CN110344437B - 一种用于重力式挡土墙中的抗震消能结构及重力式挡土墙 - Google Patents

一种用于重力式挡土墙中的抗震消能结构及重力式挡土墙 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于重力式挡土墙中的抗震消能结构及重力式挡土墙，包括设置于重力式挡土墙混凝土主体结构内部的封闭式凹槽中的刚性块体、弹簧组及多个屈服阻尼器，弹簧分布在刚性块体左右两侧，且抵设在刚性块体与凹槽侧壁之间，屈服阻尼器分布在刚性块体上下两侧且连接在刚性块体与凹槽顶壁或底壁之间。在挡墙发生振动时，屈服阻尼系统的滞回曲线具有显著的非线性特征，可持续消耗地震能量、减小振动，且在弹簧作用下能自动复位，反复使用。同时，整个抗震消能结构内置在重力式挡墙墙身中，不易受外界环境影响，延长系统的使用寿命，并能保证挡墙外立面的整体性与美观。

Description

一种用于重力式挡土墙中的抗震消能结构及重力式挡土墙
技术领域
本发明涉及边坡支挡结构抗震技术领域，具体涉及一种用于重力式挡土墙中的抗震消能结构及重力式挡土墙。
背景技术
我国是世界上遭受震害最严重的国家之一，近年来，地震灾害频发对我国基础建设等均造成了巨大的损失。我国的公路、铁路沿线不同类型的支挡结构在地震作用下产生了不同形式的破坏，诸如倒塌、滑移、倾覆、开裂等。地震诱发的挡墙破坏不仅威胁人民的生命安全，造成巨大的经济损失，还严重阻断了震后救援的生命线。
重力式挡土墙主要靠自身重量来抵抗挡墙背面的土体压力，在我国的基础设施建设中，高度超过10m的重力式挡墙已非常普遍。已有研究结果表明，地震作用下，重力式挡土墙对地震加速度具有明显的放大效应，且加速度的放大系数会随着挡墙墙高的增大而呈非线性增大。挡墙墙身加速度放大会导致挡墙的惯性力增大，从而降低地震作用下挡墙的抗滑稳定性和抗倾覆稳定性。重力式挡土墙是在地震作用下极易破坏失稳的岩土构筑物之一。目前，专门针对重力式挡土墙的抗震消能措施几乎没有，因此，现有技术中需要一种方案来解决这个问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于重力式挡土墙中的抗震消能结构及重力式挡土墙，以解决背景技术中提出的问题。
一种用于重力式挡土墙中的抗震消能结构，包括设置于重力式挡土墙混凝土主体结构内部的封闭式凹槽中的刚性块体、弹簧组及多个屈服阻尼器，所述刚性块体呈长方体形结构，所述弹簧水平设置且分布在刚性块体左右两侧，弹簧的一端固定设置在刚性块体的左侧面或右侧面上，相应地，弹簧的另一端固定在封闭式凹槽的左侧壁或右侧壁。所述屈服阻尼器分布在刚性块体的上下表面，屈服阻尼器包括上下平行设置的两块固定板和固定连接在两块固定板之间的若干个耗能板。每个屈服阻尼器均有一块固定板与刚性块体的上表面或下表面固定连接，相应地，另一块固定板与封闭式凹槽的顶壁或底壁固定连接。所述刚性块体的左右方向与重力式挡土墙横向截面的水平方向相同，所述刚性块体的上下方向与重力式挡土墙高度方向相同，所述刚性块体的前后方向与重力式挡土墙墙身走向相同。
所述刚性块体为单个或多个，单个所述刚性块体的长度略小于封闭式凹槽的总长度，单个所述刚性块体的长度为封闭式凹槽的总长度的80％～100％，或者多个所述刚性块体沿重力式挡土墙的长度方向等间隔分布在封闭式凹槽内。每一个刚性块体的上、下表面均设置有若干个沿刚性块体长度方向间隔分布的的多个屈服阻尼器或长度与刚性块体长度一致的单个屈服阻尼器。
所述刚性块体为钢块、混凝土预制块或外部包裹有钢板的混凝土预制块，所述弹簧采用高强弹簧。
所述耗能板可以是具有显著非线性滞回特性的软钢板、铅板等，所述固定板的材质可以是钢、铁或高强塑料等。
每一个所述屈服阻尼器均包括的若干个耗能板，所述的能耗板沿重力式挡墙走向在屈服阻尼器的上、下固定板间等距设置。耗能板呈中间窄而上下两端宽的结构，耗能板的两个宽端分别与屈服阻尼器的上、下固定板连接。
优选地，每一个所述屈服阻尼器包括3～5块沿屈服阻尼器长度方向等距设置的耗能板。
刚性块体左侧及右侧的弹簧组等间距分布，且左侧的弹簧与右侧的弹簧对称布置；刚性块体上、下表面的屈服阻尼器呈上下、左右对称布置。
优选地，所述封闭式凹槽位于重力式挡土墙混凝土主体结构高度方向的上半部，优选顶部位置。
一种重力式挡土墙，包括混凝土主体结构和设置在混凝土主体结构内部的所述抗震消能结构。所述混凝土主体结构包括设置在抗震消能结构下方且与刚性块体下方的屈服阻尼器的下固定板固定连接的基墙、设置在抗震消能结构左右两侧且分别与刚性块体左右两侧的弹簧固连的左围墙与右围墙、设置在抗震消能结构上方且与刚性块体上方的屈服阻尼器的上固定板固定连接的封顶结构。左围墙底部与右围墙底部与基墙刚性固结，封顶结构固定在左围墙顶部与右围墙顶部之间。所述混凝土主体结构还包括抗震消能结构前后两侧的前围墙与后围墙。前后围墙、左右围墙、基墙与封顶结构六者共同围成用于容置抗震消能结构的所述封闭式凹槽。
优选地，所述前后围墙、左右围墙与封顶结构的厚度均为20cm以上。
优选地，所述抗震消能结构的总高度为混凝土主体结构总高度的1/4～1/3。
所述刚性块体的外表面设有用于安装弹簧组的若干卡槽，左围墙与右围墙靠近刚性块体的最内侧也设置有安装弹簧组的若干卡槽。左弹簧组与右弹簧组的弹簧两端均通过卡槽连接在刚性块体钢板外侧壁与左围墙或右围墙内侧壁之间。
本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供了一种用于重力式挡土墙中的抗震消能结构及重力式挡土墙，基于内部耗能减震的方式，通过在重力式挡墙内部设置抗震消能刚性块体与弹性系统和屈服阻尼系统来减小地震作用下重力式挡墙的振动，可提高重力式挡土墙的抗震稳定性。本发明具有施工简单、工程实用价值高、社会和经济效益显著等特点，非常适用于高烈度地震区的边坡支挡工程。
本发明将用于抗震消能的刚性块体设置在重力式挡墙的内部，通过弹簧系统和屈服阻尼系统连接。在挡墙发生振动时，屈服阻尼系统的滞回曲线具有显著的非线性特征，可达到持续消耗地震能量、减小重力式挡土墙的振动，达到抗震减震的目的。
地震结束后，刚性块体在高强弹簧组的弹性势能作用下可自动复位，整个抗震消能结构可反复使用。
同时，刚性块体内置在重力式挡墙墙身中，也能有效的保证刚性块体免受外界环境影响，并能保证重力式挡墙的外立面的整体一致性与美观。同时屈服阻尼器也具有坚固耐用、抗疲劳性能好、不易受温度环境影响等优点。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的用于重力式挡土墙中的抗震消能结构的示意图(立体结构图)；
图2是本发明优选实施例的用于重力式挡土墙中的抗震消能结构中的屈服阻尼器立体结构图；
图3是安装有本发明的抗震消能结构的本发明优选实施例的重力式挡土墙结构图(横截面视图)。
图中：1-混凝土主体结构，10-封闭式凹槽，11-基墙，12-左围墙，13-右围墙，14-封顶结构，2-刚性块体，3-弹簧组，31-左弹簧组，32-右弹簧组，4-屈服阻尼器，41-耗能板，42-上固定板，43-下固定板，44-安装孔，5-土体。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1～图3中的用于重力式挡土墙中的抗震消能结构，包括设置于重力式挡土墙的混凝土主体结构1内部的封闭式凹槽10中的刚性块体2、弹簧组3及多个屈服阻尼器4，刚性块体呈长方体形结构，本实施例中，封闭式凹槽也与刚性块体呈相似的长方体形结构。
弹簧组为弹性系数高、疲劳性能好、使用寿命长的高强弹簧。各弹簧组沿水平方向设置，弹力方向均与重力式挡土墙的厚度方向平行。弹簧组包括分布在刚性块体左侧的左弹簧组31及分布在刚性块体右侧的右弹簧组32。左弹簧组与右弹簧组均包括若干个呈矩形队列分布的弹簧，且左弹簧组与右弹簧组基于刚性块体的竖向中心平面呈对称布置。
参见图1及图3，左弹簧组所包括的若干个弹簧的右端固定设置在刚性块体的左侧面，左弹簧组所包括的若干个弹簧的左端固定设置在封闭式凹槽的左侧壁上。右弹簧组所包括的若干个弹簧的左端固定设置在刚性块体的右侧面，右弹簧组所包括的若干个弹簧的右端固定设置在封闭式凹槽的右侧壁上。
本实施例中，所述刚性块体的长度略小于重力式挡土墙内部的封闭式凹槽的总长度，每一个刚性块体的上、下侧均设置有长度与刚性块体长度一致的屈服阻尼器；在重力式挡土墙厚度方向上，刚性块体的上、下表面各对称设置两组屈服阻尼器。刚性块体上侧的各组屈服阻尼器与刚性块体下侧的各组屈服阻尼器关于刚性块体的横向中心平面对称。
参见图1、图2及图3，本实施例中，屈服阻尼器均包括位于中间的耗能板41及垂直连接于耗能板上下两端的上固定板42与下固定板43。耗能板在重力式挡墙横截面内呈竖直设置，以消耗水平方向的地震能量，上固定板与下固定板上下平行设置。
参见图2，本实施例中，屈服阻尼器的上下固定板上均设置有供螺栓穿过的安装孔44，屈服阻尼器通过螺栓连接的形式与刚性块体及封闭式凹槽的顶壁与底壁连接。
本实施例中，所述刚性块体为混凝土预制块，所述刚性块体左右侧壁的混凝土表面设有凹陷的卡槽，便于与弹簧组连接。
所述屈服阻尼器又称为剪切阻尼器，它是目前已经广泛应用的一个已知结构，本实施例中，所述固定板的材质是钢，耗能板是软钢板，耗能板的厚度及数量可根据所需的抗震能力及刚性块体的体积与重量来确定。
参见图2，本实施例中，每一个所述屈服阻尼器所包括的耗能板均为4块，4块耗能板等距设置且轮廓、尺寸均相同，所述耗能板的板面沿刚性块体的左右方向即整个重力式挡土墙的厚度方向设置，耗能板呈中间窄而上下两端宽的腰形结构，耗能板的两个宽端分别与屈服阻尼器上下两块固定板连接。
本实施例中，所述封闭式凹槽位于重力式挡土墙混凝土主体结构高度方向的顶部位置，一方面便于抗震消能结构最大程度的发挥其抗震作用，另一方面便于施工。
参见图3的一种重力式挡土墙，包括混凝土主体结构1和设置在混凝土主体结构高度方向的顶部的所述抗震消能结构，所述混凝土主体结构包括设置在抗震消能结构下方且与刚性块体下方的屈服阻尼器的下固定板固定连接的基墙11、设置在抗震消能结构左右两侧且分别与刚性块体左右两侧的弹簧固连的左围墙12与右围墙13、设置在抗震消能结构上方且与刚性块体上方的屈服阻尼器的上固定板固定连接的封顶结构14，基墙连接在左围墙底部与右围墙的底部之间，封顶结构连接在左围墙顶部与右围墙的顶部之间，所述混凝土主体结构还包括设置在抗震消能结构前后两侧的且与刚性块体保持有间距的前围墙与后围墙(图中未示出)，前后围墙、左右围墙、基墙与封顶结构六者共同围成用于容置抗震消能结构的所述封闭式凹槽。
所述前后围墙、左右围墙与封顶结构的厚度均为30cm。
本实施例中，前围墙、后围墙、左围墙与右围墙靠近刚性块体的最内侧均全部或部分设置为外露的钢板，即前围墙、后围墙、左围墙与右围墙的内侧壁均全部或部分由钢板板面构成，内侧壁全部设置为钢板时(可由多块带拼接接缝的钢板焊接而成)，钢板可作为前围墙、后围墙、左围墙与右围墙浇筑时的辅助模板，减少或免去内侧壁一侧的模板搭设工作。
刚性块体的表面设有用于安装弹簧组的若干卡槽，左围墙与右围墙靠近刚性块体的最内侧也设置有用于安装弹簧组的若干卡槽，左弹簧组的各弹簧两端均通过卡槽连接在刚性块体的左侧钢板外壁与左围墙的钢板内侧壁之间，右弹簧组的各弹簧两端均通过卡槽连接在刚性块体的右侧钢板外壁与右围墙的钢板内侧壁之间。使得刚性块体左右两侧的弹簧可通过卡槽的方式准确、牢固的安装在刚性块体与封闭式凹槽的内侧壁之间，确保左右弹簧组可对刚性块体提供均匀且足够的弹力。当然，前围墙与刚性块体前侧壁之间以及后围墙与刚性块体后侧壁之间也可以设置卡槽并连接弹簧，以增加刚性块体各个方向的抗震消能能力。
所述封闭式凹槽可为长度方向与挡土墙走向方向一致的单个封闭式凹槽或多个封闭式凹槽，当为多个封闭式凹槽时，各个封闭式凹槽沿挡土墙长度方向间隔分布，每一个封闭式凹槽内均分布有一组所述抗震消能结构，所有封闭式凹槽内侧壁部分均全部设置为钢板，并设置固定弹簧的卡槽。连接弹簧时，先通过卡槽将弹簧连接前后左右围墙内侧壁的一端，再通过卡槽将弹簧连接的刚性块体外侧壁一端。
本发明的抗震消能结构的工作原理大致如下：
当地震发生时，混凝土主体结构与刚性块体主要是左右相对振动，地震对高度较高处的结构的水平作用更明显，因而本发明所述抗震消能结构一般设置在重力式挡土墙的顶部或上部，振动发生时，刚性块体会与混凝土主体结构之间发生相对位移，这个相对位移会使屈服阻尼器的耗能板由于屈服点低而屈服，其易屈服和滞回曲线非线性特性可有效耗散传递到重力式挡土墙中的地震能量，从而提高重力式挡土墙的抗震稳定性。当刚性块体发生相对位移时，刚性块体的动能会转换成两侧弹簧的弹性势能，弹簧的弹性势能又会反过来释放给刚性块体，使刚性块体产生往返运动，从而不断的使屈服阻尼器的耗能板受到剪切力，使得屈服阻尼器处于持续消耗地震能量的状态，达到减小重力式挡土墙的振动，抗震减震的目的。
地震结束后，刚性块体在高强弹簧组的弹性势能作用下可自动复位，整个抗震消能结构可反复多次发挥减震作用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于重力式挡土墙中的抗震消能结构，其特征在于，包括设置于重力式挡土墙混凝土主体结构(1)内部的封闭式凹槽(10)中的刚性块体(2)、弹簧组(3)及多个屈服阻尼器(4)，所述刚性块体呈长方体形结构，所述弹簧组(3)中的弹簧水平设置且分布在刚性块体左右两侧，弹簧的一端固定设置在刚性块体的左侧面或右侧面上，相应地，弹簧的另一端固定连接在封闭式凹槽内的左侧壁或右侧壁，所述屈服阻尼器分布在刚性块体上下表面，屈服阻尼器包括上下平行设置的两块固定板(42，43)和固定连接在两块固定板之间的若干个耗能板(41)，每个屈服阻尼器均有一块固定板与刚性块体的上表面或下表面固定连接，相应地，每个屈服阻尼器均有另一块固定板用于与封闭式凹槽内的顶壁或底壁固定连接，所述刚性块体的左右方向与重力式挡土墙横向截面的水平方向相同，所述刚性块体的上下方向与重力式挡土墙高度方向相同，所述刚性块体的前后方向与重力式挡土墙墙身走向相同。
2.根据权利要求1所述的一种用于重力式挡土墙中的抗震消能结构，其特征在于，所述刚性块体为钢块、混凝土预制块或外部包裹有钢板的混凝土预制块，所述弹簧采用高强弹簧，所述耗能板为具有显著非线性滞回特性的软钢板或铅板，所述固定板的材质是钢、铁或高强塑料。
3.根据权利要求1所述的一种用于重力式挡土墙中的抗震消能结构，其特征在于，每一个所述屈服阻尼器均包括的若干个耗能板，所述的耗能板沿重力式挡墙走向在屈服阻尼器的上、下固定板间等距设置，耗能板呈中间窄而上下两端宽的结构，耗能板的两个宽端分别与屈服阻尼器的上、下固定板连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于重力式挡土墙中的抗震消能结构，其特征在于，刚性块体上、下表面的屈服阻尼器均设置了3～5个沿屈服阻尼器长度方向等距布置的耗能板。
5.根据权利要求1所述的一种用于重力式挡土墙中的抗震消能结构，其特征在于，刚性块体左侧及右侧的弹簧组等间距分布，且左侧的弹簧与右侧的弹簧对称布置；刚性块体上、下表面的屈服阻尼器呈上下、左右对称布置。
6.根据权利要求1所述的一种用于重力式挡土墙中的抗震消能结构，其特征在于，所述封闭式凹槽位于重力式挡土墙混凝土主体结构高度方向的上半部，靠近顶部位置。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的一种用于重力式挡土墙中的抗震消能结构，其特征在于，所述刚性块体为单个或多个，单个所述刚性块体的长度为封闭式凹槽的总长度的80％～100％，或者多个所述刚性块体沿重力式挡土墙的长度方向等间隔分布在封闭式凹槽内，每一个刚性块体的上、下表面均设置有沿刚性块体长度方向间隔分布的多个屈服阻尼器或长度与刚性块体长度一致的单个屈服阻尼器。
8.一种重力式挡土墙，其特征在于，包括混凝土主体结构1和如权利要求1～7中任意一项所述的抗震消能结构，抗震消能结构设置在混凝土主体结构高度方向的上半部，所述混凝土主体结构包括设置在抗震消能结构下方且与刚性块体下方的屈服阻尼器的下固定板固定连接的基墙(11)、设置在抗震消能结构左右两侧且分别与刚性块体左右两侧的弹簧固连的左围墙(12)与右围墙(13)、设置在抗震消能结构上方且与刚性块体上方的屈服阻尼器的上固定板固定连接的封顶结构(14)，左围墙底部与右围墙底部与基墙刚性固结，封顶结构固定在左围墙顶部与右围墙顶部之间，所述混凝土主体结构还包括抗震消能结构前后两侧的前围墙与后围墙，前后围墙、左右围墙、基墙与封顶结构六者共同围成用于容置抗震消能结构的所述封闭式凹槽。
9.根据权利要求8所述的一种重力式挡土墙，其特征在于，所述前后围墙、左右围墙与封顶结构的厚度均为20cm以上；所述抗震消能结构的总高度为混凝土主体结构总高度的1/4～1/3。
10.根据权利要求8所述的一种重力式挡土墙，其特征在于，所述刚性块体的表面设有用于安装弹簧组的若干卡槽，左围墙与右围墙靠近刚性块体的最内侧也设置有用于安装弹簧组的若干卡槽，左弹簧组与右弹簧组的弹簧两端均通过卡槽连接在刚性块体钢板外侧壁与左围墙或右围墙内侧壁之间。
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