无纵梁中承式拱桥安全预警梁结构及其预警方法

无纵梁中承式拱桥安全预警梁结构及其预警方法
【专利摘要】本发明涉及一种无纵梁中承式拱桥安全预警梁结构及其预警方法。无纵梁中承式拱桥由于结构未采用纵向主梁，当拱桥吊杆发生断裂时，会引起落梁事故。本发明包含有由中跨连接梁、中跨支撑梁、边跨连接梁和边跨支撑梁组成的连续纵梁，延伸至肋间横梁；中跨支撑梁通过横梁支撑梁和连接吊杆对吊杆横梁形成兜吊；中跨连接梁顶面设置有纵向的半透明连通管，内部灌注有低挥发性润滑油，用于对连通管两端润滑油液面高差进行观测，实现对中跨连接梁变形的监测。本发明的纵梁在运营阶段基本不承担荷载，当吊杆断裂这种小概率事件发生时，纵梁才开始发挥作用，防止落梁事故发生，设置的连通管，可观测纵梁变形情况，提高了基于纵梁变形监测吊杆安全的可行性。
【专利说明】无纵梁中承式拱桥安全预警梁结构及其预警方法

【技术领域】
[0001]本发明属于公路桥梁施工【技术领域】，具体涉及一种无纵梁中承式拱桥安全预警梁结构及其预警方法。

【背景技术】
[0002]无纵梁中承式拱桥是早期修建较多的拱桥形式，其上部恒载、活载作用在桥面板上，通过桥面板传至横梁，由横梁传至吊杆，再传到主拱肋，最后通过主拱肋传递到拱座及地基上，受力明确，施工方便。由于该结构未采用纵向主梁，当拱桥吊杆发生断裂时，会引起落梁事故，对桥上行驶车辆安全造成威胁。
[0003]新疆库尔勒孔雀河桥、宜宾小南门桥等桥发生吊杆断裂后，均出现了落梁事故，不仅可能引起人员伤亡，而且为后期结构抢修增加了难度，因此，为该类桥梁增加纵梁已经成为该类桥梁改造的趋势。《钢管混凝土拱桥技术规范》(GB 50923-2013) 14.3.21条提出“对中承式、下承式钢管混凝土拱桥仅有横梁无加劲纵梁的悬吊桥面系，宜根据桥梁使用状况进行加固改造。加固改造后的结构应具有一根横梁两端相对应的吊索失效后不落梁的能力。”
目前，针对无纵梁中承式拱桥改造增加纵梁方案存在的主要问题包括:
(I)新增纵梁同时按照正常使用状态和极限状态进行设计，新增纵梁在正常使用阶段与原结构共同承受桥面荷载，吊杆发生破断的极限状态下纵梁承受破断吊杆承担的荷载，并且均处于弹性工作阶段，一般纵梁的截面尺寸和刚度较大。但是，为提高老、旧拱桥的安全系数，拱桥改造中一般包括更换安全系数更高的吊杆，对吊杆下锚头防水构造进行改进，避免降水进入下导管内，显著降低了吊杆发生破断的可能性，按上述设计方法会造成不必要的浪费。
[0004](2)吊杆破断一般是由于吊杆内部钢丝由于锈蚀，有效承载截面减小造成，该过程是一个材料逐渐劣化的过程，通过对相邻吊杆在恒载作用下高差进行监测，可以对该过程进行预警。然而目前设计的纵梁一般刚度较大，当吊杆发生腐蚀后，相邻吊杆的高差变化会由于纵梁约束减小，不利于通过监测相邻吊杆高差对吊杆安全的预警。
[0005](3)由于新增纵梁与原有结构共同承受荷载，新增纵梁需要与原结构之间进行较好的连接，因此，需要对原结构进行一定的改造，该改造过程可能会对原有结构造成损伤。并且新增纵梁改变了原有结构的受力状态，新旧结构之间的相互协调使结构受力更加复杂。


【发明内容】

[0006]本发明的目的是提供一种无纵梁中承式拱桥安全预警梁结构及其预警方法，以克服现有技术在无纵梁中承式拱桥改造中新增纵梁截面尺寸大、费用高，难以对吊杆安全进行预警，容易对原有结构造成损伤，结构受力复杂的问题。
[0007]本发明所采用的技术方案是: 无纵梁中承式拱桥安全预警梁结构，其特征在于:
包含有由中跨连接梁、中跨支撑梁、边跨连接梁和边跨支撑梁组成的连续纵梁，延伸至肋间横梁；中跨连接梁和中跨支撑梁在中跨部分间隔设置；两端边跨部分依次为边跨连接梁和边跨支撑梁；
中跨支撑梁纵向前后两侧向下设置有连接吊杆，并通过连接吊杆固定下方设置的横梁支撑梁，横梁支撑梁上方设置有吊杆横梁，中跨支撑梁通过横梁支撑梁和连接吊杆对吊杆横梁形成兜吊；
边跨支撑梁设置于肋间横梁上方。
[0008]中跨连接梁顶面设置有纵向的半透明连通管，两端上折，管口位置设置刻度，端部通过连通器封闭盖封闭；
半透明连通管上纵向设置有若干连通管限位器，呈倒U形；
半透明连通管内部灌注有低挥发性润滑油；
连通器封闭盖上设置有封闭盖透气孔。
[0009]中跨支撑梁上设置连接吊杆的通孔为纵向变形孔，为纵向的长圆端孔。
[0010]中跨支撑梁顶面的连接吊杆端头通过吊杆螺母固定，吊杆螺母下方垫有螺母支撑垫板和聚四氟乙烯板；
吊杆螺母外罩有螺母防护盖。
[0011]中跨支撑梁下方与桥面板之间垫有中跨支撑橡胶垫块。
[0012]连续纵梁外侧设置有隔水墙，中跨部分为中跨隔水墙，边跨部分为边跨隔水墙； 中跨隔水墙为竖直墙；
边跨隔水墙为L形墙，边跨支撑梁置于L形墙上并垫有边跨支撑橡胶垫块。
[0013]中跨支撑梁竖向高度大于中跨连接梁的竖向高度。
[0014]中跨连接梁与边跨支撑梁横向错开，使边跨支撑梁避开拱桥主拱位置。
[0015]无纵梁中承式拱桥安全预警梁结构的预警方法，其特征在于:
由以下步骤实现:
步骤一:对全桥设置的半透明连通管进行编号，记录恒载作用下每个半透明连通管两端液面高差初值；
步骤二:采用频率法对各连通管对应的吊杆索力进行量测和记录；
步骤三:每隔半年对恒载作用下半透明连通管内部液面高差进行一次记录；
步骤四:若发现连通管液面高差与初值比相差超过6mm，采用频率法对吊杆索力进行量测，出现安全隐患的吊杆内力减小量阈值为10%。
[0016]本发明具有以下优点:
(I)本发明基于极限状态方法对纵梁进行设计，纵梁在运营阶段基本不承担荷载，当吊杆断裂这种小概率事件发生时，纵梁才开始发挥作用，防止落梁事故发生，减小纵梁的截面尺寸，降低了造价。
[0017](2)本发明纵梁在温度力作用下可以自由变形，纵梁基本不会产生温度应力，改善了纵梁受力，提高了纵梁的利用效率。
[0018](3)本发明优化了纵梁的截面尺寸，降低了纵梁截面的刚度，使得纵梁变形对吊杆内力的变化更加敏感，可通过观察纵梁竖向变形的情况，对吊杆病害进行预警。
[0019](4)本发明在纵梁上设置连通管，可以方便观测纵梁变形情况，提高了基于纵梁变形监测吊杆安全的可行性，大大简化吊杆监测的程序，提高了吊杆的可检性，并显著降低吊杆监测难度和费用。

【专利附图】

【附图说明】
[0020]图1本发明安全预警梁立面布置；
图2本发明安全预警梁断面布置；
图3本发明安全预警梁一般构造；
图4本发明安全预警梁中跨支撑梁断面；
图5本发明安全预警梁聚四氟乙烯板；
图6本发明安全预警梁纵向变形孔；
图7本发明安全预警梁中跨连接梁断面；
图8本发明安全预警梁边跨支撑梁及边跨连接梁断面；
图9本发明安全预警梁边跨支撑梁及边跨连接梁立面；
图10本发明安全预警梁边跨支撑梁及边跨连接梁平面；
图11本发明安全预警梁半透明连通管立面布置；
图12本发明安全预警梁半透明连通管一般构造；
图13本发明安全预警梁半透明连通管端部刻度；
图14本发明安全预警梁连通管限位器一般构造；
图15本发明安全预警梁连通器封闭盖立面；
图16本发明安全预警梁连通器封闭盖平面。
[0021]图中，1-中跨连接梁，2-中跨支撑梁，3-边跨连接梁，4-边跨支撑梁，5-横梁支撑梁，6-连接吊杆，7-纵向变形孔，8-吊杆螺母，9-螺母防护盖，10-螺母支撑垫板，11-聚四氟乙烯板，12-中跨支撑橡胶垫块，13-中跨隔水墙，14-边跨隔水墙，15-边跨支撑橡胶垫块，16-半透明连通管，17-连通管限位器，18-连通器封闭盖，19-封闭盖透气孔，20-肋间横梁，21-吊杆横梁，22-拱桥主拱，23-桥面板。

【具体实施方式】
[0022]下面结合【具体实施方式】对本发明进行详细的说明。
[0023]本发明涉及的无纵梁中承式拱桥安全预警梁结构，包含有由中跨连接梁1、中跨支撑梁2、边跨连接梁3和边跨支撑梁4组成的连续纵梁，设置于桥梁分割栏内，延伸至肋间横梁20。中跨连接梁I和中跨支撑梁2在中跨部分间隔设置，两端边跨部分依次为边跨连接梁3和边跨支撑梁4。中跨连接梁I与边跨支撑梁4横向错开，在边跨支撑梁4外侧留出拱桥主拱22端部位置，避免连续纵梁与拱桥主拱22发生冲突。中跨支撑梁2竖向高度大于中跨连接梁I的竖向高度，方便现场拼接施工，并且减少连续纵梁与桥面接触的面积，降低了对分隔栏内部纵向排水的影响。
[0024]中跨支撑梁2纵向前后两侧向下设置有连接吊杆6，并通过连接吊杆6固定下方设置的横梁支撑梁5，横梁支撑梁5上方设置有吊杆横梁21，中跨支撑梁2通过横梁支撑梁5和连接吊杆6对吊杆横梁21形成兜吊。中跨支撑梁2顶面的连接吊杆6端头通过吊杆螺母8固定，吊杆螺母8下方垫有螺母支撑垫板10和聚四氟乙烯板11。聚四氟乙烯板11实现了螺母支撑垫板10与中跨支撑梁2顶板之间的滑动，使连续纵梁可以沿着桥梁纵向进行温度变形。吊杆螺母8外罩有螺母防护盖9。连接吊杆6通过吊杆螺母8和螺母支撑垫板10将横梁支撑梁5上承担的内力传递至中跨支撑梁2，然后再传递至中跨支撑梁2下的吊杆横梁21。边跨支撑梁4设置于肋间横梁20上方。
[0025]中跨连接梁I顶面设置有纵向的半透明连通管16，内部灌注有低挥发性润滑油，半透明连通管16两端上折，管口位置设置刻度，以监测半透明连通管16两端高差的变化。半透明连通管16端部通过连通器封闭盖18封闭，连通器封闭盖18上设置有封闭盖透气孔19，以保持内外气压的一致和防止降水进入。半透明连通管16上纵向设置有若干连通管限位器17，呈倒U形。
[0026]中跨支撑梁2上设置连接吊杆6的通孔为纵向变形孔7，为纵向的长圆端孔，当连续纵梁发生温度变形时，中跨支撑梁2可沿着桥梁纵向发生位移。
[0027]中跨支撑梁2下方与桥面板23之间垫有中跨支撑橡胶垫块12，将中跨支撑梁2承担的荷载均匀的传递至桥面板23，防止应力集中。
[0028]连续纵梁外侧设置有隔水墙，防止降水对连续纵梁的侵蚀。中跨部分为中跨隔水墙13,边跨部分为边跨隔水墙14。中跨隔水墙13为竖直墙；边跨隔水墙14为L形墙,边跨支撑梁4置于L形墙上并垫有边跨支撑橡胶垫块15，边跨隔水墙14将边跨支撑梁4承担的荷载传递至肋间横梁20，边跨支撑橡胶垫块15将边跨支撑梁4承担的荷载均匀的传递至桥面板23，防止应力集中。
[0029]上述结构中的部分部件的功能如下:
中跨连接梁1:一根吊杆发生破断时，将吊杆破断产生的荷载传递至相邻的中跨支撑梁2或边跨连接梁3。
[0030]中跨支撑梁2:—根吊杆发生破断时，与该吊杆对应的中跨支撑梁2将由连接吊杆6传递过来的横梁支撑梁5承担的荷载传递至相邻的中跨连接梁1，并由中跨连接梁I传递至相邻的中跨支撑梁I或边跨连接梁3 ;将中跨连接梁I传递来的荷载传递至吊杆横梁21。
[0031]边跨连接梁3:—根吊杆发生破断时，将中跨连接梁I传递的荷载传递至边跨支撑梁4，并避免边跨支撑梁4与拱桥主拱22发生冲突。
[0032]边跨支撑梁4:一根吊杆发生破断时，将边跨连接梁3传递的荷载传递至肋间横梁20。
[0033]横梁支撑梁5:—根吊杆发生破断时，将该吊杆横梁21的荷载传递至连接吊杆6，将连接吊杆6的荷载传递至吊杆横梁21。
[0034]连接吊杆6:—根吊杆发生破断时，将横梁支撑梁5承担的荷载传递至中跨支撑梁2，将中跨支撑梁2承担的荷载传递至横梁支撑梁5。
[0035]纵向变形孔7:当纵梁发生温度变形时，中跨支撑梁2可沿着桥梁纵向发生位移。
[0036]吊杆螺母8:将连接吊杆6上承担的荷载传递至中跨支撑梁2和横梁支撑梁5，将中跨支撑梁2和横梁支撑梁5承担的荷载传递至连接吊杆6。
[0037]螺母防护盖9:对吊杆螺母8形成防护，防止人为因素造成吊杆螺母8松动影响连接吊杆6传力的同步性。
[0038]螺母支撑垫板10:将吊杆螺母8上的荷载均匀的传递至中跨支撑梁2和横梁支撑梁5，防止应力集中现象发生。
[0039]聚四氟乙烯板11:减小螺母支撑垫板10与中跨支撑梁2之间的摩擦系数，使中跨支撑梁2可以纵向滑动。
[0040]中跨支撑橡胶垫块12:将中跨支撑梁2承担的荷载均匀的传递至桥面板，防止应力集中现象出现。
[0041]中跨隔水墙13:隔离非机动车道的降水，防止降水对纵梁造成侵蚀。
[0042]边跨隔水墙14:隔离非机动车道的降水，防止降水对纵梁造成侵蚀，并将边跨支撑梁4上承担的荷载传递至桥面板。
[0043]边跨支撑橡胶垫块15:将边跨支撑梁4承担的荷载均匀的传递至桥面板，防止应力集中现象出现。
[0044]半透明连通管16:内部灌注润滑油，并且在两端设置刻度，通过对连通管两端润滑油液面高差的观测，实现对中跨连接梁I变形的监测。采用半透明连通管16可以观察到管内液面高度的变化，同时可以减少紫外线对半透明连通管16内部润滑油的不利影响。
[0045]连通管限位器17:将半透明连通管16固定于中跨连接梁I顶部。
[0046]连通器封闭盖18:防止降水进入半透明连通管16。
[0047]封闭盖透气孔19:保证半透明连通管16内部与外界大气压的平衡。
[0048]施工时:
1、无纵梁中承式拱桥改造上部恒载施工完毕后，进行中跨隔水墙13和边跨隔水墙14施工；
2、根据现场放样制作连接吊杆6。
[0049]3、在桥面板上钻制连接吊杆6穿过孔，安装连接吊杆6、中跨支撑橡胶垫块12及边跨支撑橡胶垫块15，并对连接吊杆6进行临时固定；
4、根据现场放样加工中跨连接梁1、中跨支撑梁2、边跨连接梁3、边跨支撑梁4和横梁支撑梁5 ;
4、安装中跨连接梁1、中跨支撑梁2、边跨连接梁3、边跨支撑梁4；
5、安装聚四氟乙烯板11、螺母支撑垫板10、吊杆螺母8以及横梁支撑梁5，将螺母拧紧，使横梁支撑梁5吊杆横梁21密贴；
6、根据现场放样制作半透明连通管16。
[0050]7、安装半透明连通管16及连通管限位器17。
[0051]8、向半透明连通管16内部灌注润滑油，使最低液面高度不低于“72”刻度，最高液面高度不高于“24”刻度。
[0052]9、采用连通器封闭盖18封闭半透明连通管16端口，并保证封闭盖透气孔19透气性。
[0053]本发明涉及的无纵梁中承式拱桥安全预警梁结构的预警方法，由以下步骤实现: 步骤一:对全桥设置的半透明连通管进行编号，记录恒载作用下每个半透明连通管两端液面高差初值；
高差初值分为冬季初值和夏季初值，冬季初值为在冬季某一固定温度下观测到的高差值，夏季初值为夏季某一固定温度下观测到的高差值。
[0054]步骤二:采用频率法对各连通管对应的吊杆索力进行量测和记录，量测温度应与高差初值记录温度一致。
[0055]步骤三:每隔半年对恒载作用下半透明连通管内部液面高差进行一次记录； 记录液面高差时的温度应与冬季初值或夏季初值确定时的温度一致。
[0056]步骤四:若发现连通管液面高差与初值比相差超过6mm，采用频率法对吊杆索力进行量测，出现安全隐患的吊杆内力减小量阈值为10% ；
若吊杆内力减小不超过10%，可认为吊杆不存在安全问题，但是，对连通管高差观测的间隔周期变为每月观察一次，观察三个月，如连通管高差未继续增加，恢复每半年观察一次间隔。若发现吊杆内力减小超过10%，应立即对该吊杆进行详细检测，根据吊杆检测情况确定处置方案。
[0057]本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.无纵梁中承式拱桥安全预警梁结构，其特征在于: 包含有由中跨连接梁(I)、中跨支撑梁(2 )、边跨连接梁(3 )和边跨支撑梁(4 )组成的连续纵梁，延伸至肋间横梁(20);中跨连接梁(I)和中跨支撑梁(2)在中跨部分间隔设置；两端边跨部分依次为边跨连接梁(3)和边跨支撑梁(4)； 中跨支撑梁(2 )纵向前后两侧向下设置有连接吊杆(6 )，并通过连接吊杆(6 )固定下方设置的横梁支撑梁(5)，横梁支撑梁(5)上方设置有吊杆横梁(21)，中跨支撑梁(2)通过横梁支撑梁(5)和连接吊杆(6)对吊杆横梁(21)形成兜吊； 边跨支撑梁(4)设置于肋间横梁(20)上方。
2.根据权利要求1所述的无纵梁中承式拱桥安全预警梁结构，其特征在于: 中跨连接梁(I)顶面设置有纵向的半透明连通管(16)，两端上折，管口位置设置刻度，端部通过连通器封闭盖(18)封闭； 半透明连通管(16 )上纵向设置有若干连通管限位器(17 )，呈倒U形； 半透明连通管(16)内部灌注有低挥发性润滑油； 连通器封闭盖(18)上设置有封闭盖透气孔(19)。
3.根据权利要求2所述的无纵梁中承式拱桥安全预警梁结构，其特征在于: 中跨支撑梁(2)上设置连接吊杆(6)的通孔为纵向变形孔(7)，为纵向的长圆端孔。
4.根据权利要求3所述的无纵梁中承式拱桥安全预警梁结构，其特征在于: 中跨支撑梁(2)顶面的连接吊杆(6)端头通过吊杆螺母(8)固定，吊杆螺母(8)下方垫有螺母支撑垫板(10 )和聚四氟乙烯板(11); 吊杆螺母(8)外罩有螺母防护盖(9)。
5.根据权利要求4所述的无纵梁中承式拱桥安全预警梁结构，其特征在于: 中跨支撑梁(2 )下方与桥面板(23 )之间垫有中跨支撑橡胶垫块(12)。
6.根据权利要求5所述的无纵梁中承式拱桥安全预警梁结构，其特征在于: 连续纵梁外侧设置有隔水墙，中跨部分为中跨隔水墙(13)，边跨部分为边跨隔水墙(14)； 中跨隔水墙(13)为竖直墙； 边跨隔水墙(14)为L形墙，边跨支撑梁(4)置于L形墙上并垫有边跨支撑橡胶垫块(15)。
7.根据权利要求6所述的无纵梁中承式拱桥安全预警梁结构，其特征在于: 中跨支撑梁(2)竖向高度大于中跨连接梁(I)的竖向高度。
8.根据权利要求7所述的无纵梁中承式拱桥安全预警梁结构，其特征在于: 中跨连接梁(I)与边跨支撑梁(4)横向错开，使边跨支撑梁(4)避开拱桥主拱(22)位置。
9.无纵梁中承式拱桥安全预警梁结构的预警方法，其特征在于: 由以下步骤实现: 步骤一:对全桥设置的半透明连通管进行编号，记录恒载作用下每个半透明连通管两端液面高差初值； 步骤二:采用频率法对各连通管对应的吊杆索力进行量测和记录； 步骤三:每隔半年对恒载作用下半透明连通管内部液面高差进行一次记录； 步骤四:若发现连通管液面高差与初值比相差超过6mm，釆用频率法对吊杆索力进行量测，出现安全隐患的吊杆内力减小量阈值为10%。
【文档编号】E01D4/00GK104358208SQ201410613365
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月5日 优先权日:2014年11月5日
【发明者】战昂, 牛宏, 杨敏, 岳振民, 周江, 李雅娟, 来猛刚, 李刚, 常丁 申请人:中交第一公路勘察设计研究院有限公司