橋墩鋼製抱柱梁的製作方法

2023-04-25 10:31:16

專利名稱：橋墩鋼製抱柱梁的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種抱柱梁，尤其是一種橋墩雙向預應力鋼製抱柱梁，屬於土木 工程橋梁改造工程領域。
背景技術：
隨著我國交通運輸事業的迅猛發展，交通工具的運營能力也日益提高，其運營高 度也相應增加，這使得目前相當一部分跨線橋梁的淨高無法滿足橋下線路正常運營的需 要。因此，為確保跨線橋梁的安全以及橋下線路的運營功能，必須提高該部分橋梁的橋下淨 高，橋梁整體同步頂升技術就是在這一背景下應運而生的新型施工技術。抱柱梁是指圍繞在原柱周圍、通過界面連接力與原柱固結的梁系，是一種橋梁整 體頂升改造中常用的反力系統。所謂頂升反力系統，是指支承並傳遞頂升力，推動橋跨上部 結構整體抬高的結構，是橋梁整體頂升施工的核心結構。因此，頂升反力系統應具備以下幾 個特點(1)具有足夠的強度，以承受並傳遞巨大的頂升反力；(2)具有足夠的剛度，避免其變形對上部結構內力分布的影響；(3)儘量保持原橋整體性，以減少對其各個構件的影響。抱柱梁結構不僅滿足上述要求，而且結構簡單，布置靈活，對於大部分不具備上述 功能結構的橋梁而言，抱柱梁結構是其頂升反力系統的首選。因此，目前抱柱梁結構應用十 分廣泛。值得指出的是，抱柱梁結構是依靠梁柱界面的連接力以承受頂升作用反力。大量 試驗及工程實踐表明，梁柱的界面連接力與其接觸面積成正比。當界面周長較小時，只能通 過增大抱柱梁結構高度以確保其界面連接承載力。這使得橋梁需要具備足夠的空間以滿足 抱柱梁布置的需要。橋梁整體同步頂升技術作為一門新興的施工技術，還有很多方面需要改進和提 高，抱柱梁結構也不例外。目前普遍採用的混凝土抱柱梁的具體做法為①鑿除橋墩抱柱梁 設置區域的混凝土保護層；②植筋並綁紮抱柱梁鋼筋；③支模並澆注混凝土 ；④混凝土養 護。該抱柱梁形式具有以下幾點不足(1)製作工序多，施工周期長混凝土抱柱梁的製作需要經歷「原橋墩鑿毛一鋼筋綁紮一支模一混凝土澆注一混 凝土養護一拆除」等一系列施工步驟，施工工序繁多，不便於快速施工。此外混凝土需要相 當一段時間方能達到預期強度，延長了施工時間；(2)拆除難度大，環境影響差當橋梁完成頂升改造後，考慮到景觀效應，必須將抱柱梁拆除。然而混凝土抱柱梁 存在混凝土標號較高，強度大，拆除作業空間有限，施工過程中易對原橋梁結構造成影響等 困難，故拆除工作難度較大。此外，混凝土抱柱梁在拆除過程中不可避免地產生不可回收的 建築垃圾以及噪音，對周邊的環境不友好。[0014](3)新老混凝土界面摩擦力低混凝土抱柱梁通過與原橋墩之間的新、舊混凝土摩擦抵抗施工階段的頂升作用 力。華南理工大學通過大量的實驗得出這種摩擦力與接觸面積、摩擦係數的數學關係V = O. 24fcdA其中，V為界面受剪承載力；f。f為新舊混凝土軸心抗壓強度設計值的較低者；A為 界面面積。由此可見，混凝土抱柱梁結構單位面積的界面摩擦力小，往往只能採用增大接觸 面積以獲取理想的頂升反力，這使得混凝土抱柱梁結構顯得相當笨重；而對於部分周長 面積比較小的橋墩，抱柱梁的高度很大，致使橋下無法提供足夠的空間以容納抱柱梁結構。 這都將降低抱柱梁結構的適用範圍。綜上所述，目前還沒有提出一種承載力大、墩柱連接可靠且安裝拆除方便的抱柱 梁結構。因此，研製一種高效且便於施工的抱柱梁結構正是目前的當務之急。

實用新型內容本實用新型針對現有技術的不足，提供一種橋墩鋼製抱柱梁，其針對目前混凝土 抱柱梁施工費時、費工、費材料、界面連接力低等不足，而提出的鋼結構抱柱梁體系，能夠有 效地克服混凝土結構的不足，極大地提高抱柱梁結構的使用效率和適用範圍，因此，本實用 新型在頂升反力系統中，頗具優勢和競爭力。為實現以上的技術目的，本實用新型將採取以下的技術方案一種橋墩鋼製抱柱梁，包括中心抱柱梁結構以及分布在中心抱柱梁結構外圍的四 個千斤頂託架結構，其中所述中心抱柱梁結構，由兩個以上的基本單元拼接而成，該基本 單元包括中心鋼箍、剪力鍵、中心抱柱梁加勁肋、中心抱柱梁頂板、中心抱柱梁底板、中心抱 柱梁連接板以及拼接板，所述中心鋼箍內壁面布置環狀剪力鍵，所述中心鋼箍的兩端面分 別與中心抱柱梁頂板和中心抱柱梁底板焊接連接，所述中心鋼箍的外圍分別在橫向和縱向 分布有中心抱柱梁連接板，所述中心抱柱梁連接板的三個端面分別與中心鋼箍、中心抱柱 梁頂板和中心抱柱梁底板焊接連接，且該中心抱柱梁連接板餘下端面附近的板體上開設螺 紋孔，同時兩相鄰的中心抱柱梁連接板之間通過中心抱柱梁加勁肋連接，另外，所述拼接板 的三側邊分別與中心鋼箍、中心抱柱梁頂板和中心抱柱梁底板焊接連接，而拼接板餘下側 邊附近的板體上開設螺紋孔，兩相鄰的基本單元通過拼接板之間相對應的螺紋孔安裝螺紋 緊固件連接成一體；所述千斤頂託架結構，包括箱梁頂板、箱梁底板、箱梁內腹板、箱梁外腹 板以及箱梁連接板，所述箱梁連接板的三個端面分別與箱梁頂板、箱梁底板以及箱梁外腹 板焊接連接，而箱梁連接板餘下端面附近的板體上開設螺紋孔，且該箱梁連接板餘下端面 穿過箱梁內腹板放置，同時箱梁連接板與箱梁內腹板之間焊接連接；所述中心抱柱梁結構 與每一個千斤頂託架結構皆分別通過中心抱柱梁連接板和箱梁連接板上相對應的螺紋孔 安裝螺紋緊固件連接成一體。所述中心抱柱梁結構包括四個基本單元，且該四個基本單元關於中心抱柱梁結構 的對稱軸對稱。所述中心抱柱梁結構和平行相對的一組千斤頂託架結構之間分別對應地開設有 貫穿的預應力孔道，所述預應力孔道包括橫橋向預應力孔道與縱橋向預應力孔道，且橫橋 向預應力孔道與縱橋向預應力孔道異面垂直，所述預應力孔道內安裝有預應力筋，該預應力筋錨固於外腹板內，且預應力筋錨固位置設置有預應力加勁肋。所述外腹板的兩側分別對稱地安裝有一組預應力筋。所述基本單元之間通過拼接螺栓拼接成一體，而中心抱柱梁結構和千斤頂託架結 構之間則通過連接螺栓連接。根據以上的技術方案，可以實現以下的有益效果(1)安裝、拆除方便安裝時只要依據橋墩凹槽的位置，將鋼結構抱柱梁各單元直接支承在橋墩上便 可，施工便捷。此外抱柱梁各個單元之間採用螺栓連接，有利於施工前後的安裝與拆除；(2)施工工期短本實用新型所述橋墩雙向預應力鋼製抱柱梁採用工廠預製，現場拼裝的施工方 法。相比於混凝土抱柱梁結構，預製拼裝結構很大程度上縮短了施工工期，也減少了橋梁因 頂升改造而中斷的交通時間，具有良好的社會效應；(3)墩梁接觸界面連接力大本實用新型所述鋼製抱柱梁採用「剪力鍵」作為墩梁連接界面，是一種對橋墩進行 「切槽」式的鑿毛處理後，將本實用新型所述鋼製抱柱梁通過剪力鍵直接擱置於原橋墩上的 連接界面形式。墩梁之間通過剪力鍵咬合的形式連接，通過結構自身的抗剪強度以提供巨 大的頂升反力；(4)連接可靠度高，施工安全性強為了抵消頂升操作在本實用新型所述鋼製抱柱梁中引起的拉應力，保證橋墩與本 實用新型所述鋼製抱柱梁接觸界面始終處於環向承壓狀態，本實用新型所述鋼製抱柱梁中 布置雙向預應力筋，極大地提高了連接可靠度，增強了施工安全性。(5)適用範圍廣，經濟效益高與混凝土結構相比，本實用新型所述鋼製抱柱梁具有良好的強度-密度比，因此 本實用新型所述鋼製抱柱梁具有較小的結構高度以及自重。這不僅使其可以用於橋墩周 長-面積比較小的橋梁，而且在橋下空間狹小的區域也可以完成頂升改造，大大擴大了抱 柱梁結構的適用範圍。此外，本實用新型所述鋼製抱柱梁可進行重複利用，再加上施工工期 短，所需勞動力少，綜合經濟效益顯著。

圖1是本實用新型所述鋼製抱柱梁的平面示意圖；圖2a是本實用新型所述基本單元中，千斤頂託架結構的結構示意圖；圖2b是本實用新型所述基本單元中，中心抱柱梁結構的結構示意圖；圖3a是本實用新型所述基本單元中，中心抱柱梁結構的製作流程圖，其中，各構 件的焊接順序由①、②、③、④編號確定；圖3b是本實用新型所述基本單元中，千斤頂託架結構的製作流程圖，其中，各構 件的焊接順序由①、②確定；圖4是本實用新型所述中心抱柱梁連接板的結構示意圖；圖5是本實用新型所述鋼製抱柱梁的立體結構示意圖；圖6是本實用新型所示鋼製抱柱梁的立體結構分解示意圖；[0045]其中，中心鋼箍1剪力鍵2中心抱柱梁加勁肋3橫向加勁肋31傾斜加勁肋32 縱向加勁肋33中心抱柱梁底板4中心抱柱梁連接板5連接螺栓6拼接板7拼接螺栓8 預應力孔道9箱梁連接板10箱梁底板11箱梁內腹板12預應力加勁肋13箱梁外腹板 14預應力筋15縱橋向預應力筋151橫橋向預應力筋152。
具體實施方式
附圖非限制性地公開了本實用新型一個優選實施例的結構示意圖，以下將結合附 圖詳細地說明本實用新型的技術方案。如圖1、圖2a、圖2b、圖5以及圖6所示，本實用新型所述的橋墩鋼製抱柱梁，包括 中心抱柱梁結構和以及分布在中心抱柱梁結構外圍的四個千斤頂託架結構，其中所述中 心抱柱梁結構，由兩個以上的基本單元通過拼接螺栓8而拼接成一體，附圖中所示的中心 抱柱梁結構包括四個基本單元，且該四個基本單元關於中心抱柱梁結構的對稱軸對稱，該 基本單元包括中心鋼箍1、剪力鍵2、中心抱柱梁加勁肋3、中心抱柱梁頂板、中心抱柱梁底 板4、中心抱柱梁連接板5以及拼接板7，所述中心鋼箍1內壁面布置環狀剪力鍵2，所述中 心鋼箍1的兩端面分別與中心抱柱梁頂板和中心抱柱梁底板4焊接連接，所述中心鋼箍1 的外圍分別在橫向和縱向分布有中心抱柱梁連接板5，所述中心抱柱梁連接板5的三個端 面分別與中心鋼箍1、中心抱柱梁頂板和中心抱柱梁底板4焊接連接，且該中心抱柱梁連接 板5餘下端面附近的板體上開設螺紋孔，同時兩相鄰的中心抱柱梁連接板5之間通過中心 抱柱梁加勁肋3連接，另外，所述拼接板7的三側邊分別與中心鋼箍1、中心抱柱梁頂板和 中心抱柱梁底板4焊接連接，而拼接板7餘下側邊附近的板體上開設螺紋孔，兩相鄰的基 本單元通過拼接板7之間相對應的螺紋孔安裝螺紋緊固件連接成一體；所述千斤頂託架結 構，包括箱梁頂板、箱梁底板11、箱梁內腹板12、箱梁外腹板14以及箱梁連接板10，所述箱 梁連接板10的三個端面分別與箱梁頂板、箱梁底板11以及箱梁外腹板14焊接連接，而箱 梁連接板10餘下端面附近的板體上開設螺紋孔，且該箱梁連接板10餘下端面穿過箱梁內 腹板12放置，同時箱梁連接板10與箱梁內腹板12之間焊接連接；所述中心抱柱梁結構與 每一個千斤頂託架結構皆分別通過中心抱柱梁連接板5和箱梁連接板10上相對應的螺紋 孔安裝螺紋緊固件連接成一體。所述基本單元之間通過拼接螺栓8拼接，而中心抱柱梁結 構和千斤頂託架結構之間則通過連接螺栓6連接。進一步地，所述中心抱柱梁結構和平行相對的一組千斤頂託架結構之間分別對應 地開設有貫穿的預應力孔道9，所述預應力孔道9包括橫橋向預應力孔道與縱橋向預應力 孔道，且橫橋向預應力孔道與縱橋向預應力孔道異面垂直，所述預應力孔道9內安裝有預 應力筋15，該預應力筋15錨固於外腹板內，同時，外腹板的兩側分別對稱地安裝有一組預 應力筋15，且預應力筋15錨固位置設置有預應力加勁肋13。由此可知，本實用新型所述鋼 制抱柱梁為雙預應力結構。具體地說，本實用新型的設計方案根據以下思路進行(1)採用鋼結構預製構件，通過螺栓連接完成整體拼裝現有技術中，慣常採用的抱柱梁結構一般為混凝土抱柱梁結構，其不僅需要進行 現場澆注，還要在頂升改造後予以拆除，施工繁瑣複雜，且拖延原橋因改造而中斷的交通時 間。因此，本實用新型採用鋼製抱柱梁，可在工廠完成基本構件(如組成中心抱柱梁結構的各個基本單元以及千斤頂託架結構)的預製，然後在施工現場通過螺栓連接將各個構件 拼裝成整體。頂升施工完成後，再解除連接螺栓6即可完成抱柱梁的拆除。由於抱柱梁需要承受很大的頂升作用力，本實用新型所述鋼製抱柱梁採用截面慣 性矩和迴轉半徑均很大的箱形截面；為避免結構在千斤頂局部壓力作用下的鋼板屈曲，本 實用新型在千斤頂作用區域附近設置加勁肋。(2)剪力鍵2增加結構抗剪承載力抱柱梁結構的核心問題在於其與原橋墩之間傳力的可靠度。現有技術中慣用的 混凝土抱柱梁結構，由於新、老混凝土界面抗剪強度較低，其只能「以量取勝」，即通過增大 接觸面積以獲取較為理想的界面連接可靠度，這使得混凝土抱柱梁結構顯得笨重且施工麻 煩、複雜。因此，為了增加界面的抗剪承載力，本實用新型所述鋼製抱柱梁，在中心抱柱梁結 構，即鋼箍與橋墩的接觸界面設置「剪力鍵2」。其做法是在混凝土橋墩的表面每隔一定間 距進行切槽處理，凹槽的截面尺寸與混凝土保護層厚度相當，並且在鋼箍內測布置環狀剪 力鍵2，鋼箍與橋墩之間通過剪力鍵2的相互咬合達到提高抗剪承載力的目的。目前，混凝土的切槽技術和鋼結構焊接技術已相當成熟，將切槽技術用於橋墩表 面的「鑿毛」處理以提供鋼製抱柱梁豎向支承以及鋼結構抱柱梁的製作均不存在施工技術 問題。(3)設置雙向預應力抱柱梁結構的受力特徵介於牛腿與懸臂梁之間，墩梁連接處承受負彎矩，抱柱梁 中和軸以下承受拉應力。為抵消千斤頂頂升作用所導致的環向承壓面拉應力，本實用新型 在抱柱梁中和軸下部雙向設置預應力鋼筋，即在縱橋向和橫橋向同時對本實用新型鋼製抱 柱梁設置預壓力。這不僅確保本實用新型的整體性和接觸界面存在的環向預壓應力，而且 使橋墩混凝土處於雙向受壓狀態，大大提高了結構承載力與施工安全性。考慮到結構拼裝的可行性以及預應力的特點，本實用新型採用精製螺紋鋼筋作為 預應力筋15 ；預應力筋15錨均錨固於箱梁端部的外腹板處；預應力筋15錨固位置處應設 置預應力加勁肋13以避免鋼板的局部屈曲。此外，鋼製抱柱梁中的中心抱柱梁連接板5、箱 梁腹板均需要開設預應力孔道9以便於預應力筋15安裝。另外，本實用新型屬於預製鋼結構，結構中各個構件之間大多採用焊接連接，為保 證結構具有良好的承載能力及適用性，鋼製抱柱梁結構中各個構件的焊接應遵循必要的順 序，如圖3a和圖3b所示，整個焊接流程基本遵照「重要構件優先焊接」的原則，且默認各個 垂直布置構件先焊接於底板上，各個構件完成拼裝後，再焊接結構的頂板。如圖3a所示，中 心抱柱梁結構焊接時，各構件按照以下順序進行第一步驟(即圖中標號①)是將剪力鍵2 焊接中心鋼箍1上，第二步驟(即圖中標號②)將中心抱柱梁連接板5焊接到中心抱柱梁 底板4上，第三步驟(即圖中標號③)將縱向加勁肋33和橫向加勁肋31與中心抱柱梁連 接板5焊接；最後進行第四步驟(即圖中標號④)，將傾斜加勁肋32與相鄰的兩垂直中心抱 柱梁連接板5焊接連接。如圖3b所示，千斤頂託架結構焊接時，先焊接箱梁外腹板14(即 圖中標號①)，再焊接箱梁外腹板14 (即圖中標號②)。此外，由於鋼製抱柱梁在完成拼裝後再進行預應力鋼筋的設置與張拉，如圖4所 示，本實用新型所述中心抱柱梁連接板5除了設置連接螺栓6孔外，還應預留預應力孔道9;為避免雙向預應力鋼筋的交叉，縱橋向預應力孔道和橫橋向預應力孔道應具有一定的高 差，即縱橋向預應力孔道和橫橋向預應力孔道應該異面垂直。以下將本實用新型所述的技術方案具體地應用到實際橋墩中。某大橋為三跨預應力連續箱梁結構，主橋跨徑為36m+60m+36m，主橋總重 47120kN，原主橋淨高為5. 35m，原採用混凝土抱柱梁結構作為整體同步頂升改造的反力系 統。主墩抱柱梁寬1100mm，梁高1200mm ；每個主墩位置處設置16個千斤頂，千斤頂最大頂 升力為1000KN。現按照雙向預應力鋼製抱柱梁對其頂升反力系統進行設計，該鋼製抱柱梁的平面 布置尺寸如圖6所示，同時所述鋼製抱柱梁各個構件的尺寸如表1所示。其中，本實用新型 所述的鋼製抱柱梁高為400mm。中心抱柱梁結構選用Q345鋼材，作為千斤頂託架結構的鋼 箱梁採用Q235鋼材；縱橋向預應力筋151、橫橋向預應力筋152均選用Φ35πιπι精軋螺紋鋼 筋，其抗拉強度標準值為fptk = 930MPa,控制張拉應力取σ。。η = 0. 75fptk ；同時，縱橋向預應 力筋151、橫橋向預應力筋152的外圍均設置PVC管。縱橋向預應力筋151設置有四根，對稱 地分布在外腹板兩側，每側兩根，同時，該縱橋向預應力鋼筋距離板底的距離分別為100mm、 200mm ；橫橋向預應力鋼筋的數目與縱橋向預應力筋151相同，為避免縱橋向預應力筋151、 橫橋向預應力鋼筋的交叉，橫橋向預應力鋼筋距離板底的距離分別為150mm、250mm。按照上述設計建立該橋鋼結構抱柱梁的有限元分析模型，如圖5所示。各構件均 採用板單元模型，預應力筋15、千斤頂頂升作用力以及臨時支承力通過設置節點荷載予以 體現千斤頂每間隔250mm布置一個(共28個)，單個千斤頂最大頂升力300KN ；預應力按 照預應力筋15形式設置，單根預應力筋15的有效預應力為500KN ；臨時支承力與千斤頂頂 升力相同，且布置於千斤頂內側。中心鋼箍1內側的剪力鍵2採用一般支承模型模擬，且 僅提供豎向支承約束。各材料的基本屬性與《公路橋涵通用設計規範》(JTG D62-2004)中 相應的材料性質相同。表1鋼製抱柱梁結構各構件厚度
權利要求一種橋墩鋼製抱柱梁，其特徵在於，包括中心抱柱梁結構以及分布在中心抱柱梁結構外圍的四個千斤頂託架結構，其中所述中心抱柱梁結構，由兩個以上的基本單元拼接而成，每個基本單元包括中心鋼箍、剪力鍵、中心抱柱梁加勁肋、中心抱柱梁頂板、中心抱柱梁底板、中心抱柱梁連接板以及拼接板，所述中心鋼箍內壁面布置環狀剪力鍵，所述中心鋼箍的兩端面分別與中心抱柱梁頂板和中心抱柱梁底板焊接連接，所述中心鋼箍的外圍分別在橫向和縱向分布有中心抱柱梁連接板，所述中心抱柱梁連接板的三個端面分別與中心鋼箍、中心抱柱梁頂板和中心抱柱梁底板焊接連接，且該中心抱柱梁連接板餘下端面附近的板體上開設螺紋孔，同時兩相鄰的中心抱柱梁連接板之間通過中心抱柱梁加勁肋連接，另外，所述拼接板的三側邊分別與中心鋼箍、中心抱柱梁頂板和中心抱柱梁底板焊接連接，而拼接板餘下側邊附近的板體上開設螺紋孔，兩相鄰的基本單元通過拼接板之間相對應的螺紋孔安裝螺紋緊固件連接成一體；所述千斤頂託架結構，包括箱梁頂板、箱梁底板、箱梁內腹板、箱梁外腹板以及箱梁連接板，所述箱梁連接板的三個端面分別與箱梁頂板、箱梁底板以及箱梁外腹板焊接連接，而箱梁連接板餘下端面附近的板體上開設螺紋孔，且該箱梁連接板餘下端面穿過箱梁內腹板放置，同時箱梁連接板與箱梁內腹板之間焊接連接；所述中心抱柱梁結構與每一個千斤頂託架結構皆分別通過中心抱柱梁連接板和箱梁連接板上相對應的螺紋孔安裝螺紋緊固件連接成一體。
2.根據權利要求1所述橋墩鋼製抱柱梁，其特徵在於，所述中心抱柱梁結構包括四個 基本單元，且該四個基本單元關於中心抱柱梁結構的對稱軸對稱。
3.根據權利要求1所述橋墩鋼製抱柱梁，其特徵在於，所述中心抱柱梁結構和平行相 對的一組千斤頂託架結構之間分別對應地開設有貫穿的預應力孔道，所述預應力孔道包括 橫橋向預應力孔道與縱橋向預應力孔道，且橫橋向預應力孔道與縱橋向預應力孔道異面垂 直，所述預應力孔道內安裝有預應力筋，該預應力筋錨固於外腹板內，且預應力筋錨固位置 設置有預應力加勁肋。
4.根據權利要求3所述橋墩鋼製抱柱梁，其特徵在於，所述外腹板的兩側分別對稱地 安裝有一組預應力筋。
5.根據權利要求1所述橋墩鋼製抱柱梁，其特徵在於，所述基本單元之間通過拼接螺 栓拼接成一體，而中心抱柱梁結構和千斤頂託架結構之間則通過連接螺栓連接。
專利摘要本實用新型公開了一種橋墩鋼製抱柱梁，其採用鋼材製作中心抱柱梁結構以及分布在中心抱柱梁結構外圍的四個千斤頂託架結構，所述的中心抱柱梁結構由兩個以上的基本單元通過拼接螺栓拼接而成，同時每一個千斤頂託架結構也通過連接螺栓分別與中心抱柱梁結構對應連接，由此可知，本實用新型所述橋墩鋼製抱柱梁能夠有效地克服混凝土結構的不足，極大地提高抱柱梁結構的使用效率和適用範圍，因此，本實用新型作為橋梁頂升的反力系統頗具優勢和競爭力。
文檔編號E01D19/02GK201738249SQ20102025392
公開日2011年2月9日 申請日期2010年7月9日 優先權日2010年7月9日
發明者傅中秋, 吉伯海, 徐聲亮, 袁愛民 申請人:河海大學