一种哑铃型钢管混凝土拱肋的制作方法

本实用新型涉及桥梁建造工程
技术领域：
，特别是涉及到一种哑铃型钢管混凝土拱肋。
背景技术：
：钢管混凝土拱桥具有抗压力度高、经济美观、施工方便等诸多优点，在我国的桥梁工程中得到广泛应用。目前，我国已建成了数百座形式多样的钢管混凝土拱桥。哑铃型截面拱肋在钢管混凝土拱桥中的应用最为广泛，是由上下圆钢管混凝土和连接上下圆钢管混凝土的两道直腹板组成的腹腔，以及在腹腔内灌注的混凝土构成。然而，大量的工程实践表明，上述现有的哑铃型钢管混凝土拱肋在压力灌注腹腔混凝土时，腹板受混凝土压力的作用容易外鼓，严重时腹板与钢管连接处的焊缝会被拉裂而引发“爆仓”事故，其主要原因是在压注腹腔内混凝土时腹板与钢管交接处产生很大的应力。目前，防止哑铃型钢管混凝土拱肋在压注腹腔内混凝土时出现爆仓事故的技术措施主要有:1.采用型钢对腹板进行加劲，并在腹板之间增设对拉杆；2.在腹腔内增设隔板将腹腔进行分仓，再分仓灌注混凝土。以上方法构造复杂、效果有限，而且腹腔内混凝土仍然不能采用压力灌注，施工效率低，并且混凝土浇筑的密实性得不到保证。基于现有技术的限制，我国《公路钢管混凝土拱桥设计规范》中规定哑铃型钢管混凝土主拱计算时，腹腔内的混凝土不计入主拱截面受力，仅计算其自重的影响。这使得设计时腹腔内混凝土的强度得不到利用，造成了材料的浪费，影响了钢管混凝土拱桥的经济性。技术实现要素：为了解决上述存在问题。本实用新型提供一种哑铃型钢管混凝土拱肋，其结构合理且受力性能好、建造施工简便，能解决目前哑铃型钢管混凝土施工中腹板爆仓、腹腔内混凝土不能采用压力灌注等问题。为达此目的：本实用新型提供一种哑铃型钢管混凝土拱肋，包括两根平行设置的上圆钢管和下圆钢管，所述上圆钢管和下圆钢管内均填充有混凝土，在上圆钢管和下圆钢管之间连接有中间的直腹板和两侧内凹的弧形腹板，形成左右两个腹腔，腹腔内均填充有混凝土。作为本实用新型进一步改进，所述直腹板按一定间距开设有圆洞，通过开设圆洞使左右两个腹腔连通。作为本实用新型进一步改进，所述弧形腹板的断面为圆弧形，所述弧形腹板断面的矢跨比f/l为1/10左右，可以保证弧形腹板的受力及其与上下圆钢管的焊接以及腹腔内部灌注混凝土的空间。作为本实用新型进一步改进，所述腹腔内填充的混凝土通过压力灌注方式填充，采用压注方式填充可以保证混凝土填充密实。本实用新型提供一种哑铃型钢管混凝土拱肋的施工方法，具体步骤如下：a.在上圆钢管和下圆钢管之间焊接中间直腹板；b.焊接两侧的弧形腹板，形成空钢管拱肋；c.工地分段架设空钢管拱肋，直到完成空钢管拱肋的合拢；d.根据加载计算确定的灌注顺序，分别完成上圆钢管内填充混凝土和下圆钢管内填充混凝土的压注；e.上圆钢管和下圆钢管内混凝土达到设计强度后，压注腹腔内混凝土；f.腹腔内混凝土达到强度后，即完成哑铃型钢管混凝土拱肋的施工。本实用新型相对于现有技术具有以下有益效果：1.两侧内凹的弧形腹板为拱的受力模式，大大降低了腹腔内灌注混凝土时产生的应力，解决了目前哑铃型钢管混凝土施工中的腹板爆仓问题。2.腹腔内的混凝土可以实现压力灌注，从而可以显著提高施工效率，降低施工难度。3.腹腔内的混凝土采用压力灌注后有利于保证密实性，从而可以在设计时利用腹腔内混凝土的强度，提高了材料的利用率和结构的承载能力。4.两侧内凹的弧形腹板和上、下圆钢管会对腹腔内的混凝土起到套箍作用，从而提高腹腔内混凝土的抗压力度。5.两侧腹板采用内凹的弧形钢板，哑铃型拱肋的外观更加美观。附图说明图1为本实用新型哑铃型钢管混凝土拱肋的断面示意图；图2为本实用新型中间直腹板的立面示意图；图3为本实用新型腹腔内灌注混凝土时两侧弧形腹板的受力示意图；图4为本实用新型腹腔内灌注混凝土时上、下圆钢管处腹板受力平衡示意图；图5为本实用新型腹腔内混凝土受到的约束应力示意图；图6为实施例原桥拱脚段模型a有限元模型图；图7为实施例按本实用新型改进的拱脚段模型b有限元模型图；图8为实施例原桥腹板加厚的拱脚段模型c有限元模型图；图9为模型a在腹腔内压力为1.1mpa时的应力云图及放大20倍的变形图；图10为模型b在腹腔内压力为1.1mpa时的应力云图及放大20倍的变形图；图11为模型c在腹腔内压力为1.1mpa时的应力云图及放大20倍的变形图；图12为模型a和模型b在不同腹腔内压力下的腹板焊缝点最大应力对比曲线图；图13为模型b和模型c在不同腹腔内压力下的腹板焊缝点最大应力对比曲线图；图14为模型a和模型b在不同腹腔内压力下的外侧腹板1/2高度点最大变形对比曲线图；图15为模型b和模型c在不同腹腔内压力下的外侧腹板1/2高度点最大变形对比曲线图。图中标记为，1.上圆钢管；2.下圆钢管；3.弧形腹板；4.直腹板；5.上圆钢管内填充混凝土；6.下圆钢管内填充混凝土；7.腹腔内填充混凝土；8.直腹板圆洞。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述：本实用新型提供一种哑铃型钢管混凝土拱肋，其结构合理且受力性能好、建造施工简便，能解决目前哑铃型钢管混凝土施工中腹板爆仓、腹腔内混凝土不能采用压力灌注等问题。本实用新型提成如图1所示一种哑铃型钢管混凝土拱肋，包括两根平行设置的上圆钢管1和下圆钢管2，所述上圆钢管1和下圆钢管2内均填充有混凝土，在上圆钢管1和下圆钢管2之间连接有中间的直腹板4和两侧内凹的弧形腹板3，形成左右两个腹腔，腹腔内均填充有混凝土。本申请所述直腹板4如图2所示按一定间距开设有圆洞，通过开设圆洞使左右两个腹腔连通。本申请所述弧形腹板3的断面如图3所示为圆弧形，所述弧形腹板3断面的矢跨比f/l为1/10左右，可以保证弧形腹板的受力及其与上下圆钢管的焊接以及腹腔内部灌注混凝土的空间。本申请所述腹腔内填充的混凝土通过压力灌注方式填充，采用压注方式填充可以保证混凝土填充密实。生产本申请所述哑铃型钢管混凝土拱肋的施工方法，具体步骤如下：a.在上圆钢管1和下圆钢管2之间焊接中间直腹板4；b.焊接两侧的弧形腹板3，形成空钢管拱肋；c.工地分段架设空钢管拱肋，直到完成空钢管拱肋的合拢；d.根据加载计算确定的灌注顺序，分别完成上圆钢管内填充混凝土5和下圆钢管内填充混凝土6的压注；e.上圆钢管和下圆钢管内混凝土达到设计强度后，压注腹腔内混凝土7；f.腹腔内混凝土7达到强度后，即完成哑铃型钢管混凝土拱肋的施工。本申请哑铃型钢管混凝土拱肋在灌注腹腔内混凝土过程中，两侧弧形腹板的受力示意图如图3所示，上、下圆钢管处腹板受力平衡示意图如图4所示；腹腔内灌注混凝土的过程中混凝土会对两侧腹板产生向外的水平压力，当两侧腹板为直腹板时，其受力模式为承受弯矩的两边固结的板，腹板与钢管交接处为板的固结边，由于板很薄，抗弯刚度很小，腹板与钢管交接处会产生很大的弯曲应力，导致爆仓事故。在本实用新型中，两侧腹板采用内凹的弧形板，其受力模式变为承受面内轴力为主的拱，拱的推力传递给两端的上、下圆钢管和钢管内填充的混凝土，然后转换成中间腹板的拉力，实现了自平衡，拱的受力模式可以大大降低弧形腹板的应力，从而避免爆仓事故的产生。当腹腔内的混凝土形成强度后承受压力时，两侧内凹的弧形腹板和上、下圆钢管会进一步对腹腔内混凝土的横向变形产生约束，起到套箍作用，腹腔内混凝土受到的约束应力示意图如图5所示，从而可以提高腹腔内混凝土的抗压力度。下面以实际工程的某下承式钢管混凝土拱桥为实施例对本实用新型作进一步详细说明。该桥采用刚性系杆刚性拱，孔径为130m，拱轴线为二次抛物线，矢跨比为1/5。拱肋采用哑铃型钢管混凝土，上下圆钢管外径110cm，中心间距150cm，截面总高度260cm，腹板间距60cm，上下圆钢管及腹板均采用q345c钢材,壁厚均为14mm,内部填充c50微膨胀混凝土。本桥从拱脚往拱顶压注腹腔内混凝土，考虑混凝土的静压力及压注过程中混凝土与腹腔钢板之间的摩擦阻力，根据经验，本工程实例的入浆口位置腹腔内混凝土的最大压力估算为1.1mpa。采用空间有限元程序ansys建立5m长拱脚段有限元模型，对腹板逐级施加向外的压力，分析压注腹腔内混凝土过程中腹板的应力、变形与腹腔内泵送混凝土的压力之间的关系。针对腹板的不同构造分三种情况分别建立有限元模型：模型a：采用原桥的两道14mm厚的直腹板，如图6所示；模型b：按照本实用新型中间设一道直腹板、两侧各设一道内凹的弧形腹板，腹板厚度均为14mm，弧形腹板的矢跨比为1/10，两侧弧形腹板与上下圆钢管的焊接位置与原桥的直腹板一致，如图7所示；模型c：将原桥两道直腹板的厚度改为19mm，其腹板总的用钢量与模型b相同，如图8所示。根据有限元分析结果，不同腹腔内压力下各个模型的腹板焊缝点的最大应力值(单位：mpa)如下表：上表结果表明：模型a在腹腔内压力只有0.6mpa时腹板焊缝点已达到屈服，模型c在腹腔内压力为1.0mpa时腹板焊缝点达到屈服，而模型b在腹腔内压力达到2.0mpa时才接近屈服。根据有限元分析结果，不同腹腔内压力下模型b的中间直腹板焊缝点的最大应力值(单位：mpa)如下表：腹腔内压力/mpa0.40.50.60.81.01.1模型b65.381.698.0130.6163.2179.6腹腔内压力/mpa1.21.41.61.82.02.2模型b192.9219.6246.3273.0299.7326.4上表结果表明：模型b中间直腹板的最大应力小于两侧弧形腹板的最大应力，在腹腔内压力达到2.2mpa时尚未达到屈服。根据有限元分析结果，不同腹腔内压力下各个模型的外侧腹板1/2高度点的变形最大值(单位：mm)如下表：腹腔内压力/mpa0.40.50.60.81.01.1模型a2.523.153.785.468.8313.4模型b0.590.740.881.181.471.62模型c1.031.291.552.072.582.84腹腔内压力/mpa1.21.41.61.82.02.2模型a------模型b1.772.062.352.652.943.24模型c3.344.024.85.968.4848.61上表结果表明：在同样的腹腔内压力作用下，模型a的外侧腹板1/2高度点的向外变形值约为模型b的4倍，模型c的外侧腹板1/2高度点的向外变形值约为模型b的2倍，并且倍数随着腹腔内压力的增大而增大，在达到临界压力后突然急剧增大。模型a、模型b、模型c在腹腔内压力为1.1mpa时的应力云图及放大20倍的变形图分别如图9、图10、图11所示。模型a和模型b在不同腹腔内压力下的腹板焊缝点的最大应力对比曲线如图12所示；模型b和模型c在不同腹腔内压力下的腹板焊缝点的最大应力对比曲线如图13所示；模型a和模型b在不同腹腔内压力下的外侧腹板1/2高度点的最大变形对比曲线如图14所示；模型b和模型c在不同腹腔内压力下的外侧腹板1/2高度点的最大变形对比曲线如图15所示。经过上述分析，可以得出以下结论：1.原桥的哑铃型钢管混凝土拱肋在腹腔内压力只有0.6mpa时腹板焊缝点已达到屈服，不能满足腹腔内压注混凝土时1.1mpa压力的要求。2.本实用新型的哑铃型钢管混凝土拱肋能显著降低腹腔混凝土压注过程中腹板的应力，在腹腔内压力达到2.0mpa时才接近屈服，完全满足腹腔内压注混凝土的要求并有较大富余。3.将原桥直腹板的厚度增大使其用钢量与本实用新型相同时，哑铃型钢管混凝土拱肋在腹腔内压力为1.0mpa时腹板焊缝点达到屈服，也不能满足腹腔内压注混凝土的要求。4.本实用新型的哑铃型钢管混凝土拱肋能显著提高两侧腹板的面外刚度，使腹腔混凝土压注过程中腹板的向外变形明显减小。以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作任何其他形式的限制，而依据本实用新型的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本实用新型所要求保护的范围。当前第1页1 2 3 

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