CN116802359A - 复合rcc桥面和预应力抛物线形底弦杆下悬式空腹钢梁桥梁上部结构 - Google Patents
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Abstract
复合桥面提高了桥梁的强度和刚度。预应力复合空腹钢梁增加了高强度缆支撑的优点。给出了一种典型的具有9.0m、10.0m和12.5m的高度的125m跨度的桥梁以及另一种50.0m跨度和2.5m高度的桥梁的结果。在架设过程中构件应力和桥梁挠度保证安全。125m桥梁的平均钢卸载量为2.65t/m，50m跨度的桥梁的平均钢卸载量为1.77t/m，用于限制跨度/800的活载荷挠度。其储备强度是使用条件下活载荷的3.2倍。梁采用板式车间制造、现场组装、用千斤顶提升或用起重机吊装，以固定在支座上。进行横向构件的连接，并以分阶段底弦杆预应力在现场浇筑桥面各构件。公路、铁路、地铁、以及海岸连桥项目的单车道或多车道的短跨度桥梁到长跨度桥梁均是可行的。
Description
技术领域
所发明的“复合RCC桥面和预应力抛物线形底弦杆下悬式空腹钢梁桥梁上部结构”属于土木工程中的桥梁工程领域。短(10m)跨度上部结构至长(200m)跨度上部结构可用于与单车道或多车道的公路、铁路、地铁、高架桥(fly over)和海上连桥(sea link)有关的基础设施项目。
背景技术
在公路、铁路和类似地铁的交通系统中，经常需要桥梁(如高架桥和海上连桥等)来跨越河流。对于桥梁来说，使用高抗拉强度(high tensile strength，HTS)钢缆来建造长跨度悬索桥、斜拉桥和最近的应力带桥非常经济。然而，HTS缆非常灵活，这导致了桥梁的结构缺点。
使用剪切连接件，当RCC桥面板与下悬式空腹钢梁桥上部结构的顶弦杆复合制造时，可以防止其屈曲并显著提高桥梁的强度和刚度。底弦杆的预应力，除了在桥面板中产生有利的预压缩外，还抵消了施加载荷引起的张力，并且其也施加了平衡用的向上推力。这类在底弦杆中使用HTS缆的桥梁由于其高强度而被发明出来。如果做成抛物线形(多边形)，桥梁的底弦杆剖面由于自重或活载荷在均匀分布的载荷下会产生均匀的张力，这有利于其预应力。因此，发明了“复合RCC桥面和预应力抛物线形底弦杆下悬式空腹钢梁桥梁上部结构”，以下简称“预应力复合桥梁”。
发明目的
本发明的目的是发明一种强度高、结构钢消耗低、成本低、储备强度高、易于架设的稳健的预应力复合桥梁上部结构，其中下部结构和上部结构施工可以计划为并行活动，从而减少施工时间和成本。本发明还旨在提供这种类型的桥梁上部结构的解决方案，该解决方案适用于短跨度(10m)和长跨度(200m)，适用于单车道或多车道的公路、铁路、地铁、高架桥和海岸连桥等项目。
发明内容
给出了用于125m跨度和50m跨度的预应力复合桥梁的典型设计和近似架设阶段分析实例。当所有架设阶段的梁应力都很低且安全时，构件在使用极限状态(ServiceabilityLimit State，SLS)条件下的应力也是非常安全的，因为SLS条件下的极限挠度是主要的。
对于125m跨度的桥梁，对于A级IRC载荷的两车道，SLS条件下的最大挠度为155.6mm，平均钢卸载量为2.65t/m，对于50m跨度的桥梁，最大挠度为57.6mm，平均钢卸载量为1.77t/m。
由于SLS条件应力较低，对于125m跨度的桥梁，在SLS条件之上直至屈服条件的保守储备强度是SLS条件下活载荷的3.2倍，对于50m跨度的桥梁，为2.8倍。因此，发明了这类桥梁的设计和施工方法，其得到了现有的实践准则下的设计指南的支持。
表1给出了125m和50m跨度桥梁在钢卸载量、构件应力、施加的预应力和活载荷下的挠度方面的设计和架设阶段分析结果的概述。
表1设计和架设阶段分析结果
从这些结果可以看出，预应力复合桥梁上部结构是经济的、刚性的并且具有高的储备强度。
附图说明
在考虑以下对本发明的实施方式的详细描述时，特别是结合附图考虑时，本发明的实施方式的上述和进一步的特征和优点将变得显而易见，并且其中：
图1示出了梁的线形图，其中示出了顶弦杆(1)、底弦杆(2)和腹板构件(3)。“A”处的缆锚固细节如图2所示。27T15标准缆(4)和锚固件(5)示出在底弦杆内并沿底弦杆对齐。复合RCC桥面浇筑在顶弦杆上方，使用剪切连接件(6)支撑横梁和桁条梁。端部横梁(7)连接两个主梁。端部处的梁支撑在支座(8)上，梁外的RCC桥面板支撑在土墙(9)上。图3示出了桥梁的FEM模型。图4示出了125m x 9m预应力复合桥梁的使用载荷应力。图5至图10示出了相应施工阶段1至6期过程中的构件应力。示出了50m x 2.5m桥梁的线形图(图11)、三维FEM模型视图(图12)和活载荷轴向应力(图13)。在图14中给出50m x 23m上部结构布置的线形草图。
为了更好地理解，图标题和简要说明也在表2中给出。
表2-图标题及简要说明
具体实施方式
此处使用的标题仅用于组织目的，并不意味着用于限制说明书或权利要求的范围。贯穿本申请使用的词语“可以”是以许可的含义(即，意味着有可以)而不是强制性的含义(即，意味着必须)来使用的。同样，词语“包括”、“包含”和“含有”的意思是包括但不限于。为了便于理解，在可能的情况下，相同的参考标号用于指代各图共有的相同元件。除非在上下文使用时另有说明，否则图的可选部分可使用虚线或点线来说明。
设计了一座典型的125m跨度、9m深的复合预应力2车道空腹钢梁桥，其二维线形草图如图1所示。顶弦杆由500mm x 500mm x 16mm箱形区段组成，底弦杆为500m x 600mm x22mm箱形区段，并且腹板构件的截面为500mx 200mm x 16mm。
图2中示出了下悬式桥上部结构的支撑件处的典型锚固系统。在端板中使用具有410N/mm2屈服应力的E410级钢用于锚固区、支撑区和过渡区中的高强度。对于每根梁，在125m跨度的情况下，使用两根27T15缆。除了顶板和底板之外，来自缆锚固件的载荷通过延伸的两块E410级底弦杆侧板和一块中央加强板(10)传递。锚固系统必须采用高规格(fos)设计，在车间制造，并且在组装之前进行测试。
分析：
使用FEM软件，将上部结构作为空间框架进行分析，其中复合桥面被建模为板元件，其模型如图3所示。对两条A级(IRC:6-2017)载荷车道进行了分析，在使用状态下的低构件轴向应力图如图4所示。
桥梁在活载荷下的最大挠度为155.6mm，其在跨度/800的规定限值范围内。桥上部结构的平均钢卸载量为2.65t/m，其显著低于类似的空腹钢梁上部结构钢卸载量。还分析了平行的125m跨度、10m深度和12.5m深度的梁模型，并对9m、10m和12.5m深度的梁的结果进行了比较。
桥梁上部结构的架设：
桥梁的梁面板可以使用焊接连接或HSFG螺栓连接在车间中制造。将面板运输到现场，在现场组装并连接，并且使用千斤顶或起重机或任何其他合适的设备将各单独的梁提升以牢固地放置在支座上。然后可以连接用于顶弦杆和底弦杆的横向构件。使用粘合剂和阶段预应力将用于上部结构的桥面板浇筑成对称部分。
HTS预应力缆铺设在抛物线形底弦杆中。绞线的预应力是根据设计分阶段进行的。对于125m x 9m桥梁的情况，构件应力和最大挠度的不同施工阶段的结果如图4至图10所示。
下面给出了每个底弦杆中两个27T15缆的阶段预应力的典型实例。
第1阶段：安装(launch)包括横构件、横梁和桁条梁的梁，并适当施加2000kN的预应力(图5)。在本阶段中，在梁的中间跨度处的挠度为17.8mm(向下)。
第2阶段：施加额外的2000kN预应力(图6)。在本阶段中，在梁的中间跨度处的挠度为151.7mm(向上)。
第3阶段：在任一端的1/5跨度浇筑桥面板。本阶段包括5kN/m2的施工载荷。在本阶段中，在梁的中间跨度处的挠度为3.5mm(向上)。
第4阶段：在第3阶段混凝土浇筑10天后，施加额外的1000kN预应力，并浇筑下一个1/5跨度(11)。在本阶段中，在梁的中间跨度处的挠度为121.7mm(向下)。
第5阶段：在第4阶段混凝土浇筑10天后，施加额外的1000kN预应力，并浇筑中心1/5跨度(11)。在本阶段中，在梁的中间跨度处的挠度为7.6mm(向下)。
第6阶段：在桥面上施加SIDL 28天后，通过额外3100kN的力施加预应力(11)。在本阶段中，在梁的中间跨度处的挠度为75.5mm(向上)。
作为替代方案，两阶段预应力可能更好，其中第一阶段在桥面浇筑之前且第二阶段在其硬化之后。
现在活载荷施加在桥梁上。在本阶段中，在梁的中间跨度处的挠度为80.5mm(向下)。在适当的时候可以施加额外的预应力，以弥补反映在下垂的挠曲方面的与时间相关的损失等。
设计了另一座典型的50m跨度和2.5m深的复合预应力二车道空腹钢梁桥(图11)。顶弦杆由300mm x 300mm x 16mm箱形区段组成，底弦杆为300mm x 450mm x 22mm箱形区段，并且腹板构件具有300mm的宽度、16mm的厚度和250mm的深度。
图12和图13分别给出了使用条件下的FEM模型和轴向应力图。
使用载荷平衡进行的预应力计算：
假设施加预应力后，梁变为水平的，并且缆承受总的永久载荷和一半的冲击下的活载荷。根据最终桥面剖面的要求，可以针对损失等进行更精细的预应力调整。
以抛物线形底弦杆中心为原点，其公式为：
y＝ax2,或a＝2.5/(25x25)＝0.004
(dy/dx)end＝2ax＝0.008x25＝0.2rad
平衡载荷＝SW-750+桥面-2660+WC-610+CB-750+(冲击下的LL)/2-604＝5374kN
每个梁所需预应力＝5374/(2x2x0.2)＝6797kN
提供2根19T15(3870kN)缆。
桥面板中的预压缩：
采用桥面板硬化后受力的19T15缆，沿两个底弦杆施加的预应力；
＝2x3870＝7740kN
垂直分量用于支撑，并且水平力＝7740cos 11.4＝7587kN
面积(Cm2)；顶弦杆＝192,等效桥面＝1770,底弦杆＝330
底弦杆的分力(Force shard by bottom chord)＝(330/2292)x 7740x.98＝1093kN
RCC桥面承受的力＝(7740-1093)x 1770/1962＝5996kN
因此，桥面中的轴向应力＝5996000/2125000＝2.8N/mm2
增加比方说1.4N/mm2的混凝土抗拉强度，并适当地保持横梁间距，可以在无裂缝的基础上设计桥面板，这对于复合桥面是非常理想的。
对125m跨度、9m深和50m跨度、2.5m深的两车道公路上部结构梁的典型实例进行了优化，使其钢卸载量分别为331.0t和88.5t。对于在跨度/800的容许挠度范围内的125m和50m跨度，中间跨度处的活载荷引起的最大挠度分别为151.3mm和57.6mm。
对于125m跨度的桥梁，根据设计在不同阶段施加预应力，来检查桥面在架设和混凝土浇筑期间的轴向构件应力，以确保安全。弹性条件下的极限活载荷是125米跨度时SLS活载荷的3.2倍，50米跨度时为2.8倍，这证实了它们的鲁棒性(robustness)。在125m跨度的情况下，对于平行的10m和12.5m深的梁的实例，钢卸载量分别是310t和299t，并且相应的活载荷挠度分别是135.5mm和140.1mm。
混凝土灌浆：上部结构的自重完全由预应力单独支撑，在RCC桥面中具有良好的预压缩，因此，箱型区段的膨胀混凝土灌浆是可取的。混凝土填充的钢管(Concrete FilledSteel Tube，CFST)现在成为复合材料，为桥梁上部结构提供额外的强度和刚度。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于预应力空腹钢梁复合桥梁上部结构施工的方法，所述方法包括：
使用多个空腹构件(3)将复合顶弦杆(1)连接到预应力抛物线形(多边形)底弦杆(2)；
将缆(4)和锚固件(5)在所述预应力抛物线形底弦杆内并沿着所述预应力抛物线形底弦杆对齐；
使用多个剪切连接件(6)支撑横梁(7)、桁条梁和复合桥面板；
将端部横梁(7)与至少两根主梁连接，其中，端部处的主梁支撑在支座(8)上；
获得用于下悬式桥梁的预应力抛物线形(多边形)底弦杆(2)，并将其与所述顶弦杆(1)连接用于在均匀分布的载荷下获得几乎均匀的张力，以获得有利于预应力的复合预应力下悬式桥梁；
所述复合预应力下悬式桥梁高达10m至200m之间的预设跨度；在车间制作多个上部结构面板，现场组装和连接，按主梁安装，然后在现场用设计好的分阶段施加预应力将复合RCC桥面板混凝土浇筑成对称的部分，其中，使用粘合剂将用于所述上部结构的桥面板浇筑成对称的部分；以及
从梁吊装阶段到桥梁试运行阶段，对所述底弦杆进行分阶段施加预应力，有助于在桥梁施工和使用寿命期间在阈值限值范围内对构件应力和桥梁挠度进行管理。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，连接到所述顶弦杆的所述复合桥面板的刚度以及提供给所述复合预应力下悬式桥梁的高抗拉强度缆的强度导致其低挠曲、高强度和刚度、以及在弹性限值内约三倍的储备强度。
3.根据权利要求2所述的方法，包括对铺设在所述抛物线形底弦杆内的高抗拉强度缆预加应力。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述底弦杆(2)的预应力抵消了由于所施加的载荷而引起的张力，并且所述底弦杆的预应力施加用于平衡载荷的向上推力。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述底弦杆(2)的预应力引起所述桥面板的纵向预压缩，这可以使其设计在无裂纹的基础上是可行的，这对于其优良的疲劳性能是高度可取的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，施加预应力以对抗一半的在冲击下的活载荷，将由于所述桥面板中活载荷引起的曲率和梁弯曲应力效应降低到一半。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，当桥梁的所述底弦杆(2)的剖面在被制成抛物线形时，在均匀分布的载荷下由于自重或活载荷而产生均匀的张力，这有利于底弦杆的预应力。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，对于公路、铁路、地铁、以及高架桥和海上连桥等项目的单车道或多车道，所述预设跨度在复合预应力下悬式桥梁的10m至200m之间。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述复合RCC桥面板的安装和混凝土浇筑过程中，通过按要求在不同阶段施加预应力来检查轴向构件应力，以确保其低且安全。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，使用所述多个剪切连接件防止过早屈曲失效并增加其强度和刚度，从而使RCC桥面板与桥梁的所述顶弦杆复合。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，对箱形区段进行膨胀混凝土灌浆将其转化为CFST复合材料，除了防腐蚀外，提高所述上部结构的强度和刚度。
12.一种预应力空腹钢梁复合桥梁，包括：
顶弦杆(1)，其使用多个空腹箱或CFST构件(3)连接到预应力抛物线形(多边形)底弦杆(2)；
多个缆(4)和多个锚固件(5)，其容纳在所述预应力抛物线形底弦杆(2)中并与所述预应力抛物线形底弦杆(2)对齐；
多个剪切连接件(6)，其适于支撑横梁和桁条梁；
多个支座(8)，其被配置为将端部横梁与至少两个主梁连接；以及
复合RCC桥面板(7)，其浇筑在所述顶弦杆(1)、横梁和桁条梁上，并且由于预应力而纵向预压缩，从而使其设计在无裂纹的基础上具有优良的疲劳性能，其中，使用粘合剂将用于所述上部结构的桥面板浇筑成对称的部分。
Claims (12)
1.一种用于预应力空腹钢梁复合桥梁上部结构施工的方法，所述方法包括：
使用多个空腹构件(3)将复合顶弦杆(1)连接到预应力抛物线形(多边形)底弦杆(2)；
将缆(4)和锚固件(5)在所述预应力抛物线形底弦杆内并沿着所述预应力抛物线形底弦杆对齐；
使用多个剪切连接件(6)支撑横梁(7)、桁条梁和复合桥面板；
将端部横梁(7)与至少两根主梁连接，其中，端部处的主梁支撑在支座(8)上；
获得用于下悬式桥梁的预应力抛物线形(多边形)底弦杆(2)，并将其与所述顶弦杆(1)连接用于在均匀分布的载荷下获得几乎均匀的张力，以获得有利于预应力的复合预应力下悬式桥梁；
所述复合预应力下悬式桥梁高达10m至200m之间的预设跨度；在车间制作多个上部结构面板，现场组装和连接，按主梁安装，然后在现场用设计好的分阶段施加预应力将复合RCC桥面板混凝土浇筑成对称的部分；以及
从梁吊装阶段到桥梁试运行阶段，对所述底弦杆进行分阶段施加预应力，有助于在桥梁施工和使用寿命期间在阈值限值范围内对构件应力和桥梁挠度进行管理。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，连接到所述顶弦杆的所述复合桥面板的刚度以及提供给所述复合预应力下悬式桥梁的高抗拉强度缆的强度导致其低挠曲、高强度和刚度、以及在弹性限值内约三倍的储备强度。
3.根据权利要求2所述的方法，包括对铺设在所述抛物线形底弦杆内的高抗拉强度缆预加应力。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述底弦杆(2)的预应力抵消了由于所施加的载荷而引起的张力，并且所述底弦杆的预应力施加用于平衡载荷的向上推力。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述底弦杆(2)的预应力引起所述桥面板的纵向预压缩，这可以使其设计在无裂纹的基础上是可行的，这对于其优良的疲劳性能是高度可取的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，施加预应力以对抗一半的在冲击下的活载荷，将由于所述桥面板中活载荷引起的曲率和梁弯曲应力效应降低到一半。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，当桥梁的所述底弦杆(2)的剖面在被制成抛物线形时，在均匀分布的载荷下由于自重或活载荷而产生均匀的张力，这有利于底弦杆的预应力。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，对于公路、铁路、地铁、以及高架桥和海上连桥等项目的单车道或多车道，所述预设跨度在复合预应力下悬式桥梁的10m至200m之间。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述复合RCC桥面板的安装和混凝土浇筑过程中，通过按要求在不同阶段施加预应力来检查轴向构件应力，以确保其低且安全。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，使用所述多个剪切连接件防止过早屈曲失效并增加其强度和刚度，从而使RCC桥面板与桥梁的所述顶弦杆复合。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，对箱形区段进行膨胀混凝土灌浆将其转化为CFST复合材料，除了防腐蚀外，提高所述上部结构的强度和刚度。
12.一种预应力空腹钢梁复合桥梁，包括：
顶弦杆(1)，其使用多个空腹箱或CFST构件(3)连接到预应力抛物线形(多边形)底弦杆(2)；
多个缆(4)和多个锚固件(5)，其容纳在所述预应力抛物线形底弦杆(2)中并与所述预应力抛物线形底弦杆(2)对齐；
多个剪切连接件(6)，其适于支撑横梁和桁条梁；
多个支座(8)，其被配置为将端部横梁与至少两个主梁连接；以及
复合RCC桥面板(7)，其浇筑在所述顶弦杆(1)、横梁和桁条梁上，并且由于预应力而纵向预压缩，从而使其设计在无裂纹的基础上具有优良的疲劳性能。
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