钢箱桥塔内部开设通行孔的贴板补强方法
【专利摘要】本发明提供了一种钢箱桥塔内部开设通行孔的贴板补强方法，具体包括：(1)根据开孔板的几何尺寸和材料特性，计算开孔削弱后的极限受压强度；(2)根据开孔板几何特征和实际工程需求，选定合适的补强方式和补强板尺寸；(3)基于公式计算补强后的极限受压强度；(4)验算补强后的开孔板强度，若不满足设计要求，则重复步骤(2)到(4)，直到补强后的极限受压强度达到设计要求为止；(5)按照要求将贴板焊接在开孔板件上。本发明理论可靠、逻辑清楚、方法简单。
【专利说明】
钢箱桥塔内部开设通行孔的贴板补强方法
技术领域
[0001] 本发明属于钢结构设计与构造技术领域，具体的，涉及一种钢箱桥塔内部开设通 行孔的贴板补强方法。
【背景技术】
[0002] 钢桥塔具有体积小、自重轻、抗震性能好、施工周期短等优点。近年来，随着香港汀 九桥、南京长江第三大桥、泰州长江大桥、宁波外滩大桥等桥梁的陆续竣工和开工建设，钢 桥塔在我国桥梁建设中得到了更加广泛的应用。与混凝土桥塔相比，钢桥塔在满足相同承 载能力的情况下可以做得更加轻巧，在工厂生产制造，然后到现场进行拼装，施工方便快 捷，并可缩短施工周期。虽然钢桥塔的工程造价通常比混凝土桥塔高，但是采用钢桥塔之后 基础承受的重量要小很多，因此从工程项目的总体效益来看，钢桥塔结构可能会比混凝土 桥塔结构更加经济。此外，斜拉桥的拉索锚固区受力复杂、局部应力大，若采用钢筋混凝土 桥塔，需要在拉索锚固区附近布置较多的预应力钢筋，施工比较复杂，采用钢桥塔则可以避 免这些问题。目前，经济的可持续发展成为各国政府的战略方针，人们日益重视对有限资源 的节约利用和对自然环境的保护，国际上也提出了可持续工程和绿色工程的概念。21世纪 的桥梁设计将更加重视结构的耐久性和全寿命经济性，降低不可再生资源的消耗，提高工 业和建筑废料的再利用以及减少对环境的破坏和影响。钢材作为绿色建材，将大有用武之 地，采用钢桥塔设计完全符合第三代结构设计的新理念。我国经济建设不断健康发展，钢产 量与品质不断提高，国家的工程建设技术政策己经发生重大变化，今后将会有更多的桥梁 工程会采用钢桥塔结构形式。
[0003] 由于构造、施工、检修、维护等需要，不可避免对钢箱桥塔中的某些受力板件进行 开孔，其中最为典型的是长圆形通行孔。这些人员通行孔通常开设在桥塔根部的外壁板和 内部竖向隔板上，孔洞形状多为由上下两个半圆形和中间一个矩形组成的长圆形(见图2)。 据统计，钢桥塔长圆形通行孔的开孔率多介于〇. 2~0.5之间。较大的开孔率将对钢桥塔受 压板件的力学性能产生不可忽略的影响，具体表现为:①开孔板在面内荷载作用下产生孔 边应力集中现象，可能导致钢板发生局部破坏，并影响其疲劳性能;②受压开孔板的弹性屈 曲临界荷载和弹塑性受压极限强度均随着孔径增大而显著降低，且当板件宽厚比较小时 (即厚板)的降低幅度更为明显。对于钢箱桥塔的开孔板而言，当通行孔开设于桥塔根部时， 板件承受着非常高的压应力。因此，过大的孔洞尺寸或过多的孔洞数量将可能导致这些开 孔板的正常使用或结构安全难以满足，必要时需采取合理、有效的措施进行孔洞补强。
[0004] 经检索，公开号为0~ 1014575911]、申请号为200810154696.8的中国发明专利，该 专利公开了一种钢梁贯通孔补强方法，在钢梁的塑性区内开通孔;根据开孔位置、孔径确定 出所需要的补强环的结构，将补强环焊接在所述通孔上。
[0005] 上述专利不适用于开孔孔洞形状为长圆形，处于面内受压工况的情形，而且该专 利没有给出补强后的强度计算公式。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供钢箱桥塔内部开设通行孔的贴板补强方法，实现补强后的开 孔钢板受压强度达到要求。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0008] 本发明提供一种钢箱桥塔内部开设通行孔的贴板补强方法，包括以下步骤：
[0009] (1)根据钢箱桥塔开设通行孔的板件即开孔板的几何尺寸和材料特性，计算开孔 板开孔削弱后的极限受压强度;所述开孔板开孔削弱后的极限受压强度据如下公式计 算：
[0011 ]其中：〇y为钢材的屈服强度，d为通行孔孔宽，b为开孔板横向宽度；
[0012] (2)根据开孔板几何特征和实际工程需求，选定贴板尺寸；
[0013] (3)计算补强后的极限受压强度;所述补强后的极限受压强度〇fu基于如下公式计 算：
[0015] 其中：〇u为开孔板开孔削弱后的极限受压强度，tf为贴板厚度，t为开孔板厚度，d为 通行孔孔宽，b为开孔板横向宽度；
[0016] (4)验算补强后的开孔板强度，若不满足设计要求，则重复步骤(2)到（4)，直到补 强后的开孔板强度达到设计要求为止；
[0017] (5)根据符合设计要求的贴板尺寸，将贴板焊接在开孔板上。
[0018] 优选地，步骤(1)中，所述开孔板处于面内单轴受压状态。
[0019] 优选地，步骤(1)中，所述开孔板被竖向加劲肋和横向加劲肋分隔之后的竖向高度 a与横向宽度b之比介于2至5之间。
[0020] 优选地，步骤（1)中，所述通行孔为长圆形，其中长圆形由上下两个半圆形与中间 一个矩形组成。
[0021] 更优选地，所述通行孔孔高h与通行孔孔宽d之比介于1.5至3之间；所述通行孔孔 宽d与开孔板横向宽度b之比介于0.1至0.7之间。
[0022] 优选地，步骤(2)中，所述贴板补强适用于通行孔孔洞宽度d/b〈0.3且强度提高需 求彡1.5〇u的情况，其中 ：〇u为开孔板开孔削弱后的极限受压强度，d为通行孔孔宽，b为开孔 板横向宽度。
[0023] 优选地，步骤(2)中，所述贴板尺寸包括贴板厚度、贴板横向宽度以及贴板竖向高 度，其中：贴板厚度tf不大于1.3t，t为开孔板厚度;贴板横向宽度bf介于2.5d至3.5d之间;贝占 板竖向高度af介于h+1.5d至h+2.5d之间。
[0024] 优选地，步骤(5)中：
[0025] 首先在厚度为tf、横向宽度为bf、竖向高度为af的贴板上开设一长圆形孔;然后将 贴板置于开孔板一侧，并保持贴板上长圆孔与开孔板上长圆孔的对称轴相互重合;再在贴 板内孔边及外周边施加角焊缝将贴板与开孔板焊接固定。
[0026] 更优选地，步骤(5)中：
[0027]所述长圆形孔开设在贴板的居中位置，所述长圆形孔的长为h+2tf、宽为d+2tf;
[0028] 所述角焊缝的焊脚高度不小于6mm与0.5tf之间的较大值。
[0029] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0030] 本发明适用于孔洞形状为长圆形、且钢板处于面内受压工况的情形，作为钢桥塔 内部开设通行孔的补强方法，并且给出补强前和补强后的强度计算公式。本发明理论可靠、 逻辑清楚、方法简单。
【附图说明】
[0031] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0032] 图1为本发明一实施例的钢箱桥塔内部开设通行孔及贴板补强示意图，其中：（a) 为开孔未补强示意图，（b)为围板补强示意图；
[0033] 图2为本发明一实施例的钢箱桥塔内部通行孔构造图；
[0034] 图3为本发明一实施例的经过贴板补强的钢箱桥塔内部开设通行孔的钢板的构造 图，其中：（a)为主视图，（b)为侧视图，（c)为俯视图；
[0035] 图4为本发明一实施例的实施流程图。
【具体实施方式】
[0036]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明 的保护范围。
[0037] 如图1中（a)所示，钢箱桥塔内部开设通行孔的钢板主要由桥塔壁板、横向隔板和 竖向隔板组成，并且处于竖向压力荷载工况下；如图1中（b)所示，钢箱桥塔内部开设通行孔 的钢板的孔边加劲补强方法，主要是按照施工要求，将加劲板焊接在长圆形孔洞的两侧。
[0038] 如图2所示，本实施例的对象是钢箱桥塔内部开设有通行孔的受压钢板，其尺寸包 括:受压钢板竖向高度a、受压钢板横向宽度b、受压钢板厚度t以及通行孔孔高h、通行孔孔 宽d，其中：受压钢板竖向高度a与受压钢板横向宽度b之比介于2到5之间;通行孔孔高h与通 行孔孔宽d之比介于1.5至3之间，通行孔孔宽d与受压钢板横向宽度b之比介于0.1至0.7之 间。
[0039] 作为一优选的实施方式，所述受压钢板上的通行孔为长圆形，长圆形由上下两个 半圆形与中间一个矩形组成。
[0040] 如图3中（a)、（b)、（c)所示，一种钢箱桥塔内部开设通行孔的贴板补强方法，具体 是:首先在贴板上居中开设一长圆形孔，然后将贴板置于受压钢板一侧，保持保持贴板上长 圆孔与受压钢板上长圆孔的对称轴相互重合，再在贴板内孔边及外周边施加整圈角焊缝将 贴板与受压钢板焊接固定。
[0041] 如图4所示，一种钢箱桥塔内部开设通行孔的贴板补强方法，具体实施步骤如下：
[0042] (1)根据受压钢板的几何尺寸，包括受压钢板的宽度、厚度、长度、开孔宽度和开孔 长度，以及材料特性，
计算受压钢板开孔削弱后的极限受压强度，其 中：〇y为钢材的屈服强度，d为通行孔孔宽，b为受压钢板横向宽度；
[0043] (2)根据受压钢板几何特征，包括宽厚比b/t、长宽比a/b以及开孔率d/b的要求，贝占 板补强主要适用于通行孔孔洞宽度较小(d/b〈0.3)且强度提高需求较小（<1.5 〇u)的情况， 要求角焊缝的焊脚高度不小于6mm与0.5tf之间的较大值，贴板厚度t f不大于1.3t(其中t为 受压钢板厚度），贴板横向宽度bf介于2.5d至3.5d之间，贴板竖向高度af介于h+1.5d至h+ 2.5d之间；
[0044] (3)基于公式计算受压钢板在贴板补强后的极限受 其中：为受压钢板开孔削弱后的极限受压强度，tf为贴板厚度，t为受压钢板厚度，d为通行 孔孔宽，b为受压钢板横向宽度；
[0045] (4)验算补强后的受压钢板强度，若不满足设计要求，则重复步骤(2)到（4)，直到 补强后的极限受压强度达到设计要求为止；
[0046] (5)按照要求将贴板焊接在受压钢板上，具体的：
[0047]首先在厚度为tf、横向宽度为bf、竖向高度为af的贴板上居中开设一长为h+2t f、宽 为d+2tf的长圆形孔;然后将贴板置于受压钢板一侧，保持贴板上长圆孔与受压钢板上长圆 孔的对称轴相互重合;再在贴板内孔边及外周边施加整圈角焊缝将贴板与受压钢板焊接固 定，其中角焊缝的焊脚高度不小于6mm与0.5t r之间的较大值。
[0048] 综上实施例，可以弥补钢箱桥塔内部开设通行孔导致钢板受压强度削弱的不足， 为之提供相对应的开孔补强方法，并且可以计算确定补强之后的钢板受压极限强度，但应 当认识到上述描述不应被认为是本发明的限制。除此之外，本发明还有其它实施方式。
[0049] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述 特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影 响本发明的实质内容。
【主权项】
1. 一种钢箱桥塔内部开设通行孔的贴板补强方法，其特征在于，包括W下步骤： (1) 根据钢箱桥塔开设通行孔的板件即开孔板的几何尺寸和材料特性，计算开孔板开 孔削弱后的极限受压强度;所述开孔板开孔削弱后的极限受压强度〇u根据如下公式计算：其中：Oy为钢材的屈服强度，d为通行孔孔宽，b为开孔板横向宽度； (2) 根据开孔板几何特征和实际工程需求，选定贴板尺寸； (3) 计算补强后的极限受压强度； 所述补强后的极限受压强度Ofu基于如下公式计算：其中：〇u为开孔板开孔削弱后的极限受压强度，tf为贴板厚度，t为开孔板厚度，d为通行 孔孔宽，b为开孔板横向宽度； (4) 验算补强后的开孔板强度，若不满足设计要求，则重复步骤（2)到（4)，直到补强后 的开孔板强度达到设计要求为止； (5) 根据符合设计要求的贴板尺寸，将贴板焊接在开孔板上。2. 根据权利要求1所述的一种钢箱桥塔内部开设通行孔的贴板补强方法，其特征在于， 所述开孔板处于面内单轴受压状态。3. 根据权利要求1所述的一种钢箱桥塔内部开设通行孔的贴板补强方法，其特征在于， 所述开孔板被竖向加劲肋和横向加劲肋分隔之后的竖向高度a与横向宽度b之比介于2至5 之间。4. 根据权利要求1所述的一种钢箱桥塔内部开设通行孔的贴板补强方法，其特征在于， 所述通行孔为长圆形，其中长圆形由上下两个半圆形与中间一个矩形组成。5. 根据权利要求4所述的一种钢箱桥塔内部开设通行孔的贴板补强方法，其特征在于， 所述通行孔孔高h与通行孔孔宽d之比介于1.5至3之间；所述通行孔孔宽d与开孔板横向宽 度b之比介于0.1至0.7之间。6. 根据权利要求1所述的一种钢箱桥塔内部开设通行孔的贴板补强方法，步骤(2)中， 所述贴板补强适用于通行孔孔桐宽度d/b<0.3且强度提高需求《1.5〇u的情况，其中：〇u为开 孔板开孔削弱后的极限受压强度，d为通行孔孔宽，b为开孔板横向宽度。7. 根据权利要求1所述的一种钢箱桥塔内部开设通行孔的贴板补强方法，其特征在于， 步骤(2)中，所述贴板尺寸包括贴板厚度、贴板横向宽度W及贴板竖向高度，其中：贴板厚度 tf不大于1.3t，t为开孔板厚度;贴板横向宽度bf介于2.5d至3.5d之间；贴板竖向高度af介于 h+1.5d 至h+2.5d之间。8. 根据权利要求1-7任一项所述的一种钢箱桥塔内部开设通行孔的贴板补强方法，其 特征在于，步骤(5)中：首先在厚度为tf、横向宽度为bf、竖向高度为af的贴板上开设一长圆 形孔;然后将贴板置于开孔板一侧，并保持贴板上长圆孔与开孔板上长圆孔的对称轴相互 重合;再在贴板内孔边及外周边施加角焊缝将贴板与开孔板焊接固定。9. 根据权利要求8所述的一种钢箱桥塔内部开设通行孔的贴板补强方法，其特征在于， 步骤(5)中：所述长圆形孔开设在贴板的居中位置，所述长圆形孔的长为h+2tf、宽为d+2tf。10.根据权利要求8所述的一种钢箱桥塔内部开设通行孔的贴板补强方法，其特征在 于，所述角焊缝的焊脚高度不小于6mm与0.5tf之间的较大值。
【文档编号】E01D101/30GK106087779SQ201610398309
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】程斌, 娄煜, 王健磊, 李纯
【申请人】上海交通大学