CN113322809A - 适用于强震区的双工作状态易恢复型悬索桥中央扣 - Google Patents

Abstract

一种适用于强震区的双工作状态易恢复型悬索桥中央扣，中央扣的标准杆件由两个插入式钢管和通过具有特定缺陷设置的限位销钉固定而成，其中，限位销钉通过螺纹段与外层插入式钢管固定，并通过圆杆段插入内层插入式钢管的圆通孔中形成固定约束。标准杆件端部通过铰与索夹和主梁相连，构成稳定的桁架式中央扣结构。中央扣在正常运营状态下，限位销钉“锁定”标准杆件两个插入式钢管和，提供结构所需的纵向约束刚度。本发明通过具有特定缺陷设置的限位销钉和内置式带有预设松弛量的钢丝绳的约束，提供了中央扣杆件两种不同的工作状态，分别可以满足大跨度悬索桥在正常运营状态下和强震发生状态下对中央扣的不同需求。

Description

适用于强震区的双工作状态易恢复型悬索桥中央扣

技术领域

本发明属于桥梁工程技术领域，涉及一种在大跨度悬索桥上存在两种工作状态以应对强地震的中央扣结构。

背景技术

近年来，我国基础设施建设的重点逐渐向西部地区转移，并随着桥梁建设技术的发展，在西部地区建立跨越山川河流的悬索桥已经成为一种普遍的选择方案。其中，大跨度悬索桥属于重大桥梁工程，对其抗震性能有着较高的要求。针对西部地区尤其是西南地区，由于其位于板块交界处，地震频发且活动断层密布，场地条件十分复杂，因此，对悬索桥的抗震性能提出了新的要求。

由于悬索桥结构跨越能力大，且主缆与主梁仅通过竖向吊索相连，会使得其在纵向上缺乏足够的约束，往往会不满足纵向上抗风和正常运营状态下的刚度要求。为解决这个问题，并同时避免跨中短吊索在纵向风荷载作用下出现较大的层向弯折，一般会通过在跨中位置设置斜吊索的方式以提高纵向上的约束刚度，所用的这种斜吊索即称作中央扣。根据实际设计经验，通过设置中央扣的方式可以有效的提高悬索桥的纵向刚度，满足悬索桥在正常运营状态下的刚度需求。但是，在纵向地震作用下，中央扣及其局部区域会受到(或形成)较大的纵向刚度，这个缺陷已成为抗震设计上的一个薄弱环节，给抗震设计带来诸多困难。

因此，如何同时满足悬索桥中央扣在正常运营状态下的刚度需求以及在强震发生时的抗震需求，将变成悬索桥中央扣设计上有待解决的重要问题。

目前，已有三种中央扣已经投入到正式的悬索桥建设过程中：

a)较早的刚性中央扣，多为型钢框架结构，可以提供纵向上的大刚度需求，但是，其完全无法满足抗震性能要求；

b)柔性中央扣构造采用钢丝绳替代型钢构件，该种中央扣适当的降低了其所能提供的纵向刚度以满足地震下的抗震需求，并在非强震区下已经有所使用。但是，在强震作用下，钢丝绳的变形能力并不能满足悬索桥的抗震需求。

近年来，防屈曲约束支撑的中央扣结构形式，因其良好的变形能力和耗能能力，已经逐渐的应用在高烈度区悬索桥的实桥工程中。但是，由于我国西部地区位于活动断层密布的高烈度地震区域，在近场地震动下地震动效应往往要高出远场地震动2-3倍。在如此复杂的场地条件下，防屈曲约束支撑型中央扣很难适应于各种不同场地下的抗震需求。因此，需要一种可以适用于强震区各种复杂场地条件下新的中央扣结构形式。

发明内容

针对上述技术问题，本申请提出可以同时满足正常运营和强震作用的双工作状态易恢复型中央扣。中央扣在保持“锁定”状态时，可为正常运营状态下的桥梁提供所必需的纵向约束刚度；当强震发生时，中央扣进入“自由”状态，释放纵向约束刚度，以满足强震下结构自由变形需要；在震后，仅需通过简单的修复重新恢复中央扣的“锁定”状态，以满足震后正常运营需要。以此，为强震区大跨度悬索桥的抗震设计提供简洁、高效、经济、可靠的解决方案。

为实现以上目的，通过以下技术方案实现：

一种适用于强震区的双工作状态易恢复型悬索桥中央扣，包括中央扣的标准杆件，所述标准杆件包括外层插入式钢管和内层插入式钢管，所述外层插入式钢管与所述内层插入式钢管通过具有缺陷部分限位销钉固定而成，其中，所述限位销钉通过螺纹段与外层插入式钢管固定，并通过圆杆段插设紧固于内层插入式钢管；标准杆件的端部通过铰件与索夹和主梁相连以构成桁架式中央扣结构；当所述中央扣在正常状态下，限位销钉锁定于标准杆件的所述外层插入式钢管和所述内层插入式钢管；当强震发生时，所述限位销钉在缺陷部分发生剪断，外层插入式钢管和内层插入式钢管可以自由伸缩变形，所述中央扣进入自由工作状态；在所述自由工作状态下，所述外层插入式钢管沿所述内层插入式钢管上的滑动辅助凸导向滑动并由钢丝绳限位约束所述外层插入式钢管。

较佳地，所述外层插入式钢管以及所述内层插入式钢管上布有同轴圆孔，所述外层插入式钢管的管壁所设的圆孔为螺栓孔以供螺栓紧固；所述内层插入式钢管的管壁所设圆孔为光滑圆通孔并通过插入所述限位销钉的圆杆段紧固；所述限位销钉的缺陷部分设置在圆杆段和螺纹段之间。

较佳地，所述中央扣可以采用任意多组的所述标准杆件组成桁架结构。

较佳地，所述标准杆件可以采用插入式钢管，或采用插入式多边形或开口槽型杆件。

较佳地，所述中央扣可以采用牺牲型限位销钉，或采用金属制牺牲限位机构。

较佳地，所述中央扣可以采用内置的钢丝绳形成二级限位机构，或采用拉索或限位挡块形成二级限位机构。

较佳地，所述中央扣可以设置在主缆的中央，或沿主缆长度方向设置。

较佳地，所述限位销钉设有导向锥头以供所述外层插入式钢管与所述内层插入式钢管重复定位。

本发明双工作状态易恢复型中央扣的技术有益效果包括：

1)针对大跨度悬索桥在正常运营和强震作用下对中央扣的不同性能期望，提出双工作状态易恢复型中央扣，可显著提升结构的抗震能力，尤其适用于高烈度、近断层等极端条件；

2)双工作状态易恢复型中央扣可显著降低大桥结构的地震内力响应，避免结构因抗震需要而增加过大的抗力，经济性显著，同时可以通过调整牺牲型限位销钉数量和大小提供不同的刚度和强度需求，设计参数选取灵活；

3)双工作状态易恢复型中央扣在“自由”状态下，采用特殊连接构造设计，可实现震后结构功能快速恢复“锁定”状态，满足震后正常运营需要。

附图说明

图1为本发明双工作状态易恢复型中央扣的整体安装与连接结构示意图。

图2为本发明双工作状态易恢复型中央扣中标准杆件的构造示意图。

图3为对应图2中外层插入式钢管与内层插入式钢管其横断面的结构示意图。

图4为对应图3中A区域的放大结构示意图。

图中标号：

1--双工作状态易恢复型中央扣标准杆件；2--索夹；3--主缆；4--主梁杆件；5-外层插入式钢管；6-内层插入式钢管；7-限位销钉；8--铰件；9--钢丝绳；10--滑动辅助凸；11---导向锥头；12--圆杆段；13--缺陷部分；14--螺纹段。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述：

如图1所示，双工作状态易恢复型中央扣1通过钢管梁端的圆铰件8与索夹2和主梁4形成面内稳定的桁架机制，从而提供对主梁的纵向约束刚度。

具体地，中央扣的标准杆件1由两个插入式钢管5和6通过具有特定缺陷设置的限位销钉7固定而成，其中，限位销钉通过螺纹段14与外层插入式钢管5固定，并通过圆杆段12插入内层插入式钢管6的圆通孔中形成固定约束。标准杆件端部通过铰件8与索夹2和主梁4相连，构成稳定的桁架式中央扣结构。中央扣在正常运营状态下，限位销钉7“锁定”标准杆件两个插入式钢管5和6，提供结构所需的纵向约束刚度。

当强震发生时，限位销钉7在缺陷部分13发生剪断，两段插入式钢管5和6可以自由伸缩变形，释放中央扣的纵向约束刚度，此时中央扣进入“自由”工作状态。在“自由”工作状态下，外层插入式钢管5沿固定在内层插入式钢管6上的滑动辅助凸10导向滑动并由内置带有预定松弛量的钢丝绳9提供限位约束，防止两段插入式钢管5和6拉脱。当进入震后恢复阶段，更换新的具有特定缺陷设置的限位销钉7即可重新恢复中央扣的“锁定”工作状态，满足震后结构正常运营需要，其中，限位销钉7的导向锥头11将辅助内外层插入式钢管5/6的重新快速定位。

如图2所示，双工作状态易恢复型中央扣通过位于插入式钢管重叠区域的限位销钉来提供正常运营状态下的约束刚度和约束强度需要，在地震条件下则通过限位销钉的剪断来释放纵向约束，满足地震下的变形需要。

如图3所示，外层钢管5与内层钢管6上布有同轴圆孔，外层管壁为螺栓孔，提供螺栓的旋入固定；内层管壁为光滑圆通孔，通过插入限位销钉的圆杆段进行约束固定。限位销钉的缺陷部分13设置在圆杆段12和螺纹段14之间，在强震作用下发生剪断，释放内外插入式钢管5/6约束。

作为本发明实施例的一种变换，双工作状态易恢复型中央扣可以采用任意多组标准杆件组成桁架结构。

作为本发明实施例的一种变换，双工作状态易恢复型中央扣标准杆件可以采用插入式钢管，也可以采用插入式多边形或开口槽型杆件。

作为本发明实施例的一种变换，双工作状态易恢复型中央扣可以采用牺牲型限位销钉，也可以采用其他金属制牺牲限位措施。

作为本发明实施例的一种变换，双工作状态易恢复型中央扣可以采用内置钢丝绳9作为二级限位保护，也可以采用拉索或限位挡块等其他限位措施。

作为本发明实施例的一种变换，双工作状态易恢复型中央扣在悬索桥中的位置可以设置在主缆中央，也可以设置在沿主缆长度方向的其他位置。

本发明提供一种适用于强震区的大跨度悬索桥中央扣的结构形式。这种中央扣存在两种工作状态。“锁定”工作状态下，可以提供桥梁正常运营状态下所需要的约束刚度和强度。“自由”工作状态下，中央扣可自由变形满足不同强度地震，包括近断层等各种极端地震下的结构抗震需要，适用范围广，经济性优势显著。两种工作状态的转换由标准杆件内具有特定缺陷设置的限位销钉和内置式带有预设松弛量的钢丝绳来提供，杆件设计参数灵活，且易于震后恢复。

本发明提供一种新型强震区大跨度悬索桥中央扣结构形式，通过具有特定缺陷设置的限位销钉和内置式带有预设松弛量的钢丝绳的约束，提供了中央扣杆件两种不同的工作状态，分别可以满足大跨度悬索桥在正常运营状态下和强震发生状态下对中央扣的不同需求。

在螺栓销钉上的特定位置设置相应缺陷，以确保强震来临时，限位销钉在预设作用力水平下在预设缺陷部分处发生剪断，使中央扣转变为“自由”状态。

通过预设松弛量形成有限位移限值，避免标准杆钢管拉脱，便于震后限位销钉更换，使中央扣重新转为“锁定”状态，满足震后正常运营需要。

本发明所提供的的双工作状态易恢复型中央扣，具有的技术优点包括：

1)双工作状态易恢复型中央扣通过在“锁定”工作状态和“自由”工作状态之间切换，能更好地适应结构在正常运营和强地震作用下的不同性能要求。

2)由于销钉大小和数量均可调整，双工作状态易恢复型中央扣在“锁定”状态下可以满足不同桥梁结构正常运营状态对约束刚度和约束强度的啊哟球，设计灵活，适用性强。

3)双工作状态易恢复型中央扣在强震作用下，从“锁定”工作状态变化到“自由”状态，存在最大牺牲力，能够最大限度地保护相邻的主体结构免受过大的地震力作用，避免相邻的主体结构发生地震损伤。

4)双工作状态型中央扣通过插入式钢管构造和内置钢丝绳限位作用，在“自由”工作状态下仍可保持结构形态，既可以为震后结构紧急通行提供必要的限位需要，同时便于震后快速修复。

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 (8)

1.一种适用于强震区的双工作状态易恢复型悬索桥中央扣，其特征在于，包括中央扣的标准杆件(1)，所述标准杆件(1)包括外层插入式钢管(5)和内层插入式钢管(6)，所述外层插入式钢管(5)与所述内层插入式钢管(6)通过具有缺陷部分(13)的限位销钉(7)固定而成，其中，所述限位销钉(7)通过螺纹段(14)与外层插入式钢管(5)固定，并通过圆杆段(12)插设紧固于内层插入式钢管(6)；标准杆件(1)的端部通过铰件(8)与索夹(2)和主梁(4)相连以构成桁架式中央扣结构；当所述中央扣在正常状态下，限位销钉(7)锁定于标准杆件(1)的所述外层插入式钢管(5)和所述内层插入式钢管(6)；当强震发生时，所述限位销钉(7)在缺陷部分(13)发生剪断，外层插入式钢管(5)和内层插入式钢管(6)可以自由伸缩变形，所述中央扣进入自由工作状态；在所述自由工作状态下，所述外层插入式钢管(5)沿所述内层插入式钢管(6)上的滑动辅助凸(10)导向滑动并由钢丝绳(9)限位约束所述外层插入式钢管(5)。

2.根据权利要求1所述的适用于强震区的双工作状态易恢复型悬索桥中央扣，其特征在于，所述外层插入式钢管(5)以及所述内层插入式钢管(6)上布有同轴圆孔，所述外层插入式钢管(5)的管壁所设的圆孔为螺栓孔以供螺栓紧固；所述内层插入式钢管(6)的管壁所设圆孔为光滑圆通孔并通过插入所述限位销钉(7)的圆杆段(12)紧固；所述限位销钉(7)的缺陷部分(13)设置在圆杆段(12)和螺纹段(14)之间。

3.根据权利要求1所述的适用于强震区的双工作状态易恢复型悬索桥中央扣，其特征在于，所述中央扣可以采用任意多组的所述标准杆件(1)组成桁架结构。

4.根据权利要求1所述的适用于强震区的双工作状态易恢复型悬索桥中央扣，其特征在于，所述标准杆件(1)可以采用插入式钢管，或采用插入式多边形或开口槽型杆件。

5.根据权利要求1所述的适用于强震区的双工作状态易恢复型悬索桥中央扣，其特征在于，所述中央扣可以采用牺牲型限位销钉，或采用金属制牺牲限位机构。

6.根据权利要求1所述的适用于强震区的双工作状态易恢复型悬索桥中央扣，其特征在于，所述中央扣可以采用内置的钢丝绳(9)形成二级限位机构，或采用拉索或限位挡块形成二级限位机构。

7.根据权利要求1所述的适用于强震区的双工作状态易恢复型悬索桥中央扣，其特征在于，所述中央扣可以设置在主缆(3)的中央，或沿主缆(3)长度方向设置。

8.根据权利要求1所述的适用于强震区的双工作状态易恢复型悬索桥中央扣，其特征在于，所述限位销钉(7)设有导向锥头(11)以供所述外层插入式钢管(5)与所述内层插入式钢管(6)重复定位。

Images