CN111335145B - 防止桥墩端部产生塑性铰的位移放大型多维耗能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了防止桥墩端部产生塑性铰的位移放大型多维耗能装置，属于桥梁防灾减灾和安全防护工程领域。包括万向铰支座、开口钢箱、圆形刚性钢连接杆、弯曲型复合耗能金属阻尼器、固定铰支座、泡沫填充物、条状交叉编织型金属阻尼器、刚性钢连接杆、弧形薄钢片、矩形开口钢片、螺栓、桥面板、桥墩。本发明主要采用了位移放大的思想，在地震作用下，桥墩会产生微小的位移。设置在桥墩底部的“杠杆型”耗能构件和桥墩上部“剪刀型”耗能装置底部放大，消耗地震传递的能量。桥墩上下部耗能装置沿桥墩圆周布置，设置在桥墩上部、下部的耗能装置能够最大限度的消耗地震传递到桥墩的能量，起到保护桥墩，防止桥墩产生塑性铰的作用。

Description

防止桥墩端部产生塑性铰的位移放大型多维耗能装置

技术领域

本发明属于桥梁的防灾减灾和安全防护工程领域，具体涉及一种防止桥墩端部产生塑性铰的位移放大型多维耗能装置。

背景技术

地震是人类社会面临的一种严重的、不可预知的自然灾害，地震灾害能够引起建筑物的破坏，进而造成巨大的损失。我国地处于环太平洋地震带和欧亚地震带之间，是世界上多地震国家之一。

桥梁是交通工程的重要组成部分及薄弱环节，也是交通工程运营期间需要重点保护的对象。并且桥梁抗震一直是人们高度重视的问题，保证桥梁具有良好的抗震效果，避免在地震灾害中造成较大的危害。桥墩起到支承桥跨结构并将恒载和车辆活载传至地基的作用，而且桥墩是桥梁的关键部位，决定着桥梁结构的整体稳定。由于地震波中存在着的剪切波，在罕遇地震作用下，会导致桥墩的上部和下部的弯矩较大，混凝土破坏且钢筋屈曲，局部变形较大从而出现塑性铰。桥墩塑性铰的出现会使得桥墩承载能力降低、刚度、抗剪能力下降，进而对桥梁的稳定性产生巨大的不利影响。传统结构抗震方法是通过增强结构本身的抗震性能来抵御地震作用的，即由结构本身储存和消耗地震能量，这是被动消极的抗震对策，效果和经济性很差。

传统的桥墩耗能减震主要是通过在桥墩上部与桥面板底部直接加粘滞阻尼器或金属阻尼器、桥墩端部安装lock-up装置、桥墩底部安装加有阻尼器的斜撑等方式来实现，然而在地震作用下，桥墩上下端的塑性铰局部曲率较大，但水平位移相对较小，进而使得传统耗能方式在中震下不能充分发挥作用，效率较低。

有鉴于此，本发明提出一种防止桥墩端部产生塑性铰的位移放大型多维耗能装置。在地震作用下，桥墩产生塑性铰时桥墩上下部的位移小，桥墩上下部位移放大装置使安装其中的耗能金属阻尼器两端相对位移放大，进而放大其相对速度和加速度，达到提高阻尼力，充分发挥耗能的目的，有效降低桥墩结构在地震时的动力响应。

桥墩在地震作用下，桥墩上下部会产生较小的位移，安装在桥墩下部的耗能装置，通过杠杆效应的位移放大思想，将桥墩下部较小位移进行相应比例放大，进而放大安装在端部耗能金属阻尼器的位移，耗能金属阻尼器发生变形产生阻尼力，起到耗能作用。安装在桥墩上部的耗能装置，采用了曲柄连杆机构原理的位移放大思想，放大桥墩上部较小位移，使得安装的耗能金属阻尼器两端的位移得到放大，使得耗能金属阻尼器发生变形产生阻尼力，起到耗能作用。通过桥墩上下部耗能转置，起到消耗地震力的作用，达到保护桥墩的目的。

耗能装置沿桥墩圆周对称安装布置，且耗能装置中的各个构件采用预制，现场安装简便，且易于保证施工质量。耗能装置沿桥墩圆周安装布置，在中大震下能够消耗传递到桥墩各个方向的地震力，进而起到保护桥墩的作用。

发明内容

本发明的目的在于为了防止在地震的作用下，桥墩上部、下部出现塑性铰，进而降低桥梁稳定性的现象。本发明提供了一种防止桥墩端部产生塑性铰的位移放大型多维耗能装置，本装置结构简单，安装方便，制作容易。在地震作用下，桥墩受到地震作用会产生较小的变形，设置在桥墩上、下部的装置也会产生相应的变形，但由于该装置采用了位移放大技术，所以在本装置上会将桥墩产生的微小位移进行放大，使得在该装置上会产生比桥墩更大的位移，使设置在桥墩上、下部的耗能金属阻尼器发生较大变形，金属阻尼器变形会消耗能量，进而将地震传递到桥墩的能量进行了消耗，使得桥墩不直接参与受力，防止了桥墩塑性铰的产生，从而保护了桥墩保证了桥梁的稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种防止桥墩端部产生塑性铰的位移放大型多维耗能装置，包括万向铰支座(1)、开口钢箱(2)、圆形刚性钢连接杆(3)、弯曲型复合耗能金属阻尼器(4)、固定铰支座(5)、泡沫填充物(6)、条状交叉编织型金属阻尼器(7)、刚性钢连接杆(8)、弧形薄钢片(9)、矩形开口钢片(10)、螺栓(11)、桥面板(12)和桥墩(13)。

万向铰支座(1)、开口钢箱(2)、圆形刚性钢连接杆(3)、弯曲型复合耗能金属阻尼器(4)、固定铰支座(5)、泡沫填充物(6)等主要构件组成了“杠杆型”耗能装置，主要控制桥墩底部塑性铰的产生。

条状交叉编织型金属阻尼器(7)、刚性钢连接杆(8)等构件组成了剪刀型耗能装置，控制桥墩顶部塑性铰的产生。

桥墩(13)底部“杠杆型”耗能装置采用了“杠杆效应”的位移放大思想，万向铰支座(1)通过螺栓连接的方式与桥墩连接，圆形刚性钢连接杆(3)近桥墩(13)下端与万向铰支座(1)通过焊接的方式进行连接，并且依次通过开口钢箱，离桥墩(13)近的钢箱开口处设置有固定铰支座(5)，用以固定圆形刚性钢连接杆(3)，使其不能发生上下移动，起到了杠杆支点的作用。中间位置钢箱的开口位置处设置有泡沫填充物(6)，用于支撑圆形刚性钢连接杆(3)，并且保证圆形刚性钢连接杆(3)在该位置能够上下移动。圆形刚性钢连接杆(3)远桥墩(13)端与弯曲型复合耗能金属阻尼器(4)焊接在一起，弯曲型复合耗能金属阻尼器(4)再与钢箱通过螺栓连接，这样使得桥墩下部耗能装置完全成为一个整体。在地震作用下，桥墩(13)产生微小位移后，使得圆形刚性钢连接杆(3)近桥墩(13)端也产生微小的位移，通过杠杆效应，在圆形刚性钢连接杆(3)远桥墩(13)端将此微小位移进行相应比例放大，进而使得弯曲型复合耗能金属阻尼器(4)中的矩形开口钢片(10)产生相对较大变形，矩形开口钢片(10)变形后达到其相应屈服应力，以此来消耗地震传递到桥墩的能量，进一步防止桥墩(13)下部塑性铰的产生。

借鉴机械工程中曲柄连杆机构的原理，桥墩(13)顶部的“剪刀型”耗能装置均通过螺栓连接的方式，分别与桥墩(13)和桥面板(12)底部连接，条状交叉编织型金属阻尼器(7)两端也通过螺栓连接的方式与刚性钢连接杆(8)连接。在地震作用下，桥墩(13)上部也会产生相应的微小位移，“剪刀型”耗能装置会将此微小位移进行放大，使条状交叉编织型金属阻尼器(7)中的弧形薄钢片(9)产生变形，使其达到相应的屈服应力，以此来消耗地震引起的桥墩(13)上部的力，防止桥墩(13)上部塑性铰的产生。

万向铰支座(1)起到连接作用，将“杠杆型”耗能装置与桥墩(13)连接在一起，并且能够抵抗地震水平剪力的作用，保证其不被水平剪坏，万向铰支座(1)采用弹性模量大于等于345MPa的钢材，所选用的钢材要保证据具有足够的刚度和强度，并且保证万向铰支座(1)传力可靠。

圆形刚性钢连接杆(3)采用弹性模量大于等于345MPa的钢材，强度高，刚度大，能够起到杠杆的作用，不至于发生弯曲破坏。开口钢箱(2)的开口尺寸宽度应略大于圆形刚性钢连接杆(3)，保证其能够正常穿过，并且能够提供横向支撑，避免下部“杠杆型”耗能装置在地震的作用下被横向剪坏。

固定铰支座(5)设置在开口钢箱(2)开口位置处，主要起到杠杆支点的作用，避免圆形刚性钢连接杆(3)在该位置出现上下移动。固定铰支座(5)与开口钢箱(2)的连接可采用现场焊接的方式。泡沫填充物(6)设置在开口位置处，主要起到支撑圆形刚性钢连接杆(3)作用，防止其因重力作用下沉。并且当圆形刚性钢连接杆(3)在地震的作用下受力时，能够通过挤压泡沫填充物(6)产生上下的移动，能够起到位移放大的作用。

弯曲型复合耗能金属阻尼器(4)的主要功能就是对地震传递到桥墩(13)下部的能量进行消耗。矩形开口钢片(10)是弯曲型复合耗能金属阻尼器(4)的核心材料，可用屈服强度不大于160MPa的钢材，要具有稳定的强度和良好的变形能力，在变形后能够达到其屈服强度。矩形开口钢片(10)两端通过焊接的方式同金属板连接成为整体，可以在工厂中进行预制。

条状交叉编织型金属阻尼器(7)主要功能是对桥墩(13)上部的力进行消耗，是“剪刀型”耗能装置的核心构件。弧形薄钢片(9)是条状交叉编织型金属阻尼器(7)的核心材料，可选用屈服强度120-160MP之间的钢材。采用传统的编织方法将弧形薄钢片(9)编织成灯笼形状，在各个弧形薄钢片(9)两端采用焊接的方式使其与金属板连接，成为整体。

采用多根两端都开有螺栓孔的刚性钢连接杆(8)构成上部“剪刀型”耗能装置的骨架，采用螺栓连接的方式将其连接成整体，采用螺栓连接能够保证骨架实现机械工程中曲柄连杆机构的位移放大原理，能够将桥墩产生的微小位移在该装置上进行放大。条状交叉编织型金属阻尼器(7)两端采用螺栓连接方式，设置于“剪刀型”耗能装置内部，位移的放大会使得条状交叉编织型金属阻尼器(7)产生变形，进而实现耗能功能。

圆形刚性钢连接杆(3)所选用的长度尺寸大致为桥墩(13)高度的1/4～1/3范围内，所选用的直径尺寸大致为40mm～60mm范围内。

“剪刀型”耗能装置安装应控制在桥墩(13)连接处和桥面板(12)连接处两者的连线与水平地面的角度在40°～60°范围内，且各刚性钢连接杆(8)的尺寸应在桥墩高度的1/11～1/9范围内。条状交叉编织型金属阻尼器(7)安装于“剪刀型”耗能装置骨架内部，且控制其轴线与水平地面的角度处于40°～60°范围内。条状交叉编织型金属阻尼器(7)的长度应为桥墩(13)高度的1/10～1/12范围内。

“杠杆型”耗能装置安装位置与地面的距离应处于桥墩高度的1/20～1/10范围内，“剪刀型”耗能装置安装位置与桥墩顶部的距离应处于桥墩高度的1/20～1/10范围内，且保证其安装位置都位于塑性铰长度范围内。

同现有技术相比，本发明的优点如下：

1、此装置采用了杠杆原理，巧妙的将桥墩下部产生的微小位移，通过杠杆原理进行了相应比例的放大，放大的位移使得连接的耗能构件产生变形消耗了传递到桥墩的能量。

2、此装置借鉴了机械工程中曲柄连杆机构的原理，同样对桥墩上部产生的微小位移进行放大，使桥墩上部耗能构件产生变形进而消耗能量。

3、此装置采用了弯曲型复合耗能金属阻尼器和条状交叉编织型金属阻尼器，这两种耗能阻尼器新颖，耗能能力大，稳定性、整体性好，并且变形耗能之后，便于更换。

4、此耗能装置沿桥墩圆周布置，可以抵抗地震作用下任一方向传递到桥墩的水平剪力，在各个方向上保护桥墩，防止桥墩塑性铰的产生。且此耗能装置沿桥墩圆周布置，钢箱为桥墩提供了额外横向支撑，增大了桥墩的横向刚度，进一步防止了在地震作用下桥墩扭转破坏的发生。

5、此耗能装置采用钢材制作，各个构件可以在工厂进行预制，可以针对不同尺寸的桥墩，调整各个构件尺寸大小，灵活性高。在工厂中预制，能够保证构件质量问题。

6、此装置耐久性好、结构简单，便于现场安装和更换，便于检查和维修，并且能够最大程度的保护桥墩。

附图说明

图1为本发明布置在桥墩的正面外观图

图2为本发明布置在桥墩的侧视外观图

图3为本发明“杠杆型”耗能装置整体立体图

图4为本发明万向铰支座整体立体图

图5为本发明开口钢箱固定铰支座剖面图

图6为本发明开口钢箱泡沫填充物剖面图

图7为本发明弯曲型复合耗能金属阻尼器整体立体图

图8为本发明“剪刀型”耗能装置整体外观图

图9为本发明条状交叉编织型金属阻尼器正面外观图

图10为本发明条状交叉编织型金属阻尼器俯视外观图

图中：万向铰支座(1)、开口钢箱(2)、圆形刚性钢连接杆(3)、弯曲型复合耗能金属阻尼器(4)、固定铰支座(5)、泡沫填充物(6)、条状交叉编织型金属阻尼器(7)、刚性钢连接杆(8)、弧形薄钢片(9)、矩形开口钢片(10)、螺栓(11)、桥面板(12)、桥墩(13)。

具体实施方式

以某易发地震地区的桥梁防护为例：

该桥梁为30+35+30m混凝土三跨连续梁桥，横桥向为双桥墩布置，该桥梁共有4个桥墩，且每个桥墩直径1m，高15m。该桥梁建设在较为平坦的地区，但该地区易发生地震灾害。

1)根据桥墩尺寸确定耗能装置安装的位置。塑性铰长度大约为桥墩高度的1/10，对于该桥墩，桥墩下部耗能装置大致安装于距桥墩底部1.5m处，桥墩上部耗能装置安装于距桥面板底部1.5m处。

2)选用直径50mm的圆形刚性钢连接杆，长度选为4m。圆形刚性钢连接杆采用锰钢制成，采用弹性模量大于等于345MPa的钢材，保证有足够的强度和刚度。

3)选择高度2m，宽度1m，厚度30mm的钢箱，在钢箱高度1.5m处用切割机开设宽55mm，高800mm的矩形孔，能够保证圆形钢连接杆正常通过，且钢箱能够为圆形刚性连接杆提供横向支撑。且要保证圆形钢连接杆的圆形与矩形开口的中心在同一水平线上。

4)弯曲型复合耗能金属阻尼器中的耗能钢片可以选用厚度2mm,长度500mm，宽度600mm，屈服强度为160MP的钢材进行制作，耗能钢片的两端通过焊接的方式与金属板进行连接。弯曲型复合耗能金属阻尼器一端采用焊接的方式与圆形刚性连接杆连接，一端采用螺栓的连接方式与钢箱进行连接。

5)将带有固定铰支座的钢箱设置于圆形刚性钢连接杆距近桥墩端1m处，运用杠杆效应进行1:3的位移放大，圆形刚性钢连接杆两端都采用焊接的方式，分别与万向铰支座和弯曲型复合耗能金属阻尼器连接。带有泡沫填充物的钢箱设置在距离近桥墩端3.5m处，泡沫填充物起到支撑圆形钢连接杆的作用，防止其因重力作用下沉，进而影响位移的放大作用。

6)万向铰支座的材料采用弹性模量为345MPa的钢材，保证足够的强度和刚度，能够较好的进行传力。万向铰支座与桥墩的连接采用高强螺栓连接，高强螺栓的强度等级为10.9级，也可选用其他类型强度等级的螺栓，在此不再赘述。

7)条状交叉编织型金属阻尼器采用宽度20mm，厚度1mm，屈服强度在160MP的薄细小软钢条进行编织，薄细软钢条的两端通过焊接的方式连接在金属板上，并且条状交叉编织型金属阻尼器的两端焊接开有螺栓孔的连接件。

8)刚性钢连接杆材料选用锰钢制作，选择4根长度1.5m、两端开有螺栓孔的刚性钢连接杆，采用螺栓连接的方式将其连接成“剪刀型”支撑骨架，并通过螺栓将条状交叉编织型金属阻尼器设置在“剪刀型”支撑骨架内部。

9)桥墩上部和下部沿桥墩圆周布置4个耗能构件。

在地震作用下，桥墩会受到地震的作用，从而在桥墩的上部和下部产生微小的位移，经过设置在桥墩四周的位移放大耗能装置，通过耗能构件的变形，消耗地震输入的能量，防止桥墩塑性铰的产生，从而起到保护桥墩的作用。

经过ANSYS有限元软件分析，桥墩下部塑性铰长度范围内的位移减震率为22.3％、加速度减震率为21.4％。桥墩上部塑性铰长度范围内的位移减震率为21.6％、加速度减震率为24.1％。表明本发明具有优良的耗能能力，能够有效的防止在地震作用下桥墩塑性铰的产生。

Claims (8)

1.防止桥墩端部产生塑性铰的位移放大型多维耗能装置，其特征在于：

万向铰支座（1）、开口钢箱（2）、圆形刚性钢连接杆（3）、弯曲型复合耗能金属阻尼器（4）、固定铰支座（5）、泡沫填充物（6）组成杠杆型耗能装置，控制桥墩底部塑性铰；

条状交叉编织型金属阻尼器（7）、刚性钢连接杆（8）组成剪刀型耗能装置，控制桥墩顶部塑性铰；

桥墩（13）底部的杠杆型耗能装置将杠杆效应的位移放大，万向铰支座（1）通过螺栓连接的方式与桥墩连接，圆形刚性钢连接杆（3）近桥墩（13）下端与万向铰支座（1）通过焊接的方式进行连接，并且依次通过开口钢箱（2），离桥墩（13）近的开口钢箱（2）的开口处设置有固定铰支座（5）；中间位置开口钢箱（2）的开口位置处设置有泡沫填充物（6），用于支撑圆形刚性钢连接杆（3）；圆形刚性钢连接杆（3）远桥墩（13）端与弯曲型复合耗能金属阻尼器（4）焊接在一起，弯曲型复合耗能金属阻尼器（4）再与开口钢箱（2）通过螺栓连接，使得桥墩下部耗能装置完全成为一个整体；

桥墩（13）顶部的剪刀型耗能装置通过螺栓连接的方式，分别与桥墩（13）和桥面板（12）底部连接，条状交叉编织型金属阻尼器（7）两端通过螺栓连接的方式与刚性钢连接杆（8）连接；弯曲型复合耗能金属阻尼器（4）对地震传递到桥墩（13）下部的能量进行消耗；矩形开口钢片（10）是弯曲型复合耗能金属阻尼器（4）的核心材料，用屈服强度不大于160MPa的钢材；矩形开口钢片（10）两端通过焊接的方式同金属板连接成为整体，在工厂中进行预制；

条状交叉编织型金属阻尼器（7）对桥墩（13）上部的力进行消耗；条状交叉编织型金属阻尼器（7）包括弧形薄钢片（9），弧形薄钢片（9）选用屈服强度120-160MP之间的钢材；弧形薄钢片（9）为灯笼形状，在各个弧形薄钢片（9）两端采用焊接的方式与金属板连接，成为整体。

2.根据权利要求1所述的防止桥墩端部产生塑性铰的位移放大型多维耗能装置，其特征在于：万向铰支座（1）将杠杆型耗能装置与桥墩（13）连接在一起，万向铰支座（1）采用弹性模量大于等于345MPa的钢材。

3.根据权利要求1所述的防止桥墩端部产生塑性铰的位移放大型多维耗能装置，其特征在于：圆形刚性钢连接杆（3）采用弹性模量大于等于345MPa的钢材；开口钢箱（2）的开口尺寸宽度大于圆形刚性钢连接杆（3）。

4.根据权利要求1所述的防止桥墩端部产生塑性铰的位移放大型多维耗能装置，其特征在于：固定铰支座（5）设置在开口钢箱（2）开口位置处，起到杠杆支点的作用，避免圆形刚性钢连接杆（3）上下移动；固定铰支座（5）与开口钢箱（2）的连接采用焊接；泡沫填充物（6）设置在开口钢箱（2）开口位置处；当圆形刚性钢连接杆（3）在地震的作用下受力时，通过挤压泡沫填充物（6）产生上下的移动，起到位移放大的作用。

5.根据权利要求1所述的防止桥墩端部产生塑性铰的位移放大型多维耗能装置，其特征在于：采用多根两端都开有螺栓孔的刚性钢连接杆（8）构成上部剪刀型耗能装置的骨架，采用螺栓连接的方式将其连接成整体，采用螺栓连接保证骨架实现位移放大，将桥墩产生的微小位移进行放大；条状交叉编织型金属阻尼器（7）两端采用螺栓连接方式，设置于剪刀型耗能装置内部，位移的放大会使得条状交叉编织型金属阻尼器（7）产生变形，进而实现耗能。

6.根据权利要求1所述的防止桥墩端部产生塑性铰的位移放大型多维耗能装置，其特征在于：圆形刚性钢连接杆（3）所选用的长度尺寸大致为桥墩（13）高度的1/4~1/3范围内，所选用的直径尺寸为40mm~60mm范围内。

7.根据权利要求5所述的防止桥墩端部产生塑性铰的位移放大型多维耗能装置，其特征在于：剪刀型耗能装置安装控制在桥墩（13）连接处和桥面板（12）连接处两者的连线与水平地面的角度在40°~60°范围内，且各刚性钢连接杆（8）的尺寸在桥墩高度的1/11~1/9范围内；条状交叉编织型金属阻尼器（7）安装于剪刀型耗能装置的骨架内部，且控制其轴线与水平地面的角度处于40°~60°范围内；条状交叉编织型金属阻尼器（7）的长度为桥墩（13）高度的1/10~1/12范围内。

8.根据权利要求1所述的防止桥墩端部产生塑性铰的位移放大型多维耗能装置，其特征在于：杠杆型耗能装置安装位置与地面的距离处于桥墩高度的1/20~1/10范围内；剪刀型耗能装置安装位置与桥墩顶部的距离应处于桥墩高度的1/20~1/10范围内，安装位置都位于塑性铰长度范围内。

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