一种单索面斜拉桥的加固结构

摘要

本发明涉及一种单索面斜拉桥的加固结构，该加固结构具有在每一桥塔(3)前后的主梁(1)的腹板两侧对称且垂直向外延伸的悬臂梁(7)，该悬臂梁(7)与经过桥塔(3)轴线的横垂面之间的距离为桥面宽度的1.1～1.2倍，它的延伸端与主梁(1)边缘的距离为150cm～250cm；每一悬臂梁(7)的外端部与桥塔(3)和桥墩(2)之间分别锚固有形状记忆合金拉索(5)，其中，所述形状记忆合金拉索(5)与桥塔(3)之间的锚固点离主梁(1)上表面的高度为桥面宽度的1～3倍，所述形状记忆合金拉索(5)与桥墩(2)之间的锚固点离主梁(1)下表面的高度为桥面宽度的0.2～1倍。本发明的加固结构可有效的抑制单索面斜拉桥主梁的扭转振动。

说明书

技术领域

本发明涉及现有桥梁的加固结构，具体涉及一种现有斜拉桥动力性能的加 固结构。

背景技术

桥梁是一种永久性建筑物，随着时间的推移、环境的变迁以及车流量和通行 车辆吨位的增大，原结构的薄弱环节就会显现出来。因此在现有技术中，为了 延长现有桥梁的服役寿命、改善使用性能所采用的加固方案主要有两类，一是 结构损伤的修复，二是受力构件的补强，如，本发明人之一在前申请并授权的 申请号为200810219685.3和200810219686.8的发明专利方案就属于前者，公 开号为CN102140780A的发明专利申请方案就属于后者。

单索面斜拉桥是一种常见的桥梁型式，这种桥梁通常设有桥塔，主梁位于桥 塔与桥墩间，桥塔和主梁之间设斜拉索，这些拉索均位于单索斜拉桥的桥中线 所在的铅垂面上，该类桥梁造型简约美观、视野开阔，因而被工程界广泛使用。 由以上描述可见，该结构本身就存在以下的不足：在地震、风载或汽车行走产 生的偏载作用下，桥梁容易产生以桥轴线为中心的扭转振动，并且桥宽度越大， 扭转振动的幅度就越大，既影响行车的舒适度，也影响桥梁自身的安全。因此 对于单索面斜拉桥来说，如果也采用补强受力构件的方案来进行加固，显然是 难以解决其扭转振动的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种单索面斜拉桥的加固结构，该加固 结构简单，投资省、减振效果突出。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：

一种单索面斜拉桥的加固结构，该加固结构是沿所述斜拉桥的长度方向， 在每一桥塔前后的主梁的腹板两侧分别对称且垂直向外延伸一悬臂梁，该悬臂 梁与经过桥塔轴线的横垂面之间的距离为桥面宽度的1.1～1.2倍，它的延伸端 与主梁边缘的距离为150cm～250cm；每一悬臂梁的外端部与桥塔和桥墩之间分 别锚固有形状记忆合金拉索，其中，所述形状记忆合金拉索与桥塔之间的锚固 点离主梁上表面的高度为桥面宽度的1～3倍，所述形状记忆合金拉索与桥墩之 间的锚固点离主梁下表面的高度为桥面宽度的0.2～1倍。

所述的形状记忆合金拉索的一个优选方案是选用NiTi形状记忆合金拉索。

本发明所述形状记忆合金拉索由拉索和配套的冷铸锚具组成；所述的冷铸 锚具主要由锚杯和连接筒组成，其中，所述锚杯为圆柱形，其体内设有与所述 圆柱形同轴的锥形孔，所述连接筒由端面积较小的一头伸进所述的锥形孔并与 锚杯螺纹连接，所述的拉索从另一端伸进连接筒并延伸至所述的锥形孔内，其 每一根NiTi合金丝的端部均固定在位于所述锥形孔内的一锚板上，所述锚板为 圆锥盘，其外径与所述锥形孔横截面较大的一头相匹配；所述的锚杯的外壁上 螺纹连接一螺母。

为了防止由多根NiTi合金丝拼组在一起的拉索松散，所述的拉索上设有若 干个索夹，该索夹由两个半圆柱筒组成，并由螺栓固定在一起。

本发明的加固结构的具体实施方法如下：

1、收集影响待加固的单索面斜拉桥舒适性指标的主要结构参数，如，跨径、 桥宽、桥塔高度、桥墩高度等。

2、拟定加固要求和控制目标，如，单索面斜拉桥在偏心车辆荷载作用下的 斯佩林(Sperling)舒适性指标。

3、进行加固设计。首先对待加固单索面斜拉桥进行有限元软件分析，判断 待加固斜拉桥是否已达到所拟定的控制目标；若未达到便按本发明所述的加固 结构进行加固设计。

4、加固设计方案校核。建立加固设计方案的有限元模型并进行分析，再判 断分析结果是否达到所拟定的控制目标，若未达到便改变所述形状记忆合金拉 索的锚固点及其规格和根数进行修正，然后再进行校核，直至达到所拟定的控 制目标。

5、将经过校核达到所拟定的控制目标的加固设计方案确定为待加固斜拉桥 的加固方案并付诸实施。

本发明所述的加固结构，其中所述的形状记忆合金拉索与主梁和桥塔以及 形状记忆合金拉索与主梁和桥墩均形成了一个稳定的三角形结构，当桥梁在汽 车偏载荷作用或地震产生的扭转振动时，位于偏载一侧与桥塔锚固的形状记忆 合金拉索以及位于对侧的与桥墩锚固的形状记忆合金拉索均受拉，由其阻尼作 用将主梁的扭转振动转换成热能而耗散，从而有效地降低了主梁的扭转振动的 幅度。可见，本发明所述加固结构无论是与现有更换直径较大的拉索的方案相 比，还是与现有给桥梁施加体外预应力的方案相比，不但耗材显著减少，而且 施工简单、节省人力。

附图说明

图1为本发明所述的单索面斜拉桥的加固结构的一个具体实施例的结构示 意图。

图2图1所示实施例中桥塔部分的纵向局部放大图。

图3为图1所示实施例中桥塔部分的横向局部放大图。

图4为图1所示实施例中桥塔部分的俯视局部放大图。

图5为图1所示实施例中桥塔部分的仰视局部放大图。

图6为本发明所述的冷铸锚具的一个具体结构示意图。

图7为本发明所述的冷铸锚具与桥塔之间的一种连接结构示意图。

图8为本发明所述的冷铸锚具与桥墩之间的一种连接结构示意图。

图9为本发明所述的冷铸锚具与悬臂梁之间的一种连接结构示意图。

图10和图11为本发明所述的索夹的一种结构示意图，其中，图10为主视 图，图11为图10的A-A剖视图。

图12为图10和图11所示的索夹的一个使用状态图。

图13为本发明所述的悬臂梁的一个结构示意图。

图14为实施本发明的加固结构的流程框图。

图15～图18为图1所示单索面斜拉桥加固前的有限元模型图，其中，图 15为单索面斜拉桥桥体的有限元计算模型；图16为桥塔侧倾振型图；图17为 主梁扭转振型图；图18主梁竖弯振型图。

图19为本发明所述的NiTi记忆合金拉索的有限元计算模型。

图20为本发明所述的NiTi形状记忆合金拉索在3％初应变下力与位移滞回 曲线。

图21～图24为图1所示单索面斜拉桥添加NiTi形状记忆合金拉索后的有 限元模型图，其中，图21为单索面斜拉桥桥体的有限元计算模型；图22为桥 塔侧倾振型图；图23为主梁扭转振型图；图24主梁竖弯振型图。

具体实施方式

参见图14，本发明的加固结构的实施步骤如下所述。

1、收集待加固的单索面斜拉桥的结构参数

参见图1～图5，本实施例中的待加固的单索面斜拉桥为独塔单索面斜拉桥， 桥塔3两侧的斜拉索19呈辐射状斜拉于桥塔3与主梁1之间；塔、墩、梁固结， 其结构参数如下：跨径组合为(139+106)m，塔高69m，主梁1采用单箱三室箱型 断面，主梁1的顶板宽度(即桥面宽度)33.5m，底宽4.5m，主梁高3.5m；桥 塔3和主梁1采用C55混凝土建造。

2、拟定加固要求

此处以单索面斜拉桥在偏心车辆荷载作用下的斯佩林(Sperling)舒适性指 标为控制目标，加固后，该指标应该达到设定标准。其中，所述的斯佩林舒适 性指标是体现行车过程中人的舒适性感受的一个指标，其评价标准如表1所示 (表中w_Z表示舒适度指标值)。

依据上述原则，本例按《公路工程技术标准》(JTJ001-97)定义的挂车-120 作为产生偏载的行车荷载，行驶速度为70Km/h，拟定斯佩林舒适性指标的设定 标准为：w_Z≤1。

(1)待加固斜拉桥的振动响应分析、舒适度校核

①利用ANSYS软件建立待加固的单索面斜拉桥有限元计算分析模型(参 见图15)；

②对斜拉桥进行振动响应分析，计算斜拉桥在偏心车辆荷载作用下的斯 佩林舒适性指标，并将计算结果与步骤2中的设定标准进行比较，判断是否需 要加固。

其中，斯佩林舒适性指标计算公式为：

$W_Z=2.7\times \sqrt[10]{Z^3{f}^{2}F\left(f\right)}---\left(I\right)$

(I)式中，Z为振动幅值(mm)；f为行车振动卓越频率(Hz)；F(f)为 频率修正系数，对于扭转振动：

F(f)＝0.8f²    0.5Hz＜f≤5.4Hz

F(f)＝650/f    5.4Hz＜f≤26Hz      (II)

F(f)＝1

经计算，本实施例中的斜拉桥在偏心车辆荷载作用下佩斯林舒适性指标 w_Z＝1.64(参见表2)，而设定标准w_Z≤1，因此不满足要求，需要采用本发 明的加固结构对该斜拉桥进行加固。

(2)拟定加固方案

①初步确定形状记忆合金拉索5的锚固位置。根据桥面宽度、桥塔3和桥 墩2高度以及通航净空来初步确定形状记忆合金拉索5在主梁1悬臂梁7以及 桥塔3和桥墩2的锚固点位置。

参见图1～图5，在本实施例中，沿斜拉桥的长度方向，在位于桥塔3前后 的主梁1的腹板的两侧分别对称设置两根用于锚固形状记忆合金拉索5的悬臂 梁7，每一悬臂梁7的外端部与桥塔3和桥墩2之间分别锚固有形状记忆合金拉 索5。现在初步确定所述悬臂梁7的结构参数如下：悬臂梁7自腹板处垂直向外 延伸的延伸端超出主梁1边缘(即主梁1的顶板的边缘)200cm；悬臂梁7与经过 桥塔轴线的横垂面之间的距离为1875cm，即相当于1/2桥面宽度的1.12倍。初 步确定形状记忆合金拉索5与桥塔3之间的锚固点离主梁1上表面的高度为 5000cm，即相当于桥面宽度的1.5倍；形状记忆合金拉索5与桥墩2之间的锚 固点离主梁1下表面的高度为840cm，即相当于桥面宽度的0.25倍。

②初步确定形状记忆合金拉索5的数量及截面积。本例中选用NiTi形状记 忆合金来制作形状记忆合金拉索5，单根由NiTi形状记忆合金制成的形状记忆 合金拉索3通常由直径为5mm的NiTi合金丝5-2组拼而成。

根据斜拉桥的结构参数以及步骤3-(1)的待加固斜拉桥的振动响应分析、 舒适度校核结果，初步确定每一悬臂梁7的外端部与桥塔3和桥墩2之间分别 锚固一根形状记忆合金拉索3，每一根形状记忆合金拉索5的最终截面积为 0.016426m²(即每根形状记忆合金拉索5包含837根直径为5mm的NiTi合金 丝5-2)。亦即，在主梁1与桥塔3及桥敦2间共设置八根形状记忆合金拉索5， 这八根形状记忆合金拉索5对称设在经过桥塔轴线的横垂面的两侧(参见图1～ 图5)。

3、拟定加固方案的校核

(1)利用ANSYS软件建立形状记忆合金拉索5的三维实体有限元计算 模型(参见图19)，获得其初应变为3％时力与位移的滞回曲线(参见图20)， 并按公式(III)和(IV)分别求得NiTi形状记忆合金拉索5等效刚度和等效阻 尼系数。

$K_S=\frac{F_{\max }-F_{\min }}{{\Delta }_{\max }-{\Delta }_{\min }}---\left(\mathrm{III}\right)$

$\xi =\frac{W_c}{2\pi K_s{\Delta }^2}---\left(\mathrm{IV}\right)$

上式中，F_max和F_min分别为一个加载循环中的最大输出力和最小输出力； Δ_max和Δ_min分别为一个加载循环中的最大输出位移和最小输出位移；W_c为单位循 环耗能量。

(2)基于步骤2-(1)-①中所建立的有限元模型，添加上述步骤3-(1) 中所建立的形状记忆合金拉索5单元，建立安装有形状记忆合金拉索5的单索 面斜拉桥全桥有限元计算分析模型(参见图21)，形状记忆合金拉索5的等效 刚度和等效阻尼系数根据上述步骤3-(1)确定；

计算斜拉桥在偏心车辆荷载作用下的斯佩林舒适性指标，并与设定标准比 较，判断是否达到所拟定的加固要求。

经计算，斜拉桥加固后的斯佩林舒适性指标w_Z＝0.91(参见表2)，达到了 所拟定的加固要求，即w_Z≤1的要求。

若上述指标不符合设定标准，则应当重复步骤2-(2)，重新拟定形状记忆 合金拉索5的锚固位置、数量及截面积，并重新校核，直到该指标达到设定标 准为止。

4、加固结构的具体实施

由步骤3的校核结果可见，步骤2所述的加固设计方案已满足步骤2所述 的加固要求，故采用步骤2所述的加固设计方案对本例所述的待加固的单索面 斜拉桥进行加固。具体加固方法如下所述。

参见图3和图9，本实施例中的悬臂梁7的结构为：在主梁1内设置一根横 梁，该横梁支承在主梁1的底板上并穿越主梁1的斜腹板向两侧延伸，延伸出 腹板的部分形成所述的悬臂梁7。此外，悬臂梁7也可以采用以下的结构：直接 在主梁1的腹板上向外延伸一横梁形成悬臂梁7，建造时，该悬臂梁7内的钢筋 笼与主梁1腹板内的钢筋笼应当焊接在一起，以保证它和主梁1腹板之间具有 足够的连接强度(参见图13)。

参见图6和图10～图12，本例中的形状记忆合金拉索5均由拉索5-1和设 在其两头的冷铸锚具4组成，其中，所述的拉索5-1由837根直径为5mm的NiTi 合金丝5-2拼组而成，其横截面呈圆形，每一根拉索5-1上均布有多个索夹8， 该索夹8由两个半圆柱筒8-1组成，并由螺栓21固定在一起(参见图10～图 12)；所述的冷铸锚具4主要由锚杯9和连接筒10组成，其中，所述锚杯9为 圆柱形，其体内设有与所述圆柱形同轴的锥形孔，所述连接筒10由锥形孔端面 积较小的一头伸进该锥形孔并与锚杯9螺纹连接，所述的连接筒10伸进锥形孔 的一头的末端设有一约束板12；所述的拉索5-1从连接筒10上位于锥形孔外的 一端伸进连接筒10，其上的多根NiTi合金丝5-2在连接筒10内分散并分别穿 过所述的约束板12，每一根NiTi合金丝5-2的端部均固定在位于所述锥形孔内 的一锚板11上，所述锚板11为圆锥盘，其外径与所述锥形孔横截面较大的一 头相匹配；所述的连接筒10位于锥形孔外的一头的口部内由里向外依次设有密 封胶14、橡胶密封环15和连接筒前盖16；所述的锚杯9的另一端设有锚杯后 盖17，锚杯9的外壁上设有外螺纹，其上连接有一螺母13。

参见图7，所述的形状记忆合金拉索5与桥塔3的之间锚固结构为：桥塔3 为空心结构，桥塔3体内设有预埋套筒6，该预埋套筒6的上端倾斜向上延伸至 桥塔3内壁上的一斜面上，形状记忆合金拉索5中的冷铸锚具4从预埋套筒6 的下端插入，其末端从预埋套筒6的上端伸出所述的斜面，冷铸锚具4的锚杯9 上套有一锚固板18，该锚固板18的一侧贴紧在所述的斜面上，另一侧由螺母 13压紧。所述的预埋套筒6的下端口上设有密封胶14和套筒端盖20。

参见图8，形状记忆合金拉索5与桥墩2之间的锚固结构为：桥墩2为空心 结构，锚固位置的体内设有预埋套筒6，该预埋套筒6的下端从桥墩2的外侧斜 向下延伸至内侧，并贴近于设在桥墩2内的锚固凸起22的下表面，所述的冷铸 锚具4从预埋套筒6的上端插入，其末端从预埋套筒6的下端伸出所述的锚固 凸起22的下表面，冷铸锚具4的锚杯9上套有一锚固板18，该锚固板18的一 侧贴紧在锚固凸起22的下表面上，另一侧由螺母13压紧。所述的预埋套筒6 的下端口上设有密封胶14和套筒端盖20。

参见图9，所述的桥塔3上的形状记忆合金拉索5与悬臂梁7之间的连接结 构为：悬臂梁7的下侧设有锲形的下锚固块23，悬臂梁7内设有预埋套筒6， 该预埋套筒6的下端从悬臂梁7的上侧延伸至接近所述下锚固块23的锲形面， 形状记忆合金拉索5中的冷铸锚具4从预埋套筒6的上端插入，其末端从预埋 套筒6的下端伸出所述的下锚固块23的锲形面，冷铸锚具4的锚杯9上套有一 锚固板18，该锚固板18的一侧贴紧在下锚固块23的锲形面上，另一侧由螺母 13压紧；所述的预埋套筒6的下端口上设有密封胶14和套筒端盖20。所述的 桥墩2上的形状记忆合金拉索5与悬臂梁7之间的连接结构为：悬臂梁7的上 侧设有锲形的上锚固块24，悬臂梁7内设有预埋套筒6，该预埋套筒6的上端 从悬臂梁7的下侧延伸至接近所述上锚固块24的锲形面，形状记忆合金拉索5 中的冷铸锚具4从预埋套筒6的下端插入，其末端从预埋套筒6的上端伸出所 述的上锚固块24的锲形面，冷铸锚具4的锚杯9上套有一锚固板18，该锚固板 18的一侧贴紧在上锚固块24的锲形面上，另一侧由螺母13压紧；所述的预埋 套筒6的下端口上设有密封胶14和套筒端盖20。

在本发明的实施过程中，还可以比较加固前斜拉桥的一些其他指标，如主 梁1的扭转、竖弯自振频率以及主梁1在偏载车辆荷载下的扭转振动最大位移 幅值，以进一步验证本发明的加固结构的加固效果。具体方法如下：

根据上述步骤2中所构建的有限元计算分析模型，进一步计算出如图16～ 图18所示的加固前的桥塔3的侧倾振型图、主梁1的横向扭转、竖向弯曲振型， 求得主梁1的扭转自振频率为0.619Hz，竖弯自振频率为0.9941Hz(参见表3)， 主梁1在所述偏载车辆荷载下的扭转振动最大位移幅值为13.6mm(参见表2)。

根据上述步骤3中所构建的有限元计算分析模型，进一步计算出如图22～ 图24所示的加固后的桥塔3的侧倾振型图、主梁1的横向扭转、竖向弯曲振型， 并求得主梁1的扭转自振频率为0.823Hz，竖弯自振频率为0.9941Hz(参见表3)， 主梁1在偏载车辆荷载下的扭转振动最大位移幅值为9.2mm(参见表2)。

将上述的加固前后的相应数据对比可见，应用本发明的加固结构可有效度 提高单索面斜拉桥的横向抗扭刚度，也可有效减小中承式单索面拱桥的扭转振 动位移幅值。

表1舒适度指标的评价标准

  W_Z  舒适度   1.00   感觉稍有振动   2.00   感觉明显振动   2.50   明确地感觉振动，但不感觉不舒适   3.00   振动强烈而不规则，但能忍受   3.25   振动非常不规则，感觉不舒适   3.5   振动极端不规则，时间长则不能忍受   4.00   极端不舒适，时间长则对人体有害

表2偏载荷载作用下主梁扭转振幅以及舒适度指标的比较

表3安装NiTi形状记忆合金拉索前后主梁自振频率的比较