CN113322797B - 节段拼装摇摆桥墩多重减震体系 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种节段拼装摇摆桥墩多重减震体系，包括上部结构、拉索减震支座、盖梁、节段拼装桥墩、角钢阻尼器、无粘结预应力索、承台和凹槽剪力键；上部结构通过拉索减震支座支承在盖梁上；桥墩节段之间其内部通过凹槽剪力键连接，桥墩节段之间其外部通过连接盖板连接，并用无粘结预应力索将节段拼装桥墩、盖梁和承台连接成整体；桥墩的顶部与盖梁，以及桥墩的底部与承台通过角钢阻尼器连接。本发明将减隔震体系和摇摆体系结合应用于节段拼装桥墩上，提出一种摇摆桥墩多重减震的构造方式，该多重减震体系适用于装配式T梁、小箱梁、整体箱梁等主梁形式，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，并实现自复位的功能。

Description

节段拼装摇摆桥墩多重减震体系

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桥墩的、在地震作用下可以通过拉索减震支座和摇摆桥墩共同提供减震能力的摇摆桥墩多重减震体系。

背景技术

节段拼装桥墩是桥梁快速施工中新的研究热点。现有的节段拼装桥墩，其整体性较差，构件的抗震性能较弱，不能单独应用于中高烈度地区，所以，必须从抗震体系出发提高节段拼装桥墩的抗震能力。

于现有几种桥梁施工体系来说：

a)延性体系基于桥墩屈服形成塑性铰的前提，但节段拼装桥墩的整体性较弱，难以满足延性要求，并且，延性体系存在永久残余变形，不满足震后易修复的理念；

b)减隔震体系能够将损伤集中在减隔震装置上从而实现易修易换，虽对节段拼装桥墩的性能要求减小，但存在大震时屈后刚度不足墩梁位移失控的隐患；

c)又有学者提出，拉索减震支座能够实现支座屈后限位，但在大震下拉索拉紧同样存在桥墩进入塑性的可能；

d)近年来提出的摇摆自复位体系通过桥墩摇摆隔绝地震能量输入，具有残余位移小、自复位性能好等优点，然而，目前提出的摇摆体系都不关注支座，墩梁常常采用剪力键连接或者固接，不适用于装配式小箱梁或T梁的情形。

综上所述，鉴于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，本发明提出一种摇摆桥墩多重减震的新的构造方式。

发明内容

为了解决背景技术中所阐述的节段拼装桥墩抗震能力弱、单一减震体系能力不足的问题，本发明提出一种节段拼装摇摆桥墩多重减震体系，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，并避免墩梁位移过大、墩顶位移过大而造成的梁体碰撞、落梁等问题，同时，加入外置角钢保证正常使用阶段的刚度要求，并在地震作用下耗散能量，进一步减小桥梁动力响应，损伤集中在支座和角钢等装置上，能够在震后快速维修替换，实现抗震韧性。

为实现以上目的，通过以下技术方案实现：

一种节段拼装摇摆桥墩多重减震体系，包括上部结构、拉索减震支座、盖梁、节段拼装桥墩、连接盖板、角钢阻尼器、无粘结预应力索、承台和凹槽剪力键；上部结构通过拉索减震支座支承在盖梁上；节段拼装桥墩之间其内部通过凹槽剪力键连接，其外部通过连接盖板连接，并用无粘结预应力索将节段拼装桥墩、盖梁和承台连接成整体；节段拼装桥墩的顶部与盖梁之间、以及节段拼装桥墩的底部与承台之间均通过角钢阻尼器连接。该体系可以通过拉索减震支座的支座屈服、拉索拉紧和节段拼装桥墩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。

优选地，所述节段拼装桥墩的内部填充混凝土并设有预埋预应力管道，预埋预应力管道供无粘结预应力索穿过；所述节段拼装桥墩的外表面包覆外钢板；所述节段拼装桥墩的墩顶、墩底节段还有预留螺栓孔，用于固定连接盖板。

优选地，所述承台的顶部设有预埋钢板，所述节段拼装桥墩的墩底、墩顶还设置有封板，节段拼装桥墩底部的封板设于预埋钢板上；所述盖梁底部的预埋钢板设于顶部的封板上。

优选地，角钢阻尼器与节段拼装桥墩和盖梁的底部、承台顶部的预埋钢板之间都通过高强螺栓连接，高强螺栓穿设于预留螺栓孔。

优选地，本发明节段拼装摇摆桥墩多重减震体系采用两个及以上横桥向并列放置的节段拼装桥墩。

本发明的有益效果包括：

从设计、施工方面来看，本发明提出的节段拼装摇摆桥墩多重减震体系可以扩大后张预应力连接桥墩的应用范围，而并没有增加额外的设计、施工难度，具有工程可行性，主要体现在以下几点：

1)目前常见的摇摆桥墩体系由于采用墩梁固结或剪力销栓连接，只适用于整体箱梁，而本发明中上部结构采用减隔震支座支承，可以适用于装配式小箱梁、T梁等有多片主梁的形式，扩大了摇摆体系的应用范围；

2)本发明由于采用了柔性支座而不是摇摆体系中常用的固定支座或墩梁固接，温度变形也可以得到释放，不需要额外对主梁、下部结构进行温度验算；

3)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，角钢阻尼器构造也较简单，并不会额外增加施工难度。

从桥梁抗震角度出发，本发明提出的节段拼装摇摆桥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，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，仅需要通过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，桥墩保持弹性；

2)在大震作用下，拉索减震支座达到设计的自由行程，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；

3)拉索拉紧引起下部结构内力增大，桥墩弯矩大于临界弯矩进入摇摆状态，进一步隔绝地震能量的输入，减小墩底和基础的弯矩；

4)角钢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；

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预应力筋和上部结构的自重来提供复位能力，减小残余位移。桥墩墩身基本保持弹性，拉索减震支座复位简单，角钢阻尼器替换也很方便。

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，而且扩大了摇摆桥墩的应用范围，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(a)为本发明节段拼装摇摆桥墩多重减震体系的横桥向立面结构示意图。

图1(b)对应图1的纵桥向立面结构示意图。

图2(a)为本发明节段拼装桥墩的墩顶节段桥墩剖面示意图。

图2(b)为本发明节段拼装桥墩的墩身节段桥墩剖面示意图。

图2(c)为本发明节段拼装桥墩的墩底节段桥墩剖面示意图。

图3(a)为本发明节段拼装摇摆桥墩多重减震体系的横桥向力学行为阶段正常使用状态示意图。

图3(b)对应图3(a)的小震作用(支座屈服)状态示意图。

图3(c)对应图3(a)的中震作用(拉索拉紧)状态示意图。

图3(d)对应图3(a)的大震作用(桥墩摇摆)状态示意图。

图4为本发明节段拼装摇摆桥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-盖梁；

4-节段拼装桥墩；41-外钢板；42-填充混凝土；43-预埋预应力管道；44-预留螺栓孔；

5-连接盖板；6-角钢阻尼器；7-预埋钢板；8-无粘结预应力索；

9-承台；10-高强螺栓；11-封板；12-凹槽剪力键。

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(a)和(b)是节段拼装摇摆桥墩多重减震体系的横桥向和纵桥向布置示意图。该节段拼装摇摆桥墩多重减震体系，包括上部结构1、拉索减震支座2、盖梁3、节段拼装桥墩4、角钢阻尼器6、预埋钢板7、无粘结预应力索8、承台9和高强螺栓10、凹槽剪力键12；上部结构1通过拉索减震支座2支承在盖梁3上；桥墩节段之间通过凹槽剪力键12和连接盖板5连接，并用无粘结预应力索8将节段拼装桥墩4、盖梁3和承台9连接成整体；桥墩4的顶部与盖梁3，以及桥墩4的底部与承台9通过角钢阻尼器6连接。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4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。

图2(a)、(b)和(c)是节段拼装桥墩的桥墩剖面图，节段拼装桥墩4截面包括外钢板41、填充混凝土42和预埋预应力管道43，墩顶、墩底节段的内部截面还有预留螺栓孔44。承台9的顶部设有预埋钢板7，节段拼装桥墩4的墩底、墩顶还分别设置有封板11；上部结构1与盖梁3之间采用拉索减震支座2连接，桥墩节段之间其内部通过凹槽剪力键12连接，桥墩节段之间其外部连接盖板5连接，连接好后令无粘结预应力索8穿过预留预应力管道43以贯穿整个桥墩，并张拉锚固在盖梁3和承台9上。上部结构1通过拉索减震支座2支承在盖梁3上，节段拼装桥墩4与盖梁3、承台9通过预埋钢板7直接接触，并在墩顶节段的横桥向设置角钢阻尼器6与盖梁3连接，在墩底节段的横桥向和纵桥向各设置角钢阻尼器6与承台9连接，连接方式为高强螺栓10连接，在桥墩节段的外钢板41、承台9及盖梁的预留钢板7、角钢阻尼器6上都设置有预留螺栓孔。

所述节段拼装摇摆桥墩多重减震体系，节段拼装桥墩4的底部封板11设于承台9顶部的预埋钢板7上，盖梁底部的预埋钢板7设于节段拼装桥墩4顶部的封板11上，界面除了防腐外不需要进行额外处理。

角钢阻尼器6与节段拼装桥墩4和盖梁3的底部、承台9顶部的预埋钢板7之间都通过高强螺栓10连接，高强螺栓10穿设于节段拼装桥墩4的预留螺栓孔44。

本发明节段拼装摇摆桥墩多重减震体系，在节段拼装混凝土桥墩的基础上，将桥墩与承台、盖梁分别通过角钢阻尼器连接，并在盖梁上设置拉索减震支座，通过支座屈服和桥墩摇摆来达到桥梁结构的多重减震效果。多重减震体系的力学行为阶段(本发明作用机理)，如图3所示：

如图3(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4不摇摆；

如图3(b)所示，当地震强度较小时，角钢阻尼器6保持弹性，节段拼装桥墩4不摇摆，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1传下来的水平惯性力；

如图3(c)所示，随着地震动强度的增大，拉索减震支座2的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3(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4的水平力加大至角钢阻尼器6屈服，桥墩墩底和墩顶的封板11和预埋钢板7之间发生提离，即节段拼装桥墩4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。

震后通过无粘结预应力索8和上部结构1自重提供自恢复力。

在整个地震作用过程中，节段拼装桥墩4都保持在弹性状态，不需要震后修复，破坏集中在拉索减震支座2和角钢阻尼器6，易修易换，因此实现了震后快速修复。

图4是节段拼装摇摆桥墩多重减震体系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桥墩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失稳或者强度破坏时的上部结构位移，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。

角钢阻尼器6通过高强螺栓10将节段拼装桥墩4的外钢板41和盖梁3、承台9的预埋钢板7连接起来，角钢阻尼器6的截面和尺寸根据桥墩需要的设计强度确定。

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。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。

节段拼装桥墩4与盖梁3、承台9的接触面为封板11和预埋钢板7接触，接触面可以不做额外处理，也可以根据施工要求磨砂处理。

将减隔震体系和摇摆体系结合应用于节段拼装桥墩上，该多重减震体系适用于装配式T梁、小箱梁、整体箱梁等主梁形式，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，并实现自复位的功能。该节段拼装摇摆桥墩多重减震体系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，桥墩基本保持弹性，残余位移小，震后的维修更换也很方便。

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 (4)

1.一种节段拼装摇摆桥墩多重减震体系，其特征在于，包括上部结构（1）、拉索减震支座（2）、盖梁（3）、节段拼装桥墩（4）、连接盖板（5）、角钢阻尼器（6）、无粘结预应力索（8）、承台（9）和凹槽剪力键（12）；

所述上部结构（1）通过所述拉索减震支座（2）支承在所述盖梁（3）上；所述节段拼装桥墩（4）之间其内部通过所述凹槽剪力键（12）连接，其外部通过连接盖板（5）连接，并用所述无粘结预应力索（8）将所述节段拼装桥墩（4）、所述盖梁（3）和所述承台（9）连接成整体；

节段拼装桥墩（4）的顶部与所述盖梁（3）之间、以及所述节段拼装桥墩（4）的底部与所述承台（9）之间均通过所述角钢阻尼器（6）连接；

所述承台（9）的顶部设有预埋钢板（7），所述节段拼装桥墩（4）的墩底、墩顶还设置有封板（11），节段拼装桥墩（4）底部的封板（11）设于预埋钢板（7）上；

所述盖梁（3）底部的预埋钢板（7）设于顶部的封板（11）上；

在正常使用状态时拉索减震支座（2）不屈服、节段拼装桥墩（4）不摇摆；

当地震强度较小时，角钢阻尼器（6）保持弹性，节段拼装桥墩（4）不摇摆，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（1）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）传至节段拼装桥墩（4）的水平力加大至角钢阻尼器（6）屈服，桥墩墩底和墩顶的封板（11）和预埋钢板（7）之间发生提离，即节段拼装桥墩（4）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。

2.根据权利要求1所述的节段拼装摇摆桥墩多重减震体系，其特征在于，所述节段拼装桥墩（4）的内部填充混凝土（42）并设有预埋预应力管道（43），预埋预应力管道（43）供无粘结预应力索（8）穿过；

所述节段拼装桥墩（4）的外表面包覆外钢板（41）；所述节段拼装桥墩（4）的墩顶、墩底节段还有预留螺栓孔（44），用于固定连接盖板（5）。

3.根据权利要求2所述的节段拼装摇摆桥墩多重减震体系，其特征在于，所述角钢阻尼器（6）与所述节段拼装桥墩（4）和所述盖梁（3）的底部、所述承台（9）顶部的所述预埋钢板（7）之间都通过高强螺栓（10）连接，所述高强螺栓（10）穿设于所述预留螺栓孔（44）。

4.根据权利要求3所述的节段拼装摇摆桥墩多重减震体系，其特征在于，采用两个及以上横桥向并列放置的所述节段拼装桥墩（4）。

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