CN110499703B - 波浪锯齿式桥梁抗震挡块防护装置 - Google Patents
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Abstract
一种波浪锯齿式桥梁抗震挡块防护装置，由安装在盖梁上的左、右抗震防护装置组成，左抗震防护装置为：封闭式钢箱预埋在盖梁左部，且钢箱的前、后、左侧立板高出盖梁顶面，结构相同的左右两个可变动容积的三菱柱箱体设置有钢箱上，该右三菱柱箱体为：左斜向上钢板下端铰接在箱体上，上端与左斜向下钢板上端铰接，且二者铰接处覆盖有密封胶条，左斜向下钢板下端从箱体盖板上的槽口伸入，并沿其同一方向焊接波纹钢板，波纹钢板另一端焊接在箱体底板上，橡胶块封堵在盖板的方形孔上，竖向波纹板固定在橡胶块底面与钢箱底板之间。本发明能分阶段耗散地震能量，具有结构简单、制造成本低、安全有效等特点。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁抗震和桥梁减隔震的技术领域，特别涉及一种波浪锯齿式桥梁抗震挡块防护装置。
背景技术
随着国家整体经济水平和科技水平的不断提升，人们对建筑结构的安全性认识越来越深，也越来越重视。桥梁结构作为交通路网的重要组成部分，对社会经济发展和文化交流均起着十分重要的作用。我国属于地震多发国家，从唐山地震、汶川地震、玉树地震等的地震灾害可知，桥梁结构由于横向限位措施不足而导致的落梁事故屡见不鲜，给地震灾区的恢复重建造成了巨大的影响。因此如何确保桥梁结构在地震作用下有强有力的限位措施并充分发挥其功能一直是桥梁结构抗震或减隔震领域的重要研究课题。
对于中强地震作用下，桥梁结构将产生较大的横向位移，主梁与桥梁结构的横向限位措施发生碰撞或接触，当限位措施不到位时，将导致桥梁结构横向落梁。横向限位措施不足，表现为桥梁结构抗震挡块强度不足、缓冲消能防护措施不足。为了有效地约束或减小地震作用下桥梁结构过大的横向位移，减少或避免落梁事故，可针对抗震挡块及其防护措施分别进行加强处理。本发明人阅读大量国内外文献及桥梁抗震、减隔震专利发现，现有的很多桥梁抗震挡块防护措施装置功能较为单一，但基本上都未实现分阶段抗震并发挥其功能，并且其制造工艺复杂、施工不便捷且成本高昂。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题而提供一种波浪锯齿式桥梁抗震挡块防护装置，旨在实现在正常使用荷载及小地震作用下，防护装置不致影响桥梁结构主梁的正常位移，在中强震作用下兼具横向限位和缓冲耗能的功能，最大限度地避免或减少落梁事故，显著提升桥梁结构的整体抗震能力，进而有效降低桥梁结构震后维护成本。
本发明的目的是这样实现的：一种波浪锯齿式桥梁抗震挡块防护装置，其特征在于，用作安装在位于主梁下方的盖梁上的左、右抗震防护装置具有相同的结构，并左右对称设置，其中，左抗震防护装置结构为：用作埋设在盖梁上的钢箱由前、后、左、右侧立板和顶板焊接组成一个封闭箱体，且前、后左侧立板的高度相同并大于右侧立板的高度，顶板与盖梁顶面位于同一平面；斜向钢板上缘经若干高强螺栓固定在主梁内的预埋钢板上，斜向钢板下缘焊接有一纵向钢管，斜向钢板宽度和钢管的长度相同，且小于钢箱宽度；钢箱顶板上从右向左设置有两个可变动容积结构相同的三菱柱箱体，其中，右边的三菱柱箱体结构为：销轴沿顶板宽边方向可转动地设置在顶板上，左斜向上钢板下缘固定在销轴上，左斜向下钢板上缘左斜向上钢板上缘经另一销轴相铰接，且二者铰接位置处覆盖有密封胶条，左斜向下钢板下缘从顶板上位于销轴左侧的条形槽口伸入钢箱内，并沿左斜向下钢板同一方向焊接一块波形钢板，该波形钢板下缘焊接在钢箱底板上，左斜向上钢板和左斜向下钢板从前、后端面处均套装有用作与钢箱前、后侧立板形成滑动密封的橡胶条，上述顶板的槽口上设置有橡胶密封条，钢箱顶板上位于销轴和槽口之间处开有一个方形孔或圆形孔，竖向波纹板下端固定在钢箱底板上，在未受外力作用时，竖向波纹板上端固定的方形橡胶块封堵在方形孔上，或者，竖向布置的螺旋弹簧下端固定在钢箱底板上，在未受外力作用时，螺旋弹簧上端固定的圆形橡胶块封堵在圆形孔上，左斜向上钢板、左斜向下钢板、顶板以及钢箱前、后侧立板围合组成三菱柱箱体；上述右边的三菱柱箱体和钢箱内腔灌注有硅油。
所述左边的三菱柱箱体的波纹钢板下缘焊接在钢箱底板上或焊接在钢箱右侧立板上。
所述左斜向上钢板和左斜向下钢板的宽度相同，且略小于条形槽口的长度，条形槽口的长度与钢箱内腔宽度相同。
所述盖梁两端分别向上伸出浇筑形成混凝土挡块；钢箱的左侧立板与混凝土挡块内侧立面共面。
在未受外力作用时，所述右边的三菱柱箱体容积大于左边的三菱柱箱体的容积。
在未受外力作用时所述右边的三菱柱箱体中左斜向上钢板与水平方向的夹角为30°～60°之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明由于设置有波形钢板和三棱柱箱体，在中小地震作用下，与主梁通过斜向钢板焊接固定的钢管与靠主梁侧的三棱柱箱体的左斜向上钢板接触，并在主梁向挡块侧运动时迫使拼接钢板的波形钢板、方形橡胶块下的波形钢板发生变形而耗散部分地震能量。在此过程中，波形钢板变形至一定程度时靠主梁侧的三棱柱箱体容量将逐步减小，进而压缩箱体内的硅油，迫使该箱体下方的方形橡胶块向下运动，以充分耗散地震能量。在强震作用下，主梁的横向位移将显著增大，与主梁通过斜向钢板焊接固定的钢管与靠挡块侧的三棱柱箱体的左斜向上钢板接触，钢管先将靠主梁侧的三棱柱箱体碾压变形，在此过程中靠挡块侧的三棱柱箱体由于靠主梁侧的三棱柱箱体的变形而将硅油压入，并迫使其容积增大。主梁继续向挡块侧运动时，将重复中小地震的耗能过程。对于极其罕遇地震将依靠桥梁的挡块发挥横向限位的作用，以最大限度地减少横向落梁事故。因此该挡块将横向限位、缓冲耗能相结合，其各部件制造加工方便，取材方便，安全有效，成本低廉，具有较大的推广应用前景和良好的经济效益。
2、本发明由于设置有三棱柱箱体，左斜向上钢板和左斜向下钢板形成了双向坡面，当主梁沿横桥向发生往复位移时，该装置可实现双向缓冲耗能作用。
3、本发明由于所设置的钢管离盖梁顶面有一定距离（1cm～2cm）以上，可以有效地避免钢管与盖梁的过大摩擦而影响桥梁结构在正常荷载作用下的位移和变形及其在摩擦过程中所产生的巨大噪声。
4、本发明的防护作用可通过改变该装置各部件相关几何参数进行调节，以满足不同桥梁结构抗震挡块的防护需求，也可以作为一些桥梁结构的抗风限位措施。
5、本发明的钢管及其与之相连的斜向钢板采用螺栓与主梁内的预埋钢板固定，在地震作用后若钢管被两变形后的三棱柱箱体卡住或斜向钢板弯曲变形较大，可拧松螺栓便捷拆除更换或调整，进而节约维修加固成本。此外还可以在钢管外包一层橡胶，达到缓冲和减小碰撞力的目的。
本发明有效地将横向限位、缓冲耗能的功能有效地结合在一起，使一种挡块防护装置可按地震等级而分阶段发挥作用，具有制造加工简单、取材方便、成本适宜等特点。因此，实现了在正常使用荷载及小地震作用下，该防护装置不致影响桥梁结构主梁的正常位移，在中强震作用下充分发挥防护装置横向限位和缓冲耗能的功能，最大限度地避免或减少落梁事故，显著提升桥梁结构的整体抗震能力，进而有效降低桥梁结构震后维护成本。
附图说明
图1为具体实施例波浪锯齿式桥梁抗震挡块防护装置的结构图（右边竖向点划线为桥梁中线）；
图2为图1的钢箱顶盖钢板即顶板平面示意图；
图3为图1的斜平直钢板示意图；
图4为图1的方形橡胶块及其下方的竖向波形钢板示意图；
图5为图1的拼接钢板中的左斜向下钢板和波形钢板示意图（焊缝15a）；
图6为图1的斜向钢板及其与之相连的钢管示意图（焊缝8a，螺栓孔8b）。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的构思、具体细节及获得的技术效果作进一步说明。
图1示出本发明波浪锯齿式桥梁抗震挡块防护装置，用作安装在位于主梁2下方的盖梁1上的左、右抗震防护装置具有相同的结构，并左右对称设置，其中，左抗震防护装置结构为：用作埋设在盖梁1上的钢箱5由前、后、左、右侧立板和顶板焊接组成一个封闭箱体，且前、后左侧立板的高度相同并大于右侧立板的高度，顶板6与盖梁1顶面位于同一平面；斜向钢板8上缘或上端经若干高强螺栓7固定在主梁2内的预埋钢板上，斜向钢板8下缘焊接有一纵向钢管9，斜向钢板8宽度和钢管9的长度相同，且小于钢箱5宽度；钢箱5顶板6上从右向左设置有两个可变动容积结构相同的三菱柱箱体，其中，右边的三菱柱箱体结构为：销轴11沿顶板宽边方向可转动地设置在顶板6上，左斜向上钢板18下缘固定在销轴11上，左斜向下钢板15上缘与左斜向上钢板18上缘经另一销轴相铰接，且二者铰接位置处覆盖有密封胶条，左斜向下钢板15下缘从顶板6上位于销轴11左侧的条形槽口10伸入钢箱内，并沿左斜向下钢板15同一方向焊接一块波形钢板16，该波形钢板16下缘焊接在钢箱5底板上，左斜向上钢板18和左斜向下钢板15从前、后端面处均套装有用作与钢箱5前、后侧立板形成滑动密封的橡胶条，上述顶板的槽口10上设置有橡胶密封条，钢箱5顶板6上位于销轴11和槽口10之间处开有一个方形孔或圆形孔，竖向波纹板13下端固定在钢箱底板上，在未受外力作用时，竖向波纹板13上端固定的方形橡胶块14封堵在方形孔上，或者，竖向布置的螺旋弹簧下端固定在钢箱底板上，在未受外力作用时，螺旋弹簧上端固定的圆形橡胶块封堵在圆形孔上，左斜向上钢板18、左斜向下钢板15、顶板16以及钢箱5前、后侧立板围合组成三菱柱箱体。上述右边的三菱柱箱体和钢箱5内腔灌注有硅油20。（图1中，钢箱右侧立板上的顶部与盖梁顶面齐平，钢管位于左斜向上钢板右侧）。
所述左边的三菱柱箱体的波纹钢板16下缘焊接在钢箱5底板上或钢箱5右侧立板上。
所述左斜向上钢板18和左斜向下钢板的宽度相同，且各小于条形槽口10的长度，条形槽口的长度与钢箱内腔宽度相同。
所述盖梁1两端分别向上伸出浇筑形成混凝土挡块3；钢箱5的左侧立板与混凝土挡块3内侧立面共面。
在未受外力作用时，所述右边的三菱柱箱体容积大于左边的三菱柱箱体的容积。
在未受外力作用时，右边的三菱柱箱体中左斜向上钢板18与水平方向的夹角为30°～60°之间。
图1示意性地显示了根据本发明的一种实施方式的波浪锯齿式桥梁抗震挡块防护装置。如图1—图6所示，该波浪锯齿式桥梁抗震挡块防护装置包括盖梁1、主梁2、混凝土挡块3和摩擦摆支座4，所述主梁2支撑于所述摩擦摆支座4上，在所述盖梁1两端分别向上伸出浇筑形成所述混凝土挡块3。在混凝土挡块3和主梁2间预埋一靠主梁侧竖向钢板与盖梁顶面齐平而其余三竖向钢板高于盖梁顶面的焊接钢箱5，所述钢箱5的顶板6与所述盖梁1顶面齐平；在主梁2靠所述混凝土挡块3侧用高强螺栓7固定一斜向钢板8，在所述斜向钢板8端部焊接一长度略小于钢箱5宽度的钢管9；在钢箱5顶板6上切割有两长条形与钢箱等宽的槽口10和设置有两个转动销轴11，在所述钢箱顶盖的槽口10和销轴11之间切割有方形孔12，在所述方形孔12的下方穿设有竖向波形钢板13和方形橡胶块14，竖向波形钢板13一端固定于所述方形橡胶块14而另一端焊接固定于钢箱5底部钢板；所述两槽口10内穿设一由左斜向下钢板15和波形钢板16拼接而成的且与钢箱等宽的拼接钢板，拼接钢板的波形钢板16一端固定于钢箱5侧壁或底部，而另一端固定在一与转动销轴11连接的左斜向上钢板18上，所述左斜向下拼接钢板15、左斜向上钢板18和钢箱顶板6围合形成两个三棱柱箱体，在所述钢箱5和靠主梁侧的所述三棱柱箱体内注入硅油20并密封。
具体的，根据桥梁结构减隔震设计的需求，预先将钢箱5所需的侧面板、底板、顶板6、拼接钢板、波形钢板13、橡胶块14按一定尺寸切割好，并在顶盖相应位置处开好槽口10和方形孔12，并将转动销轴11固定在相应位置。然后将已开孔的钢板在工厂或施工现场进行焊接成一靠主梁侧竖向钢板与盖梁顶面齐平而其余三竖向钢板高于盖梁顶面的焊接钢箱结构5如图1所示，在此过程中也将拼接钢板和橡胶块下方的竖向波形钢板13焊接固定在钢箱5的侧壁和底部。随后将钢箱顶板6穿设拼接钢板并与钢箱5侧壁焊接固定，拼接钢板的左斜向下钢板15与形成三棱柱箱体所需的左斜向上直钢板18焊接固定，左斜向上钢板18与转动销轴11的焊接、方形橡胶块14与竖向波纹板13的连接固定也在此过程中完成。在盖梁1和混凝土挡块3施工时将上述已形成的钢箱及其附属结构固定在盖梁1相应位置处，在主梁2靠挡块侧下部将一定长度的钢管9通过斜向钢板8和连接螺栓7固定于主梁内的预埋钢板上，最后在钢箱5和靠主梁侧三棱柱箱体内部注满硅油并用胶条密封，这样波浪锯齿式桥梁抗震挡块防护装置也便形成了。
焊接钢箱上所切割的两长条形槽口其长度与所述钢箱两侧壁净宽度相等，槽口的宽度比所述的拼接钢板厚度大2～3 mm，槽口沿所述钢箱顶盖厚度贯穿开设。
所述钢管应固定于盖梁顶面以上1～2 cm，以避免主梁产生横向位移时与盖梁有过大摩擦而影响主梁正常的位移。
所述焊接钢箱上所切割的方条孔其长度约为所述钢箱两侧壁净宽度的三分之一，所述方形橡胶块的边长比所述的方条孔大1～2 mm，所述方形橡胶块的厚度比所述焊接钢箱顶盖钢板厚度大2～3 mm。
所述拼接钢板的拼接及其与所述钢箱、所述斜平直钢板连接均采用焊接形式。
所述三棱柱箱体中靠所述主梁侧的箱体较靠混凝土挡块侧的三棱柱箱体容积较大。
所述硅油仅在所述钢箱和靠主梁侧的三棱柱箱体内注入，而靠混凝土挡块侧的三棱柱箱体不注入硅油，并对缝隙进行密封处理。
本发明结构简单，缓冲耗能机制明确，实施便捷，造价适宜，通过合理的计算分析和有限的实验便可获得较优的方案，便可显著改善桥梁结构的整体抗震性能，有效地减少或避免落梁事故。
在其他具体实施例中，本实施例的三棱柱箱体、所开槽口与空洞、波形钢板也可以是其他形式，不限于钢板和本实施例中的形状。本发明还可以应用于建筑结构限位防护装置上。
本实施例的波浪锯齿式桥梁抗震挡块防护装置的应用情况如下：
在正常使用荷载和中小地震作用下，与主梁通过斜向钢板焊接固定的钢管与靠主梁侧的三棱柱箱体的左斜向上钢板接触，并在主梁向挡块侧运动时迫使拼接钢板的波形钢板、方形橡胶块下的波形钢板发生变形而耗散部分地震能量。在此过程中，波形钢板变形至一定程度时靠主梁侧的三棱柱箱体容量将逐步减小，进而压缩箱体内的硅油，迫使该箱体下方的方形橡胶块向下运动，以充分耗散地震能量。
在强震作用下，主梁的横向位移将显著增大，与主梁通过斜向钢板焊接固定的钢管与靠挡块侧的三棱柱箱体的左斜向上钢板接触，钢管先将靠主梁侧的三棱柱箱体碾压变形，在此过程中靠挡块侧的三棱柱箱体由于靠主梁侧的三棱柱箱体的变形而将硅油压入，并迫使其容积增大。主梁继续向挡块侧运动时，将重复中小地震的耗能过程。
在极其罕遇地震作用下将主要依靠桥梁的挡块发挥横向限位的作用，以最大限度地减少横向落梁事故。该装置很好地结合了横向限位、缓冲耗能装置，有效地实现了根据地震等级分阶段来发挥其功能，降低了制作加工成本，显著地提高了桥梁结构的抗震性能。
以上所述的仅是本发明的较佳具体实施例。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，无需创造性劳动就可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种波浪锯齿式桥梁抗震挡块防护装置，其特征在于，用作安装在位于主梁（2）下方的盖梁（1）上的左、右抗震防护装置具有相同的结构，并左右对称设置，其中，左抗震防护装置结构为：用作埋设在盖梁（1）上的钢箱（5）由前、后、左、右侧立板和顶板焊接组成一个封闭箱体，且前、后左侧立板的高度相同并大于右侧立板的高度，顶板（6）与盖梁（1）顶面位于同一平面；斜向钢板（8）上缘经若干高强螺栓（7）固定在主梁（2）内的预埋钢板上，斜向钢板（8）下缘焊接有一纵向钢管（9），斜向钢板（8）宽度和钢管（9）的长度相同，且小于钢箱（5）宽度；钢箱（5）顶板（6）上从右向左设置有两个可变动容积结构相同的三菱柱箱体，其中，右边的三菱柱箱体结构为：销轴（11）沿顶板宽边方向可转动地设置在顶板（6）上，左斜向上钢板（18）下缘固定在销轴（11）上，左斜向下钢板（15）上缘与左斜向上钢板（18）上缘经另一销轴相铰接，且二者铰接位置处覆盖有密封胶条，左斜向下钢板（15）下缘从顶板（6）上位于销轴（11）左侧的条形槽口（10）伸入钢箱内，并沿左斜向下钢板（15）同一方向焊接一块波形钢板（16），该波形钢板（16）下缘焊接在钢箱（5）底板上，左斜向上钢板（18）和左斜向下钢板（15）从前、后端面处均套装有用作与钢箱（5）前、后侧立板形成滑动密封的橡胶条，上述顶板的槽口（10）上设置有橡胶密封条，钢箱（5）顶板（6）上位于销轴（11）和槽口（10）之间处开有一个方形孔或圆形孔，竖向波纹板（13）下端固定在钢箱底板上，在未受外力作用时，竖向波纹板(13)上端固定的方形橡胶块（14）封堵在方形孔上，或者，竖向布置的螺旋弹簧下端固定在钢箱底板上，在未受外力作用时，螺旋弹簧上端固定的圆形橡胶块封堵在圆形孔上，左斜向上钢板（18）、左斜向下钢板（15）、顶板（6）以及钢箱（5）前、后侧立板围合组成三菱柱箱体；上述右边的三菱柱箱体和钢箱（5）内腔灌注有硅油（20）。
2.根据权利要求1所述的波浪锯齿式桥梁抗震挡块防护装置，其特征在于，所述左边的三菱柱箱体的波纹钢板（16）下缘焊接在钢箱（5）底板上或焊接在钢箱（5）右侧立板上。
3.根据权利要求1或2所述的波浪锯齿式桥梁抗震挡块防护装置，其特征在于，所述左斜向上钢板（18）和左斜向下钢板的宽度相同，且略小于条形槽口（10）的长度，条形槽口的长度与钢箱内腔宽度相同。
4.根据权利要求3所述的波浪锯齿式桥梁抗震挡块防护装置，其特征在于，所述盖梁（1）两端分别向上伸出浇筑形成混凝土挡块（3）；钢箱（5）的左侧立板与混凝土挡块（3）内侧立面共面。
5.根据权利要求4所述的波浪锯齿式桥梁抗震挡块防护装置，其特征在于，在未受外力作用时，所述右边的三菱柱箱体容积大于左边的三菱柱箱体的容积。
6.根据权利要求5所述的波浪锯齿式桥梁抗震挡块防护装置，其特征在于，在未受外力作用时所述右边的三菱柱箱体中左斜向上钢板（18）与水平方向的夹角为30°～60°之间。
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