基于栓接角钢的钢桥面外变形疲劳加固构造的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于栓接角钢的钢桥面外变形疲劳加固构造，属于桥梁工程【技术领域】，其是将钢板梁腹板、加劲肋与翼缘板的腹板间隙采用角钢进行加固，角钢的一肢与加劲肋通过高强螺栓连接，另一肢与翼缘板通过高强螺栓或螺钉连接；其可以有效改善腹板间隙的受力性能，抑制面外变形疲劳裂纹的萌生和扩展，具有施工方便、操作简单、成本低廉、性能优良的特点；此外本实用新型采用角钢结合螺钉的连接方式不仅可以在加固时不用移除混凝土桥面板，不阻碍交通，而且可以提高连接的安全性和耐久性，防止角钢意外坠落，避免安全事故的发生。
【专利说明】基于栓接角钢的钢桥面外变形疲劳加固构造
【技术领域】
[0001]本实用新型属于桥梁工程【技术领域】，具体涉及一种基于栓接角钢的钢桥面外变形疲劳加固构造。
【背景技术】
[0002]钢桥的疲劳问题严重影响着桥梁的使用寿命，研究表明钢桥中大约90%的疲劳开裂问题均是由于疲劳敏感细节处的面外变形或者二次应力引起的。钢桥设计中，各主梁之间的横向连接系是通过横撑与主梁腹板焊接的竖向加劲肋的连接来实现的，为了避免竖向加劲肋和主梁受拉翼缘之间的焊接细节发生疲劳失效，通常在竖向加劲肋与主梁受拉翼缘之间留有几十毫米的腹板间隙。实际运营时，在车辆荷载作用下各钢主梁之间会产生挠度差，从而使刚度较小的腹板间隙处会发生面外弯曲变形，引起焊接细节处较大的二次应力，导致疲劳裂纹在此处萌生和扩展，减少桥梁的使用寿命，甚至威胁到桥梁的安全。因此，必须采取措施进行加固。传统的阻止钢桥中疲劳裂纹继续扩展的技术措施，是在裂纹尖端设置止裂孔，但止裂孔不能有效阻止面外变形疲劳裂纹的进一步扩展，并且还会削弱腹板的刚度。
实用新型内容
[0003]本实用新型所要解决的技术问题在于克服以往钢板梁桥面外变形加固技术会削弱原结构刚度的问题，提供一种结构合理、构造简单、受力性能优越、施工便捷的面外变形疲劳加固构造。
[0004]解决上述技术问题所采用的技术方案是:将钢板梁腹板、加劲肋与翼缘板的腹板间隙采用角钢进行加固，角钢的一肢与加劲肋通过高强螺栓连接，另一肢与翼缘板通过高强螺栓或螺钉连接。
[0005]上述角钢为单角钢或者T型角钢或者双角钢。
[0006]上述单角钢和双角钢均为等肢角钢。
[0007]本实用新型所提供的一种基于栓接角钢的钢桥面外变形疲劳加固构造，其是利用螺栓将角钢的两肢分别与加劲肋和翼缘板栓接连接，角钢与翼缘板之间还可以用螺钉代替高强螺栓来固定，从而可以有效改善腹板间隙的受力性能，有效抑制面外变形疲劳裂纹的萌生和扩展，具有施工方便、操作简单、成本低廉、性能优良的特点，此外本实用新型采用角钢结合螺钉的连接方式，不仅可以在加固时不用移除混凝土桥面板，不阻碍交通，而且可以提高连接的安全性和耐久性，防止角钢意外坠落，避免安全事故的发生。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为实施例1中用单角钢栓接加固的连接示意图。
[0009]图2为图1中单角钢的结构示意图。
[0010]图3为实施例2中用双角钢栓接加固的连接示意图。
[0011]图4为实施例3中用T型角钢栓接加固的连接示意图。
[0012]图5为实施例4中用高强螺栓和螺钉固定单角钢的加固结构示意图。
[0013]图6为实施例4中用高强螺栓和螺钉固定双角钢的加固结构示意图。
[0014]图7为实施例4中用高强螺栓和螺钉固定T型角钢的加固结构示意图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明，但本实用新型不限于下述的实施情形。
[0016]实施例1
[0017]本实施例选用的加固试件是由翼缘板4、加劲肋2与腹板I焊接成的工字形钢梁。翼缘板4是长度为600mm、宽度为300mm、厚度为24mm的矩形钢板；腹板I是长度为600mm、高度为870mm、厚度为8mm的矩形钢板；加劲肋2是长度为120mm、高度为790mm、厚度为6mm的矩形钢板；在腹板间隙处的翼缘板4和加劲肋2之间用高强螺栓栓接加固角钢3，角钢的侧端与腹板I留有1mm的距离，参见图1?2，本实施例的角钢3选用等肢单角钢，该单角钢选用L140mmX 140mm X 14mm的标准型角钢。
[0018]加固前，先对试件进行栓接角钢3加固的准备工作，包括对单角钢和加劲肋2、单角钢和翼缘板4的接合面进行打毛处理，以增加接合面的摩阻力；在试件以及角钢3的设计位置加工螺栓孔；使用扭矩扳手，依据相关规范的要求，将高强螺栓逐级紧固至预紧力，完成加固。
[0019]实施例2
[0020]上述实施例1中的单角钢用规格为L140mmXl40mmX 14mm的双角钢替换，如图3所示，其他的部件及其连接关系与实施例1相同。
[0021]加固方法与实施例1相同。
[0022]实施例3
[0023]上述实施例1中的单角钢用规格为280mmX 140mmX 14mmX 14mm的T型角钢替换，如图4所示，其他的部件及其连接关系与实施例1相同。
[0024]加固方法与实施例1相同。
[0025]实施例4
[0026]在上述实施例1?3中，所述角钢3与翼缘板4连接的一肢可以用螺钉来固定，即可用螺钉取代高强螺栓来固定，如图5?7所示，螺钉攻丝无需穿透翼缘板4，省去螺栓开孔的步骤，而且在实桥中可以不用移除混凝土桥面板，不阻碍交通。其他的部件及其连接关系与相应实施例相同。
[0027]上述实施例中的角钢和高强螺栓的规格可以根据实际使用情况进行调整，不限于上述实施例的使用规格，以加固翼缘板4与加劲肋2、腹板I之间的腹板间隙为目的。
[0028]为了测试加固效果，进行了加固效果评定试验。预先在工字形钢梁试件上预制了疲劳裂纹，采用栓接角钢3的方法进行加固，对加固后的试件进行了试验。试验情况如下:
[0029]一、测试仪器
[0030]MTS伺服液压控制系统；日本产TDS - 602静态电阻应变仪；浙江省温岭市科特电子仪器厂生产的WBD型机电百分表。
[0031]二、加固效果试验
[0032]1、试件设计参数
[0033]试件钢材采用Q345钢，弹性模量为2.06 X 15MPa0本实验所加固的具有40mm腹板间隙的试件与加固角钢的规格与实施例1中的规格相同，具有20_间隙的试件除加劲肋3是长为120_、高度为830_、厚度为6_的矩形钢板外，其余部件与加固角钢的方法与实施例1相同，两加载点间距为440mm。
[0034]2、试验装置及加载步骤
[0035]试件的两个翼缘板均用高强螺栓固定在定做的底座上，在加劲肋上垂直于腹板循环加载加载模拟实桥中横撑传递的荷载。试验时先对试件进行预制裂纹疲劳加载，直到在加劲肋与翼缘板间隙处的腹板萌生裂纹；加固前对有预制裂纹的试件进行一次静载试验，测试在加固前各测点的位移与应力情况以便同加固后进行对比；对试件进行栓接角钢加固，然后测试加固后各个测点的位移与应力，最后进行循环加载验证该加固方法的有效性。
[0036]3、试验结果及分析
[0037]采用栓接单角钢加固前和加固后的试验结果见表I和表2 (其中间隙I为40_，间隙II为20mm)。表I中的面外变形幅值①是在试件腹板间隙疲劳循环加载前，静力测试获得腹板间隙处的面外变形值，此时循环次数N = O次；面外变形幅值②是加固前对试件进行疲劳加载使试件腹板间隙处的疲劳裂纹扩展到一定程度，停止疲劳试验时(即间隙I试件加固前疲劳加载循环次数为251万次，间隙II试件加载250万次)，静力测试获得的腹板间隙处的面外变形幅值；面外变形幅值③是对试件腹板间隙处进行维修加固后，静力测试获得的腹板间隙处的面外变形幅值；面外变形幅值④是加固后试件的疲劳试验结束时(即间隙I试件加固后疲劳加载循环108万次，间隙II试件疲劳加载200万次)，最后一次静力测试获得的数据。表I中测点DW-B和DE-B分别为试件腹板无加劲肋侧腹板间隙面外变形，测点DW-U和DE-U分别为试件腹板有加劲肋侧腹板间隙面外变形。
[0038]表I加固前后面外变形幅值的对比
[0039]
面外变形面外变形面外变形面外变形百分面外变形幅值③/
试件类型幅值① 幅值② 幅值③ 幅值④
表编号而外变形幅值②
Cmm)(mm)(mm)(mm)
间隙 IDW-B-tn4-0.85UUSU U99 4 ο
试件DE-B-0.44-0.86-0.06-0.067,0%
间隙 IIDW-U0.150.760,060.087.9%
试件DE-U0.140.210.080.1138%
[0040]由表I可知，采用栓接单角钢维修加固后，在同等荷载幅下各个测点的面外变形幅值都有大幅度的降低，加固后的面外变形均很小，表明加固的效果良好。
[0041]表2是试件加固前后焊趾处的应力幅。表2中的应力幅①，应力幅②，应力幅③和应力幅④分别与表I中的面外变形幅值①，面外变形幅值②，面外变形幅值③面外变形幅值④测试时的循环次数相同。表2中WR1-3、ER1-3、WU-NI和EU-SI为腹板与加劲肋焊趾处测点，WU-M、EU-M、WB-M2和EB-M2为腹板与翼缘板焊趾处测点。
[0042]表2加固前后焊趾处应力幅的对比
[0043]
试件类测点应力幅值应力幅值应力幅值应力幅值④ 应力幅值③/
型__编号 ①(MPa) ②(MPa) ③(MPa)(MPa)应力幅值②
WU-M__-55__-100__-W__-11__10%
间隙 I EU-M__-89__-56__-18__-U__32%
试件 WR1-3__-3M__-48__-16__-19__33%
__ERl-3__-261__-50__6__6__12%
WU-Nl__100__-138__-19__-25__13%
间隙 II EU-SI__75__100__56__48__56%
试件 WB-M2__256__313__1?3__71__33%
__EB-M2__202__193__34__19__18%
[0044]由表2可知，采用栓接单角钢维修加固后，在同等荷载幅下各个测点的应力幅值都有大幅度的降低，加固后的测点应力均很小，表明加固的效果良好。
[0045]表3和表4分别为试验各阶段腹板间隙面外变形随荷载的变化值，其中阶段1、阶段2、阶段3和阶段4分别与上文所述的面外变形幅值①、面外变形幅值②、面外变形幅值③、面外变形幅值④测试时的循环次数相同。表3和表4中测点如上文所述。
[0046]表3间隙I试件各个阶段对应面外变形
[0047]
荷载DW-B测点各个阶段面外变形(mm)DE-B测点各个阶段面外变形(mm)
(kN) 阶段I阶段2阶段3阶段4阶段I阶段2阶段3呸段4
4.5OOO-0.010000
10-0.04-0.07O-0.02-0.05-0.09O-0.01
20-0.13-0.29-0.02-0.03-0.15-0.33-0.02-0.02
30-0.2-0.52-0.04-0.05-0.25-0.55-0.03-0.03
40-0.29-0.74-0.06-0.07-0.38-0.76-0.05-0.05
50-0.39-0.96-0.09-0.09-0.51-0.97-0.06-0.06
[0048]表4间隙II试件各个阶段对应面外变形
[0049]荷载 DW-U测点各个阶段面外变形(mm)DE-U测点各个阶段面外变形(mm)
(kN) P介段I I PiMl 2 I阶段3 I阶段4 —阶段I I阶段2 |阶段3 | ,阶段4
4.5__O__O__-0.01 O__O__O__O__O_
_1__002__O1I__O__O__002__003__O__O_
_20__007__033__0.02 0.02__007__QA__O__0.01
30__0.12 0.57 0.03 0.03 0.120.18__O__0.03
40__(U7__079__0.04 0.06__017__025__0.02 0.04
50__022__1.04 0.06 0.08 0.22__0.32 0.03 0.05
60__--0.07 0.1-__--__0.04 0.07
70__--__--__0.09 0.12__--__--__0.06 0,11
[0050]由表3和表4可知，试验结果表明加固后腹板间隙处的面外变形显著减小，且在试验结束时面外变形值并未增大，表明加固效果良好。
[0051]表5和表6分别为试验各阶段试件加劲肋与腹板焊趾处的应力随荷载的变化值，其中的阶段1、阶段2、阶段3和阶段4分别与上文所述的面外变形幅值①、面外变形幅值②、面外变形幅值③、面外变形幅值④测试时的循环次数相同。表中WU-Nl和EU-Sl为腹板与加劲肋焊趾处测点，WU-MUEU-Ml为腹板与翼缘板焊趾处测点。
[0052]表5间隙I试件加劲肋与腹板焊趾处应力
[0053]
荷载WU-Ml测点应力(MPa)EU-Ml测点应力(MPa)
CkN) 阶段I 阶段2 阶段3 阶段4 阶段I 阶段2 阶段3 阶段4
4.5__O__O__O__O__O__O__O__-1
10__19__-16__O__-1__-15__-4__2__-4
20__53__-41__-3__-4__-41__48__4__-3
30__85__-67__-5__-7__-67__-33__7__-2
40__98__-92__-8__-10__-98__-49__9__-2
50__105-114-12 -13 -136__-65__U__-2
[0054]表6间隙II试件加劲肋与腹板焊趾处应力
[0055]
荷载WU-Nl测点应力EU-Sl测点应力
(kN) 阶段I 阶段2 阶段3 阶段4 阶段I 阶段2 阶段3 阶段4
4.5__O__O__O__O__O__O__O__O_
_10__15__-19__-1__-1__8__17__5__4_
2047-66-3-634561413
_30__79__-114__-5__-10__58__87__24__22
40__Π4__-164__-9__-14__85__Π2__33__30
[0056]由表5和表6可以看出，试件加固后加劲肋与腹板焊趾处的应力显著减小，且在试验结束时加劲肋与腹板焊趾处的应力并没有增大，表明加固效果有效。
[0057]综上所述，采用粘贴双角钢对腹板间隙面外变形疲劳细节加固后，试件的面外变形幅值与应力幅均有大幅度的降低，而且加固后循环荷载作用下栓接角钢没有失效且没有新的疲劳裂纹萌生，说明该加固构造安全、可靠。
【权利要求】
1.一种基于栓接角钢的钢桥面外变形疲劳加固构造，其特征在于:将钢板梁腹板(I)、加劲肋(2)与翼缘板(4)的腹板间隙采用角钢(3)进行加固，角钢(3)的一肢与加劲肋(2)通过高强螺栓连接，另一肢与翼缘板(4)通过高强螺栓或螺钉连接。
2.根据权利要求1所述的基于栓接角钢的钢桥面外变形疲劳加固构造，其特征在于:所述角钢(3)为单角钢或者T型角钢或者双角钢。
3.根据权利要求2所述的基于栓接角钢的钢桥面外变形疲劳加固构造，其特征在于:所述单角钢和双角钢均为等肢角钢。
【文档编号】E01D22/00GK203977305SQ201420361288
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2014年6月30日
【发明者】王春生, 孙宇佳, 闫生龙, 王茜, 段兰, 魏孟春, 翟慕赛 申请人:长安大学