CN112195750A - 避免钢管混凝土拱桥拱脚钢管外包混凝土开裂的结构 - Google Patents

Abstract

本发明公布了避免钢管混凝土拱桥拱脚钢管外包混凝土开裂的结构；外露拱肋段(D)由常规外露拱肋段(B)、弦杆剪力钉(15)、承压板(16)、弦杆内侧加劲环(17)、承压板加劲肋板(18)、环装密封钢带(19)和橡胶止水条(20)组成；所述的外露拱肋段(D)中的拱肋上弦杆(1)和拱肋下弦杆(2)的最下端与承压板(16)、预埋段上弦杆(3)和预埋段下弦杆(4)的外表面均焊接有剪力钉(15)；本发明克服了现有技术中由于拱肋钢管外管壁与混凝土之间的侧阻力过大引起拱脚钢管外包混凝土开裂的缺点，具有能保证钢管混凝土这一类拱桥拱脚处具有足够的耐久性、安全性和使用寿命的优点。

Description

避免钢管混凝土拱桥拱脚钢管外包混凝土开裂的结构

技术领域

本发明涉及到桥梁技术领域，更加具体地是避免钢管混凝土拱桥 拱脚拱肋钢管外包混凝土开裂的结构。

背景技术

钢管混凝土拥有材质轻、强度高、承载力大、施工安装方便的优 势，在拱桥三种结构体系中被广泛运用，如图1、图2和图3所示。

为可靠连接拱座与拱肋钢管，一般都将常规预埋段拱肋钢管埋入 拱座先浇段混凝土内，再利用弦杆接头钢管将常规预埋拱肋钢管和外 露拱肋钢管连接，然后利用拱座后浇封铰段混凝土进行固结,如图4 所示。由于拱脚处拱肋钢管承受较大的轴向压力，埋入在拱座内的拱 肋钢管外管壁与混凝土间在力的作用下产生摩擦侧阻力，此侧阻力对 外包在拱肋钢管外的混凝土有剥离作用。

当外界骤然降温时，由于钢材与混凝土的热膨胀系数不一致，也 会产生在外包混凝土与拱肋钢管外管壁间产生剥离作用，当剥离作用 大于混凝土与拱肋钢管间的联结力后，将导致拱座外包混凝土开裂。

一旦裂缝过大，大自然中的水和水蒸气会沿裂缝渗入到混凝土内 部，使内部钢筋和钢管锈蚀，降低结构承载力、耐久性和使用寿命， 深层的裂缝甚至会破坏拱座的整体性，改变拱座混凝土的受力机理， 甚至产生混凝土的脱落破坏，影响结构安全。

为避免拱肋钢管埋入拱座后由于拱肋钢管外管壁与混凝土之间 的侧阻力过大引起拱座混凝土开裂。

因此，迫切需要一种结构来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述背景技术的不足之处，而提出避免钢 管混凝土拱桥拱脚钢管外包混凝土开裂的结构。

本发明的目的是通过如下技术方案来实施的：避免钢管混凝土拱 桥拱脚钢管外包混凝土开裂的结构，它包括常规拱肋预埋段、拱座先 浇段混凝土和拱座后浇封铰段混凝土；

常规拱肋预埋段通过弦杆接头钢管与常规外露拱肋段(B)连接；

所述的常规拱肋预埋段由拱肋预埋段上弦杆、拱肋预埋段下弦杆、 径向腹板、水平斜腹杆、横联、弦杆端头加劲底座和底座加劲肋板焊 接而成；

所述的预埋段上弦杆和预埋段下弦杆互相平行设置，且均埋入至 拱座先浇段混凝土内；

所述的预埋段上弦杆和预埋段下弦杆之间垂直焊接有径向腹板；

预埋段上弦杆和预埋段下弦杆之间水平焊接有水平斜腹杆；

所述的预埋段上弦杆和预埋段下弦杆的端头垂直设置有弦杆端 头加劲底座；

预埋段上弦杆、预埋段下弦杆的端头均与弦杆端头加劲底座之间 焊接有底座加劲肋板；

所述的常规预埋段内埋设有铰轴底座，所述的铰轴底座位于预埋 段上弦杆和预埋段下弦杆之间的平分线上；

所述的常规外露拱肋段由拱肋上弦杆、拱肋下弦杆、竖腹杆、径 向腹板、铰座撑杆、铰座轴和横联组成；

所述的段拱肋上弦杆与拱肋下弦杆之间竖向焊接有竖腹杆，

所述的段拱肋上弦杆与拱肋下弦杆之间垂直焊接有径向腹板，

所述的铰轴底座内设置有铰座轴，所述的拱肋下弦杆与铰座轴之 间通过焊接有铰座撑杆；

其特征在于：拱肋预埋段由所述的常规拱肋预埋段和弦杆剪力钉 焊接组成；

外露拱肋段由常规外露拱肋段、弦杆剪力钉、承压板、弦杆内侧 加劲环、承压板加劲肋板、环装密封钢带和橡胶止水条组成；

所述的外露拱肋段和拱肋下弦杆的最下端与承压板、预埋段上弦 杆和预埋段下弦杆的外表面均焊接有剪力钉；

所述的拱肋上弦杆和拱肋下弦杆均贯穿所述的承压板；

所述的拱肋上弦杆和拱肋下弦杆的弦杆内与承压板对齐的位置 焊接有弦杆内侧加劲环；

所述的拱肋上弦杆和承压板之间焊接有承压板加劲肋板；

所述的拱肋下弦杆和承压板之间焊接有承压板加劲肋板；所述的 承压板四周焊接有环向密封钢带；

所述的环向密封钢带与所述的段拱肋上弦杆、拱肋下弦杆之间的 环向密封钢带内壁粘贴有橡胶止水条。

在上述技术方案中：所述的拱肋预埋段的一端预先埋入在拱座先 浇段混凝土内；所述的拱肋预埋段与外露拱肋段相连，另外一段与承 压板相连形成整体。

在上述技术方案中：所述的拱肋下弦杆与车行道主梁之间设置拱 下竖向吊杆；所述的拱肋上弦杆与车行道主梁之间设置拱上竖向立柱。

在上述技术方案中：相邻的所述的段拱肋上弦杆之间水平焊接有 横联。

在上述技术方案中：所述的拱座先浇段混凝土内埋设有铰轴底座。

本发明具有如下优点：1、本发明整体结构形式仅在现有的结构 上弦杆焊接剪力钉、承压板、承压板加劲肋板、环装密封钢带和粘贴 橡胶止水条；

2、本发明尤其在下承式拱桥和中承式拱桥的拱脚尺寸要求有限 的条件下，本发明能在不增加拱座断面尺寸的情况下通过承压板提高 拱座的抗压承载力。

附图说明

图1为现有技术中下承式钢管混凝土拱桥的桥型布置图。

图2为现有技术中上承式钢管混凝土拱桥的桥型布置图。

图3为现有技术中承式钢管混凝土拱桥的桥型布置图。

图4为常规拱座立面图。

图5为本发明推荐拱座立面图。

图6为常规拱座预埋件组装图。

图7为本发明推荐拱座预埋件组装图。

图8为常规拱座封铰段混凝土。

图9为本发明推荐拱座封铰段混凝土

图10为图9中的断面Ⅰ—Ⅰ结构示意图。

图11为图9中断面Ⅱ—Ⅱ结构示意图。。

图12为图9中断面Ⅲ—Ⅲ结构示意图。。

图13为图12中断面Ⅳ—Ⅳ结构示意图。

图14为图13中E部分的结构详图。

图15为本发明中的承压板结构示意图。

图16为本发明中弦杆内加劲板的结构示意图。

图17为环向封闭钢带。

图18为常规拱座模型图。

图19为本发明中常规拱座力学原理图。

图20为本发明推荐拱座力学原理图。

图中：拱肋上弦杆1、拱肋下弦杆2、拱肋预埋段上弦杆3、拱肋预 埋段下弦杆4、竖腹杆5、径向腹板6、铰座撑杆7、铰座轴8、铰轴 底座9、水平斜腹杆10、横联11、弦杆端头加劲底座12、底座加劲 肋板13、弦杆接头钢管14、弦杆剪力钉15、承压板16、弦杆内加劲 板17、承压板加劲肋板18、环向密封钢带19、橡胶止水条20、拱座 先浇段混凝土21、拱座后浇封铰段混凝土22、车行道主梁23、拱下 竖向吊杆24、拱上竖向立柱25、常规拱肋预埋段A、常规外露拱肋 段B、拱肋预埋段C、外露拱肋段D。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本 发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加 清楚和容易理解。

参照图1-20所示：避免钢管混凝土拱桥拱脚钢管外包混凝土开 裂的结构，它包括常规拱肋预埋段A、常规外露拱肋段B、弦杆接头 钢管14、拱座先浇段混凝土21和拱座后浇封铰段混凝土22；

常规拱肋预埋段A通过弦杆接头钢管14与常规外露拱肋段B连 接；

所述的常规拱肋预埋段A由拱肋预埋段上弦杆3、拱肋预埋段下 弦杆4、径向腹板6、水平斜腹杆10、横联11、弦杆端头加劲底座 12和底座加劲肋板13焊接而成；

所述的预埋段上弦杆3和预埋段下弦杆4互相平行设置，且均埋 入至拱座先浇段混凝土21内；

所述的预埋段上弦杆3和预埋段下弦杆4之间垂直焊接有径向腹 板6；

预埋段上弦杆3和预埋段下弦杆4之间水平焊接有水平斜腹杆 10；

所述的预埋段上弦杆3和预埋段下弦杆4的端头垂直设置有弦杆 端头加劲底座12；

预埋段上弦杆3、预埋段下弦杆4的端头均与弦杆端头加劲底座 12之间焊接有底座加劲肋板13；

所述的常规预埋段A内埋设有铰轴底座9，所述的铰轴底座9位 于预埋段上弦杆3和预埋段下弦杆4之间的平分线上；

所述的常规外露拱肋段B由拱肋上弦杆1、拱肋下弦杆2、竖腹 杆5、径向腹板6、铰座撑杆7、铰座轴8和横联11组成；

所述的段拱肋上弦杆1与拱肋下弦杆2之间竖向焊接有竖腹杆5，

所述的段拱肋上弦杆1与拱肋下弦杆2之间垂直焊接有径向腹板 6，

所述的铰轴底座9内设置有铰座轴8，所述的拱肋下弦杆2与铰 座轴8之间通过焊接有铰座撑杆7；

拱肋预埋段C由所述的常规拱肋预埋段A和弦杆剪力钉15焊接 组成；

外露拱肋段D由常规外露拱肋段B、弦杆剪力钉15、承压板16、 弦杆内侧加劲环17、承压板加劲肋板18、环装密封钢带19和橡胶止 水条20组成；

所述的外露拱肋段D中的拱肋上弦杆1和拱肋下弦杆2的最下端 与承压板16、预埋段上弦杆3和预埋段下弦杆4的外表面均焊接有 剪力钉15；

所述的拱肋上弦杆1和拱肋下弦杆2均贯穿所述的承压板16；

所述的拱肋上弦杆1和拱肋下弦杆2的弦杆内与承压板16对齐 的位置焊接有弦杆内侧加劲环17；

所述的拱肋上弦杆1和承压板16之间焊接有承压板加劲肋板18；

所述的拱肋下弦杆2和承压板16之间焊接有承压板加劲肋板18； 所述的承压板16四周焊接有环向密封钢带19；

所述的环向密封钢带19与所述的段拱肋上弦杆1、拱肋下弦杆2 之间的环向密封钢带19内壁粘贴有橡胶止水条20。

所述的拱肋预埋段C的一端预先埋入在拱座先浇段混凝土21内； 所述的拱肋预埋段C通过弦杆接头钢管14与外露拱肋段D连接；所 述的拱座后浇封铰段混凝土22的一端与拱座先浇段混凝土21相连， 另外一段与承压板16相连形成整体。

所述的拱肋下弦杆2与车行道主梁23之间设置拱下竖向吊杆24； 所述的拱肋上弦杆1与车行道主梁23之间设置拱上竖向立柱25。

相邻的所述的段拱肋上弦杆1之间水平焊接有横联11；所述的 拱座先浇段混凝土21内埋设有铰轴底座9。

本发明还包括如下具体工作过程：

第一部分

拱桥主要受力构件为拱肋，主要承受轴力。拱肋钢管须埋入到拱 座内，并安全地将轴力传递给混凝土拱座和基础。

过去常规做法是将埋段上弦杆3、预埋段下弦杆4、径向腹板6、 水平斜腹杆10、横联11和弦杆端头加劲底座12、底座加劲肋板13 直接埋入到拱座先浇段混凝土21内，如图6所示，主要靠拱肋钢管 管壁与混凝土的摩擦侧阻力和拱肋端拱肋端头加劲底座头加劲底座 的端阻力进行传力，其传力路径为：弦杆钢管壁→拱肋端头加劲底座。

过去常规做法的力学原理如图19所示，拱肋在轴力(N)和弯矩 (M)作用下,上弦杆与下弦杆间的抗弯矩为(W)，上弦杆承受轴力

下弦杆承受轴力

预埋段上弦杆的端阻力 和侧阻力分别为R1₁和R2₁，预埋段下弦杆的端阻力和侧阻力分别为 R1₂和R2₂，其中轴力N＝R1+R2,R1＝(R1₁+R1₂),R2＝(R2₁+R2₂)。

由于端阻力离交界面较远，要想充分发挥端阻力，必须要有足够 的变形才能发挥端阻力。要获得较大的端阻力，拱肋侧壁就会产生过 大的滑移变形，一旦拱肋钢管外混凝土约束不强情况下，将会产生垂 直钢管轴线的环向裂缝，从而降低结构承载力、耐久性和使用寿命。

第二部分：

为防止拱肋钢管外包混凝土的裂缝出现，本发明提出新的传力路 径，改善拱座受力，避免拱脚预埋拱肋钢管的外包混凝土开裂。

为避免钢管混凝土拱桥拱脚预埋拱肋钢管外包混凝土开裂的设 计主要由拱座与拱肋界面上的承压板、埋入拱座的拱肋钢管和埋入拱 座内的拱肋端头加劲底座三大主要部件组成。

本发明的力学原理如图20所示，拱肋在轴力(N)和弯矩(M)作用 下,上弦杆与下弦杆间的抗弯矩为(W)，上弦杆承受轴力

下弦杆承受轴力

预埋段上弦杆的端阻力 和侧阻力分别为R1₁和R2₁，预埋段下弦杆的端阻力和侧阻力分别为R1₂和R2₂，承压板承受的压力为R3，其中轴力N＝R1+R2+ R3,R1＝(R1₁+R1₂),R2＝(R2₁+R2₂)。

第三部分：

本发明拱肋钢管的轴力在拱座内的传力路径为：承压板→弦杆钢管 壁→弦杆壁剪力钉→拱肋端头加劲底座。本发明拱座传力构件较传统 传力构件(弦杆钢管壁→拱肋端头加劲底座)基础上，增加了承压板 和弦杆壁的剪力钉两种传力构件。

将传统拱座内钢管外壁和拱肋端头加劲底座两部分受力调整为承 压板、钢管外壁和拱肋端头加劲底座两三部分共同受力。

所述承压板由承压板16、弦杆内侧加劲环17、承压板加劲肋板 18、环装密封钢带19、橡胶止水条20组成，拱肋钢管由埋段上弦杆 3、预埋段下弦杆4、径向腹板6、水平斜腹杆10和横联11组成，拱 肋端头加劲底座由12和13组成，弦杆壁剪力钉为构件15。

根据变形协调原理，承压板16分担部分弦杆轴力后，从而降低 传递到拱座内拱肋钢管外壁和拱肋端部的受力，同时在预埋拱肋弦杆 外壁增设剪力钉用于增大混凝土与钢管外壁四周的接触面积，进一步 降低沿弦杆管壁四周的侧阻力，从而阻断因为沿弦杆壁四周的侧阻力 过大而引起的拱座开裂。

本发明方案利用承压板发挥了混凝土受压的优点，减小传递给拱 座内的轴力，从而降低拱肋钢管管壁与混凝土的侧阻力，阻断外包混 凝土的开裂的直接诱因，确保拱脚处钢管外包混凝土不开裂。

本发明的组装过程：步骤一：首先按照常规方法进行拱脚拱肋预埋 段C加工，拱肋预埋段由埋段上弦杆3、预埋段下弦杆4、径向腹板 6、水平斜腹杆10、横联11、弦杆端头加劲底座12、底座加劲肋板 13和弦杆剪力钉15、通过焊接组成；

步骤二：定位拱肋预埋段C和铰轴底座9，绑扎拱座钢筋，并浇 筑拱座先浇段混凝土21，如图7所示；

步骤三：安装外露拱肋段D；将外露拱肋段的铰座轴8置放在铰 轴底座内，并进行拱肋倾角调整。

步骤四：调节好外露拱肋段倾角后，在弦杆1与3之间和弦杆2 与4之间焊接弦杆接头钢管14；

步骤五：上弦杆1、拱肋下弦杆2之间的环向密封钢带19内壁 粘贴有橡胶止水条20；

步骤六：绑扎封铰混凝土内的钢筋，浇筑拱座后浇封铰段混凝土 22，如图9中阴影填充部分。

步骤七：根据桥型种类，在图1所示桥型在拱肋下弦杆2与车行 道主梁23之间设置拱下竖向吊杆24。在图2和图3所示桥型在拱肋 上弦杆1与车行道主梁23之间设置拱上竖向立柱25。

上述未详细说明的部分均为现有技术。

Claims (5)

1.避免钢管混凝土拱桥拱脚钢管外包混凝土开裂的结构，它包括常规拱肋预埋段(A)、常规外露拱肋段(B)、弦杆接头钢管(14)、拱座先浇段混凝土(21)和拱座后浇封铰段混凝土(22)；

常规拱肋预埋段(A)通过弦杆接头钢管(14)与常规外露拱肋段(B)连接；

所述的常规拱肋预埋段(A)由拱肋预埋段上弦杆(3)、拱肋预埋段下弦杆(4)、径向腹板(6)、水平斜腹杆(10)、横联(11)、弦杆端头加劲底座(12)和底座加劲肋板(13)焊接而成；

所述的预埋段上弦杆(3)和预埋段下弦杆(4)互相平行设置，且均埋入至拱座先浇段混凝土(21)内；

所述的预埋段上弦杆(3)和预埋段下弦杆(4)之间垂直焊接有径向腹板(6)；

预埋段上弦杆(3)和预埋段下弦杆(4)之间水平焊接有水平斜腹杆(10)；

所述的预埋段上弦杆(3)和预埋段下弦杆(4)的端头垂直设置有弦杆端头加劲底座(12)；

预埋段上弦杆(3)、预埋段下弦杆(4)的端头均与弦杆端头加劲底座(12)之间焊接有底座加劲肋板(13)；

所述的常规预埋段(A)内埋设有铰轴底座(9)，所述的铰轴底座(9)位于预埋段上弦杆(3)和预埋段下弦杆(4)之间的平分线上；

所述的常规外露拱肋段(B)由拱肋上弦杆(1)、拱肋下弦杆(2)、竖腹杆(5)、径向腹板(6)、铰座撑杆(7)、铰座轴(8)和横联(11)组成；

所述的段拱肋上弦杆(1)与拱肋下弦杆(2)之间竖向焊接有竖腹杆(5)，

所述的段拱肋上弦杆(1)与拱肋下弦杆(2)之间垂直焊接有径向腹板(6)，

所述的铰轴底座(9)内设置有铰座轴(8)，所述的拱肋下弦杆(2)与铰座轴(8)之间通过焊接有铰座撑杆(7)；

其特征在于：拱肋预埋段(C)由所述的常规拱肋预埋段(A)和弦杆剪力钉(15)焊接组成；

外露拱肋段(D)由常规外露拱肋段(B)、弦杆剪力钉(15)、承压板(16)、弦杆内侧加劲环(17)、承压板加劲肋板(18)、环装密封钢带(19)和橡胶止水条(20)组成；

所述的外露拱肋段(D)中的拱肋上弦杆(1)和拱肋下弦杆(2)的最下端与承压板(16)、预埋段上弦杆(3)和预埋段下弦杆(4)的外表面均焊接有剪力钉(15)；

所述的拱肋上弦杆(1)和拱肋下弦杆(2)均贯穿所述的承压板(16)；

所述的拱肋上弦杆(1)和拱肋下弦杆(2)的弦杆内与承压板(16)对齐的位置焊接有弦杆内侧加劲环(17)；

所述的拱肋上弦杆(1)和承压板(16)之间焊接有承压板加劲肋板(18)；

所述的拱肋下弦杆(2)和承压板(16)之间焊接有承压板加劲肋板(18)；所述的承压板(16)四周焊接有环向密封钢带(19)；

所述的环向密封钢带(19)与所述的段拱肋上弦杆(1)、拱肋下弦杆(2)之间的环向密封钢带(19)内壁粘贴有橡胶止水条(20)。

2.根据权利要求1所述的避免钢管混凝土拱桥拱脚钢管外包混凝土开裂的结构，其特征在于：所述的拱肋预埋段(C)的一端预先埋入在拱座先浇段混凝土(21)内；所述的拱肋预埋段(C)通过弦杆接头钢管(14)与外露拱肋段(D)连接；所述的拱座后浇封铰段混凝土(22)的一端与拱座先浇段混凝土(21)相连，另外一段与承压板(16)相连形成整体。

3.根据权利要求1所述的避免钢管混凝土拱桥拱脚钢管外包混凝土开裂的结构，其特征在于：所述的拱肋下弦杆(2)与车行道主梁(23)之间设置拱下竖向吊杆(24)；所述的拱肋上弦杆(1)与车行道主梁(23)之间设置拱上竖向立柱(25)。

4.根据权利要求1所述的避免钢管混凝土拱桥拱脚钢管外包混凝土开裂的结构，其特征在于：相邻的所述的段拱肋上弦杆(1)之间水平焊接有横联(11)。

5.根据权利要求1所述的避免钢管混凝土拱桥拱脚钢管外包混凝土开裂的结构，其特征在于：所述的拱座先浇段混凝土(21)内埋设有铰轴底座(9)。

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