用量；另外节段拼装施工构件可以采用工厂预制、现场拼装施工模式，构件的制作质量得到了保障，同时现场施工简便、安全、环保、迅速；

（3）本发明中的桥墩加固机构包括包覆于原桥墩外部的外包混凝土桥墩以及安装于外包混凝土桥墩与支撑式横梁间的若干支座，能够增强桥墩的承载能力和箱梁桥的结构强度，延长其使用寿命；

（4）本发明提供的钢混组合系统，可以加固运营时间很长，结构劣化严重，变形明显，承载能力严重不足的桥梁，弥补现有加固结构的不足；

（5）通过钢纵梁和钢横梁数量、截面形式、材料型号、支撑点设置的参数化设计，可针对不同加固要求进行承载能力提升定量实施，明确加固后承载能力提升的具体数值和等级。

附图说明

图1是混凝土箱梁桥的主视图；

图2是图1中混凝土箱梁桥的俯视图；

图3是钢纵梁加固箱梁的横断面示意图；

图4是图3中钢纵梁加固箱梁的俯视示意图；

图5是主纵梁的主视图；

图6是图5中主纵梁的俯视图；

图7是图5中纵梁连接板的示意图；

图8是图5中纵梁加劲板的示意图；

图9是图5中钢横梁连接处的示意图；

图10是钢横梁加固箱梁的横断面示意图；

图11是图10中钢横梁加固箱梁的俯视图；

图12是分段式横梁的主视图；

图13是图12中分段式横梁的俯视图；

图14是通长式横梁的主视图；

图15是图14中通长式横梁的俯视图；

图16是支撑式横梁的主视图；

图17是图16中支撑式横梁的俯视图；

图18是原桥墩的示意图；

图19是增加支座并加固后的桥墩示意图；

图20是部分钢混组合系统的效果图；

图21是钢混组合系统的主视图；

图22是图21中钢混组合系统的俯视图；

图23是桥梁加固前、后弯矩对比图；

图24是桥梁加固前、后剪力对比图；

图25是桥梁加固前、后挠度对比图；

图26是桥梁加固前、后箱梁下缘混凝土拉应力对比图；

图中标记为：1、中跨；2、边跨；3、边缘梁；4、腹板；5、底板；6、主纵梁；7、辅纵梁；71、最外侧辅纵梁；8、顶板；81、主板；82、侧板；9、纵梁加劲板；10、纵梁连接板；11、钢横梁；12、螺栓；13、分段式横梁；14、通长式横梁；15、支撑式横梁；16、横梁连接板；17、钢纵梁；18、横梁加劲板；19、支座；20、节点连接板；21、混凝土箱梁；22、原桥墩；23、原承台；24、钢面板；25、外包混凝土桥墩；26、钢筋；27、锚栓；28、立板；29、桥墩加固机构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

一种提升混凝土箱梁桥承载能力的钢混组合系统，包括钢纵梁、钢横梁和桥墩加固机构，钢纵梁和钢横梁纵横交叉相连。如图1和2所示，以某三跨预应力混凝土连续箱梁桥为例，该跨径分布为边缘梁3+边跨2+中跨1+边跨+边缘梁=7.5m+35m+50m+35m+7.5m。

（1）钢纵梁设计

钢纵梁作为主要受力结构，是钢混组合系统中最重要的构件。钢纵梁的设计需要考虑其刚度的大小以及对于混凝土箱梁承载力的贡献，因此钢纵梁的梁高需要达到一定的高度，以提高加固后钢混组合系统截面的抗弯强度。混凝土箱梁承载力主要由混凝土腹板提供，因此加固方案中劲性钢纵梁的位置应当首先考虑在腹板正下方设置，以求最大限度的对混凝土箱梁提供承载力。

根据上述设计基本原则，以及加固后的承载力提升需求计算结果，钢纵梁的设计如图2、3所示。钢纵梁包括安装于腹板4位置的主纵梁6以及安装于底板5位置的若干辅纵梁7，主纵梁6的宽度大于辅纵梁7的宽度。本实施例中主纵梁6的数量为2个，辅纵梁7的数量为5个，主纵梁6、辅纵梁7设计方案既提高了钢纵梁的承载能力，又降低了材料的使用成本。

如图4所示，主纵梁6以及位于最外侧的两个辅纵梁7均为全桥通长式设置，除两个最外侧辅纵梁71之外的其它辅纵梁在原桥墩处分离设置。如图5、6所示，主纵梁6和辅纵梁7均包括若干根相连的纵向钢梁，各纵向钢梁间以纵梁连接板10相连。主纵梁6和辅纵梁7在纵向方向上每隔1.5~2米设有一道纵梁加劲板10，能够增强钢纵梁的结构强度和承载能力。主纵梁6和辅纵梁7与钢横梁11间以螺栓12相连。如图7-9所示，分别为纵梁连接板10、纵梁加劲板9、钢横梁11连接处的示意图。

（2）钢横梁设计

钢混组合系统中的七道劲性钢纵梁是加固方法中的主要受力结构，但是如果没有横向联系，则七道钢纵梁独自受力，不能形成完整的钢混组合系统，对于混凝土箱梁桥承载能力的提升贡献也大大降低。

根据上述设计基本原则以及加固后的承载力提升需求计算结果，考虑钢混组合系统结构的横向刚度、荷载横向分配能力、整体稳定性要求劲性钢横梁的设计如图10、11所示，钢横梁11包括若干通长式横梁14、设于通长式横梁14间的分段式横梁13以及设于原桥墩两侧的支撑式横梁15。

如图12、13所示，分段式横梁13包括以横梁连接板16相连的若干段横向钢梁，分段式横梁13设于相邻两个钢纵梁17之间，通过节点连接板与钢纵梁固定连接，能够增强钢纵梁之间的横向联系，确保结构抗扭强度。

如图14、15所示，通长式横梁14为整根横向钢梁，横向钢梁上设有若干横梁加劲板18，通长式横梁14设于相邻两个钢纵梁17之间，通过节点连接板与钢纵梁固定连接，保障钢混组合系统横向整体刚度，分配桥面横向不平衡荷载。

如图16、17所示，支撑式横梁15包括顶板8以及设于顶板8下方且与钢纵梁17相连的立板28，立板28通过节点连接板与钢纵梁固定连接，顶板8包括主板81以及设于主板81两侧的若干侧板82，侧板82与箱梁桥的底板通过节点连接板20固定连接。设置支撑式钢横梁15的目的是确保钢纵梁形成连续受力体系，减小钢混组合系统的跨中弯矩。

（3）桥墩加固机构设计

如图18、19所示，桥墩加固机构包括包覆于原桥墩22外部的外包混凝土桥墩25以及安装于外包混凝土桥墩25与支撑式横梁15间的若干支座19，支座19用于对支撑式横梁15进行支撑。外包混凝土桥墩25包括微膨胀混凝土、安插于微膨胀混凝土内部的钢筋26以及包覆于微膨胀混凝土外部的钢面板24。桥墩加固机构还包括安装于原桥墩22与原承台23间的若干锚栓27。在原桥墩位置设置钢横梁和钢纵梁的支撑点，使得钢混组合系统形成连续受力体系，可以极大提高混凝土箱梁的承载能力；在原桥墩外部包覆外包混凝土桥墩，能够增强桥墩的结构强度和承载能力，延长桥墩的使用寿命。

如图20为带有钢纵梁17与钢横梁11的钢混组合系统的效果图，如图21为钢混组合系统的主视图，如图22为钢混组合系统的俯视图，由图可知，钢混组合系统包括钢纵梁17、钢横梁11和桥墩加固机构29，在立面上为连续受力体系，在平面上为平面框架体系。

效果验证

依托本实施例案例，通过模型计算对于采用钢混组合系统加固的混凝土箱梁桥加固效果进行验证。考虑桥梁在公路一级荷载组合下，对比加固前后梁体的弯矩、剪力、挠度、梁体下缘应力状况。

（1）桥梁加固前、后弯矩对比

如图23所示，采用钢混组合系统加固后，桥梁跨中弯矩明显减少，最大弯矩由加固前的9826.4kN•m降低至4361.6kN•m，降幅比例达55.6%。

（2）桥梁加固前、后剪力对比

如图24所示，采用钢混组合系统加固后，桥梁反弯点剪力减少，最大剪力由加固前的1359k N降低至1025kN，降幅比例达24.6%。

（3）桥梁加固前、后挠度对比

如图25所示，采用钢混组合系统加固后，桥梁跨中挠度明显减少，最大挠度由加固前的2.65cm降低至1.22cm，降幅比例达53.9%。

（4）桥梁加固前、后箱梁下缘混凝土拉应力对比

如图26所示，采用钢混组合系统加固后，桥梁跨中箱梁下缘混凝土拉应力明显减少，最大拉应力由加固前的4.57MPa降低至1.42MPa，降幅比例达68.9%。

本发明通过对混凝土箱梁桥增设钢纵梁和钢横梁，形成钢混组合受力体系，解决传统加固方法中混凝土箱梁作为受力体系的缺点，能够大幅度的提升混凝土桥梁承载能力。

本发明中的钢纵梁包括安装于腹板位置的主纵梁以及安装于底板位置的若干辅纵梁，且主纵梁的宽度大于辅纵梁的宽度；钢横梁包括通长式横梁、分段式横梁以及支撑式横梁；钢纵梁和钢横梁采用整体构件与节段构件相结合的形式，主要受力构件与辅助受力构件相互配合的模式，既可以解决加固提升混凝土旧桥承载能力的要求，又可以较大程度节约钢材的用量；另外节段拼装施工构件可以采用工厂预制、现场拼装施工模式，构件的制作质量得到了保障，同时现场施工简便、安全、环保、迅速。

本发明中的桥墩加固机构包括包覆于原桥墩外部的外包混凝土桥墩以及安装于外包混凝土桥墩与支撑式横梁间的若干支座，能够增强桥墩的承载能力和箱梁桥的结构强度，延长其使用寿命。

本发明提供的钢混组合系统，可以加固运营时间很长，结构劣化严重，变形明显，承载能力严重不足的桥梁，弥补现有加固结构的不足；通过钢纵梁和钢横梁数量、截面形式、材料型号、支撑点设置的参数化设计，可针对不同加固要求进行承载能力提升定量实施，明确加固后承载能力提升的具体数值和等级。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种提升混凝土箱梁桥承载能力的钢混组合系统，其特征在于，包括钢纵梁、钢横梁和桥墩加固机构，所述钢纵梁和钢横梁纵横交叉相连；

2.根据权利要求1所述的提升混凝土箱梁桥承载能力的钢混组合系统，其特征在于，所述主纵梁以及位于最外侧的两个辅纵梁均为全桥通长式设置，包括若干根相连的纵向钢梁，各纵向钢梁间以纵梁连接板相连。

3.根据权利要求2所述的提升混凝土箱梁桥承载能力的钢混组合系统，其特征在于，除最外侧两个辅纵梁之外的其它辅纵梁在原桥墩处分离设置，包括若干根相连的纵向钢梁，各纵向钢梁间以纵梁连接板相连。

4.根据权利要求3所述的提升混凝土箱梁桥承载能力的钢混组合系统，其特征在于，所述主纵梁和辅纵梁在纵向方向上每隔1.5~2米设有一道纵梁加劲板。

5.根据权利要求1所述的提升混凝土箱梁桥承载能力的钢混组合系统，其特征在于，所述分段式横梁包括以横梁连接板相连的若干段横向钢梁。

6.根据权利要求1所述的提升混凝土箱梁桥承载能力的钢混组合系统，其特征在于，所述通长式横梁为整根横向钢梁，设于相邻两个所述钢纵梁之间。

7.根据权利要求1所述的提升混凝土箱梁桥承载能力的钢混组合系统，其特征在于，所述支撑式横梁包括顶板以及设于顶板下方且与所述钢纵梁相连的立板，所述顶板包括主板以及设于所述主板两侧的若干侧板，所述侧板与箱梁桥的底板通过节点连接板固定连接。

8.根据权利要求1所述的提升混凝土箱梁桥承载能力的钢混组合系统，其特征在于，所述分段式横梁、通长式横梁及支撑式横梁均通过节点连接板与所述钢纵梁固定连接。

9.根据权利要求1所述的提升混凝土箱梁桥承载能力的钢混组合系统，其特征在于，所述外包混凝土桥墩包括微膨胀混凝土、安插于微膨胀混凝土内部的钢筋以及包覆于微膨胀混凝土外部的钢面板。

10.根据权利要求9所述的提升混凝土箱梁桥承载能力的钢混组合系统，其特征在于，所述桥墩加固机构还包括安装于原桥墩与原承台间的若干锚栓。