一种正交异性钢桥面板疲劳裂纹抑制装置及使用方法与流程

1.本发明涉及钢结构桥梁养护技术领域，尤其涉及一种正交异性钢桥面板疲劳裂纹抑制装置及施工方法。


背景技术：

2.正交异性钢桥面板具有自重轻、承载力高、工厂化预制等优点，逐渐成为我国钢结构桥梁应用范围最为广泛的桥面结构形式。正交异性钢桥面板由顶板和u型加劲肋组成，通过焊接进行连接，存在焊接残余应力和初始缺陷，并承受顶板车轮荷载的反复作用，顶板和u肋的焊缝位置容易开裂，是主要的疲劳易损构造细节。萌生于u肋的焊缝并沿顶板扩展的疲劳裂纹具有隐蔽性，难以检测发现，往往会发展成贯穿型长大裂纹，造成桥面钢板贯穿开裂，导致桥面沥青铺装层损坏。此类顶板贯穿的疲劳裂纹处治困难，维护成本和经济损失大，因此，面向此类疲劳裂纹的高性能、低成本预防性措施和快速化处治方法是提高正交异性钢桥面使用寿命的关键。
3.现有技术中，一方面通过正交异性钢桥面板的结构设计参数优化，增加顶板和u型加劲肋的钢板厚度；同时加强u肋的焊接质量，控制焊接残余应力水平，来提高疲劳构造细节的抗疲劳性能。另一方面疲劳裂纹发生后，一般结合桥面大中修，将沥青铺装层清除掉后，检测确定裂纹位置，使用碳弧气刨将顶板裂纹刨除，通过补焊重新焊合刨除区域；也采用在疲劳裂纹位置粘贴钢板增加局部刚度，达到顶板疲劳裂纹维修的目的，操作难度大、工艺要求高且需耗费大量人力物力。
4.上述正交异性钢桥面板和u肋的焊缝位置疲劳裂纹预防和加固措施存在技术局限性，无法有效保障顶板贯穿疲劳裂纹的预防和维护效果。正交异性钢桥面板中u肋的焊缝开裂向顶板扩展的原因主要是在车辆荷载的作用下，该位置承受拉应力作用，在反复受力作用下造成顶板开裂。现有的预防措施和加固维修方法仅从降低拉应力水平的角度提高抗疲劳性能，并且气刨重焊、粘贴钢板又会引入新的疲劳易损点，无法有效抑制钢桥顶板疲劳裂纹萌生与扩展。因此，寻求一种能将u肋的焊缝位置受力状态进行转变和迁移的疲劳裂纹抑制装置及方法，是解决正交异性钢桥面板顶板疲劳裂纹的根本有效途径。
5.鉴于上述问题的存在，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种正交异性钢桥面板疲劳裂纹抑制装置及施工方法，使其更具实用性。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是：提供一种正交异性钢桥面板疲劳裂纹抑制装置，实现将车轮荷载下该部位承受的拉应力转化成压应力，从本质上降低疲劳开裂风险。
7.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种正交异性钢桥面板疲劳裂纹抑制装置，所述疲劳裂纹抑制装置设置在钢桥面板和u肋两者焊缝位置的上方，所述疲劳裂纹抑制装置包括支撑架和形变机构，所述支撑架
固定在钢桥面板上，所述形变机构滑动设置在所述支撑架上；所述形变机构包括承力组件、传力组件和施力组件，所述承力组件包括曲线承力段和对称固定在所述曲线承力段两端的缓冲段，所述曲线承力段设置在所述焊缝位置的上方，两个所述缓冲段的自由端朝向所述焊缝位置的两侧延伸，并在所述支撑架上沿相反方向滑动；所述施力组件设置在所述焊缝位置的两侧，所述传力组件穿过所述支撑架连接所述承力组件和所述施力组件。
8.进一步的，所述曲线承力段和所述缓冲段的弧面弯曲角度控制在120
°‑
160
°
之间，保证所述形变机构的塑性可控。
9.进一步的，两个所述缓冲段的自由端朝向所述支撑架的一侧还设置有滑块，两个所述滑块与所述缓冲段固定连接。通过在缓冲段的自由端固定设置滑块，使得所述承力组件在所述支撑架上滑动。
10.进一步的，所述滑块为聚四氟乙烯材质。聚四氟乙烯是一种以四氟乙烯作为单体聚合制得的高分子聚合物，可在-180～260
º
c长期使用，具有抗酸抗碱、耐高温的特点，能显著提高装置的耐久性；它的摩擦系数极低，所以做滑块使用，避免摩擦力过大阻碍形变机构的变形，从而影响装置的应力转化。
11.进一步的，所述承力组件为一体成型的曲线板，所述曲线板沿其法向面对称设置，所述曲线板的法向面和所述钢桥面板的相交处与所述焊缝位置重合。
12.进一步的，所述施力组件包括至少两个底座固定板，所述底座固定板固定在所述钢桥面板上，并沿所述焊缝位置对称设置。
13.进一步的，所述曲线承力段和所述缓冲段的连接处内侧设置有第一连接铰，所述施力组件靠近所述焊缝位置的一端设置有第二连接铰，所述传力组件包括设置于所述承力组件与所述施力组件之间的x型交叉臂组，所述x型交叉臂组包括两个交叉设置的传力臂，所述传力臂的上端与所述第一连接铰转动连接，所述传力臂的下端与远离所述上端的第二连接铰转动连接。每个所述x型交叉臂组的传力臂之间不互相连接，避免其相互之间干涉。
14.进一步的，所述第一连接铰包括固定铰座和固定件，所述固定件穿过所述固定铰座两端固定，所述传力臂的上端焊接在所述固定件上。所述固定件包括螺栓、套筒和螺母，所述套筒设置在固定铰座的两耳之间，所述螺栓穿过所述套筒，通过螺母对其进行固定。所述第二连接铰具有与所述第一连接铰类似的结构。
15.进一步的，所述传力臂包括传力弹簧和套设在所述传力弹簧外侧的波纹管。通过设置波纹管，对传力弹簧进行保护，当所述疲劳裂纹抑制装置设置在混凝土内部时，波纹管与混凝土接触，保证传力弹簧传力有效性。
16.进一步的，所述支撑架包括与所述正交异性钢桥面板平行设置的支撑板，以及设置在所述正交异性钢桥面板和所述支撑板之间的支撑柱，所述支撑板上开设有滑槽；所述传力组件穿过所述滑槽连接所述第一连接铰和所述第二连接铰。
17.进一步的，所述滑槽边缘设置有橡胶毛刷。在不阻碍传力组件移动的情况，使得内部形成封闭空间，避免填充弹性材料时，从支撑板开孔中漏出，通过橡胶材质在所述传力弹簧受力变位贴近滑槽内壁时对其进行缓冲。
18.进一步的，所述支撑架上还设置有转角防护板，所述转角防护板设置在所述承力组件的外侧，包括固定连接的第一防护板和第二防护板，所述第一防护板的自由端固定在
所述支撑板上，所述第二防护板的自由端朝向所述承力组件的方向设置，使得所述形变机构形成封闭结构，保证所述疲劳裂纹抑制装置在混凝土内部可实施。
19.进一步的，所述第一防护板和所述第二防护板垂直设置，使得转角防护板形成三角形结构，提高其防护稳定性。
20.进一步的，所述第二防护板靠近所述承力组件的端面设置有橡胶条，所述橡胶条与所述承力组件相抵。一方面避免混凝土进入形变机构内部，同时防止弹性材料填充漏出，另一方面橡胶条的设置可以使得承力组件移动过程不受影响。
21.进一步的，所述橡胶条和所述第二防护板卡合连接。或者，所述橡胶条与所述第二防护板固定连接。
22.进一步的，所述橡胶条与所述承力组件相抵的一端贴合所述承力组件的外弧面倾斜设置，防止所述曲线钢板变形挤死。
23.进一步的，所述转角防护板、所述形变机构和所述支撑架之间的空间内填充有弹性树脂材料。避免外部混凝土进入装置内部，同时当曲线承力段受力时，所述滑块向远离所述焊缝位置的方向移动，弹性树脂材料受到弹性挤压，不影响所述滑块移动。
24.本发明的目的之二是提供一种正交异性钢桥面板疲劳裂纹抑制装置的使用方法，具有同样的技术效果。
25.一种正交异性钢桥面板疲劳裂纹抑制装置的使用方法，包括如下操作步骤：s1：连接传力组件和施力组件，将疲劳裂纹抑制装置组装成整体结构；s2：对钢桥面板上需要固定施力组件的位置进行打磨清洁，采用手工和动力工具除锈，清洁度到st2.0以上，并涂覆环氧树脂胶；s3：将支撑柱放置在预设位置处，进行点焊固定；s4：调整所述施力组件的位置，将所述施力组件粘贴在s2步骤预先涂覆的环氧树脂胶处，使传力组件处于受拉状态；s5：在结构内部填充弹性树脂材料，进行养护处理24小时以上，使s4步骤中粘贴的施力组件粘贴牢固，并使填充弹性树脂材料达到凝固弹性状态；具体的弹性树脂材料填充在所述转角防护板、所述形变机构和所述支撑架之间的空间内。
26.s6：铺装沥青混凝土，将所述疲劳裂纹抑制装置埋设在沥青混凝土内部。
27.本发明的有益效果为：（1）本发明通过跨焊缝位置布置疲劳裂纹抑制装置，使得车轮荷载作用在装置顶部时，轮载压力使曲线承力段顶部受压向下和向外变形，设置在曲线承力段两端的缓冲段向两侧滑动，带动传力弹簧向两侧移动，传力弹簧受拉将拉力传至施力组件，施力组件承受相向的拉力作用，拉力传至正交异性钢桥面板顶板，使钢桥面板和u肋的焊缝位置或疲劳裂纹位置收缩产生压应力，改变该位置的受力状态，进而将车轮荷载作用下的拉应力转变成压应力，从而有效抑制钢桥面板和u肋的焊缝位置因张拉力导致的疲劳开裂。
28.（2）本发明依据钢桥面板最大承载设计可将车轮荷载作用下的拉应力转变成压应力的疲劳裂纹抑制装置，通过疲劳裂纹抑制装置对受力的扩散迁移削弱曲线承力段顶端传递至钢桥面板的应力，使得焊缝位置本身承受的拉应力减小，再利用节点相对移动及弹簧形变对应力进行转换，将残留的拉应力转换为压应力，与现有技术相比，本发明从本质上降低了钢桥面板和u肋的焊缝位置或疲劳裂纹位置处的疲劳开裂风险，延长了正交异性钢桥
面板的使用寿命。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明实施例中正交异性钢桥面板疲劳裂纹抑制装置的结构示意图；图2为本发明实施例中正交异性钢桥面板疲劳裂纹抑制装置的铺装示意图；图3为本发明实施例中正交异性钢桥面板疲劳裂纹抑制装置的应力转换示意图；图4为正交异性钢桥面板直接受力的示意图；图5为本发明实施例中支撑架的结构示意图；图6为本发明实施例中形变机构的结构示意图；图7为本发明实施例中第一连接铰与波纹管的结构示意图；图8为本发明实施例中第一连接铰与传力弹簧的结构示意图；图9为本发明实施例中转角防护板的结构示意图；图10为本发明实施例中疲劳裂纹抑制装置的安装流程图。
31.附图标记：01、疲劳裂纹抑制装置；02、沥青混凝土；03、弹性树脂材料；04、钢桥面板；05、u肋；06、焊缝位置；10、支撑架；11、支撑板；12、支撑柱；13、滑槽；14、橡胶毛刷；20、形变机构；21、承力组件；211、曲线承力段；212、缓冲段；213、滑块；214、第一连接铰；2141、固定铰座；2142、固定件；22、传力组件；221、传力臂；222、传力弹簧；223、波纹管；23、施力组件；231、底座固定板；232、第二连接铰；30、转角防护板；31、第一防护板；32、第二防护板；33、橡胶条。
具体实施方式
32.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，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。
33.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
34.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
35.如图1~10所示的一种正交异性钢桥面板04疲劳裂纹抑制装置01，疲劳裂纹抑制装置01设置在钢桥面板04和u肋05两者焊缝位置06的上方，疲劳裂纹抑制装置01包括支撑架10和形变机构20，支撑架10固定在钢桥面板04上，形变机构20滑动设置在支撑架10上；形变机构20包括承力组件21、传力组件22和施力组件23，承力组件21包括曲线承
力段211和对称固定在曲线承力段211两端的缓冲段212，曲线承力段211设置在焊缝位置06的上方，两个缓冲段212的自由端朝向焊缝位置06的两侧延伸，并在支撑架10上沿相反方向滑动；施力组件23设置在焊缝位置06的两侧，传力组件22穿过支撑架10连接承力组件21和施力组件23。
36.如图4所示为钢桥面板04和u肋05两者焊缝位置06的受力示意图，当车辆荷载作用在焊缝位置06时，焊缝位置06向下变形，焊缝位置06两端受到相应的反向拉力，使得焊缝位置06因反复拉力作用进而出现疲劳裂纹。
37.如图3所示为本发明疲劳裂纹抑制装置01设置在焊缝位置06的上方，通过疲劳裂纹抑制装置01对受力的扩散迁移削弱曲线承力段211顶端传递至钢桥面板04的应力，再利用节点相对移动及弹簧形变对应力进行转换，将残留的拉应力转换为压应力，使得焊缝位置06两侧向内挤压，将拉应力转换为压应力，同时在钢桥面板04底部u肋05的支撑作用下，使得钢桥面板04和u肋05两者的焊缝位置06受力平衡，从本质上降低了焊缝位置06或疲劳裂纹位置处的疲劳开裂风险。
38.本发明通过跨焊缝位置06布置疲劳裂纹抑制装置01，使得车轮荷载作用在装置顶部时，轮载压力使曲线承力段211顶部受压向下和向外变形，设置在曲线承力段211两端的缓冲段212向两侧滑动，带动传力弹簧222向两侧移动，传力弹簧222受拉将拉力传至施力组件23，施力组件23承受相向的拉力作用，拉力传至正交异性钢桥面板04顶板，使得钢桥面板04和u肋05之间的焊缝位置06或疲劳裂纹位置收缩产生压应力，改变该位置的受力状态，进而将车轮荷载作用下的拉应力转变成压应力，从而有效抑制焊缝位置06因张拉力导致的疲劳开裂。
39.本发明依据钢桥面板最大承载设计可将车轮荷载作用下的拉应力转变成压应力的疲劳裂纹抑制装置01，通过疲劳裂纹抑制装置01对受力的扩散迁移削弱曲线承力段211顶端传递至钢桥面板04的应力，使得焊缝位置06本身承受的拉应力减小，再利用节点相对移动及弹簧形变对应力进行转换，将残留的拉应力转换为压应力，与现有技术相比，本发明从本质上降低了钢桥面板和u肋的焊缝位置或疲劳裂纹位置处的疲劳开裂风险，延长了正交异性钢桥面板的使用寿命。
40.进一步的，曲线承力段211和缓冲段212的弧面弯曲角度控制在120
°‑
160
°
之间，当钢桥面板04上无车辆载荷时，曲线承力段211和缓冲段212的弧面弯曲角度为120
°
，当钢桥面板04上承受最大车辆载荷时，曲线承力段211和缓冲段212的弧面弯曲角度趋向于160
°
，保证形变机构21的塑性可控。通过第一防护板31对其限位，通过传力弹簧222对其缓冲，延长了疲劳裂纹抑制装置01的使用寿命。
41.具体如图1所示，两个缓冲段212的自由端朝向支撑架10的一侧还设置有滑块213，两个滑块213与缓冲段212固定连接。通过在缓冲段212的自由端固定设置滑块213，使得承力组件21在支撑架10上滑动，当车轮荷载作用在承力组件21顶部时，设置在缓冲段212两端的滑块213相互远离，带动传力弹簧222向两侧移动，当承力组件21上端的载荷离开时，设置在缓冲段212两端的滑块213相互靠近，承力组件21回缩复位，使得焊缝位置06受力平衡。
42.作为本实施例的优选，滑块213为聚四氟乙烯材质。聚四氟乙烯是一种以四氟乙烯作为单体聚合制得的高分子聚合物，可在-180～260
º
c长期使用，具有抗酸抗碱、耐高温的特点，能显著提高装置的耐久性；它的摩擦系数极低，所以做滑块213使用，避免摩擦力过大
阻碍形变机构20的变形，从而影响装置的应力转化。从作用效果方面考虑，任何摩擦系数小、耐久性好材料都可以实施，本领域技术人员可以依据实际需要设置。
43.具体如图6所示，承力组件21为一体成型的曲线板，曲线板沿其法向面对称设置，曲线板的法向面和钢桥面板04的相交处与焊缝位置06重合，曲线板为曲线钢板。通过对称设置的曲线钢板，保证传递至钢桥面板04的应力平衡，同时曲线钢板一体成型设置，使得承力组件21的承载力最大化，避免车辆载荷过大导致的疲劳裂纹抑制装置01断裂失效，延长了正交异性钢桥面板04的使用寿命。
44.为了使得传力组件22的应力可以顺利传递至施力组件23，同时保证疲劳裂纹抑制装置01的稳定性，施力组件23包括至少两个底座固定板231，底座固定板231固定在钢桥面板04上，并沿焊缝位置06对称设置。此处需要说明的是，底座固定板231可以是单独设置的独立固定板，每个独立固定板上均设置一个第二连接铰232，也可以是一个整体的固定板，每个固定板上设置两个以上的第二连接铰232，在本发明实施例中，底座固定板231设置有4个，4个底座固定板231单独设置，使得传力组件22包括两组x型交叉臂组，提高疲劳裂纹抑制装置01的稳定性。
45.具体的，曲线承力段211和缓冲段212的连接处内侧设置有第一连接铰214，施力组件23靠近焊缝位置06的一端设置有第二连接铰232，传力组件22包括设置于承力组件21与施力组件23之间的x型交叉臂组，x型交叉臂组包括两个交叉设置的传力臂221，传力臂221的上端与第一连接铰214转动连接，传力臂221的下端与远离上端的第二连接铰232转动连接。每个x型交叉臂组的传力臂221之间不互相连接，避免其相互之间干涉。
46.作为本实施例的优选，第一连接铰214包括固定铰座2141和固定件2142，固定件2142穿过固定铰座2141两端固定，传力臂221的上端焊接在固定件2142上。固定件2142包括螺栓、套筒和螺母，套筒设置在固定铰座2141的两耳之间，螺栓穿过套筒，通过螺母对其进行固定。第二连接铰232具有与第一连接铰214类似的结构。
47.如图7~8所示，传力臂221包括传力弹簧222和套设在传力弹簧222外侧的波纹管223。通过设置波纹管223，对传力弹簧222进行保护，当疲劳裂纹抑制装置01设置在混凝土内部时，波纹管223与混凝土接触，保证传力弹簧222传力有效性。
48.请继续参考图5，支撑架10包括与正交异性钢桥面板04平行设置的支撑板11，以及设置在正交异性钢桥面板04和支撑板11之间的支撑柱12，支撑板11上开设有滑槽13；传力组件22穿过滑槽13连接第一连接铰214和第二连接铰232。由于本发明中的疲劳裂纹抑制装置01设置在混凝土内部，转角防护板30、形变机构20和支撑架10之间的空间内填充有弹性树脂材料03。因此滑槽13的大小依据传力臂221的最大变位行径设置，避免其上部填充的弹性树脂材料03从缝隙中流出。
49.作为本实施例的优选，滑槽13边缘设置有橡胶毛刷14。在不阻碍传力组件22移动的情况，使得内部形成封闭空间，避免填充弹性材料时，从支撑板开孔中漏出，在传力弹簧222受力变位贴近滑槽内壁时受力变位时对其进行缓冲，本领域技术人员可以依据实际设置滑槽13形式。
50.如图9所示，支撑架10上还设置有转角防护板30，转角防护板30设置在承力组件21的外侧，包括固定连接的第一防护板31和第二防护板32，第一防护板31的自由端固定在支撑板11上，第二防护板32的自由端朝向承力组件21的方向设置，使得形变机构20形成封闭
结构，保证疲劳裂纹抑制装置01在混凝土内部可实施。同时第一防护板31的设置可以对形变机构20进行限位，与传力弹簧222配合，使得形变机构20在最大行程内可自动复位。
51.具体的，第一防护板31和第二防护板32垂直设置，使得转角防护板30形成支撑结构，提高其防护稳定性。转角防护板30也可以一体设置为圆弧形防护板，使得形变机构20形成封闭结构即可。
52.进一步的，第二防护板32靠近承力组件21的端面设置有橡胶条33，橡胶条33与承力组件21相抵。一方面避免混凝土进入形变机构20内部，另一方面橡胶条33的设置可以使得承力组件21移动过程不受影响。
53.作为本实施例的优选，橡胶条33和第二防护板32卡合连接。或者，橡胶条33与第二防护板32固定连接，本领域技术人员可以根据实际情况调整。
54.为了提高疲劳裂纹抑制装置01的实用性，橡胶条33与承力组件21相抵的一端贴合承力组件21的外弧面倾斜设置，防止曲线钢板变形挤死。
55.请继续参考图2，转角防护板、形变机构20和支撑架10之间的空间内填充有弹性树脂材料03。避免外部混凝土进入装置内部，同时当曲线承力段211受力时，滑块213向远离焊缝位置06的方向移动，弹性树脂材料03受到弹性挤压，不影响滑块213移动。
56.如图10所示为一种正交异性钢桥面板04疲劳裂纹抑制装置01的安装流程图，包括如下操作步骤：s1：连接传力组件22和施力组件23，将疲劳裂纹抑制装置01组装成整体结构；s2：对钢桥面板04上需要固定施力组件23的位置进行打磨清洁，采用手工和动力工具除锈，清洁度到st2.0以上，并涂覆环氧树脂胶；s3：将支撑柱12放置在预设位置处，进行点焊固定；具体的支撑柱12沿着焊缝位置06两侧对称设置；s4：调整施力组件23的位置，将施力组件23粘贴在s2步骤预先涂覆的环氧树脂胶处，使传力组件22处于受拉状态；s5：在结构内部填充弹性树脂材料03，进行养护处理24小时以上，使s4步骤中粘贴的施力组件23粘贴牢固，并使填充弹性树脂材料03达到凝固弹性状态；具体的弹性树脂材料03填充在转角防护板、形变机构20和支撑架10之间的空间内。
57.s6：铺装沥青混凝土02，将疲劳裂纹抑制装置01埋设在沥青混凝土02内部。
58.本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。