CN113356026A - 牺牲型中央扣减震系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于强震区的大跨度悬索桥减震系统，其包括牺牲型中央扣和塔梁纵向粘滞阻尼器。通过牺牲型中央扣改变地震作用下的结构约束体系，并结合塔梁纵向粘滞阻尼器，显著提升结构抗震性能和安全性。牺牲型中央扣提供两级约束限位机制，可同时满足正常运营荷载下的约束刚度和强度需要、强震作用下的结构安全需要、以及震后保通行和结构功能快速恢复的需要。减震系统的设计参数灵活，适用范围广，且具有经济性优势。

Description

牺牲型中央扣减震系统

技术领域

本发明属于桥梁工程结构减震技术领域，具体涉及一种牺牲型中央扣减震系统。

背景技术

悬索桥的跨越能力大于斜拉桥，桥跨更大，结构体系更柔。悬索桥桥塔和吊索对主梁的纵、横向约束都小于斜拉桥，因此，结构的基阶振型多为主梁的横向振动，振型周期一般较长，可有效避开地震的卓越能量频段，横桥向的抗震问题并不突出。

可参考图1所示，在悬索桥的纵桥向上，为克服主梁D和吊索F在正常运营状态下的风荷载作用下发生过大的摆动位移，本领域常通过在主缆中点处设置中央扣A，以确保对主梁D具有足够的纵向约束刚度和强度，进而保证桥上行车的安全性和舒适性需要。然而，这种体系在地震作用下，会在中央扣A处产生很大的结构内力，并通过连接构造传递至主梁D和由索夹传递给主缆E。这种非常大的局部内力会导致相邻的主体结构发生破坏，进而影响桥梁的安全性，严重时还会导致结构失效。事实上，这已成为强震区悬索桥中央扣设计上的一个难以协调的问题。

在本领域中，众所周知，中央扣被广泛应用于悬索桥结构，由于其能提供较大的约束刚度和限位能力，可以很好地解决风荷载作用下的主梁位移过大问题。但与此同时，也正是由于其具有约束刚度大和限位能力强的特点，使得结构在地震作用下会产生很大的结构内力，并可能导致主体结构破坏，给抗震安全带来不利。

发明内容

针对现有技术问题，本申请提出一种将牺牲型中央扣结合于塔梁纵向粘滞阻尼器并建立基于牺牲型中央扣的悬索桥新型抗震体系，该悬索桥新型抗震体系既能满足悬索桥在正常运营状态下的约束刚度和强度需要，确保风载下的结构稳定性，又能满足强震作用时的结构安全需要，并且，能满足震后保通行和结构功能快速恢复的修复需要，为强震区大跨度悬索桥抗震设计提供高效、可靠、经济的解决方案。

为实现以上目的，通过以下技术方案实现：

一种牺牲型中央扣减震系统，其特征在于，包括牺牲型中央扣和塔梁纵向粘滞阻尼器，所述牺牲型中央扣通过牺牲型杆件分别与索夹和主梁相互铰接并形成三角形机构以约束主缆；所述牺牲型杆件包括配合相互插入的两个连接钢管，在两个所述连接钢管相互重叠的区域之间的内外管壁上分别设有螺栓孔和圆通孔，通过限位销钉紧固穿设于所述螺栓孔与圆通孔，以形成第一锁定机构；两个所述连接钢管的外端部设置有铰件以供与所述索夹和所述主梁铰接；所述牺牲型杆件包括第二锁住机构以供连接两个所述连接钢管的钢丝绳，所述钢丝绳的两端分别与两个所述连接钢管的端部锚固，所述钢丝绳内置于两个连接钢管的内腔中。

优选地，所述牺牲型中央扣可以采用任意多组标准杆件组成桁架结构。

优选地，所述牺牲型中央扣标准杆件采用插入式钢管，或采用插入式多边形或开口槽型杆件。

优选地，所述牺牲型中央扣杆件的第一锁定机构采用牺牲型螺栓的所述限位销钉，或采用金属制牺牲限位构件。

优选地，所述牺牲型中央扣可以采用内置的所述钢丝绳作为第二锁定机构，或采用拉索或限位挡块。

优选地，所述牺牲型中央扣采用两级限位机构，或采用两级以上的限位机构。

本发明牺牲型中央扣减震系统的有益效果包括：

1)新型减震体系通过牺牲型中央扣改变原桥梁结构的约束体系，实现结构抗震性能质的提升，尤其适用于高烈度、近场等极端地震作用条件；

2)牺牲型中央扣的强度熔断机制能最大限度地保护相邻的主体结构，控制强震条件下的主体结构设计需求，经济性优势显著；

3)牺牲型中央扣采用两级限位约束机制和快速恢复构造设计，可同时满足地震状态下的结构安全需要和震后保通行和结构功能快速恢复的需要；

4)牺牲型中央扣采用的两级限位约束机制，还为正常使用状态下的结构纵向抗风提供了两级约束保证，熔断机制牺牲前为刚性中央扣，熔断机制牺牲后为柔性中央扣。

附图说明

图1为本发明牺牲型中央扣减震系统的整体结构示意图。

图2为本发明牺牲型中央扣减震系统中牺牲型中央扣机构的连接构造示意图。

图3为对应图2中牺牲型杆件的结构示意图。

图4为对应图3中Q处的放大结构示意图。

图中标号：

A--牺牲型中央扣机构；B--塔梁纵向粘滞阻尼器；C--主塔；D--主梁；E--主缆；

1--牺牲型杆件，2--索夹，3--主缆，4--主梁；5--插入式钢管，6--限位销钉，7--螺栓孔，8--圆通孔，9--铰件；10--内置式具有预设松弛量的钢丝绳。

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和图2所示，本申请提供一种牺牲型中央扣减震系统，包括牺牲型中央扣A和塔梁纵向粘滞阻尼器B，牺牲型中央扣A提供结构在正常运营和强地震作用状态下的体系转换以及震后主梁4的必要保护限位，塔梁纵向粘滞阻尼器B提供地震作用下的主梁运动阻尼耗能机制，控制主梁4最大地震位移。

如图2所示，牺牲型中央扣A由牺牲型杆件1分别与索夹2和主梁4铰接形成三角形稳定机制，以提供主缆3对主梁纵向位移的约束机制。

如图3所示，牺牲型中央扣A标准杆件主体由两个插入式钢管5组成，钢管重叠的区域通过牺牲型螺栓限位销钉6提供约束，外层钢管管壁分布螺栓孔7，内层钢管管壁分布同轴圆通孔8，牺牲型螺栓限位销钉6自外层管壁旋入，下端的圆柱杆部分插入内层管壁圆通孔8固定。两个钢管的外端部设置铰件9，以便与索夹2和主梁4铰接。内置式带有预定松弛量的钢丝绳10两端分别与钢管5端部固定。

作为本发明实施例的一种变换，牺牲型中央扣A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，牺牲型中央扣A标准杆件可以采用插入式钢管5，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，牺牲型中央扣A杆件的第一锁定构造可以采用牺牲型螺栓限位销钉6，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，牺牲型中央扣A可以采用内置钢丝绳10作为第二锁定构造，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，牺牲型中央扣A可以采用两级限位构造，也可以采用两级以上的限位机制。

如图3和图4所示，所述牺牲型杆件1包括两个插入式连接钢管5，两者配合相互插入一定的长度。在两个连接钢管5管壁相互重叠的区域内，内外管壁上分别预制圆通孔8和螺栓孔7，并通过限位销钉6拧入插入螺栓孔7并插入圆通孔8，形成第一锁定机构。

所述牺牲型杆件1包括第二锁住机构，为连接两个钢管5的具有适当松弛量的钢丝绳10，两端分别与两个钢管5端部锚固并内置于两个连接钢管5构成的杆内腔。

牺牲型杆件1通过第一锁住机构将插入式连接钢管5相互约束形成一个刚性的杆件，只有当作用于杆件的力超过第一锁定机构的最大承载力时，第一锁定机构发生牺牲，容许两个连接钢管5发生相对位移，避免将过大的内力传递至相邻的主体结构，从而保护主体结构不发生破坏；

牺牲型杆件1发生第一锁定机构牺牲后，则插入式连接钢管5可在第二锁住机构容许的范围内，即钢丝绳10的预定松弛量内自由伸缩变形，当超出第二锁住机构的容许变形范围时，则第二锁住机构产生弹性约束作用，避免主梁4发生过大的纵向位移，影响震后车辆通行需要，同时防止插入式连接钢管5拉脱。

在具有上述结构特征后，结合图1至图4所示，本发明在具体实施过程中的应用机理包括：

在正常运营状态下，牺牲型中央扣A的所有牺牲型杆件1的第一锁定构造保持正常锁定状态，提供对主梁4必要的纵向约束刚度和强度，其中约束强度的大小可通过调整限位销钉6的大小和数量进行自由调节，使其既能满足设防的风荷载作用下的强度需要，又不超过相邻主结构所能承受的最大传力，确保主结构的安全性，此时，中央扣的工作状态类似常用的刚性中央扣，可以最大限度地控制主梁4的纵向摆动位移。倘若发生超出设防标准的风荷载作用，牺牲型杆件1的第一锁定构造发生牺牲，容许主梁4发生有限的摆动位移，并由第二锁定构造的钢丝绳10提供纵向约束，以保证车辆运行的最大摆动位移和最小约束刚度，由于钢丝绳10具有一定的柔度，此时中央扣的工作状态类似柔性中央扣，可以最大限度地缓解强脉动风的动力冲击效应。

在强地震作用下，牺牲型中央扣A的牺牲型杆件1的第一锁定构造发生解锁，避免中央扣对邻近的主梁4、索夹2和主缆3等主体结构传递过大的地震力，保护主体结构不发生地震破坏；同时，第一锁定构造解锁后释放了主缆3与主梁4的纵向约束，因而可以通过主梁4的纵向摆动形成柔性减震机制，降低地震对桥梁结构的作用，进一步通过塔梁阻尼器B大量耗散传入结构的地震能量，控制主缆3与主梁4的相对位移不超过第二锁定构造的容许摆动位移，避免第二锁定构造失效，从而形成高柔性、高耗能的高效纵向减震体系。

震后救灾阶段，第二锁定构造提供必要的限位约束，保证车辆运行的最大摆动位移和最小约束刚度，并保护余震作用下的伸缩缝等附属设施，最大限度地确保桥梁救灾阶段的应急通行需要；震后恢复阶段，保持插入状态的连接钢管5为快速更换限位销钉6提供了便利，更换新的限位销钉6即可恢复中央扣的正常约束功能，满足功能快速恢复需要。

较佳地，牺牲型中央扣A为运营状态下的桥梁在遭遇超设防的风荷载作用提供了刚性中央扣和柔性中央扣两种约束状态，最大限度地保障结构安全和通行功能。

较佳地，牺牲型中央扣A在强震作用下通过牺牲机制释放纵向约束，改变大跨度悬索桥的约束体系，中央扣变形不再受具体结构形式和材料变形的限制，能更好地适应强地震作用尤其是近场强震的大变形需求，与塔梁粘滞阻尼器相互配合，可以满足不同桥梁结构和地震作用需求，设计参数灵活，适用范围广。

较佳地，同时牺牲型中央扣A通过熔断机制限制向邻近主体结构的最大传力，能最大限度保护主体结构的安全性，降低强震条件下的主体结构设计需求。

较佳地，牺牲型中央扣A通过限位销钉6提供第一级牺牲型限位约束，通过预设松弛量的内置钢丝绳10提供第二级保护性限位约束，可以满足不同运营荷载需要，不同限位保护需要。

较佳地，牺牲型中央扣A通过插入式钢管5构造和第二锁定构造限位作用，在发生第一锁定构造解锁后仍可保持钢管不相互拉脱，便于震后快速修复。

在完成上述实施过程后，本发明所提供，具有的技术优点包括：

本发明趋利避害，提出“牺牲型中央扣”，并辅以塔梁纵向粘滞阻尼器，首次建立适用于强震条件下的悬索桥牺牲型中央扣减震系统。牺牲型中央扣在桥梁正常使用状态下保持弹性状态，提供正常的约束刚度和限位作用，以满足结构抗风性能要求，而在强地震作用下，中央扣发生“牺牲”，避免大约束刚度和限位作用的不利影响，同时，利用塔梁纵向粘滞阻尼器提供耗能，控制主梁纵向地震位移，此外，牺牲型中央扣通过特殊的构造设计满足震后结构的应急通行能力保障和震后快速修复要求。

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 (6)

1.一种牺牲型中央扣减震系统，其特征在于，包括牺牲型中央扣(A)和塔梁纵向粘滞阻尼器(B)，所述牺牲型中央扣(A)通过牺牲型杆件(1)分别与索夹(2)和主梁(4)相互铰接并形成三角形机构以约束主缆(3)；所述牺牲型杆件(1)包括配合相互插入的两个连接钢管(5)，在两个所述连接钢管(5)相互重叠的区域之间的内外管壁上分别设有螺栓孔(7)和圆通孔(8)，通过限位销钉(6)紧固穿设于所述螺栓孔(7)与圆通孔(8)，以形成第一锁定机构；两个所述连接钢管(5)的外端部设置有铰件(9)以供与所述索夹(2)和所述主梁(4)铰接；所述牺牲型杆件(1)包括第二锁住机构以供连接两个所述连接钢管(5)的钢丝绳(10)，所述钢丝绳(10)的两端分别与两个所述连接钢管(5)的端部锚固，所述钢丝绳(10)内置于两个连接钢管(5)的内腔中。

2.根据权利要求1所述的牺牲型中央扣减震系统，其特征在于，所述牺牲型中央扣(A)可以采用任意多组标准杆件组成桁架结构。

3.根据权利要求1所述的牺牲型中央扣减震系统，其特征在于，所述牺牲型中央扣(A)标准杆件采用插入式钢管(5)，或采用插入式多边形或开口槽型杆件。

4.根据权利要求1所述的牺牲型中央扣减震系统，其特征在于，所述牺牲型中央扣(A)杆件的第一锁定机构采用牺牲型螺栓的所述限位销钉(6)，或采用金属制牺牲限位构件。

5.根据权利要求1所述的牺牲型中央扣减震系统，其特征在于，所述牺牲型中央扣(A)可以采用内置的所述钢丝绳(10)作为第二锁定机构，或采用拉索或限位挡块。

6.根据权利要求1所述的牺牲型中央扣减震系统，其特征在于，所述牺牲型中央扣(A)采用两级限位机构，或采用两级以上的限位机构。

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