一种新型预应力裂纹闭合式正交异性钢桥面板顶板-纵肋疲劳开裂加固装置

1.本实用新型涉及桥梁工程中正交异性桥面板顶板-纵肋疲劳加固装置，特别涉及一种新型预应力裂纹闭合式正交异性钢桥面板顶板-纵肋疲劳开裂加固装置。


背景技术：

2.由于轻质高强且装配化程度高,正交异性钢桥面板广泛应用于我国大跨径桥梁工程。然而，在车辆反复荷载作用下,正交异性钢桥面板的疲劳开裂问题突出,显著影响了大跨径桥梁结构的服役韧性。由于正交异性钢桥面板的顶板直接承受车轮荷载，顶板-纵肋焊接接头的焊趾和焊根位置处经常出现疲劳裂纹，并沿顶板厚度扩展。由于疲劳裂纹隐蔽，疲劳裂纹扩展至一定程度会使结构毫无征兆发生破坏，迅速失去承载能力，存在安全隐患。因此，对正交异性钢桥面板顶板-纵肋焊接接头的疲劳开裂进行加固十分必要。目前,正交异性钢桥面板顶板-纵肋焊接接头处疲劳开裂的常用加固方法有局部加固法和整体加固法。局部加固法通过在裂纹扩展区焊接或栓接板材，以增大局部刚度从而降低裂尖的应力水平,从而减缓顶板-纵肋处疲劳裂纹扩展。整体加固法通过增大正交异性钢桥面板的整体刚度以增强其疲劳性能,例如在桥面板顶面设置超高强混凝土层uhpc等。所述的整体或局部加固法均是采用提高刚度、降低裂纹尖端应力水平的方式减缓疲劳裂纹扩展；材料使用量少，对刚度提升不明显，加固效果一般；使用大量材料增加正交异性钢桥面板整体刚度，有效减缓了疲劳开裂,但也显著增加了正交异性钢桥面板的自重,给原有桥梁结构带来新的负担。此外，整体或局部加固方法的加固效果有限，其只能减缓疲劳裂纹的扩展，裂尖仍存在拉应力，因此并没有从根源上完全抑制疲劳裂纹扩展。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种新型预应力裂纹闭合式正交异性钢桥面板顶板-纵肋疲劳开裂加固装置，使顶板-纵肋焊接接头处沿顶板厚度方向扩展的疲劳裂纹受压闭合停止扩展，在不显著增加原结构自重的前提下，有效延长正交异性钢桥面板的服役寿命。
4.采用的技术方案是：一种新型预应力裂纹闭合式正交异性钢桥面板顶板-纵肋疲劳开裂加固装置，包括钢桥面板，所述钢桥面板顶板-纵肋焊接接头顶部两侧分别设有可以使顶板-纵肋焊接接头顶部受到垂直于顶板-纵肋焊接接头焊接方向拉力作用的预张拉装置。
5.作为本实用新型第一种改进，所述预张拉装置由预张拉加固板，锚具和高强螺栓组成；所述锚具刚接于钢桥面板顶板-纵肋焊接接头顶部两侧，每侧共有两个锚具；所述预张拉加固板通过高强螺栓锚固在两个锚具之间。在锚固之前，通过张拉设备对预张拉加固板对施加预紧力，达到理想预应力水平后锚固在两锚具之间。
6.作为本实用新型第二种改进，所述预张拉装置由预张拉加固板，锚具和高强螺栓
组成；所述锚具刚接于钢桥面板顶板-纵肋焊接接头顶部两侧，每侧共有两个锚具；所述预张拉加固板通过高强螺栓锚固在两个锚具之间。所述预张拉加固板由形状记忆合金和片材复合而成，通过记忆合金的恢复力施加预紧力。
7.作为本实用新型的第三种改进，预张拉装置包括预张拉加固板、锚具、高强螺栓、固定钢板、支撑钢板、支撑螺栓，所述锚具设置在钢桥面板的顶板-纵肋焊接接头顶部的两侧，每侧设有两个锚具；所述预张拉加固板通过高强螺栓锚固在锚具之间；两锚具之间的钢桥面板上设有固定钢板，支撑螺栓下部被套设在固定钢板中，只可绕支撑螺栓中轴线转动；所述支撑钢板由多个支撑螺栓穿过，并且通过螺纹形成接触。同时转动固定钢板上的支撑螺栓，由于固定钢板的约束，支撑螺栓不能向下发生位移，因此，支撑螺栓的转动通过螺纹作用致使支撑钢板协同预张拉加固板向上位移，因而产生预紧力。
8.作为本实用新型的第四种改进，预张拉装置包括角钢、螺栓杆、螺帽；所述角钢分别焊接在钢桥面板顶板-纵肋焊接接头顶部两侧，每侧个设有两个角钢；角钢侧板开有圆孔，所述螺栓杆通过圆孔同时穿过两个角钢，并通过螺帽将螺栓杆固定在两角钢之间。通过不断拧紧螺帽，使螺栓杆中产生变形，进而产生预紧力，并通过角钢传递到顶板-纵肋焊接接头顶部，使得顶板底面焊根和焊趾位置受压。
9.本实用新型提供了一种新型预应力裂纹闭合式正交异性钢桥面板顶板-纵肋疲劳开裂加固装置，通过在钢桥面板顶板-纵肋焊接接头顶部两侧设置预张拉装置，使钢桥面板焊接接头顶部受拉，形成能使顶板底面的焊趾和焊根位置受压的弯矩，进而使焊根或焊趾沿桥面板厚度方向扩展的裂纹闭合；通过预张拉装置施加适当的拉力，可以使裂纹在循环荷载的作用下仍然处于受压状态，因此从根源上防止焊接薄弱区域的疲劳破坏。
附图说明
10.图1是本实用新型第一种和第二种实施方式的结构示意图。
11.图2是本实用新型第三种实施方式的结构示意图。
12.图3是本实用新型第三种实施方式的结构拆解图。
13.图4是本实用新型第四种实施方式的结构示意图。
具体实施方式
14.图一示出了本实用新型第一种实施方式，包括钢桥面板1，所述钢桥面板1上顶板-纵肋焊接接头顶部两侧分别设有预张拉装置2；所述预张拉装置2由预张拉加固板3，锚具4和高强螺栓5组成；所述锚具4焊接于桥面板顶板-纵肋焊接接头顶部两侧，每侧共有两个锚具4；所述预张拉加固板3通过高强螺栓5锚固在两个锚具4之间，所述预张拉加固板3可采用碳纤维增强材料cfrp、钢板等。
15.对于第一种实施方式，首先通过张拉设备对预张拉加固板3施加预变形产生预紧力，再锚固于两个锚具4之间，预紧力通过锚具4传递至钢桥面板1顶板-纵肋焊接接头顶部，并使其受拉，因而使焊接接头焊趾焊根处受压，降低甚至抵消了车辆荷载在焊接接头产生的拉应力，因而抑制了裂纹的扩展。
16.本实用新型第二种实施方式，包括桥面板1，所述钢桥面板1上顶板-纵肋焊接接头顶部两侧分别设有预张拉装置2；所述预张拉装置2由预张拉加固板3，锚具4和高强螺栓5组
成；所述预张拉加固板3由形状记忆合金和片材复合而成，例如将形状记忆合金ni-ti丝材使用环氧树脂粘贴并埋入碳纤维增材材料cfrp片材中；第二种实施方式中，锚具4与预张拉固定板3的布置与第一种实施方式相同。
17.对于第二种实施方式，在由形状记忆合金与片材复合而成的预张拉加固板3制作完成后，使用通电装置对形状记忆合金通电升温，使其产生回复力，进而在预张拉加固板3中产生预紧力，预紧力通过锚具4传递至桥面板顶板-纵肋焊接接头顶部，进而使焊接接头焊趾和焊根处受压，抑制裂纹扩展。
18.图二和图三示出本实用新型第三种实施方式，包括钢桥面板1，所述钢桥面板1上顶板-纵肋焊接接头顶部两侧分别设有预张拉装置2；所述预张拉装置2包括预张拉加固板3、锚具4、高强螺栓5、固定钢板6、支撑钢板7、支撑螺栓8；所述锚具4焊接于桥面板顶板-纵肋焊接接头顶部两侧，每侧共有两个锚具4；所述预张拉加固板3由碳纤维增强材料cfrp制成，通过高强螺栓5锚固在两个锚具4之间，每侧共有三块预张拉固定板3；所述固定钢板6固定在两锚具4之间的钢桥面板1上，所述固定钢板6在预张拉加固板3两边设有套轴9；所述支撑螺栓8下部被约束于固定钢板6中的套轴中，可以同轴转动，限制支撑螺栓8向下或者水平位移；所述支撑钢板8开有多个螺栓孔10，使支撑螺栓8穿过，并通过螺纹连接。
19.对于第三种实施方式，同时转动支撑螺栓8，由于支撑螺栓8被固定钢板6限制了向下的位移，因此支撑螺栓8的转动由于螺纹作用导致支撑钢板7协同预张拉加固板3向上产生位移，因而在预张拉固定板3中产生预紧力，并且预紧力通过锚具4传递致顶板-纵肋焊接接头顶部，使焊接接头焊趾焊根处受压。
20.图四示出了本实用新型第四种实施方式，包括钢桥面板1，所述钢桥面板1上顶板-纵肋焊接接头顶部两侧分别设有预张拉装置2；预张拉装置2包括角钢11、螺栓杆12、螺帽13；所述角钢11分别焊接在桥面板顶板-纵肋焊接接头顶部两侧，每侧个设有两个角钢11；角钢11侧板开有圆孔，所述螺栓杆12通过圆孔同时穿过两个角钢11，并通过角钢11外侧的两个螺帽13通过螺栓杆12上的螺纹将螺栓杆12固定在两角钢11之间。在使用时，通过不断拧紧螺帽13，使螺栓杆12两端向角钢外侧伸出产生预拉变形，进而产生预紧力，并通过角钢11传递到顶板-纵肋焊接接头顶部，使得顶板底面焊根和焊趾位置受压。
21.需要说明的是，本实用新型一种新型预应力裂纹闭合式正交异性钢桥面板顶板-纵肋疲劳开裂加固装置并不限于上述四种实施方式中附图所示的具体结构，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内还可以对其做出种种变化。最终目的都是为了使钢桥面板顶板-纵肋焊接接头顶部产生拉应力，因此只要是能够主动产生预张拉应力的装置，均可以考虑在做出某些显而易见的变形后而作为本文中预张拉装置2。此外，本实用新型功能的实现并不依赖于桥面板下部结构特征，无论是开口肋还是闭口肋都不影响本实用新型的实施及功能的发挥。