CN107974931A - 具有震后可恢复性能的自耗能高墩结构体系 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有震后可恢复性能的自耗能高墩结构体系，包括角柱、角柱预埋件、横系梁、可替换式薄壁板、薄壁板上部连接板、薄壁板下部连接板和齿形后浇带；所述角柱的数量为四根，角柱之间由横系梁与可替换式薄壁板相互连接形成空心薄壁结构；所述横系梁沿角柱高度方向间隔分布，通过焊接或者螺栓连接与角柱预埋件连接，形成刚性连接；所述可替换式薄壁板安装在上下相邻两根横系梁之间，在可替换式薄壁板与薄壁板下部连接板之间设置有一条齿形后浇带，将可替换式薄壁板与薄壁板下部连接件连接。本发明具有构造简单、结构形式合理、减振子构件易于安装更换、减震性能优良等特点，具有良好的应用前景。

Description

具有震后可恢复性能的自耗能高墩结构体系

技术领域

本发明为一种抗震与减震技术，一种新型桥墩的结构体系，具体是基于损伤控制思想，通过在结构体系层面的设计，提出一种具有多级抗震设防、薄壁板为主要耗能构件，横系梁为备用耗能构件，通过构件的损伤耗能使角柱免受损伤，且损伤耗能构件可以替换的新型桥墩结构体系。

背景技术

超高桥梁中的墩柱属于高墩，由于截面尺寸很大，常采用薄壁截面或组合截面。高墩本身就是一个大型结构。墩柱通常有两个主要作用，一是在正常使用过程中墩柱作为承担整个结构荷载的下部结构构件，二是在遭遇地震作用时，允许在墩柱截面产生塑性铰，耗散地震能量，以保护整体结构。这样的设计会带来两个问题：第一是耗能能力有限；第二由于产生塑性变形的损伤是永久性的，很难修复。

与传统的墩柱形式相比，新型自耗能高墩从体系方面入手，将在地震作用下发挥耗能的部分从整体结构中分离出来，把高墩结构分为主体构件以及减振次级构件，主体构件在正常使用阶段承担上部结构的荷载，而减振次级构件并不直接参与承担荷载，但与主要构件形成组合结构，提供较大的抗侧刚度。在整体结构遭受地震作用时，减振次级构件通过率先发生损伤，耗散地震输入振动能量，同时降低整体结构的刚度，周期延长，使所受地震力也下降，并提高结构的安全性，而主体构件仍然处于弹性状态。在把传统的桥梁墩柱体系进行分离的基础上，将减振次级构件设计成具有多级抗震设防的性能，在遭受不同强度等级的地震时，控制减振子构件的损伤次序：薄壁板为主要耗能构件，率先进入耗能阶段，其次横系梁作为备用的耗能构件。构造设计时，将减震子构件设计为可替换式，并从修复难度及连接构造方面，区别对待不同的构件，方便替换的同时经济性也得到了保障。

发明内容

本发明的目的是为了克服传统的高墩桥梁震后损伤，难以修复或修复成本高的难题，设计了具有震后可恢复性能的新型自耗能高墩结构体系。将角柱作为墩柱的主体构件，可替换的横系梁以及薄壁板作为减振子构件，在整体墩柱并没有采用特殊材料以及高昂的造价的基础上，通过优化墩柱的体系以及构造设计，提供了一种具有震后可恢复性的新型自耗能桥墩。作为减振子构件的横系梁以及薄壁板均可以替换，并且均可以实行工厂化生产，装配快速灵活。

本发明采用的技术方案为：一种具有震后可恢复性能的自耗能高墩结构体系，包括角柱、角柱预埋件、横系梁、可替换式薄壁板、薄壁板上部连接板、薄壁板下部连接板和齿形后浇带；

所述角柱的数量为四根，角柱之间由横系梁与可替换式薄壁板相互连接形成空心薄壁结构，截面形式为矩形，角柱位于截面的四个顶点；

所述角柱中预先安装并浇筑有角柱预埋件，角柱预埋件沿角柱高度方向每隔一段距离布置，水平方向布置于角柱内侧，同一水平面高度一个角柱布置一对，四角一共布置八个；所述横系梁沿角柱高度方向间隔分布，通过焊接或者螺栓连接与角柱预埋件连接，形成刚性连接；

所述可替换式薄壁板安装在上下相邻两根横系梁之间，可替换式薄壁板上端设有薄壁板上部连接板，薄壁板上部连接板采用高强螺栓与横系梁连接，可替换式薄壁板下方设有薄壁板下部连接板，薄壁板下部连接板采用高强螺栓与横系梁连接，在可替换式薄壁板与薄壁板下部连接板之间设置有一条齿形后浇带，后浇带在薄壁板上部与钢梁连接固定之后浇筑，将可替换式薄壁板与薄壁板下部连接件连接，可替换式薄壁板与横系梁浇筑沿角柱高度方向可分层设置，布置范围为高墩塑性铰区域，也可为全部区域。

所述的角柱为主体构件，横系梁及可替换式薄壁板为减振次级构件，在减振次级构件中，可替换式薄壁板作为第一级抗震设防的构件，横系梁作为第二级抗震设防的构件。

所述的可替换式薄壁板作为第一级抗震设防的构件，上部设置一个钢制预埋连接件，下部设置齿状后浇带与下部连接件相连，薄壁板通过上下连接板和高强螺栓与横系梁连接，薄壁板和横系梁在正常使用阶段。只为结构提供侧向刚度，并不承担结构的竖向荷载，使得可替换式薄壁板保持零轴压比状态，在结构遭受地震作用时，耗能能力更加优越。

作为优选，所述的可替换式薄壁板采用钢筋混凝土材料，高宽比应控制在合理范围。为了使薄壁板在发生损伤时的破坏形态为弯曲破坏，而不是脆性的剪切破坏，可替换式薄壁板的高宽比应不低于1.67。

作为优选，所述的可替换式薄壁板仅上下部与横系梁连接，左右不与任何构件连接，为单向约束构件。所述的可替换式薄壁板的厚度不宜过厚，设计时根据结构受力情况，应保证可替换式薄壁板的损伤早于横系梁屈服。所述的可置换式薄板构件可设置于高墩的塑性铰区域，其余区域采用现浇式柱板结构，减少施工难度和造价。

作为优选，所述的横系梁，作为第二道抗震设防构件，材料应采用普通碳素钢，截面形式宜采用工字型，与角柱的连接应采用刚性连接。所述的横系梁截面的具体尺寸应根据实际工程的受力计算得出，端部焊缝强度应高于薄壁板和横系梁。

作为优选，所述角柱作为高墩主体构件，作为第三级抗震设防的构件，截面应有足够竖向及侧向刚度，为了使结构受力保持对称和一致，四个角柱的截面尺寸应保持相同，不应出现不同截面尺寸的角柱组成整体墩柱。角柱使用的材料可以为钢筋混凝土或者钢管混凝土，由于角柱在整个体系中属于主体构件，主要承受结构自身的荷载以及在使用过程中的动荷载，因此角柱应为实心截面。

作为优选，如果桥墩截面很大，可以在角柱间设置次级柱，以减少横系梁的跨度。当墩柱高度较大时，角柱的截面尺寸沿高度方向上可根据受力需求改为变截面。

作为优选，所述的角柱预埋件材料应采用普通碳素钢，强度等级应不低于横系梁用钢等级。

有益效果：

本发明从结构体系入手，提出了一种具有震后可恢复性能的新型自耗能高墩结构体系，将传统的墩柱进行体系分离，把结构分为主体构件和减振子构件两个部分，并在此基础上将减振子构件，设置成具有多级抗震设防能力且可替换的构件。在地震作用下将结构的损伤集中在可以替换的减振子构件上，而主体构件仍然保持在弹性范围内工作。震后由于减振子构件是可替换式的，因此只要将损伤的薄壁板与横系梁进行替换，即可完成对结构的修复，并且减振子构件是多级设防的，对应不同的地震强度等级，不同构件的损伤程度也不一样，这使构件的修复工作量与成本进一步下降。本发明在没有使用特殊材料或者明显增加成本的情况下，仅从结构的体系入手，提出了一种新型桥墩结构体系，以及优化了桥墩的构造设计，克服了传统桥墩耗能能力较差，震后难以恢复的缺点，为桥梁的设计提供了新的设计思路。

本发明可以用于大跨缆索桥的桥塔和超高桥梁的桥墩。

附图说明

图1为具有震后可恢复性能的自耗能高墩结构体系示意图；

图2为具有震后可恢复性能的自耗能高墩结构体系的细部连接示意图；

图3为可替换式薄壁板与横系梁连接剖面图；

图4为可替换式薄壁板构造示意图。

具体的实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1-4所示，一种具有震后可恢复性能的自耗能高墩结构体系，包括角柱1、角柱预埋件2、横系梁3、可替换式薄壁板4、薄壁板上部连接板5-1、薄壁板下部连接板5-2和齿形后浇带6；

所述角柱1的数量为四根，角柱1之间由横系梁3与可替换式薄壁板4相互连接形成空心薄壁结构，截面形式为矩形，角柱1位于截面的四个顶点；

所述角柱1中预先安装并浇筑有角柱预埋件2，角柱预埋件2沿角柱高度方向每隔一段距离布置，水平方向布置于角柱1内侧，同一水平面高度一个角柱1布置一对，四角一共布置八个；所述横系梁3沿角柱高度方向间隔分布，通过焊接或者螺栓连接与角柱预埋件2连接，形成刚性连接；

所述可替换式薄壁板4安装在上下相邻两根横系梁3之间，可替换式薄壁板4上端设有薄壁板上部连接板5-1，薄壁板上部连接板5-1采用高强螺栓与横系梁3连接，可替换式薄壁板4下方设有薄壁板下部连接板5-2，薄壁板下部连接板5-2采用高强螺栓与横系梁3连接，在可替换式薄壁板4与薄壁板下部连接板5-2之间设置有一条齿形后浇带6，齿形后浇带6在薄壁板上部与钢梁连接固定之后浇筑，将可替换式薄壁板4与薄壁板下部连接件5-2连接，可替换式薄壁板4与横系梁3浇筑沿角柱高度方向可分层设置，布置范围为高墩塑性铰区域，也可为全部区域。

本发明在正常使用状态下，横系梁与薄壁板主要为结构提供一定的侧向刚度，控制结构的侧向位移，可以使结构在使用过程中具有更好的稳定性以及较小的侧向位移，保证了桥梁的行车舒适度。

本发明在正常使用状态下，角柱作为主体构件主要承担结构的竖向荷载以及使用过程中的动荷载。

本发明结构在小震作用下，结构所受的侧向地震力有一部分将由横系梁以及薄壁板来承担，由于可替换式薄壁板是钢筋混凝土构件，刚度较大，进入塑性的位移较小，以及厚度较薄，将先于钢梁屈服之前破坏，此时结构由于可替换式薄壁板的破坏，侧向刚度下降，结构的周期变长，所受的地震力随之减小，从而提高结构的抗震性能，保护钢梁以及角柱。

本发明结构在大震作用下，作为第一级抗震设防构件的可替换式薄壁板进入塑性之后，随着地震强度的增加，结构所受的地震力也增大，可替换式薄壁板遭受严重破坏之后，逐渐退出工作，之前承担的侧向力随之向钢梁以及角柱转移，钢梁承担的侧向力逐渐增加，也逐步进入塑性，通过钢梁优越的耗能性能以保护角柱，通过优化设计甚至可以保证角柱自始至终处于弹性工作状态。

本发明在地震之后，损伤的横系梁可以通过熔断焊缝或者直接将螺栓卸下，更换新的横系梁，可替换式薄壁板可以将高强螺栓卸下，即可替换新的薄壁板。在不同的地震烈度之下，根据损伤的严重程度以及损伤部位，选择需要替换的减振次级构件。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种具有震后可恢复性能的自耗能高墩结构体系，其特征在于：包括角柱、角柱预埋件、横系梁、可替换式薄壁板、薄壁板上部连接板、薄壁板下部连接板和齿形后浇带；

所述角柱的数量为四根，角柱之间由横系梁与可替换式薄壁板相互连接形成空心薄壁结构，截面形式为矩形，角柱位于截面的四个顶点；

所述角柱中预先安装并浇筑有角柱预埋件，角柱预埋件沿角柱高度方向每隔一段距离布置，水平方向布置于角柱内侧，同一水平面高度一个角柱布置一对，四角一共布置八个；所述横系梁沿角柱高度方向间隔分布，通过焊接或者螺栓连接与角柱预埋件连接，形成刚性连接；

所述可替换式薄壁板安装在上下相邻两根横系梁之间，可替换式薄壁板上端设有薄壁板上部连接板，薄壁板上部连接板采用高强螺栓与横系梁连接，可替换式薄壁板下方设有薄壁板下部连接板，薄壁板下部连接板采用高强螺栓与横系梁连接，在可替换式薄壁板与薄壁板下部连接板之间设置有一条齿形后浇带，将可替换式薄壁板与薄壁板下部连接件连接。

2.根据权利要求1所述的具有震后可恢复性能的自耗能高墩结构体系，其特征在于：所述的可替换式薄壁板采用钢筋混凝土材料，可替换式薄壁板的高宽比应不低于1.67。

3.根据权利要求1所述的具有震后可恢复性能的自耗能高墩结构体系，其特征在于：所述的可替换式薄壁板仅上下部与横系梁连接，为单向约束构件；所述的可置换式薄板构件设置于高墩的塑性铰区域，其余区域采用现浇式柱板结构。

4.根据权利要求1所述的具有震后可恢复性能的自耗能高墩结构体系，其特征在于：所述的横系梁材料采用普通碳素钢，截面形式采用工字型。

5.根据权利要求1所述的具有震后可恢复性能的自耗能高墩结构体系，其特征在于：四个所述角柱的截面尺寸保持相同，角柱的材料为钢筋混凝土或者钢管混凝土，角柱为实心截面。

6.根据权利要求1所述的具有震后可恢复性能的自耗能高墩结构体系，其特征在于：所述角柱间设置用以减少横系梁的跨度的次级柱。

7.根据权利要求1所述的具有震后可恢复性能的自耗能高墩结构体系，其特征在于：所述角柱的截面尺寸沿高度方向上为变截面。

8.根据权利要求1所述的具有震后可恢复性能的自耗能高墩结构体系，其特征在于：所述的角柱预埋件材料采用普通碳素钢，强度等级应不低于横系梁用钢等级。