CN114351573A - 一种用于高速铁路的减隔震摇摆桥墩 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高速铁路的减隔震摇摆桥墩，包括圆端型的空心墩体和其下端的承台。所述空心墩体的轴向中心有贯穿承台的无粘结预应力钢束，空心墩体的底部外壁和承台之间可拆卸固定有减震耗能装置。无粘结预应力钢束使空心桥墩具有桥墩摇摆‑自复位耗能，减震耗能装置采用波纹板套筒结构可通过波纹板的拉压和橡胶的压缩缓冲实现摇摆过程的减震耗能。可解决现有高铁桥墩震后的永久损伤问题，摇摆桥墩+减震耗能装置的组合形式，控制了桥墩损伤位置，减震耗能装置的可拆卸设置，可实现桥墩震后的可修复性。即本发明采用RSC桥墩，利用桥梁下部的结构减震隔震，可大幅降低桥梁地震响应，可保证列车的震时行车安全性以及桥梁的震后可修复性。

Description

一种用于高速铁路的减隔震摇摆桥墩

技术领域

本发明属于土木工程领域，具体为一种用于高速铁路的减隔震摇摆桥墩。

背景技术

我国幅员辽阔，跨越两大地震带，即环太平洋地震带和欧亚地震带，地震较为活跃，青海、四川、云南等地小震中震时有发生，各种土木工程设施都有随时遭遇地震的可能。有必要对高铁桥梁的抗震性能展开研究，并采取一定措施进行加强保护。

相较于公路桥，我国铁路桥梁普遍采用重力式桥墩，其尺寸、刚度以及质量均较大，并且配筋率一般小于0.5％，延性抗震能力不足，地震破坏时呈现典型的脆性破坏特征，因此传统的普通钢筋混凝土公路桥墩的延性抗震理论并不适用于该类型桥墩。

目前关于高速铁路桥梁中使用的低配筋重力式桥墩的研究，尽管已经取得一些重大成果，但由于地震特征具有随机性，加之结构抗震性能影响因素众多，国内外对桥墩破坏机理尚不明确，抗震设计方法仍未形成规范体系。因此，有必要在经济允许的条件下偏安全地设计高铁桥墩，极大限度地利用结构自身抗震，辅之以附加的减震耗能装置。

现有的高铁桥梁减震耗能措施主要是设置减隔震支座，通过减隔震支座的摩擦效应达到减震耗能的目的，但此方法并不能很好的保证桥墩的震后状态。目前公路桥墩抗震设计中已较多采用摇摆-自复位(RSC)结构，并有不少研究开始涉及在铁路中使用RSC桥墩，而在高速铁路桥中的应用并不多见。

现有的高铁桥墩大部分都是采用圆端型桥墩，横桥向宽，纵桥向窄，如若改造成RSC桥墩，则横向易摇摆，而纵向易倾覆，在地震作用下容易失稳，达不到理想的摇摆耗能效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可达到理想摇摆耗能效果的用于高速铁路的减隔震摇摆桥墩，降低高铁桥梁的地震响应，提高高铁桥梁的减隔震能力和水平向抗剪能力。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：用于高速铁路的减隔震摇摆桥墩，包括圆端型的空心墩体和其下端的承台。所述空心墩体的轴向中心有贯穿承台的无粘结预应力钢束，空心墩体的底部外壁和承台之间可拆卸固定有减震耗能装置。

上述技术方案的一种实施方式中，所述无粘结预应力钢束包括多根预应力钢筋、橡胶波纹管和锚固结构，橡胶波纹管的两端对称设置锚固结构，预应力筋穿过橡胶波纹管后与锚固结构固定，锚固结构分别固定于所述空心墩体顶部和承台底部。

上述技术方案的一种实施方式中，所述锚固结构包括锚垫板、锚板和螺旋筋，锚板对中固定于锚垫板的顶面，螺旋筋的上端与锚垫板同心固定，锚垫板设置有中心孔用于所述预应力钢筋穿过，锚板在中心位置的外围设置有用于固定各预应力钢筋的锚固孔。

上述技术方案的一种实施方式中，所述锚固结构与橡胶波纹管连接时，其螺旋筋套于橡胶波纹管的端部，其锚垫板的底面对中固定于橡胶波纹管的端面。

上述技术方案的一种实施方式中，所述减震耗能装置包括内外套置的多层减震套筒，第一层减震套筒为直筒，贴合套于所述空心墩体的外壁，第二层开始往外的各层减震套筒为高度依次递增的锥筒，它们的上端均与第一层减震套筒锚固，下端分别锚固于底座板上。

上述技术方案的一种实施方式中，第二层减震套筒开始的各层减震套筒的侧壁平行且有间距。

上述技术方案的一种实施方式中，中间层减震套筒的侧壁与水平面之间的内夹角为60-75°

上述技术方案的一种实施方式中，第一层和最外层减震套筒为高耗能金属材质的波纹板筒，它们之间的中间层减震套筒还包括填充固定于波纹板筒环形波槽处的耗能橡胶圈。

上述技术方案的一种实施方式中，所述第一层减震套筒对应其外侧各层减震套筒的锚固高度处设置直壁段，外侧各层减震套筒的上端设置竖向锚环，所有的减震套筒下端均设置水平锚环。

上述技术方案的一种实施方式中，中间层减震套筒的竖向锚环分别与第一层减震套筒相应高度的直壁段通过自攻螺钉锚固，第一层和中间层减震套筒的水平锚环分别通过自攻螺钉与所述底座板锚固，最外层减震套筒的上端通过摩擦型高强螺栓与第一层减震套筒及空心墩体侧壁锚固，下端通过摩擦型高强螺栓与底座板及承台锚固。

本发明采用RSC桥墩，利用桥梁下部的结构减震、隔震，可大幅降低桥梁地震响应，可保证列车的震时行车安全性以及桥梁的震后可修复性。具体来说，引入并推广了摇摆桥墩在高速铁路领域的应用，使得高铁桥梁减隔震能力显著提高。可解决高速铁路摇摆桥墩纵桥向抗倾覆能力不足的问题，可提高桥墩摇摆次数。可解决高速铁路桥墩墩底抗剪能力不足的问题，波纹板筒采用高耗能合金钢，可显著增强墩底附近的水平向抗剪能力。无粘结预应力钢束使空心桥墩具有桥墩摇摆-自复位耗能，波纹板橡胶套筒可通过波纹板的拉压和橡胶的压缩缓冲实现摇摆过程的减震耗能。可解决现有高铁桥墩震后的永久损伤问题，摇摆桥墩+减震耗能装置(波纹板橡胶套筒)的组合形式，控制了桥墩损伤位置，加之减震耗能装置的可拆卸设置，可实现桥墩震后的可修复性，可显著降低震后修复工程的成本，长远经济效益可观。波纹板橡胶套筒，可根据桥墩实际外形进行定制，适用性广，且拆卸安装较容易，运输方便，施工工序少，且可在工厂加工完成，有助于实现工厂化。

附图说明

图1为本发明一个实施例的外形示意图。

图2为本实施例的纵剖结构示意图(减震耗能装置未示出耗能橡胶圈)。

图3为本实施例的俯视示意图。

图4为本实施例中无粘结预应力钢束的放大结构示意图。

图5为图4中的B部放大示意图。

图6为图2中的A部放大示意图。

图7为图3和图6中摩擦型高强螺栓的放大结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例公开的这种用于高速铁路的减隔震摇摆桥墩，主要包括圆端型的空心墩体1、承台2、无粘结预应力钢束3和减震耗能装置4，空心墩体1置于承台2上，无粘结预应力钢束3位于空心墩体的轴向中心，两端分别与空心墩体顶板和承台锚固，减震耗能装置4套于空心墩体1外壁的底部，底面锚固于承台2上。

结合图2至图5可以看出：

无粘结预应力钢束3包括多根预应力钢筋31、橡胶波纹管32、螺旋筋33、锚垫板34和锚板35。

橡胶波纹管32的两端端部分别套置螺旋筋33，两端端面分别固定锚垫板34，锚垫板外侧对称固定锚板35，螺旋筋33的外端与锚垫板34固定，多根预应力钢筋31穿过橡胶波纹管32和锚垫板34后固定于锚板35上。

空心墩体1顶板的横向中间位置处设置有纵向凹槽，两侧对称设置有支座垫石DS，纵向凹槽的中心位置设置有用于安装无粘结预应力钢束3的轴向安装孔，轴向锚固孔的一侧设置有用于工作人员进入空心墩体内的人洞11；其底板的中心位置设置有便于橡胶波纹管32穿过的贯穿孔。

承台2的中心位置设置有用于安装无粘结预应力钢束3的轴向安装孔，且该安装孔的底部为上凹槽。

空心墩体1对中置于承台2上后，在承台和空心墩体的轴向中心张拉无粘结预应力钢束3形成摇摆-自复位桥墩。

结合图1至图3和图6可以看出：

减震耗能装置4包括第一层减震套筒41、第二层减震套筒42、第三层减震套筒43、第四层减震套筒44、第五层减震套筒45和底座板46。

第一层减震套筒41为竖直筒，紧贴套于空心墩体1的外壁底部。

第二至第五层减震套筒均为锥筒，第五层减震套筒45的上端与第一层减震套筒41的上端平齐，第二至第四层的高度依次递增。

第一层和最五层减震套筒为纵截面呈波纹状的波纹板筒，中间各层均包括波纹板筒和其外表面波槽中填充固定的耗能橡胶圈47的整体件。

波纹板筒的波形为正弦波，波峰/波谷与水平面之间的夹角为60-75°。

各层波纹板筒的材质均采用高耗能合金钢，它们的高度随空心墩体的高度确定，一般去空心墩体高度的十分之一至十五分之一之间，以适应不同墩高的抗震要求。

耗能橡胶圈的材质为海绵橡胶或者类似材料。

第二至第四层减震套筒的上端均与第一层减震套筒通过自攻螺钉锚固，第五层减震套筒的上端通过摩擦型高强螺栓与空心墩体侧壁锚固，空心墩体在浇筑时预留锚固孔。

第一层至第四层减震套筒的下端分别通过自攻螺钉锚固于底座板46上，第五层减震套筒的下端通过摩擦型高强螺栓与承台2锚固，承台2在浇筑时根据设计要求预留锚固孔。

为了便于锚固，将第一层减震套筒41对应其外侧各层减震套筒的锚固高度处设置为竖直面，在第一层减震套筒外侧各减震套筒的上端端口处设置竖向锚环，下端端口处设置水平锚环。

各层减震套筒固定好后形成有层间间隙的整体件减震耗能装置4，该整体件相当于在空心墩体1的底部和承台2之间套上一个具有一定刚度和弹性的曲面耗能鞋套—橡胶波纹板套筒，工厂加工时，需根据实际的桥墩设计图纸改变鞋套的规格，如桥墩沿高度方向存在变坡，则鞋套也需制成相应的变坡。

为了便于减震耗能装置各结构件的预制生产，各将它们依据对应空心墩体的外形，将它们分成四个节段预制再组装成整体环状：两平直段和两半圆弧段，现场安装时，相邻节段的拼接面处焊接成一体。

从本实施例的上述结构可以看出，它具有以下优势：

引入并推广了摇摆桥墩在高速铁路领域的应用，使得高铁桥梁减隔震能力显著提高。可解决高速铁路摇摆桥墩纵桥向抗倾覆能力不足的问题，可提高桥墩摇摆次数。可解决高速铁路桥墩墩底抗剪能力不足的问题，波纹板筒采用高耗能合金钢，可显著增强墩底附近的水平向抗剪能力。具体来说，上述耗能减震装置采用波纹板和橡胶联合耗能，波纹板的曲面结构和橡胶良好的弹塑性结合，减震效果好，从而大大改善桥墩在摇晃过程中的抗倾覆性，提高整体稳定性，使桥墩在地震作用下达到只摇不倒的理想状态。耗能装置包裹墩底，能够使墩底获得较高的抗剪能力，防止低配筋率的高铁桥墩在地震作用下发生剪切脆性破坏，提高了桥梁的安全性。

无粘结预应力钢束使空心桥墩具有桥墩摇摆-自复位耗能，波纹板橡胶套筒可通过波纹板的拉压和橡胶的压缩缓冲实现摇摆过程的减震耗能。

可解决现有高铁桥墩震后的永久损伤问题，摇摆桥墩+减震耗能装置(波纹板橡胶套筒)的组合形式，控制了桥墩损伤位置，加之减震耗能装置的可拆卸设置，可实现桥墩震后的可修复性，可显著降低震后修复工程的成本，长远经济效益可观。

波纹板橡胶套筒，可根据桥墩实际外形进行定制，适用性广，且拆卸安装较容易，运输方便，施工工序少，且可在工厂加工完成，有助于实现工厂化。

Claims (10)

1.一种用于高速铁路的减隔震摇摆桥墩，包括圆端型的空心墩体和其下端的承台，其特征在于：所述空心墩体的轴向中心有贯穿承台的无粘结预应力钢束，空心墩体的底部外壁和承台之间可拆卸固定有减震耗能装置。

2.如权利要求1所述的用于高速铁路的减隔震摇摆桥墩，其特征在于：所述无粘结预应力钢束包括多根预应力钢筋、橡胶波纹管和锚固结构，橡胶波纹管的两端对称设置锚固结构，预应力筋穿过橡胶波纹管后与锚固结构固定，锚固结构分别固定于所述空心墩体顶部和承台底部。

3.如权利要求2所述的用于高速铁路的减隔震摇摆桥墩，其特征在于：所述锚固结构包括锚垫板、锚板和螺旋筋，锚板对中固定于锚垫板的顶面，螺旋筋的上端与锚垫板同心固定，锚垫板设置有中心孔用于所述预应力钢筋穿过，锚板在中心位置的外围设置有用于固定各预应力钢筋的锚固孔。

4.如权利要求3所述的用于高速铁路的减隔震摇摆桥墩，其特征在于：所述锚固结构与橡胶波纹管连接时，其螺旋筋套于橡胶波纹管的端部，其锚垫板的底面对中固定于橡胶波纹管的端面。

5.如权利要求1所述的用于高速铁路的减隔震摇摆桥墩，其特征在于：所述减震耗能装置包括内外套置的多层减震套筒，第一层减震套筒为直筒，贴合套于所述空心墩体的外壁，第二层开始往外的各层减震套筒为高度依次递增的锥筒，它们的上端均与第一层减震套筒锚固，下端分别锚固于底座板上。

6.如权利要求5所述的用于高速铁路的减隔震摇摆桥墩，其特征在于：第二层减震套筒开始的各层减震套筒的侧壁平行且有间距。

7.如权利要求5所述的用于高速铁路的减隔震摇摆桥墩，其特征在于：中间层减震套筒的侧壁与水平面之间的内夹角为60-75°。

8.如权利要求5所述的用于高速铁路的减隔震摇摆桥墩，其特征在于：第一层和最外层减震套筒为高耗能金属材质的波纹板筒，它们之间的中间层减震套筒还包括填充固定于波纹板筒环形波槽处的耗能橡胶圈。

9.如权利要求5所述的用于高速铁路的减隔震摇摆桥墩，其特征在于：所述第一层减震套筒对应其外侧各层减震套筒的锚固高度处设置直壁段，外侧各层减震套筒的上端设置竖向锚环，所有的减震套筒下端均设置水平锚环。

10.如权利要求9所述的用于高速铁路的减隔震摇摆桥墩，其特征在于：中间层减震套筒的竖向锚环分别与第一层减震套筒相应高度的直壁段通过自攻螺钉锚固，第一层和中间层减震套筒的水平锚环分别通过自攻螺钉与所述底座板锚固，最外层减震套筒的上端通过摩擦型高强螺栓与第一层减震套筒及空心墩体侧壁锚固，下端通过摩擦型高强螺栓与底座板及承台锚固。

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