CN107059599B - 无支座自复位的抗震、减震现浇桥梁 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无支座自复位的抗震、减震现浇桥梁，每个墩柱主要由与上、下部结构分离的双界面摇摆墩、可更换耗能装置、无粘结预应力钢索和抗剪装置组成；所述双界面摇摆墩包括混凝土墩柱和在墩柱墩底、墩顶、承台顶面处设置的局部构造措施；所述可更换耗能装置包括耗能钢筋、墩柱预埋钢筋、承台预埋钢筋、钢筋连接套筒和防屈曲钢套筒；所述无粘结预应力钢索包括：无粘结预应力钢索、固定端锚具、张拉端锚具和附属的墩底检修通道；所述抗剪装置包括抗剪锚栓、锚筋和相应钢板箍；本发明可以在地震来临时，有效限制桥梁上部结构位移，避免落梁风险；同时减少结构震害、减轻结构损伤程度，确保大震震后桥梁结构性能，使震后桥梁能够快速修复等技术问题。

Description

无支座自复位的抗震、减震现浇桥梁

技术领域

本发明属于桥梁技术领域。特别涉及一种现浇桥梁的抗震、减震技术。

背景技术

目前国内外桥梁抗震桥梁设计方法主要分为桥梁延性设计和减隔震设计。

延性抗震设计是通过增加构件延性，使其具有足够塑性变形能力，在强震作用下能够产生塑性铰，通过弹塑性变形来实现耗散地震能量。延性抗震设计中，往往将预期出现塑性铰区域(通常在钢筋混凝土桥墩中)通过配置箍筋确保其为延性构件，而其余部位按照能力保护构件进行设计。

桥梁减隔震设计按照抗震机理不同分为减震设计和隔震设计，减震设计是人为在结构的某些部位设置阻尼器或耗能构件,改变结构的动力性能,耗散结构吸收的地震能量,从而降低结构的地震反应。隔震则是指通过延长结构的自振周期避开地震卓越周期或减小地震能量输入,以此降低结构地震反应。在常规桥梁抗震设计中往往通过减隔震支座来实现，在强震作用下通过柔性支乘延长结构周期，并通过设置阻尼装置耗散地震能量限制结构位移。

对于北京等高烈度抗震设防地区，为了满足桥梁抗震需求，延性抗震设计和减隔震设计均有所应用，但均存在一定的局限性。减隔震设计体系中，上部结构位移量均较大，需相应设置阻尼或限位装置。同时如叠层钢板橡胶类减隔震支座(普通叠层橡胶支座、铅芯橡胶支座以及高阻尼橡胶支座等)设计使用年限远低于桥梁工程的设计使用寿命，会显著增加桥梁建设成本；而现行规范中基于延性设计的抗震工程设计方法以及传统的延性结构形式，仅能保证结构物在设计地震中不发生倒塌，在设计中更关注“大震不倒”，缺乏对震后结构性能的考虑，难以确保震后“救援生命线”的畅通。

发明内容

本发明的目的是提供一种无支座自复位的抗震、减震现浇桥梁，以解决在地震中，限制桥梁上部结构位移，避免落梁风险；同时减少结构震害、减轻结构损伤程度，确保大震震后桥梁结构性能，使震后桥梁能够快速修复等技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

无支座自复位的抗震、减震现浇桥梁，每个墩柱主要由与上、下部结构分离的双界面摇摆墩1、可更换耗能装置2、无粘结预应力钢索3和抗剪装置4组成；

所述双界面摇摆墩1，主要包括：在桥墩底设置可作为墩柱混凝土外模板的第一、二墩底钢板5、6、在承台顶面设置与承台9采用地脚螺栓11形成有效连接的承台顶预埋钢板8；第一、二墩底钢板5、6是一个变径的结构，其套置在为墩底耗能装置的安装预留空间的变径阶梯墩柱底部，在墩底钢板底端固定有增加墩底局部受力面积的钢板7，该增加墩底局部受力面积的钢板7与承台顶预埋钢板8采用间断定位焊的方式定位；另有一组限制摇摆墩柱出现扭转错动的承台加劲板10，设置于承台顶预埋钢板8之上，与承台顶预埋钢板8贴角焊，并与第二墩底钢板5的底部周边相互顶紧。在混凝土墩柱14顶部设置对墩顶混凝土形成套箍效应的墩柱钢板箍13和扩散混凝土局部应力的环形钢板12；

所述可更换耗能装置，主要包括墩柱预埋钢筋18、承台预埋钢筋19、耗能钢筋20、防屈曲钢套筒21、第一、二钢筋连接套筒22、23和释放位移垫片24；所述墩柱预埋钢筋18位于墩柱14的混凝土中，其下端由墩柱底部的变径阶梯结构的下平面引出，并通过设置有外螺纹的下端部与第一钢筋连接套筒22的相应内螺纹连接；所述承台预埋钢筋19位于承台9的混凝土中，其上端由承台顶部引出，并通过设置有外螺纹的上端部与第二钢筋连接套筒23的相应内螺纹连接；所述耗能钢筋20置于防屈曲钢套筒21中，其两端设置有外螺纹，分别与所述第一、二钢筋连接套筒22、23内螺纹连接，与墩柱预埋钢筋18、承台预埋钢筋19间设置释放位移垫片24，并将垫片顶紧；所述耗能钢筋20主体采用钢棒，两端设置较中部钢棒直径大的连接端头，其上车制螺纹；所述防屈曲钢套筒21设置在钢棒的中部位置，起到防屈曲作用；

所述无粘结预应力钢索，主要包括：无粘结预应力钢索28、固定端锚具29、张拉端锚具30和磁通量传感器31；在主梁梁顶设置固定端锚具29，在承台底板设置张拉端锚具30，无粘结预应力钢索28采用单端张拉；在张拉端锚具侧预埋有磁通量传感器31；在承台9底设置有检修井32；

所述抗剪装置，主要包括抗剪锚栓33、锚筋34和钢板箍36；所述抗剪锚栓33在浇注承台9时，垂直设置在承台9中央，外露在承台顶预埋钢板8中，预留相应锚栓孔顶面一定距离；所述抗剪锚栓33位于承台部分内，在浇注承台时，固定连接有锚筋34；所述钢板箍36在浇注墩柱14时，被置于墩柱底部对应抗剪锚栓位置处，钢板箍36罩住抗剪锚栓33并相互预留缝隙，钢板箍36下侧与承台预埋钢板8采用定位间断焊的连接结构；

在摇摆墩的墩柱底设置低标号混凝土二次浇注区域15，在摇摆墩柱和上部结构均完成施工后，在墩底预埋钢板和可更换耗能装置外侧浇注低标号混凝土二次浇注区域15，混凝土表面设置Φ16分布钢筋网，并涂刷混凝土保护剂16和聚硫密封膏17。

墩柱采用双界面摇摆墩设计，可实现墩柱上下截面的全截面自由摇摆，有效增强结构自复位能力。

所述耗能钢筋20外包裹土工布和外缠聚乙烯胶带，再将防屈曲套筒21固定在耗能钢筋中部，防屈曲套筒内填充环氧砂浆。

所述耗能钢筋20两侧设置有释放初始位移垫片24，可有效释放正常使用阶段墩柱位移，确保耗能钢筋地震下的正常使用。

无粘结预应力钢索采用环氧喷涂无粘结钢绞线缠包后外挤PE套管，张拉端锚具30采用可二次张拉锚具，后期可通过在检修井32中完成对钢束的补张拉。

在墩顶相应位置设置所述的抗剪装置，并在主梁内设置钢板箍36，避免墩柱出现剪切破坏。

在墩顶墩底局部设置环形钢板12和墩柱钢板箍13，利用套箍效应，解决地震作用下双界面摇摆墩柱局部承压要求。

本发明的优点如下：

与传统的延性抗震设计相比，无支座自复位桥梁避免了墩底出现塑性铰，降低了震后结构的损伤度，可有效缩短震后修复时间；与传统的减隔震设计相比，减小了主梁上部结构的位移量，可确实有效的避免墩柱出现落梁破坏，确保上部结构安全。

因此，无支座自复位桥梁体系减小了地震作用下桥梁结构的位移，降低了地震对桥梁结构的损伤，避免了上部结构出现落梁破坏，且桥梁具有自复位功能，保证了地震下桥梁安全及震后救灾通道的畅通；由于取消了墩顶支座设置，减小了桥梁后期养护工作。与现行的抗震结构设计体系相比均有较大优势。与现有抗震桥梁设计相比无明显增加投资，具有广泛的社会效益。为提升桥梁抗震设计技术具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的正常使用状态示意图。

图2是本发明的地震状态示意图。

图3-1是本发明的桥梁墩柱布置主视图。

图3-2是本发明的桥梁墩柱布置侧视图。

图4是本发明的双界面摇摆墩构造图。

图5是本发明的双界面摇摆墩局部防腐构造图。

图6是本发明的耗能钢筋成桥状态示意图。

图7是本发明的耗能钢筋施工状态示意图。

图8是本发明的耗能钢筋结构示意图。

图9是本发明的耗能钢筋保护层示意图。

图10是本发明的无粘结预应力钢索结构图。

图11-1是本发明的墩顶、墩底抗剪装置示意图。

图11-2是图11-1的放大图。

图12是本发明的墩柱力-位移曲线。

具体实施方式

本发明的具体结构参见附图。对于北京等高烈度抗震设防地区，为了满足桥梁抗震需求，延性抗震设计和减隔震设计均有所应用，但均存在一定的局限性。减隔震设计体系中，上部结构位移量均较大，需相应设置阻尼或限位装置。同时如叠层钢板橡胶类减隔震支座(普通叠层橡胶支座、铅芯橡胶支座以及高阻尼橡胶支座等)设计使用年限远低于桥梁工程的设计使用寿命，会显著增加桥梁建设成本；而现行规范中基于延性设计的抗震工程设计方法以及传统的延性结构形式，仅能保证结构物在设计地震中不发生倒塌，在设计中更关注“大震不倒”，缺乏对震后结构性能的考虑，难以确保震后“救援生命线”的畅通。

本发明为针对城市桥梁中最为常见的现浇连续箱梁开发出的新型抗震、减震结构体系。主要设计理念是将所有中墩墩柱均设计为无支座自复位桥墩，在地震作用下，多个无支座自复位桥墩共同作用，通过桥梁双界面摇摆墩1摇摆转换地震动能量，局部附加耗能装置2耗散地震能量，震后桥梁在现浇箱梁上部结构自重和无粘结预应力钢索3作用下能够自复位，并在墩底和墩顶设置抗剪装置4以确保结构安全，本发明可有效避免常规延性设计中墩柱产生塑性铰，及产生较大不可恢复的残余变形，抗震原理如图1和图2所示(实际摇摆位移量较小)。

本发明所述无支座自复位桥梁具体构造如图3-1、3-2所示，每个墩柱主要由与上、下部结构分离的双界面摇摆墩1、可更换耗能装置2、无粘结预应力钢索3和抗剪装置4组成，具体各部分构造形式如下所示：

1)双界面摇摆墩

无支座自复位桥梁双界面摇摆墩包括：混凝土墩柱和在墩柱墩底、墩顶、承台顶面处设置的局部构造措施，如图4所示。在桥墩底设置第一、二墩底钢板5、6，其可作为墩柱混凝土外模板；在承台顶面设置承台顶预埋钢板8，其与承台9采用地脚螺栓11形成有效连接；第一墩底钢板5、钢板7采用焊接方式连为一体，其中设置第一墩底钢板5和第二墩底钢板6形成变径阶梯墩柱，可为墩底耗能装置的安装预留空间，同时可在墩柱浇筑中作为墩柱混凝土外模板；在墩底钢板底端固定有增加墩底局部受力面积的钢板8，该增加墩底局部受力面积的钢板7与承台顶预埋钢板8采用间断定位焊的方式定位，一方面确保墩柱在地震来临时可有效实现摇摆，另一方面通过设置钢板7增加墩底局部受力面积，避免出现墩底局压破坏。另有一组限制摇摆墩柱出现扭转错动的承台加劲板10，设置于承台顶预埋钢板之上，与承台顶预埋钢板8贴角焊，并与第一墩底钢板5的底部周边相互顶紧。在混凝土墩柱14顶部设置环形钢板12和墩柱钢板箍13，对墩顶混凝土形成套箍效应，增强双界面摇摆墩墩顶混凝土局部抗压承载能力。

为了确保双界面摇摆墩柱局部构造(钢板)与耗能装置的耐久性，在墩底区域进行特殊耐久性构造设计，如图5所示。在墩柱底设置低标号混凝土二次浇注区域15，在摇摆墩柱和上部结构均完成施工后，在墩底预埋钢板和耗能装置外侧浇注低标号混凝土二次浇注区域15，混凝土表面设置Φ16分布钢筋网，并涂刷混凝土保护剂16和聚硫密封膏17；在正常使用阶段内，确保耗能装置、墩底预埋钢板等构件的密封性，低标号混凝土起到保护层作用；强震来临时，确保低标号混凝土二次浇注区域不会限制墩柱摇摆，使摇摆墩柱可完成无支座自复位抗震、减震体系中的设计要求。

2)可更换耗能装置

无支座自复位桥梁可更换耗能装置如图6所示，包括耗能钢筋20、墩柱预埋钢筋18、承台预埋钢筋19、第一、二钢筋连接套筒22、23、防屈曲钢套筒21和和释放位移垫片24。所述墩柱预埋钢筋18位于墩柱14的混凝土中，其下端由墩柱底部的变径阶梯结构的下平面引出，并通过设置有外螺纹的下端部与第一钢筋连接套筒22的相应内螺纹连接。所述承台预埋钢筋位于承台9的混凝土中，其上端由承台顶部引出，并通过设置有外螺纹的上端部与第二钢筋连接套筒23的相应内螺纹连接。所述耗能钢筋20置于防屈曲钢套筒21中，其两端设置有外螺纹，分别与所述第一、二钢筋连接套筒22、23内螺纹连接，耗能钢筋20与墩柱预埋钢筋18、承台预埋钢筋19间设置释放位移垫片24，并将垫片顶紧；

所述耗能钢筋20主体采用钢棒，两端设置较中部钢棒直径大的连接端头，其上车制螺纹；所述防屈曲钢套筒21被固定在钢棒的中部位置。

可更换耗能装置成桥状态如图6所示，耗能钢筋20与墩柱预埋钢筋18和承台预埋钢筋19间均通过第一、二钢筋连接套筒22、23连接。在墩柱预埋钢筋18、耗能钢筋20和承台预埋钢筋19中均设置有外螺纹，第一、二钢筋连接套筒22、23中设置有相应内螺纹，成桥时需将耗能钢筋在钢筋连接套筒中顶紧，确保连接套筒范围内不会出现局部屈曲破坏。耗能钢筋施工安装状态如图7所示，先将第一、二钢筋连接套筒22、23完全退入墩柱预埋钢筋18(承台预埋钢筋19)范围内，垫入释放位移垫片24，待耗能钢筋20定位完成后再将第一、二钢筋连接套筒22、23拧下，并确保耗能钢筋20通过第一、二钢筋连接套筒22、23将释放位移垫片24顶紧。

耗能钢筋20具体构造如图8所示，耗能钢筋20由35#圆钢车制而成，耗能钢筋主体采用较细直径钢棒，两端设置较粗直径钢棒连接端头，其上车制螺纹，确保能与钢筋连接套筒形成有效连接。

耗能钢筋20与防屈曲钢套筒21间构造如图9所示，耗能钢筋20在较细钢棒直径范围内外缠土工布和聚乙烯胶带。并在外设置防屈曲钢套筒21，套筒21与耗能钢筋20间灌注环氧砂浆填充，横断面构造如图10所示。设置防屈曲钢套筒21可有效避免耗能钢筋20在滞回过程中出现屈曲破坏，而外包土工布和聚乙烯胶带可有效确保钢筋与环氧砂浆间实现无粘结，确保能够实现滞回耗能。

3)无粘结预应力钢索

无支座自复位桥梁无粘结预应力钢索主要包括：无粘结预应力钢索28、固定端锚具29、张拉端锚具30、实时监控措施31和承台底检修井32，如图10所示。无粘结预应力钢索采用环氧喷涂无粘结钢绞线缠包后外挤PE套管，以使其满足桥梁耐久性要求。同时，在主梁梁顶设置固定端锚具29，在承台底板设置张拉端锚具30，钢束采用单端张拉。在张拉端锚具侧预埋有磁通量传感器31，以便于实时监控。张拉端锚具采用可二次张拉型锚具，以便于后期在承台底检修井32处对预应力钢索进行补张拉和整体更换，以确保该结构体系能满足桥梁结构100年设计使用年限的要求。

4)抗剪装置

无支座自复位桥梁墩柱抗剪装置如图11-1、11-2所示，包括抗剪锚栓33、锚筋34和钢板箍36；所述抗剪锚栓33在浇注承台9时，垂直设置在承台9中央，外露在承台顶预埋钢板8中预留相应锚栓孔顶面一定距离。所述抗剪锚栓33位于承台部分内，在浇注承台9时，固定连接有锚筋34。所述钢板箍36在浇注墩柱14时，被置于墩柱底部对应抗剪锚栓位置处，钢板箍36罩住抗剪锚栓33并相互预留缝隙，钢板箍36下侧与承台预埋钢板8定位焊接。在墩顶相应位置可设置类似装置，并在主梁内设置钢板箍36。

所述的无支座自复位桥梁墩柱抗剪装置，墩柱底钢板箍36与抗剪锚栓33间预留缝隙，且承台顶预埋钢板8与钢板箍36采用定位间断焊的连接结构。

无支座自复位桥梁分别依据规范满足承载能力极限状态和正常使用极限状态下墩柱的受力性能：

1)承载能力极限状态

在持久设计状况和短暂设计状况下，结构满足规范规定的强度设计要求；

在地震组合下，进行两阶段设计，E1地震作用下，桥梁墩底耗能装置不屈服；E2地震作用下，自复位墩柱、无粘结预应力钢索满足能力保护构件设计要求，耗能装置可以达到屈服状态，但不出现断裂破坏。

1)正常使用极限状态

在频遇组合和准永久组合下，结构设计满足应力、裂缝和变形要求。

根据某高速公路工程桥梁结构特点，选取具有代表性的一联4*30m预应力混凝土箱梁作为研究对象，按照设计目标对自复位桥梁进行墩柱配筋设计，其中耗能装置设计主要考虑墩柱E2地震作用下的位移量和震后的残余位移；预应力钢丝设计主要考虑墩柱正常使用状态下处于不消压状态和地震力作用下预应力钢丝屈服点距离耗能装置极限点较近；根据上述设计，墩柱在pushover分析中的力-位移曲线如图12所示。

在图12中，纵坐标是墩底测向反力(KN)，上横坐标是墩顶侧向漂移率(﹪)，下横坐标是墩顶侧向位移，曲线为能力曲线，曲线的初始段为E1地震力，曲线的中段为E2地震力，a、b是摇摆界面消压、c是预应力束屈服，d是耗能钢筋极限。

Claims (8)

1.无支座自复位的抗震、减震现浇桥梁，其特征在于，每个墩柱主要由与上、下部结构分离的双界面摇摆墩(1)、可更换耗能装置(2)、无粘结预应力钢索(3)和抗剪装置(4)组成；

所述双界面摇摆墩(1)，主要包括：在桥墩底设置可作为墩柱混凝土外模板的第一、二墩底钢板(5)、(6))、在承台顶面设置与承台(9)采用地脚螺栓(11)形成有效连接的承台顶预埋钢板(8)；第一、二墩底钢板(5)、(6)是一个变径的结构，其套置在为墩底耗能装置的安装预留空间的变径阶梯墩柱底部，在墩底钢板底端固定有增加墩底局部受力面积的钢板(7)，该增加墩底局部受力面积的钢板(7)与承台顶预埋钢板(8)采用间断定位焊的方式定位；另有一组限制摇摆墩柱出现扭转错动的承台加劲板(10)，设置于承台顶预埋钢板(8)之上，与承台顶预埋钢板(8)贴角焊，并与第一墩底钢板(5)的底部周边相互顶紧；在混凝土墩柱(14)顶部设置对墩顶混凝土形成套箍效应的墩柱钢板箍(13)和扩散混凝土局部应力的环形钢板(12)；

所述可更换耗能装置，主要包括墩柱预埋钢筋(18)、承台预埋钢筋(19)、耗能钢筋(20)、防屈曲钢套筒(21)、第一、二钢筋连接套筒(22)、(23)和释放位移垫片(24)；所述墩柱预埋钢筋(18)位于墩柱(14)的混凝土中，其下端由墩柱底部的变径阶梯结构的下平面引出，并通过设置有外螺纹的下端部与第一钢筋连接套筒(22)的相应内螺纹连接；所述承台预埋钢筋(19)位于承台(9)的混凝土中，其上端由承台顶部引出，并通过设置有外螺纹的上端部与第二钢筋连接套筒(23)的相应内螺纹连接；所述耗能钢筋(20)置于防屈曲钢套筒(21)中，其两端设置有外螺纹，分别与所述第一、二钢筋连接套筒(22)、(23)内螺纹连接，与墩柱预埋钢筋(18)、承台预埋钢筋(19)间设置释放位移垫片(24)，并将垫片顶紧；所述耗能钢筋(20)主体采用钢棒，两端设置较中部钢棒直径大的连接端头，其上车制螺纹；所述防屈曲钢套筒(21)设置在钢棒的中部位置，起到防屈曲作用；

所述无粘结预应力钢索，主要包括：无粘结预应力钢索(28)、固定端锚具(29)、张拉端锚具(30)和磁通量传感器(31)；在主梁梁顶设置固定端锚具(29)，在承台底板设置张拉端锚具(30)，无粘结预应力钢索(28)采用单端张拉；在张拉端锚具侧预埋有磁通量传感器(31)；

所述抗剪装置，主要包括抗剪锚栓(33)、锚筋(34)和钢板箍(36)；所述抗剪锚栓(33)在浇注承台(9)时，垂直设置在承台(9)中央，外露在承台顶预埋钢板(8)中，预留相应锚栓孔顶面一定距离；所述抗剪锚栓(33)位于承台部分内，在浇注承台时，固定连接有锚筋(34)；所述钢板箍(36)在浇注墩柱(14)时，被置于墩柱底部对应抗剪锚栓位置处，钢板箍(36)罩住抗剪锚栓(33)并相互预留缝隙，钢板箍(36)下侧与承台预埋钢板(8)采用定位间断焊的连接结构。

2.根据权利要求1所述的无支座自复位的抗震、减震现浇桥梁，其特征在于，在摇摆墩的墩柱底设置低标号混凝土二次浇注区域(15)，在摇摆墩柱和上部结构均完成施工后，在墩底预埋钢板和可更换耗能装置外侧浇注低标号混凝土二次浇注区域(15)，混凝土表面设置Φ16防裂钢筋网，并涂刷混凝土保护剂(16)和聚硫密封膏(17)。

3.根据权利要求1所述的无支座自复位的抗震、减震现浇桥梁，其特征在于，墩柱采用双界面摇摆墩设计，可实现墩柱上下截面的全截面自由摇摆，有效增强结构自复位能力。

4.根据权利要求1所述的无支座自复位的抗震、减震现浇桥梁，其特征在于，所述耗能钢筋(20)外包裹土工布和外缠聚乙烯胶带，再将防屈曲套筒(21)固定在耗能钢筋中部，防屈曲套筒内填充环氧砂浆。

5.根据权利要求1所述的无支座自复位的抗震、减震现浇桥梁，其特征在于，所述耗能钢筋(20)两侧设置有释放初始位移垫片(24)，可有效释放正常使用阶段墩柱位移，确保耗能钢筋地震下的正常使用。

6.根据权利要求1所述的无支座自复位的抗震、减震现浇桥梁，其特征在于，无粘结预应力钢索采用环氧喷涂无粘结钢绞线缠包后外挤PE套管，张拉端锚具(30)采用可二次张拉锚具，后期可通过在检修井(32)中完成对钢束的补张拉。

7.根据权利要求1所述的无支座自复位的抗震、减震现浇桥梁，其特征在于，在墩顶相应位置设置所述的抗剪装置，并在主梁内设置钢板箍(36)，避免墩柱出现剪切破坏。

8.根据权利要求1所述的无支座自复位的抗震、减震现浇桥梁，其特征在于，在墩顶墩底局部设置环形钢板(12)和墩柱钢板箍(13)，利用套箍效应，解决地震作用下双界面摇摆墩柱局部承压要求。