CN112681121A - 控制多跨长联曲线连续刚构桥纵向变形的弹性连接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制多跨长联曲线连续刚构桥纵向变形的弹性连接装置，所述弹性连接装置设置于钢箱梁和混凝土桥墩之间，包括插接到所述混凝土桥墩中的H型钢二和H型钢三包括H型钢一，H型钢二、三、四、无之间均焊接连接，弹簧钢片与H型钢一、五通过螺栓连接在同一平面。本发明提供的弹性连接装置可以给多跨长联曲线连续刚构桥梁的梁体提供一定限度的纵向刚度，可以有效控制温度作用下梁体的纵向位移，进而减小墩柱内力，不仅避免了墩与梁、墩与承台固结区域发生强度超限的破坏，而且避免了梁端支座剪切破坏、伸缩缝挤压破坏的发生，为结构的安全和耐久性提供了保障。

Description

控制多跨长联曲线连续刚构桥纵向变形的弹性连接装置

技术领域

本发明属于土木工程桥梁工程领域，具体涉及一种控制多跨长联曲线连续刚构桥纵向变形的弹性连接装置。

背景技术

连续刚构桥采用墩与梁、墩与承台固结的连接方式，结构具有较好的整体性，受力较为均匀，在实际中应用广泛。连续刚构桥梁的受力特点是在竖向荷载作用下，墩脚会产生水平力；同时，主梁由于温度、混凝土收缩徐变、预应力张拉等因素的影响，也会导致主梁的伸长和缩短。上述这些结构行为都会在桥墩中产生弯矩，而且墩柱刚度越大，其分配到的内力也就越大，反之越小。故在实际工程中，常采用高墩、双肢薄壁墩等柔性墩来降低温度、混凝土收缩徐变、预应力等因素作用下的墩身弯矩。在城市桥梁中，桥梁墩柱往往均为矮墩，当每联桥梁较长时，温度、混凝土收缩徐变、预应力效应对桥梁墩柱的受力影响则更加明显。传统的连续刚构桥通常采用三跨的结构体系，而对于多跨长联的连续刚构桥(大于三跨)，上述因素引起的过大梁体纵向位移将对多跨长联连续刚构桥的边墩产生较大的弯矩，从而引起应力超过规范的要求。为解决这一问题，工程设计中采用连续-刚构的组合体系来释放由于温度、混凝土收缩徐变、预应力效应等引起的主梁纵向变形，避免该纵向变形对墩柱产生较大的内力。然而，并非所有的多跨长联桥梁都适用连续刚构的结构体系。对于曲线桥梁，如果将采用连续-刚构结构体系，在设支座的连续梁部分则可能由于桥梁抗倾覆能力不足，发生部分支座脱空，甚至梁体倾覆的事故。更为不利的是，对于一些曲线桥梁，为了获得桥下使用净空，桥墩采用独柱墩，如果设置偏心支座进行支承，这种结构体系的边界条件更加增加了上部结构倾覆的危险。可见现实工程中，不得不在一些曲线多跨长联结构中采用全部固结的形式。

多跨长联曲线连续刚构桥边墩纵桥向弯矩较大，其根本原因是曲线梁的温度变形向梁端累积。在边墩不得不采用固结的边界条件时，常采用柔性墩、摇摆柱或弹性连接的方法来解决温度引起的纵向变形问题。日本的多多罗大桥为了限制桥梁纵向变形，设计了弹性连接装置，采用预应力筋将桥墩与主梁连接。其工作原理是弹性变形装置从桥墩处沿顺桥向向两侧各伸出预应力筋，一端锚固于桥墩，另一端锚固于主梁，当主梁沿着纵桥向摆动时，左右预应力交替伸长或缩短，从而达到限制纵向变形的作用。而在多跨长联曲线连续刚构桥中，为了限制边墩的纵向弯矩较大，必须限制温度变形向梁两端累积。因此，在各墩均与曲线梁固结的情况下，可行的方案是将温度引起的变形在两跨之间均匀分配或尽量接近。如果在梁端设置固定支座，目前各种类型的支座均无法承担温度变形所引起的较大的轴向向，该轴向力将导致支座发生剪切破坏。如果采用与多多罗大桥相同的弹性装置，则由于在梁端处只能设置一侧预应力筋，只能约束降温时梁体变形缩短而无法约束梁体纵向伸长的变形，可见，现有多多罗大桥的弹性连接装置无法解决多跨长联连续刚构桥的纵向变形问题，必须重新开发设计新的连接构造，以解决在多跨长联曲线连续刚构桥最外侧墩设计弹性连接装置，达到双向控制纵向变形的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种控制多跨长联曲线连续刚构桥纵向变形的弹性连接装置。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种控制多跨长联曲线连续刚构桥纵向变形的弹性连接装置，所述弹性连接装置设置于钢箱梁和混凝土桥墩之间，其特征在于：包括H型钢一、H型钢二、H型钢三、H型钢四、H型钢五和弹簧钢结构；

所述H型钢二垂直插接到所述混凝土桥墩中，所述H型钢三斜向插接到所述混凝土桥墩中，所述H型钢二和所述H型钢三与所述混凝土桥墩构建成三角形支撑结构；

所述H型钢二的另一端与所述H型钢四的中点垂直连接，所述H型钢四的两端还与所述H型钢五焊接在一起，两侧所述H型钢五的上端与所述的弹簧钢结构连接；

所述H型钢一竖直设置，一端焊接在所述钢箱梁的下方，另一端与所述弹簧钢结构的中间相连，且与所述H型钢五共平面。

作为本发明的进一步改进，还包括三角形的加腋钢板件，所述加腋钢板件采用焊接的方式连接在所述H型钢一连接钢箱梁端的翼缘板上，与所述H型钢一及所述钢箱梁相连。

作为本发明的进一步改进，各个连接端采用焊接的方式或螺栓连接件相连。

作为本发明的进一步改进，所述H型钢二或所述H型钢三插接到所述混凝土桥墩中部分设有两列等距离布置的栓钉。

作为本发明的进一步改进，每列相邻两个所述栓钉之间的距离为d，单位为mm；

所述H型钢二或所述H型钢三插接到所述混凝土桥墩的长度l_a及每列所述栓钉的数目n满足以下关系：

n＝N/V_s

所需预埋的长度：1_a＝(n-1).d+50，mm

其中：

式中：

V_s为栓钉的抗剪承载力、A_s为栓钉横截面面积、E_c为混凝土弹性模量、γ_s为栓钉材料抗拉强度最小值与屈服强度之比、f_sd为栓钉抗拉强度设计值。

作为本发明的进一步改进，所述H型钢二和所述H型钢三、所述H型钢二和所述H型钢四、以及所述H型钢四和所述H型钢五的连接处采用焊接的方式进行连接；

对于正接焊缝，焊缝的强度满足的关系如下：

(1.1)当焊缝只承受轴心拉力或压力时，其强度要满足：

(1.2)当焊缝承受弯矩和剪力共同作用时，其强度要满足：

对于角焊缝，焊缝的强度满足的关系如下：

在各种力综合作用下，σ_f和τ_f共同作用处，满足如下关系：

以上各式中，I_w为焊缝长度；t为对接钢板连接件中较小厚度；f_t ^w、f_f ^w分别为对接焊缝的抗拉强度设计值；β_f正面角焊缝的强度设计值增大系数，对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，β_f＝1.22；对直接承受动力荷载的结构，β_f＝1.0。

作为本发明的进一步改进，所述弹簧钢结构采用螺栓连接件与所述的H型钢一和所述的H型钢五进行连接，所述螺栓连接件承受剪力和螺栓杆轴方向受拉承载力满足如下关系：

式中，N_v、N_t为某个高强度螺栓所承受的剪力和拉力；N_v ^b、N_t ^b为一个高强度螺栓的受剪、受拉承载力设计值

作为本发明的进一步改进，所述弹簧钢结构若干个不同宽度的弹性钢片重叠在一起形成的具有对称结构的阶梯形梁，通过计算所构建的阶梯梁的弯曲应力是否符合设定标准确定所述弹簧钢结构中所使用的弹性钢片的片数、宽度及厚度参数。

作为本发明的进一步改进，包括4个对称的布置在所述混凝土桥墩前、后、左、右四个方向的所述弹性连接装置。

本发明的有益效果：本发明提供的弹性连接装置可以给多跨长联曲线连续刚构桥梁的梁体提供一定限度的纵向刚度，可以有效控制温度作用下梁体的纵向位移，进而减小墩柱内力，不仅避免了墩与梁、墩与承台固结区域发生强度超限的破坏，而且避免了梁端支座剪切破坏、伸缩缝挤压破坏的发生，为结构的安全和耐久性提供了保障。同时，该装置构造简单、施工方便、造价低廉，具有很好的普适性。

附图说明

图1为梁端弹性连接装置的结构示意图；

图2为H型钢一的结构示意图；

图3为H型钢二的结构示意图；

图4为H型钢三的结构示意图；

图5为H型钢四的结构示意图；

图6为加腋钢板件的结构示意图；

图7为H型钢六的结构示意图；

图8为弹簧钢结构的结构示意图；

图9为高强度连接螺栓的结构示意图；

其中：1-H型钢一，2-H型钢二，3-H型钢三，4-H型钢四，5-H型钢五，6-加腋钢板件，7-钢箱梁，8-混凝土桥墩，9-弹簧钢，10-螺栓连接件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图所示的用于控制多跨长联曲线连续刚构桥纵向变形的弹性连接装置，所述弹性连接装置设置于钢箱梁7和混凝土桥墩8之间，主体结构包括H型钢一1、H型钢二2、H型钢三3、H型钢四4、H型钢五5和弹簧钢结构9。

所述H型钢二2垂直插接到所述混凝土桥墩8中，所述H型钢三3斜向插接到所述混凝土桥墩8中，所述H型钢二2和所述H型钢三3与所述混凝土桥墩8构建成三角形支撑结构。

所述H型钢二2的另一端与所述H型钢四4的中点垂直连接，所述H型钢四4的两端还与所述H型钢五5焊接在一起，两侧所述H型钢五5的上端与所述的弹簧钢结构9连接，最终使得所述H型钢四4、H型钢五5和弹簧钢结构9连接在同一竖直平面内。

所述H型钢一1竖直设置，一端焊接在所述钢箱梁7的下方，另一端与所述弹簧钢结构9的中间相连。由于弹簧钢9连接H型钢一1和H型钢五5，本弹性连接正是利用弹簧钢的刚度来缓解和限制梁体的纵向位移。H型钢1和5的翼缘必须在一个平面内，方便弹簧钢的连接。还包括三角形的加腋钢板件6，所述加腋钢板件6采用焊接的方式连接在所述H型钢一1连接钢箱梁7端的翼缘板上，与所述H型钢一1及所述钢箱梁7相连，从而保证H型钢一1受力后能顺利的传递给钢箱梁7。

在本发明的事实例中，各个连接端通过两种方式进行连接：焊接的方式或螺栓连接件10。具体的连接情形包括以下几种：

方式一：

所述H型钢二2或所述H型钢三3插接到所述混凝土桥墩8中部分设有两列等距离布置的栓钉。

H型钢二2和H型钢三3预埋在混凝土桥墩8的长度及栓钉的数量满足以下关系：

首先，明确栓钉的抗剪承载力计算公式为：

式中：A_s为栓钉横截面面积；E_c为混凝土弹性模量；γ_s为栓钉材料抗拉强度最小值与屈服强度之比；f_sd为栓钉抗拉强度设计值；f_c为混凝土抗压强度。

假定该H型钢所承受的轴向力为N，栓钉的布置间距d为100mm，两列布置，则每列栓钉的数目n及预埋的长度1_a是：

n＝N/V_s (2)

所需预埋的长度：1_a＝(n-1).100+50，mm (3)

方式二：

所述H型钢二2和所述H型钢三3、所述H型钢二2和所述H型钢四4、以及所述H型钢四4和所述H型钢五5的连接处采用焊接的方式进行连接。焊缝的强度满足如下关系：

a对于对接焊缝，只承受轴心拉力或压力时，其强度要满足：

当对接焊缝承受弯矩和剪力共同作用时，其应按折算应力进行计算：

(b)对于正面角焊缝和侧面角焊缝，要满足公式6和7的要求：

在各种力综合作用下，σ_f和τ_f共同作用处：

以上各式中I_w为焊缝长度；t为对接钢板连接件中较小厚度；f_t ^w为对接焊缝的抗拉强度设计值；f_f ^w分别为角焊缝的抗拉强度设计值；h_e，角焊缝的计算厚度；β_f正面角焊缝的强度设计值增大系数，对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，β_f＝1.22；对直接承受动力荷载的结构，β_f＝1.0。

方式三：

弹簧钢9连接H型钢一1和H型钢五5采用螺栓进行连接，此时螺栓承受剪力和螺栓杆轴方向外拉力的作用，其承载力应按下式计算：

式中N_v、N_t为某个高强度螺栓所承受的剪力和拉力；N_v ^b、N_t ^b为一个高强度螺栓的受剪、受拉承载力设计值。

另本发明中的弹簧钢9由若干个不同宽度的弹性钢片重叠在一起形成的具有对称结构的阶梯形梁，所使用的弹性钢片的片数、宽度、厚度由计算决定，通常包括以下几个步骤：

a.计算各阶梯形梁的抗弯刚度K值；

b.将荷载控制值作用于阶梯形梁的梁端，计算荷载作用下的阶梯形梁的变形及应力；

c.校核阶梯梁变形值与控制值之间差距，验算阶梯梁的弯曲应力是否超标；

d.调整弹簧钢中弹性钢片的宽度、厚度及片数，直至阶梯梁的变形及应力符合要求。

e.由于弹簧钢片在多跨长联曲线桥梁的纵向能够抵抗桥梁纵桥向的伸长和缩短，因而可以实现单点锚固，双向限制的功能。

以设计南京市江北新区青龙玉带人行桥为例。在初步的设计方案中采用的弹性钢片材料为60Si2CrA；规格尺寸分为三种，分别为1200mm×300mm×10mm、600mm×300mm×10mm、400mm×300mm×10mm；每种规格钢片数量为2片。考虑到弹性钢片采用螺栓连接的方式，在计算分析时默认各钢片间紧密接触且无摩擦，将其视为单片不等厚的弹性钢片。根据弹性钢片在弹性连接装置中的边界条件，建立其力学模型。初步设计方案中的弹性钢片在100kN的集中力作用下，弹性钢片的挠度(w_max)为4.079mm。则该方案下的弹性钢片的刚度为：

由于每个墩柱处的弹性装置左右、前后均布置了弹性钢片，故墩柱处弹性装置能提供的抗弯刚度为K＝4K₀＝98788(N/mm)。并确定该抗弯刚度能够满足工程设计的需求。

本弹性连接装置实施的施工安装过程如下：

步骤一：施工前准备

根据弹性连接装置的各H型钢构件尺寸图，放样、下料、焊接、钻孔、拼装等完成各H型钢构件的加工制作。

步骤二：H型钢构件定位、预埋

根据弹性连接装置的尺寸及桥梁墩梁8具体尺寸，在浇筑砼墩柱时完成H型钢二2、H型钢三3的定位、预埋。

步骤三：与箱梁连接的板件焊接

根据弹性连接装置的尺寸，在墩柱附近的梁体底板上焊接H型钢一1，完成H型钢一1后，再在其与钢箱梁接处前后焊接加腋钢板6，完成对H型钢一1与钢箱梁7的加固。

步骤四：拼装H型钢四4和H型钢五5

按照弹性连接装置的设计图，完成H型钢四4和H型钢五5的拼装、焊接。

步骤五：完成H型钢二2和拼装好的H型钢四4和H型钢五5的连接

按照弹性连接装置的设计图，将拼装H型钢四4的中部与H型钢二2进行焊接，焊接完成保证H型钢构件五5和H型钢一1的工字钢翼缘处于同一平面。

步骤六：安装弹簧钢片结构

根据桥梁所需纵向刚度，选定合理厚度、宽度、数量的弹性钢片，将H型钢一1和H型钢五5、弹簧钢片9采用高强螺栓连接，完成弹性连接装置的安装。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种控制多跨长联曲线连续刚构桥纵向变形的弹性连接装置，所述弹性连接装置设置于钢箱梁(7)和混凝土桥墩(8)之间，其特征在于：包括H型钢一(1)、H型钢二(2)、H型钢三(3)、H型钢四(4)、H型钢五(5)和弹簧钢结构(9)；

所述H型钢二(2)垂直插接到所述混凝土桥墩(8)中，所述H型钢三(3)斜向插接到所述混凝土桥墩(8)中，所述H型钢二(2)和所述H型钢三(3)与所述混凝土桥墩(8)构建成三角形支撑结构；

所述H型钢二(2)的另一端与所述H型钢四(4)的中点垂直连接，所述H型钢四(4)的两端还与所述H型钢五(5)焊接在一起，两侧所述H型钢五(5)的上端与所述的弹簧钢结构(9)连接；

所述H型钢一(1)竖直设置，一端焊接在所述钢箱梁(7)的下方，另一端与所述弹簧钢结构(9)的中间相连，且与所述H型钢五(5)共平面。

2.根据权利要求1所述的弹性连接装置，其特征在于：还包括三角形的加腋钢板件(6)，所述加腋钢板件(6)采用焊接的方式连接在所述H型钢一(1)连接钢箱梁(7)端的翼缘板上，与所述H型钢一(1)及所述钢箱梁(7)相连。

3.根据权利要求1所述的弹性连接装置，其特征在于：各个连接端采用焊接的方式或螺栓连接件(10)相连。

4.根据权利要求3所述的弹性连接装置，其特征在于：所述H型钢二(2)或所述H型钢三(3)插接到所述混凝土桥墩(8)中部分设有两列等距离布置的栓钉。

5.根据权利要求4所述的弹性连接装置，其特征在于：每列相邻两个所述栓钉之间的距离为d，单位为mm；

所述H型钢二(2)或所述H型钢三(3)插接到所述混凝土桥墩(8)的长度l_a及每列所述栓钉的数目n满足以下关系：

n＝N/V_s

所需预埋的长度：l_a＝(n-1)·d+50，mm

其中：

式中：

V_s为栓钉的抗剪承载力、A_s为栓钉横截面面积、E_c为混凝土弹性模量、γ_s为栓钉材料抗拉强度最小值与屈服强度之比、f_sd为栓钉抗拉强度设计值。

6.根据权利要求3所述的弹性连接装置，其特征在于：所述H型钢二(2)和所述H型钢三(3)、所述H型钢二(2)和所述H型钢四(4)、以及所述H型钢四(4)和所述H型钢五(5)的连接处采用焊接的方式进行连接；

(1)对于正接焊缝，焊缝的强度满足的关系如下：

(1.1)当焊缝只承受轴心拉力或压力时，其强度要满足：

(1.2)当焊缝承受弯矩和剪力共同作用时，其强度要满足：

(2)对于角焊缝，焊缝的强度满足的关系如下：

在各种力综合作用下，σ_f和τ_f共同作用处，满足如下关系：

以上各式中，l_w为焊缝长度；t为对接钢板连接件中较小厚度；f_t ^w、

分别为对接焊缝的抗拉强度设计值；β_f正面角焊缝的强度设计值增大系数，对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，β_f＝1.22；对直接承受动力荷载的结构，β_f＝1.0。

7.根据权利要求3所述的弹性连接装置，其特征在于：所述弹簧钢结构(9)采用螺栓连接件(10)与所述的H型钢一(1)和所述的H型钢五(5)进行连接，所述螺栓连接件(10)承受剪力和螺栓杆轴方向受拉承载力满足如下关系：

式中，N_v、N_t为某个高强度螺栓所承受的剪力和拉力；N_v ^b、N_t ^b为一个高强度螺栓的受剪、受拉承载力设计值。

8.根据权利要求1所述的弹性连接装置，其特征在于：所述弹簧钢结构(9)若干个不同宽度的弹性钢片重叠在一起形成的具有对称结构的阶梯形梁，通过计算所构建的阶梯梁的弯曲应力是否符合设定标准确定所述弹簧钢结构(9)中所使用的弹性钢片的片数、宽度及厚度参数。

9.根据权利要求1-8任一项所述的弹性连接装置，其特征在于：包括4个对称的布置在所述混凝土桥墩(8)前、后、左、右四个方向的所述弹性连接装置。

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