CN108468268B - 用于新建桥梁的缠绕索防落梁装置 - Google Patents

用于新建桥梁的缠绕索防落梁装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于新建桥的缠绕索防落梁装置，其特征在于：布置在梁体和盖梁之间，包括以下组成：两个地脚固定于盖梁的顶面上；摩擦轴固定在两个地脚之间；两个梁体限位块固定在梁体上；摩擦索在摩擦轴上缠绕若干圈，并施加预紧力后，两端分别连接在两个梁体限位块上。正常状态下，摩擦索与摩擦轴之间因施加的预应力而产生的静摩擦力能够满足因车辆制动引起的墩梁相对位移以及温度引起梁体的伸缩；地震作用下，摩擦索通过与摩擦轴的摩擦滑动，消耗地震输入结构的能量，发挥减、抗震作用；同时，限位块起到限制梁体发生过大位移的作用。极限状态下，摩擦索索力小于梁体地震荷载作用，梁体限位块与摩擦轴地脚发生碰撞，限制桥墩与梁体发生过大的相对位移。

Description

用于新建桥梁的缠绕索防落梁装置
技术领域
本发明涉及一种新型的防落梁装置，适用于公路桥、城市高架桥以及各种大型连续梁桥的新建结构。能够在地震作用下有效限制桥墩和主梁的相对位移，提高其整体抗震性能，属于桥梁结构减、抗震领域。
背景技术
我国是一个地震多发的国家，地震频率高，强度大，并且分布范围广。近几年发生的几次特大地震灾害，都对我国人民造成了重大的生命财产损失。桥梁作为生命线工程之一，对抗震救灾和灾后重建起着至关重要的作用。
在破坏性地震中，桥梁上部结构的位移过大和落梁震害比较常见。在汶川地震中，落梁震害极为严重，主梁发生落梁时撞击桥墩和桥台，会对下部结构产生二次破坏，可能造成更大的震害。美国、日本等国在桥梁规范中对防落梁装置都有所规定。而国内现缺乏相应的设计规范，防落梁装置只作为桥梁抗震的一种构造措施。
为降低桥梁上部结构的震害，提高其整体抗震性能，通常在横桥向设置防落梁挡块，纵桥向设置防落梁装置。常用的防落梁装置主要有限位装置和连梁装置，在地震中限制桥墩和主梁的相对位移，保护支座，防止发生落梁破坏。但以上防落梁装置施工质量差，可靠性不高，在地震中容易破坏，并且不易修复和更换，有些防落梁装置成本昂贵，抗震效果不明显。基于以上所述不足，本发明提出一种新型的基于缠绕索的防落梁装置，通过缠绕索与摩擦轴的摩擦消耗地震能量。
发明内容
本发明目的是提供一种基于摩擦索的防落梁装置，利用本发明，可以克服常规防落梁装置既有技术上存在的上述缺点和不足，有效控制地震作用下墩梁相对位移，减少地震时落梁灾害发生的概率，为新建梁桥抗震设计提供一种新思路和新技术。
摩擦索防落梁装置，可布置在梁体和盖梁之间，每个装置的组成部分如下：地脚2固定于盖梁8顶面上；摩擦轴3固定在两个地脚之间；梁体限位块1固定在梁体7上；摩擦索4在摩擦轴3上缠绕若干圈，并施加预紧力后，两端分别连接在限位块1上。
本发明的工作机理为：
正常状态下，摩擦索4与摩擦轴3之间因施加的预应力而产生的静摩擦力能够满足因车辆制动引起的墩梁相对位移以及温度引起梁体的伸缩。地震作用下，随着桥墩和梁体相对位移的增大，当梁体的纵向地震荷载大于摩擦索4与摩擦轴3之间的最大静摩擦力时，摩擦索4与摩擦轴3之间发生相对滑动，摩擦索随着桥墩和梁体相对位移的增大越来越紧，索力逐渐增大，限制桥墩和梁体发生过大的相对位移。摩擦索通过与摩擦轴的摩擦滑动，消耗地震输入结构的能量，发挥减、抗震作用。同时，限位块起到限制梁体发生过大位移的作用。
摩擦索防落梁装置设计方法，其特征在于：
1)在正常状态下，摩擦索与摩擦轴之间产生的静摩擦力能满足正常使用需求，摩擦索的初始长度为
Figure GDA0001732302150000021
Fe2πnμ>Pz
2)地震作用下，桥墩与梁体发生相对位移，摩擦索与摩擦轴发生相对滑动，随着墩梁相对位移的增大，摩擦索长度逐渐增加，索力增大。其在某一位置处的长度为
Figure GDA0001732302150000022
h＝L·tanα0
摩擦索伸长量为
Figure GDA0001732302150000023
摩擦索索力为
F＝F0+f+ΔF(k,α)-Δf
化简得：F＝[F0e2πnμ+ΔF(k,ΔS)]e-2πnμ
3)极限状态下，摩擦索索力小于梁体地震荷载作用，梁体限位块与摩擦轴地脚发生碰撞，限制桥墩与梁体发生过大的相对位移。要求横桥向装置地脚与梁体限位块的水平距离小于边缘T梁距盖梁边缘的距离，纵桥向装置地脚与梁体限位块的距离小于梁体在盖梁上的搭接长度。
Δx≤Δl
其中：
α—距摩擦轴较远一端摩擦索与水平向所成角度，rad；
α0—初始状态摩擦索与水平向所成角度，rad；
d—摩擦轴直径，m；
h—梁体限位块与摩擦索连接孔到桥墩摩擦轴的中线垂直距离，m；
L—梁体限位块与装置中线之间的距离，m；
n—摩擦索缠绕的圈数；
μ—摩擦索和摩擦轴之间的摩擦系数；
F0—摩擦索预应力，kN；
f—摩擦索与摩擦轴产生的滑动摩擦力；kN
ΔF(k,α)—由摩擦索伸长引起的索力；kN
Δf—为摩擦力损失值；
Pz—车辆制动力，kN。
k—缠绕索刚度，kN/m；
ΔSa—摩擦索伸长量，m；
Δx—梁体与桥墩纵向相对位移，m；
Δl—纵桥向主梁在盖梁上的搭接长度，横桥向主梁两端T梁距离盖梁边缘的距离；
本发明的优点在于：
1)在正常车辆制动荷载以及温度荷载作用下，摩擦索与摩擦轴之间的静摩擦力限制墩梁间的相对位移，满足正常使用需求。
2)在地震作用下，当上部结构梁体产生的地震力大于摩擦索与摩擦轴之间的最大静摩擦力时，墩梁发生相对位移，摩擦索与摩擦轴之间发生相对滑动，摩擦索被拉长，摩擦索力增大，很好的限制了墩梁相对位移。
3)该装置在桥梁纵、横向均可以使用，都可以有效地起到防落梁作用。
4)该装置在地震发生时通过摩擦索与摩擦轴的滑动摩擦消耗地震输入结构的能量，减小上部结构的地震响应，可以有效避免落梁灾害的发生。
5)本发明装置具有结构简单，受力清晰，造价低廉，检查维修方便等优点。
本发明的技术方案：
本装置的安装过程概括如下，对于公路桥，横桥向常在盖梁两端各设置一个装置，地脚固定在盖梁上，限位块与相邻两片T梁连接；纵桥向设置在主梁伸缩缝处的盖梁上，摩擦索的缠绕圈数和预紧力根据具体情况设定。
所述装置的工作原理如下：
原理一，正常状态下，摩擦索4与摩擦轴3之间因施加的预应力而产生的静摩擦力大于车辆制动荷载以及温度荷载，能够限制梁体与桥墩之间的相对位移，以满足正常使用需求。
原理二，地震作用下，随着桥墩和梁体相对位移的增大，当梁体的纵向地震荷载大于摩擦索4与摩擦轴3之间的最大静摩擦力时，摩擦索4与摩擦轴3发生相对滑动，摩擦索随着桥墩和梁体相对位移的增大越来越紧，索力逐渐增大，限制桥墩和梁体发生太大相对位移。摩擦索通过与摩擦轴的摩擦滑动，消耗地震输入结构的能量，发挥减、抗震作用。
原理三：极限状态下，摩擦索索力小于梁体地震荷载作用，梁体限位块与装置地脚发生碰撞，限制桥墩与梁体发生过大的相对位移，避免落梁的发生。
本发明的积极效果是：本发明提出一种摩擦索防落梁装置，该装置既能满足正常使用需求；在地震作用下又能有效防止桥墩和梁体发生过大相对位移，造成落梁破坏，提高结构的整体抗震性能。同时，本发明装置具有受力清晰，结构简单，造价低廉，检查维修方便等优点。适用于铁路桥、公路桥、城市高架桥以及各种大型新建桥梁结构的抗震设计。
附图说明:
图1(a)、(b)、(c)分别是本发明在横桥向正常工作状态的主视图、侧视图以及俯视图；
图2是本发明在横桥向使用状态参考图；
图3(a)、(b)、(c)分别是本发明在纵桥向正常工作状态的主视图、侧视图以及俯视图；
图4是本发明在纵桥向使用状态参考图；
图5是本发明三维示意图；
具体实施方式
以下结合实例及附图作进一步详述，但不作为对本发明的限定。
本实例的结构如附图1、2、3、4、5所示，摩擦索防落梁装置，其中：1、梁体限位块；2、地脚；3、摩擦轴；4、摩擦索；5、底板；6、底板螺栓；7、主梁；8、盖梁。
地脚2固定于盖梁6上；摩擦轴3固定在地脚上；梁体限位块1固定在梁体7上；摩擦索4在摩擦轴3上缠绕若干圈，并施加预应力(具体缠绕圈数和预应力根据控制条件确定)后，两端分别连接在梁体限位块1上；摩擦索4与摩擦轴3的轴线相互垂直。
本实施例中，缠绕索4与梁体限位块1斜向连接，在实际施工中也可将缠绕索与梁体限位块水平连接。梁体限位块与地脚的碰撞面也可以做成竖直，具体根据实际施工需要调整。
正常状态下，摩擦索4与摩擦轴3之间因预应力而产生的静摩擦力能够限制因车辆制动荷载以及温度引起的梁体与桥墩之间的相对位移，以满足正常使用需求。地震作用下，随着桥墩和梁体相对位移的增大，当梁体的纵(横)向地震荷载大于摩擦索4与摩擦轴3之间的最大静摩擦力时，摩擦索4与摩擦轴3发生相对滑动，摩擦索随着桥墩和梁体相对位移的增大越来越紧，索力逐渐增大，限制桥墩和梁体发生太大相对位移。摩擦索通过与摩擦轴的摩擦滑动，消耗地震输入结构的能量，发挥减、抗震作用。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同变化与修饰，都应视为本发明方案的技术范畴，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种用于新建桥的缠绕索防落梁装置，其特征在于：布置在梁体和盖梁之间，包括以下组成：两个地脚固定于盖梁的顶面上；摩擦轴固定在两个地脚之间；两个梁体限位块固定在梁体上；摩擦索在摩擦轴上缠绕若干圈，并施加预紧力后，两端分别连接在两个梁体限位块上；摩擦索与摩擦轴所在的水平面形成夹角。
2.应用如权利要求1所述装置的方法，其特征在于：
正常状态下，摩擦索与摩擦轴之间因施加的预应力而产生的静摩擦力能够满足因车辆制动引起的墩梁相对位移以及温度引起梁体的伸缩；地震作用下，随着桥墩和梁体相对位移的增大，当梁体的纵向地震荷载大于摩擦索与摩擦轴之间的最大静摩擦力时，摩擦索与摩擦轴之间发生相对滑动，摩擦索随着桥墩和梁体相对位移的增大越来越紧，索力逐渐增大，限制桥墩和梁体发生过大的相对位移；摩擦索通过与摩擦轴的摩擦滑动，消耗地震输入结构的能量，发挥减、抗震作用；同时，限位块起到限制梁体发生过大位移的作用。
3.应用如权利要求1所述装置的方法，其特征在于：极限状态下，摩擦索索力小于梁体地震荷载作用，梁体限位块与摩擦轴地脚发生碰撞，限制桥墩与梁体发生过大的相对位移。
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