CN111287073A - 一种具有钢弹簧的耗能型多向限位桥梁抗震装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有钢弹簧的耗能型多向限位桥梁抗震装置，包括钢牛腿、限位件、钢弹簧、滑块以及连接钢柱；钢牛腿固定在活动支座附近的桥墩顶部的侧面，限位件固定在主梁底部和钢牛腿上，两个限位件上下对齐设置且位置对称；限位件包括固定板、方形钢挡块和两侧抗拉拔钢挡块，滑块位于限位件内部，连接钢柱的两端分别与上下两个滑块相连，其中间圆柱形部分的材料为耗能型低屈服强度钢，可依靠其塑性变形产生的能量消耗地震能量，钢弹簧一端固定在两侧抗拉拔钢挡块竖直段内壁上，另一端与滑块相连，在地震结束后可通过其恢复力作用使得装置实现一定的复位。该装置构造简单，抗震效果好，能三向限位。

Description

一种具有钢弹簧的耗能型多向限位桥梁抗震装置

技术领域

本发明属于桥梁抗震技术领域，具体涉及一种具有钢弹簧的耗能型多向限位桥梁抗震装置。

背景技术

近年来，随着社会经济技术的迅速发展，城市化进程不断加快，桥梁项目建设日益增多，桥梁不管是在数量上还是在延伸长度方面都与日俱增，特别是在城市，高架桥已经成为了主要的交通动脉。桥梁作为交通生命线上的枢纽工程，投资量大、数目多，对于我国经济发展和人民生产生活有着举足轻重的地位，一旦遭到破坏，其造成的损失也是巨大的，因此桥梁的安全保障是桥梁建设的前提。受自然灾害尤其是地震的影响，桥梁设施会遭受巨大破损，甚至倒塌，不仅人民的生命财产安全受到威胁，也对后续的桥梁维修或者重建造成困难。在地震作用下，桥梁的破坏形式主要有以下几种：桥梁支座等衔接部位损坏；桥梁上部结构受水平力作用位移量过大而导致落梁现象（含横桥向和顺桥向）；桥梁相邻梁跨间（伸缩缝）发生碰撞而毁坏；桥墩塑性铰的抗弯、抗剪强度缺乏，致使桥墩损坏。

目前我国的桥梁为了限制上部梁体间相对较大的位移，常常在桥墩盖梁顶部安装钢筋混凝土挡块，但是普通的钢筋混凝土挡块和梁体间的碰撞是刚性碰撞，撞击力很大，容易对梁体和混凝土挡块造成局部破坏，且地震中钢筋混凝土挡块的水平剪力通常不足，挡块容易发生不可修复的破坏，不能很好限制梁体的位移。此外，其他的桥梁抗震限位结构多是针对桥梁梁体单方向的位移（顺桥向或者横桥向），而地震波有三个方向，单方向限制梁体的位移显然具有局限性；一般的挡块结构多是依靠挡块本身的变形能量来消耗地震能量，弹塑性较差，在变形后不能很好地恢复到原来的状态。

针对上述不足，需要设计和开发一种新型的桥梁抗震限位装置，不仅能够缓冲和消耗地震能量，不对梁体和装置本身造成额外的损伤，在三个方向上限制梁体的位移，还能使装置在震后恢复到原来相近的状态，以便应对下一次地震。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种具有钢弹簧的耗能型多向限位桥梁抗震装置，在三个方向上限制梁体和桥墩之间相对较大的位移，保护支座，防止梁体的落梁震害；把梁体间的直接碰撞转化为连接钢柱的屈服变形，间接消耗地震能量，防止碰撞对梁体本身的破坏；增加单个装置中耗能型连接钢柱的数量和装置本身的数量，大大减小作用在每一连接钢柱上的拉力，消耗更多的地震能量；利用钢弹簧的恢复力作用使得装置在震后实现一定的复位功能。

为了实现本发明的目的,本发明采用的技术方案为：

一种具有钢弹簧的耗能型多向限位桥梁抗震装置，包括钢牛腿、限位件、钢弹簧、滑块以及连接钢柱；所述钢牛腿通过螺栓固定在桥梁活动支座附近的桥墩顶部的侧面；所述限位件包括固定板、方形钢挡块和两侧抗拉拔钢挡块，所述方形钢挡块固定于固定板上表面的前后两侧，两块所述方形钢挡块之间形成与所述滑块的宽度相等的滑轨；两个所述抗拉拔钢挡块呈倒“L”形结构，分别设置于所述固定板上表面的左右两侧，所述抗拉拔钢挡块的水平段与所述固定板上表面的距离与所述滑块的高度相等，所述钢弹簧设置于所述抗拉拔钢挡块的竖直段与所述滑块的端面之间，且二者与所述钢弹簧的两端相连接；所述限位件包括相同的上限位件和下限位件，所述下限位件的固定板通过螺栓固定于所述钢牛腿的顶部，所述上限位件的固定板通过螺栓固定于所述主梁的底部；所述连接钢柱的一端固定于所述上限位件内的滑块底部，另一端固定于所述下限位件内的滑块顶部；所述主梁与桥墩之间设有设置在桥梁支座垫石上的桥梁活动支座。

所述抗拉拔钢挡块的水平段位于滑块上表面的两侧，两侧抗拉拔钢挡块之间的距离小于所述滑块的长度；所述抗拉拔钢挡块的底部通过下底板固定于所述固定板上，所述下底板上设有用于第二下底板螺栓穿过的螺纹孔。

所述钢牛腿包括顶板、内侧板、底板、以及腹板，所述内侧板上设有若干个用于将其固定于桥墩侧壁上方的螺栓孔；所述顶板的一端与内侧板的顶部相互垂直连接、所述底板的一端与所述内侧板的底部相互垂直连接，所述腹板的内侧壁与所述内侧板的外壁相连，其顶部与底部分别于所述顶板的下表面以及底板的上表面相连。

所述连接钢柱的两端设有销头，所述销头上设有用于轴销穿过的通孔；所述滑块顶部中间两侧设有用于所述连接钢柱两端插入的凹槽，所述凹槽的截面呈半圆弧形结构，所述凹槽形状与连接钢柱两端的销头相配合，且凹槽的宽度略大于所述销头的宽度；所述滑块上设有用于轴销穿过的连接孔，连接孔位于每个凹槽的两侧并穿过滑块的前后表面。

所述连接钢柱的中间呈圆柱形结构，采用耗能型低屈服强度钢制成，其屈服强度低于所述销头的屈服强度。

所述主梁和第二主梁之间形成伸缩缝，所述主梁与所述桥墩之间设有设置于桥梁支座垫石上的桥梁活动支座，所述滑块的两侧表面与两侧抗拉拔钢挡块竖直段的内壁之间的距离小于所述桥梁活动支座能够移动的最大距离；所述滑块的两侧表面与两侧抗拉拔钢挡块竖直段的内壁之间的距离小于所述伸缩缝的宽度。

本发明的有益效果在于：

1）本发明能够有效缓冲和消耗地震能量，限制桥梁梁体和桥墩之间的相对较大位移，防止梁体落梁损坏，减小活动支座和伸缩缝的震害。一方面，因为在每一活动支座附近都布置了所述抗震装置，而且每一抗震装置中都设有两个耗能型连接钢柱，连接钢柱数量多，消耗了大部分的地震能量，同时减小了地震对每一连接钢柱的作用力，减小对装置本身的损伤；另一方面，地震作用时，设置在滑块和两侧抗拉拔钢挡块之间的钢弹簧会将一部分地震能量转化为弹性势能，缓冲了地震的作用力，消耗了一部分地震能量。

2）本发明能够实现三向限位。连接钢柱的两端分别与桥主梁底部限位件上的滑块和钢牛腿上限位件上的滑块相连，而且与连接钢柱两端销头相配合的凹槽提供了连接钢柱的转动空间，使得装置能够适应梁体顺桥向、横桥向和竖向的位移。

3）本发明能够实现一定的复位功能。钢弹簧设置在滑块和两侧抗拉拔钢挡块之间，通过其恢复力作用使得装置在震后能够恢复到与原来相近的状态，以便应对下一次地震。

4）本发明具有材料价格低，构造简单，便于安装，容易检测维修等优点。

附图说明

图1本发明的主视结构示意图；

图2为本发明的侧视结构示意图；

图3为本发明的三维构造示意图；

图4为本发明的顺桥向布置图；

图5为本发明的横桥向布置图。

在图中：1钢牛腿，2限位件，3钢弹簧，4滑块，5连接钢柱，6固定板，7方形钢挡块，8抗拉拔钢挡块，9侧板，10顶板，11腹板，12底板，13钢牛腿侧板螺栓，14、15第一、第二下底板螺栓，16连接孔，17凹槽，18主梁，19伸缩缝，20第二主梁，24桥梁支座垫石，23桥梁活动支座，25桥墩。

具体实施方式

下面对本发明进一步说明

请参阅图1-5

本发明公开了一种具有钢弹簧的耗能型多向限位桥梁抗震装置，包括钢牛腿1、限位件2、钢弹簧3、滑块4以及连接钢柱5；所述钢牛腿1通过螺栓13固定在桥梁活动支座附近的桥墩25顶部的侧面；所述限位件2包括固定板6、方形钢挡块7和两侧抗拉拔钢挡块8，所述方形钢挡块7固定于固定板6上表面的前后两侧，两块所述方形钢挡块7之间形成与所述滑块4的宽度相等的滑轨；两个所述抗拉拔钢挡块8呈倒“L”形结构，分别设置于所述固定板6上表面的左右两侧，所述抗拉拔钢挡块8的水平段与所述固定板6上表面的距离与所述滑块4的高度相等，所述钢弹簧3设置于所述抗拉拔钢挡块8的竖直段与所述滑块4的端面之间且与所述钢弹簧3的两端相连接；所述限位件2包括相同的上限位件和下限位件，所述下限位件的固定板6通过第二下底板螺栓15固定于所述钢牛腿1的顶部，所述上限位件的固定板6通过第一下底板螺栓14固定于所述主梁18的底部；所述连接钢柱5的一端固定于所述上限位件内的滑块4底部，另一端固定于所述下限位件内的滑块4顶部；所述主梁18与桥墩25之间设有设置在桥梁支座垫石24上的桥梁活动支座23。

所述抗拉拔钢挡块8的水平段位于滑块4上表面的两侧，两侧抗拉拔钢挡块8之间的距离小于所述滑块4的长度；所述抗拉拔钢挡块8的底部通过下底板固定于所述固定板6上，所述下底板上设有用于下底板螺栓14，15穿过的螺纹孔。

所述钢牛腿1包括顶板10、内侧板9、底板12、以及腹板11，所述内侧板9上设有若干个用于将其固定于桥墩25侧壁上方的螺栓孔；所述顶板10的一端与内侧板9的顶部相互垂直连接、所述底板12的一端与所述内侧板9的底部相互垂直连接，所述腹板11的内侧壁与所述内侧板9的外壁相连，其顶部与底部分别于所述顶板10的下表面以及底板12的上表面相连。

所述连接钢柱5的两端设有销头，所述销头上设有用于轴销穿过的通孔；所述滑块4顶部中间两侧设有用于所述连接钢柱5两端插入的凹槽17，所述凹槽17的截面呈半圆弧形结构，所述凹槽17形状与连接钢柱5两端的销头相配合，且凹槽17的宽度略大于所述销头的宽度；所述滑块4上设有用于轴销穿过的连接孔16，连接孔16位于每个凹槽17的两侧并穿过滑块4的前后表面。

所述连接钢柱5的中间呈圆柱形结构，采用耗能型低屈服强度钢制成，其屈服强度低于所述销头的屈服强度，以便地震时发生较大变形，消耗地震能量。

所述主梁18和第二主梁20之间形成伸缩缝19，所述主梁18与所述桥墩25之间设有设置于桥梁支座垫石24上的桥梁活动支座23，所述滑块4的两侧表面与两侧抗拉拔钢挡块8竖直段的内壁之间的距离小于所述桥梁活动支座23能够移动的最大距离；所述滑块4的两侧表面与两侧抗拉拔钢挡块8竖直段的内壁之间的距离小于所述伸缩缝19的宽度；地震时，首先是两侧的钢弹簧3发挥作用，缓冲地震能量，然后通过连接钢柱5限制梁体相对较大位移，保护桥梁活动支座23不产生较大位移而破坏，保护伸缩缝19。

工作原理：没有地震时，连接钢柱5处于竖直位置，钢弹簧3处于自然状态无变形。地震时，主梁18和桥墩25发生相对较大的位移，首先带动限位件2上的滑块4在固定板6上发生相对滑动，从而压缩其中位于滑块4两侧表面和两侧抗拉拔钢挡块8竖直段内壁之间的一侧钢弹簧3，另一侧钢弹簧3被拉伸，依靠其弹力缓冲地震的作用力，将地震能量一部分转化为钢弹簧3的弹性势能，消耗了地震能量；当主梁18和桥墩25的相对位移超过滑块4两侧表面与两侧抗拉拔钢挡块8竖直段的内壁之间的距离时，连接钢柱5随梁体上限位件2的移动而发生转动并受拉力作用而发生变形，依靠其塑性变形产生的能量消耗了大部分的地震能量，从而限制了主梁18与桥墩25的相对位移（包括顺桥向、横桥向和竖向）；地震结束后，由于钢弹簧3的恢复力作用，但因为其恢复能力有限，使得装置在震后能够恢复到与原来相近的状态，以便应对下一次地震。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种具有钢弹簧的耗能型多向限位桥梁抗震装置，其特征在于：包括钢牛腿（1)、限位件(2)、钢弹簧(3)、滑块(4)以及连接钢柱(5)；所述钢牛腿（1）通过螺栓（13）固定在桥梁活动支座附近的桥墩（25）顶部的侧面；所述限位件（2）包括固定板（6）、方形钢挡块（7）和两侧抗拉拔钢挡块（8），所述方形钢挡块（7）固定于固定板（6）上表面的前后两侧，两块所述方形钢挡块（7）之间形成与所述滑块（4）的宽度相等的滑轨；两个所述抗拉拔钢挡块（8）呈倒“L”形结构，分别设置于所述固定板（6）上表面的左右两侧，所述抗拉拔钢挡块（8）的水平段与所述固定板（6）上表面的距离与所述滑块（4）的高度相等，所述钢弹簧（3）设置于所述抗拉拔钢挡块（8）的竖直段与所述滑块（4）的端面之间，且二者分别与所述钢弹簧（3）的两端相连接；

所述限位件（2）包括相同的上限位件和下限位件，所述下限位件的固定板（6）通过螺栓固定于所述钢牛腿（1）的顶部，所述上限位件的固定板（6）通过螺栓固定于所述主梁（18）的底部；

所述连接钢柱（5）的一端固定于所述上限位件内的滑块（4）底部，另一端固定于所述下限位件内的滑块（4）顶部；所述主梁（18）与桥墩（25）之间设有设置在桥梁支座垫石（24）上的桥梁活动支座（23）。

2.根据权利要求1所述的一种具有钢弹簧的耗能型多向限位桥梁抗震装置，其特征在于：所述抗拉拔钢挡块（8）的水平段位于滑块（4）上表面的两侧，两侧抗拉拔钢挡块（8）之间的距离小于所述滑块（4）的长度；所述抗拉拔钢挡块（8）的底部通过下底板固定于所述固定板（6）上，所述下底板上设有用于第二下底板螺栓（15）穿过的螺纹孔。

3.根据权利要求1所述的一种具有钢弹簧的耗能型多向限位桥梁抗震装置，其特征在于：所述钢牛腿（1）包括顶板（10）、内侧板（9）、底板（12）、以及腹板（11），所述内侧板（9）上设有若干个用于将其固定于桥墩（25）侧壁上方的螺栓孔；所述顶板（10）的一端与内侧板（9）的顶部相互垂直连接、所述底板（12）的一端与所述内侧板（9）的底部相互垂直连接，所述腹板（11）的内侧壁与所述内侧板（9）的外壁相连，其顶部与底部分别于所述顶板（10）的下表面以及底板（12）的上表面相连。

4.根据权利要求1所述的一种具有钢弹簧的耗能型多向限位桥梁抗震装置，其特征在于：所述连接钢柱（5）的两端设有销头，所述销头上设有用于轴销穿过的通孔；所述滑块（4）顶部中间两侧设有用于所述连接钢柱（5）两端插入的凹槽（17），所述凹槽（17）的截面呈半圆弧形结构，所述凹槽（17）形状与连接钢柱（5）两端的销头相配合，且凹槽（17）的宽度略大于所述销头的宽度；所述滑块（4）上设有用于轴销穿过的连接孔（16），连接孔（16）位于每个凹槽（17）的两侧并穿过滑块（4）的前后表面。

5.根据权利要求4所述的一种具有钢弹簧的耗能型多向限位桥梁抗震装置，其特征在于：所述连接钢柱(5)的中间呈圆柱形结构，采用耗能型低屈服强度钢制成，其屈服强度低于所述销头的屈服强度。

6.根据权利要求1所述的一种具有钢弹簧的耗能型多向限位桥梁抗震装置，其特征在于：所述主梁（18）和第二主梁（20）之间形成伸缩缝（19），所述主梁（18）与所述桥墩（25）之间设有设置于桥梁支座垫石（24）上的桥梁活动支座（23），所述滑块(4)的两侧表面与两侧抗拉拔钢挡块(8)竖直段的内壁之间的距离小于所述桥梁活动支座（23）能够移动的最大距离；所述滑块(4)的两侧表面与两侧抗拉拔钢挡块(8)竖直段的内壁之间的距离小于所述伸缩缝（19）的宽度。

Images