CN104831616A - 耗能-分灾型地震落梁失效多级控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耗能-分灾型地震落梁失效多级控制系统，包括桥墩（1）和主梁（2），两个相邻设置的主梁（2）的相邻端部位于同一个桥墩（1）上，同一位置处的主梁（2）的端部下方与对应桥墩（1）的顶部上方之间设有耗能机构（3），相互对应的桥墩（1）、主梁（2）以及耗能机构（3）三者之间相互连接构成第一级耗能型限位控制系统；任两个相邻主梁（2）的相邻端部之间皆通过具有缓冲性能的抗拉型机构（4）相连，相邻主梁（2）及其之间的抗拉型机构（4）相互连接构成第二级主梁体系连续化防梁体坠落控制系统。本发明充分体现了耗能减震、多级设防和结构分灾的结构抗震设计理念，系统功能明确且控制性能优良，适宜推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种桥梁地震失效控制技术，尤其是一种桥梁结构被动耗能减震控制和结构分灾设计中的耗能-分灾型地震落梁失效多级控制系统，具体说是一种通过耗能限位功能和上部体系连续化功能，并能在不同水准地震下自动实现两级控制功能转换，以实现对桥梁地震落梁破坏有效预防及桥梁结构地震安全保护的新型地震落梁失效控制系统。
背景技术
在桥梁可能发生的诸多失效破坏中，最为常见和严重的，是上部结构的落梁。1923年日本的Great Tokyo地震中，Tamagawa双幅铁路桥的数跨钢梁产生落梁震害，这是最早的桥梁地震落梁失效破坏实例；1971年美国San Fernando地震中，大量的桥梁在伸缩缝处发生落梁破坏；1976年我国唐山地震中，发生落梁破坏的大、中型梁式桥就有18座，其中以胜利桥和滦河公路桥最为典型；1989年美国Loma Prieta地震中，奥克兰海湾大桥东桥的一段钢桁架梁发生倒塌；1994年美国Northridge地震中，Gavin Canyon跨线桥的第二跨和第四跨完全塌落；1995年日本Kobe地震中，西宫港大桥第一跨引桥发生落梁；1999年我国台湾集集地震中，名竹大桥、一江桥、乌溪桥等多数桥梁出现落梁现象；2008年我国汶川地震中，震区较多的梁桥，如高树大桥、龙尾大桥、百花大桥、庙子坪大桥等由于受到过大的地震作用，引发不同程度的落梁破坏。落梁失效是对桥梁的使用功能影响最大的失效形式之一。一方面，落梁会导致交通中断，严重影响抗震救灾行动，且震后修复难度很大；另一方面，落梁时梁端很可能会撞击桥墩，导致桥梁的整体倒塌，从而造成更大的震害。由于地震中落梁失效的普遍性及其严重后果，控制桥梁发生落梁的技术日益受到重视，已经成为国内外桥梁抗震研究中的一个非常重要的课题。
目前实现落梁控制的技术途径主要有三种：（1）以构造措施控制落梁的发生，如减少伸缩缝数量、加强桥面连续性、适当加宽盖梁和支座宽度、增设防落梁挡块、加设锚栓等；（2）减隔震被动控制技术，如各种减隔震支座及阻尼器的应用；（3）防落梁失效控制系统和装置。其中第一条途径简便、易于实现且造价低廉，但其主要采取基于震害经验的定性设计，缺乏完整性和系统性、功能较为单一、规定又过于笼统，基本没有考虑桥梁的结构形式。因此，在地震作用下这些落梁失效控制措施也很难真正起到防落梁效果。第二条途径国内外都开展过大量研究，取得了丰富的研究成果。我国《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01-2008）和《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ166-2011）也引入了减隔震设计的内容，一些减隔震桥梁在地震中表现出良好的抗震性能，保证了震后桥梁的正常使用。然而，减隔震技术对于落梁失效控制而言仍具有一定的局限性，不能完全有针对性的解决落梁失效的问题。首先，减隔震技术的应用存在一定的范围，如场地条件、地震波性质、桥梁线形、墩高、桥长等，超出适用范围使用则可能产生负面影响；其次，单独采用减隔震技术进行失效控制属于单级控制，当桥梁遭受到超出预期强度的地震时，减隔震装置本身很可能因为达到极限状态而发生破坏，使得墩梁之间的连接或梁梁之间的连接中断，不能再起到防落梁的作用；再者，采用隔震设计的桥梁，由于使用了隔震装置，使得桥梁的自振周期变长，增大了其上部结构在地震发生时的水平变位，与防落梁设计的原则有一定的冲突，当发生大地震时，这样的大变位可能引起桥跨结构的脱落。第三条途径是在原有桥梁结构的基础上附加防落梁的控制装置，起到落梁失效保护的作用。由于桥梁场地未来可能遭遇的地震具有不确定性，桥梁很可能会受到超出设防标准的罕遇地震影响，此时桥梁强烈的地震反应有可能导致构造措施和减隔震技术的途径都已失效而不再发挥防止落梁的作用，而经过特殊考虑和设计的防落梁控制装置则有可能继续工作，实现防落梁的技术目标。上述三种落梁控制技术各有优缺点，在地震作用下单独依靠其中一种技术实现对落梁失效的控制均有一定的局限性。
按照连接模式，现有的防落梁装置通常可以分为两类：一类是上部主梁与下部结构之间连接的位移限制模式（简称墩-梁连接模式），墩-梁连接模式直接把主梁的惯性力传递到桥墩或桥台，虽然可以有效地控制上部结构的刚体位移，但有可能加重或导致下部结构的地震破坏，造成桥梁局部或连续倒塌；另一类是上部梁体之间直接连接的模式（简称梁-梁连接模式），梁-梁连接模式是通过连接各个分离的梁段，使地震作用能在各个梁段之间进行传递，梁-梁连接模式可以实现上部结构的连续化，加强整体性，防止梁体坠落，但基本上没有改变上部结构与下部结构的相互作用行为，上部结构可能产生比较大的位移而不能得到有效的控制。此外，单一的梁-梁连接模式或墩-梁连接模式属于单水准控制，不能有效地控制结构在地震下的破坏程度。
因此，有必要建立一种复合型的多级桥梁防落梁控制系统，以期在未来不确定地震中综合发挥上述各种控制技术在耗能、限位和防落梁等方面的优势，尽可能地减轻桥梁地震损伤和落梁破坏。
发明内容
本发明的目的是针对国内外关于防落梁失效控制系统的不足，基于耗能减震、多级设防及结构分灾的抗震设防思想，提出一种具有耗能限位功能和上部体系连续化功能，并能在不同水准地震下自动实现两级控制功能转换的新型耗能-分灾型地震落梁失效多级控制系统，以满足桥梁地震落梁控制与结构地震安全保护的需求。
本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
一种耗能-分灾型地震落梁失效多级控制系统，包括桥墩和主梁，其特征在于：两个相邻设置的主梁的相邻端部位于同一个桥墩上，同一位置处的主梁的端部下方与对应桥墩的顶部上方之间设有耗能机构，相互对应的桥墩、主梁以及耗能机构三者之间相互连接构成第一级耗能型限位控制系统；任两个相邻主梁的相邻端部之间皆通过具有缓冲性能的抗拉型机构相连，相邻主梁及其之间的抗拉型机构相互连接构成第二级主梁体系连续化防梁体坠落控制系统。
所述主梁的端部下方与桥墩的顶部上方之间设有自动控制转换开关。
所述的自动控制转换开关位于耗能机构的上方和/或下方。
所述的自动控制转换开关采用具有抗震分灾保险丝功能的元件制成。
所述主梁的端部与桥墩的顶部之间通过耗能机构连接且为该耗能机构留置自由行程量。
所述的耗能机构采用耗能材料或耗能元件制成。
所述两个主梁的端部之间通过具有缓冲性能的抗拉型机构相连且为该抗拉型机构留置松弛长度。
所述的具有缓冲性能的抗拉型机构采用抗拉型材料和缓冲材料制成。
本发明相比现有技术有如下优点：
本发明的耗能-分灾型地震落梁失效多级控制系统充分体现了耗能减震、多级设防和结构分灾三个抗震性能设计理念，针对桥梁地震反应特性和落梁机制，同时具备耗能限位及主梁拉结连续化防落梁两级控制性能，通过有效的位移约束、合理的耗能机制和明确的分灾保险丝构造满足不同水准设防下对桥梁地震落梁失效的有效控制和对桥墩的地震安全保护。
本发明的耗能-分灾型地震落梁失效多级控制系统不需要外界能量的输入，系统工作时所处的控制状态及控制级别的转换完全由所遭遇的地震强烈程度及其所引起的结构反应决定，本质上属于两种被动控制方法相结合的混合控制措施，可以安全、可靠地实现预定的控制功能。
本发明的耗能-分灾型地震落梁失效多级控制系统的两级失效控制功能的转换是通过事先设定的自动控制转换开关的阀值完成的，通过对阀值的优化设定，既可以避免由于墩梁连接薄弱发生移位落梁，又可以避免由于墩梁连接过强导致桥墩产生的不可修复性损伤，有效地达到两阶段的控制目标。
本发明的耗能-分灾型地震落梁失效多级控制系统可以被制作成一套控制装置，将该控制装置装配至桥梁上即可实现两级落梁失效的控制功能，具有良好的应用效果和市场前景。
附图说明
附图1为本发明的耗能-分灾型地震落梁失效多级控制系统结构原理示意图。
其中：1—桥墩；2—主梁；3—耗能机构；4—抗拉型机构；5—自动控制转换开关。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示：一种耗能-分灾型地震落梁失效多级控制系统，包括桥墩1和主梁2，其特征在于：两个相邻设置的主梁2的相邻端部位于同一个桥墩1上，同一位置处的主梁2的端部下方与对应桥墩1的顶部上方之间设有耗能机构3，主梁2的端部与桥墩1的顶部之间通过耗能机构连接且为该耗能机构留置自由行程量，耗能机构3采用耗能材料（如软钢、形状记忆合金）或耗能元件（如阻尼器）制成，相互对应的桥墩1、主梁2以及耗能机构3三者之间相互连接构成第一级耗能型限位控制系统，在正常使用荷载及小震作用下该多级控制系统不工作，仅当遭遇中震时该多级控制系统才以第一级控制模式（耗能型限位控制）发挥耗散地震能量、限制主梁2与桥墩1之间相对位移的作用；任两个相邻主梁2的相邻端部之间皆通过具有缓冲性能的抗拉型机构4相连，抗拉型机构4采用抗拉型材料（如钢拉索、FRP）和缓冲材料（如缓冲橡胶、弹簧）制成，相邻主梁2及其之间的抗拉型机构4相互连接构成第二级主梁体系连续化防梁体坠落控制系统，另外该抗拉型机构4留置松弛长度，以确保在第一级控制阶段时第二级主梁体系连续化防梁体坠落控制系统不发挥作用，仅当遭遇大震时系统自动跳转至第二级控制阶段并以第二级控制模式（主梁体系连续化防梁体坠落控制）发挥上部主梁2连续化拉结、防止梁体坠落的作用。上述第一级耗能型限位控制系统和第二级主梁体系连续化防梁体坠落控制系统之间的相互转换是通过事先设定的自动控制转换开关的阀值完成的，通过对阀值的优化设定，既可以避免由于墩梁连接薄弱发生移位落梁，又可以避免由于墩梁连接过强导致桥墩产生的不可修复性损伤，有效地达到两阶段的控制目标；该自动控制转换开关5设置在主梁2的端部下方与桥墩1的顶部上方之间，同时自动控制转换开关5位于耗能机构3的上方和/或下方；上述自动控制转换开关5采用具有抗震分灾保险丝功能的元件制成，该抗震分灾保险丝可选用抗震剪力销（键）或具有局部强度削弱的连接件并考虑合理有效的断开强度，以确保在达到转换阀值时，桥墩1-主梁2之间的连接中断，第一级耗能型限位控制系统退出工作，桥墩的附加地震作用得到释放，于此同时，主梁2-主梁2连接模式发挥作用，第二级主梁体系连续化防梁体坠落控制系统进入工作，从而拉结上部主梁2、防止梁体坠落。
本发明的控制系统工作原理如下：
当遭遇中等强烈地震影响时系统处于第一级性能控制模式（耗能限位模式），此状态下系统具有耗能能力，同时提供足够的恢复力，控制桥墩1-主梁2之间由于地震作用产生的相对位移，构成防止桥梁发生落梁破坏的首道防线；系统处于第一级性能控制模式时自动控制转换开关5未触发，第二级性能控制不发挥作用。
当遭遇特别强烈地震影响时系统处于第二级性能控制模式（主梁体系连续化防梁体坠落控制模式），此状态下系统具有主梁2拉结连续化能力，同时提供足够的缓冲力，控制主梁2-主梁2之间的相对位移，并缓和地震时强大的冲击力，控制梁体坠落的发生，形成防落梁系统的第二道防线；系统处于第二级性能控制模式时第一级性能控制已退出工作，不再发挥任何作用。
该两级控制系统设有自动控制转换开关5，实现系统从第一级性能控制模式自动跳转至第二级性能控制模式，发挥抗震分灾保险丝的功能，在防止落梁的同时避免桥墩地震作用的过度增大。
本发明的耗能-分灾型地震落梁失效多级控制系统充分体现了耗能减震、多级设防和结构分灾三个抗震性能设计理念，针对桥梁地震反应特性和落梁机制，同时具备耗能限位及主梁拉结连续化防落梁两级控制性能，通过有效的位移约束、合理的耗能机制和明确的分灾保险丝构造满足不同水准设防下对桥梁地震落梁失效的有效控制和对桥墩的地震安全保护；该耗能-分灾型地震落梁失效多级控制系统不需要外界能量的输入，系统工作时所处的控制状态及控制级别的转换完全由所遭遇的地震强烈程度及其所引起的结构反应决定，本质上属于两种被动控制方法相结合的混合控制措施，可以安全、可靠地实现预定的控制功能；不需要外界能量的输入，系统工作时所处的控制状态及控制级别的转换完全由所遭遇的地震强烈程度及其所引起的结构反应决定，并通过事先设定的自动控制转换开关5的阀值完成两级失效控制功能的转换，通过对自动控制转换开关5的阀值的优化设定，既可以避免由于墩梁连接薄弱发生移位落梁，又可以避免由于墩梁连接过强导致桥墩产生的不可修复性损伤，有效地达到两阶段的控制目标；该耗能-分灾型地震落梁失效多级控制系统可以被制作成一套控制装置，将该控制装置装配至桥梁上即可实现两级落梁失效的控制功能，系统功能明确、结构合理且控制性能优良，具有良好的应用效果和市场前景。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种耗能-分灾型地震落梁失效多级控制系统，包括桥墩（1）和主梁（2），其特征在于：两个相邻设置的主梁（2）的相邻端部位于同一个桥墩（1）上，同一位置处的主梁（2）的端部下方与对应桥墩（1）的顶部上方之间设有耗能机构（3），相互对应的桥墩（1）、主梁（2）以及耗能机构（3）三者之间相互连接构成第一级耗能型限位控制系统；任两个相邻主梁（2）的相邻端部之间皆通过具有缓冲性能的抗拉型机构（4）相连，相邻主梁（2）及其之间的抗拉型机构（4）相互连接构成第二级主梁体系连续化防梁体坠落控制系统。
2.根据权利要求1所述的耗能-分灾型地震落梁失效多级控制系统，其特征在于：所述主梁（2）的端部下方与桥墩（1）的顶部上方之间设有自动控制转换开关（5）。
3.根据权利要求2所述的耗能-分灾型地震落梁失效多级控制系统，其特征在于：所述的自动控制转换开关（5）位于耗能机构（3）的上方和/或下方。
4.根据权利要求2或3所述的耗能-分灾型地震落梁失效多级控制系统，其特征在于：所述的自动控制转换开关（5）采用具有抗震分灾保险丝功能的元件制成。
5.根据权利要求1所述的耗能-分灾型地震落梁失效多级控制系统，其特征在于：所述主梁（2）的端部与桥墩（1）的顶部之间通过耗能机构（3）连接且为该耗能机构（3）留置自由行程量。
6.根据权利要求1或5所述的耗能-分灾型地震落梁失效多级控制系统，其特征在于：所述的耗能机构（3）采用耗能材料或耗能元件制成。
7.根据权利要求1所述的耗能-分灾型地震落梁失效多级控制系统，其特征在于：所述两个主梁（2）的端部之间通过具有缓冲性能的抗拉型机构（4）相连且为该抗拉型机构（4）留置松弛长度。
8.根据权利要求1或7所述的耗能-分灾型地震落梁失效多级控制系统，其特征在于：所述的抗拉型机构（4）采用抗拉型材料和缓冲材料制成。
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| CN111335147A (zh) * | 2020-03-13 | 2020-06-26 | 西安石油大学 | 一种自复位的高阻尼橡胶与sma钢棒联合的防落梁装置 |
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| CN104831616B (zh) | 2017-03-08 |
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