CN112921828A - 大跨度铁路钢桁梁桥悬臂架设超高承重支架柔性抄垫装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了大跨度铁路钢桁梁桥悬臂架设超高承重支架柔性抄垫装置，包括自下而上依次连接的底部结构、楔形钢板、橡胶支座、顶部结构，所述底部结构包括依次连接的第一抄垫钢板、铸钢板，所述橡胶支座包括自下而成依次连接的第二抄垫钢板、橡胶垫、第三抄垫钢板，所述第一抄垫钢板、第二抄垫钢板、第三抄垫钢板均采用三层钢板。本发明装置中含板式橡胶支座及楔形钢板，以此解决偏心及转角的问题，同时还具有安全度高、抄垫成本低、适应性强的优势。
Description
技术领域
本发明属于桥梁设计领域，尤其涉及大跨度铁路钢桁梁桥悬臂架设超高承重支架柔性抄垫装置。
背景技术
山区大跨度铁路桥多为悬索桥及斜拉桥，索结构施工难度大，后期维护成本高。大跨度连续钢桁梁结构将越来越多应用于山区桥梁，钢结构材料轻质高强，跨越能力大，具有较好的塑性和韧性，在跨越江河、山谷及既有线路的桥梁具有较大的优势。
钢桁梁结构施工根据施工现场条件一般可选用吊索塔架悬臂架设和支架法悬臂架设。当地基条件允许，采用支架法悬臂架设时，由于支架高度和风荷载效应更小，施工方案更为节省和安全，是一种可广泛推广的架设方法，已知采用支架法悬拼架设合龙的特大桥有：玉磨铁路元江特大桥、成贵铁路五通岷江特大桥、厦深铁路榕江特大桥等。
玉磨铁路元江特大桥采用(108+151.5+249+151.5+108)m上承式连续钢桁梁结构，钢桁梁全长为768m，总重约为20188t，是我国首次建造大跨度上承式连续钢桁梁铁路桥。主跨跨度249m，桁高由16m渐变至36m，主墩高度154m，桥梁结构高度203m，以上指标在世界铁路桥梁建设领域均居于首位。
元江特大桥跨越红河深切河谷，采用支架法双向对称悬臂架设施工，并最终在跨中合龙。架设现场山高坡陡沟深，地形地貌复杂，施工难度巨大，全桥设置11处钢支架，其中次边跨(跨度151.5米)仅在中点位置处设置110m和 130m的超高临时支墩，钢桁梁距红河水面高220米，结构受峡谷风荷载效应明显。次边跨悬臂长度达81米，在超高墩支点位置产生较大偏心和转角，是支架法悬臂架设施工中需要应对的难题。
成贵铁路五通岷江特大桥采用(140m+224m+140m)下承式连续钢桁梁结构，主桥采用变桁高双主桁连续钢桁梁结构形式，双主桁为2N型和K型组合桁架，桁宽14m，下弦采用变截面设计，边跨端部及跨中桁高16m，中支点桁高32m，节间长度均为14m，全桥共36个节间，重约12600吨。
成贵铁路五通岷江特大桥在已建成通车的乐宜高速五通岷江公路大桥上游 1.63公里处跨越岷江，架设之初，利用枯水期完成筑岛、钢栈桥、辅助支架施工，全桥设置12处临时钢支架，采用支架法双向对称悬臂架设施工，并最终在跨中合龙。
厦深铁路榕江特大桥采用(110m+220m+220m+110m)钢桁梁柔性拱是厦深铁路的重点控制工程，主桥钢桁梁的总重量约16000吨，采用支架法悬臂架设并最终在跨中合龙。
采用支架法悬臂架设，借助临时墩悬拼时，钢梁下挠引起偏心受力，对主辅结构不利。具体来说，支架法悬臂架设时，钢桁梁悬臂端会在支架支承位置产生偏心弯矩以及转角，支架的抄垫装置需考虑处理偏心及转角造成的竖向传力不均以及局部应力集中的问题。
抄垫装置作为钢桥与承重之间的传力部件，常用做法有两种：纯钢板抄垫及定制的桥梁铰支座。
纯钢板抄垫，抄垫投入成本低，但无法很好解决偏心弯矩以及转角问题，竖向力传递集中与悬臂一侧，同时由于转角，支架实际支承面积窄，支架单侧 (或构件单侧)受力过大，支架投入成本因此增大，整体方案费用反而增加。实际施工中，抄垫钢板不平整，可能导致桥梁与抄垫间传力存在“点对点”，局部应过大，安全风险较高。
采用桥梁铰支座抄垫可有效解决竖向力偏心的问题，同时适应转角，但桥梁铰支座施工成本较高，重复利用难度大，使用条件苛刻。
因此，申请人自主研发出了大跨度铁路钢桁梁桥悬臂架设超高承重支架柔性抄垫装置，装置中含板式橡胶支座及楔形钢板，以此解决偏心及转角的问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供了大跨度铁路钢桁梁桥悬臂架设超高承重支架柔性抄垫装置。
本发明的具体技术方案如下：
大跨度铁路钢桁梁桥悬臂架设超高承重支架柔性抄垫装置，包括自下而上依次连接的底部结构、楔形钢板、橡胶支座、顶部结构，所述底部结构包括依次连接的第一抄垫钢板、铸钢板，所述橡胶支座包括自下而成依次连接的第二抄垫钢板、橡胶垫、第三抄垫钢板，所述第一抄垫钢板、第二抄垫钢板、第三抄垫钢板均采用三层钢板。
作为优选的技术方案，所述顶部结构是通过增设截面的加劲板及底板形成的结构。
作为优选的技术方案，所述橡胶支座的橡胶垫厚度按照以下公式确定：
E＝5.4×S2
矩形支座
圆形支座
式中：E为支座抗压弹性模量，Mpa；G为支座抗剪弹性模量，Mpa；S为支座形状系数；l0a为矩形支座钢板短边尺寸，mm；l0b为矩形支座钢板长边尺寸，mm；t1为中间单层橡胶垫厚度，mm；d0为圆形支座钢板直径，mm。
作为优选的技术方案，还包括用于加强顶部结构稳定性的局部加强结构。
作为优选的技术方案，所述铸钢板采用多块单层钢板制造而成。
作为优选的技术方案，所述橡胶支座的橡胶垫厚度为40～100mm。
作为优选的技术方案，所述橡胶支座的抗压弹性模量为175Mpa。
作为优选的技术方案，所述顶部结构双侧焊接钢板以减少顶部结构腹板应力。
作为优选的技术方案，所述顶部结构底板位置增加钢板以减少底板应力。
作为优选的技术方案，所述橡胶支座的整体弹性模量根据竖向传力均匀度确定。
有益效果在于：
本发明装置中含板式橡胶支座及楔形钢板，以此解决偏心及转角的问题，同时还具有安全度高、抄垫成本低、适应性强的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1是本发明实施例中的大跨度铁路钢桁梁桥悬臂架设超高承重支架柔性抄垫装置的立面布置图；
图2是本发明实施例中的橡胶垫分布力示意图。
图3是本发明实施例中的钢板垫分布力示意图。
图4是本发明实施例中的摩擦接触建模示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
现在结合说明书附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明实施例是大跨度铁路钢桁梁桥悬臂架设超高承重支架柔性抄垫装置，包括自下而上依次连接的底部结构、楔形钢板4、橡胶支座、顶部结构8，所述底部结构包括依次连接的第一抄垫钢板2、铸钢板3，所述橡胶支座包括自下而成依次连接的第二抄垫钢板5、橡胶垫6、第三抄垫钢板7，所述第一抄垫钢板2、第二抄垫钢板5、第三抄垫钢板6均采用三层钢板。
顶部结构：顶部结构是钢桥和底部支架传力的过渡，以钢桥构件为基础，通过增设截面的、加劲板及底板形成的结构，与钢梁构件一同加工。其设置的目的即根据初步计算得到钢梁转角，以此调整加工底板角度，使底板在架设状态(上墩工况)下水平，总体上减小支承转角并满足竖向承载力要求。
橡胶支座为板式橡胶支座：板式橡胶支座整体(钢板与橡胶的组合体)弹性模量相对于钢板很小(常见1000MPa以内)，与顶部结构(钢构件)接触时，可以均匀竖向力分布，抄垫分布力对比见图2和图3，其趋势为整体弹性模量越小，则竖向力分布约均匀。
板式橡胶支座在加工前除应给出合适的平面尺寸(橡胶支座的长、宽)使之满布外，还应综合考虑两个条件明确板式橡胶支座的胶层厚度及支座总体厚度：(1)整体弹性模量应足够小以确保竖向传力均匀；(2)板式橡胶支座高度不能过高，而造成抄垫位置竖向变形过大，而导致后续施工困难(上永久墩竖向空间不足)。参考原黄河桥经验和试算，本发明实施例中选用总体厚度100mm 以及40mm的胶层厚度(钢板按常用最厚2.5mm)最终计算弹性模量175MPa。
所述橡胶支座的橡胶垫厚度按照以下公式确定：
E＝5.4×S2
矩形支座
圆形支座
式中：E为支座抗压弹性模量，Mpa；G为支座抗剪弹性模量，Mpa；S为支座形状系数；l0a为矩形支座钢板短边尺寸，mm；l0b为矩形支座钢板长边尺寸，mm；t1为中间单层橡胶垫厚度，mm；d0为圆形支座钢板直径，mm。
楔形钢板：楔形钢板是柔性抄垫装置的局部“微调”结构。由于实际架设过程与计算存在误差，架设至承重支架时，底板转角实际测量结果与计算不一致。为确保传力均匀，以实际测量结果为加工依据，铣平加工整体钢板作为板式橡胶支座的“底座”。
底部结构：底部结构与传统钢板抄垫区别不大，特殊情况下(下部支承有整体性需要)应保证抄垫构件的整体性。
局部加强构件：板式橡胶支座因为较小的弹性模量使传力均匀的同时，也存在增加顶部结构应力的不利因素。
具体来说，在所述顶部结构双侧焊接钢板以减少顶部结构腹板应力；所述顶部结构底板位置增加钢板以减少底板应力。
为确保柔性抄垫装置的顺利应用，设计施工时，应确保抄垫构件承载力足够及施工便捷，应用注意点分列如下。
压缩试验：类似于混凝土试块，板式橡胶支座成品必须进行两倍荷载下的压缩试验，过程中，确保板式橡胶支座不应出现极限破坏现象(胶层脱离、钢板露出等)，以此确定板式橡胶支座的实际承载力和实际弹性模量E。
抄垫施工：抄垫构件可利用手拉葫芦、钢丝绳、吊耳等工具实现滚动摩擦，将抄垫构件拖至钢梁下方设计位置处，确定铣平钢板尺寸通过测量可确保密贴紧实，板式橡胶支座与钢板间微小间隙可利用表层橡胶自调平，底部结构可通过薄钢板进行调平。
支架悬拼法为常见的钢桥施工方法，柔性抄垫装置是一种成本较低且可以很好解决偏心和转角的抄垫方式，可以广泛应用。
元江特大桥，次边跨设置有两个超高墩，每个超高墩顶部有两处抄垫支点，每处支点竖向力约2000t，超高墩顶部采用柔性抄垫装置，有效解决偏心和转角问题，目前元江特大桥已经顺利合龙，抄垫钢构件未发生局部变形，超高墩结构受力满足使用需求。元江桥合龙对于我局承建高山峡谷钢桥施工意义重大。
与桥梁铰支座方案相比，按照相同开模费用计算，元江特大桥抄垫方案节省费用118.4万元。
与纯钢板抄垫方案相比，可避免因偏心造成悬臂侧每根钢柱(共8根)竖向力增加而需要的截面增加：PIPE800x14(578kg/m)改为PIPE900x14(617kg/m)， PIPE900x20(877kg/m)改为PIPE1000x20(976kg/m)。初步估计节省钢材 [(617-548)*40+(976-877)*70]*8＝77.5t，节省费用约70万元，同时安全度更高。
综上所述，本发明具有以下优势：
安全度高：主要部件的参数确定均严格按照计算和测量确定，并通过厂家压缩试验实际的弹性模量E，通过E带入整体模型进行建模，计算部件间均采用接触约束(非绑定，见图4)，与实际接近，计算结果可确保抄垫装置满足功能需求的同时安全可靠。
同时在实际应用中发现，板式橡胶支座表层橡胶的弹性模量约为7MPa左右，更容易与钢材表面贴合，有效避免了钢板之间的“点点接触”而造成的局部应力集中。
抄垫成本低：按照相同开模费用计算，桥梁铰支座平均价格30万元(随外形尺寸及承载力变化)，橡胶板支座每块2000元，元江特大桥工程以8块橡胶板支座方案替代4个桥梁铰支座方案，节省费用至少118.4万元。
适应性强：板式橡胶支座的高度较低(常见厚度均不超过100mm)，桥梁铰支座一般高度均在350mm以上，使用上更加灵活。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.大跨度铁路钢桁梁桥悬臂架设超高承重支架柔性抄垫装置，其特征在于：包括自下而上依次连接的底部结构、楔形钢板、橡胶支座、顶部结构，所述底部结构包括依次连接的第一抄垫钢板、铸钢板，所述橡胶支座包括自下而成依次连接的第二抄垫钢板、橡胶垫、第三抄垫钢板，所述第一抄垫钢板、第二抄垫钢板、第三抄垫钢板均采用三层钢板。
2.根据权利要求1所述的大跨度铁路钢桁梁桥悬臂架设超高承重支架柔性抄垫装置，其特征在于：所述顶部结构是通过增设截面的加劲板及底板形成的结构。
3.根据权利要求1所述的大跨度铁路钢桁梁桥悬臂架设超高承重支架柔性抄垫装置，其特征在于：所述橡胶支座的橡胶垫厚度按照以下公式确定：
E＝5.4×S2
矩形支座
圆形支座
式中：E为支座抗压弹性模量，Mpa；G为支座抗剪弹性模量，Mpa；S为支座形状系数；l0a为矩形支座钢板短边尺寸，mm；l0b为矩形支座钢板长边尺寸，mm；t1为中间单层橡胶垫厚度，mm；d0为圆形支座钢板直径，mm。
4.根据权利要求1所述的大跨度铁路钢桁梁桥悬臂架设超高承重支架柔性抄垫装置，其特征在于：还包括用于加强顶部结构稳定性的局部加强结构。
5.根据权利要求1所述的大跨度铁路钢桁梁桥悬臂架设超高承重支架柔性抄垫装置，其特征在于：所述铸钢板采用多块单层钢板制造而成。
6.根据权利要求5所述的大跨度铁路钢桁梁桥悬臂架设超高承重支架柔性抄垫装置，其特征在于：所述橡胶支座的橡胶垫厚度为40～100mm。
7.根据权利要求1所述的大跨度铁路钢桁梁桥悬臂架设超高承重支架柔性抄垫装置，其特征在于：所述橡胶支座的抗压弹性模量为175Mpa。
8.根据权利要求1所述的大跨度铁路钢桁梁桥悬臂架设超高承重支架柔性抄垫装置，其特征在于：所述顶部结构双侧焊接钢板以减少顶部结构腹板应力。
9.根据权利要求1所述的大跨度铁路钢桁梁桥悬臂架设超高承重支架柔性抄垫装置，其特征在于：所述顶部结构底板位置增加钢板以减少底板应力。
10.根据权利要求1所述的大跨度铁路钢桁梁桥悬臂架设超高承重支架柔性抄垫装置，其特征在于：所述橡胶支座的整体弹性模量根据竖向传力均匀度确定。
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Non-Patent Citations (1)
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