CN108487046A - 一种公铁两用双层桥梁排架墩地震损伤控制体系 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种公铁两用双层桥梁排架墩地震损伤控制体系，属桥梁工程领域。主要由承台、底层分体柱桥墩、底层盖梁、顶层桥墩、顶层盖梁、摩擦耗能片、耗能斜撑、无粘结预应力筋、分体柱等组成，所有桥墩均采用钢管混凝土。底层分体柱桥墩在正常使用下呈整体受力模式，两端接近固结，强震下分体柱两端转变为摇摆‑自复位体系，并通过分体柱间的摩擦耗能片提供耗能能力。顶层桥墩与底层盖梁、顶层盖梁连结处设置为摇摆‑自复位形式，通过耗能斜撑耗能。该体系通过底层分体柱桥墩受力体系的转换，以及顶层桥墩的摇摆‑自复位反应，实现了公铁两用双层桥梁排架墩的地震损伤控制设计，大大减轻强震下结构的地震损伤，且该体系震后易于修复。
Description
技术领域
本发明涉及新型桥墩，特别涉及采用摇摆-自复位结构和新型分体柱技术的公铁两用双层桥梁排架墩。
背景技术
我国跨越大江大河的大型桥梁工程中，其引桥一般采用公铁两用形式，形成了特殊的双层桥梁排架墩。其中下层为铁路桥，上层为公路桥。对下层铁路桥而言，为满足铁路行车的刚度需求，墩身截面很大，为典型的矮墩，强震下承受强烈的地震力，易发生破坏。对上层公路桥而言，由于下层桥墩的地震动放大效应，上层公路桥承受的地震动量级明显增大，上层公路桥梁也成为抗震的薄弱环节。且一旦上层公路桥梁发生破坏，检修时将严重影响下层铁路桥梁的通行能力。
分体柱技术可将矮墩分为一系列的细长型桥墩，大大减轻矮墩承受的地震力。摇摆-自复位结构可明显降低结构的地震需求，减轻结构的地震损伤，实现结构的地震损伤控制设计。另外，在结构体系中设置一定的外置可替换耗能装置可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。
综合上述背景，现有的公铁两用双层桥梁排架墩抗震设计面临极大困难。因此，提出一种既能充分利用分体柱结构、摇摆-自复位结构、外置耗能装置抗震的优点，又能适应公铁两用双层桥梁排架墩正常使用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，提出一种公铁两用双层桥梁排架墩地震损伤控制体系，由承台、底层分体柱桥墩、底层盖梁、顶层桥墩、顶层盖梁、无粘结预应力贯通筋、无粘结预应力短筋、摩擦耗能片、耗能斜撑、剪扭抵抗键、钢垫板、螺杆、螺栓、竖向连结钢板、水平连结钢板、分体柱组成。具体操作上，底层分体柱桥墩和顶层桥墩均为预制拼装结构，将下部铁路桥墩设计为分体柱形式，每个底层分体柱桥墩由4个分体柱组成，正常使用荷载下4个分体柱形成整体，两端接近于固结，可提供很大的侧向刚度。正常使用状态下及小震下，底层分体柱桥墩两端为固结，可提供很大的侧向刚度，并具有很好的地震损伤控制效果；强震下，由于无粘结预应力筋短筋拉断，每个底层分体柱桥墩两端由固结转变为4个独立的摇摆-自复位分体柱，通过各个分体柱间的摩擦耗能片耗能，并通过无粘结预应力贯通筋保持各个分体柱的自复位能力，可大大降低下部桥墩的地震反应。对上部桥墩，始终通过摇摆-自复位反应减轻结构的地震损伤，并通过外置可替换的耗能斜撑提供耗能能力。上述公铁两用双层桥梁排架墩地震损伤控制体系将具有良好的抗震性能和地震损伤控制能力，且施工方便，便于安装，震后可修复性良好。上述技术措施将在跨江跨河的大型桥梁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：
一种公铁两用双层桥梁排架墩地震损伤控制体系，主要由承台(1)、底层分体柱桥墩(2)、底层盖梁(3)、顶层桥墩(4)、顶层盖梁(5)、无粘结预应力贯通筋(6-1)、无粘结预应力短筋(6-2)、摩擦耗能片(7)、耗能斜撑(8)、剪扭抵抗键(9)、钢垫板(10)、螺杆(11)、螺栓(12)、竖向连结钢板(13)、水平连结钢板(14)、分体柱(15)组成。
在承台(1)上部左右两侧分别设置两个底层分体柱桥墩(2)，底层分体柱桥墩(2)顶部设置底层盖梁(3)，底层盖梁(3)上部左右两侧分别设置两个顶层桥墩(4)，顶层桥墩(4)顶部设置顶层盖梁(5)。
底层分体柱桥墩(2)为预制拼装结构，每个底层分体柱桥墩(2)由四个分体柱(15)组成，各个分体柱(15)均为钢管混凝土，矩形截面。每个分体柱(15)沿截面中心布置一道无粘结预应力贯通筋(6-1)，并在角部布置一道无粘结预应力短筋(6-2)。无粘结预应力贯通筋(6-1)底部锚固于承台(1)中，顶部锚固于底层盖梁(3)中。无粘结预应力短筋(6-2)布置于分体柱(15)的墩顶和墩底位置，每根长度不超过200mm。在分体柱(15)的墩顶位置，无粘结预应力短筋(6-2)一端锚固于分体柱(15)的墩顶，一端锚固于底层盖梁(3)中。在分体柱(15)的墩底位置，无粘结预应力短筋(6-2)一端锚固于承台(1)中，另一端锚固于分体柱(15)的墩底位置。每两个分体柱(15)之间沿高度方向布置若干个摩擦耗能片(7)。与底层分体柱桥墩(2)墩顶、墩底接触的底层盖梁(3)、承台(1)中均设置钢垫板(10)。每个底层分体柱桥墩(2)的墩顶和墩底位置，除无粘结预应力贯通筋(6-1)和无粘结预应力短筋(6-2)穿过外，无其它钢筋穿过。
顶层桥墩(4)为预制拼装钢管混凝土桥墩，与顶层桥墩(4)墩顶、墩底接触的顶层盖梁(5)、底层盖梁(3)中均设置钢垫板(10)。顶层桥墩(4)截面中心设置无粘结预应力贯通筋(6-1)。无粘结预应力贯通筋(6-1)底部锚固于底层盖梁(3)中，顶部锚固于顶层盖梁(5)的顶部。顶层桥墩(4)的墩顶、墩底设置耗能斜撑(8)。耗能斜撑(8)通过螺杆(11)、螺栓(12)将顶层桥墩(4)分别与顶层盖梁(5)、底层盖梁(3)连结。顶层桥墩(4)的墩底与底层盖梁(3)、墩顶与顶层盖梁(5)接触的位置，除无粘结预应力贯通筋(6-1)穿过外，无其它钢筋穿过。
耗能斜撑(8)采用低屈服强度的Q235钢制成，耗能斜撑(8)两端为十字型截面，中间呈一字型截面。耗能斜撑(8)两侧分别与竖向连结钢板(13)、水平连结钢板(14)焊接在一起。
剪扭抵抗键(9)由角钢制成，分布于底层分体柱桥墩(2)的四个角部，且焊接于承台(1)、底层盖梁(3)的钢垫板(10)上。
采用上述技术方案的本发明：
1.强震下底层分体柱桥墩、顶层桥墩均发生摇摆-自复位反应，形成了双层摇摆结构体系，可大大减轻结构承受的地震力和地震损伤破坏。
2.底层分体柱桥墩在正常使用及小震下呈整体受力模式，两端接近固结，可保证铁路桥梁的刚度需求。强震下由于无粘结预应力短筋拉断，每个底层分体柱桥墩转变为4个独立的分体柱，且分体柱两端为摇摆-自复位受力模式，可大大减轻结构承受的地震力。底层分体柱桥墩在强震前和强震后受力体系的转换是该发明的一个重要特征。
3.顶层桥墩上下两侧为摇摆-自复位形式，地震下很容易发生摇摆反应，进一步减轻了结构的地震反应。
4.无论是耗能斜撑还是摩擦耗能片，均属于外置耗能装置，安装方便，受力机理明确，强震下一旦发生破坏，可迅速替换，保证结构的震后快速可恢复性。
5.该体系所有桥墩均为钢管混凝土桥墩，施工时钢管可作为内部混凝土浇筑时的模板，避免了支模等施工过程。另外，该体系除承台外，其余部件均可工厂预制，现场仅需拼装，可大大加快施工进度，减轻施工过程对周围环境的影响。
6.该体系采用的钢管混凝土桥墩，避免了桥墩运输过程中和强震下对内部混凝土的损伤。可大大提高结构在施工过程中和强震下的安全性，实现结构的免地震损伤设计。
7.无粘结预应力短筋由于较无粘结预应力贯通筋大大缩短，且布置于截面四周部位，强震下无粘结预应力短筋易拉断，而无粘结预应力贯通筋不可能拉断。一方面保证了底层分体柱桥墩在强震下完成受力体系的转换，另一方面无粘结预应力贯通筋又保证了体系的自复位能力。
与传统的公铁两用双层排架墩相比，本发明专利具有以下6个突出优点：其一，强震下，该体系形成了特殊的双层摇摆结构。底层分体柱桥墩在强震下的受力体系转换，将有效保证体系在强震下的抗震安全，实现结构的地震损伤控制设计，并且对排架墩在正常使用下的刚度无影响。顶层桥墩设置为摇摆-自复位结构形式，进一步降低了体系的地震需求，有利于保证结构的抗震安全。其二，耗能斜撑和摩擦耗能片均具有良好的耗能能力，安装方便且受力机理明确，一旦震后损坏可快速替换，实现结构震后的功能恢复。其三，所有桥墩均为钢管混凝土结构，有利于浇筑内部混凝土，有利于桥墩的运输和现场安装，且有效避免强震下结构的破坏。其四，该体系除承台外，其余部件均可工厂预制、现场仅需拼装完成，可大大加快施工进度，减轻施工过程对周围环境的影响。
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
本发明共3幅附图,其中：
图1为本发明的总体示意图。
图2为本发明的底层分体柱桥墩截面示意图。
图3为本发明的耗能斜撑示意图。
图中：1—承台，2—底层分体柱桥墩，3—底层盖梁，4—顶层桥墩，5—顶层盖梁，6-1—无粘结预应力贯通筋，6-2—无粘结预应力短筋，7—摩擦耗能片，8—耗能斜撑，9—剪扭抵抗键，10—钢垫板，11—螺杆，12—螺栓，13—竖向连接钢板，14—水平连接钢板，15—分体柱。
具体实施方式
如图所示的一种公铁两用双层桥梁排架墩地震损伤控制体系，主要由承台(1)、底层分体柱桥墩(2)、底层盖梁(3)、顶层桥墩(4)、顶层盖梁(5)、无粘结预应力贯通筋(6-1)、无粘结预应力短筋(6-2)、摩擦耗能片(7)、耗能斜撑(8)、剪扭抵抗键(9)、钢垫板(10)、螺杆(11)、螺栓(12)、竖向连结钢板(13)、水平连结钢板(14)、分体柱(15)组成。
在承台(1)上部左右两侧分别设置两个底层分体柱桥墩(2)，底层分体柱桥墩(2)顶部设置底层盖梁(3)，底层盖梁(3)上部左右两侧分别设置两个顶层桥墩(4)，顶层桥墩(4)顶部设置顶层盖梁(5)。
底层分体柱桥墩(2)为预制拼装结构，每个底层分体柱桥墩(2)由四个分体柱(15)组成，各个分体柱(15)均为钢管混凝土，矩形截面。每个分体柱(15)沿截面中心布置一道无粘结预应力贯通筋(6-1)，并在角部布置一道无粘结预应力短筋(6-2)。无粘结预应力贯通筋(6-1)底部锚固于承台(1)中，顶部锚固于底层盖梁(3)中。无粘结预应力短筋(6-2)布置于分体柱(15)的墩顶和墩底位置，每根不超过200mm。在分体柱(15)的墩顶位置，无粘结预应力短筋(6-2)一端锚固于分体柱(15)的墩顶，一端锚固于底层盖梁(3)中。在分体柱(15)的墩底位置，无粘结预应力短筋(6-2)一端锚固于承台(1)中，另一端锚固于分体柱(15)的墩底位置。每两个分体柱(15)之间沿高度方向布置若干个摩擦耗能片(7)。与底层分体柱桥墩(2)墩顶、墩底接触的底层盖梁(3)、承台(1)中均设置钢垫板(10)。每个底层分体柱桥墩(2)的墩顶和墩底位置，除无粘结预应力贯通筋(6-1)和无粘结预应力短筋(6-2)穿过外，无其它钢筋穿过。
顶层桥墩(4)为预制拼装钢管混凝土桥墩，与顶层桥墩(4)墩顶、墩底接触的顶层盖梁(5)、底层盖梁(3)中均设置钢垫板(10)。顶层桥墩(4)截面中心设置无粘结预应力贯通筋(6-1)。无粘结预应力贯通筋(6-1)底部锚固于底层盖梁(3)中，顶部锚固于顶层盖梁(5)的顶部。顶层桥墩(4)的墩顶、墩底设置耗能斜撑(8)。耗能斜撑(8)通过螺杆(11)、螺栓(12)将顶层桥墩(4)分别与顶层盖梁(5)、底层盖梁(3)连结。顶层桥墩(4)的墩底与底层盖梁(3)、墩顶与顶层盖梁(5)接触的位置，除无粘结预应力贯通筋(6-1)穿过外，无其它钢筋穿过。
耗能斜撑(8)采用低屈服强度的Q235钢制成，耗能斜撑(8)两端为十字型截面，中间呈一字型截面。耗能斜撑(8)两侧分别与竖向连结钢板(13)、水平连结钢板(14)焊接在一起。
剪扭抵抗键(9)由角钢制成，分布于底层分体柱桥墩(2)的四个角部，且焊接于承台(1)、底层盖梁(3)的钢垫板(10)上。
采用上述技术方案的本发明：
1.强震下底层分体柱桥墩、顶层桥墩均发生摇摆-自复位反应，形成了双层摇摆结构体系，可大大减轻结构承受的地震力和地震损伤破坏。
2.底层分体柱桥墩在正常使用及小震下呈整体受力模式，两端接近固结，可保证铁路桥梁的刚度需求。强震下由于无粘结预应力短筋拉断，每个底层分体柱桥墩转变为4个独立的分体柱，且分体柱两端为摇摆-自复位受力模式，可大大减轻结构承受的地震力。底层分体柱桥墩在强震前和强震后受力体系的转换是该发明的一个重要特征。
3.顶层桥墩上下两侧为摇摆-自复位形式，地震下很容易发生摇摆反应，进一步减轻了结构的地震反应。
4.无论是耗能斜撑还是摩擦耗能片，均属于外置耗能装置，安装方便，受力机理明确，强震下一旦发生破坏，可迅速替换，保证结构的震后快速可恢复性。
5.该体系所有桥墩均为钢管混凝土桥墩，施工时钢管可作为内部混凝土浇筑时的模板，避免了支模等施工过程。另外，该体系除承台外，其余部件均可工厂预制，现场仅需拼装，可大大加快施工进度，减轻施工过程对周围环境的影响。
6.该体系采用的钢管混凝土桥墩，避免了桥墩运输过程中和强震下对内部混凝土的损伤。可大大提高结构在施工过程中和强震下的安全性，实现结构的免地震损伤设计。
7.无粘结预应力短筋由于较无粘结预应力贯通筋大大缩短，且布置于截面四周部位，强震下无粘结预应力短筋易拉断，而无粘结预应力贯通筋不可能拉断。一方面保证了底层分体柱桥墩在强震下完成受力体系的转换，另一方面无粘结预应力贯通筋又保证了体系的自复位能力。
与传统的公铁两用双层排架墩相比，本发明专利具有以下6个突出优点：其一，强震下，该体系形成了特殊的双层摇摆结构。底层分体柱桥墩在强震下的受力体系转换，将有效保证体系在强震下的抗震安全，实现结构的地震损伤控制设计，并且对排架墩在正常使用下的刚度无影响。顶层桥墩设置为摇摆-自复位结构形式，进一步降低了体系的地震需求，有利于保证结构的抗震安全。其二，耗能斜撑和摩擦耗能片均具有良好的耗能能力，安装方便且受力机理明确，一旦震后损坏可快速替换，实现结构震后的功能恢复。其三，所有桥墩均为钢管混凝土结构，有利于浇筑内部混凝土，有利于桥墩的运输和现场安装，且有效避免强震下结构的破坏。其四，该体系除承台外，其余部件均可工厂预制、现场仅需拼装完成，可大大加快施工进度，减轻施工过程对周围环境的影响。
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 (2)
1.一种公铁两用双层桥梁排架墩地震损伤控制体系，其特征在于，由承台(1)、底层分体柱桥墩(2)、底层盖梁(3)、顶层桥墩(4)、顶层盖梁(5)、无粘结预应力贯通筋(6-1)、无粘结预应力短筋(6-2)、摩擦耗能片(7)、耗能斜撑(8)、剪扭抵抗键(9)、钢垫板(10)、螺杆(11)、螺栓(12)、竖向连结钢板(13)、水平连结钢板(14)、分体柱(15)组成；
在承台(1)上部左右两侧分别设置两个底层分体柱桥墩(2)，底层分体柱桥墩(2)顶部设置底层盖梁(3)，底层盖梁(3)上部左右两侧分别设置两个顶层桥墩(4)，顶层桥墩(4)顶部设置顶层盖梁(5)；
底层分体柱桥墩(2)为预制拼装结构，每个底层分体柱桥墩(2)由四个分体柱(15)组成，各个分体柱(15)均为钢管混凝土，矩形截面；每个分体柱(15)沿截面中心布置一道无粘结预应力贯通筋(6-1)，并在角部布置一道无粘结预应力短筋(6-2)；无粘结预应力贯通筋(6-1)底部锚固于承台(1)中，顶部锚固于底层盖梁(3)中；无粘结预应力短筋(6-2)布置于分体柱(15)的墩顶和墩底位置，每根无粘结预应力短筋(6-2)长度不超过200mm；在分体柱(15)的墩顶位置，无粘结预应力短筋(6-2)一端锚固于分体柱(15)的墩顶，一端锚固于底层盖梁(3)中；在分体柱(15)的墩底位置，无粘结预应力短筋(6-2)一端锚固于承台(1)中，另一端锚固于分体柱(15)的墩底位置；每两个分体柱(15)之间沿高度方向布置1个或多个摩擦耗能片(7)；与底层分体柱桥墩(2)墩顶、墩底接触的底层盖梁(3)、承台(1)中均设置钢垫板(10)；每个底层分体柱桥墩(2)的墩顶和墩底位置，除无粘结预应力贯通筋(6-1)和无粘结预应力短筋(6-2)穿过外，无其它钢筋穿过；
顶层桥墩(4)为预制拼装钢管混凝土桥墩，与顶层桥墩(4)墩顶、墩底接触的顶层盖梁(5)、底层盖梁(3)中均设置钢垫板(10)；顶层桥墩(4)截面中心设置无粘结预应力贯通筋(6-1)；无粘结预应力贯通筋(6-1)底部锚固于底层盖梁(3)中，顶部锚固于顶层盖梁(5)的顶部；顶层桥墩(4)的墩顶、墩底设置耗能斜撑(8)；耗能斜撑(8)通过螺杆(11)、螺栓(12)将顶层桥墩(4)分别与顶层盖梁(5)、底层盖梁(3)连结；顶层桥墩(4)的墩底与底层盖梁(3)、墩顶与顶层盖梁(5)接触的位置，除无粘结预应力贯通筋(6-1)穿过外，无其它钢筋穿过；
耗能斜撑(8)采用低屈服强度的Q235钢制成，耗能斜撑(8)两端为十字型截面，中间呈一字型截面；耗能斜撑(8)两侧分别与竖向连结钢板(13)、水平连结钢板(14)焊接在一起；剪扭抵抗键(9)分布于底层分体柱桥墩(2)的四个角部，且焊接于承台(1)、底层盖梁(3)的钢垫板(10)上。
2.根据权利要求1所述的一种公铁两用双层桥梁排架墩地震损伤控制体系，其特征在于：剪扭抵抗键(9)由角钢制成。
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