一种用于加固PSC连续箱梁桥的斜拉桥结构及施工方法

摘要

本发明涉及一种用于加固PSC连续箱梁桥的斜拉桥结构及施工方法，该结构包括桥塔、拉索和放置在桥面中心线上的组合型钢，通过斜拉桥体系改变PSC连续梁桥受力状况，提高其承载能力。通过连接装置使型钢锚固箱梁顶板上。桥塔焊接在组合型钢上，通过拉索连接桥塔和组合型钢。传统斜拉桥中，中跨跨中无索区域主梁受到很大的轴向拉力；而桥塔根部主梁受到很大的轴向拉力。本发明将组合型钢锚固在主梁上，并用拉索连接组合型钢，这样过大的轴向拉力、压力都作用在组合型钢上，对主梁无不利影响，而组合型钢在拉索作用力下对主梁提供向上的提升力，增强了主梁抗弯、抗剪能力，减小了主梁下挠变形，并能抑制主梁裂缝的发展。本发明高效、简单、安全和经济。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于加固PSC连续箱梁桥的斜拉桥结构及施工方法 (PSC：预应力钢筋混凝土)，该发明的加固结构包括桥塔、拉索和放置 在桥面中心线上的组合型钢，通过斜拉桥体系改变PSC连续梁桥受力状 况，从而提高其承载能力。通过连接装置使型钢锚固箱梁顶板上。桥塔 焊接在组合型钢上，通过拉索连接桥塔和组合型钢。传统斜拉桥中，中 跨跨中无索区域主梁受到很大的轴向拉力；而桥塔根部主梁受到很大的 轴向拉力。过大的拉力、压力都对主梁产生不利影响。本发明中将组合 型钢锚固在主梁上，并用拉索连接组合型钢，这样过大的轴向拉力、压 力都作用在组合型钢上，对主梁无不利影响，而组合型钢在拉索作用力 下对主梁提供向上的提升力，增强了主梁抗弯、抗剪能力，减小了主梁 下挠变形，并能抑制主梁裂缝的发展。这种斜拉桥的加固方法可以使提 高PSC连续箱梁桥承载力更加高效、简单、安全和经济。

背景技术

目前国内外对桥梁进行加固改造的主要技术方法如下：

1)增大截面加固法：这种方法通过增加混凝土构件的截面和增加 配筋，提高构件的承载力和刚度。根据加固目的和要求的不同，可以增 大截面为主的加固，也可以是以增加配筋为主的加固。加固中须要确保 新旧混凝土结合良好。但这种方法缺点也非常明显，由于加固中不可避 免地增加了结构自重，所以对于本发明所研究的大跨度预应力混凝土连 续箱梁桥不是很适用。

2)加厚桥面补强法：该方法是凿除原有的桥面铺装层，重新铺设 一层混凝土或钢筋混凝土补强层。这种方法能修复已经出现裂缝、剥离 等病害的桥面板，又能增加原有主梁的有效高度，增加主梁的抗弯能力， 改善铰接梁的荷载横向分布，从而提高桥梁的承载能力。但这种方法由 于增加了桥梁自重，使恒载弯矩增加较多，并且仍然受到原桥梁结构下 缘受拉区域钢筋允许应力的限制，故此加固方法一般只适用于跨径较小 的T形梁桥或板梁。该方法同样对于大跨度预应力混凝土连续箱梁桥加 固效果不佳。

3)增大梁肋加固法：增大梁肋加固法常用于T梁加固，对于这类桥 梁，可以将梁的下端加宽，增大横截面面积，并在新混凝土截面中增设 受力主筋。但增大截面后同样增加了结构自重，也不适用于大跨度预应 力混凝土连续箱梁桥加固。

4)粘贴碳纤维加固法：粘贴碳纤维加固法是利用粘结剂碳纤维增 强复合材料(CFRP)粘贴在梁体混凝土表面，当梁体受到汽车、人群等 活载时，碳纤维与梁体混凝土协调变形而共同受力，从而提高了桥梁的 承载能力与刚度，起到了加固作用。但是由于施工中需要粘贴增强复合 材料到梁底，需要工人站在支架上涂抹粘结剂，操作极为不便，粘贴质 量难以得到保障。同时，由于增强复合材料仅在桥梁受到活载时参与工 作，属于被动受力，当增强复合材料发挥作用时，被加固的梁体下挠变 形往往已经较大，因此，在大跨度预应力混凝土连续箱梁桥已经发生较 大下挠变形的情况下，加固效果不理想。

5)增设承重构件加固法：当桥梁承载力不能满足要求，但梁体结 构基本完好时，为了提高承载力，可以采用增加承重构件的方法，新增 构件的承载力和刚度较大。施工中必须确保新旧构件之间的连接可靠， 使其共同参与受力作用，这种加固方法施工期间要对交通影响较大，而 且存在新旧构件受力不同步的问题。

6)粘贴钢板加固法：利用环氧树脂系列黏结剂将钢板粘贴在钢筋 混凝土结构物的受拉侧或薄弱部位，使钢板与原结构物形成整体共同受 力，提高结构物的抗弯、抗剪能力及刚度，改善原结构物的钢筋及混凝 土的应力状态，限制裂缝发展，从而提高桥梁的承载力与耐久性。与粘 贴碳纤维加固法相似，粘贴钢板加固法同样属于被动加固，也不适用于 已经发生较大下挠变形的大跨度预应力混凝土连续箱梁桥。

7)体外预应力加固法：体外预应力加固梁式桥，是一种改变了梁 体原有受力状态的加固方法。当桥梁结构承载力不足或需要提高荷载等 级时可以考虑采用体外预应力加固法。这一方法是在梁体外部布置施加 了预应力的钢筋或钢丝束，以改善桥梁的受力状况。这种方法往往需要 在梁体安装预应力锚固装置，对梁体产生损伤；局部过大的压应力存在 超限的可能性，造成安全隐患。

8)改变桥梁体系加固法：这种加固方法是通过改变桥梁结构体系 来减少主梁内应力、提高承载能力。如在简支梁下增设支架或桥墩；将 相邻两跨简支梁连接成为连续梁。这种加固方法施工中往往要在桥下作 业来增设桥墩，因而占用桥下净空，影响交通或桥梁泄洪。这种加固方 式效果较好，是目前国内外解决临时通行超重车的常见措施。重车通行 后，再拆除临时桥墩或支架。本发明中的加固方法就属于这种方法。

9)锚喷混凝土加固法：锚喷混凝土加固法是利用机械喷射高压、 高速的混凝土到已锚固好的钢筋网上，使其凝固硬化形成钢筋混凝土结 构，增大原桥梁结构强度和刚度。但此种加固方法在浆砌片石拱桥加固 中运用较多，能较好地解决石拱桥常见病害。

我国道路交通量随社会经济的发展而迅猛增长；同时，以往规范中 设计荷载标准值相对较低导致大量桥梁承载能力相对不足，存在不容忽 视的安全隐患。针对当前常规桥梁加固方法在提高大跨度预应力混凝土 连续箱梁桥承载力时还存在一些不足的情况，本发明以既有大跨度预应 力混凝土箱梁桥为研究对象，搜集并分析导致其承载力不足的桥梁病害 及设计缺陷，设计出一种用于加固PSC连续箱梁桥的斜拉桥结构及施工 方法，使提高PSC连续箱梁桥承载力更加高效、简单、安全和经济。

发明内容

本发明的目的是提高加固PSC连续箱梁桥效益，设计出一种用于加 固PSC连续箱梁桥的斜拉桥结构及施工方法，本发明的结构特征如下：

斜拉桥结构的加固原理：

箱梁顶板1和组合型钢2通过竖向预应力钢筋3及连接装置10锚固在 一起，拉索4连接桥塔5和组合型钢2，桥塔5焊接在组合型钢2上，拉索4 对组合型钢2施加拉力，使组合型钢2受到轴力和竖向提升力，由于锚固 作用，箱梁顶板1也受到竖向提升力，桥塔5受到拉索4的拉力，桥塔5将 作用力传递给桥墩上方的组合型钢2，组合型钢2再将荷载传递给箱梁0 号块6，0号块6承受作用力传递给中支点支座7，然后通过桥墩8和基础9 传递至地基。组合型钢在区域AB、CD受到轴向压力，在无索区域BC受到 轴向拉力，这样过大的压力、拉力由组合型钢承担而不是主梁自身，避 免了过大的轴力对主梁的不利影响，同时使主梁受到了向上的提升力。 从而增强PSC连续箱梁桥主梁抗弯、抗剪能力，减小主梁下挠变形，并 能抑制主梁裂缝的发展。

斜拉桥结构包括：

箱梁顶板1、组合型钢2、竖向预应力钢筋3、拉索4、桥塔5、0 号块6、中支点支座7、桥墩8、基础9、连接装置10、第一钻孔11、 拉索锚头12、拉索锚固块13、挡板14、局部加强钢板15、钢锚横梁16、 牛腿17、拉索锚头18、箱梁19、第二钻孔20、竖直钢板21、下水平钢 板22、上水平钢板23。

加固前，箱梁19作用在桥墩8上，桥墩8作用于基础9上，基础9 作用于地基上，箱梁19、桥墩8和基础9形成标准的三跨连续箱梁桥。

组合型钢2由竖直钢板21、下水平钢板22、上水平钢板23、拉索 锚固块13、挡板14、局部加强钢板15焊接而成。箱梁19为PSC材料 结构。使用机械在下水平钢板22上打出第一钻孔11，连接装置10与竖 向预应力钢筋3连接，并将组合型钢2和箱梁顶板1锚固为一体。

桥塔5焊接在组合型钢2上，桥塔5由钢锚横梁16、牛腿17组成。 钢锚横梁16用来承担拉索4的水平力，拉索4的垂直分力由牛腿17来 传递给桥塔5，这样的结构使桥塔5尽量处于受压状态。这样布置的钢 锚横梁16和牛腿17避免了桥塔与拉索连接处因应力过大而发生破坏。

拉索由拉索4、拉索锚头12、拉索锚头18组成。拉索锚头12、拉 索锚头18分别将拉索4锚固于组合型钢2和桥塔5上。

根据以上发明的结构特征，其施工方法如下：

在箱梁19、桥墩8和基础9组成的标准三跨连续箱梁桥上，按图8 加工组合型钢2，其中上水平钢板23在施工最后焊接到组合型钢2上。 在组合型钢2设计位置打出第一钻孔11。利用连接装置10连接竖向预 应力钢筋3，在桥面中心线布置组合型钢2后，再利用连接装置10将组 合型钢2锚固在箱梁顶板1上。

加工桥塔5节段，现场拼接焊接桥塔5节段并安装钢锚横梁16。利 用卷扬机、滑轮提升各个拉索，牵引至桥塔孔道内就位后，用拉索锚头 18固定。同样对梁端拉索进行安装，利用千斤顶张拉各拉索后用拉索锚 头12锚固。根据桥梁结构形式及病害程度调整各拉索索力，使桥梁处 于良好的受力状态。最后安装、焊接上水平钢板23，并对所有钢构件进 行防锈处理。

本发明的有益效果：

本发明为一种用于加固PSC连续箱梁桥的斜拉桥结构及施工方法， 通过组合型钢、拉索、桥塔对PSC连续箱梁桥加固的作用，使连续箱梁 桥达到了主动加固的效果，克服了传统加固方法加固效果差、对原桥梁 结构局部位置破损大等缺点，能有效提高主梁抗弯、抗剪能力，减小主 梁下挠变形，并抑制主梁裂缝的发展。

本发明中涉及到的机械、材料在桥梁施工中极为普遍，使这种加固 方法的实用性得到保证。桥塔、组合型钢、钢锚横梁在工厂预制加工， 现场拼装，加工质量可以得到保障，而且可以有效缩短工期。施工区域 主要在桥面中央分隔带区域中，占用空间少，不中断交通，对交通影响 小，适用于交通任务量大的桥梁加固。

附图说明

图1加固前三跨PSC连续箱梁桥顺桥向剖面构造图；

图2加固后斜拉桥体系桥梁立面图；

图3加固后斜拉桥体系桥梁1/2立面图；

图4加固前箱梁横截面图；

图5加固后箱梁横截面图；

图6组合型钢节段立面图(安装上水平钢板前)；

图7组合型钢节段三维图；

图8桥塔横桥向布置图。

图9桥梁加固前、后受力简图。

a)连续梁桥立面图

b)连续梁桥自重作用下受力图

c)连续梁桥自重作用下弯矩图(单位：kN·m)

d)加固后成为斜拉桥体系受到向上的提升力

e)加固后成为斜拉桥体系自重作用下弯矩图(单位：kN·m)

其中箱梁顶板1、组合型钢2、竖向预应力钢筋3、拉索4、桥塔5、 0号块6、中支点支座7、桥墩8、基础9、连接装置10、第一钻孔11、 拉索锚头12、拉索锚固块13、挡板14、局部加强钢板15、钢锚横梁16、 牛腿17、拉索锚头18、箱梁19、第二钻孔20、竖直钢板21、下水平钢 板22、上水平钢板23。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对于本发明作进一步的说明；

利用上述设计的一种用于加固PSC连续箱梁桥的斜拉桥结构及施工 方法，具体步骤如下：

步骤一：查阅资料并实测得到桥梁构造、病害状况，勘测得到预加 固桥梁需要提高的承载力大小，用来得到桥塔、拉索、组合型钢、连接 装置的受力情况，由此确定各部件的所需个数、尺寸、钢材等级及具体 布置情况。

步骤二：由步骤一中得到的受力情况及桥塔、拉索、组合型钢的结 构形式确定拉索张拉顺序及各次张拉力。

步骤三：根据步骤一并考虑施工现场机械作业能力，由工厂加工桥 塔(节段)、组合型钢(节段)、钢锚横梁。由连接装置尺寸确定钻孔大 小。在下水平钢板22上打出若干个第一钻孔11，凿除桥面中心线处桥 面铺装，露出竖向预应力钢筋3，利用连接装置10连接竖向预应力钢筋 3，在桥面中心线布置组合型钢2后，再利用连接装置15将组合型钢2 锚固在箱梁顶板1上。

步骤四：逐节段安装、焊接桥塔节段至组合型钢2上。同时在桥塔 上安装临时工作平台，为安装拉索时提供便利。施工中严格控制拼装精 度和焊接质量。为减小温度对拼装、焊接质量的不良影响，应选择温度 适中的时间段进行施工。

步骤五：在桥塔5上安装滑轮、卷扬机提升拉索，按顺序牵引拉索 到桥塔5孔道内就位后，用拉索锚头18锚固。将拉索另一端在组合型 钢2上安装，并用拉索锚头12锚固。

步骤六：加固过程中桥梁结构体系发生变化，导致桥梁结构内力发 生重分布，因此需要调整拉索索力。依据步骤二，按顺序张拉拉索至各 次的拉力。拉索的索力正确与否是加固效果的重要影响因素之一，应用 可靠的方法测量各阶段拉索的索力，如有偏差，应及时调整，以免对桥 梁不利。

步骤七：上水平钢板23(节段)在拉索穿过的地方打出第二钻孔 20，对其拼接后焊接。对所有钢构件进行防腐、防锈处理，则连续梁桥 加固完成。

本发明中采用斜拉桥体系进行连续梁桥的加固，将轴力施加给组合 型钢，对桥梁仅施加竖直向上的提升力。本发明中的受力说明如下，其 中桥梁跨度取60m+90m+90m，桥梁自重取q＝600kN/m，每处提升力均取 1500kN。

表1加固前、后受力对比表(单位：kN·m)

  边跨M 中支点 中跨 加固前 118846 -363461 244038 加固后 95389 -227948 169551 加固后/加固前 80.3％ 62.7％ 69.5％

总结：由受力简图图9及受力对比表可知，加固后桥梁在自重作用 下内力明显降低，对桥梁能够进行“减负”，说明本发明中的加固方法 效果明显。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形 式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质 对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明 技术方案的范围内。