CN218932829U - 大跨度无推力自平衡伞状结构支承刚构桥 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大跨度无推力自平衡伞状结构支承刚构桥，包括主梁、下弦梁、主墩以及位于边跨和中跨的边墩，所述下弦梁、主墩与主梁形成主跨倒三角框架支承结构，所述边墩与主梁形成边跨倒三角框架支承结构，在边跨倒三角框架支承结构对应的主梁上设置反向的拱形张弦梁；将传统的预应力混凝土连续刚构桥、树状支承结构和张弦梁结构在受力体系上进行组合，形成“无推力‑自平衡”的受力体系的伞状结构桥梁，采用多点支承代替传统竖直墩柱的单点支承，因此主梁的计算跨度被大幅减小，从而使主梁弯矩、剪力得以显著降低。此外，该桥型其余各构件均与承受轴向力为主，各构件截面受力均匀，这样就可以使结构效率和经济性能得以明显提升。

Description

大跨度无推力自平衡伞状结构支承刚构桥

技术领域

本实用新型涉及桥梁领域，具体涉及一种大跨度无推力自平衡伞状结构支承刚构桥。

背景技术

传统的预应力混凝土连续刚构桥具有主墩无需设置支座、结构受力明确、抗震性能较好、行车平顺舒适、施工方便快捷、管护工作量小、经济性能好等特点，是一种适用于山区建设环境的主要桥型。然而，传统的预应力混凝土连续刚构桥基本上都是采用的竖直墩柱支承主梁，随着跨径加大，主梁因承受巨大的弯矩和剪力而需采用变梁高的结构形式。据统计，预应力混凝土连续刚构桥的经济适用范围为主孔跨度不超过200m。当进一步增大跨径时，该桥型因主梁自重过大，混凝土强度将基本被其自重消耗殆尽，在服役中普遍容易出现跨中过度下挠及主梁开裂等缺陷。

因此，需要一种基于预应力混凝土为主的新型的刚构桥，能够可克服大跨径预应力混凝土连续刚构桥通常出现的梁体开裂、跨中下挠等问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种大跨度无推力自平衡伞状结构支承刚构桥，具有自重轻、跨越能力强、结构刚度大的特点，能够可克服常规大跨径预应力混凝土连续刚构桥通常出现的梁体开裂、跨中下挠等问题。

本实用新型的大跨度无推力自平衡伞状结构支承刚构桥，包括主梁、下弦梁、主墩以及位于边跨和/或中跨的边墩，所述下弦梁、主墩与主梁形成主跨倒三角框架支承结构，所述边墩与主梁形成边跨倒三角框架支承结构，在主跨倒三角框架支承结构对应的主梁上设置反向的拱形张弦梁；

进一步，所述主墩上设置有支承主梁的V形分肢墩，在下弦梁上设置支承主梁的立柱，在主梁上对应V形分肢墩和立柱设置倒V形钢撑杆并通过主拉索张拉形成反向张弦梁结构；

进一步，所述倒V形钢撑杆呈扇形分布并与对应的V形分肢墩和立柱同方向设置。

进一步，所述倒V形钢撑杆通过销铰连接主梁，所述主梁上设置有与销铰连接的铰座。

进一步，所述立柱与主梁和下弦梁的连接节点采用UHPC铰，所述UHPC铰包括由UHPC和构造钢筋浇筑成型的连接主体，所述连接主体中部横向内缩形成铰颈；

进一步，所述连接主体内设置有交叉钢筋，所述交叉钢筋的交叉点位于铰颈部，所述交叉钢筋上缠绕有螺旋钢筋；

进一步，所述铰颈与连接主体呈曲面过渡连接；

进一步，所述边墩为相对斜向支承主梁的Y形结构，所述边墩墩柱上设置V形支墩支承于主梁，所述主墩为空心墩；

进一步，所述倒V形钢撑杆顶端部设置用于固定夹紧主拉索的转向鞍座和索夹；

进一步，所述主拉索分为若干束，主拉索穿过主梁并利用主拉索锚块和索套管分散锚固。在主拉索锚块临近的区域内，设置加劲横隔板使主拉索竖向分力匀顺传递至整个主梁截面。

本实用新型的有益效果：本实用新型的大跨度无推力自平衡伞状结构支承刚构桥，将传统的预应力混凝土连续刚构桥、树状支承结构和张弦梁结构在受力体系上进行组合，形成“无推力-自平衡”的受力体系的伞状结构桥梁，采用多点支承代替传统竖直墩柱的单点支承，因此主梁的计算跨度被大幅减小，从而使主梁弯矩、剪力得以显著降低。此外，该桥型其余各构件均与承受轴向力为主，各构件截面受力均匀，这样就可以使结构效率和经济性能得以明显提升。该桥型充分利用各自力学特点并发挥组合结构体系的优点，显著降低结构自重，显著提高结构承载效率和结构刚度，将其最大跨越能力在常规预应力混凝土连续刚构桥的基础上提高至少1.8～2.5倍以上。该桥型的基础以承受竖向力为主，因此基础规模小，尤其适用于山岭重丘桥梁建设环境，特别适用于地质情况较差，无法采用大跨度有推力拱桥，梁拱组合刚构桥、连续刚构的跨度又不能满足的桥位。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为桥梁的立面布置图；

图2为桥梁的横断面布置图；

图3为桥梁的结构体系示意图；

图4为桥梁的结构体系受力机理示意图；

图5为桥梁的空腹段三维结构示意图；

图6为图5中C处的局部放大图；

图7为图5中D处的局部放大图；

图8为上弦梁典型横断面图；

图9为主拉索交叉锚固结构三维结构示意图；

图10为图9中A处的局部放大剖视图；

图11为桥梁的立柱UHPC铰横断面图。

其中，上述附图包括以下附图标记：1—主梁，2—下弦梁，3—空心主墩，4—V形分肢墩，5—立柱，6—倒V形钢撑杆，7—主拉索，8—分肢边墩，9—承台，10—群桩基础，15—梁柱结合段，21—下弦梁-主梁汇合段，31—主墩-下弦梁结合段，41—V形分肢墩-主梁结合段，52—UHPC铰，53—交叉钢筋，54—螺旋钢筋，55—表面构造钢筋，61—转向鞍座，62—索夹，63—销铰，64—台座，111—箱梁顶板，112—箱梁顶板加劲横肋，113—箱梁顶板纵向预应力钢束，115—主拉索锚块，116—箱梁横隔板，122—底板加劲横肋，123—底板纵向预应力钢束。

具体实施方式

图1为桥梁的立面布置图；图2为桥梁的横断面布置图；图3为桥梁的结构体系示意图；图4为桥梁的结构体系受力机理示意图；图5为桥梁的空腹段三维结构示意图；图6为图5中C处的局部放大图；图7为图5中D处的局部放大图；图8为上弦梁典型横断面图；图9为主拉索交叉锚固结构三维结构示意图；图10为图9中A处的局部放大剖视图；图11为桥梁的立柱UHPC铰横断面图。如图所示：本实施例的大跨度无推力自平衡伞状结构支承刚构桥，包括主梁1、下弦梁2、主墩3以及位于边跨和/或中跨的边墩8，所述下弦梁2、主墩3与主梁1形成主跨倒三角框架支承结构，所述边墩8与主梁1形成边跨倒三角框架支承结构，主跨倒三角框架支承结构对应的主梁1上设置反向的拱形张弦梁；反向的拱形张弦梁，是指与常规的张弦梁的方向相反，即方向倒置的张弦梁。该桥型采用多点支承代替传统竖直墩柱的单点支承，因此主梁1的计算跨度被大幅减小；另外，该桥型可利用主拉索7调整结构受力，能显著减小主梁1、下弦梁2的弯矩和剪力。

本实施例中，所述主墩3上设置有支承主梁1的V形分肢墩4，在下弦梁2上设置支承主梁1的立柱5，在主梁1上对应V形分肢墩4和立柱5设置倒V形钢撑杆6并通过主拉索7张拉形成反向张弦梁结构；该桥型由主墩3、下弦梁2、V形分肢墩4、立柱5和主梁1共同形成稳定的树状倒三角框架支承结构，下弦梁2、立柱5和V形分肢墩4均沿主墩3中心线对称布置，主墩3、边墩8分别与群桩基础10之间固结并设有承台9。主梁1、下弦梁2和主墩3相交形成倒三角空腹区，主梁1在倒三角空腹区由呈扇形布置的V形分肢墩4和立柱5支承，下弦梁2和主梁1交汇相交形成下弦梁-主梁汇合段21。上述主梁1在V形分肢墩4和立柱5顶部对应位置设置横隔梁，墩顶节段梁底设置V形分肢墩-主梁结合段41。下弦梁-主梁1汇合段21、V形分肢墩4与V形分肢墩-主梁结合段41、主墩-下弦梁结合段31过渡区域均设置圆弧形倒角。倒三角空腹区外侧的主梁1、下弦梁-主梁汇合段21底缘线形与下弦梁2底缘线形一致。主梁1、下弦梁2、空心主墩3、V形分肢墩4两两固结；主梁1与边墩8固结。上述结构可承担主梁1自重及外荷载引起的弯矩和剪力。通过利用有限元拓扑优化找型获得力流传递最佳的结构几何形态，使下弦拱、立柱5和树状分肢边墩8等各构件主要承受轴向压力并尽量减小所有节点的弯矩，实现以最少的构件提供最大的竖向刚度和承载力。通过张拉主拉索7，使主拉索7和主梁1、桥面以上的倒V形钢撑杆6共同组成倒置的“张弦梁”结构，将树状倒三角框架支承结构和倒置的“张弦梁”进行组合，形成了几何相对不变的“伞状支承结构”，使主梁1和下弦梁2承担的弯矩和剪力显著减少。该桥型的下弦梁2、主墩3、V形分肢墩4、立柱5、倒V形钢撑杆6、边跨和中跨的常规梁段承受压力；主梁1、主拉索7承受拉力，既由主拉索7和设置于主梁1和常规梁段内的顶、底板纵向预应力钢束共同平衡下弦梁2产生的水平推力，形成“无推力-自平衡”的受力体系。由于该桥型上部结构中的墩柱、下弦梁2、倒V形钢撑杆6、主拉索7均以承受轴向力为主，这些构件的截面应力相对于受弯构件分布更均匀。

本实施例中，所述倒V形钢撑杆6呈扇形分布并与对应的V形分肢墩4和立柱5同方向设置。倒V形钢撑杆6与V形分肢墩4的V形沿主梁1相对设置，倒V形钢撑杆6与立柱5沿主梁1相对设置，倒V形钢撑杆6的顶端与主拉索7相连。倒V形钢撑杆6顶端部设置转向鞍座61和索夹62，用于固定主拉索7，以保证主拉索7和倒V形钢撑杆6顶端部不发生相对滑移。

本实施例中，所述倒V形钢撑杆6通过销铰63连接主梁1，所述主梁1上设置有与销铰63连接的铰座64，以实现只传递轴向压力并释放弯矩的作用。倒形钢撑杆、主拉索7均位于桥梁横向的正中央，在横桥向均设置于桥面中央分隔带车行道防撞护栏之间。

本实施例中，所述立柱5与主梁1和下弦梁2的连接节点采用UHPC铰52，所述UHPC铰52包括由UHPC和构造钢筋55浇筑成型的连接主体，所述连接主体中部横向内缩形成铰颈；所述连接主体内设置有交叉钢筋53，所述交叉钢筋53的交叉点位于铰颈部，所述交叉钢筋53上缠绕有螺旋钢筋54；所述铰颈与连接主体呈曲面过渡连接；“连接主体中部横向内缩”中的横向是指垂直于支承方向。立柱5与主梁1和下弦梁2之间采用超高性能混凝土(UHPC)铰，该UHPC铰52外观构造形式为“缩劲”，铰颈与主体结构过渡以曲面连接，以平顺过渡应力场。UHPC铰52内部配设交叉钢筋53、螺旋钢筋54以提高该结构的抗拉承载能力、局部抗压承载能力和抗震延性。同时，配设表面构造钢筋55，以进一步增加大铰的抗裂性能。立柱5和梁柱结合段15的预埋钢筋伸入到UHPC铰52内，以保证连接强度。由于铰劲位置处的抗弯刚度比立柱5抗弯刚度小很多，当立柱5与相连结构发生微小转角位移时，即可释放绝大部分由外荷载引起的附加弯矩。并在在边跨梁端底缘设有纵向活动支座。

本实施例中，所述边墩8为相对斜向支承主梁1的Y形结构，所述边墩8墩柱上设置V形支墩支承于主梁1，所述主墩3为空心墩；优选为所述边墩8为树状结构。所述倒V形钢撑杆6顶端部设置用于固定夹紧主拉索7的转向鞍座61和索夹62；所述主拉索7分为若干束，主拉索7穿过主梁1并利用主拉索锚块115和索套管73分散锚固。在主拉索锚块临115近的区域内，设置加劲横隔板116使主拉索7竖向分力匀顺传递至整个主梁截面；桥梁的下弦梁2、空心主墩3、V形分肢墩4、立柱5、倒V形钢撑杆6、树状分肢边墩8以承受压力为主；倒三角空腹区内的主梁1以承受拉力为主；主拉索7承受拉力，主梁1的其余部分承受弯矩和剪力。由主拉索7，以及设置于主梁1内的顶板纵向预应力钢束113和底板纵向预应力钢束123共同抵抗和平衡下弦梁2产生的水平推力，形成“无推力-自平衡”受力体系。由于上述所有上部结构显著减小了主梁1的弯矩，使其截面应力分布更均匀，因此充分利用了材料，结构效率得到明显提升。主梁1采用直腹板单箱双室结构，等梁高截面。沿桥梁轴向等间距设置若干顶板加劲横肋112和底板加劲横肋122。主拉索7穿过主梁1并利用主拉索锚块115和索套管73分散锚固。为了保证传力匀顺，在主拉索锚块115临近的区域内，设置加劲横隔板116。空心主墩3采用上小下大的变截面，同时下弦梁2的截面高度从顶部到底部逐渐加大，以满足受力需要。主梁1的顶板、底板内均设置纵向预应力钢束波纹管道，通过配设纵向预应力钢束，并在下弦梁-主梁汇合段21端部设置纵向预应力钢束锚具进行张拉锚固并提供预压应力，以抵消下弦梁2产生在水平推力、结构自重以及其他外荷载等对主梁1产生的拉应力。主梁1、空心主墩3、V形分肢墩4、立柱5均采用普通高性能混凝土。主拉索7采用常规高强钢丝，外包HDPE外护套。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)将刚构桥、树状结构和倒置张弦梁结构在结构体系上进行组合，充分利用各自力学特点并发挥组合结构体系的优点，显著降低结构自重，显著提高结构承载效率和结构刚度，将其最大跨越能力在常规预应力混凝土连续刚构桥的基础上提高至少1.8～2.5倍以上。

(2)伞状结构支承刚构桥是“无推力-自平衡”的受力体系。该桥型的基础以承受竖向力为主，因此基础规模小，尤其适用于山岭重丘桥梁建设环境，特别适用于地质情况较差，无法采用大跨度有推力拱桥，梁拱组合刚构桥、连续刚构的跨度又不能满足的桥位。

(3)主墩为变截面空心墩，具有较大抗弯刚度以抵抗下弦梁在可变荷载作用下的不平衡推力，并且能够抵御偶然荷载(如地震、车船或者滚石撞击)的能力。本桥型创新地将树状结构和倒置式张弦梁进行组合，形成了几何相对不变的结构构造，使上弦梁和下弦梁承担的弯矩和剪力显著减少。所设置的主拉索不仅能有效削减主梁的弯矩和剪力，还可以主动调节结构内力，能够调整并克服由混凝土徐变效应导致的长期下挠变形，从而最大限度避免大跨径混凝土结构后期徐变引起结构下挠与开裂。

(4)通过在倒V形钢撑杆与主梁之间设置销铰，可实现只传递轴向压力并释放弯矩的作用。另外，立柱与主梁和下弦梁的连接节点采用UHPC铰，通过充分利用UHPC材料抗压和抗拉弯强度高、韧性和耐久性好的优点，规避了采用常规混凝土铰节点(仍是结构连接的薄弱环节并带裂缝工作)降低结构的安全性和耐久性的缺点。

(5)该桥型通过对结构体系的巧妙组合，采用多点支承代替传统竖直墩柱的单点支承，因此主梁的计算跨度被大幅减小，从而使主梁弯矩、剪力得以显著降低。此外，该桥型其余各构件均与承受轴向力为主，各构件截面受力均匀，这样就可以使结构效率和经济性能得以明显提升。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种大跨度无推力自平衡伞状结构支承刚构桥，其特征在于：包括主梁、下弦梁、主墩以及位于边跨和/或中跨的边墩，所述下弦梁、主墩与主梁形成主跨倒三角框架支承结构，所述边墩与主梁形成边跨倒三角框架支承结构，在主跨倒三角框架支承结构对应的主梁上设置反向的拱形张弦梁。

2.根据权利要求1所述的大跨度无推力自平衡伞状结构支承刚构桥，其特征在于：所述主墩上设置有支承主梁的V形分肢墩，在下弦梁上设置支承主梁的立柱，在主梁上对应V形分肢墩和立柱设置倒V形钢撑杆并通过主拉索张拉形成反向的拱形张弦梁。

3.根据权利要求2所述的大跨度无推力自平衡伞状结构支承刚构桥，其特征在于：所述倒V形钢撑杆呈扇形分布并与对应的V形分肢墩和立柱同方向设置。

4.根据权利要求3所述的大跨度无推力自平衡伞状结构支承刚构桥，其特征在于：所述倒V形钢撑杆通过销铰连接主梁，所述主梁上设置有与销铰连接的铰座。

5.根据权利要求4所述的大跨度无推力自平衡伞状结构支承刚构桥，其特征在于：所述立柱与主梁和下弦梁的连接节点采用UHPC铰，所述UHPC铰包括由UHPC和构造钢筋浇筑成型的连接主体，所述连接主体中部横向内缩形成铰颈。

6.根据权利要求5所述的大跨度无推力自平衡伞状结构支承刚构桥，其特征在于：所述连接主体内设置有交叉钢筋，所述交叉钢筋的交叉点位于铰颈部，所述交叉钢筋上缠绕有螺旋钢筋。

7.根据权利要求6所述的大跨度无推力自平衡伞状结构支承刚构桥，其特征在于：所述铰颈与连接主体呈曲面过渡连接。

8.根据权利要求1所述的大跨度无推力自平衡伞状结构支承刚构桥，其特征在于：所述边墩为相对斜向支承主梁的Y形结构，所述边墩墩柱上设置V形支墩支承于主梁，所述主墩为空心墩。

9.根据权利要求2所述的大跨度无推力自平衡伞状结构支承刚构桥，其特征在于：所述倒V形钢撑杆顶端部设置用于固定夹紧主拉索的转向鞍座和索夹。

10.根据权利要求9所述的大跨度无推力自平衡伞状结构支承刚构桥，其特征在于：所述主拉索分为若干股，所述主拉索穿过主梁并利用主拉索锚块和索套管分散锚固，在主拉索锚块临近的区域内设置加劲横隔板使主拉索竖向分力匀顺传递至整个主梁截面。

Images