CN108049304A - 一种山区不规则桥梁双柱墩混合抗震体系 - Google Patents

一种山区不规则桥梁双柱墩混合抗震体系 Download PDF

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Abstract

一种山区不规则桥梁双柱墩混合抗震体系，属桥梁工程领域。所述体系主要由高墩、矮墩、盖梁、承台、桩基础、无粘结FRP筋、不锈钢管、可替换拉压耗能器、螺杆、螺栓、钢垫板、锚固钢筋组成。矮墩现场预制，且两端与承台、盖梁接缝处为摇摆结构。高墩与承台、盖梁连接处整体现浇。矮墩外套不锈钢管，墩顶、墩底设置可替换拉压耗能器。高墩、矮墩截面中心均设置无粘结预应力FRP筋。该体系强震下通过可替换拉压耗能器耗能，且震后损坏的可替换拉压耗能器可方便替换。不锈钢管可抑制混凝土在强震下的破坏，同时不锈钢管及FRP筋均可提高桥墩的耐久性。该体系抗震能力高，且施工方便。

Description

一种山区不规则桥梁双柱墩混合抗震体系
技术领域
本发明涉及新型桥墩，特别涉及采用摇摆结构和整体现浇结构混合使用的山区不规则桥梁双柱墩。
背景技术
为适应斜坡地形，依山修建的大量山区双柱墩为典型的不规则双柱墩，高墩与矮墩高度差大。强震下，矮墩刚度大，承担了绝大部分的地震力，但矮墩是典型的短柱，抗震变形能力差；并且横桥向地震作用下，矮墩承受显著的变轴力影响；而纵桥向地震作用下，由于高、矮墩变形不协调引起矮墩同时承受扭转的影响。上述受力机理造成矮墩成为山区不规则双柱墩的典型抗震薄弱环节，强震下易发生破坏，山区不规则双柱墩抗震设计极为困难。
摇摆结构可降低结构的地震需求，减轻结构的地震损伤。将矮墩设计为摇摆结构，可大大减轻矮墩承受的地震力，同时利用外置可替换耗能装置提高结构的耗能能力，且强震后损坏的耗能装置可快速替换，迅速恢复结构的使用功能。因此，摇摆结构在桥梁抗震设计中具有明显的应用前景。考虑到山区施工及吊装运输的不便，同时为保证体系的可靠性及强震下的抗剪、抗扭能力，将山区不规则双柱墩全部设计为摇摆结构形式也不可能。同时，摇摆结构在耐久性也是一个值得关注的问题。
综合上述背景，山区不规则桥梁双柱墩抗震设计面临极大困难，且具有良好抗震能力的摇摆结构体系不适宜在山区桥梁建设中大范围使用。因此，提出一种既能利用摇摆结构抗震优点，又能适应山区施工要求的桥梁结构体系，成为桥梁工程设计人员面临的重大挑战。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提出山区不规则桥梁双柱墩混合抗震体系。由高墩、矮墩、盖梁、承台、桩基础、无粘结FRP筋、不锈钢管、可替换拉压耗能器、竖直螺杆、水平螺杆、螺栓、钢垫板、锚固钢筋等组成。具体操作上，除将矮墩设计为摇摆结构形式外，其余部分均采用整体现浇形式。设计了便于安装、耗能能力好、受力模式可控的新型可替换拉压耗能器，并采用不锈钢管及预应力FRP筋保证结构的耐久性。上述不规则桥梁双柱墩混合抗震体系将具有良好的抗震能力和耐久性，且施工方便，便于安装，震后可修复性良好。上述技术措施将在山区桥梁工程建设中具有广泛应用前景。
为达到以上目的，可通过以下技术方案实现：
一种山区不规则桥梁双柱墩混合抗震体系，主要由矮墩(1)、高墩(2)、盖梁(3)、承台(4)、桩基础(12)、无粘结FRP筋(9)、不锈钢管(5)、可替换拉压耗能器(6)、竖直螺杆(7-1)、水平螺杆(7-2)、螺栓(8)、钢垫板(10)、锚固钢筋(11)组成。
高墩(2)、盖梁(3)、承台(4)、桩基础(12)均采用整体现浇形式，现场浇筑。矮墩(1)采用预制拼装结构，矮墩(1)两端与承台(4)、盖梁(3)接缝处设置为摇摆结构形式，接缝位置无纵筋穿过，仅竖向无粘结FRP筋(9)穿过接缝。且矮墩(1)外套不锈钢管(5)，不锈钢管(5)作为矮墩(1)内部混凝土浇筑时施工的模板。矮墩(1)中仅配置纵筋，不设置箍筋，纵筋在矮墩(1)两端与盖梁(3)、承台(4)接缝处截断。
矮墩(1)墩顶、墩底与盖梁(3)、承台(4)连接处设置可替换拉压耗能器(6)。可替换拉压耗能器(6)在矮墩(1)的墩顶、墩底沿桥墩截面四周至少各均匀布置4块。可替换拉压耗能器(6)通过竖直螺杆(7-1)、螺栓(8)与盖梁(3)、承台(4)连接；通过水平螺杆(7-2)、螺栓(8)与矮墩(1)连接。
可替换拉压耗能器(6)由竖向连接部分(13)、水平连接部分(14)、耗能部分(15)组成。与不锈钢管(5)接触的竖向连接部分(13)截面呈弧形，便于与矮墩(1)外套的不锈钢管(5)连接。与承台(4)、盖梁(3)接触的水平连接部分(14)截面为长方形，且竖向连接部分(13)、水平连接部分(14)均设置螺栓孔。耗能部分(15)呈倾斜状，截面较竖向连接部分(13)、水平连接部分(14)做弧形缩减，仍为矩形截面，且为空心状。耗能部分(15)中间空心部分为纺锤型。
整体现浇的高墩(2)和现场预制的矮墩(1)中心位置均各设置1道竖向无粘结FRP筋(9)，无粘结FRP筋(9)底部锚固于承台(4)，顶部锚固于盖梁(3)顶。无粘结FRP筋(9)中设置预应力。
竖直螺杆(7-1)、水平螺杆(7-2)两端均设置螺纹。竖直螺杆(7-1)穿过钢垫板(10)；水平螺杆(7-2)穿过不锈钢管(5)，并在不锈钢管(5)内侧设置螺栓(8)，以便于水平螺杆(7-2)的锚固。在不锈钢管(5)外侧，仍通过螺栓(8)将可替换拉压耗能器(6)与矮墩(1)连接。
与矮墩(1)接触的盖梁(3)、承台(4)中均各设置1块钢垫板(10)，钢垫板(10)通过锚固钢筋(11)锚固于盖梁(3)或承台(4)的混凝土中。
采用上述技术方案的本发明：
1.混合抗震体系使不规则双柱墩的高墩与矮墩的受力分配更为合理，且双柱墩承受的轴力变化明显减少，有利于矮墩抗震能力的提升，大大提高山区不规则桥梁双柱墩的抗震能力。
2.适应了山区桥梁建设的现实情况，矮墩由于本身尺寸小，不需要大型的运输和吊装机械，利于现场施工。
3.不锈钢管和预应力FRP筋将极大提高桥墩体系的耐久性，适应了山区桥梁结构不便于维护的现状。同时，不锈钢管将大大提高矮墩的抗剪强度和延性变形能力，抑制强震下矮墩中混凝土的破坏，且便于外置可替换拉压耗能器的安装。
4.新型外置可替换拉压耗能器以拉压屈服耗能，受力机理更为明确，且安装方便，沿桥墩截面四周布置灵活，可有效提高结构的耗能能力；且外置可替换拉压耗能器具有一定的抗剪强度和抗扭强度。震后损坏的外置可替换拉压耗能器可快速替换，实现结构震后可快速修复的要求。
5.混合体系将保证外置可替换拉压耗能器先于其它部分屈服并耗能，同时通过竖向无粘结FRP筋，大大减轻结构的震后残余位移和高墩的震后裂缝宽度，实现结构的地震损伤控制设计。
与传统的桥墩相比，本发明专利具有以下6个突出优点：其一，摇摆结构体系可大大降低矮墩的侧向刚度和承受的地震力，可实现矮墩与高墩协同受力及变形的抗震体系，使得山区不规则桥梁双柱墩的抗震能力极大的提高。其二，不锈钢管提高了矮墩的抗剪强度、延性变形能力并抑制了强震下矮墩中混凝土的压碎破坏，避免强震下矮墩的损伤破坏。其三，外置可替换拉压耗能器具有良好的耗能能力，并可提供一定的抗剪和抗扭能力，强震下通过自身的拉压屈服耗能，机理更为明确，且震后损坏的外置可替换耗能器可快速替换，实现结构震后的功能恢复。其四，矮墩本身尺寸小，重量轻，现场吊装和运输方便，适应了山区桥梁结构施工不便于利用大型机械设备的实际情况，更便于现场施工。其五，与其它耗能装置相比，本发明提出的外置可替换耗能装置受力机理更为明确，便于设计，且安装方便，便于拆卸。其六，不锈钢管和FRP筋不易锈蚀，本发明的双柱墩将具有很好的耐久性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明的总体示意图。
图2为本发明的矮墩墩顶连接示意图。
图3为本发明的矮墩墩底连接示意图。
图4为可替换拉压耗能器侧面图。
图5为可替换拉压耗能器三维透视图。
图中：1—矮墩，2—高墩，3—盖梁，4—承台，5—不锈钢管，6—可替换拉压耗能器，7-1—竖直螺杆，7-2—水平螺杆，8—螺栓，9—无粘结FRP筋，10—钢垫板，11—锚固钢筋，12—桩基础，13—竖向连接部分，14—水平连接部分，15—耗能部分。
具体实施方式
如图所示的一种山区不规则桥梁双柱墩混合抗震体系，主要由矮墩(1)、高墩(2)、盖梁(3)、承台(4)、桩基础(12)、无粘结FRP筋(9)、不锈钢管(5)、可替换拉压耗能器(6)、竖直螺杆(7-1)、水平螺杆(7-2)、螺栓(8)、钢垫板(10)、锚固钢筋(11)组成。
高墩(2)、盖梁(3)、承台(4)、桩基础(12)均采用整体现浇形式，现场浇筑。矮墩(1)采用预制拼装结构，矮墩(1)两端与承台(4)、盖梁(3)接缝处设置为摇摆结构形式，接缝位置无纵筋穿过，仅竖向无粘结FRP筋(9)穿过接缝。且矮墩(1)外套不锈钢管(5)，不锈钢管(5)作为矮墩(1)内部混凝土浇筑时施工的模板。矮墩(1)中仅配置纵筋，不设置箍筋，纵筋在矮墩(1)两端与盖梁(3)、承台(4)接缝处截断。
矮墩(1)墩顶、墩底与盖梁(3)、承台(4)连接处设置可替换拉压耗能器(6)。可替换拉压耗能器(6)在矮墩(1)的墩顶、墩底沿桥墩截面四周至少各均匀布置4块。可替换拉压耗能器(6)通过竖直螺杆(7-1)、螺栓(8)与盖梁(3)、承台(4)连接；通过水平螺杆(7-2)、螺栓(8)与矮墩(1)连接。
可替换拉压耗能器(6)由竖向连接部分(13)、水平连接部分(14)、耗能部分(15)组成。与不锈钢管(5)接触的竖向连接部分(13)截面呈弧形，便于与矮墩(1)外套的不锈钢管(5)连接。与承台(4)、盖梁(3)接触的水平连接部分(14)截面为长方形，且竖向连接部分(13)、水平连接部分(14)均设置螺栓孔。耗能部分(15)呈倾斜状，截面较竖向连接部分(13)、水平连接部分(14)做弧形缩减，仍为矩形截面，且为空心状。耗能部分(15)中间空心部分为纺锤型。
整体现浇的高墩(2)和现场预制的矮墩(1)中心位置均各设置1道竖向无粘结FRP筋(9)，无粘结FRP筋(9)底部锚固于承台(4)，顶部锚固于盖梁(3)顶。无粘结FRP筋(9)中设置预应力。
竖直螺杆(7-1)、水平螺杆(7-2)两端均设置螺纹。竖直螺杆(7-1)穿过钢垫板(10)；水平螺杆(7-2)穿过不锈钢管(5)，并在不锈钢管(5)内侧设置螺栓(8)，以便于水平螺杆(7-2)的锚固。在不锈钢管(5)外侧，仍通过螺栓(8)将可替换拉压耗能器(6)与矮墩(1)连接。
与矮墩(1)接触的盖梁(3)、承台(4)中均各设置1块钢垫板(10)，钢垫板(10)通过锚固钢筋(11)锚固于盖梁(3)或承台(4)的混凝土中。
采用上述技术方案的本发明：
1.混合抗震体系使不规则双柱墩的高墩与矮墩的受力分配更为合理，且双柱墩承受的轴力变化明显减少，有利于矮墩抗震能力的提升，大大提高山区不规则桥梁双柱墩的抗震能力。
2.适应了山区桥梁建设的现实情况，矮墩由于本身尺寸小，不需要大型的运输和吊装机械，利于现场施工。
3.不锈钢管和预应力FRP筋将极大提高桥墩体系的耐久性，适应了山区桥梁结构不便于维护的现状。同时，不锈钢管将大大提高矮墩的抗剪强度和延性变形能力，抑制强震下矮墩中混凝土的破坏，且便于外置可替换拉压耗能器的安装。
4.新型外置可替换拉压耗能器以拉压屈服耗能，受力机理更为明确，且安装方便，沿桥墩截面四周布置灵活，可有效提高结构的耗能能力；且外置可替换拉压耗能器具有一定的抗剪强度和抗扭强度。震后损坏的外置可替换拉压耗能器可快速替换，实现结构震后可快速修复的要求。
5.混合体系将保证外置可替换拉压耗能器先于其它部分屈服并耗能，同时通过竖向无粘结FRP筋，大大减轻结构的震后残余位移和高墩的震后裂缝宽度，实现结构的地震损伤控制设计。
综上，本发明提出了一种山区不规则桥梁双柱墩混合抗震体系。主要由高墩、矮墩、盖梁、承台、桩基础、竖向无粘结FRP筋、不锈钢管、可替换拉压耗能器、螺杆、螺栓、钢垫板、锚固钢筋等组成。与传统的桥墩相比，本发明专利具有以下6个突出优点：其一，摇摆结构体系可大大降低矮墩的侧向刚度和承受的地震力，可实现矮墩与高墩协同受力及变形的抗震体系，使得山区不规则桥梁双柱墩的抗震能力极大的提高。其二，不锈钢管提高了矮墩的抗剪强度、延性变形能力并抑制了强震下矮墩中混凝土的压碎破坏，避免强震下矮墩的损伤破坏。其三，外置可替换拉压耗能器具有良好的耗能能力，并可提供一定的抗剪和抗扭能力，强震下通过自身的拉压屈服耗能，机理更为明确，且震后损坏的外置可替换耗能器可快速替换，实现结构震后的功能恢复。其四，矮墩本身尺寸小，重量轻，现场吊装和运输方便，适应了山区桥梁结构施工不便于利用大型机械设备的实际情况，更便于现场施工。其五，与其它耗能装置相比，本发明提出的外置可替换耗能装置受力机理更为明确，便于设计，且安装方便，便于拆卸。其六，不锈钢管和FRP筋不易锈蚀，本发明的双柱墩将具有很好的耐久性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上诉揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种山区不规则桥梁双柱墩混合抗震体系，其特征在于，包括矮墩(1)、高墩(2)、盖梁(3)、承台(4)、桩基础(12)、无粘结FRP筋(9)、不锈钢管(5)、可替换拉压耗能器(6)、竖直螺杆(7-1)、水平螺杆(7-2)、螺栓(8)、钢垫板(10)和锚固钢筋(11)；
高墩(2)、盖梁(3)、承台(4)、桩基础(12)均采用整体现浇形式，现场浇筑；矮墩(1)采用预制拼装结构，矮墩(1)两端与承台(4)、盖梁(3)接缝处设置为摇摆结构形式，接缝位置无纵筋穿过，仅竖向无粘结FRP筋(9)穿过接缝；且矮墩(1)外套不锈钢管(5)，不锈钢管(5)作为矮墩(1)内部混凝土浇筑时施工的模板；矮墩(1)中仅配置纵筋，不设置箍筋，纵筋在矮墩(1)两端与盖梁(3)、承台(4)接缝处截断；
矮墩(1)墩顶、墩底与盖梁(3)、承台(4)连接处设置可替换拉压耗能器(6)；可替换拉压耗能器(6)在矮墩(1)的墩顶、墩底沿桥墩截面四周至少各均匀布置4块；可替换拉压耗能器(6)通过竖直螺杆(7-1)、螺栓(8)与盖梁(3)、承台(4)连接；通过水平螺杆(7-2)、螺栓(8)与矮墩(1)连接；
可替换拉压耗能器(6)由竖向连接部分(13)、水平连接部分(14)和耗能部分(15)组成；与不锈钢管(5)接触的竖向连接部分(13)截面呈弧形，便于与矮墩(1)外套的不锈钢管(5)连接；与承台(4)、盖梁(3)接触的水平连接部分(14)截面为长方形，且竖向连接部分(13)、水平连接部分(14)均设置螺栓孔；耗能部分(15)呈倾斜状，截面较竖向连接部分(13)、水平连接部分(14)做弧形缩减，仍为矩形截面，且为空心状；与矮墩(1)接触的盖梁(3)、承台(4)中均各设置1块钢垫板，钢垫板通过锚固钢筋(11)锚固于盖梁(3)或承台(4)的混凝土中；
整体现浇的高墩(2)和现场预制的矮墩(1)中心位置均各设置1道竖向无粘结FRP筋(9)，无粘结FRP筋(9)底部锚固于承台(4)，顶部锚固于盖梁(3)顶；无粘结FRP筋(9)中设置预应力。
2.根据权利要求1所述的一种山区不规则桥梁双柱墩混合抗震体系，其特征在于：竖直螺杆(7-1)、水平螺杆(7-2)两端均设置螺纹；竖直螺杆(7-1)穿过钢垫板(10)；水平螺杆(7-2)穿过不锈钢管(5)，并在不锈钢管(5)内侧设置螺栓(8)，以便于水平螺杆(7-2)的锚固；在不锈钢管(5)外侧，仍通过螺栓(8)将可替换拉压耗能器(6)与矮墩(1)连接。
3.根据权利要求1所述的一种山区不规则桥梁双柱墩混合抗震体系，其特征在于：
耗能部分(15)中间空心部分为纺锤型。
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