加固桥梁的方法

专利名称：加固桥梁的方法
技术领域：
本发明涉及桥梁，尤其是全钢正交异性桥梁(orthotropic bridge)、全钢铁路桥以及复合混凝土桥面钢梁桥梁的维修或加固。
背景技术：
在作为引用结合于此的文档US 5,778,813和US 6,050,208中描述了一种建筑夹层板(structural sandwich plate)部件，其包括两层外侧金属板和塑料或聚合材料的芯，所述聚合材料例如不发泡聚氨酯，所述的芯以足够的强度粘合到外侧板，以实质地有助于部件的结构强度。这些夹层板系统(SPS)可以在多种形式的结构下采用以代替刚性钢板、成型钢板、加固混凝土或复合钢-混凝土结构，并且极大简化了该合成结构，在减轻重量的同时改善了强度和结构性能(例如，刚性、阻尼特性)。这种结构夹层板部件的进一步发展在WO 01/32414中进行了描述，该文献也通过引用结合于此。如其中描述的，泡沫成型件或插件也可以并入芯层中，以减轻重量，并且可以增加横向金属剪切板以改善刚性。
根据的WO 01/32414的示教，泡沫成型件可以是空心的或实心的。空心成型件产生更大的重量减少并且因此是有利的。该文献中所描述的成型件不限于由轻量泡沫材料制成，而且也可以由其他材料制成，例如木材或钢箱、压塑型材和空心塑料球。
也能作为新的构造应用，SPS构造的原理以已经应用到海上结构的维修中，特别是RoRo渡船的车辆甲板。这个过程，如同公知的覆盖物，在WO 02/20341中有所描述，该文献通过引用完整地结合于此。简而言之，清洁并准备现有的金属面板，例如通过喷砂，然后在现有的金属面板上焊接加固板以便形成腔体。然后用液态热固性聚合物例如聚氨酯填充腔体，所述热固性聚合物以足够的强度将所述加固板设置和粘合到现有面板，以传递现有面板和加固板之间的剪切力。这种维修方法可以在比传统的切割-更换维修更短的时间内实现，减少了船舶的故障时间，并且能够提供具有改善的结构和磨损特性的甲板。
如WO 02/29160所描述，还建议使用SPS面板以形成D-桥梁、活动便桥(bailey bridge)和梁桥的桥面。
许多道路和铁路桥梁由钢或复合结构(钢和混凝土)制成。整个典型复合道路桥梁的横向剖面如附图的图1所示。如图中所见，混凝土桥面10由纵向钢梁11支撑。梁的尺寸、间隔和数量取决于桥梁的尺寸、承受的载荷和设计者的选择。传统的与混凝土桥面破坏相关的维修方法，从重铺路面到彻底更换桥面各有不同。更换桥面要求将旧的混凝土桥面去掉并通常用跨在多个梁之间的预制的预应力混凝土板代替。这种板包括用于连接加固钢、剪切连接件、护栏(guard rail)、交通隔离栅和邻接点的封闭部(block out)。将这些随后将被放置的板后张(post-tension)并灌浆，以使它们连接起来并与现有梁复合。入射(in-field)灌浆接合点的耐久性是有问题的。
如附图的图2所示的是全钢正交异性桥梁。在这种桥梁中，可以例如承载沥青路的钢桥面20通过多根也是钢制的纵向槽加固。钢制的箱梁22跨在桥墩之间以支撑横向梁和正交异性桥面。这种类型的桥梁容易疲劳，在将槽形刚性件连接到桥面板的焊缝或焊缝附近的桥面板中形成裂纹，或在槽形刚性件穿过梁腹的梁腹或横向梁/横隔处形成裂纹。传统的维修方法要求识别疲劳裂纹、背面清根和重新焊接裂纹。可以采用其他的局部加固或改变几何形状或形成的焊点组，以减少局部应力范围和重整这些裂纹的概率。
在如附图的图3所示的高架钢制铁路桥梁上，采用钢制面板30支持路基31，所述路基31依次支撑枕木(铁路枕木)和铁轨32。钢制桥面面板预制为双曲率并铆接到横向梁33上。重复的动态载荷导致在凸出横向梁凸缘末端的悬臂部的范围内在整个板上形成疲劳裂纹。利用旧的结构，钢的种类可能是不能焊接的，在这种情况下唯一已知的维修方法是用新的钢结构替换预制钢桥面和横向梁。
维修以修复所描述的桥梁类型的方法影响交通流量并且对本地经济有不利影响。导致维修时间减少并且经常在有限的夜间时段或非高峰关闭时段进行维修。然而，在某些情况下需要完全关闭。改路线也会增加成本。

发明内容
本发明的目的是提供一种方法，通过所述方法，桥梁可以维修、恢复和改善，例如增加了负荷能力或增强了结构性能，特别是抗剪切和减小结构噪音。
根据本发明的第一方面，现有的混凝土桥面复合钢梁桥梁可以通过用预制SPS桥面面板代替现有混凝土桥面来恢复，所述SPS桥面面板随后通过面板之间的螺栓连接或焊接与钢梁复合，或通过用具有整体梁的SPS面板完全替换上部构造来恢复。在每种情况下，预制SPS桥面面板的使用在桥面替换中提供了方便，这种方便转化为更短的建造周期，所述更短的建造周期可以适应有限的关闭。预制SPS桥面面板提供了进一步的工厂质量控制和有限的场地装配数量的优势，这是公知并广泛应用的，因此提供了具有与钢制上部结构相同使用寿命的桥面结构。
另外，本发明的第一方面可以提供一种同等或更高强度和刚度的桥面，而重量比原来的相应加固混凝土桥面少75％。如此量级的桥面重量减轻或是考虑到增加负荷能力，或是考虑到增加交通道路的数量，而不需要加固路基或增加附加梁。
根据本发明的第二方面，提供了一种维修、加固或增强现有桥梁的结构性能的方法，所述方法包括将加固板以间隔的关系与桥梁结构的现有板或梁固定以形成闭合腔体，并且将液体形式的塑料或聚合材料注入所述腔体，由此所述塑料或聚合材料设置或固化，从而以足够的强度粘合所述加固板和现有板以传递其间的剪切力。
通过将加固板固定到桥梁结构的底面，使得对负荷承载桥面的破坏最小化，并且在很多情况下在维修期间交通可以继续顺畅。彻底的维修提供了结构夹层板，所述结构夹层板具有增加的刚性和具有的良好的震动衰减特性。增加的横向刚性件有助于相邻的槽形刚性件之间的集中轮式载荷的横向载荷分配，并且有利地减小了在将槽形刚性件连接到桥面面板的重要焊接组处以及这些槽形件穿过横隔或横向梁处的应力范围，使得总体上抗疲劳性和使用寿命增加。
加固板或本发明的材料、尺寸和通常性能可以针对本发明要实施的特定桥梁自由选择，并且通常在US-5,778,813和US-6,050,208中进行了描述。钢或不锈钢是通常采用在0.5至20mm的厚度，并且在需要轻质量的情况下可以采用铝。类似地，塑料或聚合材料的芯部可以是任何适合的材料，例如聚氨酯的压缩弹性体，在US-5,778,813和US-6,050,208中进行了描述。
在本发明的第二方面中，维修在具有多根槽形刚性件的桥梁的底面进行，在注入芯部材料之前，加固板跨在槽形刚性件的底部之间，并且轻量成型件设在槽之间的间隔中。轻量成型件或插件应该具有比芯部材料低的密度并且能够在注入和设置芯部材料的过程中耐受足够的温度和压力，但另一方面由于所述轻量成型件或插件不对维修结构的强度有很大的作用，因此其机械性能不特别重要。轻量成型件不应该完全充满槽之间的空间，而应该允许芯部材料层在其周围。
方便地，轻量成型件可以是中空加长体。在一个特定实施例中，轻量成型件由通过端帽封闭的可伸缩中空棱柱组成。所述棱柱可以具有梯形剖面以适合刚性槽之间的间隔。
在本发明的第二方面，维修可替代地施加到桥面表面。在这种情况下，使用耐热粘合剂将SPS覆盖物腔体的外周条固定到现有结构是有利的。然后将新桥面面板与外周条和新桥面面板彼此之间的焊接将不会损害底面表面的喷漆或防腐蚀涂层。


本发明将结合典型实施例和附图进行描述，在图中图1是典型的混凝土桥面复合钢梁桥梁的剖视图；图2是典型的具有箱梁的钢正交异性桥梁的正轴侧视图；图3是具有预制钢板的铁路桥梁的正轴侧视图；图4是根据本发明第一实施例的复合钢梁的桥梁的桥面的剖视图；
图5是根据本发明第二实施例的复合钢梁的桥梁的桥面的正轴侧视图；图6是图2中所示桥梁的正轴侧视图，将本发明第三实施例的方法应用到所述桥梁上以从底面维修并加固桥面结构；图7是图6的维修的桥梁的放大图；图8是图2中所示桥梁的正轴侧视图，将本发明第四实施例的方法应用到所述桥梁上以从上方维修并加固桥面结构；图9是图3中所示桥梁的正轴侧视图，将本发明第五实施例的方法应用到所述桥梁上；图10是图9的维修的桥梁的纵剖面；图11是描述图9的维修的桥梁的排水管详情的剖视图；图12是描述图9的维修的桥梁的面板的放大图；图13是根据本发明第六实施例的具有结构增强梁腹的典型箱梁桥梁(为清楚起见没有桥面)的正轴侧视图；以及图14是根据本发明第六实施例的具有结构增强梁腹的刚性板梁的正轴侧视图；在各个附图中，相同的部件用相同的数字表示。
具体实施例方式
根据本发明的第一个实施例，现有的混凝土桥面复合钢梁的桥梁通过以如图4所示的预制SPS桥面面板101替换混凝土桥面而被维修。随后，通过面板101之间的螺栓连接或焊接，SPS桥面面板与现有的钢梁102复合。通过在邻接的边缘将它们焊接在一起，替换的SPS面板101延续形成。现有的或新的钢护栏103可以与SPS桥面面板螺栓连接。
每块SPS面板101都包括通过塑料或聚合材料的中间层或芯层105粘合在一起的外侧金属面板104、106。所述外侧金属面板可以是根据特定应用要求厚度在2-20mm范围内的钢板。对于塑料或聚合材料，优选地使用压缩的(即无泡沫)热固性材料，例如聚氨酯弹性体(polyurethaneelastomer)。芯层105可以具有15-200mm范围内的厚度，并且以足够的强度粘合到面板104、106，并且具有足够的机械性能以在加固件和现有结构之间传递应用中所期望的剪切力。粘合强度应该大于3MPa，优选地大于6MPa，并且尤其当需要暴露在高温中使用时，芯部材料的弹性系数应该大于200MPa，优选地大于250MPa。由于芯层的功效，加固结构具有只有实质上更大板厚和更大附加刚性的加强钢板才具有的强度和负荷能力。当然，更换面板101不一定是平的，但不论采用什么形状都要适合现有的结构。
预制SPS桥面面板的使用提供了桥面更换的简便，这种简便转化为更短的建造周期，所述更短的建造周期可以适应有限的关闭(limitedclosure)。预制SPS桥面面板提供了进一步的工厂质量控制和有限的场地装配数量优势，这一点是公知并广泛应用的，因此为桥面结构提供了类似于钢上部结构的使用寿命。
在本发明的第二实施例中，如图5所示，上部结构完全被具有整体梁202的SPS面板201代替。SPS面板201与第一实施例中的面板101基本相同，但纵向和/或横向梁202在离厂(off-site)装配期间与面板整合。所述梁的梁腹(web)可以形成空腔的侧壁部分，在所述空腔中注入芯部材料，同时一块或两块面板可以作为梁的边缘。如同在第一实施例中，预制SPS桥面面板提供了桥面更换的便利，工厂质量控制和有限的现场装配数量，并具有随后的优点。
另外，本发明的第一和第二实施例提供了与原始加固混凝土桥面相比具有相等或更高的强度和刚度、同时重量减少达75％的桥面。这个量级的桥面重量减轻使得或者可以增加负荷能力或者可以增加交通车道的数目，而不需要加固路基或增加额外的梁。
如图6所示，在本发明的第三实施例中，包括载荷桥面20和刚性槽(stiffening trough)21的桥梁的现有结构通过跨接在刚性槽21底部之间的附加加固板33 1而被维修或被加固。根据特定应用的要求，加固板331可以是具有2至20mm范围内厚度的钢板。为了将加固板331粘合到现有结构上，可以采用塑料或聚合材料的芯层332，优选为例如聚氨酯弹性体的压缩热固性材料。芯部可以具有15-200mm的厚度范围。芯部332以足够的强度粘合到加固板331和现有结构20、21上，并且具有足够机械性能以在加固件和现有结构之间传递应用中的预期的剪切力。粘合强度应该大于3MPa，优选地大于6MPa，并且尤其当需要暴露在高温中使用时，芯部材料的弹性系数应该大于200MPa，优选地大于250MPa。由于芯层的功效，加固结构具有只有实质上更大板厚和更大附加刚性的加强钢板才具有的强度和负荷能力。当然，加固板不一定是平的，但不论采用什么形状都要适合现有的结构。
为了减小被要求将加固件粘合到现有结构的芯部材料的体积，在刚性槽21之间的间隔设有轻量的成型件或插件333。成型件333优选地具有与在槽之间的间隔的剖面形状匹配的剖面形状，但是其大小设置为使芯部材料层的厚度范围为15-200mm周围。成型件优选为适当剖面的加长中空体，但也可以由轻量材料，例如泡沫材料制成。每个插件也可以由多个标准剖面的加长部件组成，以避免为每个桥梁制造特定的成型件。
如图7更清楚地所示的是所述维修桥梁的放大图，每个成型件333优选地由两个适合套335的部件334构成，以便成型件的长度可以通过将部件334滑入或滑出套335来调整。端帽336封闭成型件的两端。这种设置适合刚性槽的轮廓和间隔是不变的桥梁，但横向梁之间的间隔可以改变。
特别地当中空的时候，成型件可以适应于任何应用，例如，可以附加在桥梁底面的水管或气管、电源或通信线缆。如果在横向梁中设有适当的接入点和通孔，中空成型件也可以作为以后附加应用的中继设备。
为了实现维修，首先对所有槽21的下表面和桥面20暴露的板进行喷砂处理，以提供一个芯部材料能够粘附的清洁表面。然后将成型件333固定在适当位置，例如通过点焊，并且采用适当的间隔件。一旦完成，插接杆(landing bar)被焊接在加固板边沿的适当位置上以便加固板能够焊接在适当位置。由加固板和现有结构限定的空腔是密封的，根据需要留有灌注口和排气孔。然后将芯部材料注入并使之固化以形成加强板和现有结构之间的强力结合。为了完成，灌注口和排气孔可以被密封并且在任何期望的表面处理之前与地面齐平，所述表面处理例如，为防止腐蚀或根据美学原因进行涂漆。
同样的桥梁可以通过在顶部表面附加覆盖物来进行维修，如图8所示的本发明的第四实施例。在这个实施例中，加固板401被固定在现有板20上方以形成空腔。然后该空腔通过注入塑料或聚合材料402而被填充，所述塑料或聚合材料在设置时将加固板401以足够的强度粘合到现有板20上，以传递应用中的预期剪切力。在这方面，第四实施例与本发明的其他实施例相同，并且加固板和芯部材料如上描述。当芯层完全固化时，将沥青路表面403铺设在加固板顶部。
为了在注入芯部之前将加固板401固定在适当位置上，被焊接或粘合的外周条(perimeter bar)用于限定将要填充的腔。也可以采用间隔件和轻量成型件或插入件，如在本发明的其他实施例中。
在本发明的第五实施例中，维修在高架铁路桥的预制钢板的底面进行，以增强抗疲劳性并延长结构的使用寿命。图9中所示的维修在形状和结构方面与现有结构一样并且不降低原有性能。
在不影响铁路服务的情况下从下面维修，两块与现有结构形状匹配的预制板501、502被螺栓连接到现有结构的横向梁的梁腹(web oftransverse beam)并且用单侧铆钉(one-side rivet)彼此铆接，如图10所示，在延伸跨过桥梁的面板长度方向的中部形成搭接点503。搭接点提供了简单连接细节，该简单连接细节允许延桥梁长度方向上的尺寸变化。然后，排水口504如图11被重建。
柔性、封闭单元(closed-cell)的泡沫状材料和堵缝物(caulking)的组合物被用于密封腔体的端部。然后腔体被从下方注入，首先通过中心区域并且随后到任意一端，以确保以芯部材料505完成填充。这种维修方法不仅减小了现有预制钢面板中的应力范围(在导向边或邻近导向边，在那里悬臂板部分通过横向梁的凸缘末端上方)，由此在增强了抗疲劳性，还提供了粘滞-弹性(visco-elastic)层以吸收结构噪音，并且为有像这种高架铁路系统的城市中心增加了利益。
本发明的第六实施例是现有结构的修改，如图13和14所示，该修改是将SPS覆盖件601应用到箱梁603和板梁604的梁腹602上，其主要目的在于减少与桥梁承载的交通(公路或铁路)所引起的颤动有关的结构噪音。由于焊接组将刚性件连接到梁腹上，本发明的附加效果是结构增强、增加抗剪切和抗疲劳性。
在第五和第六实施例中，加固板与芯层的材料和尺寸可以与先前描述的实施例相同。
应该理解，上述说明书并非限定性的，而且可以有其他的修改和改变也落入由所附权利要求书限定的本发明的范围。
权利要求
1.一种维修、加固或恢复桥梁的方法，其特征在于，包括将加固板以间隔的关系与桥梁结构的现有板或梁固定以形成闭合腔体，并且将液体形式的塑料或聚合材料注入所述腔体，由此所述塑料或聚合材料设置或固化，从而以足够的强度粘合所述加固板和现有板以传递其间的剪切力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，现有板或梁位于桥梁的底面上。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，桥梁具有多个槽形刚性件，在芯部材料注入之前，加固板跨在槽形刚性件的底部之间，并且在所述槽之间的间隔内设置轻量成型件。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，轻量成型件具有比芯部材料更低的密度。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，轻量成型件是中空的加长体。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，轻量成型件由被端帽封闭的可伸缩中空棱柱构成。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，棱柱具有梯形剖面以适合刚性槽之间的间隔。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，桥梁具有跨在梁之间的多块板，并且所述固定加固板的步骤包括将第一加固板固定到第一梁上并且将第二加固板固定到邻近第一梁的第二梁上，第一和第二加固板合作跨过所述梁之间的间隔。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，第一和第二加固板在搭接点重叠。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，第一和第二加固板是弯曲的以配合现有板的曲率。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，现有板是箱梁或板梁的梁腹。
12.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，加固板是金属的，例如钢、不锈钢或铝。
13.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，加固板具有0.5至20mm的厚度范围。
14.根据前面任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，塑料或聚合材料的芯部是弹性体，例如聚氨酯。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，弹性体是压缩的。
16.一种桥梁，包括现有结构，与所述现有结构相邻设有加固板，所述加固板通过塑料或聚合材料的中间层粘合到现有结构，所述中间层以足够的强度粘合所述加固板和现有板，以传递其间的剪切力。
全文摘要
一种维修、加固或恢复桥梁的方法，包括将加固板以间隔的关系与尤其在桥梁结构底部的现有板或梁固定以形成闭合腔体，并且将液体形式的塑料或聚合材料注入所述腔体，由此所述塑料或聚合材料设置或固化，从而以足够的强度粘合所述加固板和现有板以传递其间的剪切力。
文档编号E01D22/00GK101091023SQ200580039136
公开日2007年12月19日 申请日期2005年10月25日 优先权日2004年11月18日
发明者斯蒂芬·约翰·肯尼迪 申请人:智能工程(巴哈马)有限公司