CN102995667A - 滑移隔震型桩基顶部弯矩释放器 - Google Patents

滑移隔震型桩基顶部弯矩释放器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种滑移隔震型桩基顶部弯矩释放器，是通过凸球面锥台与凹球面底座的球型接触面压缩传递竖向荷载，且在凸球面锥台与凹球面底座之间的空隙中填充软质聚氨基甲酯缓冲层，通过半径不等的球面之间的细微摆动来适应墩底或承台底面的转角并通过凸球面锥台与凹球面底座之间空隙中填充软质聚氨基甲酯缓冲层缓冲碰撞力，通过滑移板与承接板间的摩擦阻力限制并限制墩底或承台底面传递给桩基础的水平力，在确保轴向力顺利传递的同时，允许桩基顶部与墩底或承台底部间产生少量水平滑移，从而阻断桥梁上部和桥墩弯矩向桩基础传递的路径，达到显著降低地震时桩基础的弯矩的目的。

Description

滑移隔震型桩基顶部弯矩释放器
技术领域
本发明属于桥梁桩基础减隔震技术领域，特别涉及一种能够阻断桥梁上部和桥墩弯矩向桩基础传递，并限制桥梁上部结构和桥墩传递给桩基础的水平力的滑移隔震型桩基顶部弯矩释放器。
背景技术
传统的桩基础和桥墩、承台采用固结方式连接，地震作用下，桥梁的上部结构和桥墩的惯性力产生的巨大弯矩并传递到桩基础。对于承台下设置的大直径群桩基础，地震作用下桩基顶部的转角需求大，由于弯矩和转角过大导致桩基顶部附近的混凝土出现破坏。由于桩基础埋置于地下或水下，地震损伤和破坏难以发现、维修及加固，因此对桩基础的抗震性能要求普遍高于桥梁的其他部位。
目前钢筋混凝土桩基础的抗震性能主要通过延性设计，即增加桩基顶部区段钢筋和箍筋的用量来提高截面的抗弯能力，从而减小桩基础震害的程度。但是延性设计虽然可以提高钢筋混凝土桩基础的抗弯能力和混凝土开裂破碎后的塑性变形能力，但延性设计并未从根本上降低桩身承受的地震力（尤其是弯矩）的大小，而且需要在桩基顶部保护层混凝土破坏后行程混凝土塑性铰来适应桩基顶部转角需求，强震作用下，经过延性设计加强的桩基础依然会产生混凝土开裂、钢筋屈服等无法恢复的塑性破坏，只是破坏程度比未经延性设计的桩基础要小。因此，经延性设计加强的桩基础依然存在震后损伤检查及维修加固困难的问题，而且桩基础的混凝土、钢筋材料用量大，工程造价高。
发明内容
为了解决现有技术中的大直径桩基础地震时破坏程度大且不易检查及维修加固的缺点，本发明提供了一种能够阻断桥梁上部结构和桥墩向桩基础传递弯矩的路径，限制上部结构和桥墩向桩基础传递的水平力，从而显著降低桩基础中的弯矩，降低工程造价的滑移隔震型桩基顶部弯矩释放器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：在上连接板的下表面设置有滑移板，在滑移板的下方设置有倒置的凸球面锥台，凸球面锥台的上表面开有凹槽，凹槽中设置有承接板，承接板的上表面与滑移板的下表面搭接，在凸球面锥台的下方设置有凹球面底座，凹球面底座的顶部开有与凸球面锥台结构相适配的锥形槽，凸球面锥台的凸出部分延伸至锥形槽的槽底，在凹球面底座与凸球面锥台之间设置有缓冲层。
上述凸球面锥台的顶面是平面，凸球面锥台的底面中间部分凸起形成倒置锥台，其锥度为1:1～3，倒置锥台下底面为球面结构。
上述凸球面锥台的倒置锥台下端面的球面半径是倒置锥台下端横截面直径的1.8～2.4倍。
上述凹球面底座的顶面是平面，顶面中心开有锥形槽，锥形槽底面是与凸球面锥台的下端面相适应的球面结构。
上述锥形槽底面的球面半径是凸球面锥台下端球面半径的1.4～1.6倍。
上述锥形槽的截面半径与同高度处凸球面锥台的截面半径之差小于5cm。
上述缓冲层是由橡胶或者聚氨基甲酯材料填充在锥形槽与凸球面锥台之间的空隙中所形成。
上述滑移板的下表面边沿设置有密封层，能够防止地下水渗入。
上述凹球面底座的外形是倒置锥台结构或者圆柱形或者棱柱形。
上述承接板是聚四氟乙烯板，滑移板是不锈钢板。
本发明的滑移隔震型桩基顶部弯矩释放器，通过凸球面锥台与凹球面底座的球型接触面压缩传递竖向荷载，且在凸球面锥台与凹球面底座之间的空隙中填充软质聚氨基甲酯缓冲层，通过半径不等的球面之间的细微摆动来适应墩底或承台底面的转角并通过凸球面锥台与凹球面底座之间空隙中填充软质聚氨基甲酯缓冲层缓冲碰撞力，通过滑移板与承接板之间的摩擦阻力限制并限制墩底或承台底面传递给桩基础的水平力，在确保轴向力顺利传递的同时，允许桩基顶部与墩底或承台底部间产生少量水平滑移，从而阻断桥梁上部和桥墩弯矩向桩基础传递的路径，达到显著降低地震时桩基础的弯矩的目的，减少桩基的损伤且桩基础不需要采用延性设计，无需增大桩基础截面，可以显著的降低混凝土及钢筋的材料用量及工程造价。
附图说明
图1为滑移隔震型桩基顶部弯矩释放器的结构示意图。
具体实施方式
现结合附图与实施例对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于下述的实施方式。
实施例1
如图1所示，本实施例的滑移隔震型桩基顶部弯矩释放器是通过上连接板1、滑移板2、凸球面锥台3、承接板4、凹球面底座5、缓冲层6以及密封层7联接构成。
本实施例中，在上连接板1的上表面焊接联接有12个锚固螺栓，通过锚固螺栓与桥梁的承台8底部固定联接，在上连接板1的下表面焊接有与上连接板1等大且与之层叠的滑移板2。滑移板2采用不锈钢材料制成板状结构。在滑移板2的下表面边沿处设置有密封层7，可以用普通的橡胶密封材料，能够将滑移板2与桩基9的顶面密封联接，防止地下水侵入腐蚀其它构件。
在滑移板2的中部正下方设置有倒置的凸球面锥台3，凸球面锥台3是钢制材料铸成，凸球面锥台3的顶面是平面结构，在顶面中部加工有一个圆形凹槽，圆形凹槽中放置有与滑移板2贴合的承接板4，承接板4的几何形状为圆板状，由聚四氟乙烯材料制成，该承接板4嵌入凹槽中，能够限制其在凸球面锥台3上产生水平方向位移，承接板4的上表面与滑移板2的下表面贴合，将桥梁的承台8与桩基9部分隔开，当桥梁承台8受到水平振动荷载时，能够在滑移板2与承接板4之间的摩擦阻力作用下产生滑移，充分释放桩基9顶部的水平荷载，从而降低桩基9损伤。该凸球面锥台3的底面中间部分向下凸起，形成倒置圆锥台，该倒置圆锥台的锥度为1:2，该倒置圆锥台高80cm，最大直径为85cm，最小直径为45cm，倒置锥台的下端面为圆球面结构，球面半径为90cm，即该球面半径是倒置锥台的下端截面直径的2倍。
在凸球面锥台3的下方设置有凹球面底座5，凹球面底座5是由钢质材料制成，凹球面底座5底面中部向外突出，呈圆锥台结构，凹球面底座5底面的圆锥台最大直径为100cm，最小直径为60cm，高度为60cm，承载凸球面锥台3所传递的压力。本实施例的凹球面底座5的顶面是平面结构，在顶面的中部加工有锥形槽，该锥形槽的结构与上述凸球面锥台3的倒置锥台结构相适应，其锥度为1:1.93，大于凸球面锥台3的倒置锥台的锥度，以适应凸球面锥台3在锥形槽中的微幅摆动，其最大直径为92cm，最小直径为60cm，深度为70cm，在同一高度位置处，锥形槽的截面半径与上述的倒置锥台的截面半径之差在5cm之内，槽底为圆球结构，球面半径为90cm，即为凸球面锥台3的倒置锥台下端球面直径的1.5倍，凸球面锥台3的倒置锥台伸入该锥形槽内，通过凸球面锥台3的下端面与锥形槽槽底吻合，传递竖向的荷载。
在凹球面底座5与凸球面锥台3之间的空隙中硫化有软质的聚氨基甲酯材料作为缓冲层6。
使用时，将本实施例的桩基顶部弯矩释放器安装在桩基9的顶部与桥梁承台8底部之间。上连接板1与滑移板2嵌入承台8的底部，保证滑移板2的下表面与承台8的底面平齐，凹球面底座5埋置于桩基9顶部的混凝土中，凹球面底座5的顶面正好卡在桩基9顶面上，与桩基9的顶面平齐。
当发生地震时，上下设置的上连接板1、滑移板2、凸球面锥台3、凹球面底座5的相互挤压缓冲承台8与桩基9顶部之间所产生的竖向荷载，当桥梁的承台8受到地震产生的水平荷载，承台8在滑移板2与承接板4之间的摩擦阻力影响下产生滑移，限制了承台8底面传递给桩基9顶部的水平力，减小了桩基9顶部水平力产生的弯矩，从而消减或者降低桩基9损伤，当承台8与桩基9顶部之间产生扭转弯矩时，在上连接板1的带动下凸球面锥台3与凹球面底座5之间的转动适应承台8底面与桩基9顶面之间的转角并释放弯矩，软质的聚氨基甲酯层可以缓冲下凸球面锥台3与凹球面底座5之间的转动，这种结构的桩基9顶部弯矩释放器能够有效缓减地震时桩基9所产生的弯矩，降低桩基9损伤，延长桩基9础的使用寿命。
实施例2
本实施例中，凸球面锥台3的顶面是平面结构，底面中间部分向下突起，形成倒置圆锥台，该倒置圆锥台的锥度为1:1，该倒置圆锥台高30cm，最大直径为60cm，最小直径为30cm，倒置锥台的下端面为圆球面结构，球面半径为54cm，即该球面半径是倒置锥台的下端截面直径的1.8倍。
本实施例中，凹球面底座5底面的圆锥台最大直径为65cm，最小直径为35cm，高度为50cm，承载凸球面锥台3所传递的压力。本实施例的凹球面底座5的顶面是平面结构，在顶面的中部加工有锥形槽，该锥形槽的结构与上述凸球面锥台3的倒置锥台结构相适应，其锥度为1:0.97，大于凸球面锥台3的倒置锥台的锥度，其最大直径为63cm，最小直径为32cm，深度为30cm，槽底为圆球结构，球面半径为64cm，即为凸球面锥台3的倒置锥台下端截面直径的2倍，凸球面锥台3的倒置锥台伸入该锥形槽内，通过凸球面锥台3的下端面与锥形槽槽底吻合。其它的部件及其联接关系与实施例1相同。
实施例3
本实施例中，凸球面锥台3的顶面是平面结构，底面中间部分向下突起，形成倒置圆锥台，该倒置圆锥台的锥度为1:3，该倒置圆锥台高30cm，最大直径为40cm，最小直径为30cm，倒置锥台的下端面为圆球面结构，球面半径为72cm，即该球面半径是倒置锥台的下端截面直径的2.4倍。
本实施例中，凹球面底座5底面的圆锥台最大直径为45cm，最小直径为40cm，高度为50cm，承载凸球面锥台3所传递的压力。本实施例的凹球面底座5的顶面是平面结构，在顶面的中部加工有锥形槽，该锥形槽的结构与上述凸球面锥台3的倒置锥台结构相适应，其锥度为1:2.95，大于凸球面锥台3的倒置锥台的锥度，其最大直径为45cm，最小直径为34cm，深度为29cm，槽底为圆球结构，球面半径为55cm，即为凸球面锥台3的倒置锥台下端球面半径的1.6倍，凸球面锥台3的倒置锥台伸入该锥形槽内，通过凸球面锥台3的下端面与锥形槽槽底吻合。其它的部件及其联接关系与实施例1相同。
实施例4
上述实施例1～3中，缓冲层6用普通橡胶材料制成，用以消减凹球面底座5与凸球面锥台3之间挤压力。其它的部件及其联接关系与相应实施例相同。
实施例5
上述实施例1～4中，凹球面底座5的外形结构是圆柱形，在凹球面底座5的顶面中部开有锥形槽，该锥形槽与凸球面锥台3的倒置锥台结构相适应。其它的部件及其联接关系与相应实施例相同。
实施例6
上述实施例1～4中，凹球面底座5的外形结构是四棱柱形，在凹球面底座5的顶面上中部开有锥形槽，锥形槽的结构与凸球面锥台3的结构相适应。其它的部件及其联接关系与相应实施例相同。
上述实施例的滑移隔震型桩基顶部弯矩释放器还可以安装在桥墩底与桩基9顶部之间以及其他的用于防滑、隔震的桩基9中。

Claims (10)

1.一种滑移隔震型桩基顶部弯矩释放器，其特征在于：在上连接板（1）的下表面设置有滑移板（2），在滑移板（2）的下方设置有倒置的凸球面锥台（3），凸球面锥台（3）的上表面开有凹槽，凹槽中设置有承接板（4），承接板（4）的上表面与滑移板（2）的下表面接触，在凸球面锥台（3）的下方设置有凹球面底座（5），凹球面底座（5）的顶部开有与凸球面锥台（3）结构相适配的锥形槽，凸球面锥台（3）的凸出部分延伸至锥形槽的槽底，在凹球面底座（5）与凸球面锥台（3）之间设置有缓冲层（6）。
2.根据权利要求1所述的滑移隔震型桩基顶部弯矩释放器，其特征在于：所述凸球面锥台（3）的顶面是平面，凸球面锥台（3）的底面中间部分凸起形成倒置锥台，其锥度为1:1～3，倒置锥台下底面为球面结构。
3.根据权利要求2所述的滑移隔震型桩基顶部弯矩释放器，其特征在于：所述凸球面锥台（3）的倒置锥台下端面的球面半径是倒置锥台下端横截面直径的1.8～2.4倍。
4.根据权利要求1所述的滑移隔震型桩基顶部弯矩释放器，其特征在于：所述凹球面底座（5）的顶面是平面，顶面中心开有锥形槽，锥形槽底面是与凸球面锥台（3）的下端面相适应的球面结构。
5.根据权利要求4所述的滑移隔震型桩基顶部弯矩释放器，其特征在于：所述锥形槽底面的球面半径是凸球面锥台（3）下底面球面半径的1.4～1.6倍。
6.根据权利要求1所述的滑移隔震型桩基顶部弯矩释放器，其特征在于：所述锥形槽的截面半径与同高度处凸球面锥台（3）的截面半径之差小于5cm。
7.根据权利要求1所述的滑移隔震型桩基顶部弯矩释放器，其特征在于：所述缓冲层（6）是由橡胶或者聚氨基甲酯材料填充在锥形槽与凸球面锥台（3）之间的空隙中所形成。
8.根据权利要求1所述的滑移隔震型桩基顶部弯矩释放器，其特征在于：所述滑移板（2）的下表面边沿设置有密封层（7）。
9.根据权利要求1所述的滑移隔震型桩基顶部弯矩释放器，其特征在于：所述凹球面底座（5）的外形是锥台结构或者圆柱形或者棱柱形。
10.根据权利要求1所述的滑移隔震型桩基顶部弯矩释放器，其特征在于：所述承接板（4）是聚四氟乙烯板，滑移板（2）是不锈钢板。
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