CN105735115A - 一种连续梁桥分区控制连接减震装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及桥梁减隔震领域，具体涉及一种连续梁桥分区控制连接减震装置，其包括水平连杆、锁紧螺母、限位装置和连接牛腿，限位装置为空心箱型结构，包括并列设置的一区限位装置和二区限位装置，固定于活动墩上，水平连杆为中部带螺纹的圆杆，穿过限位装置空心区域，两端与连接牛腿铰接，连接牛腿固定于梁体上；锁紧螺母安装在水平连杆上且位于一区限位装置和二区限位装置的两侧，锁紧螺母与一区限位装置和二区限位装置间分别预留设计间隙Δ1和Δ2，且Δ1<Δ2。地震突发时，锁紧螺母与限位装置抵紧接触，协同活动墩和固定墩共同抗震，该装置既可发挥活动墩抗震潜能，又具备耗能功能，原理简单、经济可靠，限位触发间隙调解方便，便与推广应用。

Description

一种连续梁桥分区控制连接减震装置

技术领域

本发明涉及桥梁减隔震领域，具体涉及一种连续梁桥分区控制连接减震装置，地震突发时，根据地震等级的大小，分区控制活动墩和梁体的连接刚度，实现各墩协同受载，同时具备耗能功能，可有效提高结构整体抗震性能，，适用于公路桥、铁路桥、城市桥梁及各类大型连续梁结构的新建抗震设计及既有建筑抗震加固。

背景技术

为满足温度荷载引起的变位需要，一跨连续梁往往仅设置一个固定墩，这不仅使固定墩的抗震能力难以满足地震需求，而且也使得连续梁桥纵向地震位移响应较大，极易引起伸缩缝和支座的破坏，甚至导致落梁等严重震害的发生。为降低连续梁桥的震害，开发研制了粘滞阻尼器、双曲面球型减隔震支座和拉索减震支座等装置，尽管可以取得一定的减震效果，但没有改变连续梁桥固定墩单独承受纵向地震荷载，而其它活动墩的既有抗震潜能未能充分发挥利用的状态。Lock-up装置以梁墩相对运动速度为指标判定锁死时机，理论上可以实现各墩协同受力，但其成本高昂、后期维护复杂，致使其应用较少。专利CN201210074882.7、CN201310693078.1、CN201310561638.8所发明装置虽然可以实现活动墩和梁体的锁死功能，降低固定墩和梁体的地震响应，但由于其连接刚度固定，当活动墩和梁体锁死会导致整桥自振周期缩短从而引发整桥总的地震响应的增加，此外，由于构造特点和作用机理限制，既有锁死装置存在间隙，锁死后活动墩和梁体通过“碰撞”的方式传力承载，也会在一定程度上加大整体地震响应，不利于最大限度的提高连续梁桥抗震性能，且不易实现耗能减震。

发明内容

本发明目的是提供一种原理可靠、构造简单、经济耐用、便于检查与维护的新型大吨位连续梁桥减震装置，利用本发明，可克服现有减隔震装置及既有技术存在的上述缺陷和不足，地震突发时，根据地震荷载的大小分区控制活动墩和梁体的连接刚度，通过“软着陆”的连续方式，实现固定墩和各活动墩协同受力，达到解决常规设计的连续梁桥在纵向地震作用下固定墩单独受力、桥梁上部结构纵向位移过大等震害问题。利用本发明，可为新桥设计和旧桥加固提供新的设计理念和技术思路，适用于桥梁新建和旧桥抗震加固。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一种连续梁桥分区控制连接减震装置，其关键技术在于：其包括水平连杆、锁紧螺母、限位装置和连接牛腿，所述限位装置为空心箱型结构且固定于活动墩上，所述水平连杆为中部带螺纹的圆杆，其外径小于一区限位装置和二区限位装置空心区域，所述限位装置包括并列设置的一区限位装置和二区限位装置，水平连杆穿过一区限位装置和二区限位装置空心区域，两端与连接牛腿铰接，连接牛腿固定于梁体上。在限位装置两侧安装锁紧螺母，锁紧螺母分别与一区限位装置、二区限位装置之间预留设计间隙Δ1和Δ2，如正常运营状态下梁体和活动墩的最大相对变位需求为Δ，则须Δ<Δ1<Δ2，以保证梁墩有相对变位需求Δi时，水平连杆可以在限位装置空心区域间自由穿行。地震突发时，梁墩相对位移变大，中小地震时，当Δi≥Δ1时，锁紧螺母首先与一区限位装置接触，从而限制梁墩相对位移，实现活动墩与固定墩共同承受水平荷载的目的，同时又能通过限位装置内置弹簧、软钢和金属橡胶实现耗能减震；大震发生时，一区限位装置已不能限制梁墩相对位移的进一步增大，当梁墩相对位移Δi≥Δ2时，一区限位装置和二区限位装置共同产生限位和耗能作用，继而最大限度提高连续梁桥抗震性能。该装置原理简单、经济可靠，限位触发间隙调解方便，可用于新建连续梁抗震设计及既有连续梁桥抗震加固，便与推广应用。

作为优选，所述限位装置包括焊接于箱梁上的软钢挡板、固定于软钢挡板之间的金属橡胶以及多个弹簧，两侧软钢挡板外侧中部设有弯头向下的固定挂钩，弹簧固定于两侧软钢挡板外侧，弹簧自由端连接弹簧触板，弹簧触板靠近弹簧侧设有环形挂钩，弹簧拉绳一头铰接于弹簧触板环形挂钩上，另一端弯头向上的活动挂钩与弯头向下的固定挂钩连接，弹簧拉绳设有预紧力，将弹簧压缩至设计位置。箱梁通过下设的连接板固定于活动墩上，软钢挡板和金属橡胶数量根据需要设计，弹簧的轴向刚度小于软钢挡板和金属橡胶组合结构的抗侧移刚度。

作为优选，所述软钢挡板为梯形挡板，单层软钢挡板包括分别焊接在所述箱梁内壁的四个梯形挡板，相邻的梯形挡板之间留有缝隙。

作为优选，锁紧螺母分别布置于一区限位装置和二区限位装置两侧，锁紧螺母与一区限位装置弹簧触板的间隙为Δ1，Δ1大于桥梁正常运营状态下梁墩最大变位需求Δ，锁紧螺母与二区限位装置弹簧触板的间隙为Δ2，Δ2>Δ1,其具体取值可根据一区限位装置中的软钢挡板和金属橡胶所形成的组合结构的抗侧移刚度确定。

所述装置的工作原理是：

正常运营状态，一区限位装置及二区限位装置的弹簧在连接于弹簧触板上的弹簧拉绳预紧力作用下呈中位状态或设计位置，锁紧螺母和一区限位装置及二区限位装置的弹簧触板之间分别存在间隙Δ1、Δ2，且Δ2>Δ1>Δ(正常运营状态梁墩的相对变位需求最大值)，故水平连杆可以在一区限位装置及二区限位装置内自由水平运动，继而满足正常运营状态下梁墩相对变位需求。

地震突发状态，地震突发将导致梁体和活动墩的相对位移Δi加大，中小地震时，即Δ2≥Δi≥Δ1时，仅一区限位装置发挥连接限位耗能作用，锁紧螺母挤压一区限位装置的弹簧触板，弹簧压缩引发弹簧拉绳的活动挂钩脱落，继而锁紧螺母与一区限位装置呈弹性连接状态，由于一区限位装置的弹簧刚度小于软钢挡板和金属橡胶组合结构的抗侧移刚度，故弹簧先期压缩变形，在弹簧压缩至一定程度后，软钢挡板和金属橡胶发生形变，三者一起消耗地震能量，此设计目的在于：一是实现了限位装置与水平连杆的无碰撞连接，降低了整体地震响应；二是弹簧先期一定程度的形变可以通过合适的位移释放一定地震能量；三是通过弹簧、软钢挡板和金属橡胶形变实现耗能减震；当遭遇大震时，一区限位装置先发挥作用，消耗部分地震能量，当梁体和活动墩的相对位移Δi继续加大至Δi≥Δ2时，二区限位装置弹簧触板与锁紧螺母发生碰撞，弹簧拉绳脱落，锁紧螺母同二区限位装置呈弹性连接状态，此时一区限位装置和二区限位装置共同发挥连接限位耗能作用，协同活动墩和固定墩共同承受纵向地震荷载，提高连续梁桥抗震性能。

该装置的核心思想是利用活动墩的抗震潜能，故一区限位装置和二区限位装置所能承受的总的地震荷载F₁根据活动墩的最大承载能力F确定，可取F₁=2F/3,当连续梁桥上部结构地震荷载传递至活动墩的荷载大于F₁时，一区限位装置和二区限位装置的弹簧、软钢挡板和金属橡胶组合体在保持最大荷载状态为F₁的前提下，通过往复形变消耗地震能量，这样，既可发挥活动墩的抗震潜能，以避免活动墩受力过大发生破坏，又能同时耗散地震能量，最大限度的提高连续梁桥整体抗震性能。

有益效果

本发明的积极效果是：研发一种原理可靠、构造简单、经济耐用、便于检查与维护的新型大吨位连续梁桥减震装置，根据地震等级的不同，利用不同的连接刚度协同连续梁桥各墩在地震荷载作用下协同受力，适用于公路桥、铁路桥、城市桥梁及各类大型连续梁结构的新建抗震设计及既有建筑抗震加固，地震突发时，通过原理简单、经济可靠的减震装置，达到结构协同受力的目的，提高结构整体抗震性能。该装置既可充分发挥活动墩抗震潜能，又具备耗能功能，限位触发间隙调解方便，可用于新建连续梁抗震设计及既有连续梁桥抗震加固，便与推广应用。

本发明的分区控制连接，实现了根据地震等级调节活动墩和梁体的连接刚度问题，最大程度的避免了既有梁墩连接减震装置的弊端，即不论震级大小，活动墩和梁体均为刚性连接,导致连续梁桥结构周期变短,继而大幅增加连续梁桥整体地震响应的问题，本发明可根据震级大小，通过“软着路”的方式将活动墩和梁体进行连接，最大限度减小对结构周期的影响，最大程度的提高结构整体抗震性能。

本发明通过弹簧触板的设置，实现了连接装置激活后梁体和活动墩的弹性连接，避免了既有锁死装置连接过程中“碰撞”的发生，消除了“碰撞”所引起的附加地震响应。

本发明具有耗能功能，可通过弹簧、软钢挡板和金属橡胶实现多渠道耗能，具有良好的持续耗能能力和安全性。

本发明分区控制连接调整方式简单，工程应用时，根据每个活动墩的最大承载能力确定一区限位装置和二区限位装置的设计间隙后，通过调整锁紧螺母位置即可实现设计目的。

本发明具有极强的环境适应性，所有装置均为结构件，维护保养简单，环境适应性强。

本发明具有能力保护功能，既可以最大限度的发挥活动墩的抗震潜能，又能避免活动墩受力过大而引发的结构破坏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明的主视结构示意图。

图2是本发明限位装置的剖视结构示意图。

图3是本发明限位装置的侧视结构示意图。

图4是本发明正常运营状态下结构示意图。

图5是本发明中小地震状态下一区限位装置右侧弹簧激活状态结构示意图。

图6是图5中A的局部放大结构示意图。

图7是本发明在中小地震状态下一区限位装置左右两侧弹簧激活状态示意图。

图8是本发明在地震荷载水平反复运动下一区限位装置的工作状态示意图。

图9是本发明在地震荷载水平反复运动下一区限位装置的极限工作状态示意图。

图10是本发明在大地震状态下一区限位装置和二区限位装置共同作用的状态示意图。

图11是本发明在大地震状态下一区限位装置和二区限位装置极限工作状态示意图。

图12是本发明限位装置的另一种实施方式的结构示意图。

其中：1水平连杆、2锁紧螺母、3一区限位装置、4二区限位装置、5连接牛腿、6梁体、7活动墩、001软钢挡板、002金属橡胶、003箱梁、004固定挂钩、005弹簧、006弹簧拉绳、007弹簧触板、008连接板、009手孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图1-12和具体实施例对发明进行清楚、完整的描述。

本实施例的结构如图1所示，一种连续梁桥分区控制连接减震装置，其包括水平连杆1、锁紧螺母2、限位装置和连接牛腿5，所述限位装置包括并列设置的一区限位装置3和二区限位装置4，一区限位装置3和二区限位装置4为空心箱型结构，且均固定于活动墩7上，水平连杆1为中部带螺纹的圆杆，其外径小于限位装置空心区域，水平连杆1穿过一区限位装置3和二区限位装置4的空心区域后两端与连接牛腿5铰接，连接牛腿5固定于梁体上。锁紧螺母2安装于水平连杆上且位于限位装置两侧，锁紧螺母2分别与一区限位装置3、二区限位装置4之间预留设计间隙Δ1和Δ2，且Δ2>Δ1>Δ(Δ为正常运营状态梁墩的相对变位需求最大值)，以保证正常状态下梁体和活动墩有相对变位需求Δi时，水平连杆1可以在限位装置空心区域间自由穿行。

如图2和图3所示，所述限位装置包括截面呈矩形的箱梁003、焊接于箱梁003内壁的多层软钢挡板001、固定于软钢挡板001之间的环状金属橡胶002以及位于两侧软钢挡板001外侧的弹簧005，每层软钢挡板001包括焊接于箱梁腹板和翼缘四周的四个梯形挡板，两侧软钢挡板001外侧中部设有弯头向下的固定挂钩004，其中，每个梯形挡板中部设置有一个固定挂钩004，弹簧005固定于两侧软钢挡板001外侧，弹簧005自由端连接弹簧触板007，弹簧触板007靠近弹簧005侧设有环形挂钩，弹簧拉绳006一端铰接于弹簧触板007的环形挂钩上，另一端弯头向上的活动挂钩与弯头向下的固定挂钩004连接，弹簧拉绳006设有预紧力，将弹簧005压缩至设计位置。箱梁003通过下设的连接板008固定于活动墩7上，软钢挡板001和金属橡胶002的型号和数量根据需要设计，弹簧005的轴向刚度小于软钢挡板001和金属橡胶002组和结构的抗侧移刚度。软钢挡板001为梯形，便于等强度设计，挡板所采用的钢材型号可以根据实际需要进行选择。

如图4所示，锁紧螺母2分别布置于一区限位装置3和二区限位装置4的左右两侧，锁紧螺母2与一区限位装置3的弹簧触板007之间的间隙为Δ1，Δ1大于桥梁正常运营状态下梁墩最大相对位移Δ，锁紧螺母2与二区限位装置4的弹簧触板007之间的间隙为Δ2，Δ2>Δ1,其具体取值可根据一区限位装置3中的软钢挡板001和金属橡胶002的组合结构的抗侧移刚度确定。通过间隙设置，该发明可以满足桥梁正常运营状态下梁墩相对变位需求。

如图5、6和7所示，地震突发时，梁墩相对位移Δi变大，中小地震时，即当Δ2≥Δi≥Δ1时，锁紧螺母2首先与一区限位装置3一侧的弹簧触板007接触，锁紧螺母2挤压弹簧触板007引发弹簧拉绳006脱落，弹簧005与锁紧螺母2呈弹性连接状态；当地震运动反向作用时，锁紧螺母2激活另一侧弹簧005，实现水平连杆1和一区限位装置3的双向限位，达到活动墩7和梁体6弹性联接、协同承受地震荷载的目的。

如图8所示，水平连杆1和一区限位装置3实现双向限位后，地震荷载水平反复运动下，弹簧005、软钢挡板001和金属橡胶002发生形变及摩擦，既可以实现多渠道耗能机制，又通过弹性联接发挥了活动墩7的既有抗震潜能，同时避免了连续梁桥自振周期大幅度降低所引发的总的地震响应的增加。

如图9和10所示，当地震危害过大时，一区限位装置3的承载能力达到极值时，Δi≥Δ2，二区限位装置4两侧的锁紧螺母2和弹簧触板007发生作用，激活二区限位装置4的弹簧005，实现一区限位装置3和二区限位装置4共同耗能连接，最大限度的提高连续梁桥抗震性能。

如图11所示，当遭遇不可预测的特大地震时，一区限位装置3和二区限位装置4承载能力同时达到极值（一区限位装置和二区限位装置承载能力极值根据活动墩的极限承载能力确定）时，本发明装置所传递的最大地震荷载不再增加，以保护活动墩的结构安全，但在地震荷载往复运动过程中，依然通过一区限位装置3和二区限位装置4的弹簧005、软钢挡板001和金属橡胶002的形变和摩擦作用消耗地震能量，达到连续梁桥减震目的。

作为另一种实施方式，一区限位装置和二区限位装置可通过设计连为一体，发挥上述连接耗能减震作用，如图12所示，内部锁紧螺母可通过箱体所开手孔009进行安装和间隙设置。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种连续梁桥分区控制连接减震装置，其特征在于：其包括水平连杆（1）、锁紧螺母（2）、限位装置和连接牛腿（5），所述限位装置为空心箱型结构、固定于活动墩（7）上，所述水平连杆（1）为中部带螺纹的圆杆，其外径小于所述限位装置的空心区域，所述限位装置包括并列设置的一区限位装置（3）和二区限位装置（4），所述水平连杆（1）穿过一区限位装置（3）和二区限位装置（4）空心区域、两端与所述连接牛腿（5）铰接，所述连接牛腿（5）固定于梁体（6）上；

锁紧螺母（2）安装在所述水平连杆（1）上且分别位于所述一区限位装置（3）和二区限位装置（4）的两侧，所述锁紧螺母（2）分别与一区限位装置（3）和二区限位装置（4）之间预留设计间隙Δ1和Δ2，且Δ1<Δ2。

2.根据权利要求1所述的一种连续梁桥分区控制连接减震装置，其特征在于：所述限位装置包括箱梁（003）、焊接于箱梁（003）内的多层软钢挡板（001）、固定于软钢挡板（001）之间的金属橡胶（002）以及位于两侧软钢挡板（001）外侧的弹簧（005），两侧软钢挡板（001）外侧中部设有弯头向下的固定挂钩（004），所述弹簧（005）固定于两侧软钢挡板（001）外侧，所述弹簧（005）自由端连接弹簧触板（007），弹簧触板（007）靠近弹簧（001）侧设铰接弹簧拉绳（006），弹簧拉绳（006）另一端弯头向上的活动挂钩与弯头向下的固定挂钩（004）连接，弹簧拉绳（006）设有预紧力，将弹簧（001）压缩至设计位置，所述箱梁（003）通过下设的连接板（008）固定于活动墩（7）上，所述弹簧（001）的轴向刚度小于软钢挡板（001）和金属橡胶（002）组合结构的抗侧移刚度。

3.根据权利要求2所述的一种连续梁桥分区控制连接减震装置，其特征在于：所述软钢挡板（001）为梯形挡板，单层软钢挡板（001）包括分别焊接在所述箱梁（003）内壁的四个梯形挡板，相邻的梯形挡板之间留有缝隙。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种连续梁桥分区控制连接减震装置，其特征在于：锁紧螺母（2）分别布置于一区限位装置（3）和二区限位装置（4）两侧，锁紧螺母（2）与一区限位装置（3）的弹簧触板（007）之间的预留间隙为Δ1，Δ1大于桥梁正常运营状态下梁墩最大相对变位需求Δ，锁紧螺母（2）与二区限位装置（4）的弹簧触板（007）之间的预留间隙为Δ2，Δ2>Δ1。