CN104612053A - 具备预警功能的frp筋-钢束组合吊索结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具备预警功能的FRP筋-钢束组合吊索结构，包括***FRP筋、内部钢束和复合夹片锚具。复合夹片锚具分别用夹片锚逐根锚固FRP筋和钢束，钢束位于锚具的内部区域，FRP筋则均匀锚固在***区域。FRP筋在内部钢束拉断的同时，能够承担全部受拉荷载，保证结构安全，同时产生较为明显的结构变形，为该吊索更换留出足够的预警时间。FRP筋处在吊索结构的***，内部的钢束得到保护，有利于延长钢束使用年限。本发明能为吊索内钢束破断后争取维修提供了一定的准备时间，提高桥梁结构的安全性，可广泛应用于系杆拱桥、悬索桥的吊杆结构等。
Description
技术领域
本发明属于桥梁结构技术领域，涉及一种适用于桥梁中系杆拱桥受拉杆件性质的吊杆或悬索桥吊索等受拉性质吊索结构。
背景技术
目前拱桥和斜拉桥、悬吊索桥中使用的吊杆或吊索基本全为钢束，这是一种主流材料，目前仍在广泛使用，尚无别的材料能够替代钢束承受拉力作用。然而这种单一材料的吊杆（或吊索）存在以下几个问题，需要继续进行改进以保证结构安全。
第一，钢材料的吊索结构易受环境的腐蚀和疲劳的双重作用，导致其有效受力面积减小以及疲劳强度的降低。所以，吊索结构作为一个重要受拉构件，其寿命远远不及桥梁的设计寿命。基于国内拱桥吊杆、悬索桥吊索等吊索构件的破断统计资料表明：吊索、吊杆的破断寿命为3~16年，未能超过20年，平均为桥梁设计寿命的1/10左右。因此，在桥梁的设计寿命期内，吊索结构将需多次替换。但吊索结构在替换以前，因各种随机作用的结果可能会发生突然破断，导致桥梁结构突然破坏，在破坏前毫无预警，造成很大损失。
第二，由于导致桥梁吊索结构破断的因素随机性，使吊索结构破断的准确预测时间难以确定，给吊索的维修决策制定带来相当大的挑战。由于荷载环境与腐蚀环境的随机性、检测的局限性，对于具体的桥梁吊索结构，其破断的准确时间并不能预知。另外用于构件疲劳寿命评估的理论和方法也是基于概率统计的，这也决定了预测的疲劳寿命只能为不确定的统计量，现有的桥梁健康检测与寿命评估等理论与技术仍在发展中，暂时难以提供准确的决策数据，目前过高预期桥梁健康监测***并非明智之举。
因此基于目前仍难以预测吊索结构的使用寿命，急需要采用新的设计方法和新的设备来突破现有困局，本发明就是针对目前存在的技术难题，提出了一种全新的吊索结构，从另外一个途径来解决吊索结构疲劳寿命难以预测的难题。
发明内容
技术问题：本发明提供一种综合使用FRP筋和钢束，能够减小钢束受环境的腐蚀程度，更为安全的具备预警功能的FRP筋-钢束组合吊索结构，可以保证在内部钢束断裂后整根吊索结构还可以依靠FRP筋继续工作，直至吊索结构被更换完成，保证了全桥的安全性。
技术方案：本发明提出了一种具备预警功能的FRP筋-钢束组合吊索结构，使用了FRP和钢材的组合吊杆，综合利用了FRP和钢束的优点。基于可靠性设计原理来保证在钢束断裂后，整根吊索结构还可以依靠FRP筋继续工作，直至吊索结构被更换完成，保证了全桥的安全性。
本发明的具备预警功能的FRP筋-钢束组合吊索结构，索体由FRP筋、钢束组合而成，钢束设置于吊索内部区域，FRP筋设置于环绕内部区域的***区域；所述FRP筋通过FRP筋专用锚件锚固在复合夹片锚具上，所述钢束通过钢束用锚件锚固在复合夹片锚具上。
本发明的优选方案中，FRP筋专用锚件采用带粘结护套的夹片式锚具，由从内到外依次设置的金属筒、FRP筋用夹片、圆头锚环组成，所述钢束用锚件为夹片式锚具。
本发明的优选方案中，复合夹片锚具包括用以锚固钢束的钢束锚固区和用以锚固FRP筋的FRP筋锚固区，所述FRP筋锚固区环绕钢束锚固区设置。
本发明中，FRP筋位于吊索结构***，该材料不易受外部腐蚀环境的影响，通过FRP筋包围内部钢束的方式，给内部钢束提供一定的保护作用。复合夹片锚具能够同时锚固FRP筋和钢束，由FRP筋专用锚件、钢束用锚件、锚板组成。锚固FRP筋的锚件采用带粘结护套的夹片型锚件，该锚件与锚板光滑紧密地贴在一起，锚件由内到外由环氧树脂、金属筒、夹片、圆头锚环组成。夹片与金属筒接触一面均有牙纹，同时夹片与圆头锚环内壁间均存在角度差，金属筒通过夹片卡在圆头锚环上；锚固钢束的锚件采用常规夹片锚。两种锚具构造简单，施工也比较方便。
本技术方案是基于吊杆破损安全设计理论，其基本工作原理是：由于FRP材料的弹性模量明显比钢束的弹性模量小，同一根吊索结构内的钢束与FRP筋的受拉变形相同时，FRP筋的拉应力要远小于钢束的拉应力，两者之间疲劳寿命会有明显差异。当FRP筋-钢束组合吊索结构内部的钢束破断时，***的FRP筋充分发挥材料强度，承担该吊杆的全部受拉荷载，全桥结构的安全性得到保证，也给吊索结构维修与拆换提供了宝贵的时间。
本发明组合吊索结构不但可以用于系杆拱桥，也可以用于斜拉桥和悬吊索桥等具有吊索结构的桥梁。
有益效果：本发明与现有技术相对比，具有以下优点：
1.FRP筋-钢束组合吊索结构在FRP筋和钢束的组合作用下安全储备加大。传统的单一钢材的吊索结构在钢束受腐蚀、疲劳的双重作用下，钢束的有效受力面积会逐渐减小，导致钢丝疲劳寿命急剧降低而突然破断。FRP筋-钢束组合吊索结构由***的FRP筋和内部的钢束共同组成，在使用状态时共同受力。由于FRP材料的弹性模量明显比钢束的弹性模量小，而FRP材料的抗拉强度均明显高于钢筋材料, 与高强钢丝抗拉强度差不多，当位于同一根吊索结构内的钢束与FRP筋的变形相同时，钢束的拉应力要明显大于FRP筋的拉应力。结构应力较小的FRP筋将具备较高的疲劳强度，疲劳寿命能够高于钢束，形成有效的疲劳寿命差。当FRP筋-钢束组合吊索结构内部的钢束断裂时，***的FRP筋会依然存在而继续承载，全桥结构的安全性依然存在，也给了吊索结构维修与拆换的时间，有效降低钢丝表面锈蚀带来钢丝疲劳强度明显的巨大风险。
2. FRP筋-钢束组合吊索结构可以减小钢束受环境的腐蚀程度。传统的单一钢材的吊索结构在钢束表面涂保护材料，如沥青、黄油等等，还有的在钢束外面套一根钢套管，但是由于吊索结构是反复的疲劳受力，保护层会出现裂纹，甚至破坏，从而外部大气环境中的有害气体、水分等有害物质会进入吊索结构内部，从而与钢束接触，加大钢束的腐蚀作用。FRP筋-钢束组合吊索结构的吊索部分由***的FRP筋和内部的钢束组成。因为FRP材质不受环境的腐蚀作用，相当于给内部的钢束添加了一层有效保护层，这将降低维护成本并有望提高吊索结构的使用寿命。
3.与承载力一样大的传统的单一钢材的吊索结构相比，由于FRP筋-钢束组合吊索结构的FRP筋具有轻质高强的力学性质，FRP筋-钢束组合吊索结构的自重较轻。
4. 与吊杆采用单一FRP材质的吊索结构相比，由于FRP筋的的弹性模量明显比钢束的弹性模量小，FRP筋-钢束组合吊索结构的变形要比单一FRP材质的吊索结构有明显的改善。
附图说明
图1是本发明FRP筋-钢束吊索结构的三维结构离散图；
图2是本发明FRP筋-钢束吊索结构的三维立体图；
图3是本发明FRP筋-钢束吊索结构的复合夹片锚具的局部放大的三维结构离散图；
图4是本发明FRP筋-钢束吊索结构的复合夹片锚具的局部放大的三维立体图；
图5 是本发明FRP筋-钢束吊索结构的I-I剖面图。
图中有：1．FRP筋，2．钢束，3．组合用锚具，4．FRP筋专用锚件，5．钢束用锚件，6．锚板，7．圆头锚环，8. FRP筋用夹片，9. 金属筒，10. 粘结胶，11. 断堵，12螺钉。
具体实施方式
本发明的具备预警功能的FRP筋-钢束组合吊索结构，包括FRP筋1、钢束2和复合夹片锚具3。所述吊索结构的索体由FRP筋1、钢束2两种材料的受拉杆件组合而成，钢束位于吊索内部区域，FRP筋位于吊索***区域；所述FRP筋1通过FRP筋专用锚件4锚固在复合夹片锚具3上，所述钢束2通过钢束用锚件5锚固在复合夹片锚具3上。
本发明的具备预警功能的FRP筋-钢束组合吊索结构，包括所有综合使用FRP筋1和钢束2的组合吊索结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，例如修改FRP筋用锚件4或者钢束用锚件5的形式等，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
参见图1，该FRP筋-钢束组合吊索结构包括FRP筋1、钢束2和复合夹片锚具3。其中复合夹片锚具3的构造较复杂，包括FRP筋专用锚件4、钢束用锚件5及锚板6。FRP筋专用锚件4的构造由圆头锚环7， FRP筋用夹片8，金属筒9，粘结胶10，断堵11，螺钉12组成。
复合夹片锚具的构造组成方式为：
1）钢束用锚件（夹片）5和FRP筋专用夹片8的前端均有倒角；钢束用锚件（夹片）5与钢束2接触一面、FRP筋专用夹片8与金属筒9接触一面均有牙纹；钢束用锚件（夹片）5与锚板6的圆锥孔壁间、FRP筋专用夹片8与圆头锚环7内壁间均存在0.1-0.5o的角度差。
2）圆头锚环7的外壁半径与锚板6的圆形内壁半径相等，两者光滑紧密地贴在一起。
3）金属筒9的轴线与FRP筋1的轴线为同一根直线，金属筒9内壁有细纹。
4）封堵11以FRP筋1轴线与其交点为圆心开了一个孔，以便FRP筋1能通过，孔的直径略大于FRP筋1的外径，孔与FRP筋1间的空隙用粘结胶10填满。封堵11通过螺钉12与金属筒9固连。
其具体实施包括以下步骤：
1）将所有钢束2穿过张拉孔，在钢束用锚件（夹片）5上施加预紧，等待FRP筋1的装入。
2）在所有钢束2就位之时，将FRP筋1分批穿过金属筒9，然后在FRP筋1和金属筒9之间空隙注满粘结胶10，用螺母12将封堵11固定于金属筒9两端。
3）带结构粘结胶10凝固并养护完毕后，将养护好的FRP筋1连同金属筒9一起，和圆头锚环7、FRP筋专用夹片8按照图5的示意安装于锚板6上，用夹片8将FRP筋1预紧。
4）对FRP筋1和钢束2同时进行张拉、锚固。
Claims (3)
1.一种具备预警功能的FRP筋-钢束组合吊索结构，其特征在于，该吊索结构的索体由FRP筋（1）、钢束（2）组合而成，所述钢束（2）设置于吊索内部区域，所述FRP筋（1）设置于环绕内部区域的***区域中；所述FRP筋（1）通过FRP筋专用锚件（4）锚固在复合夹片锚具（3）上，所述钢束（2）通过钢束用锚件（5）锚固在复合夹片锚具（3）上。
2.根据权利要求1所述的FRP筋-钢束组合吊索结构，其特征在于，所述FRP筋专用锚件（4）采用带粘结护套的夹片式锚具，由从内到外依次设置的金属筒（9）、FRP筋用夹片（8）、圆头锚环（7）组成，所述钢束用锚件（5）为夹片式锚具。
3.根据权利要求1或2所述的FRP筋-钢束组合吊索结构，其特征在于，所述复合夹片锚具（3）包括用以锚固钢束（2）的钢束锚固区和用以锚固FRP筋（1）的FRP筋锚固区，所述FRP筋锚固区环绕钢束锚固区设置。
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