專利名稱：加固橋梁的方法
技術領域：
本發明涉及橋梁，尤其是全鋼正交異性橋梁(orthotropic bridge)、全鋼鐵路橋以及復合混凝土橋面鋼梁橋梁的維修或加固。
背景技術：
在作為引用結合于此的文檔US 5,778,813和US 6,050,208中描述了一種建筑夾層板(structural sandwich plate)部件，其包括兩層外側金屬板和塑料或聚合材料的芯，所述聚合材料例如不發泡聚氨酯，所述的芯以足夠的強度粘合到外側板，以實質地有助于部件的結構強度。這些夾層板系統(SPS)可以在多種形式的結構下采用以代替剛性鋼板、成型鋼板、加固混凝土或復合鋼-混凝土結構，并且極大簡化了該合成結構，在減輕重量的同時改善了強度和結構性能(例如，剛性、阻尼特性)。這種結構夾層板部件的進一步發展在WO 01/32414中進行了描述，該文獻也通過引用結合于此。如其中描述的，泡沫成型件或插件也可以并入芯層中，以減輕重量，并且可以增加橫向金屬剪切板以改善剛性。
根據的WO 01/32414的示教，泡沫成型件可以是空心的或實心的。空心成型件產生更大的重量減少并且因此是有利的。該文獻中所描述的成型件不限于由輕量泡沫材料制成，而且也可以由其他材料制成，例如木材或鋼箱、壓塑型材和空心塑料球。
也能作為新的構造應用，SPS構造的原理以已經應用到海上結構的維修中，特別是RoRo渡船的車輛甲板。這個過程，如同公知的覆蓋物，在WO 02/20341中有所描述，該文獻通過引用完整地結合于此。簡而言之，清潔并準備現有的金屬面板，例如通過噴砂，然后在現有的金屬面板上焊接加固板以便形成腔體。然后用液態熱固性聚合物例如聚氨酯填充腔體，所述熱固性聚合物以足夠的強度將所述加固板設置和粘合到現有面板，以傳遞現有面板和加固板之間的剪切力。這種維修方法可以在比傳統的切割-更換維修更短的時間內實現，減少了船舶的故障時間，并且能夠提供具有改善的結構和磨損特性的甲板。
如WO 02/29160所描述，還建議使用SPS面板以形成D-橋梁、活動便橋(bailey bridge)和梁橋的橋面。
許多道路和鐵路橋梁由鋼或復合結構(鋼和混凝土)制成。整個典型復合道路橋梁的橫向剖面如附圖的圖1所示。如圖中所見，混凝土橋面10由縱向鋼梁11支撐。梁的尺寸、間隔和數量取決于橋梁的尺寸、承受的載荷和設計者的選擇。傳統的與混凝土橋面破壞相關的維修方法，從重鋪路面到徹底更換橋面各有不同。更換橋面要求將舊的混凝土橋面去掉并通常用跨在多個梁之間的預制的預應力混凝土板代替。這種板包括用于連接加固鋼、剪切連接件、護欄(guard rail)、交通隔離柵和鄰接點的封閉部(block out)。將這些隨后將被放置的板后張(post-tension)并灌漿，以使它們連接起來并與現有梁復合。入射(in-field)灌漿接合點的耐久性是有問題的。
如附圖的圖2所示的是全鋼正交異性橋梁。在這種橋梁中，可以例如承載瀝青路的鋼橋面20通過多根也是鋼制的縱向槽加固。鋼制的箱梁22跨在橋墩之間以支撐橫向梁和正交異性橋面。這種類型的橋梁容易疲勞，在將槽形剛性件連接到橋面板的焊縫或焊縫附近的橋面板中形成裂紋，或在槽形剛性件穿過梁腹的梁腹或橫向梁/橫隔處形成裂紋。傳統的維修方法要求識別疲勞裂紋、背面清根和重新焊接裂紋。可以采用其他的局部加固或改變幾何形狀或形成的焊點組，以減少局部應力范圍和重整這些裂紋的概率。
在如附圖的圖3所示的高架鋼制鐵路橋梁上，采用鋼制面板30支持路基31，所述路基31依次支撐枕木(鐵路枕木)和鐵軌32。鋼制橋面面板預制為雙曲率并鉚接到橫向梁33上。重復的動態載荷導致在凸出橫向梁凸緣末端的懸臂部的范圍內在整個板上形成疲勞裂紋。利用舊的結構，鋼的種類可能是不能焊接的，在這種情況下唯一已知的維修方法是用新的鋼結構替換預制鋼橋面和橫向梁。
維修以修復所描述的橋梁類型的方法影響交通流量并且對本地經濟有不利影響。導致維修時間減少并且經常在有限的夜間時段或非高峰關閉時段進行維修。然而，在某些情況下需要完全關閉。改路線也會增加成本。
發明內容
本發明的目的是提供一種方法，通過所述方法，橋梁可以維修、恢復和改善，例如增加了負荷能力或增強了結構性能，特別是抗剪切和減小結構噪音。
根據本發明的第一方面，現有的混凝土橋面復合鋼梁橋梁可以通過用預制SPS橋面面板代替現有混凝土橋面來恢復，所述SPS橋面面板隨后通過面板之間的螺栓連接或焊接與鋼梁復合，或通過用具有整體梁的SPS面板完全替換上部構造來恢復。在每種情況下，預制SPS橋面面板的使用在橋面替換中提供了方便，這種方便轉化為更短的建造周期，所述更短的建造周期可以適應有限的關閉。預制SPS橋面面板提供了進一步的工廠質量控制和有限的場地裝配數量的優勢，這是公知并廣泛應用的，因此提供了具有與鋼制上部結構相同使用壽命的橋面結構。
另外，本發明的第一方面可以提供一種同等或更高強度和剛度的橋面，而重量比原來的相應加固混凝土橋面少75％。如此量級的橋面重量減輕或是考慮到增加負荷能力，或是考慮到增加交通道路的數量，而不需要加固路基或增加附加梁。
根據本發明的第二方面，提供了一種維修、加固或增強現有橋梁的結構性能的方法，所述方法包括將加固板以間隔的關系與橋梁結構的現有板或梁固定以形成閉合腔體，并且將液體形式的塑料或聚合材料注入所述腔體，由此所述塑料或聚合材料設置或固化，從而以足夠的強度粘合所述加固板和現有板以傳遞其間的剪切力。
通過將加固板固定到橋梁結構的底面，使得對負荷承載橋面的破壞最小化，并且在很多情況下在維修期間交通可以繼續順暢。徹底的維修提供了結構夾層板，所述結構夾層板具有增加的剛性和具有的良好的震動衰減特性。增加的橫向剛性件有助于相鄰的槽形剛性件之間的集中輪式載荷的橫向載荷分配，并且有利地減小了在將槽形剛性件連接到橋面面板的重要焊接組處以及這些槽形件穿過橫隔或橫向梁處的應力范圍，使得總體上抗疲勞性和使用壽命增加。
加固板或本發明的材料、尺寸和通常性能可以針對本發明要實施的特定橋梁自由選擇，并且通常在US-5,778,813和US-6,050,208中進行了描述。鋼或不銹鋼是通常采用在0.5至20mm的厚度，并且在需要輕質量的情況下可以采用鋁。類似地，塑料或聚合材料的芯部可以是任何適合的材料，例如聚氨酯的壓縮彈性體，在US-5,778,813和US-6,050,208中進行了描述。
在本發明的第二方面中，維修在具有多根槽形剛性件的橋梁的底面進行，在注入芯部材料之前，加固板跨在槽形剛性件的底部之間，并且輕量成型件設在槽之間的間隔中。輕量成型件或插件應該具有比芯部材料低的密度并且能夠在注入和設置芯部材料的過程中耐受足夠的溫度和壓力，但另一方面由于所述輕量成型件或插件不對維修結構的強度有很大的作用，因此其機械性能不特別重要。輕量成型件不應該完全充滿槽之間的空間，而應該允許芯部材料層在其周圍。
方便地，輕量成型件可以是中空加長體。在一個特定實施例中，輕量成型件由通過端帽封閉的可伸縮中空棱柱組成。所述棱柱可以具有梯形剖面以適合剛性槽之間的間隔。
在本發明的第二方面，維修可替代地施加到橋面表面。在這種情況下，使用耐熱粘合劑將SPS覆蓋物腔體的外周條固定到現有結構是有利的。然后將新橋面面板與外周條和新橋面面板彼此之間的焊接將不會損害底面表面的噴漆或防腐蝕涂層。
本發明將結合典型實施例和附圖進行描述，在圖中圖1是典型的混凝土橋面復合鋼梁橋梁的剖視圖；圖2是典型的具有箱梁的鋼正交異性橋梁的正軸側視圖；圖3是具有預制鋼板的鐵路橋梁的正軸側視圖；圖4是根據本發明第一實施例的復合鋼梁的橋梁的橋面的剖視圖；
圖5是根據本發明第二實施例的復合鋼梁的橋梁的橋面的正軸側視圖；圖6是圖2中所示橋梁的正軸側視圖，將本發明第三實施例的方法應用到所述橋梁上以從底面維修并加固橋面結構；圖7是圖6的維修的橋梁的放大圖；圖8是圖2中所示橋梁的正軸側視圖，將本發明第四實施例的方法應用到所述橋梁上以從上方維修并加固橋面結構；圖9是圖3中所示橋梁的正軸側視圖，將本發明第五實施例的方法應用到所述橋梁上；圖10是圖9的維修的橋梁的縱剖面；圖11是描述圖9的維修的橋梁的排水管詳情的剖視圖；圖12是描述圖9的維修的橋梁的面板的放大圖；圖13是根據本發明第六實施例的具有結構增強梁腹的典型箱梁橋梁(為清楚起見沒有橋面)的正軸側視圖；以及圖14是根據本發明第六實施例的具有結構增強梁腹的剛性板梁的正軸側視圖；在各個附圖中，相同的部件用相同的數字表示。
具體實施例方式
根據本發明的第一個實施例，現有的混凝土橋面復合鋼梁的橋梁通過以如圖4所示的預制SPS橋面面板101替換混凝土橋面而被維修。隨后，通過面板101之間的螺栓連接或焊接，SPS橋面面板與現有的鋼梁102復合。通過在鄰接的邊緣將它們焊接在一起，替換的SPS面板101延續形成。現有的或新的鋼護欄103可以與SPS橋面面板螺栓連接。
每塊SPS面板101都包括通過塑料或聚合材料的中間層或芯層105粘合在一起的外側金屬面板104、106。所述外側金屬面板可以是根據特定應用要求厚度在2-20mm范圍內的鋼板。對于塑料或聚合材料，優選地使用壓縮的(即無泡沫)熱固性材料，例如聚氨酯彈性體(polyurethaneelastomer)。芯層105可以具有15-200mm范圍內的厚度，并且以足夠的強度粘合到面板104、106，并且具有足夠的機械性能以在加固件和現有結構之間傳遞應用中所期望的剪切力。粘合強度應該大于3MPa，優選地大于6MPa，并且尤其當需要暴露在高溫中使用時，芯部材料的彈性系數應該大于200MPa，優選地大于250MPa。由于芯層的功效，加固結構具有只有實質上更大板厚和更大附加剛性的加強鋼板才具有的強度和負荷能力。當然，更換面板101不一定是平的，但不論采用什么形狀都要適合現有的結構。
預制SPS橋面面板的使用提供了橋面更換的簡便，這種簡便轉化為更短的建造周期，所述更短的建造周期可以適應有限的關閉(limitedclosure)。預制SPS橋面面板提供了進一步的工廠質量控制和有限的場地裝配數量優勢，這一點是公知并廣泛應用的，因此為橋面結構提供了類似于鋼上部結構的使用壽命。
在本發明的第二實施例中，如圖5所示，上部結構完全被具有整體梁202的SPS面板201代替。SPS面板201與第一實施例中的面板101基本相同，但縱向和/或橫向梁202在離廠(off-site)裝配期間與面板整合。所述梁的梁腹(web)可以形成空腔的側壁部分，在所述空腔中注入芯部材料，同時一塊或兩塊面板可以作為梁的邊緣。如同在第一實施例中，預制SPS橋面面板提供了橋面更換的便利，工廠質量控制和有限的現場裝配數量，并具有隨后的優點。
另外，本發明的第一和第二實施例提供了與原始加固混凝土橋面相比具有相等或更高的強度和剛度、同時重量減少達75％的橋面。這個量級的橋面重量減輕使得或者可以增加負荷能力或者可以增加交通車道的數目，而不需要加固路基或增加額外的梁。
如圖6所示，在本發明的第三實施例中，包括載荷橋面20和剛性槽(stiffening trough)21的橋梁的現有結構通過跨接在剛性槽21底部之間的附加加固板33 1而被維修或被加固。根據特定應用的要求，加固板331可以是具有2至20mm范圍內厚度的鋼板。為了將加固板331粘合到現有結構上，可以采用塑料或聚合材料的芯層332，優選為例如聚氨酯彈性體的壓縮熱固性材料。芯部可以具有15-200mm的厚度范圍。芯部332以足夠的強度粘合到加固板331和現有結構20、21上，并且具有足夠機械性能以在加固件和現有結構之間傳遞應用中的預期的剪切力。粘合強度應該大于3MPa，優選地大于6MPa，并且尤其當需要暴露在高溫中使用時，芯部材料的彈性系數應該大于200MPa，優選地大于250MPa。由于芯層的功效，加固結構具有只有實質上更大板厚和更大附加剛性的加強鋼板才具有的強度和負荷能力。當然，加固板不一定是平的，但不論采用什么形狀都要適合現有的結構。
為了減小被要求將加固件粘合到現有結構的芯部材料的體積，在剛性槽21之間的間隔設有輕量的成型件或插件333。成型件333優選地具有與在槽之間的間隔的剖面形狀匹配的剖面形狀，但是其大小設置為使芯部材料層的厚度范圍為15-200mm周圍。成型件優選為適當剖面的加長中空體，但也可以由輕量材料，例如泡沫材料制成。每個插件也可以由多個標準剖面的加長部件組成，以避免為每個橋梁制造特定的成型件。
如圖7更清楚地所示的是所述維修橋梁的放大圖，每個成型件333優選地由兩個適合套335的部件334構成，以便成型件的長度可以通過將部件334滑入或滑出套335來調整。端帽336封閉成型件的兩端。這種設置適合剛性槽的輪廓和間隔是不變的橋梁，但橫向梁之間的間隔可以改變。
特別地當中空的時候，成型件可以適應于任何應用，例如，可以附加在橋梁底面的水管或氣管、電源或通信線纜。如果在橫向梁中設有適當的接入點和通孔，中空成型件也可以作為以后附加應用的中繼設備。
為了實現維修，首先對所有槽21的下表面和橋面20暴露的板進行噴砂處理，以提供一個芯部材料能夠粘附的清潔表面。然后將成型件333固定在適當位置，例如通過點焊，并且采用適當的間隔件。一旦完成，插接桿(landing bar)被焊接在加固板邊沿的適當位置上以便加固板能夠焊接在適當位置。由加固板和現有結構限定的空腔是密封的，根據需要留有灌注口和排氣孔。然后將芯部材料注入并使之固化以形成加強板和現有結構之間的強力結合。為了完成，灌注口和排氣孔可以被密封并且在任何期望的表面處理之前與地面齊平，所述表面處理例如，為防止腐蝕或根據美學原因進行涂漆。
同樣的橋梁可以通過在頂部表面附加覆蓋物來進行維修，如圖8所示的本發明的第四實施例。在這個實施例中，加固板401被固定在現有板20上方以形成空腔。然后該空腔通過注入塑料或聚合材料402而被填充，所述塑料或聚合材料在設置時將加固板401以足夠的強度粘合到現有板20上，以傳遞應用中的預期剪切力。在這方面，第四實施例與本發明的其他實施例相同，并且加固板和芯部材料如上描述。當芯層完全固化時，將瀝青路表面403鋪設在加固板頂部。
為了在注入芯部之前將加固板401固定在適當位置上，被焊接或粘合的外周條(perimeter bar)用于限定將要填充的腔。也可以采用間隔件和輕量成型件或插入件，如在本發明的其他實施例中。
在本發明的第五實施例中，維修在高架鐵路橋的預制鋼板的底面進行，以增強抗疲勞性并延長結構的使用壽命。圖9中所示的維修在形狀和結構方面與現有結構一樣并且不降低原有性能。
在不影響鐵路服務的情況下從下面維修，兩塊與現有結構形狀匹配的預制板501、502被螺栓連接到現有結構的橫向梁的梁腹(web oftransverse beam)并且用單側鉚釘(one-side rivet)彼此鉚接，如圖10所示，在延伸跨過橋梁的面板長度方向的中部形成搭接點503。搭接點提供了簡單連接細節，該簡單連接細節允許延橋梁長度方向上的尺寸變化。然后，排水口504如圖11被重建。
柔性、封閉單元(closed-cell)的泡沫狀材料和堵縫物(caulking)的組合物被用于密封腔體的端部。然后腔體被從下方注入，首先通過中心區域并且隨后到任意一端，以確保以芯部材料505完成填充。這種維修方法不僅減小了現有預制鋼面板中的應力范圍(在導向邊或鄰近導向邊，在那里懸臂板部分通過橫向梁的凸緣末端上方)，由此在增強了抗疲勞性，還提供了粘滯-彈性(visco-elastic)層以吸收結構噪音，并且為有像這種高架鐵路系統的城市中心增加了利益。
本發明的第六實施例是現有結構的修改，如圖13和14所示，該修改是將SPS覆蓋件601應用到箱梁603和板梁604的梁腹602上，其主要目的在于減少與橋梁承載的交通(公路或鐵路)所引起的顫動有關的結構噪音。由于焊接組將剛性件連接到梁腹上，本發明的附加效果是結構增強、增加抗剪切和抗疲勞性。
在第五和第六實施例中，加固板與芯層的材料和尺寸可以與先前描述的實施例相同。
應該理解，上述說明書并非限定性的，而且可以有其他的修改和改變也落入由所附權利要求書限定的本發明的范圍。
權利要求
1.一種維修、加固或恢復橋梁的方法，其特征在于，包括將加固板以間隔的關系與橋梁結構的現有板或梁固定以形成閉合腔體，并且將液體形式的塑料或聚合材料注入所述腔體，由此所述塑料或聚合材料設置或固化，從而以足夠的強度粘合所述加固板和現有板以傳遞其間的剪切力。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，現有板或梁位于橋梁的底面上。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，橋梁具有多個槽形剛性件，在芯部材料注入之前，加固板跨在槽形剛性件的底部之間，并且在所述槽之間的間隔內設置輕量成型件。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，輕量成型件具有比芯部材料更低的密度。
5.根據權利要求3或4所述的方法，其特征在于，輕量成型件是中空的加長體。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，輕量成型件由被端帽封閉的可伸縮中空棱柱構成。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，棱柱具有梯形剖面以適合剛性槽之間的間隔。
8.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，橋梁具有跨在梁之間的多塊板，并且所述固定加固板的步驟包括將第一加固板固定到第一梁上并且將第二加固板固定到鄰近第一梁的第二梁上，第一和第二加固板合作跨過所述梁之間的間隔。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，第一和第二加固板在搭接點重疊。
10.根據權利要求8或9所述的方法，其特征在于，第一和第二加固板是彎曲的以配合現有板的曲率。
11.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，現有板是箱梁或板梁的梁腹。
12.根據前面任何一項權利要求所述的方法，其特征在于，加固板是金屬的，例如鋼、不銹鋼或鋁。
13.根據前面任何一項權利要求所述的方法，其特征在于，加固板具有0.5至20mm的厚度范圍。
14.根據前面任何一項權利要求所述的方法，其特征在于，塑料或聚合材料的芯部是彈性體，例如聚氨酯。
15.根據權利要求14所述的方法，其特征在于，彈性體是壓縮的。
16.一種橋梁，包括現有結構，與所述現有結構相鄰設有加固板，所述加固板通過塑料或聚合材料的中間層粘合到現有結構，所述中間層以足夠的強度粘合所述加固板和現有板，以傳遞其間的剪切力。
全文摘要
一種維修、加固或恢復橋梁的方法，包括將加固板以間隔的關系與尤其在橋梁結構底部的現有板或梁固定以形成閉合腔體，并且將液體形式的塑料或聚合材料注入所述腔體，由此所述塑料或聚合材料設置或固化，從而以足夠的強度粘合所述加固板和現有板以傳遞其間的剪切力。
文檔編號E01D22/00GK101091023SQ200580039136
公開日2007年12月19日 申請日期2005年10月25日 優先權日2004年11月18日
發明者斯蒂芬·約翰·肯尼迪 申請人:智能工程(巴哈馬)有限公司