大跨径混凝土连续刚构桥钢拱架加固系统及施工方法 |
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| 申请号 | CN202410102436.5 | 申请日 | 2024-01-24 | 公开(公告)号 | CN117702648A | 公开(公告)日 | 2024-03-15 |
| 申请人 | 西安公路研究院有限公司; | 发明人 | 苗建宝; 雷浪; 刘剑; 许冰; 赵庭; 郭庆利; 赵文煜; 巩文杰; 王剑飞; 李遥; 白彦涛; 陈佳瑶; 李建华; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种大跨径 混凝土 连续刚构桥 钢 拱架加固系统及施工方法，该系统包括设置在箱型结构内部的钢拱架加固机构和顶推钢拱架加固机构的顶升千斤顶，相邻两跨钢拱架加固机构通过拱脚固定杆连接；该施工方法包括步骤：一、确定钢拱架对应的曲线函数；二、根据要顶升的位移确定顶升千斤顶施加的 水 平 力 及钢拱架截面尺寸；三、根据钢拱架加固机构顶升箱梁模型对待加工的钢拱架进行分段并预制钢拱架节段；四、现场 焊接 钢拱架；五、焊接横向联系；六、设置竖向 支撑 钢垫板和拱顶钢垫板；七、在钢拱架顶部焊接竖向支撑；八、顶推并固定钢拱架加固机构。本发明新增结构恒载直接传递至下部结构，以消除加固材料自身恒载对原主梁的二次恒载不利影响。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种大跨径混凝土连续刚构桥钢拱架加固系统，其特征在于：包括设置在混凝土连续刚构桥每跨箱梁(10)的箱型结构内部的钢拱架加固机构和用于顶推钢拱架加固机构的顶升千斤顶，相邻两跨箱梁(10)内的钢拱架加固机构通过拱脚固定杆(9)连接成整体结构； |
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| 说明书全文 | 大跨径混凝土连续刚构桥钢拱架加固系统及施工方法技术领域[0001] 本发明属于混凝土连续刚构桥加固技术领域，具体涉及一种大跨径混凝土连续刚构桥钢拱架加固系统及施工方法。 背景技术[0002] 桥梁结构反复承受着行车荷载的磨损、冲击作用，循环遭受雨水、风沙、冰雪、日晒、冻融等自然因素的侵蚀破坏，加之材料性质逐年衰变，结构会出现裂缝、变形超限病害或旧桥承载能力不满足规范要求的情况，需要通过维修加固措施，在一定程度上提升主梁刚度及结构耐久性，提高主梁结构承载能力，使之具有一定安全储备。混凝土梁桥上部结构的常用加固方法有：增大截面法、粘贴钢板及粘贴高强度复合材料加固法、体外预应力加固法等。 [0003] 增大混凝土梁截面加固从原理上是增加受拉区钢筋、增大受压区面积以及增大受拉区合力作用点对受压区的力臂，从而增大抗弯惯矩提高梁体刚度与强度。加固材料仅承受移动荷载与自身自重产生的效应，原结构需要承受自身恒载与加固材料的自重与活载作用，从而使加固效率降低，加固方式有较大的局限性。大跨径桥梁对恒载特别敏感，因此该方法大跨径桥梁加固适用性差。 [0004] 在粘贴钢板加固中，粘贴钢板可以提高构件抗弯性能，并且有加固周期短、工艺简便、自重较轻等优势，但目前粘贴钢板主要采用环氧树脂为主的建筑结构胶与原结构连接形成整体来达到共同受力，而结构胶的长期力学性能及老化性能研究不成熟，在长期荷载作用下存在结构胶与锚栓失效的风险。并且钢板没有混凝土的保护，在养护不充分时会出现严重锈蚀直至失效的情况，加固后所产生的养护成本较高。大跨径连续刚构桥一般为变截面，沿纵桥向梁底板一般为抛物线，粘贴钢板一般仅用于抗剪加固，无法用于抗弯加固，粘贴钢板加固中钢板锚固到主梁底部，此时钢板属于二次受力，即钢板仅承受活载而不承受原结构恒载，原主梁需要承受自身恒载、加固钢板恒载与部分活荷载，钢板应力很难达到规范要求的钢材抗拉强度设计值，不能有效发挥加固材料性能而引起加固效率的折减，对加固的预期与经济性有较大负面影响。 [0005] 体外预应力加固的原理是以高强钢丝、钢绞线或高强度粗钢筋等作为施力工具，对梁体施加体外预应力，以预应力产生的反弯矩抵消部分外荷载产生的内力，以此达到改善桥梁使用性能和提高结构承载力的目的。但体外预应力加固也存在一些缺陷：体外力筋易损坏，易燃，承受着振动，因此要对其自由长度加以限制；锚固区和转向块处因承受着巨大局部集中力，结构特别笨重；体外力筋的实际偏心较小，极限状态下的抗弯能力小于体内有粘结力筋；体外预应力结构在极限状态下可能因延性不足而产生没有预警的失效。大跨径桥梁预应力加固一般在箱梁内部，导致预应力布置受限，预应力加固效率较底。 [0006] 目前加固方式中，除体外预应力加固为主动加固以外,大多数加固方式为被动加固，包括增大截面、粘贴钢板及粘贴高强度复合材料等，这类方法在原理上新增材料仅承受车辆荷载和加固后产生恒载引起的内力，无法承受原结构与加固材料所产生的恒载，而且其会受到应力、应变滞后的影响，高强复合材料的高抗拉性能无法充分发挥作用，使加固效率、经济性与适用范围收到了较大影响，同时使原结构增加了加固材料的恒载，对原结构产生不利的二次恒载不利影响。主动加固是指通过施加预应力等方法对结构进行加固，不但可以增加结构的承载力，而且能改善结构加固前的应力状态，充分发挥高强复合材料的高抗拉性能，大大增强结构的耐久性。 发明内容[0007] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种大跨径混凝土连续刚构桥钢拱架加固系统，其设计新颖合理，在箱梁内增设钢拱架变成新的组合结构共同受力，可以增加主梁截面刚度，伴随着主梁截面中轴下移，可有效提高主梁抗弯刚度与抗弯承载能力，将型钢锚固于混凝土梁底部，使其与原结构连接形成整体，共同承受荷载作用，新增结构恒载直接传递至下部结构，以消除加固材料自身恒载对原主梁的二次恒载不利影响；在型钢两端施加一组水平力，使型钢修复桥梁的下挠变形，同时迫使型钢受拉钢板达到钢材的抗拉强度设计值，以解决现有加固方法无法有效发挥加固材料特性造成的加固效率折减的问题，其不增加主梁恒载且能够快速抢修加固，便于推广使用。 [0008] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种大跨径混凝土连续刚构桥钢拱架加固系统，其特征在于：包括设置在混凝土连续刚构桥每跨箱梁的箱型结构内部的钢拱架加固机构和用于顶推钢拱架加固机构的顶升千斤顶，相邻两跨箱梁内的钢拱架加固机构通过拱脚固定杆连接成整体结构； [0009] 所述钢拱架加固机构包括两榀钢拱架和多个连接两榀钢拱架的横向联系，钢拱架顶部沿长度方向设置有多个竖向支撑，箱梁的箱梁顶板下表面与多个竖向支撑配合位置处设置有多个竖向支撑钢垫板，竖向支撑钢垫板的数量与竖向支撑的数量相等且一一对应，箱梁的箱梁顶板下表面与钢拱架的拱顶配合位置处设置有拱顶钢垫板，相邻两跨箱梁内相连接的两个钢拱架的拱脚通过拱脚固定杆连接，钢拱架的拱脚设置在桥墩的墩顶的箱梁底板的上表面，钢拱架的拱顶设置于跨中箱梁顶板的下表面。 [0010] 上述的一种大跨径混凝土连续刚构桥钢拱架加固系统，其特征在于：所述钢拱架包括多节钢拱架节段，多节所述钢拱架节段通过焊接连接为一体。 [0011] 上述的一种大跨径混凝土连续刚构桥钢拱架加固系统，其特征在于：所述钢拱架为工字钢拱架或槽钢钢拱架，钢拱架的截面的高度为20cm～40cm，钢拱架为钢材牌号为Q345或Q420。 [0012] 上述的一种大跨径混凝土连续刚构桥钢拱架加固系统，其特征在于：所述竖向支撑的底部与钢拱架焊接，竖向支撑的顶部与竖向支撑钢垫板焊接，钢拱架的拱顶与拱顶钢垫板焊接。 [0013] 上述的一种大跨径混凝土连续刚构桥钢拱架加固系统，其特征在于：两榀所述钢拱架上相邻两个横向联系的间距为8m～12m；所述钢拱架上相邻两个竖向支撑的间距为18m～22m。 [0014] 同时，本发明还公开了一种施工方法步骤简单、设计合理、可快速实现大跨径混凝土连续刚构桥钢拱架加固的施工方法，其特征在于该施工方法包括以下步骤： [0015] 步骤一、确定钢拱架对应的曲线函数：选取1.8次函数作为钢拱架曲线函数，得y＝1.8 ax ，其中，x为水平方向长度变量，y为竖直方向高度函数值，a为系数，利用钢拱架的拱脚处坐标(L，H)计算出系数； [0016] 步骤二、根据要顶升的位移确定顶升千斤顶需要施加的水平力及钢拱架截面尺寸：利用有限元软件建立钢拱架加固机构顶升箱梁模型，输入钢拱架加固机构参数和要顶升的位移确定顶升千斤顶需要施加的水平力，同时根据钢拱架受力情况确定钢拱架截面尺寸； [0017] 步骤三、根据钢拱架加固机构顶升箱梁模型对待加工的钢拱架进行分段并在工厂内预制钢拱架节段，对所有的钢拱架节段进行编号； [0018] 步骤四、现场焊接钢拱架：根据钢拱架节段编号和预定的焊接顺序在现场焊接钢拱架节段，焊接符合焊接要求，形成整体纵向的钢拱架，每跨箱梁的箱型结构内部具有两榀钢拱架； [0019] 步骤五、焊接横向联系：在每跨箱梁的箱型结构内部的两榀钢拱架之间焊接横向联系，每隔8m～12m设置一个横向联系； [0020] 步骤六、设置竖向支撑钢垫板和拱顶钢垫板：在跨中箱梁顶板的下表面设置拱顶钢垫板，在箱梁顶板下表面上要放置竖向支撑的位置提前安装竖向支撑钢垫板，竖向支撑钢垫板和拱顶钢垫板均与箱梁顶板下表面采用高强螺栓连接； [0021] 步骤七、在钢拱架顶部焊接竖向支撑：在钢拱架的顶部等间距焊接竖向支撑，钢拱架上相邻两个竖向支撑的间距为18m～22m，其中，每个竖向支撑的下方均具有横向联系，钢拱架的两端均具有横向联系和竖向支撑； [0022] 竖向支撑的顶部与步骤六中提前安装的竖向支撑钢垫板底面抵接； [0023] 步骤八、顶推并固定钢拱架加固机构：顶升千斤顶从钢拱架的两端向钢拱架施加水平力，使钢拱架加固机构顶推箱梁的箱梁顶板，钢拱架的跨中与拱顶钢垫板配合，顶推过程中，竖向支撑钢垫板具有竖向支撑滑移的行程余量，待钢拱架加固机构顶推到位后，将钢拱架的跨中与拱顶钢垫板焊接、竖向支撑与对应的竖向支撑钢垫板焊接、相邻两跨箱梁内相连接的两个钢拱架的拱脚通过拱脚固定杆焊接为一体，使钢拱架加固机构和箱梁加固形成整体结构。 [0024] 本发明与现有技术相比具有以下优点： [0025] 1、本发明将新增结构恒载直接传递至下部结构，消除加固材料自身恒载对原主梁不利影响，尤其对于大跨径桥梁具有非常高的适用性，结构简单、受力合理、施工方便且使用效果好，与钢板加固及钢板混凝土组合加固相比，在结构受力、造价、工期等多方面具有明显的优势。 [0026] 2、本发明在箱梁内增设钢拱架变成新的组合结构共同受力，可以增加主梁截面刚度，伴随着主梁截面中轴下移，可有效提高主梁抗弯刚度与抗弯承载能力，将型钢锚固于混凝土梁底部，使其与原结构连接形成整体，共同承受荷载作用。 [0027] 3、本发明中型钢承受一部分原结构恒载，从而抵消部分恒载引起的结构下挠，同时伴随主梁刚度提升可进一步降低主梁应力水平，有效改善主梁下挠问题。 [0028] 4、本发明中按照主梁不同的空间需求选取，工厂制作方便，现场装配简单、快捷，高空作业工作量小，施工工期短，可用于大跨径连续刚构桥加固中。 [0029] 5、本发明方法步骤简单，不会增加主梁恒载，因此不会加剧主梁的跨中下挠，而且本发明所使用钢结构为双肢框架，结构稳定，适用范围广泛，适用性强，使用效果好，在混凝土箱梁刚度不足、结构强度不足、活载挠度偏大时，均可进行加固，同时可以适应不同跨径、不同受力要求桥梁。 [0030] 综上所述，本发明设计新颖合理，在箱梁内增设钢拱架变成新的组合结构共同受力，可以增加主梁截面刚度，伴随着主梁截面中轴下移，可有效提高主梁抗弯刚度与抗弯承载能力，将型钢锚固于混凝土梁底部，使其与原结构连接形成整体，共同承受荷载作用，新增结构恒载直接传递至下部结构，以消除加固材料自身恒载对原主梁的二次恒载不利影响；在型钢两端施加一组水平力，使型钢修复桥梁的下挠变形，同时迫使型钢受拉钢板达到钢材的抗拉强度设计值，以解决现有加固方法无法有效发挥加固材料特性造成的加固效率折减的问题，其不增加主梁恒载且能够快速抢修加固，便于推广使用。 附图说明[0032] 图1为本发明加固系统的结构示意图。 [0033] 图2为图1的右视图。 [0034] 图3为本发明确定钢拱架对应的曲线函数的原理图。 [0035] 图4为本发明钢拱架加固机构传力效果图。 [0036] 图5为本发明施工方法的流程框图。 [0037] 附图标记说明: [0038] 1—桥墩； 2—箱梁顶板； 3—箱梁底板； [0039] 4—钢拱架； 5—横向联系； 6—竖向支撑； [0040] 7—竖向支撑钢垫板； 8—拱顶钢垫板； 9—拱脚固定杆； [0041] 10—箱梁。 具体实施方式[0042] 如图1和图2所示，本发明所述的一种大跨径混凝土连续刚构桥钢拱架加固系统包括设置在混凝土连续刚构桥每跨箱梁10的箱型结构内部的钢拱架加固机构和用于顶推钢拱架加固机构的顶升千斤顶，相邻两跨箱梁10内的钢拱架加固机构通过拱脚固定杆9连接成整体结构； [0043] 所述钢拱架加固机构包括两榀钢拱架4和多个连接两榀钢拱架4的横向联系5，钢拱架4顶部沿长度方向设置有多个竖向支撑6，箱梁10的箱梁顶板2下表面与多个竖向支撑6配合位置处设置有多个竖向支撑钢垫板7，竖向支撑钢垫板7的数量与竖向支撑6的数量相等且一一对应，箱梁10的箱梁顶板2下表面与钢拱架4的拱顶配合位置处设置有拱顶钢垫板8，相邻两跨箱梁10内相连接的两个钢拱架4的拱脚通过拱脚固定杆9连接，钢拱架4的拱脚设置在桥墩1的墩顶的箱梁底板3的上表面，钢拱架4的拱顶设置于跨中箱梁顶板2的下表面。 [0044] 需要说明的是，将新增结构恒载直接传递至下部结构，消除加固材料自身恒载对原主梁不利影响，尤其对于大跨径桥梁具有非常高的适用性，结构简单、受力合理、施工方便且使用效果好，与钢板加固及钢板混凝土组合加固相比，在结构受力、造价、工期等多方面具有明显的优势；在箱梁内增设钢拱架变成新的组合结构共同受力，可以增加主梁截面刚度，伴随着主梁截面中轴下移，可有效提高主梁抗弯刚度与抗弯承载能力，将型钢锚固于混凝土梁底部，使其与原结构连接形成整体，共同承受荷载作用；型钢承受一部分原结构恒载，从而抵消部分恒载引起的结构下挠，同时伴随主梁刚度提升可进一步降低主梁应力水平，有效改善主梁下挠问题；按照主梁不同的空间需求选取，工厂制作方便，现场装配简单、快捷，高空作业工作量小，施工工期短，可用于大跨径连续刚构桥加固中。 [0045] 本实施例中，所述钢拱架4包括多节钢拱架节段，多节所述钢拱架节段通过焊接连接为一体。 [0046] 本实施例中，所述钢拱架4为工字钢拱架或槽钢钢拱架，钢拱架4的截面的高度为20cm～40cm，钢拱架4为钢材牌号为Q345或Q420。 [0047] 本实施例中，所述竖向支撑6的底部与钢拱架4焊接，竖向支撑6的顶部与竖向支撑钢垫板7焊接，钢拱架4的拱顶与拱顶钢垫板8焊接。 [0048] 本实施例中，两榀所述钢拱架4上相邻两个横向联系5的间距为8m～12m；所述钢拱架4上相邻两个竖向支撑6的间距为18m～22m。 [0049] 需要说明的是，如果在箱梁中间设一组型钢拱架，则在顶推过程中容易发生失稳，故设置俩组型钢拱架用以增强稳定性。设置横向联系是为了增强俩组拱架的整体性，在水平力的作用下能够更好的协同受力。设置竖向支撑是为了防止顶推过程中拱架发生屈曲。在竖向支撑上方设置钢垫板是为了增加接触面积，防止将主梁混凝土压碎。 [0050] 如图3‑5所示的一种大跨径混凝土连续刚构桥钢拱架加固的施工方法，包括以下步骤： [0051] 步骤一、确定钢拱架对应的曲线函数：选取1.8次函数作为钢拱架曲线函数，得y＝1.8 ax ，其中，x为桥梁水平方向长度变量，y为桥梁竖直方向高度函数值，a为系数，利用钢拱架的拱脚处坐标(L，H)计算出系数； [0052] 需要说明的是，本实施例中，钢拱架的拱脚处坐标(48m，4.9m)计算出系数a为0.0046。 [0053] 步骤二、根据要顶升的位移确定顶升千斤顶需要施加的水平力及钢拱架截面尺寸：利用有限元软件建立钢拱架加固机构顶升箱梁模型，输入钢拱架加固机构参数和要顶升的位移确定顶升千斤顶需要施加的水平力，同时根据钢拱架受力情况确定钢拱架截面尺寸； [0054] 需要说明的是，如图4所示，利用有限元软件建立钢拱架加固机构顶升箱梁模型，仿真出顶升千斤顶需要施加的水平力S，竖向分力V传递至桥墩1，不影响箱梁10受力，F为合力，待安装好型钢拱架后，给型钢拱架拱脚一个水平力H，其合力F在跨中会给箱梁顶板一个顶升力，用以修复跨中下挠变形，在拱脚处所引起的竖直反力V由桥墩承担，不会增加主梁的恒载。钢拱架加固机构参数包括所需型钢、横向联系和竖向支撑的截面特性和钢材标号。 [0055] 步骤三、根据钢拱架加固机构顶升箱梁模型对待加工的钢拱架进行分段并在工厂内预制钢拱架节段，对所有的钢拱架节段进行编号； [0056] 步骤四、现场焊接钢拱架：根据钢拱架节段编号和预定的焊接顺序在现场焊接钢拱架节段，焊接符合焊接要求，形成整体纵向的钢拱架4，每跨箱梁10的箱型结构内部具有两榀钢拱架4； [0057] 步骤五、焊接横向联系：在每跨箱梁10的箱型结构内部的两榀钢拱架4之间焊接横向联系5，每隔8m～12m设置一个横向联系5； [0058] 步骤六、设置竖向支撑钢垫板和拱顶钢垫板：在跨中箱梁顶板2的下表面设置拱顶钢垫板8，在箱梁顶板2下表面上要放置竖向支撑6的位置提前安装竖向支撑钢垫板7，竖向支撑钢垫板7和拱顶钢垫板8均与箱梁顶板2下表面采用高强螺栓连接； [0059] 步骤七、在钢拱架顶部焊接竖向支撑：在钢拱架4的顶部等间距焊接竖向支撑6，钢拱架4上相邻两个竖向支撑6的间距为18m～22m，其中，每个竖向支撑6的下方均具有横向联系5，钢拱架4的两端均具有横向联系5和竖向支撑6； [0060] 竖向支撑6的顶部与步骤六中提前安装的竖向支撑钢垫板7底面抵接； [0061] 步骤八、顶推并固定钢拱架加固机构：顶升千斤顶从钢拱架4的两端向钢拱架4施加水平力，使钢拱架加固机构顶推箱梁10的箱梁顶板2，钢拱架4的跨中与拱顶钢垫板8配合，顶推过程中，竖向支撑钢垫板7具有竖向支撑6滑移的行程余量，待钢拱架加固机构顶推到位后，将钢拱架4的跨中与拱顶钢垫板8焊接、竖向支撑6与对应的竖向支撑钢垫板7焊接、相邻两跨箱梁10内相连接的两个钢拱架4的拱脚通过拱脚固定杆9焊接为一体，使钢拱架加固机构和箱梁10加固形成整体结构。 [0062] 本发明实施时，型钢拱架分段运输至箱梁内部，然后焊接成为拱架整体，接着焊接两组型钢拱架之间的横向联系，在竖向支撑对应的主梁顶板底面安装钢垫板，竖向支撑安装于主梁上的钢垫板和钢拱架之间，检查确保竖向支撑于主梁顶板紧密贴合后，在钢拱架两个拱脚位置施加向跨中方向用千斤顶设计顶推力，实现对桥梁的主动加固，待相邻跨顶推完成后，将俩个拱脚焊接形成整体结构。加固后结构跨中受到向上顶推力,处置了跨中下挠度病害，减小了主梁受力，改善了结构受力状态；通过钢拱架的框架结构的加固提升了结构的刚度，减小了主梁活载变形；同时框架结构通过竖向支撑与主梁形成整体，也增加了结构的稳定性。因此该方法在起到提升结构受力、结构刚度和稳定性三重效果的同时不增加主梁的恒载，特别适用于大跨径连续刚构桥的加固。实现了良好的社会经济效益，推广应用价值高。 |
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