CN111535162A - 一种提高预制拼装钢管混凝土桥墩抗震性的耗能减震装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高节段拼装钢管混凝土桥墩抗震性的耗能减震装置，属于桥梁工程建设领域，其包括承重顶板、承重底板、拉杆和脚板，承重顶板和承重底板分别与节段拼装钢管混凝土桥墩相应接缝处通过焊接固定，拉杆与承重顶板、承重底板之间通过螺栓接头锚固，墩底拉杆在承台顶部的脚板中预留孔道安装。本发明提高了节段拼装钢管混凝土桥墩的耗能性，增强了桥墩节段间的连接，地震中拉杆通过协调节段间受力变形可以降低墩顶位移，震后只需及时更换损坏的拉杆即可，具有很好的震后可修复性。

Description

一种提高预制拼装钢管混凝土桥墩抗震性的耗能减震装置

技术领域 本发明属于桥梁工程领域，特别涉及一种提高预制拼装钢管混凝土桥墩抗震性的耗能减震装置。

背景技术 预制拼装钢筋混凝土桥墩目前多用于低烈度地区的高速路桥和运河桥上，原因是这些工程对施工环境和工期要求高，可充分发挥工厂化预制优势。地震时节段拼装桥墩底部接缝处破坏严重、耗能性差和墩顶位移需求高的缺点限制了其在中高烈度地区的推广。较大的墩顶位移给这类桥墩的上部结构防落梁设计提出了更高的要求。

随着节段间连接拼装技术的改进，人们提出并研究了一些墩身竖向承载能力高且适用于高烈度地区的预制桥墩结构，节段预制拼装钢管混凝土桥墩便是其中一种。采用钢管约束混凝土可极大提高构件的轴向承载能力。同时，因钢材具有良好的延性，钢管混凝土桥墩不但承载能力高，而且具有良好的水平承载能力。预制构件加工过程中，钢管可以同时作为混凝土的侧向模板，可提高工作效率并具有经济性。

与整体现浇桥墩相比，预制拼装钢管混凝土桥墩地震作用下耗能性较低，需要增设耗能装置来进行提高。目前国内针对预制拼装桥墩研发的耗能装置主要分为三类：内部耗能装置，如在节段桥墩接缝处内部设置耗能钢筋；外部耗能装置，如在节段桥墩接缝处外部设置阻尼器或者软钢阻尼器；墩底耗能装置，如在墩底与承台连接处设置耗能支座。现有耗能减震装置各有千秋，内部耗能装置震后可修复性较差，因此在具备良好耐久性的前提下外部耗能装置可作为设计首选。

近年来对于结构的抗震设计越来越多地聚焦于基于性能的设计方法，希望通过合理巧妙的设计使得结构具有震后恢复性能以最大限度的减少地震带来的经济损失。预应力节段预制拼装桥墩已在国外得到深入的研究和低烈度地区广泛的应运，这种桥墩节段间通过预应力轴向连接成为整体并由预应力提供承载能力和自复位能力；预应力节段预制拼装桥墩在地震作用下的响应可形象的比喻为一个不倒翁摇摆结构，当外界荷载产生的弯矩达到由结构自重和预应力提供的抵抗弯矩时，桥墩开始绕墩底发生转动，墩底与基础接触部分的接缝便出现开合，在墩底接缝和相邻桥墩节段接缝处设置耗能装置能够有效耗散地震能量，减小结构自身损伤。由于地震作用下节段间接缝的张开会引起较大的墩顶位移，因此在研发外部耗能装置时还应在保证震后不会因为自身压屈变形带来附加残余位移的前提下具备控制接缝处变形的能力。目前国内外提出的外部耗能装置存在会产生较大附加残余位移、自身刚度不足以控制接缝变形问题，耗能减震作用不明显。

发明内容 为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种施工方便、无附加残余位移且震后可修复强，同时还可有效控制接缝处变形的提高预制拼装钢管混凝土桥墩抗震性的耗能减震装置。

本发明采用的技术方案如下：

一种提高预制拼装钢管混凝土桥墩抗震性的耗能减震装置，包括第一承重顶板、脚板、第二承重顶板、承重底板和拉杆；第一承重顶板和承重底板与第一钢管混凝土节段相互垂直固定，第二承重顶板与第二钢管混凝土节段相互垂直固定，在第一承重顶板和脚板之间、第二承重顶板与承重底板之间均布拉杆，拉杆上端焊接底座，拉杆上端通过底座分别与第一承重顶板、第二承重顶板连接，拉杆下端分别与脚板螺纹连接、与承重底板连接并通过螺帽固定；脚板通过地脚锚栓与承台固定。

所述第一钢管混凝土节段、第二钢管混凝土节段、第三钢管混凝土节段为圆形钢管或矩形钢管，钢管中心固定PVC管，PVC管内安装预应力筋，钢管内部与PVC管外部空间内浇筑混凝土，预应力筋下端通过锚具锚固在承台内，预应力筋分别穿过第一钢管混凝土节段、第二钢管混凝土节段、第三钢管混凝土节段内的PVC管，预应力筋上端与墩帽通过锚具锚固。

所述第一承重顶板、脚板、第二承重顶板、承重底板厚度不小于拉杆最大直径。

所述第一承重顶板、承重底板与第一钢管混凝土节段相互垂直焊接固定，第二承重顶板与第二钢管混凝土节段相互垂直焊接固定，焊接方式采用全渗透焊缝连接。

所述第一承重顶板、第二承重顶板和承重底板预留拉杆孔道直径大于拉杆直径4mm-5mm，拉杆上端底座直径大于预留拉杆孔道直径3cm-4cm。

所述拉杆为普通钢筋、高强钢筋或者形状记忆合金等材料，在拉杆外面包裹一层聚四氟乙烯防腐材料或其他摩擦系数小的材料。

本发明的优点在于：

施工方便，对钢管混凝土节段间变形限制作用明显，能够提高钢管混凝土节段桥墩耗能性，地震过后及时更换损坏的拉杆即可，具有很好的可修复性，并且不会带来附加的震后残余位移，主要体现在：

1、在地震中，当承重顶板和承重底板随着相邻钢管混凝土节段产生相对转动时，转动外侧拉杆通过承受拉力限制接缝张开，拉力主要由其轴向刚度提供，转动内侧拉杆由于螺栓接头的构造特点而不受压力，因此基本不会出现因拉杆压屈变形引起的震后残余位移，地震过后只需及时更换损坏的拉杆即可，具有很好的震后可修复性；

2、相邻钢管混凝土节段间的相对转动很小，不会出现转动时拉杆弯曲的情况，因此基本不会出现因拉杆弯曲后与承重板卡住的现象，当承重顶板和承重底板随着相邻钢管混凝土节段产生可能出现的相对错动时，所有拉杆均参与工作成为抗剪构件，可以提高钢管混凝土桥墩的抗剪承载力；

3、在地震中拉杆在抑制钢管混凝土节段间变形过程中自身产生弹塑性变形进行消耗地震能量而不会有压屈现象出现，既提高了结构的耗能性，又降低了墩顶位移需求；

4、拉杆的材质可以方便灵活地选择普通钢筋、高强钢筋或者形状记忆合金等材料，通过改变拉杆的长度、数量和直径调节拉杆对钢管混凝土节段间的限位作用，可以调节结构的耗能性和地震中的墩顶位移；

5、承重板施工方便，只需要与钢管混凝土节段相应位置处焊接即可，施工方法成熟，经济性强。

附图说明 图1是本发明拉杆耗能减震装置应用示意图；

图2(a)是钢管混凝土桥墩节段一种A-A剖面图；

图2(b)是钢管混凝土桥墩节段另一种A-A剖面图；

图3是本发明拉杆耗能减震装置结构主视图；

图4(a)是本发明拉杆耗能减震装置一种结构俯视图；

图4(b)是本发明拉杆耗能减震装置另一种结构俯视图；

图中：1、第一承重顶板，2、承重底板，3、底座，4、PVC管道，5、预应力筋，6、锚具，7、墩帽，8、第三钢管混凝土节段，9、第二钢管混凝土节段，10、第二承重顶板，11、螺帽，12、第一钢管混凝土节段，13、拉杆，14、脚板；15、承台，16、地脚锚栓。

具体实施方式 下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、图3和图4所示，一种提高预制拼装钢管混凝土桥墩抗震性的耗能减震装置，包括第一承重顶板1、脚板14、第二承重顶板10、承重底板2和拉杆13；第一承重顶板1和承重底板2与第一钢管混凝土节段12相互垂直固定，第二承重顶板10与第二钢管混凝土节段9相互垂直固定，在第一承重顶板1和脚板14之间、第二承重顶板10与承重底板2之间均布拉杆13，拉杆13上端焊接底座3，拉杆13上端通过底座3分别与第一承重顶板1、第二承重顶板10连接，拉杆13下端分别与脚板14螺纹连接、与承重底板2连接并通过螺帽11固定；脚板14通过地脚锚栓16与承台15固定。

如图2所示，所述第一钢管混凝土节段12、第二钢管混凝土节段9、第三钢管混凝土节段8为圆形钢管或矩形钢管，钢管中心固定PVC管4，PVC管4内安装预应力筋5，钢管内部与PVC管4外部空间内浇筑混凝土，预应力筋5下端通过锚具6锚固在承台15内，预应力筋5分别穿过第一钢管混凝土节段12、第二钢管混凝土节段9、第三钢管混凝土节段8内的PVC管4，预应力筋5上端与墩帽7通过锚具6锚固。

所述第一承重顶板1、脚板14、第二承重顶板10、承重底板2厚度不小于拉杆13最大直径。

所述第一承重顶板1、承重底板2与第一钢管混凝土节段12相互垂直焊接固定，第二承重顶板10与第二钢管混凝土节段9相互垂直焊接固定，焊接方式采用全渗透焊缝连接，以保证能够可靠地传递拉杆13轴力。

所述第一承重顶板1、第二承重顶板10和承重底板2预留拉杆13孔道直径大于拉杆13直径4mm-5mm，拉杆13上端底座3直径大于预留拉杆13孔道直径3cm-4cm。

所述拉杆13为普通钢筋、高强钢筋或者形状记忆合金等材料，在拉杆13外面包裹一层聚四氟乙烯防腐材料或其他摩擦系数小的材料以保证拉杆13受压时通过与第一承重顶板1、第二承重顶板10、承重底板2产生相对滑动而不受压，同时也可保证拉杆13的耐久性。

本发明在工厂根据承台15尺寸制作脚板14，在脚板14中心相应位置处预留拉杆13孔道，孔道应加工成内螺纹状，在脚板14边缘预留地脚锚栓16孔道。根据设计需求选用相应型号高强钢筋或普通钢筋或者形状记忆合金等材料作为拉杆13并加工成螺栓状。第二承重顶板10和承重底板2之间以及第一承重顶板1与脚板14之间留有竖向间距，间距尺寸由拉杆13长度确定。第一承重顶板1中的预留拉杆孔道中心与脚板14中相应的预留拉杆孔道中心在同一竖直线上，第二承重顶板10中的预留拉杆孔道中心与承重底板2中相应的预留拉杆孔道中心在同一竖直线上。承台15在施工时根据实际设计尺寸现场浇筑养护成型。脚板14在工厂制作与承台15顶面相同尺寸和形状，并准确预留拉杆13内螺纹孔道以及地脚锚栓7孔道。

Claims (6)

1.一种提高预制拼装钢管混凝土桥墩抗震性的耗能减震装置，其特征在于：包括第一承重顶板(1)、脚板(14)、第二承重顶板(10)、承重底板(2)和拉杆(13)；第一承重顶板(1)和承重底板(2)与第一钢管混凝土节段(12)相互垂直固定，第二承重顶板(10)与第二钢管混凝土节段(9)相互垂直固定，在第一承重顶板(1)和脚板(14)之间、第二承重顶板(10)与承重底板(2)之间均布拉杆(13)，拉杆(13)上端焊接底座(3)，拉杆(13)上端通过底座(3)分别与第一承重顶板(1)、第二承重顶板(10)连接，拉杆(13)下端分别与脚板(14)螺纹连接、与承重底板(2)连接并通过螺帽(11)固定；脚板(14)通过地脚锚栓(16)与承台(15)固定。

2.如权利要求1所述的一种提高预制拼装钢管混凝土桥墩抗震性的耗能减震装置，其特征在于：第一钢管混凝土节段(12)、第二钢管混凝土节段(9)、第三钢管混凝土节段(8)为圆形钢管或矩形钢管，钢管中心固定PVC管(4)，PVC管(4)内安装预应力筋(5)，钢管内部与PVC管(4)外部空间内浇筑混凝土，预应力筋(5)下端通过锚具(6)锚固在承台(15)内，预应力筋(5)分别穿过第一钢管混凝土节段(12)、第二钢管混凝土节段(9)、第三钢管混凝土节段(8)内的PVC管(4)，预应力筋(5)上端与墩帽(7)通过锚具(6)锚固。

3.如权利要求1所述的一种提高预制拼装钢管混凝土桥墩抗震性的耗能减震装置，其特征在于：所述第一承重顶板(1)、脚板(14)、第二承重顶板(10)、承重底板(2)厚度不小于拉杆(13)最大直径。

4.如权利要求1所述的一种提高预制拼装钢管混凝土桥墩抗震性的耗能减震装置，其特征在于：所述第一承重顶板(1)、承重底板(2)与第一钢管混凝土节段(12)相互垂直焊接固定，第二承重顶板(10)与第二钢管混凝土节段(9)相互垂直焊接固定，焊接方式采用全渗透焊缝连接。

5.如权利要求1所述的一种提高预制拼装钢管混凝土桥墩抗震性的耗能减震装置，其特征在于：所述第一承重顶板(1)、第二承重顶板(10)和承重底板(2)预留拉杆(13)孔道直径大于拉杆(13)直径4mm-5mm，拉杆(13)上端底座(3)直径大于预留拉杆(13)孔道直径3cm-4cm。

6.如权利要求1所述的一种提高预制拼装钢管混凝土桥墩抗震性的耗能减震装置，其特征在于：所述拉杆(13)为普通钢筋、高强钢筋或者形状记忆合金。

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