CN113481833A - 一种附加耗能支撑或自复位耗能支撑的预制装配式摇摆桥墩结构体系 - Google Patents

Abstract

一种附加耗能支撑或自复位耗能支撑的预制装配式摇摆桥墩结构体系，属于桥梁工程减隔震技术领域，主要包括预制承台、预制墩柱、预制盖梁、预制支撑、复位筋；预制承台上设有两个承台套筒，用于连接两个下耳板；预制墩柱上部和下部均设有柱套筒；所述预制盖梁中部设有盖梁套筒，用于连接上耳板；所述预制支撑设置在下耳板和上耳板之间，通过销钉实现铰接；所述复位筋贯穿预制承台、预制墩柱和预制盖梁预留的孔洞，并在预制承台台身下端和预制盖梁梁身上端通过高强螺栓和凹槽形钢垫片固定连接。地震过程中整个体系产生摇摆，释放了墩柱柱顶和柱底弯矩，避免了节点处塑性铰的出现。

Description

一种附加耗能支撑或自复位耗能支撑的预制装配式摇摆桥墩 结构体系

技术领域

本发明涉及一种附加耗能支撑或自复位耗能支撑的预制装配式摇摆桥墩结构体系，属于桥梁工程减隔震技术领域。

背景技术

地震灾害被认为是人类面临的最严重的自然灾害之一，且地震灾害具有突发性、可预见性低、破坏性强等特点，强震发生时会释放出巨大的地震能量，造成地表和人工工程的大量破坏，严重危及人民的生命和财产安全。我国地处亚欧地震带和环太平洋地震带之间，国土的大部分地区为地震区，因此结构的抗震性能亟需提高。桥梁是交通生命线的枢纽工程，其建设成本高，一旦遭到地震破坏，将会造成巨大的经济损失，且震后修复极其困难。桥梁破坏直接造成大量人员伤亡的情况并不多，但由于桥梁破坏造成的交通生命线损毁、中断而导致救援人员不能及时到位，间接造成的经济损失和人员伤亡不可估量。

目前多数桥梁为传统的现浇钢筋混凝土简支桥梁，其抗震机理主要是基于钢筋混凝土桥墩滞回性能的延性抗震设计，但桥墩塑性铰区会损伤和破坏，这种抗震方法会给桥墩带来无法修复的损伤，且震后残余位移很大，没有可恢复能力；此外，当前城市桥梁的建设仍以现场浇筑为主，施工工期长，场地占用大，造成桥梁建设场地周边严重的交通拥堵。

摇摆-自复位体系是一种新型体系，具有很好的应用前景，强震下结构发生摇摆反应，可释放结构节点处的弯矩，避免了塑性铰的出现，但是该结构体系耗能能力极弱，结构强度和刚度也很小，承载力低；目前已有的改进方法仅是在桥墩墩底增加耗能装置，但是耗能效果并不明显，且对桥墩节点处也有较大损伤，耗能及复位效果并不明显，震后修复压力也很大。

基于上述面临的问题，现迫切地需要一种既可以在震中充分耗能减震，减小峰值位移又可以震后自复位，减小残余位移，不需修复或稍加修复便可恢复其使用功能的新型桥墩结构体系。

发明内容

为了解决背景技术中所阐述的桥梁抗震设计中传统桥墩存在的问题，提出一种附加耗能支撑或自复位耗能支撑的预制装配式摇摆桥墩结构体系，地震过程中整个体系产生摇摆，释放了墩柱柱顶和柱底弯矩，避免了节点处塑性铰的出现，将传统的桥墩耗能方式转化为通过附加耗能支撑或自复位耗能支撑耗散地震能量，同时通过结构自重及复位筋作用，可使桥梁结构回复至原始位置，有效控制桥梁结构在地震作用下的损伤；且该体系可以实现现场全预制拼装施工，有效缩短施工工期，实现高效、快捷、绿色的工业化建造方式。

为实现上述目的，本发明提供了一种附加耗能支撑或自复位耗能支撑的预制装配式摇摆桥墩结构体系，包括预制承台(1)、预制墩柱(2)、预制盖梁(3)、预制支撑(4)、复位筋(5)、承台套筒(6)、柱套筒(7)、盖梁套筒(8)、下耳板(9)、上耳板(10)、销钉(11)、高强螺栓(12)、凹槽形钢垫片(13)和摩擦片(14)。

所述预制承台(1)设置在结构体系底部，台身两端各预留有多个上下的通孔，通孔下端挖有凹槽，预制承台(1)两端上表面各设置一个长度方向垂直预制承台(1)的预制墩柱(2)；预制墩柱(2)内部沿柱长度方向(记长度方向为上下竖直方向)预留有通孔贯穿柱顶和柱底，每个预制墩柱(2)通孔数量及大小与预制承台(1)一端通孔数量及大小相同且一一对应，预制墩柱(2)在柱身靠近柱顶和靠近柱底位置均设置柱套筒(7)，作用是减小墩柱在摇摆过程中柱顶和柱底受压区产生应力集中，使其受力更加均匀，材料可选用但不局限于钢材或其他高性能材料；预制盖梁(3)设置在两个预制墩柱(2)上部，预制盖梁(3)梁身两端同样预留多个上下的通孔，通孔上端挖有凹槽，且每一端通孔数量及大小与每个预制墩柱(2)通孔数量及大小相同且一一对应；所述复位筋(5)具有自复位功能，提供部分自恢复力，数量与预制承台(1)的预留通孔数量相同，每条复位筋(5)穿过预制承台(1)、预制墩柱(2)、预制盖梁(3)预留的通孔，将三者连接在一起，且应拉直绷紧，相互平行，两端通过高强螺栓(12)固定连接；复位筋(5)截面面积应略小于预制承台(1)的预留通孔，且两端略伸出高强螺栓(12)，作用是防止其在受力过程中与高强螺栓(12)分离造成结构体系倒塌，材料可以选用但不限于无粘结预应力筋、形状记忆合金绞线等；

所述承台套筒(6)数量为两个，设置在预制承台(1)台身外周适当位置，材料可选用但不局限于钢材或其他高性能材料，每个承台套筒(6)上面栓接一个下耳板(9)；

所述盖梁套筒(8)设置在预制盖梁(3)梁身中部外周位置，材料可选用但不局限于钢材或其他高性能材料；在盖梁套筒(8)的下面栓接上耳板(10)；

所述预制支撑(4)可以发生轴向变形，为主要耗能元件，数量为两个，两个预制支撑(4)的上端均与上耳板(10)采用销钉(11)实现铰接，预制支撑(4)的下端各与一个下耳板(9)采用销钉实现铰接，铰接作用是避免连接节点处产生弯矩导致连接处的破坏，两个预制支撑(4)构成“人”字形；若为预制耗能支撑，可为整个结构体系提供耗能能力，可以选用但不局限于防屈曲耗能支撑、摩擦耗能支撑；若为自复位耗能支撑，即可提供耗能能力也可提供恢复力，可以选用但不局限于自复位防屈曲耗能支撑、自复位摩擦耗能支撑等；

所述凹槽形钢垫片(13)规格与预制承台(1)、预制盖梁(3)中预挖的凹槽大小一致，作用是防止在高强螺栓局部产生应力集中现象，减小螺栓对预制承台和预制盖梁的损伤；在预制承台(1)和预制盖梁(3)提前挖好的凹槽内各放置一个凹槽形钢垫片(13)，复位筋(5)两端穿过凹槽形钢垫片(13)与高强螺栓(12)连接；

所述摩擦片(14)设置在预制承台(1)和预制墩柱(2)、预制墩柱(2)和预制盖梁(3)的接触位置，作用是增大摩擦，防止预制墩柱(2)有大的滑移错位；所述凹槽不应过大，深度略大于高强螺栓高度与凹槽形钢垫片厚度之和即可，形状及大小与预制墩柱(2)截面相同，且对应位置也需开孔，以便于复位筋(5)穿过，材料可选用石棉摩擦材料、半金属摩擦材料、NAO摩擦材料、粉末冶金摩擦材料、碳纤维摩擦材料等。

所述凹槽不应过大，深度略大于高强螺栓高度与凹槽形钢垫片厚度之和即可。

所述每条复位筋(5)提供部分自恢复力，数量与预制承台(1)的预留通孔数量相同，穿过预制承台(1)、预制墩柱(2)、预制盖梁(3)预留的通孔，将三者连接在一起，且应拉直绷紧，相互平行，两端通过高强螺栓(12)固定连接；每一个预制墩柱(2)中复位筋(5)的个数优选为2-4个。

所述复位筋(5)具有自复位功能，可以采用但不限于无粘结预应力筋、形状记忆合金绞线等材料，截面面积应略小于预制承台(1)的预留通孔，且两端略伸出高强螺栓(12)，作用是防止其在受力过程中与高强螺栓(12)分离造成结构体系倒塌。

所述凹槽形钢垫片(13)规格与预挖的凹槽大小一致，作用是防止在高强螺栓局部产生应力集中现象，减小螺栓对预制承台和预制盖梁的损伤。

所述摩擦片(14)底面形状及大小与预制墩柱(2)截面相同，且对应位置也需开孔，以便于复位筋(5)穿过，材料可选用石棉摩擦材料、半金属摩擦材料、NAO摩擦材料、粉末冶金摩擦材料、碳纤维摩擦材料等。

所述承台套筒(6)、柱套筒(7)、盖梁套筒(8)材料可防止混凝土损伤散落，可选用但不局限于钢材或其他高性能材料。

所述下耳板，包括固定底板，固定底板上为两个平行的直角扇形板，直角扇形板的一直角边与固定底板固定成一体，另一直角边均与同一块侧板面固定成一体，侧板的一边与固定底板固定成一体；直角扇形板上设有圆孔。

所述上耳板，包括固定底板，固定底板上为两个平行的半圆形板，半圆形板的直边与固定底板固定成一体，两半圆形板之间采用侧板固定成一体，侧板的第三边与固定底板固定成一体且侧板垂直固定底板；半圆形板上设有圆孔。

本发明的有益效果是：

本发明的附加耗能支撑或自复位耗能支撑的预制装配式摇摆桥墩结构体系，在地震作用下减隔震及自复位效果显著，主要体现在以下几点：

1.预制承台、预制墩柱、预制盖梁之间通过复位筋连接，地震荷载作用下桥墩端部节点处弯矩可得到有效释放，减小桥墩损伤，降低桥梁结构所承受的地震力，并通过桥墩摇摆耗散地震能量，有效控制桥墩在地震中的反应。

2.在小震作用下，耗能支撑或自复位耗能支撑为桥墩提供强度及刚度，可以提高桥墩的承载力；在大震作用下，支撑不仅为桥墩提供刚度和强度，还能先于桥墩耗能，自复位耗能支撑甚至还可以额外提供恢复力，实现三功能作用，有效减小结构的残余位移；同时桥墩仍具有摇摆机制，可以避免柱身出现塑性铰，减小墩柱节点处的损伤，实现良好的震后恢复能力。

3.两个支撑人字形布置时，无侧向荷载和变形的作用下，两个支撑可以同时承担竖向荷载，两个支撑的轴向力的水平分力相互抵消，在受到侧向荷载和侧向变形的作用下，两个支撑的轴向力的竖向分量相互抵消，而两个支撑的轴向力的水平分量叠加。

4.该附加耗能支撑或自复位耗能支撑的预制装配式摇摆桥墩结构体系所有构件均可通过工厂预制，现场只需拼装，有效缩短了现场施工工期，减小对建设场地周边环境的影响，实现高效、绿色的桥梁建设。

5.本发明的设计是基于现有的传统双柱式桥墩或多柱式排架的改动，适用范围广，震后破坏集中在耗能支撑或自复位耗能支撑，稍加修复或更换便可继续使用，可确保交通生命线不中断。因此，本发明具有良好社会经济效益，值得推广和使用。

附图说明

下面通过附图对本发明作进一步说明。

图1是一种附加耗能支撑或自复位耗能支撑的预制装配式摇摆桥墩结构体系横桥向示意图。

图2是预制墩柱与预制盖梁连接节点处细部构造图。

图3是预制承台与预制墩柱连接节点处细部构造图。

图4是两个下耳板三维立体示意图。

图5是上耳板三维立体示意图。

图6是凹槽形钢垫片三维立体示意图。

图7是带凹槽的预制承台三维立体示意图。

图8是带凹槽的预制盖梁三维立体示意图。

附图标记说明：

1—预制承台；2—预制墩柱；3—预制盖梁；4—预制支撑；5—复位筋；6—承台套筒；7—柱套筒；8—盖梁套筒；9—下耳板；10—上耳板；11—销钉；12—高强螺栓；13—凹槽形钢垫片；14—摩擦片。

具体实施方式

结合附图对本发明实施例进行详细说明。

首先应需注意的是，附图所展示的附加耗能支撑或自复位耗能支撑的预制装配式摇摆桥墩结构体系，旨在能简洁、清楚、明了的说明本发明，故附图不能够作为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；“台身”、“柱身”、“梁身”及“上部”、“下部”、“中部”、“两端”、“上端”、“下端”、“内部”等指示方位或位置关系的词仅是为了更方便地描述本发明，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明基于传统的双柱式桥墩或多柱式排架，将墩柱纵筋在与上部盖梁和下部承台连接处截断，通过复位筋贯穿上部盖梁、墩柱及下部承台，提高桥墩自复位能力和抗倒塌能力，并在墩柱与盖梁、承台接缝处设置摩擦片，防止墩柱有过大的错位倾覆，同时在盖梁与承台之间设置耗能支撑或自复位耗能支撑，耗散地震作用产生的能量，震后可实现自复位功能，有效减小桥墩残余位移，且该结构体系可实现工厂的全预制，施工现场直接安装。具体实施方式如下：

预制承台(1)设置在结构体系底部，台身两端预留有多个通孔，通孔下端挖有凹槽，预制承台(1)上部设置两个预制墩柱(2)；预制墩柱(2)内部沿柱长度方向预留有通孔贯穿柱顶和柱底，每个预制墩柱(2)通孔数量及大小与预制承台(1)一端通孔数量及大小相同且一一对应，预制墩柱(2)在柱身靠近柱顶和靠近柱底位置均设置柱套筒(7)，作用是减小墩柱在摇摆过程中柱顶和柱底受压区产生应力集中，使其受力更加均匀，材料可选用但不局限于钢材或其他高性能材料；预制盖梁(3)设置在两个预制墩柱(2)上部，梁身两端同样预留多个通孔，通孔上端挖有凹槽，且每一端通孔数量及大小与每个预制墩柱(2)通孔数量及大小相同且一一对应；凹槽形钢垫片(13)放置在预制承台(1)和预制盖梁(3)提前挖好的凹槽内，复位筋(5)两端穿过凹槽形钢垫片(13)与高强螺栓(12)连接；规格与预挖的凹槽大小一致，作用是防止在高强螺栓局部产生应力集中现象，减小螺栓对预制承台和预制盖梁的损伤；复位筋(5)具有自复位功能，提供部分自恢复力，数量与预制承台(1)的预留通孔数量相同，每条复位筋(5)穿过预制承台(1)、预制墩柱(2)、预制盖梁(3)预留的通孔，将三者连接在一起，且应拉直绷紧，相互平行，两端通过高强螺栓(12)固定连接；复位筋(5)截面面积应略小于预制承台(1)的预留通孔，且两端略伸出高强螺栓(12)作用是防止其在受力过程中与高强螺栓(12)分离造成结构体系的倒塌，材料可以选用但不限于无粘结预应力筋、形状记忆合金绞线等；

预制承台(1)及预制盖梁(3)在工厂预制时就在适当位置套装有承台套筒(6)和盖梁套筒(8)，承台套筒(6)和盖梁套筒(8)材料可选用但不局限于钢材或其他高性能材料；下耳板(9)与承台套筒栓接，上耳板(10)与盖梁套筒(8)栓接；预制支撑(4)可以发生轴向变形，为主要耗能元件，数量为两个，构成“人”字形，若为预制耗能支撑，可为整个结构体系提供耗能能力，可以选用但不局限于防屈曲耗能支撑、摩擦耗能支撑；若为自复位耗能支撑，即可提供耗能能力也可提供恢复力，可以选用但不局限于自复位防屈曲耗能支撑、自复位摩擦耗能支撑等；两端通过下耳板(9)、上耳板(10)和销钉(11)实现铰接，铰接作用是避免连接节点处产生弯矩导致连接处的破坏；

安装预制墩柱(2)时，需在预制承台(1)和预制墩柱(2)、预制墩柱(2)和预制盖梁(3)的接触位置设置摩擦片(14)，作用是增大摩擦，防止预制墩柱(2)有大的滑移错位；所述凹槽不应过大，深度略大于高强螺栓高度与凹槽形钢垫片厚度之和即可，形状及大小与预制墩柱(2)截面相同，且对应位置也需开孔，以便于复位筋(5)穿过，材料可选用石棉摩擦材料、半金属摩擦材料、NAO摩擦材料、粉末冶金摩擦材料、碳纤维摩擦材料等。

综上所述，尽管已经对本发明的实施例进行描述，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种附加耗能支撑或自复位耗能支撑的预制装配式摇摆桥墩结构体系，其特征在于，包括预制承台(1)、预制墩柱(2)、预制盖梁(3)、预制支撑(4)、复位筋(5)、承台套筒(6)、柱套筒(7)、盖梁套筒(8)、下耳板(9)、上耳板(10)、销钉(11)、高强螺栓(12)、凹槽形钢垫片(13)和摩擦片(14)；

所述预制承台(1)设置在结构体系底部，台身两端各预留有多个上下的通孔，通孔下端挖有凹槽，预制承台(1)两端上表面各设置一个长度方向垂直预制承台(1)的预制墩柱(2)；预制墩柱(2)内部沿柱长度方向预留有通孔贯穿柱顶和柱底，记长度方向为上下竖直方向；每个预制墩柱(2)通孔数量及大小与预制承台(1)一端通孔数量及大小相同且一一对应，预制墩柱(2)在柱身靠近柱顶和靠近柱底位置均设置柱套筒(7)，作用是减小墩柱在摇摆过程中柱顶和柱底受压区产生应力集中，使其受力更加均匀；预制盖梁(3)设置在两个预制墩柱(2)上部，预制盖梁(3)梁身两端同样预留多个上下的通孔，通孔上端挖有凹槽，且每一端通孔数量及大小与每个预制墩柱(2)通孔数量及大小相同且一一对应；所述复位筋(5)具有自复位功能，提供部分自恢复力，数量与预制承台(1)的预留通孔数量相同，每条复位筋(5)穿过预制承台(1)、预制墩柱(2)、预制盖梁(3)预留的通孔，将三者连接在一起，且应拉直绷紧，相互平行，两端通过高强螺栓(12)固定连接；复位筋(5)截面面积应略小于预制承台(1)的预留通孔，且两端略伸出高强螺栓(12)，作用是防止其在受力过程中与高强螺栓(12)分离造成结构体系倒塌；

所述承台套筒(6)数量为两个，设置在预制承台(1)台身外周适当位置，材料可选用但不局限于钢材或其他高性能材料，每个承台套筒(6)上面栓接一个下耳板(9)；

所述盖梁套筒(8)设置在预制盖梁(3)梁身中部外周位置，材料可选用但不局限于钢材或其他高性能材料；在盖梁套筒(8)的下面栓接上耳板(10)；

所述预制支撑(4)可以发生轴向变形，为主要耗能元件，数量为两个，两个预制支撑(4)的上端均与上耳板(10)采用销钉(11)实现铰接，预制支撑(4)的下端各与一个下耳板(9)采用销钉实现铰接，铰接作用是避免连接节点处产生弯矩导致连接处的破坏，两个预制支撑(4)构成“人”字形；若为预制耗能支撑，为整个结构体系提供耗能能力，可以选用但不局限于防屈曲耗能支撑、摩擦耗能支撑；若为自复位耗能支撑，即可提供耗能能力也可提供恢复力，可以选用但不局限于自复位防屈曲耗能支撑、自复位摩擦耗能支撑等；

所述凹槽形钢垫片(13)规格与预制承台(1)、预制盖梁(3)中预挖的凹槽大小一致，作用是防止在高强螺栓局部产生应力集中现象，减小螺栓对预制承台和预制盖梁的损伤；在预制承台(1)和预制盖梁(3)提前挖好的凹槽内各放置一个凹槽形钢垫片(13)，复位筋(5)两端穿过凹槽形钢垫片(13)与高强螺栓(12)连接；

所述摩擦片(14)设置在预制承台(1)和预制墩柱(2)、预制墩柱(2)和预制盖梁(3)的接触位置，作用是增大摩擦，防止预制墩柱(2)有大的滑移错位；所述凹槽不应过大，深度略大于高强螺栓高度与凹槽形钢垫片厚度之和即可，形状及大小与预制墩柱(2)截面相同，且对应位置也需开孔，以便于复位筋(5)穿过。

2.按照权利要求1所述的一种附加耗能支撑或自复位耗能支撑的预制装配式摇摆桥墩结构体系，其特征在于，所述每条复位筋(5)提供部分自恢复力，数量与预制承台(1)的预留通孔数量相同，穿过预制承台(1)、预制墩柱(2)、预制盖梁(3)预留的通孔，将三者连接在一起，且应拉直绷紧，相互平行，两端通过高强螺栓(12)固定连接；每一个预制墩柱(2)中复位筋(5)的个数优选为2-4个。

3.按照权利要求1所述的一种附加耗能支撑或自复位耗能支撑的预制装配式摇摆桥墩结构体系，其特征在于，所述复位筋(5)具有自复位功能，可以采用但不限于无粘结预应力筋、形状记忆合金绞线等材料，截面面积应略小于预制承台(1)的预留通孔，且两端略伸出高强螺栓(12)，作用是防止其在受力过程中与高强螺栓(12)分离造成结构体系倒塌。

4.按照权利要求1所述的一种附加耗能支撑或自复位耗能支撑的预制装配式摇摆桥墩结构体系，其特征在于，所述摩擦片(14)底面形状及大小与预制墩柱(2)截面相同，且对应位置也需开孔，以便于复位筋(5)穿过，材料可选用石棉摩擦材料、半金属摩擦材料、NAO摩擦材料、粉末冶金摩擦材料、碳纤维摩擦材料等。

5.按照权利要求1所述的一种附加耗能支撑或自复位耗能支撑的预制装配式摇摆桥墩结构体系，其特征在于，所述承台套筒(6)、柱套筒(7)、盖梁套筒(8)材料可防止混凝土损伤散落，可选用但不局限于钢材或其他高性能材料。

6.按照权利要求1所述的一种附加耗能支撑或自复位耗能支撑的预制装配式摇摆桥墩结构体系，其特征在于，所述下耳板，包括固定底板，固定底板上为两个平行的直角扇形板，直角扇形板的一直角边与固定底板固定成一体，另一直角边均与同一块侧板面固定成一体，侧板的一边与固定底板固定成一体；直角扇形板上设有圆孔；

所述上耳板，包括固定底板，固定底板上为两个平行的半圆形板，半圆形板的直边与固定底板固定成一体，两半圆形板之间采用侧板固定成一体，侧板的第三边与固定底板固定成一体且侧板垂直固定底板；半圆形板上设有圆孔。

7.按照权利要求1所述的一种附加耗能支撑或自复位耗能支撑的预制装配式摇摆桥墩结构体系，其特征在于，所述凹槽不应过大，深度略大于高强螺栓高度与凹槽形钢垫片厚度之和即可。

Images