CN107354863A - 一种设置耗能系梁的装配式门式圆钢管桥墩 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种设置系梁的可恢复功能的装配式门式圆钢管桥墩，包括中部系梁、上部横梁、两侧墩柱、耗能组件和底板，中部系梁连接于两侧墩柱之间，耗能组件设于中部系梁的两近端处以及两侧墩柱的近底端处。耗能组件包括由普通钢壁板围成管状结构以及嵌设入管状结构的低屈服点钢板，低屈服点钢板内外两侧连接有外围钢板。通过设置系梁提高了门式桥墩横桥向的强度和刚度，在地震作用下，系梁先于两侧桥墩消耗能量构成第一道防线，损伤主要集中于耗能组件形成的耗能区；两侧墩柱根部的耗能区构成抗震的第二道防线。本发明提供的门式圆钢管桥墩构造简单、现场施工快捷、震后可快速检测修复，便于在实际工程中推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程领域钢桥墩耗能结构形式，具体指一种设置系梁的可恢复功能的装配式门式圆钢管桥墩，属于桥梁工程中钢桥墩技术领域。
背景技术
随着中国现代城市的快速发展，互通立交以及高架桥越来越多，门式桥墩的应用也越来越广泛。传统的门式桥墩多采用钢筋混凝土结构形式，但钢筋混凝土门式桥墩自重大、延性差，在国内外历次强震下均破坏严重且难以及时修复，给震后抢险救灾造成极大困难以及巨大的间接损失。桥梁工程作为交通网络中的关键节点，其抗震可恢复性对整个地区的震后恢复重建至关重要，因此，人们提出对于桥梁等生命线工程应从抗倒塌结构向震后可恢复功能的结构转变。研发可恢复功能的新型桥墩结构体系以确保生命线工程畅通，成为桥梁工程领域关注的焦点。
传统的钢筋混凝土门式桥墩存在现场施工工期长、人工成本高、建筑垃圾多、材料重复利用率低等缺点，且建筑施工和建筑垃圾运送也已成为城市主要污染源之一，与我国发展绿色建筑和生态文明建设要求不符。因此，研发现场施工快捷、符合绿色建筑理念的新型门式桥墩成为人们迫切需求。钢结构桥梁具有自重轻、承载能力高、抗震性能好等优点。易于工厂化制造、装配化施工，可缩短施工工期，改善现场作业条件；使施工安全性和质量得到有效控制，并使施工对城市生态环境和交通的影响减到最小。此外，钢结构材料可循环利用，即使寿命终期后拆除也不会给环境留下垃圾，是可持续发展的绿色环保型材料。
但是，现有的钢结构桥墩形式在实际地震下易发生局部屈曲和超低周疲劳裂缝，震后很难修复或因修复时间很长而严重影响救灾和震后的应急和正常使用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术所存在的不足，提供一种抗震性能好、震后可快速修复的设置系梁的新型门式圆钢管桥墩。
本发明的技术方案是：
一种设置耗能系梁的装配式门式圆钢管桥墩，包括上部横梁、中部系梁、两侧墩柱、两底板和若干耗能组件；上部横梁固定于两侧墩柱的顶端，中部系梁连接于两侧墩柱之间，两底板一一对应的连接于两侧墩柱的底端，所述中部系梁和两侧墩柱由普通钢壁板制成，所述中部系梁于两近端处分别设有所述耗能组件，所述两侧墩柱分别于近底端处设有所述耗能组件；所述耗能组件包括普通钢壁板、若干块屈服强度低于所述普通钢壁板的低屈服点钢板、两第一连接板以及若干外围钢板；所述普通钢壁板围成管状结构，所述低屈服点钢板彼此间隔的嵌设入所述管状结构，所述外围钢板连接于所述低屈服点钢板的内外两侧；两第一连接板分别设于所述管状结构的两端，所述耗能组件通过两侧的第一连接板连接于所述中部系梁或两侧墩柱中。
可选的，所述普通钢壁板屈服强度为345Mpa，所述低屈服点钢板屈服强度为160Mpa。
可选的，所述耗能组件的普通钢壁板上设有若干开口，所述低屈服点钢板一一对应的覆盖所述开口且所述低屈服点钢板外表面与普通钢壁板外表面相切并于相切处通过高强螺栓连接。
可选的，所述外围钢板通过高强螺栓与所述低屈服点钢板连接，且所述外围钢板的宽度小于所述低屈服点钢板的宽度。
可选的，所述耗能组件的普通钢壁板内侧于相邻低屈服点钢板之间设有若干道纵向加劲肋。
可选的，所述中部系梁和两侧墩柱与所述耗能组件连接处分别设有与所述第一连接板配合的第二连接板，所述第一连接板和第二连接板分别设有若干锚栓孔，通过高强螺栓与所述锚栓孔的配合实现连接。
可选的，所述墩柱于所述耗能组件之下的部分形成刚性柱脚，所述刚性柱脚沿外周设有固定板，所述底板设于所述刚性柱脚的底部，所述固定板和底板分别设有若干与地脚螺栓配合的螺栓孔以用于与地面基础连接。
本发明具有以下优点和积极效果：
(1)充分发挥中部系梁的耗能作用。中部系梁提高了桥梁双柱墩横桥向的强度和刚度，地震作用下，系梁先于桥墩发生屈服；梁结构的整体延性能力通过桥墩塑性铰区的转动能力获得，在横桥向地震作用下，系梁将先于桥墩屈服并消耗地震能量，而塑性铰区最先可能出现在系梁梁端，将系梁设计为延性耗能构件，利用其地震下的屈服形成耗能机制，形成塑性铰并耗散地震能量，延缓了桥墩的损伤破坏过程，可达到保护桥墩等主要构件免于地震损伤的目的。
(2)该门式钢桥墩由中部系梁构成抗震的第一道防线，当地震发生时，系梁先于桥墩柱发生屈服，通过两侧耗能区消耗能量，延缓了桥墩柱的损伤破坏过程；由两侧墩柱柱脚的耗能区构成抗震的第二道防线，通过耗能区的低屈服点钢板屈服消耗能量；主要塑性变形集中于特定耗能区可更换部件，避免耗能区以外主要墩柱和横梁发生局部屈曲和超低周疲劳破坏，提高门式钢桥墩的抗震性能。
(3)震后可快速更换受损的耗能组件件，修复门式钢桥墩的抗震能力，确保桥梁生命线工程畅通，提升城市抗震救灾能力。
(4)可实现设计标准化、制造工厂化、施工装配化，避免原材料制造及施工现场的环境污染，提高施工速度、缓解城市交通拥堵。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是耗能组件与中部系梁的连接结构示意图；
图3是耗能组件的横截面图；
图4是图2中A-A向剖视示意图；
图5是刚性柱脚与地面基础的连接结构示意图；
图6是图5中B-B向剖视示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
参考图1，一种设置耗能系梁的装配式门式圆钢管桥墩包括上部横梁1、中部系梁2、两侧墩柱3、两底板4和若干耗能组件，上部横梁1固定于两侧墩柱3的顶端，中部系梁2连接于两侧墩柱3之间，两底板4一一对应的连接于两侧墩柱3的底端，中部系梁2于两近端处分别设有耗能组件5，两侧墩柱3分别于近底端处设有耗能组件6。上述中部系梁2采用普通钢壁板，壁板厚度同两侧墩柱3及上部横梁1壁板厚度，横截面面积约为两侧墩柱3的0.8倍；所述普通钢壁板为Q345钢，材料屈服强度为345Mpa。以下以耗能组件5为例进行具体说明，耗能组件6的结构、连接关系和作用方式类似耗能组件5。
参考图2及图3，所述耗能组件5包括普通钢壁板51、若干块屈服强度低于所述普通钢壁板51的低屈服点钢板52、两第一连接板53以及若干外围钢板54；所述普通钢壁板51围成与中部系梁2等径的管状结构，所述低屈服点钢板52彼此间隔的嵌设入所述管状结构，所述外围钢板54连接于所述低屈服点钢板52的内外两侧；两第一连接板53分别设于所述管状结构的两端，所述耗能组件5通过两侧的第一连接板53连接于所述中部系梁2中。
所述普通钢壁板51上设有若干开口，所述低屈服点钢板52一一对应的覆盖所述开口且所述低屈服点钢板52外表面与普通钢壁板51外表面相切并于相切处通过高强螺栓7连接，即，耗能组件5管状结构的部分由低屈服点钢板52替代普通钢壁板51。例如，上述低屈服点钢板52共有四块，材料为低屈服点钢，屈服强度为160MPa；低屈服点钢板52均匀布置在普通钢壁板51间，其横截面弧长为管状结构横截面周长的1/8。
每一上述低屈服点钢板52内外两侧的外围钢板54可防止低屈服点钢板52发生平面外弯曲屈曲，保证低屈服点钢板52的剪压屈服耗能；上述两侧外围钢板材料为普通钢，两侧外围钢板54的厚度相同，通过穿透三块钢板的高强螺栓8与低屈服点钢板52连接在一起，两侧外围钢板54的宽度小于低屈服点钢板52，其端部与低屈服点钢板52边缘间距离为10mm～20mm；上述两侧外围钢板54上开孔为椭圆型，以便高强螺栓8穿过且有足够的滑移空间。
在上述耗能组件普通钢壁板51内侧于相邻低屈服点钢板52之间设有若干道纵向加劲肋511，可防止普通钢壁板51发生弯曲，增加壁板的承载能力和刚度，为低屈服点钢板52屈服耗能提供了保证。
所述中部系梁2与所述耗能组件5连接处分别设有与所述第一连接板53配合的第二连接板21，所述第一连接板53和第二连接板21分别设有若干锚栓孔，通过高强螺栓9与所述锚栓孔的配合实现连接。参考图4，所述第一连接板53和第二连接板21的直径大于所述中部系梁的直径，从而形成外凸的环，所述锚栓孔均匀排布于环上，且相邻螺栓孔之间设有加劲肋以提高连接可靠性。
当地震发生时，中部系梁先于桥墩柱发生屈服，通过两侧耗能组件5形成的耗能区消耗能量构成第一道防线，损伤主要集中于耗能区，震后对耗能组件5进行更换即可。同理，由两侧墩柱柱脚的耗能组件6构成抗震的第二道防线，在中部系梁2耗能能力失效之后充分发挥其屈服耗能能力，从而延缓了桥墩柱的损伤破坏过程。耗能组件拆卸方便，一旦受损可快速更换，恢复抗震能力。
参考图5及图6，所述墩柱3于所述耗能组件6之下的部分形成刚性柱脚32，所述刚性柱脚32沿外周设有固定板321，所述底板4设于所述刚性柱脚32的底部，所述固定板321和底板4分别设有若干与地脚螺栓10配合的螺栓孔以用于与地面基础11连接。
上述高强螺栓均为摩擦型高强螺栓，由螺母、螺杆、钢垫片组成，并采用双螺帽连接以防止长期使用过程中高强螺栓松动。
本发明以上构件皆可在工厂直接拼装完成，拼装完成之后运送到施工现场进行吊装，吊装完毕后将刚性柱脚和地面基础通过地脚螺栓连接在一起。
本发明在工厂的拼装可按下列步骤实施：
(1)将两侧的耗能组件6上端和两侧墩柱3通过高强螺栓连接在一起。
(2)将耗能组件6下端和刚性柱脚32用高强螺栓进行连接。
(3)将两侧墩柱3与上部横梁1焊接成整体。
(4)将设置了耗能组件5的中部系梁2与两侧墩柱3用高强螺栓连接成整体。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种设置耗能系梁的装配式门式圆钢管桥墩，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (7)
1.一种设置耗能系梁的装配式门式圆钢管桥墩，其特征在于：包括上部横梁、中部系梁、两侧墩柱、两底板和若干耗能组件；上部横梁固定于两侧墩柱的顶端，中部系梁连接于两侧墩柱之间，两底板一一对应的连接于两侧墩柱的底端，所述中部系梁和两侧墩柱由普通钢壁板制成，所述中部系梁于两近端处分别设有所述耗能组件，所述两侧墩柱分别于近底端处设有所述耗能组件；
所述耗能组件包括普通钢壁板、若干块屈服强度低于所述普通钢壁板的低屈服点钢板、两第一连接板以及若干外围钢板；所述普通钢壁板围成管状结构，所述低屈服点钢板彼此间隔的嵌设入所述管状结构，所述外围钢板连接于所述低屈服点钢板的内外两侧；两第一连接板分别设于所述管状结构的两端，所述耗能组件通过两侧的第一连接板连接于所述中部系梁或两侧墩柱中。
2.根据权利要求1所述的装配式门式圆钢管桥墩，其特征在于：所述普通钢壁板屈服强度为345Mpa，所述低屈服点钢板屈服强度为160Mpa。
3.根据权利要求1所述的装配式门式圆钢管桥墩，其特征在于：所述耗能组件的普通钢壁板上设有若干开口，所述低屈服点钢板一一对应的覆盖所述开口且所述低屈服点钢板外表面与普通钢壁板外表面相切并于相切处通过高强螺栓连接。
4.根据权利要求1或3所述的装配式门式圆钢管桥墩，其特征在于：所述外围钢板通过高强螺栓与所述低屈服点钢板连接，且所述外围钢板的宽度小于所述低屈服点钢板的宽度。
5.根据权利要求1所述的装配式门式圆钢管桥墩，其特征在于：所述耗能组件的普通钢壁板内侧于相邻低屈服点钢板之间设有若干道纵向加劲肋。
6.根据权利要求1所述的装配式门式圆钢管桥墩，其特征在于：所述中部系梁和两侧墩柱与所述耗能组件连接处分别设有与所述第一连接板配合的第二连接板，所述第一连接板和第二连接板分别设有若干锚栓孔，通过高强螺栓与所述锚栓孔的配合实现连接。
7.根据权利要求1所述的装配式门式圆钢管桥墩，其特征在于：所述墩柱于所述耗能组件之下的部分形成刚性柱脚，所述刚性柱脚沿外周设有固定板，所述底板设于所述刚性柱脚的底部，所述固定板和底板分别设有若干与地脚螺栓配合的螺栓孔以用于与地面基础连接。
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