CN114134798A - 高架桥自复位、抗倾覆、高效减震系统及其施工方法 - Google Patents

高架桥自复位、抗倾覆、高效减震系统及其施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高架桥自复位、抗倾覆、高效减震系统，包括桥梁上部结构，所述桥梁上部结构下方左右对称设有钢管混凝土桥墩，相邻钢管混凝土桥墩顶部与桥梁上部结构之间设有钢管混凝土拱连梁，所述钢管混凝土桥墩顶部与桥梁上部结构之间设有液压隔振垫，所述钢管混凝土桥墩侧部与桥梁上部结构之间设有预应力拉索。该系统具有承载力高、整体性好、耗能能力高、加工制作方便等优点。

Description

高架桥自复位、抗倾覆、高效减震系统及其施工方法
技术领域
本发明涉及一种高架桥自复位、抗倾覆、高效减震系统及其施工方法。
背景技术
现有的高架桥结构存在如下问题：1、在桥上单侧车辆超载时，桥面结构与桥墩间存在相对滑动和转动，滑移后无法自动复位，易引起桥面结构侧向滑移倾覆；2、桥墩上的橡胶隔振垫存在老化问题，且不易更换；3、荷载作用时，一般只有荷载作用侧的隔振垫发挥作用，隔振效果有限。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种高架桥自复位、抗倾覆、高效减震系统及其施工方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种高架桥自复位、抗倾覆、高效减震系统，包括桥梁上部结构，所述桥梁上部结构下方左右对称设有钢管混凝土桥墩，相邻钢管混凝土桥墩顶部与桥梁上部结构之间设有钢管混凝土拱连梁，所述钢管混凝土桥墩顶部与桥梁上部结构之间设有液压隔振垫，所述钢管混凝土桥墩侧部与桥梁上部结构之间设有预应力拉索。
优选的，所述钢管混凝土桥墩均包括底板以及固定在底板上的外方钢管，所述外方钢管内部均同轴固定有内圆钢管，所述内圆钢管与外方钢管之间均浇筑有夹层混凝土填充层。
优选的，所述外方钢管上在柱脚段的外周部均固定有横隔板，所述横隔板上均螺接有竖直延伸入地下的锚杆，所述锚杆均穿过底板并与底板螺接。
优选的，所述外方钢管在柱脚段的外周部均同轴套设有HDPE管，所述HDPE管与外方钢管之间浇筑有外部混凝土层，内圆钢管内部的柱脚段上浇筑有核心混凝土层。
优选的，所述钢管混凝土拱连梁的形状为上凸的拱形结构，所述钢管混凝土拱连梁中间顶部经不锈钢丝金属垫层与桥梁上部结构的底部相连接，所述钢管混凝土拱连梁的左右端部均经钢牛腿与对应钢管混凝土桥墩顶部连接；左右相邻钢牛腿之间在钢管混凝土拱连梁的下方经水平拉杆连接。
优选的，所述钢牛腿与钢管混凝土桥墩、钢管混凝土拱连梁、水平拉杆之间均采用螺栓连接。
优选的，所述预应力拉索顶端均固连桥梁上部结构、底端均与固定在钢管混凝土桥墩上的拉索连接件固连；预应力拉索均自下往上朝外倾斜。
优选的，所述液压隔振垫均包括固定在钢管混凝土桥墩中空内顶部的油缸，油缸内部均同轴设有活塞杆，活塞杆顶端均穿过端盖后与桥梁上部结构固连，活塞杆底端均固定有流通板，流通板上均设有流通孔，用以机油上下流通；流通板外径等于油缸的缸体内径。
一种高架桥自复位、抗倾覆、高效减震系统的施工方法，按以下步骤进行：
1)在工厂内预制好带底板、横隔板、钢牛腿和拉索连接件的钢管混凝土桥墩，并运输到施工现场；
2)吊装预制的钢管混凝土桥墩并和基础里预埋的锚杆可靠连接；
3)将HDPE管从钢管混凝土桥墩顶部套入并固定于钢管混凝土桥墩底部；
4)浇筑外部混凝土层，浇捣以增强柱脚整体性；
5)将于工厂内预制好的液压隔振垫安装于钢管混凝土桥墩的内圆钢管顶部，油缸与内圆钢管焊接，之后焊接端盖于油缸；
6)安装预制的钢管混凝土拱连梁和水平拉杆，连接方式为螺栓连接；
7)将钢材喷砂除锈；
8)将不锈钢丝金属垫层与钢管混凝土拱连梁用橡胶型弹性胶粘结；
9)将预应力拉索与桥梁上部结构预埋件和拉索连接件可靠连接，通过扭矩扳手对预应力拉索下端施加预拉力，使得拉索预拉力达到其0.3倍的设计承载力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1)工厂预制，加工质量好，施工方便；2)预应力拉索可抵消上部荷载引起的倾覆力矩，具有良好的抗倾覆稳定性，同时荷载消失时预应力拉索又可把桥面和液压隔振垫的油缸拉回原位，具有自复位的优点；3)荷载作用时，两个液压隔振垫可同时发挥耗能作用，大幅度减小桥面震动，提高桥梁舒适性，并减小结构和附属物的损伤；4)采用的钢管混凝土拱连梁具有抗压和抗剪承载力高的特点，可直接承受一部分荷载。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
图1是本发明的立面图。
图2是本发明的1-1剖面图。
图3是本发明的2-2剖面图。
图4是本发明的3-3剖面图。
图5是本发明的隔振垫的细部图。
图6是本发明的隔振垫中流通板的细部图。
图7是本发明受单侧集中荷载时受力特点的分析图。
图8是本发明受两侧集中荷载时受力特点的分析图。
图中标号说明：1-柱脚、2-液压隔振垫、3-钢管混凝土拱连梁、4-夹层混凝土填充层、5-内圆钢管、6-外方钢管、7-锚杆、8-HDPE管、9-横隔板、10-底板、11-钢管混凝土桥墩、12-螺栓、13-流通孔、14-活塞杆、15-流通板、16-机油、17-油缸、18-端盖、19-不锈钢丝金属垫层、20-钢管混凝土拱、21-钢牛腿、22-栓钉、23-水平拉杆、24-桥梁上部结构、25-拉索连接件、26-销钉、27-桥梁上部结构预埋件、28-预应力拉索、29-外部混凝土层、30-核心混凝土层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1～8所示，本实施例提供了一种高架桥自复位、抗倾覆、高效减震系统，包括桥梁上部结构，所述桥梁上部结构下方左右对称设有钢管混凝土桥墩，相邻钢管混凝土桥墩顶部与桥梁上部结构之间设有钢管混凝土拱连梁，所述钢管混凝土桥墩顶部与桥梁上部结构之间设有液压隔振垫，所述钢管混凝土桥墩侧部与桥梁上部结构之间设有预应力拉索。
在本发明实施例中，所述钢管混凝土桥墩均包括底板以及固定在底板上的外方钢管，所述外方钢管内部均同轴固定有内圆钢管，所述内圆钢管与外方钢管之间均浇筑有夹层混凝土填充层。
在本发明实施例中，所述外方钢管上在柱脚段的外周部均固定有横隔板，所述横隔板上均螺接有竖直延伸入地下的锚杆，所述锚杆均穿过底板并与底板螺接。
在本发明实施例中，所述外方钢管在柱脚段的外周部均同轴套设有HDPE管，所述HDPE管与外方钢管之间浇筑有外部混凝土层，内圆钢管内部的柱脚段上浇筑有核心混凝土层。该柱脚具有刚度大、耐久性好、抗冲击能力强、施工方便等特点。桥墩底部采用HDPE管约束混凝土—钢管混凝土刚性柱脚，利用HDPE管作为外部混凝土的模板并代替环向箍筋，锚杆固定后浇筑外部混凝土可实现HDPE管、外部混凝土、基础和钢管混凝土桥墩共同工作。
在本发明实施例中，所述钢管混凝土拱连梁的形状为上凸的拱形结构，所述钢管混凝土拱连梁中间顶部经不锈钢丝金属垫层与桥梁上部结构的底部相连接，所述钢管混凝土拱连梁的左右端部均经钢牛腿与对应钢管混凝土桥墩顶部连接，钢管混凝土拱连梁具有抗压和抗剪承载高的特点，可以承担一部分荷载，同时又可作为自平衡抗倾覆体系的铰支座；左右相邻钢牛腿之间在钢管混凝土拱连梁的下方经水平拉杆连接，用于平衡拱脚水平推力，防止桥墩发生较大侧移。外方钢管顶部设置钢牛腿用于传递拱脚轴压力和水平拉杆的轴拉力，钢牛腿对应的外方钢管内壁焊接栓钉提高试件的整体性。
在本发明实施例中，所述钢牛腿与钢管混凝土桥墩、钢管混凝土拱连梁、水平拉杆之间均采用螺栓连接。
在本发明实施例中，所述预应力拉索顶端均固连桥梁上部结构、底端均与固定在钢管混凝土桥墩上的拉索连接件固连；预应力拉索均自下往上朝外倾斜。当桥面一侧承受偏心荷载时另一侧的预应力拉索可起到抗倾覆作用，从而减小桥面位移量，同时荷载消失时另一侧预应力拉索又可把桥面和两个隔振垫的油缸拉回原位。
在本发明实施例中，所述液压隔振垫均包括固定在钢管混凝土桥墩中空内顶部的油缸，油缸内部均同轴设有活塞杆，活塞杆顶端均穿过端盖后与桥梁上部结构固连，活塞杆底端均固定有流通板，流通板上均设有流通孔，用以机油上下流通；流通板外径等于油缸的缸体内径。荷载作用时，两个液压隔振垫可同时发挥耗能作用，大幅度减小桥面震动，提高桥梁舒适性，并减小结构和附属物的损伤。
一种高架桥自复位、抗倾覆、高效减震系统的施工方法，按以下步骤进行：
1)在工厂内预制好带底板、横隔板、钢牛腿和拉索连接件的钢管混凝土桥墩，并运输到施工现场；
2)吊装预制的钢管混凝土桥墩并和基础里预埋的锚杆可靠连接；
3)将HDPE管从钢管混凝土桥墩顶部套入并固定于钢管混凝土桥墩底部；
4)浇筑外部混凝土层，浇捣以增强柱脚整体性；
5)将于工厂内预制好的液压隔振垫安装于钢管混凝土桥墩的内圆钢管顶部，油缸与内圆钢管焊接，之后焊接端盖于油缸；
6)安装预制的钢管混凝土拱连梁和水平拉杆，连接方式为螺栓连接；
钢管混凝土拱连梁对上部桥面(桥梁上部结构)的压力N计算方法为：
N＝2Q…………(1)
其中Q为上部桥面受的对钢管混凝土拱连梁中垂线距离相等的两侧集中力中任意一侧力的大小；
水平拉杆的水平推力FH计算方法为：
Figure BDA0003400786900000061
其中y为关于拱高g和水平拉杆长l的拱轴线方程，Mp为荷载作用下拱上某点的弯矩，EI、EA为拱抗弯、抗压刚度，Φ为拱上某点轴力与水平面夹角，E′A′为水平拉杆抗拉刚度；
对水平拉杆的截面面积A设计表达式为：
Figure BDA0003400786900000071
其中FH为水平拉杆的水平推力，f为钢材的抗拉强度设计值。
7)将钢材喷砂除锈；
8)将不锈钢丝金属垫层与钢管混凝土拱连梁用橡胶型弹性胶粘结；
9)将预应力拉索与桥梁上部结构预埋件和拉索连接件可靠连接，通过扭矩扳手对预应力拉索下端施加预拉力，使得拉索预拉力达到其0.3倍的设计承载力。
其预应力拉索的拉力Nt计算方法为：
Figure BDA0003400786900000072
其中Q为上部桥面受任意一侧集中力大小，L为集中力与钢管混凝土拱连梁中垂线距离，D为桥梁上部结构预埋件与钢管混凝土拱连梁中垂线距离，θ为预应力拉索所在直线与桥墩轴线的夹角；
对预应力拉索的截面面积设计表达式为：
Figure BDA0003400786900000073
其中Nt为预应力拉索的拉力，f为钢材的抗拉强度设计值。
在本发明的一种优选实施方式中，在步骤6)中还包括对钢管混凝土受剪构件承载力Vu的验算，具体包括以下步骤：
步骤①：计算钢管混凝土拱连梁的含钢率(αs，αs＝As/Ac，其中，As为钢管截面面积，Ac为钢管内混凝土截面面积，在该系统计算中不计入内圆钢管截面面积及内圆钢管内部中空部分面积)。
步骤②：根据所得含钢率进行钢管混凝土拱连梁的套箍系数计算，得到钢管混凝土构件的套箍系数(θsc，θsc＝αsfy/fck，其中，αs为构件含钢率，fy为钢材屈服强度，fck为混凝土标准抗压强度)。
步骤③：根据所得钢管混凝土构件的套箍系数分别进行矩形钢管混凝土构件的组合抗压设计值和矩形钢管混凝土抗剪强度承载力系数计算，得到矩形钢管混凝土构件的组合抗压设计值和矩形钢管混凝土抗剪强度承载力系数计算结果。
矩形钢管混凝土构件的组合抗压设计值的表达式如下：
fsc＝(1.18+0.85θsc)fc......(6)
其中，θsc为钢管混凝土构件的套箍系数，fc为混凝土抗压强度设计值。
矩形钢管混凝土抗剪强度承载力系数的表达式如下：
γv＝0.954+0.162ln(θsc)............(7)
其中，θsc为钢管混凝土构件的套箍系数。
步骤④：根据所得矩形钢管混凝土构件组合剪切强度设计值和钢管混凝土构件的套箍系数进行计算，得到矩形钢管混凝土构件组合剪切强度设计值计算结果；
矩形钢管混凝土构件组合剪切强度设计值的表达式如下：
Figure BDA0003400786900000081
其中，αs为构件含钢率，θsc为钢管混凝土构件的套箍系数，fsc为矩形钢管混凝土构件的组合抗压设计值。
步骤⑤：根据所得矩形钢管混凝土构件组合剪切强度设计值和矩形钢管混凝土抗剪强度承载力系数进行钢管混凝土受剪构件承载力计算，得到钢管混凝土受剪构件承载力计算结果；
钢管混凝土受剪构件承载力的表达式如下：
τsc＝γvτscAsc……(9)
V≤Vu…………(10)
其中，Asc为钢管混凝土构件组合截面面积，γv为矩形钢管混凝土抗剪强度承载力系数，τsc为矩形钢管混凝土构件组合剪切强度设计值。
本发明主要有以下用途：1)减小桥梁振动带来的损害，提高舒适性；2)避免桥梁发生倾覆；3)可以实现上部结构的自复位；4)用于对工期要求紧的工程中，通过工业化技术保障工期、提供施工效率和施工质量；5)提高钢管混凝土桥墩柱脚的耐久性和刚度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种高架桥自复位、抗倾覆、高效减震系统，其特征在于：包括桥梁上部结构，所述桥梁上部结构下方左右对称设有钢管混凝土桥墩，相邻钢管混凝土桥墩顶部与桥梁上部结构之间设有钢管混凝土拱连梁，所述钢管混凝土桥墩顶部与桥梁上部结构之间设有液压隔振垫，所述钢管混凝土桥墩侧部与桥梁上部结构之间设有预应力拉索。
2.根据权利要求1所述的高架桥自复位、抗倾覆、高效减震系统，其特征在于：所述钢管混凝土桥墩均包括底板以及固定在底板上的外方钢管，所述外方钢管内部均同轴固定有内圆钢管，所述内圆钢管与外方钢管之间均浇筑有夹层混凝土填充层。
3.根据权利要求2所述的高架桥自复位、抗倾覆、高效减震系统，其特征在于：所述外方钢管上在柱脚段的外周部均固定有横隔板，所述横隔板上均螺接有竖直延伸入地下的锚杆，所述锚杆均穿过底板并与底板螺接。
4.根据权利要求3所述的高架桥自复位、抗倾覆、高效减震系统，其特征在于：所述外方钢管在柱脚段的外周部均同轴套设有HDPE管，所述HDPE管与外方钢管之间浇筑有外部混凝土层，内圆钢管内部的柱脚段上浇筑有核心混凝土层。
5.根据权利要求1所述的高架桥自复位、抗倾覆、高效减震系统，其特征在于：所述钢管混凝土拱连梁的形状为上凸的拱形结构，所述钢管混凝土拱连梁中间顶部经不锈钢丝金属垫层与桥梁上部结构的底部相连接，所述钢管混凝土拱连梁的左右端部均经钢牛腿与对应钢管混凝土桥墩顶部连接；左右相邻钢牛腿之间在钢管混凝土拱连梁的下方经水平拉杆连接。
6.根据权利要求5所述的高架桥自复位、抗倾覆、高效减震系统，其特征在于：所述钢牛腿与钢管混凝土桥墩、钢管混凝土拱连梁、水平拉杆之间均采用螺栓连接。
7.根据权利要求1所述的高架桥自复位、抗倾覆、高效减震系统，其特征在于：所述预应力拉索顶端均固连桥梁上部结构、底端均与固定在钢管混凝土桥墩上的拉索连接件固连；预应力拉索均自下往上朝外倾斜。
8.根据权利要求1所述的高架桥自复位、抗倾覆、高效减震系统，其特征在于：所述液压隔振垫均包括固定在钢管混凝土桥墩中空内顶部的油缸，油缸内部均同轴设有活塞杆，活塞杆顶端均穿过端盖后与桥梁上部结构固连，活塞杆底端均固定有流通板，流通板上均设有流通孔，用以机油上下流通；流通板外径等于油缸的缸体内径。
9.一种如权利要求1-8任一所述的高架桥自复位、抗倾覆、高效减震系统的施工方法，其特征在于，按以下步骤进行：
1）在工厂内预制好带底板、横隔板、钢牛腿和拉索连接件的钢管混凝土桥墩，并运输到施工现场；
2）吊装预制的钢管混凝土桥墩并和基础里预埋的锚杆可靠连接；
3）将HDPE管从钢管混凝土桥墩顶部套入并固定于钢管混凝土桥墩底部；
4）浇筑外部混凝土层，浇捣以增强柱脚整体性；
5）将于工厂内预制好的液压隔振垫安装于钢管混凝土桥墩的内圆钢管顶部，油缸与内圆钢管焊接，之后焊接端盖于油缸；
6）安装预制的钢管混凝土拱连梁和水平拉杆，连接方式为螺栓连接；
7）将钢材喷砂除锈；
8）将不锈钢丝金属垫层与钢管混凝土拱连梁用橡胶型弹性胶粘结；
9）将预应力拉索与桥梁上部结构预埋件和拉索连接件可靠连接，通过扭矩扳手对预应力拉索下端施加预拉力，使得拉索预拉力达到其0.3倍的设计承载力。
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