桥梁结构及改变桥梁应变特性的方法

专利名称：桥梁结构及改变桥梁应变特性的方法
技术领域：
本发明涉及交通桥梁领域。更具体地说，本发明涉及桥梁结构及改变桥梁应变特性的方法。本发明可以特别应用于钢的或者混凝土的或其组合的板梁桥(girder bridge),其钢板层为正交各向异性(orthotropic)平板肋板形式。
背景技术：
图I展示了可以应用本发明的交通桥梁100的一个实施例的局部视图。该交通桥梁是具有正交各向异性平板肋板的板梁桥。交通桥梁100包括多个立柱I (仅仅展示一个)和在立柱I之间延伸的横梁2 (同样仅仅展示一个)。立柱I和横梁2可以是工字梁或者其他合适的结构。槽形梁4为交通桥梁100提供纵向支撑。槽形梁4在横梁2之间延伸，并且焊在横梁2上。 钢面板3焊在槽形梁4上。可以在钢面板3上提供环氧涂层5。可以在环氧涂层5上提供柏油层(未显示)作抗磨层。过一段时间，板梁桥会因疲劳而受损。结果，可能形成疲劳裂缝，通常是在槽形梁与横梁的连接处，和/或是在面板与槽形梁的连接处。修复疲劳裂缝可能是既复杂且成本高昂的工艺，可能要部分或者完全封闭桥梁的交通。

发明内容
从一方面考虑，本发明一般涉及改变具有面板支撑结构的桥梁结构的应变特性的方法，该支撑结构和面板限定了一个相互密封的内部空腔的相应部分，该方法包括主动抽空内部空腔，以在内部空腔内产生负压。该方法可以应用于面板的多个支撑结构，及至应用于所有的或者基本上所有的支撑结构。从另一方面考虑，本发明一般涉及包括面板和连接到面板上的支撑结构在内的桥梁结构。支撑结构和面板两者都形成相互密封的内部空腔的一部分，该内部空腔已经被主动抽空，以在那里产生与内部空腔的环境的负压差。在某些实施方式中，负压差至少50千帕(kPa)。在其他实施方式中，可能出现更大的负压差，包括至少60kPa、至少70kPa、至少80kPa、至少90kPa、约95kPa和约IOOkPa的负压差。在某些实施方式中，负压差在95kPa至IOOkPa的范围内。在某些实施方式中，桥梁结构是板梁桥，支撑结构是沿板梁桥纵向延伸的槽形梁。支撑结构可以在两个横梁之间延伸，密封的内部空腔可以大体上沿着支撑结构的整个纵向长度延伸。在某些实施方式中，用压力检测器监视每个所述内部空腔内的负压差，压力检测器与控制器通信相连，控制器接收压力检测器的输出，并且传送或者输出检测到的一个或多个内部空腔内的负压差的损失。桥梁结构可以包括多个支撑结构，每个支撑结构都处于规定的负压差下。在某些实施方式中，每个支撑结构都与其他支撑结构隔离，借此，一个支撑结构内的负压损失不会导致其他支撑结构内的负压损失。可以为每个支撑结构提供单独的压力检测器，控制器可以接收每个压力检测器的输出，并且传送或者输出支撑结构损失的负压的读数。还公开了一种桥梁结构，它包括面板和连接到面板上的支撑结构，面板和支撑结构两者都形成相互密封的内部空腔的一部分，该内部空腔处于负压下，该桥梁结构还包括监视内部空腔负压的压力传感器和控制器，控制器输出或者传送内部空腔内损失的负压。在某些实施方式中，桥梁结构包括多个支撑结构，每个支撑结构与面板形成相互密封的内部空腔的一部分，其中压力传感器和控制器监视着每个支撑结构的内部空腔内的压力。在某些实施方式中，各支撑结构的内部空腔相互隔离，因此一个内部空腔内的负压损失不会导致其他内部空腔内的负压损失。还公开了一种监视桥梁结构疲劳裂缝的方法，该桥梁结构具有面板和面板支撑结构，它们一起限定相互密封的内部空腔，该方法包括在内部空腔内产生负压，然后监视内部空腔内的负压损失。
还公开了一种制造桥梁结构的方法，包括将一块面板焊接到多个面板支撑结构上，以产生多个部分由面板和部分由支撑结构限定的密封的内部空腔，然后在每个支撑结构的内部空腔内主动产生负压。还公开了一种改变桥梁结构以降低它的一部分的氧化速率的方法，该桥梁结构具有钢面板和多个钢面板支撑结构，它们一起限定了相互密封的内部空腔的相应部分，该方法包括在每个支撑结构的内部空腔内产生负压。还公开了一种评价桥梁结构完整性的方法，该桥梁结构具有面板和多个面板支撑结构，它们一起限定了相互密封的内部空腔的相应部分，该方法包括在每个支撑结构的内部空腔内主动产生正压，然后监视内部空腔内的负压损失。该方法可以作为压力试验来实施，以评价内部空腔是否可以承受足以改变桥梁结构应变特性的负压。
通过以下说明和/或通过附图，上述段落中描述的本发明的各个方面以及各方面的其他实施方式会变得显而易见。


图1(现有技术)展示了可以应用本发明的板梁桥的一个实施例。图2展示了两个立柱之间的一部分板梁桥结构，立柱包含负压系统。图3展示了具有应变仪的槽形梁。详细说明参考附图来说明本发明的各实施方式，在附图中，类似的附图标记表示类似的部件。参照图2，展示了板梁桥200的一部分。板梁桥200和结合图I所述的板梁桥100的类型一样。板梁桥200包括立柱I、在立柱I之间延伸的横梁2、以及在横梁2之间延伸的槽形梁4。桥梁表面包括钢面板3、环氧涂层5和柏油层6。每个槽形梁4限定一个内部空腔7。内部空腔7在端部处被横梁2和将槽形梁4连接到横梁2上的焊缝封闭。每个槽形梁4上形成一个孔8，例如通过钻孔和攻螺纹(tapping)。孔8可以合适地形成在其槽形梁4上、横梁2之间的中间位置处。孔8借助阀门9和管路和/或软管连接11连接到真空泵10上。图2展示了唯一一台用于向空腔7提供负压(即低于大气压的压力)的泵10，但在其他实施方式中可能有多个泵。例如，槽形梁4可以被分成η组，对应于η台泵，每台泵负责一组槽形梁。泵可以施加相同或者不同的压力于不同的槽形梁上。每组槽形梁可以包括仅一根槽形梁、两根槽形梁或者三根或更多的槽形梁。各组可以具有相同数目，或者不同数目的泵可以负责不同数目的槽形梁。启动真空泵10以从内部空腔7中抽出空气。压力测量仪12指示每个内部空腔7中产生的负压。一个或多个压力测量仪12还可以指示管路和/或软管连接11内的负压。通过在内部空腔7内提供负压，相对于施加负压之前存在的压紧，将槽形梁4连接到面板3上的焊缝被压紧。桥梁结构应变特性的改进可以减少这些焊缝周围的疲劳应力。将槽形梁4连接到横梁2上的焊缝可以被类似地压紧。施加到内部空腔上的负压根据需要可以有所不同。但是,大约90到95kPa或者更高的负压可能是合适的。根据需要和应用本发明的桥梁结构，也可以使用较低的负压，例如从约50或者60kPa起。此外，负压基准参照图I和2所示类型的桥梁的大气压。对于具有 多个空腔(例如需要压紧的接缝处于内部空腔中的巢状空腔)的其他桥梁来说，负压基准参照空腔周围的压力。换句话说，本发明在相关空腔的内部和外部之间制造压力差。在某些实施方式中，空腔7内的负压可以用来实现所需的应变改变。为此目的，应变仪13 (参见图3)可以设置在槽形梁4周围。图3还展示了槽形梁4和面板3之间的焊缝14。经过一段时间，可以操作泵10以增加内部空腔7中负压的大小，直到应变仪13测量到所需的改变，或者达到实际的或者设定的最大负压。改变可以是平均改变，例如经过数小时、几分之一天(part days)或者数天的时间测量的平均改变，因此举例来说，负压可以起始于约50或者60kPa的负压,然后经过数小时或者数天或者更长的时间，逐步增加(stepup)或者加速增加(ramp up),直到检测到平均应变的所需改变。一个或多个感应器处的微应变的改变可以为约50或者更大。在其他实施方式中，微应变的改变可以为70以上、100以上、150以上或者约250。除了或者代替检测内部空腔7和其环境之间的负压差的损失之夕卜，应变仪13还可以用于检测改变的应变特性的损失。除压紧槽形梁4周围的焊缝之外，施加负压到内部空腔7可以为疲劳裂缝的发展提供警告。压力测量仪12测量内部空腔7内的压力。排除可归因于热效应的负压大小的减小可以指示疲劳裂缝的发展。可以提供控制器50，例如基于微处理器的简单设备、微控制器或者可编程的逻辑设备，它们接收来自每个压力测量仪12的信号，并且控制发送器51 (或者其他通讯装置，诸如调制解调器)发送信号，指示一个或多个槽形梁4内的负压损失。为清晰起见，显示图2中的控制器50仅连接到一个测量仪12上，但根据监视需要，控制器50也可以连接到任何或者所有的测量仪12上。测量仪12和控制器50之间的连接可以是有线的或者无线的。在所示的实施方式中，控制器50被安装到桥梁50本地，发送器51用于信号的发送或者传播。在备选实施方式中，测量仪12可以包括调制解调器或者能通信连接到网络上的其他设备，例如远程通信网或者通过网络询问。在某些实施方式中，为每个槽形梁4提供一个压力测量仪。同时，槽形梁4可以相互隔离，例如通过图2所示的阀门9。这样，可以实现局部的疲劳监视，一个槽形梁4中的负压损失不会必然导致所有的槽形梁4损失负压。此外，槽形梁4也可以不必隔离，或者仅需分组隔离，在此情况下，单个压力测量仪即足以检测任何一个槽形梁或者一组槽形梁中任何一个中的疲劳裂缝。
在某些实施方式中，压力测量仪12可以输出一个信号到泵控制器53，泵控制器控制泵10(如果有一个以上的泵受其控制，则为多个泵10)的操作，如果负压的大小减小到比设定值低一个阈值，则泵控制器53启动泵以增加负压，使其回到其设定值。除了根据压力测量仪12的直接读数可以获得的任何示数之外，或者作为其替代，泵10的启动频率可以表明槽形梁4周围疲劳的累加。泵控制器53可以通过任何合适的机构，包括有线的或者无线的连接，通信连接到测量仪12。像控制器52—样，为清晰起见，在图2中仅仅显示了一个这种连接。在某些实施方式中，控制器50和泵控制器52可以在同一个物理设备中实施。 在某些实施方式中，在施加负压之前测试槽形梁4的内部空腔7。测试可以通过使内部空腔7增压到正压并确定压力是否保持恒定来进行。例如，可以将内部空腔7加压到高于大气压15kPa，并且可以检查它以将正压保持24小时的期限。泵10可以是双向的，并用于进行正压测试，正压测试要么通过管路和/或软管连接11进行，要么通过用于进行测试的单独连接进行，该单独连接允许在安装管路和/或软管连接11之前测试。此外，还可以用不同的泵来做压力测试。测试可以表明槽形梁4是否有可能保持施加的负压。未通过 测试或者即使通过任何测试但发现不能保持负压的槽形梁4可以被排除(omitted)。这些槽形梁4周围的区域可以保持不变，或者用其他方法增强以抗疲劳，或者采取措施以密封空气进入区域。从槽形梁4里面抽空气可以有降低槽形梁4氧化速率的额外好处。相关领域熟练技术人员不难理解有不同结构的板梁桥。根据一个可能的结构举例做了上述说明。本发明会应用于具有适当定位和密封的空腔的其他桥梁结构，负压可以施加到密封的空腔上，以通过压紧连接而减小接点处应力。例如，桥梁结构可以具有不同形状的槽形梁，例如限定为矩形而非如图所示的梯形的槽形梁。为了补充加强或者其他目的，槽形梁可以具有内部结构。单个槽形梁可以包括两个相互密封的空腔，它可以保持隔离并且独立地保持负压，或者它们可以短路连在一起，例如通过在每一个上面钻孔和攻螺纹孔，并且用管路和/或软管连接各孔。此外，在描述的实施方式中，内部空腔部分由槽形梁、部分由面板、以及部分由横梁形成。在备选实施方式中，槽形梁的端部可以被除横梁以外的其他部件密封，例如被焊在槽形梁端部的附加板(除任何横梁外，槽形梁的端部会因此而终止，以允许有附加板的空间)。在桥梁结构的其他实施方式中，除了改变纵向延伸的槽形梁的内压力之外，或者作为其备选方案，内压力改变的槽形梁可以跨越桥梁横向延伸。就桥梁结构包括倾斜于横向和纵向延伸的槽形梁来说，本发明还可应用于这种桥梁结构。不难理解，在本说明书中公开和限定的发明延伸到两个或多个正文或者附图中提到的或者明显的单个特征的所有备选组合。所有这些不同的组合构成了本发明的备选的各个方面。
权利要求
1.一种改变桥梁结构应变特性的方法，该桥梁结构具有用于支撑面板的支撑结构，该支撑结构和面板形成相互密封的内部空腔的相应部分，该方法包括主动抽空内部空腔，以在内部空腔和其环境之间产生和保持负压差。
2.根据权利要求I的方法，其中负压差至少为50kPa。
3.根据权利要求I的方法，其中负压差至少为约90kPa。
4.根据权利要求I的方法，其中负压差至少为约95kPa。
5.根据权利要求I的方法，其中负压差在95kPa到IOOkPa的范围内。
6.根据权利要求I的方法，其中负压为约lOOkPa。
7.根据权利要求I到6中任ー项的方法，还包括将ー个压カ传感器连接到内部空腔，其中该压カ传感器适合产生信号输出，用来表示它已经检测到所述负压差的减小或者损失中的至少ー个。
8.根据权利要求I到6中任ー项的方法，其中桥梁结构包括多个所述支撑结构，每个支撑结构与面板一起形成相应的密封的内部空腔的一部分，该方法包括同时施加所述负压差于姆个支撑结构。
9.根据权利要求8的方法，包括同时施加所述负压差于基本上所有的形成桥梁结构的所述支撑结构。
10.根据权利要求8或者权利要求9的方法，还包括将所述内部空腔中的第一个与所述内部空腔中的第二个隔离开来，因此第一个所述内部空腔中的所述负压差的损失不会导致第二个所述内部空腔中的负压差的损失。
11.根据权利要求8到10中任ー项的方法，包括在主动抽空内部空腔之前对每个所述的内部空腔进行压カ测试，如果它通过压カ测试，则只进行主动抽空所述内部空腔这ー步骤。
12.—种桥梁结构，包括面板和连接到面板上的支撑结构，支撑结构和面板两者形成相互密封的内部空腔的一部分，其中该内部空腔和其环境之间有至少50kPa的负压差。
13.根据权利要求12的桥梁结构，其中负压差为至少约60kPa。
14.根据权利要求12的桥梁结构，其中负压差为至少约70kPa。
15.根据权利要求12的桥梁结构，其中负压差为至少约90kPa。
16.根据权利要求12的桥梁结构，其中负压差为至少约lOOkPa。
17.根据权利要求12到16中任一项的桥梁结构，其中桥梁结构为板梁桥，支撑结构为沿板梁桥纵向延伸的槽形梁。
18.根据权利要求17的桥梁结构，其中支撑结构在两个横梁之间延伸，并且在其端部处被横梁封闭。
19.根据权利要求17或者权利要求18的桥梁结构，其中内部空腔基本上沿着支撑结构的整个纵向长度延伸。
20.根据权利要求12到19中任一项的桥梁结构，包括适合并且被连接用来监视内部空腔的负压差的压カ检测器，该压カ检测器被通信连接到一个控制器上，该控制器适合接收压カ检测器的输出，并且传递或者输出所检测到的内部空腔的负压差的损失。
21.根据权利要求12到20中任一项的桥梁结构，包括多个支撑结构，每个支撑结构的所述负压差基本上相同。
22.根据权利要求12到20中任一项的桥梁结构，包括多个支撑结构，其中至少两个支撑结构处于不同的、至少50kPa的负压差。
23.根据权利要求21或者权利要求22的桥梁结构，其中每个支撑结构都与其他支撑结构相隔离，因此ー个支撑结构中的负压差的损失不会导致其他支撑结构中的负压差损失。
24.根据权利要求23的桥梁结构，包括每个支撑结构都有的単独的压カ检测器，所述压カ检测器适合传递或者输出ー个信号，表明此时其相关支撑结构具有减小到输出触发水平的负压差或者损失的负压差中之任ー个，或者两者兼有。
全文摘要
一种改变桥梁结构的应变特性的方法，该桥梁结构具有面板支撑结构。该方法包括从内部空腔内主动抽出空气，以在内部空腔中产生相对于其环境的负压差。还公开了一种桥梁结构，该桥梁结构具有一个或多个泵，用于在用于支撑桥梁结构的面板的支撑结构内提供负压差。
文档编号E01D22/00GK102713070SQ201080046695
公开日2012年10月3日 申请日期2010年9月28日 优先权日2009年10月14日
发明者M·R·蒂利 申请人:道路和海上服务