一种桥梁加固装置的制作方法

本实用新型属于工程领域，涉及一种桥梁加固装置，具体涉及一种轻质、高承载、桥梁加固装置。

背景技术：

现有的制式桥梁装备多数为金属结构，其中包括为数较多的钢结构和为数较少的铝合金结构。虽然钢材具有强度高、塑性和韧性好、各向受力均匀以及设计计算理论成熟等优点，但是钢制桥梁存在自重大、机动性差、运输车辆多和作业劳动强度大等缺陷，难以满足现阶段应机动保障任务不断增强的苛刻需求。如抢险器材中较为常用的装配式公路钢桥，由一系列预制钢桁架片和其它拼装构件组装而成，其单片桁架片的重量约为270 kg，自重荷载几乎占整个桥梁设计荷载的约1/4，严重影响了该桥梁的承载效率。由于自重较大、拼装连接件数量较多，致使整个桥梁的机动性能差和作业任务大，严重降低了桥梁的拼装和架设效率，不利于应急抢修快速保障作业。

无论从战时角度还是非战争救援行动角度讲，都迫切需要我们寻求新型的桥梁装备。结构轻型化、高强化和模块化是桥梁装备未来发展的主要方向，新结构的设计、新材料的应用以及新技术工艺的采用是实现结构轻型化的必由之路。轻质的复合材料具有比强度/比模量高、可设计性好、运输架设轻便和耐腐蚀性好等显著优点，其已在民用固定桥梁结构中得到了广泛的应用，比如已建桥梁的加固补强和新建结构的建造。若将这种轻质高强的复合材料应用于应急移动式桥梁器材，可在保证承载能力的前提下降低桥梁自重，提高机动性能和架设速度。

桥梁的自重、跨度、结构形式与架设方法等因素之间往往相互影响和制约，所以在桥梁设计中需要将材料、结构形式与架设技术作为一个相互影响的整体。鉴于平面和空间桁架的传力机理较为明确、杆件传力路径相对单一，是一种承载效率较高的结构形式。而纤维增强树脂基拉挤复合材料纤维含量高，材料利用率高，具有优异的单向力学性能。若将纤维增强树脂基拉挤型材与桁架结构进行联合设计，则可充分发挥二者的优势，从而达到大幅减重的目的。另外，合理的选材和组合设计同样能够提高桥梁结构的承载力，其中若将复合材料与传统金属材料在结构进行组合设计，可充分发挥不同材料的利用效率，达到继续减重的目的。

技术实现要素：

实用新型目的：本实用新型的目的是针对目前制式桥梁装备中钢桥的一些不足，如自重大、机动性差、运输车辆多和作业劳动强度大、拼装架设效率低等，将材料、结构形式与架设技术作为一个相互影响的整体，提供一种轻质、高承载、模块化的桥梁加固装置，用该加固装置建造的桥梁更牢固。

技术方案：本实用新型提供的一种桥梁加固装置，包括一组通过横向加固连接杆连接的加固单元；所述加固单元包括至少金属的连接单元、一根复合材料管和至少一根竖直连接管；所述加固连接杆、复合材料管和竖直连接管通过连接单元连接；所述竖直连接管竖直设置于桥梁和复合材料管之间，且固定于复合材料管的端部或中部；所述竖直连接管的高度大于或等于复合材料管和桥梁之间的最远距离。复合材料管具有的一定的弹性，利用该性质结合本实用新型结构使该加固装置整体具有预应力。

作为改进，所述加固单元包括金属的连接单元、一根复合材料管和一根竖直连接杆；所述连接单元包括本体、固定于本体顶部的竖直的第一连接管、固定于本体后侧的水平的第二连接管；所述复合材料管自左向右穿过本体，其两端固定于桥梁上；所述横向加固连接杆通过连接单元的第二连接管连接相邻的加固单元；所述竖直连接杆通过第一连接管竖直固定于于桥梁和复合材料管之间；所述竖直连接管的高度大于等于复合材料管和桥梁之间的最远距离。

作为另一种改进，所述加固单元包括金属的连接单元、一根复合材料管和两根竖直连接管；所述连接单元包括本体、固定于本体顶部的竖直的第一连接管、固定于本体后侧的水平的第二连接管、固定于本体左侧的水平的第三连接管和/或固定于本体右侧的水平的第四连接管；所述横向加固连接杆通过连接单元的第二连接管连接相邻的加固单元；所述竖直连接杆通过第一连接管竖直设置于桥梁和复合材料管之间；所述复合材料管的端部和第三连接管或第四连接管连接；所述复合材料管的长度小于等于竖直连接管之间的宽度。

作为另一种改进，所述加固单元包括金属的连接单元、一组复合材料管和一组竖直连接管；所述复合材料管通过连接单元连接组成倒置的等腰梯形；所述连接单元包括本体、固定于本体顶部的竖直的第一连接管、固定于本体后侧的水平的第二连接管、固定于本体左侧的水平或倾斜的第三连接管、固定于本体右侧的水平或倾斜的第四连接管；所述横向加固连接杆通过连接单元的第二连接管连接相邻的加固单元；所述竖直连接杆通过第一连接管竖直设置于桥梁和复合材料管之间；所述竖直连接管的高度大于或等于复合材料管和桥梁之间的最远距离。

作为另一种改进，所述加固单元包括金属的连接单元、一组复合材料管和一组竖直连接管；所述复合材料管通过连接单元连接组成任意多边形；所述连接单元包括本体、固定于本体顶部的竖直的第一连接管、固定于本体后侧的水平的第二连接管、固定于本体左侧的水平或倾斜的第三连接管、固定于本体右侧的水平或倾斜的第四连接管；所述横向加固连接杆通过连接单元的第二连接管连接相邻的加固单元；所述竖直连接杆通过第一连接管竖直设置于桥梁和复合材料管之间；最长的竖直连接管的高度大于或等于复合材料管和桥梁之间的最远距离。

作为进一步改进，所述第一连接管、第二连接管、第三连接管和第四连接管均采用复合材料管的预紧力齿强连接结构，所述复合材料管的预紧力齿强连接结构包括外套管、挡止部、内压管、盖帽、预应力锁和锚具；待连接的复合材料管一端与外套管的内壁固连，且通过挡止部定位；内压管通过过盈配合设置在复合材料管的内壁；盖帽中部设有与内压管配合的凹槽，凹槽内侧壁和内压管的外侧壁上设有互相配合的螺纹；挡止部和盖帽通过螺栓连接；所述锚具设于凹槽底部；所述预应力索贯穿复合材料管锚固于锚具上；所述外套管和挡止部为一体成型结构。

作为更进一步改进，所述外套管的内径和与其固连的复合材料管的外径相同；所述内压管的外径大于复合材料管的内径；所述复合材料管端部外壁设有环状螺纹齿，所述外套管内壁设有与复合材料管端部环状螺纹齿配合的齿；所述外套管为长方体或圆柱体；所述外套管为一体成型的套管，或者为通过固定螺栓连接的上夹持块和下夹持块组成的套管。

本实用新型还提供了一种利用上述加固装置得到的桁架桥，包括一组依次连接的模块化复合材料-金属组合空间桁架桥以及加固装置；所述模块化复合材料-金属组合空间桁架桥，包括两个平行设置的三角桁架以及固定于两个三角桁架顶部的铝合金桥面板；所述三角桁架包括下弦杆、一组斜腹杆、一组互相平行的垂向竖杆和一组斜向竖杆；所述下弦杆间隔相同距离的每个垂直平面上分别连接有一个垂向竖杆和两个斜向竖杆，两个斜向竖杆分别设于垂向竖杆两侧；所述一组斜腹杆分别连接垂向竖杆顶部和相邻垂向竖杆底部；两个平行设置的三角桁架顶部通过一组加强横梁连接相邻斜向竖杆、底部通过一组横向连杆连接下弦杆，横向连杆的一端通过斜向连杆连接相邻横向连杆的远端；所述横向连杆、斜向连杆均为纤维增强树脂基复合材料连杆或铝合金材料连杆，所述下弦杆、斜腹杆、垂向竖杆和斜向竖杆均为纤维增强树脂基复合材料连杆。

作为进一步改进，所述加强横梁为工字型钢梁或槽型钢梁；所述横向连杆和斜向连杆采用铰接或固结方式与下弦杆连接；加强横梁与铝合金桥面板采用固结连接。

作为进一步改进，所述下弦杆通过基于预紧力齿连接复合材料管的空间连接结构与横向连杆、斜向连杆、下弦杆、斜腹杆、垂向竖杆和斜向竖杆连接，所述预紧力齿连接复合材料管的空间连接结构包括水平金属管、焊接于水平金属管顶部的竖直金属管、焊接于水平金属管顶部且均匀分布于竖直金属管周围的倾斜金属管、与水平金属管连接且设置于水平面上的横向连杆金属管和斜向连杆金属管；所述水平金属管、竖直金属管和倾斜金属管内壁均设有金属管齿，所述复合材料管上分别设有与金属管齿配合的复合材料管齿；所述复合材料管通过复合材料管齿和金属管齿固定于水平金属管、竖直金属管和倾斜金属管内。

作为进一步改进，所述倾斜金属管与竖直金属管的夹角为30-60°；所述竖直金属管和倾斜金属管与水平金属管之间通过节点板连接；所述水平金属管、竖直金属管和倾斜金属管分别由两个半圆弧管通过螺栓连接而成。

作为进一步改进，所述金属管齿和复合材料管齿分别为互相配合的一组圆弧状凸起和凹陷；或者所述金属管齿和复合材料管齿分别为一组相互配合的锯齿状结构；或者金属管齿和复合材料管齿分别为一组互相配合的点状凸起和凹陷。

作为进一步改进，所述铝合金桥面板端部设有金属传力顶块，铝合金桥面板在其与下部复合材料杆件交叉位置设有起连接过渡作用的附属金属连接座。

有益效果：本实用新型提供的加固装置重量小、运输、拼装和架设快捷方便，跨径大、承载力高，在桥梁加固中有广阔应用前景。

本实用新型提供的桥梁加固装置相对于现有技术具有以下突出的优势：

1、应用范围广：该加固装置可用于任何桥梁的架设，例如实施例中的桁架桥，也可用于短距离的桁架桥；

2、本实用新型加固装置将轻质高强的纤维增强树脂基复合材料拉挤型材应用于除桥面板之外的所有桁杆单元，可以大幅度降低桥跨结构的自重，极大地提高了该组合空间桁架桥的承载效率。

3、本实用新型组合空间桁架桥结构重量轻、模块化程度高、连接方便，整个桥跨可借助轻型吊车完成快速拼装和架设，也可采用重型直升机完成整体桥跨的吊运和架设。

4、本实用新型主要提供四种施加预紧力的方法：

一是通过高强螺栓施加预紧力。首先在复合材料管上加工多道环向的齿，在外套管上加工与复合材料管齿相匹配的齿，并在外套管上加工螺栓孔；然后通过齿的咬合装配，并装配高强螺栓；最后对高强螺栓施加扭矩，从而对复合材料管施加一定大小的径向预紧力。

二是通过过盈配合施加预紧力。即将外径稍小于复合材料管直径的外套管加热膨胀后套入复合材料管，冷却后，外套管向内收缩挤压复合材料管，于是在外钢套与复合材料管界面上产生较大的径向压应力。

三是通过内套管对复合材料管内壁的预紧力。内套管固定于盖帽上，同时对复合材料管内壁的预紧力，使连接更紧密。

5、本实用新型中与第四连接管连接的复合材料管的高度大于与等腰梯形的高，根据需要的预应力大小设置与第四连接管连接的复合材料管的高度，从而置与第四连接管连接的复合材料管的支撑形成合适大小的预应力，使该加固装置架设的桥更牢固。

附图说明

图1为一种包括桥梁加固装置的桁架桥的结构示意图；

图2为连接单元的结构示意图；

图3为另一种包括桥梁加固装置的桁架桥的结构示意图；

图4为另一种包括桥梁加固装置的桁架桥的结构示意图；

图5为预紧力齿强连接结构的示意图；

图6为外套管的结构示意图；

图7为模块化复合材料-金属组合空间桁架桥的结构示意图；

图8为模块化复合材料-金属组合空间桁架桥的主视图；

图9为模块化复合材料-金属组合空间桁架桥的右视图；

图10为模块化复合材料-金属组合空间桁架桥的俯视图；

图11为基于预紧力齿连接复合材料管的空间连接结构的结构示意图；

图12为铝合金桥面板端部的局部放大图；

图13为金属管齿和复合材料管齿分别为互相配合的一组圆弧状凸起和凹陷的局部放大图；

图14为金属管齿和复合材料管齿分别为一组相互配合的锯齿状结构的局部放大图；

图15为金属管齿和复合材料管齿分别为一组互相配合的点状凸起和凹陷的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细描述。本实用新型的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。

包括桥梁加固装置的桁架桥，包括一组依次连接的模块化复合材料-金属组合空间桁架桥以及加固装置。

在一种实施方式中，见图1和2，加固装置包括一组通过横向加固连接杆21连接的加固单元22；加固单元22包括金属的连接单元23、一组复合材料管24和一组竖直连接管29；复合材料管24通过连接单元23连接组成倒置的等腰梯形；连接单元23包括本体25、固定于本体25顶部的竖直的第一连接管26、固定于本体25后侧的水平的第二连接管27、固定于本体25左侧的水平或倾斜的第三连接管28、固定于本体25右侧的水平或倾斜的第四连接管29；横向加固连接杆21通过连接单元23的第二连接管27连接相邻的加固单元22；竖直连接杆41通过第一连接管26竖直设置于桥梁和复合材料管24之间；竖直连接管29的高度大于或等于复合材料管24和桥梁之间的最远距离。

在一种实施方式中，见图3，加固装置包括一组通过横向加固连接杆21连接的加固单元22；加固单元22包括金属的连接单元23、一根复合材料管24和一根竖直连接杆41；连接单元23包括本体25、固定于本体25顶部的竖直的第一连接管26、固定于本体25后侧的水平的第二连接管27；复合材料管24自左向右穿过本体25，其两端固定于桥梁上；横向加固连接杆21通过连接单元23的第二连接管27连接相邻的加固单元22；竖直连接杆41通过第一连接管26竖直固定于于桥梁和复合材料管24之间；竖直连接管29的高度大于等于复合材料管24和桥梁之间的最远距离。

在另一种实施方式中，见图4，加固装置包括一组通过横向加固连接杆21连接的加固单元22；加固单元22包括金属的连接单元23、一根复合材料管24和两根竖直连接管29；连接单元23包括本体25、固定于本体25顶部的竖直的第一连接管26、固定于本体25后侧的水平的第二连接管27、固定于本体25左侧的水平的第三连接管28和/或固定于本体25右侧的水平的第四连接管29；横向加固连接杆21通过连接单元23的第二连接管27连接相邻的加固单元22；竖直连接杆41通过第一连接管26竖直设置于桥梁和复合材料管24之间；复合材料管24的端部和第三连接管28或第四连接管29连接；复合材料管24的长度小于等于竖直连接管29之间的宽度。

在其他实施方式中，加固装置包括一组通过横向加固连接杆21连接的加固单元22；加固单元22包括金属的连接单元23、一组复合材料管24和一组竖直连接管29；复合材料管24通过连接单元23连接组成任意多边形；连接单元23包括本体25、固定于本体25顶部的竖直的第一连接管26、固定于本体25后侧的水平的第二连接管27、固定于本体25左侧的水平或倾斜的第三连接管28、固定于本体25右侧的水平或倾斜的第四连接管29；横向加固连接杆21通过连接单元23的第二连接管27连接相邻的加固单元22；竖直连接杆41通过第一连接管26竖直设置于桥梁和复合材料管24之间；最长的竖直连接管29的高度大于或等于复合材料管24和桥梁之间的最远距离。

其中，第一连接管26、第二连接管27、第三连接管28和第四连接管29均采用复合材料管的预紧力齿强连接结构，复合材料管的预紧力齿强连接结构包括外套管31、挡止部32、内压管33、盖帽34、预应力锁35和锚具36；待连接的复合材料管24一端与外套管31的内壁固连，且通过挡止部32定位；内压管33通过过盈配合设置在复合材料管24的内壁；盖帽34中部设有与内压管33配合的凹槽36，凹槽36内侧壁和内压管33的外侧壁上设有互相配合的螺纹；挡止部32和盖帽34通过螺栓38连接；锚具36设于凹槽37底部；预应力索35贯穿复合材料管24锚固于锚具36上；外套管31和挡止部32为一体成型结构。外套管31的内径和与其固连的复合材料管24的外径相同；内压管33的外径大于复合材料管24的内径；复合材料管24端部外壁设有环状螺纹齿39，外套管31内壁设有与复合材料管24端部环状螺纹齿39配合的齿；外套管31为长方体或圆柱体；外套管31为一体成型的套管，或者为通过固定螺栓连接的上夹持块30和下夹持块40组成的套管，见图5和6。

模块化复合材料-金属组合空间桁架桥，见图7至12，包括两个平行设置的三角桁架1以及固定于两个三角桁架1顶部的铝合金桥面板10；三角桁架1包括下弦杆5、一组斜腹杆6、一组互相平行的垂向竖杆7和一组斜向竖杆8；下弦杆5间隔相同距离的每个垂直平面上分别连接有一个垂向竖杆7和两个斜向竖杆8，两个斜向竖杆8分别设于垂向竖杆7两侧；一组斜腹杆6分别连接垂向竖杆7顶部和相邻垂向竖杆7底部；两个平行设置的三角桁架1顶部通过一组加强横梁2连接相邻斜向竖杆8、底部通过一组横向连杆3连接下弦杆5，横向连杆3的一端通过斜向连杆4连接相邻横向连杆3的远端；横向连杆3、斜向连杆4均为纤维增强树脂基复合材料连杆或铝合金材料连杆，下弦杆5、斜腹杆6、垂向竖杆7和斜向竖杆8均为纤维增强树脂基复合材料连杆。铝合金桥面板10端部设有金属传力顶块11，铝合金桥面板10在其与下部复合材料杆件交叉位置设有起连接过渡作用的附属金属连接座12。加强横梁2为工字型钢梁或槽型钢梁。横向连杆3和斜向连杆4采用铰接或固结方式与下弦杆5连接；加强横梁2与铝合金桥面板10采用固结连接。

下弦杆5通过基于预紧力齿连接复合材料管的空间连接结构9与横向连杆3、斜向连杆4、下弦杆5、斜腹杆6、垂向竖杆7和斜向竖杆8连接；预紧力齿连接复合材料管的空间连接结构9包括水平金属管13、焊接于水平金属管13顶部的竖直金属管14、焊接于水平金属管13顶部且均匀分布于竖直金属管14周围的倾斜金属管15、与水平金属管13连接且设置于水平面上的横向连杆金属管19和斜向连杆金属管20；水平金属管13、竖直金属管14和倾斜金属管15内壁均设有金属管齿16，纤维增强树脂基复合材料连杆上分别设有与金属管齿16配合的复合材料管齿17；纤维增强树脂基复合材料连杆通过复合材料管齿17和金属管齿16固定于水平金属管13、竖直金属管14和倾斜金属管15内；倾斜金属管15与竖直金属管14的夹角为30-60°；竖直金属管14和倾斜金属管15与水平金属管13之间通过节点板18连接；水平金属管13、竖直金属管14和倾斜金属管15分别由两个半圆弧管通过螺栓连接而成；金属管齿16和复合材料管齿17分别为互相配合的一组圆弧状凸起和凹陷；或者金属管齿16和复合材料管齿17分别为一组相互配合的锯齿状结构；或者金属管齿16和复合材料管齿17分别为一组互相配合的点状凸起和凹陷。

金属管齿16和复合材料管齿17分别为互相配合的一组圆弧状凸起和凹陷，见图13；或者金属管齿16和复合材料管齿17分别为一组相互配合的锯齿状结构，见图14；或者金属管齿16和复合材料管齿17分别为一组互相配合的点状凸起和凹陷，见图15。

最后需要说明的是，本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现；以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照本实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本实用新型技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。