一种适于重型设备运输的钢架混凝土组合拱桥

技术领域

本发明属于拱桥技术领域，具体涉及一种适于重型设备运输的钢架混凝土组合拱桥。

背景技术

目前，重型设备尤其是大型的机电设备，比如：汽轮机、发电机组等超负荷装置，经过桥梁时对其结构影响较大，主要是桥梁的瞬时承受压力超过了平常的数倍甚至十几倍。久而久之，桥梁或高速公路的寿命简短将不可避免。

此种情况，一方面，造成了桥梁维护的成本大大增加，无论是探伤检测还是人工补缝，耗费了大量的人力与财力；另一方面，目前重型设备过桥梁仍然采用临时加固、优化合理路线的方法降低桥梁的损伤。但是，无法从根本上解决瞬时荷载的影响，且无法形成实时的预警监测系统。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种适于重型设备运输的钢架混凝土组合拱桥，能够合理分担作用于桥面的载荷，提高拱桥的承载能力。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种钢架混凝土组合拱桥，包括：第一基础段、第二基础段和连接所述第一基础段和所述第二基础段的主拱；所述第一基础段包括等间距布置在地层中的若干柱桩体，细砂岩土层压实在混凝土基础与所述柱桩体之间，钢架组合嵌置在所述混凝土基础内，所述混凝土基础上依次铺设有第一加厚层和预制凹层；所述第二基础段包括等间距布置在地层中的若干柱桩体，所述柱桩体上设置混凝土基础，所述混凝土基础内按照设定规律嵌置有若干空心桩，所述混凝土基础上依次铺设有第二加厚层和预制曲块；所述主拱包括混凝土基础和嵌置在所述混凝土基础中的曲梁，所述曲梁一端连接于所述钢架组合，另一端连接于所述空心桩。

进一步地，所述柱桩体埋入地层的深度不小于6m，所述细砂岩土层与柱状体之间设有合金钢板，且所述细砂岩土层(2)的抗压强度不小于60MPa。

进一步地，所述钢架组合包括若干空心合金杆、软塞和弹簧，所述弹簧安装于其中若干个竖向布置的空心合金杆内，所述弹簧的两端分别固定在一个可在空心合金杆的内腔滑动的软塞上，每个所述软塞与一个倾斜布置的空心合金杆的一端固定连接，倾斜布置的空心合金杆的另一端与竖向布置的空心合金杆固定连接；所述空心合金杆、软塞和弹簧构成若干个三角形杆轴结构。

进一步地，所述空心桩包括若干空心大直径桩和若干空心小直径桩，所述空心大直径桩与柱桩体之间交错布置，且空心大直径桩的横截面中心与任意两个柱桩体之间间距中点重合；所述空心小直径桩与空心大直径桩之间交错布置，且在桥的长度方向上空心小直径桩左右外延空心大直径桩两侧各一个、空心小直径桩的横截面中心与任意两个空心大直径桩之间间距中点重合；所述空心小直径桩的受力峰值是空心大直径桩受力峰值的1.15～1.41倍。

进一步地，所述钢架组合延伸并内嵌入第一加厚层；所述预制凹层与所述第一加厚层嵌缝浇筑组合；所述预制凹层与第一加厚层之间设有抗震支撑架。

进一步地，所述预制凹层和第二加厚层的内部均埋设若干个电阻应变传感器，每个所述电阻应变传感器与单片机电连接，所述单片机与红外发射器电连接；所述单片机与红外发射器设置于第二加厚层内部，所述红外发射器与集成在LCD站牌的红外接收器通信连接，所述LCD站牌安装于所述预制曲块的一侧。

进一步地，按照由预制凹层至第二加厚层的方向为每个所述电阻应变传感器进行编号，且第i个所述电阻应变传感器所测得的位移值为b

进一步地，所述预制曲块包括位于两侧的窄通道和位于中间的宽通道，所述宽通道与两侧的窄通道最高平面高程差H为1.2～1.5m。

进一步地，所述窄通道和宽通道的两侧布置有限位组合，所述限位组合包括栏杆和连接相邻两个栏杆的锁链，所述窄通道和宽通道均布置有限速模块，所述窄通道布置有四道限速模块、宽通道布置有六道限速模块，所述窄通道承重范围为5～35t，所述宽通道的极限承重量为70t。

进一步地，所述限速模块包括弹力板、球凹槽、球体和齿轮组合，两个所述弹力板形成锐角且两个所述弹力板之间等距布置三根弹簧，所述弹力板右上部布置有齿轮组合，所述齿轮组合下部通过一根空心合金杆连接球体，球体与设置在弹力板一端的球凹槽滑动相连，所述的限速模块减速范围为3～6Km/h。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

(1)本发明通过对拱桥进行分段设计，针对不同区域的受力特点采用不同的结构形式，借助空心合金杆、空心大直径桩、空心小直径桩组合，既实现了支撑作用，又起着卸压作用避免应力集中，能够合理分担作用于桥面的载荷，提高拱桥的承载能力；

(2)本发明通过空心合金杆、软塞和弹簧构成了稳定的四个三角形杆轴结构。三角形结构稳定，而且软塞和弹簧起着缓冲减震的作用，因为软塞是弹性材料，弹簧可以自由伸缩；另一方面，空心合金杆的截面是空心环，截面积小，因此能够承受的力较大，钢架组合在面对来自于桥面的载荷时，桥面受到的荷载就会传递至钢架组合；然后，钢架组合受到的力继续分解至细砂岩土层中，降低了桥面和钢架组合的受力，因此，钢架组合的作用就是利用弹性材料的组合、三角形力合成与分解的特性，避免应力集中；

(3)本发明通过在预制凹层和第二加厚层的内部埋设电阻应变传感器，配合单片机对桥面载荷进行实时监测，监测准确、及时，从而避免过载，保护桥梁的安全；

(4)本发明通过设置不同的通道，设置的窄通道承重范围为5～35t，宽通道的极限承重量为70t，对桥面载荷进行分流，减轻桥面载荷对桥梁的破坏，同时降低桥梁的造价；另一方面，配合限速模块的合理性结构，使得减速范围为3～6Km/h，保证了不同载重量的车体分区域安全通过。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种适于重型设备运输的钢架混凝土组合拱桥的主体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种适于重型设备运输的钢架混凝土组合拱桥的预制曲块的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种适于重型设备运输的钢架混凝土组合拱桥的钢架组合的局部结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种适于重型设备运输的钢架混凝土组合拱桥的限速模块的结构示意图。

图5是本发明实施例提供的一种适于重型设备运输的钢架混凝土组合拱桥的钢架组合的受力分析示意图；

图6是本发明实施例提供的一种适于重型设备运输的钢架混凝土组合拱桥的大直径空心桩与小直径空心桩组合受力峰值示意图；

其中，图中：1-柱桩体、2-细砂岩土层、3-混凝土基础、4-钢架组合、401-空心合金杆、402-软塞、403-弹簧、5-曲梁、6-空心大直径桩、7-空心小直径桩、8-第一加厚层、9-预制凹层、10-抗震支撑架、11-电阻应变传感器、12-信号线、13-单片机、14-红外发射器、15-红外接收器、16-LCD站牌、17-第二加厚层、18-预制曲块、1801-窄通道、1802-宽通道、19-限位组合、1901-栏杆、1902-锁链、20-限速模块、21-弹力板、22-球凹槽、23-球体、24-齿轮组合、A-重型设备运输入口点、B-桥梁曲线最高点、C-重型设备运输出口点、D-空心大直径桩有效支撑初始点、E-空心大直径桩有效支撑终点、H-宽通道与窄通道最高平面高程差、i-预制凹层与第二加厚层之间任一个电阻应变传感器的ID号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1～图4所示，一种钢架混凝土组合拱桥，包括：第一基础段、第二基础段和连接所述第一基础段和所述第二基础段的主拱；第一基础段包括等间距布置在地层中的若干柱桩体1，细砂岩土层2压实在混凝土基础3与柱桩体1之间，钢架组合4嵌置在混凝土基础3内，混凝土基础3上依次铺设有第一加厚层8和预制凹层9；第二基础段包括等间距布置在地层中的若干柱桩体1，柱桩体1上设置混凝土基础3，混凝土基础3内按照设定规律嵌置有若干空心桩，混凝土基础3上依次铺设有第二加厚层17和预制曲块18；主拱包括混凝土基础3和嵌置在混凝土基础3中的曲梁5，曲梁5一端连接于钢架组合4，另一端连接于空心桩。

柱桩体1埋入地层的深度不小于6m，细砂岩土层2与柱状体1之间借助于高强度合金板隔开，且细砂岩土层2的抗压强度不小于60Mpa；本实施例中，柱桩体1埋入地层的深度为6m，细砂岩土层2的抗压强度为60Mpa，柱桩体1埋入地层的深度为6m属于深基础承受能力更强，细砂岩土层2抗压强度为60MPa，且其形成了沉井基础，从而保证了重物经过可耐位移沉降。

钢架组合4包括若干空心合金杆401、软塞402和弹簧403，弹簧403安装于其中若干个竖向布置的空心合金杆401内，弹簧403的两端分别固定在一个可在空心合金杆401的内腔滑动的软塞402上，每个软塞402与一个倾斜布置的空心合金杆401的一端固定连接，倾斜布置的空心合金杆401的另一端与竖向布置的空心合金杆401固定连接；空心合金杆401、软塞402和弹簧403构成了稳定的四个三角形杆轴结构。三角形结构稳定，而且软塞402和弹簧403起着缓冲减震的作用，因为软塞402是弹性材料，弹簧403可以自由伸缩；另一方面，空心合金杆401的截面是空心环，截面积小，因此能够承受的力较大，钢架组合4在面对来自于桥面的载荷时，桥面受到的荷载就会传递至钢架组合4。然后，钢架组合4受到的力继续分解至细砂岩土层2中，降低了桥面和钢架组合的受力，因此，钢架组合的作用就是利用弹性材料的组合、三角形力合成与分解的特性，避免应力集中。如图5所示，是本实施例中钢架组合的受力分析示意图，因为空心合金杆401、软塞402和弹簧403构成了稳定的四个三角形杆轴结构，受力分析如图，因为结构对称倾斜空心合金杆401受力相等为F1，中间垂直向下的空心合金杆401受力为F2，作用点在软塞402上表面，F1和F2经过软塞402和弹簧403阻尼作用而数值降低，F1和F2大小分别变为

空心桩包括若干空心大直径桩6和若干空心小直径桩7，空心大直径桩6与柱桩体1之间交错布置，且空心大直径桩6的横截面中心与任意两个柱桩体1之间间距中点重合；空心小直径桩7与空心大直径桩6之间交错布置，且在桥的长度方向上空心小直径桩7左右外延空心大直径桩(6)两侧各一个(如图1所示，空心小直径桩7左右外延空心大直径桩6中的D、E点两侧各一个)、空心小直径桩7的横截面中心与任意两个空心大直径桩6之间间距中点重合；空心小直径桩7的受力峰值是空心大直径桩6受力峰值的1.15～1.41倍；根据力的平衡特性，空心小直径桩7的受力峰值与空心大直径桩6受力峰值错开，避免两者应力叠加。空心桩承受载荷能力更加强，采用大直径桩配合小直径桩的优点避免应力峰值叠加，因为预制曲块区域承受的力太大远远高于前部钢架组合段，因此采用大直径桩配合小直径桩，如图6所示，是本实施例的大直径空心桩与小直径空心桩组合受力峰值示意图。本实施例中，第一基础段和第二基础段中的钢结构不同，原因在于，左侧的坡度变化小，缓冲长度大；右侧坡度起伏，长度短；从右侧行驶时，右侧受力大，左侧长度大，受力情况趋于均势。

曲梁5采用工字钢曲梁，工字钢曲梁一端连接与钢架组合4的边界上，另一端固定在空心大直径桩6左侧。

钢架组合4延伸并内嵌入第一加厚层8；预制凹层9与第一加厚层8嵌缝浇筑组合；预制凹层9与第一加厚层8之间设有抗震支撑架10，可以提高桥梁的整体结构强度以及抗震的能力。

预制凹层9和第二加厚层17的内部靠近上表面附近均埋设若干个电阻应变传感器11，每个电阻应变传感器11与单片机13通过信号线12电连接，单片机13与红外发射器14电连接，电阻应变传感器11组成单片机13的外围电路；单片机13与红外发射器14设置于第二加厚层17上表面内部，红外发射器14与集成在LCD站牌16的红外接收器15通信连接，LCD站牌16安装于右侧预制曲块18的内边缘一侧。

按照由预制凹层9至第二加厚层17的方向为每个所述电阻应变传感器11进行编号，且第i个所述电阻应变传感器11所测得的位移值为b

A

预制曲块18包括左右堆成布置的窄通道1801和位于中间的宽通道1802，宽通道1802与两侧的窄通道1801最高平面高程差H为1.2～1.5m，应力峰值的错开，避免行车影响。

窄通道1801和宽通道1802的两侧布置有限位组合19，限位组合19包括栏杆1901和连接相邻两个栏杆1901的锁链1902，窄通道1801和宽通道1802均布置有限速模块20，窄通道1801布置有四道限速模块20、宽通道1802布置有六道限速模块20，窄通道1801承重范围为5～35t，宽通道1802的极限承重量为70t。

限速模块20包括弹力板21、球凹槽22、球体23、齿轮组合24，两个弹力板21形成锐角且两个弹力板21之间非等距布置三根弹簧403，弹力板21右上部布置有齿轮组合24，齿轮组合24下部通过一根空心合金杆连接球体23，球体23与设置在弹力板21一端的球凹槽22滑动相连，限速模块20减速范围为3～6Km/h，避免大型重载车辆下坡速度过快，跑偏，避免翻车等。当重载车辆经过限速模块20尖端三角尖部时，前部两片弹簧403开始被压缩，继续前行，第三片弹簧403缓慢压缩，齿轮组合24逐步加速转动。框架摩擦力较大是一方面，另一方面三片弹簧403的向上支撑力带来了车辆的支撑阻力变大，由摩擦力和支撑阻力的正比关系，车辆受到的摩擦力增大；车辆通过后，齿轮反转，弹簧403逐步伸长恢复原状。

本实施例结构设计合理，原理简单，实时监测，安全稳定。

本实施例的工作原理为：

以总重量为50t汽轮机载重货车为例，假设经过B点速率为75Km/h，其通过桥梁步骤如下：

①准备工作。精准核定载重货车连加汽轮机的总重量，进一步检查单片机、电阻应变传感器、信号线、红外发射器、红外接收器、LCD站牌数据传输的稳定性；

②实时监测。载重货车经过AB段，实时观测LCD站牌中的最大变形量数据及相关ID号，若变形量超过了12mm，此时应该采取相应的措施，或是分批运输或是加固ID号位置的预制凹层；

③分区选择通道、安全行驶。若是顺利通过B点后，实时②中的实时监测操作。同时，选择适合该重量的通道。因为总重量为50t，因此选择宽通道形势，借助于6道限速模块的减速作用，最终载重货车经过C点的速率为39～57Km/h。若此时位移量超过了12mm,应将载重车行驶至限位组合附近，进一步进行吊装减重等处理方案；

④记录数据、及时维护。记录载重货车经过桥梁时，接近12mm的ID号，并及时进行变形量数据的记录，并及时对相应位置进行加固或者返修处理。

本实施例带来的主要有益效果如下：

整体结构受力设计合理；柱桩体埋入地层的深度为6m属于深基础承受能力更强，细砂岩土层抗压强度为60MPa，且其形成了沉井基础，从而保证了重物经过可耐位移沉降；钢架组合由12根空心合金杆、软塞、弹簧组成组成，钢架组合内部组成了稳定的四个三角形杆轴结构；空心大直径桩与柱桩体之间交错布置，且空心大直径桩的横截面中心与任意两个柱桩体之间间距中点重合，空心小直径桩与空心大直径桩之间交错布置，且空心小直径桩左右外延空心大直径桩D、E点两侧各一个、空心小直径桩的横截面中心与任意两个空心大直径桩之间间距中点重合，空心小直径桩的受力峰值是空心大直径桩受力峰值的1.15～1.41倍。上述设计经过严格的计算，从而保证了桥梁整体受力的合理性；

监测准确、及时；预制凹层靠近上表面内部埋设电阻应变传感器且延伸至右侧加厚层最右部，单片机与红外发射器相连，红外发射器与集成在LCD站牌的红外接收器相连，借助于LCD站牌的数据实时指示进行桥梁位移的实时监测；

安全；借助于数组的计算方法，若桥梁本体位移值超过12mm停止重型设备运输，从而避免过载；

分区域限度合理；设置的窄通道承重范围为5～35t，宽通道的极限承重量为70t；另一方面，限速模块合理性结构使得减速范围为3～6Km/h，保证了不同载重量的车体分区域安全通过。

卸荷能力强；本实施例借助空心合金杆、空心大直径桩、空心小直径桩组合，既实现了支撑作用，又起着卸压作用避免应力集中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。