专利名称：一种单索面斜拉桥的加固结构的制作方法
技术领域：
本实用新型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，本实用新型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。
发明内容本实用新型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。本实用新型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I. I I. 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I 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 I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。本实用新型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。本实用新型的加固结构的具体实施方法如下I、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、 桥塔闻度、桥墩闻度等。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；若未达到便按本实用新型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。本实用新型所述的加固结构，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，本实用新型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。
图I为本实用新型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I所示实施例中桥塔部分的纵向局部放大图。图3为图I所示实施例中桥塔部分的横向局部放大图。图4为图I所示实施例中桥塔部分的俯视局部放大图。图5为图I所示实施例中桥塔部分的仰视局部放大图。图6为本实用新型所述的冷铸锚具的一个具体结构示意图。图7为本实用新型所述的冷铸锚具与桥塔之间的一种连接结构示意图。图8为本实用新型所述的冷铸锚具与桥墩之间的一种连接结构示意图。图9为本实用新型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为本实用新型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为本实用新型所述的悬臂梁的一个结构示意图。[0029]图14为实施本实用新型的加固结构的流程框图。图15 图18为图I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为本实用新型所述的NiTi记忆合金拉索的有限元计算模型。图20为本实用新型所述的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I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，本实用新型的加固结构的实施步骤如下所述。I、收集待加固的单索面斜拉桥的结构参数参见图I 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I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I采用单箱三室箱型断面，主梁I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I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I所示(表中wz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》(JTJOO1-97)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wz < I。(I)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Wz =2.7 X^Z3Z2F(Z)⑴(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. 4HzF(f) = 650/f 5. 4Hz < f ^ 26Hz(II)F(f) = I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Wz= I. 64 (参见表2),而设定标准Wz < 1，因此不满足要求，需要采用本实用新型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I悬臂梁7以及桥塔3和桥墩2的锚固点位置。参见图I 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 I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I边缘(即主梁 I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I. 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 I上表面的高度为5000cm，即相当于桥面宽度的I. 5倍；形状记忆合金拉索5与桥墩2之间的锚固点离主梁I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I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I 图5)。3、拟定加固方案的校核(I)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。
权利要求1.一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(3)前后的主梁(I)的腹板两侧分别对称且垂直向外延伸一悬臂梁(7)，该悬臂梁(7)与经过桥塔⑶轴线的横垂面之间的距离为桥面宽度的I. I I. 2倍，它的延伸端与主梁⑴ 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⑴上表面的高度为桥面宽度的I 3倍，所述形状记忆合金拉索(5)与桥墩⑵之间的锚固点离主梁(I)下表面的高度为桥面宽度的0. 2 I倍。
2.根据权利要求I所述的一种单索面斜拉桥的加固结构，其特征在于，所述的形状记忆合金拉索(5)为NiTi形状记忆合金拉索。
3.根据权利要求2所述的一种单索面斜拉桥的加固结构，其特征在于，所述的形状记忆合金拉索(5)由拉索(5-1)和设在其两端的冷铸锚具(4)组成；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)由端面积较小的一头伸进所述的锥形孔并与锚杯(9)螺纹连接，所述的拉索(5-1)从另一端伸进连接筒(10)并延伸至所述的锥形孔内，其每一根 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；所述的锚杯(9)的外壁上螺纹连接一螺母(13)。
4.根据权利要求I 3之一所述的一种单索面斜拉桥的加固结构，其特征在于，所述的拉索(5-1)上设有若干个索夹(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。
专利摘要本实用新型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。本实用新型的加固结构可有效的抑制单索面斜拉桥主梁的扭转振动。
文档编号E01D11/04GK202347426SQ20112047895
公开日2012年7月25日 申请日期2011年11月26日 优先权日2011年11月26日
发明者刘爱荣, 张俊平, 汪荷玲, 禹辉君, 程方杰 申请人:广州大学