一種針對超靜定橋梁結構的溫度內力自適應控制方法與流程

2023-09-23 18:42:15 1

本發明涉及橋梁領域，具體是一種針對超靜定橋梁結構的溫度內力自適應控制方法。

背景技術：
橋梁結構處於自然環境中不可避免地要受到外界條件的影響，如環境溫度、溼度及大風、地震等的影響，其中環境溫度的變化對橋梁的影響較為常見，由溫度作用產生的內力和變形必然會對橋梁結構的正常使用及安全運營產生影響。以無鉸拱橋為例，無鉸拱橋是一種超靜定的橋梁結構，由於拱圈材料的熱脹冷縮，勢必會產生溫度變形，當變形受到約束時，拱圈內部會產生相當大的溫度附加內力。通常，降溫會導致無鉸拱橋的拱腳產生負彎矩，而在拱頂產生正彎矩，引起拱腳拱背側開裂；因而，對於無鉸拱橋而言，降溫通常是不利的。近年來，通過對實橋進行檢測，已經發現大量的空腹式無鉸拱橋拱腳截面上緣及拱頂截面下緣開裂的病害，也印證了這一點，如圖5所示。20世紀下半葉以來，國內外都發現由於溫度應力而導致混凝土結構嚴重劣損的事故。文獻[1]通過對不同地區、不同修建年代、不同公路等級的跨徑50m以上的鋼筋混凝土肋拱橋的病害調查，發現拱肋拱腳、跨中底部開裂已成為了該型橋梁的典型病害之一。文獻[2]對箱形拱橋病害進行總結後也發現，主拱圈拱頂橫向開裂已經成為箱形拱橋的典型病害之一。文獻[3]介紹了德國Jagst厚腹板箱梁橋在通車第五年後就發現了嚴重裂縫的現象，估算溫度拉應力高達2.6Mpa。針對環境溫度場的分布，不同的研究者進行了大量的現場實測和理論分析。文獻[4]採用ASHRAE晴空模型，利用光線追蹤算法，首次在拱橋溫度場計算中實現了太陽輻射、空氣對流、長波輻射等環境溫度荷載的自動加載。文獻[5]開展了箱形梁拱架溫度場的現場實測，提出了溫度荷載在實測基礎上採用指數函數擬合的簡單方法。橋梁結構在設計時，應當在可變作用中考慮溫度作用(均勻溫度和梯度溫度)已經成為共識。公路橋涵設計規範規定在計算橋梁結構因均勻溫度作用引起外加變形或次內力時，要求從受到約束時的結構溫度開始，考慮最高和最低有效溫度的作用效應。由此可知，當前在超靜定橋梁結構設計中對於溫度次內力的處理方式，是通過在設計時計入溫度作用的影響從而反應在荷載效應組合中(參見文獻[6])。然而，由於對橋位處年平均溫度等情況的調查不可能都全面，有時甚至存在較大的偏差；另外，設計的合攏溫度通常和實際的合攏溫度也會存在差異，這些都導致在設計中精確地考慮環境溫度的影響將是不可能的。參考文獻：[1]袁瑞.鋼筋混凝土肋拱橋病害處治及加固技術研究[D].重慶交通大學,2010.[2]張麒蟄.鋼筋混凝土箱形拱橋病害分析與加固技術探討[J].水利與建築工程學報.2009(03):94-95.[3]凱爾別克F.太陽輻射對橋梁結構的影響[M].1981.[4]尹冠生，趙振宇，徐兵.太陽輻射作用下拱橋溫度場研究[J].應用力學學報.2014:1.[5]房貞政，黃潤，鄭則群.箱型截面空腹式剛架拱橋溫度場的實測與研究[J].福州大學學報(自然科學版).2005(02):212-217.[6]公路橋涵通用設計規範[S].北京：人民交通出版社,2004.另外，溫度效應可能達到甚至超過車輛活載效應，因而溫度效應已被認為是混凝土橋梁產生裂縫的重要原因之一。對於無鉸拱橋而言，由於降溫是非常不利的，如何自適應地減小甚至消除降溫對無鉸拱橋產生的不利影響，已經成為該類橋型病害防治及加固維修的重要關注點。同樣，對於其他諸如大跨度連續梁橋、連續剛構橋、剛架橋等超靜定橋梁結構，同樣存在溫度次內力的情況，如何自適應地主動地去控制其不利影響，已成為一個具有重大現實意義的工程問題。

技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種針對超靜定橋梁結構的溫度內力自適應控制方法，以解決上述背景技術中提出的問題。為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種針對超靜定橋梁結構的溫度內力自適應控制方法，包括錨固件、高強螺栓、萬向頭連接裝置和拉索，錨固件的材料為鑄鋼構件，錨固件的右端通過預埋或植筋的方式固結在拱橋主拱圈上的鋼筋砼裡，錨固件的左端設有承拉杆，承拉杆上設有高強螺栓孔，萬向頭連接裝置的右端通過高強螺栓和法蘭盤與承拉杆連接，法蘭盤與萬向頭連接裝置之間設有多個加強筋，拉索通過萬向球頭螺帽安裝在萬向頭連接裝置的左端。與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明構造簡單、安裝方便，當環境溫度降低時，拉索縮短產生拉力，對結構的某部位產生彎矩，可減小甚至完全抵消由於超靜定結構升溫(或者降溫)引起的不利影響。拉索採用高強鋼纜繩，纜繩的直徑大小可根據結構跨度、設計溫差等參數綜合選定，拉索錨固位置根據需要確定，例如針對無鉸拱橋可錨固於主拱1/8～3/8區間，另一端錨固於橋臺側牆或者便於錨固的構造物上，可以根據需要布置1根或多根拉索，拉索安裝，強調在比超靜定結構合攏溫度更高的溫度情況下進行張緊安裝，這樣的話，就可以預先儲備一定的溫差，當降溫時，拉索裡面的拉力會更大，效果更明顯，安裝拉索在合攏溫度以上10攝氏度進行，這是對降溫不利的情況的考慮，類似地，如果該超靜定結構的某個部位是升溫不利的，則相反。作為本發明進一步的方案：以無鉸拱橋為例，錨固件與有橋臺拱橋的連接方法為：在製作橋臺時將錨固件通過植筋的方式與橋臺砼鋼筋連在一起，再澆築混凝土橋臺，錨固件預先留出即可。作為本發明進一步的方案：以無鉸拱橋為例，錨固件與無橋臺拱橋的連接方法為法：現澆鋼筋砼錨固墩法和巖體地錨法，其中巖體地錨法是直接在巖體上打孔，然後再澆築鋼筋混凝土。作為本發明進一步的方案：以無鉸拱橋為例，錨固孔的形狀成寶塔狀，下大上小。作為本發明進一步的方案：以無鉸拱橋為例，法蘭盤與承拉杆之間設置四個加強筋，從而使得承拉杆的連接結構更加穩定。作為本發明進一步的方案：以無鉸拱橋為例，所述法蘭盤、承拉杆、萬向球頭螺帽和球頭構成的萬向頭連接裝置表面進行熱處理，以提高構件的強度，而錨固件側面的螺栓孔進行熱處理和防鏽處理，使得結構能承受較大的抗拉、抗剪應力。作為本發明進一步的方案：以無鉸拱橋為例，萬向球頭螺帽經過熱處理，並採用梯形螺紋，能夠大大承受拉力，在安裝時，用1.5米的加力杆將螺帽旋入到拉索直至全部預緊，鎖死螺帽。作為本發明進一步的方案：以無鉸拱橋為例，拉索採用鋼絞線或者鋼纜繩且在兩端採用錨具進行錨固。本發明巧妙地降低甚至可完全消除溫差引起的超靜定結構的附加內力。該套系統與原有結構的受力體系獨立，是一套自適應的溫度內力控制體系，可以用於無鉸拱橋、連續梁、連續剛構及其他超靜定結構的溫度內力控制。附圖說明圖1為本發明的結構示意圖。圖2為本發明用於有橋臺拱橋的示意圖。圖3為本發明用於無橋臺拱橋並進行現澆鋼筋砼構造時的結構示意圖。圖4為本發明用於無橋臺拱橋並進行巖體地錨時的結構示意圖。圖5為本發明描述今年來大量的空腹式無鉸拱橋拱腳截面上緣及拱頂截面下緣開裂的病害示意圖。具體實施方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，以無鉸拱橋為例，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。請參閱圖1～4，本發明實施例中，一種針對超靜定橋梁結構的溫度內力自適應控制方法，以無鉸拱橋為例，包括拉索錨固結構，拉索錨固結構主要由錨固件1、高強螺栓2、萬向頭連接裝置3和拉索4組成，錨固件1是由鋼板焊接成而成箱形梁的結構，錨固件1的一端固結在拱橋主拱圈5的鋼筋砼裡，在錨固加工中將錨固件1總長的2/3～3/4通過預埋或植筋的方式固結在鋼筋砼裡面；錨固件1的另一端側面通過高強螺栓2固連萬向頭連接裝置3的法蘭盤7，所述萬向頭連接裝置3主要由法蘭盤7、承拉杆6、萬向球頭螺帽和球頭構成，承拉杆6的一端為球頭，球頭設置在萬向球頭螺帽內，承拉杆6的另一端焊接法蘭盤7，且法蘭盤7與承拉杆6之間設置四個加強筋8，從而使得承拉杆6的連接結構更加穩定，所述萬向頭連接裝置3的萬向球頭螺帽螺紋連接拉索4的一端，使得球頭在萬向球頭螺帽內自由轉動，萬向球頭螺帽可以修正預埋樁的角度來達到直線錨固，拉索4的另一端通過同樣的方式連接橋梁上的錨固件1。以無鉸拱橋為例，所述拉索4採用高強鋼纜繩，纜繩的直徑大小可根據結構跨度、設計溫差等參數綜合選定。錨固件1的位置根據需要確定，例如針對無鉸拱橋可錨固於主拱1/8～3/8區間，可以根據需要布置1根或多根拉索。拉索4的安裝，強調在比超靜定結構合攏溫度更高的情況下進行張緊安裝，這樣的話，就可以預先儲備一定的溫差，當降溫時，拉索裡面的拉力會更大，效果更明顯。可說明在合攏溫度以上10攝氏度進行安裝。這是對降溫不利的情況的考慮。類似地，如果該超靜定結構的某個部位是升溫不利的，則相反。以無鉸拱橋為例，所述法蘭盤7、承拉杆6、萬向球頭螺帽和球頭構成的萬向頭連接裝置3表面進行熱處理，以提高構件的強度，而錨固件1側面的螺栓孔進行強化(熱處理)和防鏽處理，使得結構能承受較大的抗拉、抗剪應力。以無鉸拱橋為例，萬向球頭螺帽也經過熱處理，並採用梯形螺紋，能夠大大承受拉力，在安裝時，用1.5米的加力杆將螺帽旋入拉索中直至全部預緊，鎖死螺帽。以無鉸拱橋為例，拉索3採用絞線或者鋼纜繩且在兩端採用錨具構造，並與萬向球頭螺帽連接，安裝時用加力杆擰緊後鎖死，拉索的長度根據橋端錨固位置來確定，可以通過高強螺栓用法蘭盤對接連長。以無鉸拱橋為例，無橋臺拱橋和有橋臺拱橋在外部的拉索錨固結構相同，主要區別在於有橋臺拱橋的錨固件1可以直接在製作橋臺時將錨固件1通過植筋的方式與橋臺砼鋼筋連在一起在澆築混凝土，預先留出即可。以無鉸拱橋為例，無橋臺拱橋安裝錨固件1，有兩種構造法：現澆鋼筋砼錨固墩法(如圖3)和巖體地錨法(如圖4)，其中巖體地錨法是直接在巖體上打孔，然後再澆築鋼筋混凝土，錨固孔的形式成寶塔狀，下大上小。本發明的工作原理為：以無鉸拱橋為例，當無鉸拱橋，在環境降溫作用下，拱腳產生負彎矩時，預先設置(在較高溫度情況下設置，以提高其作用效果)的拉索由於受降溫影響而出現拉力，該拉力對拱腳產生正彎矩，可部分抵消由於超靜定拱橋由於環境降溫帶來的附加彎矩。拉索的設置採用單向鎖定，即使得拉索僅在降溫作用下對結構起作用，而在升溫情況下，自動與拱橋分離。實例：以無鉸拱橋為例，假定拉索直徑d＝0.1m，長度根據錨固點位置確定，彈性模量E＝2.0E11pa，線膨脹係數取為ζ＝1.2×10-5。假定拉索在橋梁合攏溫度以上10℃進行安裝，則在低於合攏溫度10℃時，拉索降溫△T按照20℃考慮。拉索中的索力為：F＝EAξ＝Eαζ△t經計算在環境溫度降低10℃的情況下，拉索中的索力為376.8kN。通常，拉索布置在拱橋的上下兩側，即拉索對拱腳的索力貢獻為2F＝753.6kN。假如拉索對拱腳的力臂l為3米，則拉索對拱腳產生的正彎矩為：Mls＝F×l＝753.6×3＝2260.8kN·m故：以無鉸拱橋為例，該措施在無鉸拱橋降溫情況下對拱腳產生了較大的正彎矩效應，巧妙地降低甚至可完全消除溫差引起的附加內力。該套系統與原有結構的受力體系獨立，是一套自適應的溫度內力控制體系。甚至可以用於連續梁、連續剛構及其他超靜定結構的溫度內力控制。對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，以無鉸拱橋為例，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，以無鉸拱橋為例，但並非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚直觀描述起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。