重载作用下索-桁架加固结构体系试验研究

作者:罗尧治;李洋;沈雁彬;陈勤;段元锋;黄达余;冯仁祥; 刊名:土木工程学报 上传者:郭爱莲

【摘要】溪洛渡±800千伏特高压直流输电工程建设过程中,需要通过公路运输大件设备,这些设备的重量已超过途经桥梁的极限承载力,需要进行临时加固。基于此,介绍了一种重载作用下的桥梁加固技术——索-桁架加固结构体系,该体系主要由预应力钢绞线和桁架组成,通过张拉钢绞线使桁架产生顶升力以抵消桥梁板自重,达到加固桥梁的目的。为了验证该体系的合理性以及加固效果,进行了足尺试验研究,模拟了重型车辆通过一跨桥梁的整个过程,考察了桥梁板加固前后结构响应的变化,研究了钢绞线穿过多个滑轮组后的预应力损失。试验结果表明,采用索-桁架加固结构体系可以部分抵消桥梁板自重,改善桥梁板内力分布,有效提升结构承载力和刚度,桥梁板在加固后以及加载时上下表面均未发生开裂;滑轮组作为转向装置可以有效传递钢绞线内力,穿过多个滑轮组后钢绞线内力损失不大。

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引言溪洛渡800千伏特高压直流输电工程是我国西电东送工程的重要通道之一,该工程的建设为落实国家西电东送战略具有重要意义[1]。在此工程的特高压变电站和直流换流站的建设过程中,需要通过水路和陆路运输大件设备,这些设备的运输重量达到了3400~3900kN,已经接近或超过了途径一些跨度较大桥梁的极限承载力。因此,需要对上述正常使用状态的桥梁进行临时加固,满足大件设备的通行需求。本文针对大件设备运输时途径的某座桥梁,介绍了一种新型桥梁加固方法索-桁架桥梁加固体系。首先简要介绍该桥梁的结构体系,给出其极限承载力,再详细介绍新型加固方案的原理,并进行足尺试验研究,验证方案的可行性与加固效果。1工程桥梁概况1.1桥梁概况工程桥梁如图1所示,上部结构为9m20m预应力简支空心板梁,下部结构为桩柱式桥柱,桥台为桩接盖梁形式,采用钻孔灌注桩基础,桥型布置见图2。图1工程桥梁现场照片Fig.1Bridgeinthisproject图2工程桥梁桥型布置图Fig.2Bridgestylearrangement1.2重型车辆荷载本工程中设备重量为3500kN,4000kN承载能力的框架自重800kN,两辆15轴液压平板车(图4,前后轴距1500mm,宽度4800mm)总重量为1500kN,设备与车辆共计5800kN,实际运输时每个轮轴负荷为193.3kN。由于在桥面上行驶速度较慢,计算时忽略平板车的制动力。1.3桥梁承载力验算正常使用极限状态桥梁板在特殊荷载作用下正截面抗裂验算和斜截面抗裂验算不满足规范要求[2],承载能力极限状态桥梁板截面最大弯矩为Mmax=2050kNm,小于极限承载力R=2080kNm,但跨中处富余量已不足1.5%。对盖梁的验算表明,盖梁的强度和刚度均有足够富余。2加固方法设计2.1传统方法适用性评估传统加固方法如增大截面加固法、粘贴钢板加固法、粘贴纤维复合材料加固法等采用增大钢筋混凝土梁截面承载力的方式来加固桥梁[3],属于永久加固,需要现场作业和养护时间,一般适用于旧桥和危桥加固。体外预应力加固法加固效果明显,主要适用于开口截面桥梁,如肋式截面和箱式截面[4],不适用于两端封闭的板式截面桥梁,且该方法需要在梁体内铺设混凝土转向块,施工工艺较为复杂。本工程中桥梁加固只需满足重型车辆临时通行的要求,无需对桥梁主体结构进行改造和施工,且重型车辆通行后加固设施应能方便拆卸,因此需要针对这一实际情况设计新的桥梁加固方法。2.2新型加固体系设计传统的平面张弦梁结构如图3所示,其采用下弦拉索和竖向撑杆来控制上弦梁的弯矩分布,提高上弦梁的承载能力和刚度[5]。从该结构体系中得到启发,可以通过对桥梁板施加一定的顶升力,克服由桥梁板自重引起的部分弯矩,增大桥梁板的极限承载力,并使正截面和斜截面抗裂验算满足要求。图3直梁悬索形平面张弦梁Fig.3Planebeamstringofstraightbeamandsuspendedcable根据重型车辆在桥梁横断面上通行位置的不同,设计了两种加固方案。两种方案加固原理相同,如图4所示。加固装置主要由预应力钢绞线、桁架、专用滑轮、钢抱箍四部分组成。预应力钢绞线连接桥梁两侧的固定端和张拉端,作为主要的传力装置;桁架位于桥面板下方,作为顶升装置;专用滑轮位于钢绞线的折点处,作为钢绞线的转向装置;钢抱箍位于桥墩上部,作为反力装置。四部分相互作用,形成加固结构体系。该体系的工作原理为:(1)张拉预应力钢绞线,在桁架下部的钢绞线折点处形成向上合力,通过桁架将合力传至桥面板形成顶升力,从而分担部分桥面板自重;(2)部分桥面板自重通过桁架

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