CN106835937A - 基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系，包括主拱和桥面梁，设于主拱和桥面梁之间的若干吊索，以及：至少一个抗振索，将所有所述吊索横向连接成整体结构；若干个纵向限位减震装置，设于桥面梁与对应安装的桥墩之间；两个横向限位减震装置，设于主拱两端分别与桥面梁交叉处的位置。该基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系，通过构建主拱和吊索的制震技术，以及主拱和桥面梁制震技术，能够有效解决在地震载荷作用下，吊索振动幅度大，桥面梁纵向、横向和竖向振动幅度大，以及由此产生的结构共振等问题，保证了桥梁抗震安全性能，可靠性高，该制振体系与主体结构使用寿命接近，不存在使用中的维修和更换，工程成本低。

Description

基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系

技术领域

本发明涉及一种桥梁设计领域，特别涉及一种基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系。

背景技术

现有桥梁，跨度越来越大，针对特大跨拱桥，主拱与桥面梁之间连接若干吊索，当主拱的跨度较长时(超过150米时)，造成各个吊索的长短差距较大，在地震荷载作用下，主拱与桥面梁产生纵向、横向位移时，由于吊索的长短差距较大,使每根吊索产生的振动幅度不一致，无法协调，容易导致所有的吊索振动幅度过大，从而产生破坏或者加速桥面梁的振动；另外，在地震各方向作用下桥面梁纵向、横向和竖向均会产生较大的振动力和振动幅度，若桥面梁将过大的振动力传递给主拱，主拱与桥面梁在地震荷载作用振动时易产生共振，放大振动幅度和内力进而造成桥梁破坏。

为此，有必要采用一种基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系，以减小主拱和桥面梁的振动，协调长短吊索的振动，以及抑制各构件振动的传递，提高吊索、桥面梁和整个结构的地震动力性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在针对现有大跨度拱桥，在地震载荷作用下，为了保证桥梁抗震安全性能，需要对限制桥面梁纵向、横向和竖向振动幅度，以及吊索振动幅度的上述问题，提供一种基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系，包括主拱和桥面梁，以及设于主拱和桥面梁之间的若干吊索，还包括：

至少一个抗振索，将所有所述吊索横向连接成整体结构；

若干个纵向限位减震装置，设于桥面梁与对应安装的桥墩之间；

两个横向限位减震装置，设于主拱两端分别与桥面梁交叉处的位置。

该大跨钢管混凝土拱桥制振体系通过设置至少一个抗振索与吊索连接，从而将所有吊索相互“串联”形成索网，其能够解决地震动力环境中的不同长短吊索在地震各方向作用下的振动不一致导致吊索破坏和加速桥面梁的振动问题，能够大大减小长短不一的吊索振动幅度差，所有吊索振动相互耦合，形成干扰效应，从而起到了抑制地震引起的吊索振动对桥面梁的影响，减震效果显著，提高了桥面梁的地震动力性能，也保证了吊索的安全；在桥面梁与对应安装的桥墩之间设置若干个纵向限位减震装置，能够提高主梁纵向水平刚度；在主拱与桥面梁交叉处，拱肋间横梁上设置两个横向限位减震装置，能够提高桥面梁的横向刚度，并避免对主拱产生过大的横向地震力作用。

该基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系，通过构建主拱和吊索的制震技术，以及主拱和桥面梁制震技术，能够有效解决在地震载荷作用下，桥面梁纵向、横向和竖向幅度，吊索振动不协调的问题，保证了桥梁抗震安全性能，可靠性高。同时，本抗震措施不影响主拱美观，且与主体结构使用寿命接近，不存在使用中的维修和更换，工程成本低。

优选地，所述抗振索与所有所述吊索通过绑扎丝相互连接。

该绑扎丝可以采用高强纤维塑性材料制成，并保证能将抗风索与吊杆绑扎牢固，连接简单。

优选地，所述抗振索的两个端部分别与主拱相互锚固，以对抗振索形成较大的张力，以保证抗振索与吊索连接时形成整体索网的刚度，从而提高抗振索协调长短吊索的振动，减小吊索的最大振幅的效果。

优选地，所述主拱两端的拱肋之间设有钢管横联，所述钢管横联上设有反力架，所述抗振索两端穿过两个反力架，并通过锚具锚固在两个所述反力架上，通过反力架将抗振索连接在主拱两端的拱肋之间的钢管横联上，增加连接牢固性。

进一步优选地，所述反力架包括钢板一、钢板二和钢板三，所述钢板一、钢板二和钢板三彼此相互垂直并焊接成整体结构，再将该整体结构焊接在钢管横联上。

进一步优选地，所述抗振索安装时，在抗振索两端设置牵引索穿过反力架和对应的锚具上，再张拉抗振索至设计张拉力，然后锚固并锁定抗振索，最后将抗振索和每个所述吊索绑扎成整体结构。采用这样的安装步骤，其抗振索安装简单可靠，操作性强。

优选地，所述主拱和桥面梁之间的柔性吊索能够替换为刚性吊杆，所述抗振索与每个所述吊杆通过抱索器相互连接。该刚性吊杆如可以选择H型钢，矩形钢结构，当吊杆为刚性结构件时，为了抗振索与吊杆连接牢固，抗振索与每个吊杆通过若干个抱索器相互固接。

优选地，所述纵向限位减震装置包括分别安装在桥面梁和桥墩上的锚块，两个所述锚块之间连接有阻尼器。

优选地，所述横向限位减震装置包括设置在主拱的拱圈肋间横梁上的两个上限位块，以及设于主梁底板上的两个下限位块，两个所述上限位块朝外的一侧设置有橡胶垫，两个所述下限位块朝内的一侧设置有橡胶垫，两个所述上限位块设于两个下限位块之间并相互适配接触。

通过上限位块和下限位块之间的适配，能够起到主拱和桥面梁之间的限位，以提高桥面梁的横向刚度，橡胶垫能够在地震时二者发生相对位移时，能够对振动力起到缓冲和减振作用。

优选地，所述桥面梁为钢-混凝土组合桥面梁板整体式桥面梁结构。

为了进一步的提高该拱桥的整体制振效果，该桥面梁采用纵横格子梁和钢-混凝土组合桥面梁板的整体式桥面梁结构。同时，保证桥面梁与主拱的一阶横向、竖向与弯扭频率比的比值为小数，避免主拱与桥面梁在地震荷载作用下振动时产生共振，而造成放大振动幅度和内力而造成桥梁破坏。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明所述的一种基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系，通过构建主拱和吊索的制震技术，以及主拱和桥面梁制震技术，能够有效解决在地震载荷作用下，吊索振动幅度大，桥面梁纵向、横向和竖向振动幅度大，以及由此产生的结构共振等问题，保证了桥梁抗震安全性能，可靠性高；同时，本抗震措施不影响主拱美观，且与主体结构使用寿命接近，不存在使用中的维修和更换，工程成本低；

2、本发明所述的一种基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系，该抗振索与所有吊索通过绑扎丝相互连接，该绑扎丝可以采用高强纤维塑性材料制成，并保证能将抗风索与吊杆绑扎牢固，连接简单；

3、本发明所述的一种基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系，其抗振索安装时，采用先在抗振索两端设置牵引索穿过反力架和对应的锚具上，再张拉抗振索至设计张拉力，然后锚固并锁定抗振索，最后将抗振索和每个所述吊索绑扎成整体结构。采用这样的安装步骤，其抗振索安装简单可靠，操作性强；

4、本发明所述的一种基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系，其同样可以适应于刚性吊杆，如可以选择H型钢、矩形钢结构，当吊杆为刚性结构件时，为了抗振索与吊杆连接牢固，抗振索与每个吊杆通过若干个抱索器相互固接；

5、本发明所述的一种基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系，为了进一步的提高该拱桥的整体制振效果，该桥面梁可以采用纵横格子梁和钢-混凝土组合桥面梁板的整体式桥面梁结构；同时，保证桥面梁与主拱的一阶横向、竖向与弯扭频率比的比值为小数，避免主拱与桥面梁在地震荷载作用下振动时产生共振，而造成放大振动幅度和内力而造成桥梁破坏。

附图说明：

图1为本发明所述基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系的示意图；

图2为图1中吊索与抗振索的连接示意图；

图3为刚性吊杆与抗振索的连接示意图；

图4为图3中抱索器与吊杆的连接示意图；

图5为图1中抗振索与主拱拱肋锚固连接结构示意图；

图6为图5中A-A视图；

图7为图5中抗振索与反力架的连接示意图；

图8为图1中的纵向限位减震装置的结构示意图；

图9为图1中限位减震装置的结构示意图。

图中标记：

1、主拱，11、拱肋，12、钢管横联，13、拱圈肋间横梁，2、桥面梁，3、桥墩，4、吊索，5、抗振索，6、反力架，61、钢板一，62、钢板二，63、钢板三，64、锚具，71、绑扎丝，72、抱索器，73、吊杆，8、纵向限位减震装置，81、锚块，82、阻尼器，9、横向限位减震装置，91、上限位块，92、下限位块，93、橡胶垫。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1、8、9所示，一种基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系，包括主拱1和桥面梁2，以及设于主拱1和桥面梁2之间的若干吊索4，还包括：

至少一个抗振索5，将所有所述吊索4横向连接成整体结构；

若干个纵向限位减震装置8，设于桥面梁2与对应安装的桥墩3之间；

两个横向限位减震装置9，设于主拱1两端分别与桥面梁2交叉处的位置。

如图2所示，上述的抗振索5与所有吊索4通过绑扎丝71相互连接。该绑扎丝71可以采用高强纤维塑性材料制成，并保证能将抗风索与吊杆73绑扎牢固，连接简单。需要说明的是，该吊索4的选择，一般吊索4横截面积大于符合规范要求的吊索4面积，该设计采用的截面尺寸使吊索4的安全系数大于3，采用较大截面尺寸吊索4，即安全系数大于3，能够保证吊索4的安全。

当然，该抗振索5不仅仅可以适用于柔性的吊索4连接，还可以适应于刚性的吊杆73，如图3、4所示，当主拱1和桥面梁2之间的柔性吊索4替换为刚性吊杆73时，如图3中的H型钢、矩形钢结构，该抗振索5与每个吊杆73通过抱索器72相互固定连接。

如图5-7所示，上述抗振索5的两个端部分别与主拱1相互锚固，以对抗振索5形成较大的张力，以保证抗振索5与吊索4连接时形成整体索网的刚度，从而提高地震引起吊索4振动对桥面梁2的抑制效果。一般的，在主拱1两端的拱肋11之间设有钢管横联12，所述钢管横联12上设有反力架6，抗振索5两端穿过两个反力架6，并通过锚具64锚固在两个所述反力架6上，通过反力架6将抗振索5连接在主拱1两端的拱肋11之间的钢管横联12上，增加连接牢固性。进一步的，该反力架6包括钢板一61、钢板二62和钢板三63，所述钢板一61、钢板二62和钢板三63彼此相互垂直并焊接成整体结构，再将该整体结构焊接在钢管横联12上。

如图8所示，该纵向限位减震装置8包括分别安装在桥面梁2和桥墩3上的锚块81，两个锚块81之间连接有阻尼器82。具体结构为通过一组锚块81通过螺栓与主桥次纵梁固接，另一组锚块81通过螺栓与交界墩固接。在次纵梁的锚块81和交界墩锚块81之间安装阻尼器82。

如图9所示，该横向限位减震装置9包括设置在主拱1的拱圈肋间横梁13上的两个上限位块91，以及设于主梁底板上的两个下限位块92，其中在拱圈肋间横梁13上的上限位块91与横梁焊接连接，下限位块92与桥面梁2的主梁底板焊接连接，两个上限位块91朝外的一侧设置有橡胶垫93，两个所述下限位块92朝内的一侧设置有橡胶垫93，两个所述上限位块91设于两个下限位块92之间并相互适配接触。通过上限位块91和下限位块92之间的适配，能够起到主拱1和桥面梁2之间的限位，以提高桥面梁2的横向刚度，橡胶垫93能够在地震时二者发生相对位移时，能够对振动力起到缓冲和减振作用。

为了进一步的提高该拱桥的整体制振效果，该桥面梁2采用纵横格子梁和钢-混凝土组合桥面梁2板的整体式桥面梁2结构。同时，保证桥面梁2与主拱1的一阶横向、竖向与弯扭频率比的比值为小数，避免主拱1与桥面梁2在地震荷载作用下振动时产生共振，而造成放大振动幅度和内力而造成桥梁破坏。

该大跨钢管混凝土拱桥制振体系通过设置至少一个抗振索5与吊索4连接，从而将所有吊索4相互“串联”形成索网，其能够解决地震动力环境中的不同长短吊索4在地震各方向作用下的振动不一致导致加速桥面梁2的振动问题，能够大大减小长短不一的吊索4振动幅度差，所有吊索4振动相互耦合，形成干扰效应，从而起到了抑制地震引起的吊索4振动对桥面梁2的影响，减震效果显著，提高了桥面梁2的地震动力性能，也保证了吊索4的安全；在桥面梁2与对应安装的桥墩3之间设置若干个纵向限位减震装置8，能够提高主梁纵向水平刚度；在主拱1与桥面梁2交叉处，拱肋11间横梁上设置两个横向限位减震装置9，能够提高桥面梁2的横向刚度，并避免对主拱1产生过大的横向地震力作用。

该基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系，通过构建主拱1和吊索4的制震技术，以及主拱1和桥面梁2制震技术，通过对限制桥面梁2纵向、横向和竖向幅度，以及产生的吊索4振动幅度的限制，能够有效解决在地震载荷作用下，吊索4振动幅度大，桥面梁2纵向、横向和竖向振动幅度大，以及由此产生的结构共振等问题，保证了桥梁抗震安全性能，可靠性高。

其中，上述的制振体系结构整体的地震动力性能，通过与常规结构体系的对比试验，发现具体效果如下表所示：

表：地震荷载作用下结构抗震性能对比

由上表可以看出，采用本发明所述的制振体系桥梁桥面纵向一阶频率是常规结构体系的2.84倍，面外一阶频率是常规结构体系的1.36倍，面内一阶频率是常规结构体系的1.29倍，采用本发明后，结构的动力特性有了大幅度的提高，表明该基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥约束体系能够有效解决在地震载荷作用下，吊索4振动不协调，桥面振动大，以及结构整体的共振问题，且效果显著，保证了桥梁抗震安全性能，具有较高的可靠性。同时，本抗震措施不影响主拱1美观，且与主体结构使用寿命接近，不存在使用中的维修和更换，工程成本低。

实施例2

如图5-7所示，本实施例提供了抗振索5的安装方法，包括以下安装步骤：

步骤一、在抗振索5两端设置牵引索穿过反力架6和对应的锚具64上；

步骤二、在主拱1两端的钢管横联12上安装两个张拉反力架6，将抗振索5穿过反力架6，并张拉抗振索5至设计张拉力；

步骤三，锚固并锁定抗振索5；

步骤四、将抗振索5和每个所述吊索4绑扎成整体结构。

采用这样的安装步骤，其抗振索5安装简单可靠，操作性强。经工程应用证实，该构造技术使索吊杆73抗震性能良好，减振效果显著，同时，抗振索5不影响主拱1美观，且与主体结构使用寿命接近，不存在使用中维修和更换，工程成本低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系，包括主拱(1)和桥面梁(2)，以及设于主拱(1)和桥面梁(2)之间的若干吊索(4)，其特征在于，还包括：

至少一个抗振索(5)，将所有所述吊索(4)横向连接成整体结构；

若干个纵向限位减震装置(8)，设于桥面梁(2)与对应安装的桥墩(3)之间；

两个横向限位减震装置(9)，设于主拱(1)两端分别与桥面梁(2)交叉处的位置。

2.根据权利要求1所述的基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系，其特征在于，所述抗振索(5)与所有所述吊索(4)通过绑扎丝(71)相互连接。

3.根据权利要求2所述的基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系，其特征在于，所述抗振索(5)的两个端部分别与主拱(1)相互锚固。

4.根据权利要求3所述的基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系，其特征在于，所述主拱(1)两端的拱肋(11)之间设有钢管横联(12)，所述钢管横联(12)上设有反力架(6)，所述抗振索(5)两端穿过两个反力架(6)，并通过锚具(64)锚固在两个所述反力架(6)上。

5.根据权利要求4所述的基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系，其特征在于，所述反力架(6)包括钢板一(61)、钢板二(62)和钢板三(63)，所述钢板一(61)、钢板二(62)和钢板三(63)彼此相互垂直并焊接成整体结构，再将该整体结构焊接在钢管横联(12)上。

6.根据权利要求4所述的基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系，其特征在于，所述抗振索(5)安装时，在抗振索(5)两端设置牵引索穿过反力架(6)和对应的锚具(64)上，再张拉抗振索(5)至设计张拉力，然后锚固并锁定抗振索(5)，最后将抗振索(5)和每个所述吊索(4)绑扎成整体结构。

7.根据权利要求1所述的基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系，其特征在于，所述主拱(1)和桥面梁(2)之间的柔性吊索(4)能够替换为刚性吊杆(73)，所述抗振索(5)与每个所述吊杆(73)通过抱索器(72)相互连接。

8.根据权利要求1-7任一所述的基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系，其特征在于，所述纵向限位减震装置(8)包括分别安装在桥面梁(2)和桥墩(3)上的锚块(81)，两个所述锚块(81)之间连接有阻尼器(82)。

9.根据权利要求1-7任一所述的基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系，其特征在于，所述横向限位减震装置(9)包括设置在主拱(1)的拱圈肋间横梁(13)上的两个上限位块(91)，以及设于主梁底板上的两个下限位块(92)，两个所述上限位块(91)朝外的一侧设置有橡胶垫，两个所述下限位块朝内的一侧设置有橡胶垫，两个所述上限位块(91)设于两个下限位块(93)之间并相互适配接触。

10.根据权利要求1所述的基于抗震性能的大跨钢管混凝土拱桥制振体系，其特征在于，所述桥面梁(2)为钢-混凝土组合桥面梁板整体式桥面梁结构。