CN113356017A - 提升斜拉索预应力效应的刚柔组合拉杆构造 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刚柔组合拉杆构造，至少包括拉杆、拉索和拉索管道；拉索管道位于拉杆内，拉索位于拉索管道内；拉索管道包括第一管道、第二管道；第一管道、第二管道局部内、外套合叠置；拉杆包括第一段和第二段，拉杆还包括嵌补合拢段；拉索张拉时，拉索贯穿设置在未连接的第一段、第二段中；第一管道和第二管道可相对位移以自适应相对位置要求；拉索张拉完毕后，第一管道和第二管道予以封闭连接；嵌补合拢段嵌补在第一段与第二段之间；第一段、嵌补合拢段、第二段三者固定连接为一体形成拉杆。本发明在提高桥梁的整体刚度和耐久性的同时，还提高了刚性拉杆内的斜拉索对主桥箱梁的预应力效应。

Description

提升斜拉索预应力效应的刚柔组合拉杆构造

技术领域

本发明涉及桥梁工程技术领域，尤其涉及斜拉桥。

背景技术

现有技术中，斜拉桥在其横向延伸的桥跨结构与其竖向延伸的桥塔结构之间需要倾斜设置拉索或拉杆，以将桥跨结构的绝大部分载荷传递给桥塔结构。

拉索是柔性结构，一般为圆形截面，主要采用高强度钢筋、钢丝或钢绞线制作。斜拉桥在正常使用过程中，柔性的拉索以承受拉力为主。

拉杆是刚性结构，一般为矩形截面，主要采用预应力钢筋混凝土制作。斜拉桥在正常使用过程中，刚性的拉杆除了承受拉力外，还能承受部分的压力和扭转作用。

在静态的受力方面，由于拉杆的拉伸刚度和扭转刚度比柔性的拉索大许多，而垂度比柔性的拉索小很多，因此刚性的拉杆相比柔性的拉索具有一定的优越性：

(1)提高了整体结构的刚度

对于活载大而挠度限制严格的铁路桥梁，刚性拉杆由于拉伸刚度是柔性拉索的几倍到十几倍，可以大大减小活载挠度，带来梁高与跨度比值的进一步降低。

(2)解决了柔性拉索的疲劳问题

刚性拉杆，其截面尺寸选择的原则是在尽量小的截面尺寸内布置合适的预应力筋，使之能够在最不利的荷载组合作用下不出现拉应力。同时，由于刚性拉杆内混凝土与预应力筋共同受力、变形，尽管活载很大，但是由于刚性拉杆截面比较大，其抗拉刚度往往是柔性拉索的几倍到十几倍，也可以根据需要调整到更大，因此拉杆内预应力筋和混凝土应力幅却很小。据初步的分析计算表明，当钢丝的应力达100MPa时，最大应力与最小应力之差小于50MPa。钢丝最小和最大应力比达到0.95，钢丝锚下控制应力完全可用到0.75R(R为钢丝抗拉强度标准值)。而柔性拉索的铁路斜拉桥在运营阶段的钢丝应力一般都小于0.4R。

(3)解决了柔性拉索的耐火性问题

采用刚性拉杆的斜拉桥在发生火灾时，刚性拉杆由于其预应力钢绞线是被混凝土厚厚的包裹在内部，不会因外界温度迅速升高而抗拉强度急剧降低导致丧失抗拉能力；而采用柔性拉索的斜拉桥在发生火灾时，由于柔性拉索的PE套管的厚度和耐火都较差，相当于直接将钢绞线暴露在高温环境中，这样容易使钢绞线温度迅速升高而抗拉强度急剧降低导致丧失抗拉能力，造成桥梁破坏。

但是，刚性的拉杆也有缺点。由于刚性的拉杆采用预应力钢筋混凝土制作，受施工工序限制，施工时须先浇筑其中的混凝土部分并在混凝土达到设计强度后，才可斜拉位于混凝土内部的预应力钢筋，此时预应力钢筋对主桥箱梁产生的预应力效应要略低于直接采用柔性拉索的结构(因通过结构内部应变协调产生的预应力效应小于通过杆件间位移协调产生的预应力效应)。

以一座三跨斜拉桥为例，采用先最大悬臂、后中边跨合龙的施工方案时，施工方案一(先闭合刚性拉杆，再斜拉内部的柔性拉索)、施工方案二(先张拉内部斜拉索，再闭合刚性拉杆)的对比计算结果表明：施工方案二(先张拉内部的斜拉索、再闭合刚性拉杆)，有助于减小主桥箱梁关键内力控制区域(中支承、中跨跨中)的自重内力值5～6％以上，减小中跨跨中自重向下挠度值约5％以上。

现有技术中，即有采用柔性拉索的斜拉桥，也有采用刚性拉杆的斜拉桥，各自具有上述各自的优点和缺点，例如：

CN 111395210A公开了一种用体外预应力筋提高桁架梁桥承载能力的方法，主要是通过对桁架梁桥施加体外预应力(类似柔性斜拉索)，有效减少桁架梁跨中区域的弯矩，并使荷载弯矩沿跨方向相对均衡合理，同时增大桁架结构的刚度，从而可以降低桁架梁高，或在相同设计桁架高度下增大普通桁架梁桥的跨径。由于体外预应力施加时须锚固在桥墩附近的竖向腹杆处，故各杆件须先组合形成桁架体系，才可后张拉体外预应力，且体外预应力类似柔性斜拉索，无法克服刚性拉杆和柔性索各自缺点，且未提供如何解决的技术启示。

CN211312198U公开了一种大跨度斜拉桥斜拉索锚固牵引装置，主要是通过采用钢绞线软牵引和梁端反压两种方式相结合，利用钢绞线软牵引将斜拉索的锚杯从锚固箱的索导管的外端穿入锚固箱的索导管内，再利用梁端反压将锚杯沿索导管压出穿入锚固箱内并锁紧，实现斜拉桥的斜拉索的安装固定。该技术主要是通过改进斜拉索牵引方法和牵引设备，来解决大跨度斜拉桥斜拉索安装时因梁端牵引力大和锚固箱内部操作施工空间有限导致安装困难的问题。但该技术仍无法克服刚性拉杆和柔性索各自缺点，且未提供如何解决的技术启示。

CN208830123U公开了一种矮塔斜拉桥索梁连接锚固装置，包括斜拉索锚固于钢锚箱，钢锚箱通过竖向钢支撑与主梁底部相连，通过横向钢支撑与主梁顶部相连，通过纵向钢支撑与近桥塔侧主梁上部相连；当主梁为混凝土箱梁时，预先在箱梁内设置水平钢托杆及竖向钢压杆，竖向钢支撑与水平钢托杆相连；当主梁为钢主梁时，各钢支撑与主梁相应部位进行焊接。该技术主要是通过竖向钢支撑、横向钢支撑和纵向钢支撑，将柔性斜拉索索力分散传递至腹板处主梁或钢主梁的上、下部，优化索力传递和主梁受力性能。但该技术仍无法克服刚性拉杆和柔性索各自缺点，且未提供如何解决的技术启示。

CN 106592441A公开了一种斜拉桥斜拉索的安装方法，包括如下步骤：在主梁节段上安装梁下锚固装置；在索塔上安装塔端锚固装置；将斜拉索外护套管吊装抬升并以预设角度布设，以与该斜拉索所对应的梁下锚固装置和塔端锚固装置共线布置；将钢绞线自塔端到梁端逐一贯穿外护套管，并将每条钢绞线的两端分别锚固在梁下锚固装置和塔端锚固装置上；对斜拉索进行整体张拉。该技术主要是通过先吊装抬升柔性斜拉索外护套管后穿斜拉钢索的方法，降低施工措施费。但该技术仍无法克服刚性拉杆和柔性索各自缺点，且未提供如何解决的技术启示。

CN206256378U公开了一种矮塔斜拉桥斜拉索在混凝土箱梁上的锚固结构，包括箱梁，在箱梁的梁底对应于腹板的位置处设置混凝土锚固齿块，混凝土锚固齿块通过齿块钢筋与箱梁连接；在腹板内预埋斜拉索钢套管，斜拉索钢套管中设置斜拉索，斜拉索张拉端设置锚具。斜拉索张拉端的锚具外设防护罩。在箱梁内设置横隔板。该技术主要是通过在箱梁底部设置混凝土锚固齿块+腹板预埋斜拉索钢套管，来解决矮塔斜拉桥箱梁截面较小、宽度较窄、梁高较低时，箱室较小、斜拉索张拉操作空间不足导致斜拉索锚固困难的问题。但该技术仍无法克服刚性拉杆和柔性索各自缺点，且未提供如何解决的技术启示。

CN203782590U公开了一种用于斜拉桥斜拉索张拉及索力调整装置，包括张拉千斤顶、张拉分配梁以及与张拉千斤顶下端的撑脚相连的将斜拉索张拉力传至挂篮纵梁上的张拉杆，张拉分配梁设于撑脚下端面，还包括设于撑脚下端面和张拉分配梁之间的球铰支座，该球铰支座的轴向设有可以穿过张拉杆的通孔。该实用新型采用角度调节装置使其可以在挂篮的移动施工中根据不同的拉索与桥面空间角度的不同而进行调整施工，使施工避免因角度的而产生斜拉索的张力不够、精度不准或张力难以调整的问题，结构简单，实用性强，可以改进传统作业的调整斜拉索的角度的问题，使挂篮施工更加符合实际需求。该技术主要是通过提供一种装置，在斜拉桥拉索浇筑施工中，可使挂篮能够根据不同的角度进行调整，使其张力到达最佳的张力状态，以便解决前弧形斜拉索桥面或扇形斜拉索桥面的支点挂篮锚固端斜拉索的空间位置变化的问题。但该技术仍无法克服刚性拉杆和柔性索各自缺点，且未提供如何解决的技术启示。

CN 102535348B公开了一种铰塔斜拉桥斜拉索的张拉方法，其中，斜拉桥包括梁体、桥塔和斜拉索，桥塔由位于梁体上方的主塔和与梁体刚性连接的下塔柱构成，主塔与下塔柱之间采用铰接；斜拉索的张拉方法包括：施工桥梁基础，桥梁基础包括桩基、承台和墩柱，完成梁体架设的同时完成下塔柱的施工；施工与下塔柱铰接的主塔，并完成位于主塔一侧斜拉索的挂索；完成位于主塔另一侧斜拉索的挂索及张拉。该技术主要是通过仅张拉桥塔一侧的斜拉索来简化斜拉索的张拉过程、提高工作效率，消除因桥塔两侧斜拉索索力不平衡而造成桥塔弯曲的缺陷。但该技术仍无法克服刚性拉杆和柔性索各自缺点，且未提供如何解决的技术启示。

CN 102286944B公开了一种斜拉桥斜拉索更换装置，用于更换连接在斜拉桥主梁上的待换斜拉索，该更换装置包括安装在待更换斜拉索上的张拉装置和计算机数据采集系统。该技术主要是通过安装在待更换斜拉索上的张拉装置和计算机数据采集系统组合形成一套斜拉桥斜拉索的更换装置，来满足斜拉桥斜拉索运营养护期间的更换要求。但该技术仍无法克服刚性拉杆和柔性索各自缺点，且未提供如何解决的技术启示。

因此设计一种兼具“柔性拉索的预应力效率高”、“刚性拉杆的整体结构刚度大和耐久性好”二个优点的斜拉结构，对增大相关桥型的经济适用范围具有重要的意义。

由于大跨度桥梁的恒载比重占比约90％以上，因此解决上述技术问题对大跨度桥梁的意义就更显著。

本技术领域的技术人员致力于解决上述技术问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的技术目的之一在于提供一种兼具柔性拉索和刚性拉杆各自优点的刚柔组合拉杆构造，以提升斜拉桥的斜拉索预应力效应。

为实现上述技术目的，本发明提供了一种提升斜拉索预应力效应的刚柔组合拉杆构造，至少包括拉杆、拉索和拉索管道；所述拉索管道位于所述拉杆内，所述拉索位于所述拉索管道内；所述拉索管道包括第一管道、第二管道；所述第一管道、所述第二管道局部内、外套合叠置；所述拉杆包括第一段和第二段，所述拉杆还包括嵌补合拢段；

所述拉索张拉时，所述拉索贯穿设置在未连接的所述第一段、所述第二段中；所述第一管道和所述第二管道可相对位移以自适应相对位置要求；

所述拉索张拉完毕后，所述第一管道和所述第二管道予以封闭连接；所述嵌补合拢段嵌补在所述第一段与所述第二段之间；所述第一段、所述嵌补合拢段、所述第二段三者固定连接为一体形成所述拉杆。

进一步地，所述拉索管道的圆弧段范围的底部设置有横截面为半圆形或弧形并与所述拉索管道内壁吻合、密贴固定的内衬。

进一步地，所述拉杆的横截面为开口槽形或多边形。

进一步地，所述拉杆内部还横向地间隔设置多个隔板，每一所述隔板上开设有贯穿孔以保持所述拉杆内部空间的连续畅通。

进一步地，所述拉索管道沿着所述拉杆的长度方向延伸，穿越所述拉杆内的多道横向隔板并与各个隔板之间固定连接。

进一步地，所述拉杆的所述第一段与桥面上的斜腹杆固定安装形成整体；所述拉杆的所述第二段预先固定在主桥箱梁的内部；所述拉索的两端分别延伸至位于桥墩两侧的主桥箱梁内锚固。

本发明的有益效果：

本发明的刚柔组合拉杆构造，将斜拉桥体系的柔性拉索与桁架体系的外置刚性拉杆组合在一起，不仅使二者内外结合，尤其是通过创新设置的管道套叠段和拉杆嵌补合拢段，将本发明的刚柔组合拉杆构造的合拢时机调整为在柔性拉索张拉完成后，有效地提升了本发明的刚柔组合拉杆构造中的柔性拉索的预应力效应。

本发明克服了现有技术中柔性的拉索、刚性的拉杆各自的缺点，将两者各自的优点有机地结合在一起，达到了兼具“柔性拉索的预应力效率高”、“刚性拉杆整体结构刚度大和耐久性好”二个优点，在提高桥梁的整体刚度和耐久性同时，还提高了斜拉索对主桥箱梁的预应力效应。

附图说明

图1为本发明的构造一具体实施例的总体结构示意图。

图2为图1中A局部结构放大示意图。

图3为图1中B局部结构放大示意图。

图4为图3中C局部管道结构横剖面示意图。

图5为本发明的方法一具体实施例的步骤一状态示意图。

图6为本发明的方法一具体实施例的步骤二状态示意图。

图7为本发明的方法一具体实施例的步骤三状态示意图。

图8为本发明的方法一具体实施例的步骤四状态示意图。

图中，1拉杆、11第一段、12第二段、13嵌补合拢段、2拉索、3拉索管道、31第一管道、32第二管道、4主桥箱梁、41第一支架、42第二支架、5斜腹杆、51预埋段、52支架安装段、6内衬。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

实施例：

如图1至图4所示，本发明的刚柔组合拉杆构造一具体实施例，至少包括：拉杆1、拉索2和拉索管道3。拉索管道3位于拉杆1的内部，拉索2位于拉索管道3的内部。

拉杆1一般采用全钢材质焊接成形，为刚性结构件，包括与桥面上方斜腹杆固定安装的第一段11、预埋(或预设)在主桥箱梁4内的第二段12，以及在施工完成状态时位于第一段11与第二段12之间的嵌补合拢段13。

在不同实施例中，拉杆1的截面形状及尺寸根据具体结构的受力性能、建筑景观要求、施工工艺等多种因素综合选取(此为现有技术)。例如，拉杆1的横截面可采用开口槽形、多边形(例如矩形等)，并在内部形成有贯穿的空间。

在不同实施例中，拉杆1、拉杆2内部还可以横向地间隔设置多个隔板，每一隔板上开设有贯穿孔以保持拉杆1、拉杆2内部空间的连续畅通。

拉索2一般采用柔性的预应力钢绞线制成，穿设在拉索管道3内。

拉索管道3一般采用钢管制成，设置在拉杆1的内部空间中，沿着拉杆1的长度方向延伸，并穿越拉杆1内侧的多道横向隔板，通过焊接等固定方式与各个隔板之间形成可靠连接。

拉索管道3包括第一管道31、第二管道32。第一管道31、第二管道32局部内、外套合叠置。

其中，靠近桥墩一侧的第一管道31设置在第一段11和嵌补合拢段13内。靠近跨中一侧的第二管道32设置在主桥箱梁4局部、第二段12、嵌补合拢段13内侧。

尤其是，第一管道31的内径略大于第二管道32的外径，以便二者在嵌补合拢段13范围内呈内、外套合叠置，并在拉索2张拉完成后予以密闭，满足管道压浆所需密封要求。

在拉索2张拉时，拉索2贯穿在第一段11、第二段12中，但此阶段无需嵌补合拢段13；第一管道31和第二管道32可相对位移以自适应相对位置要求。此状态时，第一管道31和第二管道32、拉杆1的第一段11与拉杆1的第二段12之间分别不存在力的传递。

在拉索2张拉完毕后，拆除主桥箱梁4下方的支架，拉杆1内的第一管道31和第二管道32的重叠部分予以封闭合拢呈密闭连接状态。此后阶段，需要嵌补合拢段13(可通过机械方式适当调整嵌补合拢段13的长度尺寸，以适应拉索2张拉后第一段11与第二段12的间距)；第一段11、第二段12、嵌补合拢段13三者通过焊接等方式固定为一体，形成一个完整的、刚性的拉杆1。

在其他实施例中，也可以第一管道31的外径略小于第二管道32的内径；同样可以实现二者呈内、外套合叠置，在拉索2张拉过程中二者可相对位移，在拉索2张拉完毕后二者可内外套合后予以封闭形成密闭连接状态。

在具体实施中，一座完整的斜拉桥结构，其桥墩两侧结构对称，因此一座完整的斜拉桥结构在桥墩两侧分别设置有至少一套本发明的刚柔组合拉杆构造。当然在不同实施例中，可以是二套、三套甚至更多正整数套。

二个拉杆1的第二段12分别位于桥墩的各一侧，对称地分别埋设在主桥箱梁4的内部。

二个拉杆1的第一段11也分别位于桥墩的各一侧，对称设置。

拉索2贯穿在位于桥墩各一侧的二个拉杆1中，通过相邻的二个第一段11顶部位置设置的拉索管道3的转向管道，拉索2的两端分别延伸至位于桥墩两侧的主桥箱梁4内锚固。

拉索2位于拉索管道3内，在拉索2斜拉完成后，采用管道真空压浆工艺予以封闭，以提高拉索2的耐久性。

进一步地，拉索管道3的转向管道(即圆弧段)范围的底部，设置有横截面为半圆形或弧形、并与拉索管道3内壁基本吻合、密贴固定的不锈钢材质的内衬6，以适当提高管道材料硬度、减小拉索管道3的摩擦系数，确保拉索2的有效预应力。

实施例：

如图5至图8所示，本发明的刚柔组合拉杆构造的施工方法一具体实施例，包括以下步骤：

步骤一：

1.1)搭设位于主桥箱梁4下方的第一支架41；

1.2)预埋拉杆1的第二段12(含第二管道32)、及V形的斜腹杆5的预埋段51；

在一些实施例中，当主桥箱梁采用钢箱梁或钢混组合梁形式时，预埋件可预先在工厂内与钢箱梁同步制作完成。

1.3)浇筑主桥箱梁4的混凝土；待前述混凝土强度和弹性模量达到设计要求时，张拉主桥箱梁4内的预应力钢索。

在一些实施例中，当主桥箱梁4采用钢箱梁或钢混组合梁形式时，可采用分段在工厂制作，整体预拼合格后运至工地支架原位拼装的施工方法。

步骤二：

2.1)搭设位于主桥箱梁4顶面上方的第二支架42，安装斜腹杆5的支架安装段52及拉杆1的第一段11；

2.2)设置第一管道31；第一管道31与第二管道32呈局部内、外套合叠置；

2.3)拉索2穿束并贯穿第一管道31、第二管道32；

2.4)然后张拉拉索2；

尤其需要指出的是：本步骤中张拉拉索2的过程中，拉杆和管道由于第一段、第二段并未连接在一起，因此拉杆和管道不受力。本步骤实现了体外拉索预应力效率高的优点。

步骤三：

3.1)拆除步骤一搭设的主桥箱梁4下方的第一支架41，拆除时须对称、均匀；

3.2)套合叠置部分的第一管道31、第二管道32予以封闭连接；对封闭连接后的第一管道31和第二管道32，采用管道真空压浆工艺予以封闭；

3.3)在拉杆1的第一段11与第二段12之间，焊接安装嵌补合拢段13，使得第一段11、第二段12、嵌补合拢段13三者固定连接，拉杆1合拢为一体的刚性件。

尤其需要指出的是：本步骤中，在拉杆的第一段与第二段之间，嵌补安装了嵌补合拢段后，三者固定形成刚性件，拉杆受力。本步骤之后，拉索埋设在拉杆内，实现了兼具“柔性拉索的预应力效率高”、“刚性拉杆的整体结构刚度大和耐久性好”的优点。

步骤四：

4.1)拆除步骤二搭设在主桥箱梁4顶面上的第二支架42；拆除时须对称、均匀。

本发明的刚柔组合拉杆构造，将斜拉桥体系的柔性拉索与桁架体系的外置刚性拉杆组合在一起，不仅使二者内外结合，尤其是通过创新设置的管道重合套叠段和拉杆嵌补合拢段，并将本发明的刚柔组合拉杆构造的合拢时机调整为在柔性拉索张拉完成后，有效地提升了本发明的刚柔组合拉杆构造中的柔性拉索的预应力效应。

本发明克服了现有技术中柔性的拉索、刚性的拉杆各自的缺点，将两者各自的优点有机地结合在一起，达到了兼具“柔性拉索的预应力效率高”、“刚性拉杆的整体结构刚度大和耐久性好”二个优点，提高了柔性拉索对主桥箱梁的预应力效应，还提高了桥梁的整体刚度和耐久性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种提升斜拉索预应力效应的刚柔组合拉杆构造，至少包括拉杆、拉索和拉索管道；其特征在于：所述拉索管道位于所述拉杆内，所述拉索位于所述拉索管道内；所述拉索管道包括第一管道、第二管道；所述第一管道、所述第二管道局部内、外套合叠置；所述拉杆包括第一段和第二段，所述拉杆还包括嵌补合拢段；

所述拉索张拉时，所述拉索贯穿设置在未连接的所述第一段、所述第二段中；所述第一管道和所述第二管道可相对位移以自适应相对位置要求；

所述拉索张拉完毕后，所述第一管道和所述第二管道予以封闭连接；所述嵌补合拢段嵌补在所述第一段与所述第二段之间；所述第一段、所述嵌补合拢段、所述第二段三者固定连接为一体形成所述拉杆。

2.如权利要求1所述的刚柔组合拉杆构造，其特征在于：所述拉索管道的圆弧段范围的底部设置有横截面为半圆形或弧形的内衬。

3.如权利要求1所述的刚柔组合拉杆构造，其特征在于：所述拉杆的横截面为开口槽形或多边形。

4.如权利要求1所述的刚柔组合拉杆构造，其特征在于：所述拉杆内部还横向地间隔设置多个隔板，每一所述隔板上开设有贯穿孔以保持所述拉杆内部空间的连续畅通。

5.如权利要求4所述的刚柔组合拉杆构造，其特征在于：所述拉索管道沿着所述拉杆的长度方向延伸，穿越所述拉杆内的多道横向隔板并与各个隔板之间固定连接。

6.如权利要求1至5任一所述的刚柔组合拉杆构造，其特征在于：所述拉杆的所述第一段与桥面上方的斜腹杆固定安装形成整体；所述拉杆的所述第二段预先固定在主桥箱梁的内部；所述拉索的两端分别延伸至位于桥墩两侧的主桥箱梁内锚固。

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