基于栓接角鋼的鋼橋面外變形疲勞加固構造的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于栓接角鋼的鋼橋面外變形疲勞加固構造，屬于橋梁工程【技術領域】，其是將鋼板梁腹板、加勁肋與翼緣板的腹板間隙采用角鋼進行加固，角鋼的一肢與加勁肋通過高強螺栓連接，另一肢與翼緣板通過高強螺栓或螺釘連接；其可以有效改善腹板間隙的受力性能，抑制面外變形疲勞裂紋的萌生和擴展，具有施工方便、操作簡單、成本低廉、性能優良的特點；此外本實用新型采用角鋼結合螺釘的連接方式不僅可以在加固時不用移除混凝土橋面板，不阻礙交通，而且可以提高連接的安全性和耐久性，防止角鋼意外墜落，避免安全事故的發生。
【專利說明】基于栓接角鋼的鋼橋面外變形疲勞加固構造
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于橋梁工程【技術領域】，具體涉及一種基于栓接角鋼的鋼橋面外變形疲勞加固構造。
【背景技術】
[0002]鋼橋的疲勞問題嚴重影響著橋梁的使用壽命，研究表明鋼橋中大約90%的疲勞開裂問題均是由于疲勞敏感細節處的面外變形或者二次應力引起的。鋼橋設計中，各主梁之間的橫向連接系是通過橫撐與主梁腹板焊接的豎向加勁肋的連接來實現的，為了避免豎向加勁肋和主梁受拉翼緣之間的焊接細節發生疲勞失效，通常在豎向加勁肋與主梁受拉翼緣之間留有幾十毫米的腹板間隙。實際運營時，在車輛荷載作用下各鋼主梁之間會產生撓度差，從而使剛度較小的腹板間隙處會發生面外彎曲變形，引起焊接細節處較大的二次應力，導致疲勞裂紋在此處萌生和擴展，減少橋梁的使用壽命，甚至威脅到橋梁的安全。因此，必須采取措施進行加固。傳統的阻止鋼橋中疲勞裂紋繼續擴展的技術措施，是在裂紋尖端設置止裂孔，但止裂孔不能有效阻止面外變形疲勞裂紋的進一步擴展，并且還會削弱腹板的剛度。
實用新型內容
[0003]本實用新型所要解決的技術問題在于克服以往鋼板梁橋面外變形加固技術會削弱原結構剛度的問題，提供一種結構合理、構造簡單、受力性能優越、施工便捷的面外變形疲勞加固構造。
[0004]解決上述技術問題所采用的技術方案是:將鋼板梁腹板、加勁肋與翼緣板的腹板間隙采用角鋼進行加固，角鋼的一肢與加勁肋通過高強螺栓連接，另一肢與翼緣板通過高強螺栓或螺釘連接。
[0005]上述角鋼為單角鋼或者T型角鋼或者雙角鋼。
[0006]上述單角鋼和雙角鋼均為等肢角鋼。
[0007]本實用新型所提供的一種基于栓接角鋼的鋼橋面外變形疲勞加固構造，其是利用螺栓將角鋼的兩肢分別與加勁肋和翼緣板栓接連接，角鋼與翼緣板之間還可以用螺釘代替高強螺栓來固定，從而可以有效改善腹板間隙的受力性能，有效抑制面外變形疲勞裂紋的萌生和擴展，具有施工方便、操作簡單、成本低廉、性能優良的特點，此外本實用新型采用角鋼結合螺釘的連接方式，不僅可以在加固時不用移除混凝土橋面板，不阻礙交通，而且可以提高連接的安全性和耐久性，防止角鋼意外墜落，避免安全事故的發生。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1為實施例1中用單角鋼栓接加固的連接示意圖。
[0009]圖2為圖1中單角鋼的結構示意圖。
[0010]圖3為實施例2中用雙角鋼栓接加固的連接示意圖。
[0011]圖4為實施例3中用T型角鋼栓接加固的連接示意圖。
[0012]圖5為實施例4中用高強螺栓和螺釘固定單角鋼的加固結構示意圖。
[0013]圖6為實施例4中用高強螺栓和螺釘固定雙角鋼的加固結構示意圖。
[0014]圖7為實施例4中用高強螺栓和螺釘固定T型角鋼的加固結構示意圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細說明，但本實用新型不限于下述的實施情形。
[0016]實施例1
[0017]本實施例選用的加固試件是由翼緣板4、加勁肋2與腹板I焊接成的工字形鋼梁。翼緣板4是長度為600mm、寬度為300mm、厚度為24mm的矩形鋼板；腹板I是長度為600mm、高度為870mm、厚度為8mm的矩形鋼板；加勁肋2是長度為120mm、高度為790mm、厚度為6mm的矩形鋼板；在腹板間隙處的翼緣板4和加勁肋2之間用高強螺栓栓接加固角鋼3，角鋼的側端與腹板I留有1mm的距離，參見圖1?2，本實施例的角鋼3選用等肢單角鋼，該單角鋼選用L140mmX 140mm X 14mm的標準型角鋼。
[0018]加固前，先對試件進行栓接角鋼3加固的準備工作，包括對單角鋼和加勁肋2、單角鋼和翼緣板4的接合面進行打毛處理，以增加接合面的摩阻力；在試件以及角鋼3的設計位置加工螺栓孔；使用扭矩扳手，依據相關規范的要求，將高強螺栓逐級緊固至預緊力，完成加固。
[0019]實施例2
[0020]上述實施例1中的單角鋼用規格為L140mmXl40mmX 14mm的雙角鋼替換，如圖3所示，其他的部件及其連接關系與實施例1相同。
[0021]加固方法與實施例1相同。
[0022]實施例3
[0023]上述實施例1中的單角鋼用規格為280mmX 140mmX 14mmX 14mm的T型角鋼替換，如圖4所示，其他的部件及其連接關系與實施例1相同。
[0024]加固方法與實施例1相同。
[0025]實施例4
[0026]在上述實施例1?3中，所述角鋼3與翼緣板4連接的一肢可以用螺釘來固定，即可用螺釘取代高強螺栓來固定，如圖5?7所示，螺釘攻絲無需穿透翼緣板4，省去螺栓開孔的步驟，而且在實橋中可以不用移除混凝土橋面板，不阻礙交通。其他的部件及其連接關系與相應實施例相同。
[0027]上述實施例中的角鋼和高強螺栓的規格可以根據實際使用情況進行調整，不限于上述實施例的使用規格，以加固翼緣板4與加勁肋2、腹板I之間的腹板間隙為目的。
[0028]為了測試加固效果，進行了加固效果評定試驗。預先在工字形鋼梁試件上預制了疲勞裂紋，采用栓接角鋼3的方法進行加固，對加固后的試件進行了試驗。試驗情況如下:
[0029]一、測試儀器
[0030]MTS伺服液壓控制系統；日本產TDS - 602靜態電阻應變儀；浙江省溫嶺市科特電子儀器廠生產的WBD型機電百分表。
[0031]二、加固效果試驗
[0032]1、試件設計參數
[0033]試件鋼材采用Q345鋼，彈性模量為2.06 X 15MPa0本實驗所加固的具有40mm腹板間隙的試件與加固角鋼的規格與實施例1中的規格相同，具有20_間隙的試件除加勁肋3是長為120_、高度為830_、厚度為6_的矩形鋼板外，其余部件與加固角鋼的方法與實施例1相同，兩加載點間距為440mm。
[0034]2、試驗裝置及加載步驟
[0035]試件的兩個翼緣板均用高強螺栓固定在定做的底座上，在加勁肋上垂直于腹板循環加載加載模擬實橋中橫撐傳遞的荷載。試驗時先對試件進行預制裂紋疲勞加載，直到在加勁肋與翼緣板間隙處的腹板萌生裂紋；加固前對有預制裂紋的試件進行一次靜載試驗，測試在加固前各測點的位移與應力情況以便同加固后進行對比；對試件進行栓接角鋼加固，然后測試加固后各個測點的位移與應力，最后進行循環加載驗證該加固方法的有效性。
[0036]3、試驗結果及分析
[0037]采用栓接單角鋼加固前和加固后的試驗結果見表I和表2 (其中間隙I為40_，間隙II為20mm)。表I中的面外變形幅值①是在試件腹板間隙疲勞循環加載前，靜力測試獲得腹板間隙處的面外變形值，此時循環次數N = O次；面外變形幅值②是加固前對試件進行疲勞加載使試件腹板間隙處的疲勞裂紋擴展到一定程度，停止疲勞試驗時(即間隙I試件加固前疲勞加載循環次數為251萬次，間隙II試件加載250萬次)，靜力測試獲得的腹板間隙處的面外變形幅值；面外變形幅值③是對試件腹板間隙處進行維修加固后，靜力測試獲得的腹板間隙處的面外變形幅值；面外變形幅值④是加固后試件的疲勞試驗結束時(即間隙I試件加固后疲勞加載循環108萬次，間隙II試件疲勞加載200萬次)，最后一次靜力測試獲得的數據。表I中測點DW-B和DE-B分別為試件腹板無加勁肋側腹板間隙面外變形，測點DW-U和DE-U分別為試件腹板有加勁肋側腹板間隙面外變形。
[0038]表I加固前后面外變形幅值的對比
[0039]
面外變形面外變形面外變形面外變形百分面外變形幅值③/
試件類型幅值① 幅值② 幅值③ 幅值④
表編號而外變形幅值②
Cmm)(mm)(mm)(mm)
間隙 IDW-B-tn4-0.85UUSU U99 4 ο
試件DE-B-0.44-0.86-0.06-0.067,0%
間隙 IIDW-U0.150.760,060.087.9%
試件DE-U0.140.210.080.1138%
[0040]由表I可知，采用栓接單角鋼維修加固后，在同等荷載幅下各個測點的面外變形幅值都有大幅度的降低，加固后的面外變形均很小，表明加固的效果良好。
[0041]表2是試件加固前后焊趾處的應力幅。表2中的應力幅①，應力幅②，應力幅③和應力幅④分別與表I中的面外變形幅值①，面外變形幅值②，面外變形幅值③面外變形幅值④測試時的循環次數相同。表2中WR1-3、ER1-3、WU-NI和EU-SI為腹板與加勁肋焊趾處測點，WU-M、EU-M、WB-M2和EB-M2為腹板與翼緣板焊趾處測點。
[0042]表2加固前后焊趾處應力幅的對比
[0043]
試件類測點應力幅值應力幅值應力幅值應力幅值④ 應力幅值③/
型__編號 ①(MPa) ②(MPa) ③(MPa)(MPa)應力幅值②
WU-M__-55__-100__-W__-11__10%
間隙 I EU-M__-89__-56__-18__-U__32%
試件 WR1-3__-3M__-48__-16__-19__33%
__ERl-3__-261__-50__6__6__12%
WU-Nl__100__-138__-19__-25__13%
間隙 II EU-SI__75__100__56__48__56%
試件 WB-M2__256__313__1?3__71__33%
__EB-M2__202__193__34__19__18%
[0044]由表2可知，采用栓接單角鋼維修加固后，在同等荷載幅下各個測點的應力幅值都有大幅度的降低，加固后的測點應力均很小，表明加固的效果良好。
[0045]表3和表4分別為試驗各階段腹板間隙面外變形隨荷載的變化值，其中階段1、階段2、階段3和階段4分別與上文所述的面外變形幅值①、面外變形幅值②、面外變形幅值③、面外變形幅值④測試時的循環次數相同。表3和表4中測點如上文所述。
[0046]表3間隙I試件各個階段對應面外變形
[0047]
荷載DW-B測點各個階段面外變形(mm)DE-B測點各個階段面外變形(mm)
(kN) 階段I階段2階段3階段4階段I階段2階段3呸段4
4.5OOO-0.010000
10-0.04-0.07O-0.02-0.05-0.09O-0.01
20-0.13-0.29-0.02-0.03-0.15-0.33-0.02-0.02
30-0.2-0.52-0.04-0.05-0.25-0.55-0.03-0.03
40-0.29-0.74-0.06-0.07-0.38-0.76-0.05-0.05
50-0.39-0.96-0.09-0.09-0.51-0.97-0.06-0.06
[0048]表4間隙II試件各個階段對應面外變形
[0049]荷載 DW-U測點各個階段面外變形(mm)DE-U測點各個階段面外變形(mm)
(kN) P介段I I PiMl 2 I階段3 I階段4 —階段I I階段2 |階段3 | ,階段4
4.5__O__O__-0.01 O__O__O__O__O_
_1__002__O1I__O__O__002__003__O__O_
_20__007__033__0.02 0.02__007__QA__O__0.01
30__0.12 0.57 0.03 0.03 0.120.18__O__0.03
40__(U7__079__0.04 0.06__017__025__0.02 0.04
50__022__1.04 0.06 0.08 0.22__0.32 0.03 0.05
60__--0.07 0.1-__--__0.04 0.07
70__--__--__0.09 0.12__--__--__0.06 0,11
[0050]由表3和表4可知，試驗結果表明加固后腹板間隙處的面外變形顯著減小，且在試驗結束時面外變形值并未增大，表明加固效果良好。
[0051]表5和表6分別為試驗各階段試件加勁肋與腹板焊趾處的應力隨荷載的變化值，其中的階段1、階段2、階段3和階段4分別與上文所述的面外變形幅值①、面外變形幅值②、面外變形幅值③、面外變形幅值④測試時的循環次數相同。表中WU-Nl和EU-Sl為腹板與加勁肋焊趾處測點，WU-MUEU-Ml為腹板與翼緣板焊趾處測點。
[0052]表5間隙I試件加勁肋與腹板焊趾處應力
[0053]
荷載WU-Ml測點應力(MPa)EU-Ml測點應力(MPa)
CkN) 階段I 階段2 階段3 階段4 階段I 階段2 階段3 階段4
4.5__O__O__O__O__O__O__O__-1
10__19__-16__O__-1__-15__-4__2__-4
20__53__-41__-3__-4__-41__48__4__-3
30__85__-67__-5__-7__-67__-33__7__-2
40__98__-92__-8__-10__-98__-49__9__-2
50__105-114-12 -13 -136__-65__U__-2
[0054]表6間隙II試件加勁肋與腹板焊趾處應力
[0055]
荷載WU-Nl測點應力EU-Sl測點應力
(kN) 階段I 階段2 階段3 階段4 階段I 階段2 階段3 階段4
4.5__O__O__O__O__O__O__O__O_
_10__15__-19__-1__-1__8__17__5__4_
2047-66-3-634561413
_30__79__-114__-5__-10__58__87__24__22
40__Π4__-164__-9__-14__85__Π2__33__30
[0056]由表5和表6可以看出，試件加固后加勁肋與腹板焊趾處的應力顯著減小，且在試驗結束時加勁肋與腹板焊趾處的應力并沒有增大，表明加固效果有效。
[0057]綜上所述，采用粘貼雙角鋼對腹板間隙面外變形疲勞細節加固后，試件的面外變形幅值與應力幅均有大幅度的降低，而且加固后循環荷載作用下栓接角鋼沒有失效且沒有新的疲勞裂紋萌生，說明該加固構造安全、可靠。
【權利要求】
1.一種基于栓接角鋼的鋼橋面外變形疲勞加固構造，其特征在于:將鋼板梁腹板(I)、加勁肋(2)與翼緣板(4)的腹板間隙采用角鋼(3)進行加固，角鋼(3)的一肢與加勁肋(2)通過高強螺栓連接，另一肢與翼緣板(4)通過高強螺栓或螺釘連接。
2.根據權利要求1所述的基于栓接角鋼的鋼橋面外變形疲勞加固構造，其特征在于:所述角鋼(3)為單角鋼或者T型角鋼或者雙角鋼。
3.根據權利要求2所述的基于栓接角鋼的鋼橋面外變形疲勞加固構造，其特征在于:所述單角鋼和雙角鋼均為等肢角鋼。
【文檔編號】E01D22/00GK203977305SQ201420361288
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年6月30日 優先權日:2014年6月30日
【發明者】王春生, 孫宇佳, 閆生龍, 王茜, 段蘭, 魏孟春, 翟慕賽 申請人:長安大學