一种针对超静定桥梁结构的温度内力自适应控制方法与流程

本发明涉及桥梁领域，具体是一种针对超静定桥梁结构的温度内力自适应控制方法。

背景技术：
桥梁结构处于自然环境中不可避免地要受到外界条件的影响，如环境温度、湿度及大风、地震等的影响，其中环境温度的变化对桥梁的影响较为常见，由温度作用产生的内力和变形必然会对桥梁结构的正常使用及安全运营产生影响。以无铰拱桥为例，无铰拱桥是一种超静定的桥梁结构，由于拱圈材料的热胀冷缩，势必会产生温度变形，当变形受到约束时，拱圈内部会产生相当大的温度附加内力。通常，降温会导致无铰拱桥的拱脚产生负弯矩，而在拱顶产生正弯矩，引起拱脚拱背侧开裂；因而，对于无铰拱桥而言，降温通常是不利的。近年来，通过对实桥进行检测，已经发现大量的空腹式无铰拱桥拱脚截面上缘及拱顶截面下缘开裂的病害，也印证了这一点，如图5所示。20世纪下半叶以来，国内外都发现由于温度应力而导致混凝土结构严重劣损的事故。文献[1]通过对不同地区、不同修建年代、不同公路等级的跨径50m以上的钢筋混凝土肋拱桥的病害调查，发现拱肋拱脚、跨中底部开裂已成为了该型桥梁的典型病害之一。文献[2]对箱形拱桥病害进行总结后也发现，主拱圈拱顶横向开裂已经成为箱形拱桥的典型病害之一。文献[3]介绍了德国Jagst厚腹板箱梁桥在通车第五年后就发现了严重裂缝的现象，估算温度拉应力高达2.6Mpa。针对环境温度场的分布，不同的研究者进行了大量的现场实测和理论分析。文献[4]采用ASHRAE晴空模型，利用光线追踪算法，首次在拱桥温度场计算中实现了太阳辐射、空气对流、长波辐射等环境温度荷载的自动加载。文献[5]开展了箱形梁拱架温度场的现场实测，提出了温度荷载在实测基础上采用指数函数拟合的简单方法。桥梁结构在设计时，应当在可变作用中考虑温度作用(均匀温度和梯度温度)已经成为共识。公路桥涵设计规范规定在计算桥梁结构因均匀温度作用引起外加变形或次内力时，要求从受到约束时的结构温度开始，考虑最高和最低有效温度的作用效应。由此可知，当前在超静定桥梁结构设计中对于温度次内力的处理方式，是通过在设计时计入温度作用的影响从而反应在荷载效应组合中(参见文献[6])。然而，由于对桥位处年平均温度等情况的调查不可能都全面，有时甚至存在较大的偏差；另外，设计的合拢温度通常和实际的合拢温度也会存在差异，这些都导致在设计中精确地考虑环境温度的影响将是不可能的。参考文献：[1]袁瑞.钢筋混凝土肋拱桥病害处治及加固技术研究[D].重庆交通大学,2010.[2]张麒蛰.钢筋混凝土箱形拱桥病害分析与加固技术探讨[J].水利与建筑工程学报.2009(03):94-95.[3]凯尔别克F.太阳辐射对桥梁结构的影响[M].1981.[4]尹冠生，赵振宇，徐兵.太阳辐射作用下拱桥温度场研究[J].应用力学学报.2014:1.[5]房贞政，黄润，郑则群.箱型截面空腹式刚架拱桥温度场的实测与研究[J].福州大学学报(自然科学版).2005(02):212-217.[6]公路桥涵通用设计规范[S].北京：人民交通出版社,2004.另外，温度效应可能达到甚至超过车辆活载效应，因而温度效应已被认为是混凝土桥梁产生裂缝的重要原因之一。对于无铰拱桥而言，由于降温是非常不利的，如何自适应地减小甚至消除降温对无铰拱桥产生的不利影响，已经成为该类桥型病害防治及加固维修的重要关注点。同样，对于其他诸如大跨度连续梁桥、连续刚构桥、刚架桥等超静定桥梁结构，同样存在温度次内力的情况，如何自适应地主动地去控制其不利影响，已成为一个具有重大现实意义的工程问题。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种针对超静定桥梁结构的温度内力自适应控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种针对超静定桥梁结构的温度内力自适应控制方法，包括锚固件、高强螺栓、万向头连接装置和拉索，锚固件的材料为铸钢构件，锚固件的右端通过预埋或植筋的方式固结在拱桥主拱圈上的钢筋砼里，锚固件的左端设有承拉杆，承拉杆上设有高强螺栓孔，万向头连接装置的右端通过高强螺栓和法兰盘与承拉杆连接，法兰盘与万向头连接装置之间设有多个加强筋，拉索通过万向球头螺帽安装在万向头连接装置的左端。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明构造简单、安装方便，当环境温度降低时，拉索缩短产生拉力，对结构的某部位产生弯矩，可减小甚至完全抵消由于超静定结构升温(或者降温)引起的不利影响。拉索采用高强钢缆绳，缆绳的直径大小可根据结构跨度、设计温差等参数综合选定，拉索锚固位置根据需要确定，例如针对无铰拱桥可锚固于主拱1/8～3/8区间，另一端锚固于桥台侧墙或者便于锚固的构造物上，可以根据需要布置1根或多根拉索，拉索安装，强调在比超静定结构合拢温度更高的温度情况下进行张紧安装，这样的话，就可以预先储备一定的温差，当降温时，拉索里面的拉力会更大，效果更明显，安装拉索在合拢温度以上10摄氏度进行，这是对降温不利的情况的考虑，类似地，如果该超静定结构的某个部位是升温不利的，则相反。作为本发明进一步的方案：以无铰拱桥为例，锚固件与有桥台拱桥的连接方法为：在制作桥台时将锚固件通过植筋的方式与桥台砼钢筋连在一起，再浇筑混凝土桥台，锚固件预先留出即可。作为本发明进一步的方案：以无铰拱桥为例，锚固件与无桥台拱桥的连接方法为法：现浇钢筋砼锚固墩法和岩体地锚法，其中岩体地锚法是直接在岩体上打孔，然后再浇筑钢筋混凝土。作为本发明进一步的方案：以无铰拱桥为例，锚固孔的形状成宝塔状，下大上小。作为本发明进一步的方案：以无铰拱桥为例，法兰盘与承拉杆之间设置四个加强筋，从而使得承拉杆的连接结构更加稳定。作为本发明进一步的方案：以无铰拱桥为例，所述法兰盘、承拉杆、万向球头螺帽和球头构成的万向头连接装置表面进行热处理，以提高构件的强度，而锚固件侧面的螺栓孔进行热处理和防锈处理，使得结构能承受较大的抗拉、抗剪应力。作为本发明进一步的方案：以无铰拱桥为例，万向球头螺帽经过热处理，并采用梯形螺纹，能够大大承受拉力，在安装时，用1.5米的加力杆将螺帽旋入到拉索直至全部预紧，锁死螺帽。作为本发明进一步的方案：以无铰拱桥为例，拉索采用钢绞线或者钢缆绳且在两端采用锚具进行锚固。本发明巧妙地降低甚至可完全消除温差引起的超静定结构的附加内力。该套系统与原有结构的受力体系独立，是一套自适应的温度内力控制体系，可以用于无铰拱桥、连续梁、连续刚构及其他超静定结构的温度内力控制。附图说明图1为本发明的结构示意图。图2为本发明用于有桥台拱桥的示意图。图3为本发明用于无桥台拱桥并进行现浇钢筋砼构造时的结构示意图。图4为本发明用于无桥台拱桥并进行岩体地锚时的结构示意图。图5为本发明描述今年来大量的空腹式无铰拱桥拱脚截面上缘及拱顶截面下缘开裂的病害示意图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，以无铰拱桥为例，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。请参阅图1～4，本发明实施例中，一种针对超静定桥梁结构的温度内力自适应控制方法，以无铰拱桥为例，包括拉索锚固结构，拉索锚固结构主要由锚固件1、高强螺栓2、万向头连接装置3和拉索4组成，锚固件1是由钢板焊接成而成箱形梁的结构，锚固件1的一端固结在拱桥主拱圈5的钢筋砼里，在锚固加工中将锚固件1总长的2/3～3/4通过预埋或植筋的方式固结在钢筋砼里面；锚固件1的另一端侧面通过高强螺栓2固连万向头连接装置3的法兰盘7，所述万向头连接装置3主要由法兰盘7、承拉杆6、万向球头螺帽和球头构成，承拉杆6的一端为球头，球头设置在万向球头螺帽内，承拉杆6的另一端焊接法兰盘7，且法兰盘7与承拉杆6之间设置四个加强筋8，从而使得承拉杆6的连接结构更加稳定，所述万向头连接装置3的万向球头螺帽螺纹连接拉索4的一端，使得球头在万向球头螺帽内自由转动，万向球头螺帽可以修正预埋桩的角度来达到直线锚固，拉索4的另一端通过同样的方式连接桥梁上的锚固件1。以无铰拱桥为例，所述拉索4采用高强钢缆绳，缆绳的直径大小可根据结构跨度、设计温差等参数综合选定。锚固件1的位置根据需要确定，例如针对无铰拱桥可锚固于主拱1/8～3/8区间，可以根据需要布置1根或多根拉索。拉索4的安装，强调在比超静定结构合拢温度更高的情况下进行张紧安装，这样的话，就可以预先储备一定的温差，当降温时，拉索里面的拉力会更大，效果更明显。可说明在合拢温度以上10摄氏度进行安装。这是对降温不利的情况的考虑。类似地，如果该超静定结构的某个部位是升温不利的，则相反。以无铰拱桥为例，所述法兰盘7、承拉杆6、万向球头螺帽和球头构成的万向头连接装置3表面进行热处理，以提高构件的强度，而锚固件1侧面的螺栓孔进行强化(热处理)和防锈处理，使得结构能承受较大的抗拉、抗剪应力。以无铰拱桥为例，万向球头螺帽也经过热处理，并采用梯形螺纹，能够大大承受拉力，在安装时，用1.5米的加力杆将螺帽旋入拉索中直至全部预紧，锁死螺帽。以无铰拱桥为例，拉索3采用绞线或者钢缆绳且在两端采用锚具构造，并与万向球头螺帽连接，安装时用加力杆拧紧后锁死，拉索的长度根据桥端锚固位置来确定，可以通过高强螺栓用法兰盘对接连长。以无铰拱桥为例，无桥台拱桥和有桥台拱桥在外部的拉索锚固结构相同，主要区别在于有桥台拱桥的锚固件1可以直接在制作桥台时将锚固件1通过植筋的方式与桥台砼钢筋连在一起在浇筑混凝土，预先留出即可。以无铰拱桥为例，无桥台拱桥安装锚固件1，有两种构造法：现浇钢筋砼锚固墩法(如图3)和岩体地锚法(如图4)，其中岩体地锚法是直接在岩体上打孔，然后再浇筑钢筋混凝土，锚固孔的形式成宝塔状，下大上小。本发明的工作原理为：以无铰拱桥为例，当无铰拱桥，在环境降温作用下，拱脚产生负弯矩时，预先设置(在较高温度情况下设置，以提高其作用效果)的拉索由于受降温影响而出现拉力，该拉力对拱脚产生正弯矩，可部分抵消由于超静定拱桥由于环境降温带来的附加弯矩。拉索的设置采用单向锁定，即使得拉索仅在降温作用下对结构起作用，而在升温情况下，自动与拱桥分离。实例：以无铰拱桥为例，假定拉索直径d＝0.1m，长度根据锚固点位置确定，弹性模量E＝2.0E11pa，线膨胀系数取为ζ＝1.2×10-5。假定拉索在桥梁合拢温度以上10℃进行安装，则在低于合拢温度10℃时，拉索降温△T按照20℃考虑。拉索中的索力为：F＝EAξ＝Eαζ△t经计算在环境温度降低10℃的情况下，拉索中的索力为376.8kN。通常，拉索布置在拱桥的上下两侧，即拉索对拱脚的索力贡献为2F＝753.6kN。假如拉索对拱脚的力臂l为3米，则拉索对拱脚产生的正弯矩为：Mls＝F×l＝753.6×3＝2260.8kN·m故：以无铰拱桥为例，该措施在无铰拱桥降温情况下对拱脚产生了较大的正弯矩效应，巧妙地降低甚至可完全消除温差引起的附加内力。该套系统与原有结构的受力体系独立，是一套自适应的温度内力控制体系。甚至可以用于连续梁、连续刚构及其他超静定结构的温度内力控制。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，以无铰拱桥为例，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，以无铰拱桥为例，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚直观描述起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。