CN113322794B - 防侧倾节段拼装摇摆单柱墩多重减震体系 - Google Patents

Abstract

一种防侧倾的节段拼装摇摆单柱墩多重减震体系，具体包括上部结构、拉索减震支座、节段拼装单柱墩、承台、角钢弹簧阻尼器、无粘结预应力筋。上部结构与节段拼装单柱墩之间采用拉索减震支座连接，桥墩墩底的封板直接放置在承台的预埋钢板上，通过无粘结预应力连接形成整体，并安装角钢弹簧阻尼器。本发明能满足正常使用阶段功能，没有额外增大设计、施工的难度，在地震强度较弱时仅由支座进入非线性实现减震效果，在大震作用下拉索拉紧限制墩梁位移，角钢弹簧阻尼器屈服、桥墩摇摆，从而避免了墩梁位移过大并减小桥墩内力增大，实现了多重减震的功能，弹簧提供刚度也避免了桥墩侧倾风险，桥墩基本保持弹性，残余位移小，震后的维修更换也很方便。

Description

防侧倾节段拼装摇摆单柱墩多重减震体系

技术领域

本发明属于桥梁工程抗震领域，具体涉及到一种节段拼装单柱桥墩、以及在地震作用下可以通过拉索减震支座和分离承台之间摇摆共同提供减震能力且能够防止桥墩侧倾的摇摆桥墩多重减震体系。

背景技术

目前，现有的节段拼装桥墩具有整体性差、抗震性能较弱的缺陷，此外，常见的横向仅布置单个桥墩时还存在横向稳定性不足的隐患。该缺陷和隐患是进一步推广桥梁快速施工的过程中必须攻克的难题，有专家提出必须从抗震体系出发提高节段拼装桥墩的抗震能力。

于现有的以下几种桥梁施工体系来说：

1)延性体系基于桥墩屈服形成塑性铰的前提，但节段拼装的桥墩难以满足延性要求，并且，塑性铰区损伤严重，震后不容易修复；

2)减隔震体系易修易换，虽能够减小对桥墩的性能要求，但存在大震时屈后刚度不足、墩梁位移失控等隐患；

3)又有学者提出，拉索减震支座虽然能够通过拉索限位，但拉索拉紧同样存在桥墩进入塑性的可能；

4)近年来提出，摇摆自复位体系通过桥墩摇摆隔绝地震能量输入，会具有残余位移小、自复位性能好等优点，然而，墩顶位移过大时存在桥墩侧倾的风险，尤其是对于单柱墩，为了避免上部结构重心超过摇摆轴而引起桥墩侧倾，往往只能采取较小的摇摆角，不能充分发挥摇摆体系的作用。

综上所述，随着抗震设防水平不断提高，单一减震体系已不能够满足当下韧性抗震的要求。因此，需提出一种新的防侧倾摇摆承台多重减震体系。

发明内容

为了解决背景技术中所阐述的节段拼装单柱墩所存在的抗震能力弱、抗侧倾问题突出、单一减震体系能力不足等问题，本发明提出一种防侧倾节段拼装摇摆单柱墩多重减震体系，可以逐步减小桥梁在地震下的水平刚度，延长结构周期隔绝地震能量，并克服墩梁位移过大、墩顶位移过大而造成的梁体碰撞、落梁等问题；同时，本发明将摇摆界面设置在承台，减小桥梁动力响应，增大了抗倾覆力臂防止桥墩侧倾，并将预应力筋设置在承台上提供自恢复力，避免将预应力设置在桥墩时桥墩需要额外配筋从而增加造价，使得震后体系能够自复位，实现快速维修替换，实现抗震韧性。

为实现以上目的，通过以下技术方案实现：

一种防侧倾节段拼装摇摆单柱墩多重减震体系，包括上部结构、拉索减震支座、节段拼装单柱墩、连接盖板、凹槽剪力键、无粘结预应力索、角钢弹簧阻尼器、封板、预埋钢板、承台；所述上部结构通过所述拉索减震支座支承在所述节段拼装单柱墩上，所述节段拼装单柱墩的桥墩节段之间其外部通过所述连接盖板链接，其内部通过所述凹槽剪力键连接，并通过所述无粘结预应力索贯穿整个桥墩，所述无粘结预应力索张拉锚固于所述节段拼装单柱墩的墩顶和所述承台之间以使得所述节段拼装单柱墩和所述承台连接成整体；所述节段拼装单柱墩的桥墩底部通过所述角钢弹簧阻尼器与所述承台连接。

优选地，所述节段拼装单柱墩的截面包括外钢板、填充混凝土、预埋预应力管道，所述节段拼装单柱墩的墩底设有预留螺栓孔以及封板；所述节段拼装单柱墩与所述承台之间设置所述封板和所述预埋钢板接触；所述角钢弹簧阻尼器与所述节段拼装单柱墩之间通过高强螺栓连接，所述角钢弹簧阻尼器与和所述承台顶部的所述预埋钢板通过高强螺栓连接，高强螺栓穿过所述预留螺栓孔以及角钢预留螺栓孔；所述无粘结预应力索通过所述预埋预应力管道贯穿整个桥墩。

优选地，所述角钢弹簧阻尼器包括角钢、角钢耳板、弹簧插板、弹簧和销栓，其中：所述角钢呈90度的钝U形，所述角钢的两边设有角钢预埋螺栓孔，所述角钢的弯折外壁通过所述角钢预埋螺栓孔和所述预埋钢板分别安装于承台和桥墩上；所述弹簧的两端分别固设有所述弹簧插板；所述角钢耳板固设于所述角钢的内壁面上，所述弹簧插板和所述角钢耳板之间具有间隙，所述弹簧两端的所述弹簧插板与所述角钢耳板通过所述销栓连接，进而所述弹簧插板能够围绕所述销栓自由旋转。

本发明的有益效果包括：

从设计、施工方面来看，本发明提出的防侧倾的节段拼装摇摆单柱墩多重减震体系采用的柔性支座可以释放温度变形，不需要额外验算温度内力，桥墩节段采用的外钢板、凹槽剪力键等方面的技术较为成熟，角钢弹簧阻尼器构造也较简单，因此没有增加额外的设计、施工难度，具有工程可行性；

从桥梁抗震角度出发，本发明提出的防侧倾节段拼装摇摆单柱墩多重减震体系可以有效减小地震作用下下部结构的内力响应，防止桥墩侧倾，在震后容易维修更换，有良好的抗震韧性，主要体现在以下几点：

1、在小震、中震作用下，拉索减震支座进入屈服提供减震能力，减小传至下部结构的水平惯性力；在大震作用下，拉索拉紧限制墩梁位移进一步发展，避免墩梁位移过大引起的梁体碰撞、伸缩缝损坏甚至落梁破坏等问题；

2、拉索拉紧引起下部结构内力增大，桥墩传至承台处的弯矩大于临界弯矩，上承台进入摇摆状态，进一步隔绝地震能量的输入，减小墩底和基础的弯矩；

3、角钢弹簧阻尼器能够在屈服前提高桥墩刚度和强度，满足正常使用状态的刚度要求，在桥墩进入摇摆后屈服耗散地震能量，进一步减小桥墩的内力和位移响应；

4、角钢弹簧阻尼器中的弹簧能够在角钢屈服后继续提供刚度和恢复力，避免当上部结构的重心超过摇摆轴时，上部结构重力从抗侧倾力矩转变为侧倾力矩而导致的桥墩侧倾，增大了允许使用的摇摆角范围；

5、摇摆发生在节段的封板和预埋钢板之间，桥墩节段的外钢板和封板可以约束混凝土，因此提高了摇摆界面的混凝土的抗压强度和变形能力，避免了摇摆界面的提前破坏；节段之间连接盖板可以避免非摇摆界面的节段接缝张开；

6、地震作用后可以通过无粘结预应力筋、上部结构的自重和弹簧来提供复位能力，减小残余位移。桥墩墩身基本保持弹性，拉索橡胶支座的复位简单，角钢弹簧阻尼器替换方便。

综上所述，本发明在现有的节段拼装桥墩的基础上进行了改动，但并没有增加较多的设计和施工难度，而且扩大了摇摆单柱墩允许发生的摇摆角范围，减小了预应力带来的桥墩配筋需求，提高了桥梁的抗震性能而且震后易修复，确保交通生命线不中断，减少维修成本，具有良好的社会经济效益，值得推广使用。

附图说明

图1为本发明防侧倾节段拼装摇摆单柱墩多重减震体系的立面结构示意图。

图2(a)为对应图1中A-A处(节段拼装桥墩的墩身节段处)的剖面结构图。

图2(b)为对应图1中B-B处(节段拼装桥墩的墩身节段处)的剖面结构图。

图3(a)为本发明防侧倾节段拼装摇摆单柱墩多重减震体系中角钢弹簧阻尼器的整体立面结构示意图。

图3(b)为本发明防侧倾节段拼装摇摆单柱墩多重减震体系中角钢弹簧阻尼器中弹簧的结构示意图。

图3(c)为本发明防侧倾节段拼装摇摆单柱墩多重减震体系中角钢弹簧阻尼器中角钢的结构示意图。

图3(d)为本发明防侧倾节段拼装摇摆单柱墩多重减震体系中角钢弹簧阻尼器中弹簧插板与角钢耳板连接处的放大示意图。

图4(a)为对应图1其力学行为阶段中正常使用的状态示意图。

图4(b)为对应图1其力学行为阶段在小震作用下支座屈服的状态示意图。

图4(c)为对应图1其力学行为阶段在中震作用下拉索拉紧的状态示意图。

图4(d)为对应图1其力学行为阶段在大震作用下桥墩摇摆的状态示意图。

图5为防侧倾节段拼装摇摆单柱墩多重减震体系的力与位移关系示意图。

标记说明：

1-上部结构；2-拉索减震支座；

3-节段拼装桥墩；31-外钢板；32-填充混凝土；33-预埋预应力管道；34-预留螺栓孔；

4-连接盖板；5-凹槽剪力键；6-无粘结预应力索；

7-角钢弹簧阻尼器；71-角钢；72-角钢预留螺栓孔；73-角钢耳板；74-弹簧插板；75-弹簧；76-销栓；

8-封板；9-预埋钢板；10-承台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述：

图1为防侧倾节段拼装摇摆单柱墩多重减震体系的立面结构示意图。该防侧倾节段拼装摇摆单柱墩多重减震体系包括上部结构1、拉索减震支座2、节段拼装单柱墩3、连接盖板4、凹槽剪力键5、无粘结预应力索6、角钢弹簧阻尼器7、封板8、预埋钢板9以及承台10。所述上部结构(1)通过所述拉索减震支座(2)支承在所述节段拼装单柱墩(3)上，所述节段拼装单柱墩(3)的桥墩节段之间其外部通过所述连接盖板(4)链接，其内部通过所述凹槽剪力键(5)连接，并通过所述无粘结预应力索(6)贯穿整个桥墩，所述无粘结预应力索(6)张拉锚固于所述节段拼装单柱墩(3)的墩顶和所述承台(10)之间以使得所述节段拼装单柱墩(3)和所述承台(9)连接成整体；所述节段拼装单柱墩(3)的桥墩底部通过所述角钢弹簧阻尼器7与所述承台(10)连接。

如图1所示，上部结构1通过拉索减震支座2支承在节段拼装单柱墩3上，节段拼装单柱墩3的桥墩节段之间其外部通过连接盖板4连接，其内部通过凹槽剪力键5连接；通过无粘结预应力索6通过预埋预应力管道33贯穿整个桥墩，该无粘结预应力索6张拉锚固于节段拼装单柱墩3的墩顶和承台10之间以使得节段拼装单柱墩3和承台9连接成整体；节段拼装单柱墩3的桥墩底部通过角钢弹簧阻尼器7与承台10连接。图2为对应图1中A-A处(节段拼装桥墩的墩身节段处)的剖面结构图，节段拼装桥墩3的墩身节段处截面包括外钢板31、填充混凝土32和预埋预应力管道33，墩底节段的截面还有预留螺栓孔34。

图3(a)至图3(d)是角钢弹簧阻尼器7的各个构件结构示意图，包括角钢71、角钢耳板73、弹簧插板74、弹簧75和销栓76，其中：角钢71呈90度的钝U形，两边通过角钢预埋螺栓孔72和预埋钢板6分别安装于承台7和桥墩3上；弹簧75和弹簧插板74固结；弹簧插板74和角钢耳板73之间应当留有足够的间隙，弹簧插板74与角钢耳板73通过销栓76连接；使得弹簧插板74能够围绕销栓76发生自由旋转，保证弹簧75仅受轴向力。角钢71和弹簧75分开制造。角钢71和弹簧75的尺寸、材料等参数根据实际要求确定。

角钢弹簧阻尼器应用于防侧倾的减震体系中，该新型装置同时具有增大耗能能力和提供自复位能力的特点，能够避免桥墩侧倾失效，而且易检易修易换，满足震后快速恢复的要求。

角钢弹簧阻尼器7的材料性能要求为：角钢71的钢材应有明显的屈服点，保证屈服力明确，能够较好地区分摇摆前后阶段，受力明确，并且还应具有较好的塑性变形能力，提供充分的耗能能力，避免在摇摆过程中的提前脆性断裂，保证摇摆角的充分发展，因此推荐采用软钢；角钢耳板73、弹簧插板74、弹簧75和销栓76都应当使用高强度钢材，避免进入屈服。

通过角钢弹簧阻尼器7避免单柱墩的侧倾失效。破坏集中在角钢弹簧阻尼器7，易修易换，因此实现了震后快速修复。

本发明是一种防侧倾节段拼装摇摆单柱墩多重减震体系，在节段拼装混凝土单柱墩的基础上，将承台分为上、下两部分，在其中设置缓冲垫层作为摇摆界面，并在墩顶设置拉索减震支座，通过支座屈服和分离式承台摇摆来达到桥梁结构的多重减震效果。该体系主要用于抗震性能要求较高的节段拼装施工的桥梁工程上。图4(a)至图4(d)是防侧倾节段拼装摇摆单柱墩多重减震体系的各个状态力学行为阶段(本发明作用机理)。

如图4(a)所示，在正常使用状态时拉索减震支座2不屈服、节段拼装桥墩3不摇摆；如图4(b)所示，当地震强度较小时，角钢弹簧阻尼器7保持弹性，节段拼装桥墩3不进入摇摆，只有拉索减震支座2进入屈服阶段，桥梁结构周期延长从而减小上部结构传下来的水平惯性力；如图4(c)所示，随着地震动强度的增大，拉索减震支座2的支座位移增大直至设计的拉索自由行程，拉索拉紧限制墩梁相对位移的进一步增大，避免梁体碰撞、落梁等破坏；如图4(d)所示，由于拉索减震支座2的拉索拉紧、刚度增大，上部结构1传至节段拼装桥墩3的水平力加大至角钢弹簧阻尼器7屈服，桥墩墩底和墩顶的封板8和预埋钢板9之间发生提离，即节段拼装桥墩3进入摇摆，进一步延长桥梁结构周期，减小地震内力输入，从而实现了多重减震功能。角钢弹簧阻尼器7中的弹簧75保持弹性，持续提供刚度和强度，避免了随着摇摆角增大，上部结构1的重力由于重心超过摇摆轴而引起的桥墩侧倾问题。

在正常使用阶段，角钢71保持弹性，防止桥墩进入摇摆阶段；在地震作用时，墩底弯矩和水平力增大，角钢71屈服，墩底摇摆。弹簧75的受力与两侧角钢耳板73的相对位移相关，角钢71处于弹性阶段时，变形较小，弹簧75基本不受力；当角钢进入塑性阶段后丧失刚度，此时两侧角钢耳板73的相对位移增大，而且该相对位移与墩底的摇摆角相关，弹簧75进入受力阶段提供弹性支承，避免墩底摇摆角过大，主梁重心超过摇摆轴引发的桥墩侧倾失效。震后通过无粘结预应力6、角钢弹簧阻尼器7中的弹簧75和上部结构1的自重提供自恢复力。破坏集中在拉索减震支座2和角钢弹簧阻尼器7，易修易换，因此，实现了震后快速修复。

图5是防侧倾节段拼装摇摆单柱墩多重减震体系的力与位移关系的示意图。与常规的节段拼装桥墩形成的单一摇摆体系相比，本发明的力与位移关系呈多段线性，具有多重减震性能，能够同时通过支座变形和分离式承台摇摆来满足主梁的位移需求，避免将构件的能力发挥到极限而破坏，大幅度延长了桥墩达到极限摇摆状态如桥墩侧倾失稳或者强度破坏时的上部结构位移和水平力，因此能够适应更高强度的地震。

在正常使用状态时，桥墩的强度和刚度都能够得到保证，设计可以参照节段拼装钢管混凝土桥墩设计，施工方法也可以参照，因此没有增加设计和施工的难度。本发明在正常使用阶段和地震作用下均有良好的工作性能，值得在实际工程中推广使用。

本发明体系主要用于抗震性能要求较高的节段拼装施工的桥梁工程上。

实际工程应用中：

上部结构1不仅可以是小箱梁，也可以是T梁、整体箱梁等形式，节段拼装桥墩4不仅可以是双柱墩，也可以是多柱墩等布置，桥墩也可以根据设计要求采用圆形、矩形等形状，根据实际情况变化，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。

采用的拉索减震支座2的拉索自由行程可以根据允许的墩梁位移得到，减震支座芯体可以采用铅芯支座、摩擦摆支座、组合橡胶支座等，根据实际工程确定。本发明中的拉索减震支座2为本领域熟知的产品，通常包括内部的减震支座主体和外部的拉索。拉索减震支座2是在一般的减隔震支座的基础上，加入贯穿支座顶、底板的拉索形成；其拉索具有一定的自由行程即松弛量，在支座变形较小(顶底板的相对位移较小)时，拉索不起作用，只由减隔震支座主体进行减隔震，等到支座变形较大时，拉索拉紧，限制支座位移进一步增大。

本发明具有以下技术优势：

本发明将减隔震体系和摇摆体系结合应用于节段拼装单柱墩上，提出一种摇摆桥墩多重减震体系，能够保证正常使用状态的工作性能，有效减小桥墩的地震内力响应，防止桥墩位移过大时的侧倾问题，并实现自复位抗侧倾的功能。该体系可以通过拉索减震支座2的支座屈服、拉索拉紧和节段拼装桥墩3的桥墩摇摆来增强位移能力，适应不同地震强度的上部结构1的位移需求，实现多重减震效果，并通过角钢弹簧阻尼器7避免单柱墩的侧倾失效。

本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以想到的其他实质上等同的替代，均在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种防侧倾节段拼装摇摆单柱墩多重减震体系，其特征在于，包括上部结构（1）、拉索减震支座（2）、节段拼装单柱墩（3）、连接盖板（4）、凹槽剪力键（5）、无粘结预应力索（6）、角钢弹簧阻尼器（7）、封板（8）、预埋钢板（9）、承台（10）；

所述上部结构（1）通过所述拉索减震支座（2）支承在所述节段拼装单柱墩（3）上，所述节段拼装单柱墩（3）的桥墩节段之间其外部通过所述连接盖板（4）连接，其内部通过所述凹槽剪力键（5）连接，并通过所述无粘结预应力索（6）贯穿整个桥墩，所述无粘结预应力索（6）张拉锚固于所述节段拼装单柱墩（3）的墩顶和所述承台（10）之间以使得所述节段拼装单柱墩（3）和所述承台（10）连接成整体；

所述节段拼装单柱墩（3）的桥墩底部通过所述角钢弹簧阻尼器（7）与所述承台（10）连接；

所述节段拼装单柱墩（3）的截面包括外钢板（31）、填充混凝土（32）、预埋预应力管道（33），所述节段拼装单柱墩（3）的墩底设有预留螺栓孔（34）以及封板（8）；所述节段拼装单柱墩（3）与所述承台（10）之间设置所述封板（8）和所述预埋钢板（9）接触；所述角钢弹簧阻尼器（7）与所述节段拼装单柱墩（3）之间通过高强螺栓连接，所述角钢弹簧阻尼器（7）与和所述承台（10）顶部的所述预埋钢板（9）通过高强螺栓连接，高强螺栓穿过所述预留螺栓孔（34）以及角钢预留螺栓孔（72）；所述无粘结预应力索（6）通过所述预埋预应力管道（33）贯穿整个桥墩；

所述角钢弹簧阻尼器（7）包括角钢（71）、角钢耳板（73）、弹簧插板（74）、弹簧（75）和销栓（76），其中：所述角钢（71）呈 90 度的钝 U 形，所述角钢（71）的两边设有角钢预留 螺栓孔（72），所述角钢（71）的弯折外壁通过所述角钢预留 螺栓孔（72）和所述预埋钢板（9）分别安装于承台（10）和节段拼装单柱 墩（3）上；所述弹簧（75）的两端分别固设有所述弹簧插板（74）；所述角钢耳板（73）固设于所述角钢（71）的内壁面上，所述弹簧插板（74）和所述角钢耳板（73）之间具有间隙，所述弹簧（75）两端的所述弹簧插板（74）与所述角钢耳板（73）通过所述销栓（76）连接，进而所述弹簧插板（74）能够围绕所述销栓（76）自由旋转,在角钢的两边 均设置角钢耳板（73）；

在正常使用状态时拉索减震支座（2）不屈服、节段拼装单柱墩（3）不摇摆；当地震强度较小时，角钢弹簧阻尼器（7）保持弹性，节段拼装单柱墩（3）不进入摇摆，只有拉索减震支座（2）进入屈服阶段，桥梁结构周期延长从而减小上部结构传下来的水平惯性力；随着地震动强度的增大，拉索减震支座（2）的支座位移增大直至设计的拉索自由行程，拉索拉紧限制墩梁相对位移的进一步增大，避免梁体碰撞、落梁破坏；由于拉索减震支座（2）的拉索拉紧、刚度增大，上部结构（1）传至节段拼装单柱墩（3）的水平力加大至角钢弹簧阻尼器（7）屈服，桥墩墩底封板（8）和预埋钢板（9）之间发生提离，即节段拼装单柱墩（3）进入摇摆，进一步延长桥梁结构周期，减小地震内力输入，从而实现了多重减震功能；

在正常使用阶段，角钢（71）保持弹性，防止桥墩进入摇摆阶段；在地震作用时，墩底弯矩和水平力增大，角钢（71）屈服，墩底摇摆；弹簧（75）的受力与两侧角钢耳板（73）的相对位移相关，角钢（71）处于弹性阶段时，变形较小，弹簧（75）基本不受力；当角钢进入塑性阶段后丧失刚度，此时两侧角钢耳板（73）的相对位移增大，而且该相对位移与墩底的摇摆角相关，弹簧（75）进入受力阶段提供弹性支承，避免墩底摇摆角过大，主梁重心超过摇摆轴引发的桥墩侧倾失效；震后通过无粘结预应力索（6）、角钢弹簧阻尼器（7）中的弹簧（75）和上部结构（1）的自重提供自恢复力。

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