CN103774548A - 一种根部设置加劲耗能壁板的箱形钢桥墩 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种根部设置加劲耗能壁板的箱形钢桥墩,包括箱形钢桥墩本体,还包括有耗能体,耗能体包括四块高强钢平板和四块低屈服点钢平板,四高强钢平板围成一方形框架,且相邻的两高强钢平板焊固连接在一起,四高强钢平板上开设有开口,四低屈服点钢平板分别相应地嵌入四开口内,且低屈服点钢平板与高强钢平板可拆卸在一起,各高强钢平板与箱形钢桥墩本体焊固在一起。本发明的有益效果如下:通过高强钢平板可起到箱形钢桥墩的受力骨架作用,为桥墩提供足够的承载能力和刚度,且其极限弹性应变值较大,能够保证加劲低屈服点钢平板的屈服耗能,使箱形钢桥墩的延性好、抗震性能优良,具有施工快捷,便于震后损伤检测及快速修复的优点。

Description

一种根部设置加劲耗能壁板的箱形钢桥墩
技术领域
本发明涉及钢桥墩技术领域,特别涉及一种箱形钢桥墩。
背景技术
桥梁属于“头重脚轻”的结构,大部分质量集中在上部结构,在地震震动作用下,水平地震力将集中作用于上部结构,并通过上部结构传递到下部桥墩,相对于下部桥墩,桥梁的上部结构在其水平向平面内的强度和刚度都足够大,因此,下部桥墩是桥梁结构抵抗水平地震力的关键构件。现阶段,国内外的桥墩一般都采用钢筋混凝土结构形式,这种形式的桥墩抗压性能好,但延性差,在历次地震中都遭受严重破坏,且在震后难以及时修复使用,给震后抢险救灾带来麻烦,造成的间接损失也十分巨大。桥梁作为生命线工程的主要组成部分,是交通运输的枢纽,在抗震救灾中起着至关重要的作用。桥墩是桥梁结构的主要承重结构,其损坏与否对桥梁结构整体的损伤乃至倒塌起着举足轻重的作用。现阶段,国内外的桥墩一般都采用钢筋混凝土结构形式,这种形式的桥墩抗压性能好,但延性差,在历次地震中都遭受严重破坏,且在震后难以及时修复使用,给震后抢险救灾带来麻烦,造成的间接损失也十分巨大。
在一些地震频发地区,如美国、日本、以及我国的台湾地区,为了提高桥梁的抗震性能,已开始采用普通钢材制作的钢桥墩作为下部支撑结构。与传统的钢筋混凝土桥墩相比,钢桥墩不仅具有良好的抗震性能,还具有自重轻、占地面积小、现场施工快捷、震后可快速修复补强等显著优点。近几年,我国城市高架桥、高速公路桥梁以及人行天桥等建设中,正积极尝试采用钢桥墩作为桥梁结构的下部支撑构件,其中箱形钢桥墩在两个主轴方向均有较好的抗弯性能,且比圆钢管桥墩加工制作简便,在实际工程中应用更为普遍。但是,因箱形钢桥墩的壁板较薄,在地震中箱形钢桥墩根部壁板易发生局部屈曲变形,致使箱形钢桥墩的抗震性能急剧恶化。
为了提高箱形钢桥墩根部的延性,工程中常用做法是在钢桥墩根部约1/3范围内填充混凝土,此种做法虽可使箱形钢桥墩的根部不易发生变形,但混凝土的填充一方面会增加箱形钢桥墩的自重,进而增加桥墩基础处理费用,使箱形钢桥墩的建设费用较高,另一方面给地震后箱形钢桥墩的损伤检测及加固补强带来困难,使箱形钢桥墩的自重轻、现场施工快捷、震后可快速修复补强等突出优点受到极大限制。
有鉴于此,本申请人对现有箱形钢桥墩的缺陷进行深入研究,本案由此产生。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗震性能好,现场施工快捷、自重轻,便于震后损作检测及快速修复的根部设置加劲耗能壁板的箱形钢桥墩。
本发明的技术方案是这样的:一种根部设置加劲耗能壁板的箱形钢桥墩,包括箱形钢桥墩本体,还包括有设置在上述箱形钢桥墩本体下方的耗能体,上述耗能体的外形呈与上述箱形钢桥墩本体的形状相吻合的中空方形体结构,上述耗能体包括四块高强钢平板和四块低屈服点钢平板,四上述高强钢平板围成一方形框架,且相邻的两上述高强钢平板焊固连接在一起,四上述高强钢平板上开设有沿上述高强钢平板的高度方向延伸的开口,四上述低屈服点钢平板分别相应地嵌入四上述开口内,且上述低屈服点钢平板与上述高强钢平板可拆卸在一起,各上述高强钢平板与上述箱形钢桥墩本体焊固在一起。
还包括有横隔板,上述横隔板为与上述耗能体外形相吻合的方形板,上述横隔板处于上述箱形钢桥墩本体与上述耗能体之间,且上述横隔板与上述箱形钢桥墩本体及各上述高强钢平板焊固成一体,上述横隔板的中间部位开设有一中心通孔。
还包括有底板,上述底板为方形结构,上述底板的外径大于上述耗能体的外径,上述底板叠设于上述耗能体的底部下,并与各上述高强钢平板焊固成一体,上述底板位于上述耗能体底部外的部位处设有锚栓孔。
上述高强钢平板的中间部位处具有将上述高强钢平板分隔成两块小高强钢平板的断口,上述断口为上述开口,上述小高强钢平板的高度是上述箱形钢桥墩本体横截面的1.0~1.5倍,上述小高强钢平板的宽度为上述低屈服点钢平板宽度的1/2,上述小高强钢平板的屈服强度为390MPa、420MPa或460MPa;上述低屈服点钢平板的屈服强度为100MPa、160MPa或225MPa;上述低屈服点钢平板的上端端面低于上述小高强钢平板的上端端面,上述小高强钢平板的下端端面处于上述低屈服点钢平板的下端端面下方,且上述低屈服点钢平板的上端端面与上述小高强钢平板的上端端面之间的距离和上述低屈服点钢平板的下端端面与上述小高强钢平板的下端端面之间的距离均为20mm~30mm。
上述小高强钢平板的外侧壁位于与上述低屈服点钢平板的侧边相邻的部位上凹设有沿上述低屈服点钢平板的高度方向延伸的,并供上述低屈服点钢平板的侧端部叠设于内的安装凹陷,且上述低屈服点钢平板的该侧端部通过若干连接螺栓锁固在上述安装凹陷内,各上述连接螺栓沿上述低屈服点钢平板的高度方向间隔并排设置,上述低屈服点钢平板的外侧壁与上述小高强钢平板的外侧壁相齐平。
上述连接螺栓为摩擦型高强螺栓。
上述低屈服点钢平板的内侧壁上设有加强肋条。
上述加强肋条为沿上述低屈服点钢平板的高度方向延伸的纵向加强肋条,上述纵向加强肋条的上端端部与上述低屈服点钢平板的上端端部之间的间距和上述纵向加强肋条的下端端部与上述低屈服点钢平板的下端端部之间的间距为10mm~20mm。
上述加强肋条为沿上述低屈服点钢平板的宽度方向延伸的横向加强肋条,上述横向加强肋条设置有两条或两条以上,各上述横向加强肋条沿上述低屈服点钢平板的高度方向并排间隔设置。
上述加强肋条包括沿上述低屈服点钢平板的高度方向延伸的纵向加强肋条和沿上述低屈服点钢平板的宽度方向延伸的横向加强肋条,上述纵向加强肋条与上述横向加强肋条相互交叉设置。
本发明的有益效果如下:
一、利用高强钢的高屈服强度、高抗拉强度及高屈服应变的力学特性,使由四高强钢平板围成的方形框架可起到箱形钢桥墩的受力骨架作用,为箱形钢桥墩提供足够的承载能力和刚度,且其极限弹性应变值较大,能够保证低屈服点钢平板的屈服耗能,可使箱形钢桥墩的延性好、抗震性能优良;
二、利用低屈服点钢的屈服强度低、屈服应变小、强度稳定和变形能力强的力学特性,使各低屈服点钢平板可作为主要屈服耗能部作,从而使箱形钢桥墩的耗能能力较强,并通过检测各低屈服点钢平板的屈服状况可迅速评定震后箱形钢桥墩的抗震性能,再利用低屈服点钢平板与高强钢平板的可拆卸连接,可快速震后受损的低屈服点钢平板,进而可修复箱形钢桥墩的抗震能力,确保桥梁保持畅通,对震后紧急救援和灾后重建具有至关重要作用;
三、低屈服点钢平板和高强钢平板可在工厂内加工制作,现场仅需吊装即可,具有施工工期短,施工快捷、自重轻的优点,可大幅缩短桥梁交通管制时间,从而可大大加快地震与突发事故后桥梁的修复速度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为本发明中耗能体的俯视图;
图3为本发明中底板的结构示意图;
图4为本发明中低屈服点钢平板的结构示意图;
图5a为本发明中低屈服点钢平板与加强肋条的第一种组合示意图;
图5b为本发明中低屈服点钢平板与加强肋条的第二种组合示意图;
图5c为本发明中低屈服点钢平板与加强肋条的第三种组合示意图;
图5d为本发明中低屈服点钢平板与加强肋条的第四种组合示意图;
图5e为本发明中低屈服点钢平板与加强肋条的第五种组合示意图。
图中:
箱形钢桥墩本体              1            耗能体                 2
高强钢平板                  21           低屈服点钢平板         22
加强肋条                    221          连接螺栓               3
横隔板                      4            中心通孔               41
底板                        5            锚栓孔                 51
箱形基础                    100
具体实施方式
本发明的一种根部设置加劲耗能壁板的箱形钢桥墩,如图1-3所示,包括箱形钢桥墩本体1,和设置在箱形钢桥墩本体1下方的耗能体2,该箱形钢桥墩本体1的外形呈正四面体结构,该耗能体2的外形呈与箱形钢桥墩本体1的形状相吻合的中空方形体结构,耗能体2包括四块高强钢平板21和四块低屈服点钢平板22,四高强钢平板21围成一方形框架,且相邻的两高强钢平板21焊固连接在一起,各高强钢平板21的上端端部与箱形钢桥墩本体1焊固在一起,且每一高强钢平板21的中间部位处上开设有沿高强钢平板21的高度方向延伸的,并将高强钢平板21分隔成两小高强钢平板的断口,则制作由四高强钢平板21围成方形框架时只需制备八块小高强钢平板即可,并将两小高强钢平板相互垂直设置焊固成一角钢,这样八块小高强钢平板制作出四块角钢,此四块角钢相当于耗能体2的四角,小高强钢平板的高度是箱形钢桥墩本体1横截面的1.0~1.5倍,经发明人多次试险和有限元分板时得到根部发生屈曲的高度约为横截面直径的1.0~1.5倍,据此限定了根部隔室的高度以节省钢材,小高强钢平板的屈服强度为390MPa、420MPa或460MPa,小高强钢平板的厚度t=2ft/f(式中,f为箱形钢桥墩的屈服强度;t为箱形钢桥墩的厚度;f为小高强钢平板的屈服强度),四低屈服点钢平板22分别相应地嵌入四高强钢平板21的断口内,该低屈服点钢平板22的屈服强度为100MPa、160MPa或225MPa,该低屈服点钢平板22的上端端面低于小高强钢平板的上端端面,小高强钢平板的下端端面处于低屈服点钢平板22的下端端面下方,且低屈服点钢平板22的上端端面与小高强钢平板的上端端面之间的距离和低屈服点钢平板22的下端端面与小高强钢平板的下端端面之间的距离均为20mm~30mm,该低屈服点钢平板22与小高强钢平板可拆卸在一起,即小高强钢平板的外侧壁位于与低屈服点钢平板22的侧边相邻的部位上凹设有沿低屈服点钢平板22的高度方向延伸的,并供低屈服点钢平板22的侧端部叠设于内的安装凹陷(图中未示出),且低屈服点钢平板22的该侧端部通过若干连接螺栓3锁固在安装凹陷内,各连接螺栓3沿低屈服点钢平板22的高度方向间隔并排设置,低屈服点钢平板22的外侧壁与小高强钢平板的外侧壁相齐平,各连接螺栓3均为摩擦型高强螺栓,各连接螺栓3均为双螺帽螺栓,且连接螺栓3外套设有两个处于两螺帽之间螺帽垫圈,通过两螺帽垫圈可防止长期使用过程中连接螺栓发生松动的现象。
本发明的有益效果如下:
一、利用高强钢的高屈服强度、高抗拉强度及高屈服应变的力学特性,使由四高强钢平板21围成的方形框架可起到箱形钢桥墩的受力骨架作用,为箱形钢桥墩提供足够的承载能力和刚度,且其极限弹性应变值较大,能够保证低屈服点钢平板的屈服耗能,可使箱形钢桥墩的延性好、抗震性能优良;
二、利用低屈服点钢22的屈服强度低、屈服应变小、强度稳定和变形能力强的力学特性,使各低屈服点钢平板22可作为主要屈服耗能部作,从而使箱形钢桥墩的耗能能力较强,并通过检测各低屈服点钢平板22的屈服状况可迅速评定震后箱形钢桥墩的抗震性能,再利用低屈服点钢平板22与小高强钢平板的可拆卸连接,可快速震后受损的低屈服点钢平板,进而可修复箱形钢桥墩的抗震能力,确保桥梁保持畅通,对震后紧急救援和灾后重建具有至关重要作用;
三、低屈服点钢平板22和小高强钢平板21可在工厂内加工制作,现场仅需吊装即可,具有施工工期短,施工快捷、自重轻的优点,可大幅缩短桥梁交通管制时间,从而可大大加快地震与突发事故后桥梁的修复速度。
本发明中,该箱形钢桥墩还包括有横隔板4和底板5,横隔板4为与耗能体2外形相吻合的方形板,横隔板4处于箱形钢桥墩本体1与耗能体2之间,且横隔板4与箱形钢桥墩本体1的下端及各高强钢平板21的上端焊固成一体,横隔板4的中间部位开设有一中心通孔41,底板5呈方形结构,底板5的外径大于耗能体1的外径,底板5叠设于耗能体1的底部下,并与各高强钢平板21的下端焊固成一体,底板5位于耗能体1底部外的部位处设有锚栓孔51;这样,通过此横隔板4可保证箱形钢桥墩本体1和耗能体2之间的传力顺畅,可形成整体共同抵抗外部荷载作用,同时通过此中心通孔41可减轻横隔板4的自重,并方便使用阶段检修维护,通过此底板5和锚栓孔51可方便耗能体2与箱形基础100的固定连接。
本发明的另一改进之处在于:如图4所示,该低屈服点钢平板22的内侧壁上设有加强肋条221,加强肋条221为普通钢肋条,该加强肋条221焊固在低屈服点钢平板22上,此加强肋条221为沿低屈服点钢平板22的高度方向延伸的纵向加强肋条,纵向加强肋条的上端端部与低屈服点钢平板22的上端端部之间的间距和纵向加强肋条的下端端部与低屈服点钢平板22的下端端部之间的间距为10mm~20mm;通过此加强肋条221可防止薄壁的低屈服点钢平板22发生平面向外弯曲的现象。
本发明中,如图5a所示,该加强肋条可为沿低屈服点钢平板的宽度方向延伸的横向加强肋条,且横向加强肋条的左端与低屈服点钢平板的左侧边之间的间距和横向加强肋条的右端与低屈服点钢平板的右侧边之间的间距均为10mm—20mm,此横向加强肋条设置有两条或两条以上,各横向加强肋条沿低屈服点钢平板的高度方向并排间隔设置。此种形式的加强肋条也可实现加强低屈服点钢平板强度的效果。
本发明中,该加强肋条也可包括沿低屈服点钢平板的高度方向延伸的纵向加强肋条和沿低屈服点钢平板的宽度方向延伸的横向加强肋条,纵向加强肋条与横向加强肋条相互交叉设置,即如图5b所示,该横向加强肋条与纵向加强肋条相互垂直呈十字型结构,如图5c所示,该横向加强肋条设置有二条,二横向加强肋条呈上下方向并排间隔设置,且二横向加强肋条均与纵向加强肋条垂直设置;如图5d所示,该横向加强肋条与纵向加强肋条均设置二条,二横向加强肋条与二纵向加强肋条构成井字型,如图5e所示,该横向加强肋条与纵向加强肋条呈斜向交叉设置;上述四种形式的加强肋条,均可实现可防止低屈服点钢平板发生平面向外弯曲的现象,同时采用井字型和十字型的加强肋条还可使低屈服点钢平板形成合理的受力区格,从而使低屈服点钢平板能够充分发挥屈服耗能能力。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样,任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰,皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (10)

1.一种根部设置加劲耗能壁板的箱形钢桥墩,包括箱形钢桥墩本体,其特征在于:还包括有设置在上述箱形钢桥墩本体下方的耗能体,上述耗能体的外形呈与上述箱形钢桥墩本体的形状相吻合的中空方形体结构,上述耗能体包括四块高强钢平板和四块低屈服点钢平板,四上述高强钢平板围成一方形框架,且相邻的两上述高强钢平板焊固连接在一起,四上述高强钢平板上开设有沿上述高强钢平板的高度方向延伸的开口,四上述低屈服点钢平板分别相应地嵌入四上述开口内,且上述低屈服点钢平板与上述高强钢平板可拆卸在一起,各上述高强钢平板与上述箱形钢桥墩本体焊固在一起。
2.根据权利要求1所述的一种根部设置加劲耗能壁板的箱形钢桥墩,其特征在于:还包括有横隔板,上述横隔板为与上述耗能体外形相吻合的方形板,上述横隔板处于上述箱形钢桥墩本体与上述耗能体之间,且上述横隔板与上述箱形钢桥墩本体及各上述高强钢平板焊固成一体,上述横隔板的中间部位开设有一中心通孔。
3.根据权利要求1所述的一种根部设置加劲耗能壁板的箱形钢桥墩,其特征在于:还包括有底板,上述底板为方形结构,上述底板的外径大于上述耗能体的外径,上述底板叠设于上述耗能体的底部下,并与各上述高强钢平板焊固成一体,上述底板位于上述耗能体底部外的部位处设有锚栓孔。
4.根据权利要求1所述的一种根部设置加劲耗能壁板的箱形钢桥墩,其特征在于:上述高强钢平板的中间部位处具有将上述高强钢平板分隔成两块小高强钢平板的断口,上述断口为上述开口,上述小高强钢平板的高度是上述箱形钢桥墩本体横截面的1.0~1.5倍,上述小高强钢平板的宽度为上述低屈服点钢平板宽度的1/2,上述小高强钢平板的屈服强度为390MPa、420MPa或460MPa;上述低屈服点钢平板的屈服强度为100MPa、160MPa或225MPa;上述低屈服点钢平板的上端端面低于上述小高强钢平板的上端端面,上述小高强钢平板的下端端面处于上述低屈服点钢平板的下端端面下方,且上述低屈服点钢平板的上端端面与上述小高强钢平板的上端端面之间的距离和上述低屈服点钢平板的下端端面与上述小高强钢平板的下端端面之间的距离均为20mm~30mm。
5.根据权利要求4所述的一种根部设置加劲耗能壁板的箱形钢桥墩,其特征在于:上述小高强钢平板的外侧壁位于与上述低屈服点钢平板的侧边相邻的部位上凹设有沿上述低屈服点钢平板的高度方向延伸的,并供上述低屈服点钢平板的侧端部叠设于内的安装凹陷,且上述低屈服点钢平板的该侧端部通过若干连接螺栓锁固在上述安装凹陷内,各上述连接螺栓沿上述低屈服点钢平板的高度方向间隔并排设置,上述低屈服点钢平板的外侧壁与上述小高强钢平板的外侧壁相齐平。
6.根据权利要求5所述的一种根部设置加劲耗能壁板的箱形钢桥墩,其特征在于:上述连接螺栓为摩擦型高强螺栓。
7.根据权利要求1所述的一种根部设置加劲耗能壁板的箱形钢桥墩,其特征在于:上述低屈服点钢平板的内侧壁上设有加强肋条。
8.根据权利要求7所述的一种根部设置加劲耗能壁板的箱形钢桥墩,其特征在于:上述加强肋条为沿上述低屈服点钢平板的高度方向延伸的纵向加强肋条,上述纵向加强肋条的上端端部与上述低屈服点钢平板的上端端部之间的间距和上述纵向加强肋条的下端端部与上述低屈服点钢平板的下端端部之间的间距为10mm~20mm。
9.根据权利要求7所述的一种根部设置加劲耗能壁板的箱形钢桥墩,其特征在于:上述加强肋条为沿上述低屈服点钢平板的宽度方向延伸的横向加强肋条,上述横向加强肋条设置有两条或两条以上,各上述横向加强肋条沿上述低屈服点钢平板的高度方向并排间隔设置。
10.根据权利要求7所述的一种根部设置加劲耗能壁板的箱形钢桥墩,其特征在于:上述加强肋条包括沿上述低屈服点钢平板的高度方向延伸的纵向加强肋条和沿上述低屈服点钢平板的宽度方向延伸的横向加强肋条,上述纵向加强肋条与上述横向加强肋条相互交叉设置。
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