CN114657860B - 一种大悬臂独柱墩桥梁遭受撞击后的止损装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大悬臂独柱墩桥梁遭受撞击后的止损装置，属于桥梁防灾领域。其兼具耗能与抗扭转失效功能，包括独柱墩顶部的盖梁、空心板梁、耗能装置以及抗扭转失效装置；盖梁顶部通过支座支撑空心板梁；耗能装置包括上耗能装置以及外耗能装置；上耗能装置布置在独柱墩桥梁盖梁与空心板梁之间；外耗能装置布置在独柱墩桥梁盖梁底部外侧；上耗能装置以及外耗能装置均包括钢板、钢条、软钢、铅、活塞杆以及钢块；抗扭转失效装置包括盖梁钢锚块及承台钢锚块、管道、钢绞线、电动牵引机以及锚具，盖梁钢锚块布置在盖梁外侧上部，承台钢锚块布置在地表下承台顶部，盖梁钢锚块和承台钢锚块之间通过管道、钢绞线、锚具、电动牵引机组合连接为一个整体。
Description
技术领域
本发明涉及一种止损装置，特别是一种车辆撞击荷载下的兼具耗能与抗扭转失效功能的大悬臂独柱墩桥梁遭受撞击后的止损装置，属于桥梁防灾技术领域。
背景技术
近年来，独柱墩桥梁由于其结构美观、占地量小等优点，在高速公路及城市立交建设中被广泛应用，其安全情况不容小觑。目前，我国桥梁工作者关注较多的是独柱墩桥梁的横向抗倾覆能力，很少考虑独柱墩桥梁纵向抗撞击能力。由于独柱墩抗扭性能差，大悬臂独柱墩桥梁纵向撞击事故一旦发生，不仅会造成盖梁破损，更危险的是桥墩受扭，墩身开裂，造成非常严重的后果。
发明内容
基于上述缺陷，本发明提出了一种大悬臂独柱墩桥梁遭受撞击后的止损装置，其兼具耗能与抗扭转失效功能，用以提升大悬臂独柱墩桥梁的纵向抗撞击和抗扭转性能。
为解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：
一种大悬臂独柱墩桥梁遭受撞击后的止损装置，其兼具耗能与抗扭转失效功能，包括独柱墩顶部的盖梁、空心板梁、耗能装置以及抗扭转失效装置；盖梁顶部通过支座支撑空心板梁；
所述耗能装置包括上耗能装置以及外耗能装置；所述上耗能装置布置在独柱墩桥梁盖梁与空心板梁之间；所述外耗能装置布置在独柱墩桥梁盖梁底部外侧；所述上耗能装置以及外耗能装置均包括钢板、钢条、软钢、铅、活塞杆以及钢块；软钢为多列，布置与于两个钢板之间，每列软钢由多道圆弧形软钢钢管和直线型软钢凹槽交错构成，中间为竖直灌铅通道；软钢上下两端通过钢条与钢板焊接在一起，活塞杆一侧焊接在圆弧形软钢钢管一端，另一端设置有钢块，钢块可在活塞杆上滑动；钢块内侧限定出灌铅通道；
所述抗扭转失效装置包括盖梁钢锚块及承台钢锚块、管道、钢绞线、电动牵引机以及锚具，盖梁钢锚块布置在盖梁外侧上部，承台钢锚块布置在地表下承台顶部，盖梁钢锚块和承台钢锚块之间通过管道、钢绞线、锚具、电动牵引机组合连接为一个整体；
管道内部的钢绞线上端连接固定于盖梁钢锚块内的电动牵引机上，钢绞线下端通过锚具固定于地表下承台钢锚块中。
进一步地，为避免占据桥下空间，管道在盖梁表面向下延伸，在独柱墩表面上缠绕数圈进入地下；管道外侧布置多个限位器对管道进行固定，地表以下管道通过螺栓固定于承台钢锚块上，且管道内部灌油；侧向放置的所述外耗能装置的顶部还布置有橡胶挡板。
进一步地，所述外耗能装置上布置位移传感器，所述位移传感器连有自动开关，可根据车辆撞击后外耗能装置的变形大小控制启动盖梁上盖梁钢锚块中的电动牵引机，从而拉动钢绞线进行抗扭。
进一步地，所述耗能装置中，钢板截面为70cm×70cm，厚度为5cm；钢条长度为钢板长度的1/15，软钢整体形似弹簧，高度为50～55cm，共布置四列于钢板上，每一列软钢长度为60cm，向上沿伸方向上直线型软钢凹槽与圆弧形软钢钢管之比为4：5，直线型软钢凹槽与圆弧形软钢钢管高度均为5cm；钢块初始位置放置于活塞杆近软钢中心端，灌铅时通过软钢顶部开设的直径为2cm的小孔向软钢内部灌注，钢块可阻碍灌注过程中铅向软钢端部空腔处流动；灌注的铅的体积为软钢内体积的1/2。
进一步地，所述耗能装置中软钢含碳量为0.2％～0.3％，屈服强度为200MPa。
进一步地，所述上耗能装置中两端钢板与盖梁和空心板梁之间通过多个螺栓固定，使上耗能装置牢牢固定在盖梁和空心板梁上，保障上耗能装置不会脱落；所述外耗能装置中，近盖梁侧的钢板通过多个螺栓与盖梁固定，所述橡胶挡板截面尺寸为75cm×75cm，厚度2～3cm，橡胶挡板通过多个螺栓与耗能装置中的钢板固定，可使外耗能装置防止雨水的腐蚀。
进一步地，由于支座抗剪切能力较差，当盖梁遭受到桥梁下设车道的超高车辆碰撞时，产生扭矩，盖梁顶部的上耗能装置通过与空心板梁的连结，限制独柱墩身的扭转；此外，所述外耗能装置为多组模块并联而成，应避免作为一个整体模块进行安装布置，便于在发生碰撞后，对碰撞后造成破损的模块进行修缮或更换，经济环保。
进一步地，盖梁钢锚块及承台钢锚块与盖梁或者承台之间用螺栓固定，所述管道为直径为20mm的圆孔型管道，管道端部通过氯丁橡胶粘剂固定在盖梁钢锚块及承台钢锚块表面；钢绞线上端连结电动牵引机，电动牵引机通过螺栓固定在盖梁钢锚块中，下端通过锚具固定在地表下承台钢锚块中；管道通过限位器固定在盖梁及独柱墩外表面，管道内灌油用于减小钢绞线与管道内壁之间的摩擦阻力。
进一步地，所述管道为带有直径为25mm凹槽的立方体，通过凹槽两侧螺栓固定在盖梁或独柱墩上；限位器的材料为聚氯乙烯，PVC材料机械性能优良，耐酸碱、耐磨、不易燃，能够较好地防火防雨。
进一步地，所述螺栓为高强度螺栓，其材质为35CrMoA。所能承受载荷较大，可以长期使用。
进一步地，当盖梁遭受到桥梁下设车道的超高车辆碰撞，且汽车撞击力低于100kN，盖梁上耗能装置变形较小，产生的扭矩也较小，但由于支座抗剪切能力较差，此时盖梁顶部的耗能装置通过与空心板梁的连结，能够限制独柱墩身的扭转。当汽车撞击力超过100kN时，产生扭矩较大，此时盖梁上耗能装置变形较大，位移传感器检测到变形超限，输出信号，盖梁上钢锚块上电动牵引机牵引管道内部钢绞线，从而拉动地表下的巨大承台进行抗扭。
相对于现有技术，本发明具有如下技术效果：
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：大悬臂独柱墩桥梁在遭受了超高车辆纵向撞击荷载之后，产生撞击力与扭矩。独柱墩桥梁纵向盖梁外侧所述耗能装置承受撞击力，耗能装置中软钢产生压缩变形，导致空心可滑动钢块在活塞杆上向远离软钢中心侧运动，由此，铅可向软钢中两侧的空腔内流动，共同作用消耗能量。当撞击力小于100kN时，位移传感器读数较小，不控制自动开关闭合，盖梁顶部所述耗能装置连接空心板梁与盖梁，足以很好的限制独柱墩神的扭转；当撞击力大于100kN时，也产生巨大的扭矩，耗能装置中软钢压缩变形较大，位移传感器读数达到接通自动开关临界值，控制启动盖梁上钢锚块处电动牵引机工作，拉紧锚固于承台上钢锚块的钢绞线，从而使地表下的承台一起进行抗扭。
附图说明
图1是本发明的一种大悬臂独柱墩桥梁遭受撞击后的止损装置正视图；
图2是本发明的一种大悬臂独柱墩桥梁遭受撞击后的止损装置侧视图；
图3是本发明的图1的一种大悬臂独柱墩桥梁遭受撞击后的止损装置梁盖1-1截面以下耗能装置俯视图；
图4是本发明的一种大悬臂独柱墩桥梁遭受撞击后的止损装置梁盖以下锚块与管道的俯视图；
图5是本发明的上耗能装置的正视图；
图6是本发明的上耗能装置的侧视图；
图7是本发明的上耗能装置的俯视图；
图8是本发明的限位器的示意图；
图9是本发明的一种大悬臂独柱墩桥梁遭受撞击后的止损装置的局部大样图。
图中：1-空心板梁；2-盖梁；3-独柱墩；4-承台；5-1锚块；5-2-锚块；5-3-锚块；5-4-锚块；6-1-锚块；6-2-锚块；6-3-锚块；6-4-锚块；7-支座；8-1-上耗能装置；8-2-外耗能装置；9-橡胶挡板；10-桩基；11-管道；12-1钢绞线；12-2钢绞线；12-3钢绞线；12-4钢绞线；13-限位器；14-位移传感器；15-电动牵引机；16-螺栓；17钢板；18-钢条；19-活塞杆；20-钢块；21-铅；22-小孔；23-软钢；24-锚具；25-自动开关；26-电线；27-配电箱。
具体实施方式
下面结合附图1-9对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
如图1-9所示，本发明的一种大悬臂独柱墩桥梁遭受撞击后的止损装置，其兼具耗能与抗扭转失效功能，包括独柱墩3顶部的盖梁2、空心板梁1、耗能装置以及抗扭转失效装置。盖梁2顶部通过支座7支撑空心板梁1。
如图1-3和图9所示，耗能装置包括上耗能装置8-1以及外耗能装置8-2。上耗能装置8-1布置在独柱墩桥梁盖梁2与空心板梁1之间。外耗能装置8-2布置在独柱墩桥梁盖梁2底部外侧。如图5-7所示，上耗能装置8-1以及外耗能装置8-2均包括钢板17、钢条18、软钢23、铅21、活塞杆19以及钢块20。软钢23为多列，布置与于两个钢板17之间，每列软钢23由多道圆弧形软钢钢管和直线型软钢凹槽交错构成，中间为竖直灌铅通道。软钢23上下两端通过钢条18与钢板17焊接在一起，活塞杆19一侧焊接在圆弧形软钢钢管一端，另一端设置有钢块20，钢块20可在活塞杆19上滑动。钢块20内侧限定出灌铅通道。外耗能装置8-2上布置位移传感器14，位移传感器14连有自动开关25，可根据车辆撞击后外耗能装置8-2的变形大小控制启动盖梁上盖梁钢锚块5-1、5-2、5-3、5-4中的电动牵引机15，从而拉动钢绞线12-1、12-2、12-3、12-4进行抗扭。
抗扭转失效装置包括盖梁钢锚块5-1、5-2、5-3、5-4及承台钢锚块6-1、6-2、6-3、6-4、管道11、钢绞线12-1、12-2、12-3、12-4、电动牵引机15以及锚具24，盖梁钢锚块5-1、5-2、5-3、5-4布置在盖梁2外侧上部，承台钢锚块6-1、6-2、6-3、6-4布置在地表下承台4顶部，盖梁钢锚块5-1、5-2、5-3、5-4和承台钢锚块6-1、6-2、6-3、6-4之间通过管道11、钢绞线12-1、12-2、12-3、12-4、锚具24、电动牵引机15组合连接为一个整体。管道11内部的钢绞线12-1、12-2、12-3、12-4上端连接固定于盖梁钢锚块5-1、5-2、5-3、5-4内的电动牵引机15上，钢绞线12-1、12-2、12-3、12-4下端通过锚具24固定于地表下承台钢锚块6-1、6-2、6-3、6-4中。为避免占据桥下空间，管道11在盖梁2表面向下延伸，在独柱墩3表面上缠绕数圈进入地下。管道11外侧布置多个限位器13对管道11进行固定，地表以下管道11通过螺栓16固定于承台钢锚块6-1、6-2、6-3、6-4上，且管道11内部灌油。侧向放置的外耗能装置8-2的顶部还布置有橡胶挡板9。
本实施例中，耗能装置中，钢板17截面为70cm×70cm，厚度为5cm。钢条18长度为钢板17长度的1/15，软钢23整体形似弹簧，高度为50～55cm，共布置四列于钢板17上，每一列软钢23长度为60cm，向上沿伸方向上直线型软钢凹槽与圆弧形软钢钢管之比为4：5，直线型软钢凹槽与圆弧形软钢钢管高度均为5cm。钢块20初始位置放置于活塞杆19近软钢23中心端，灌铅21时通过软钢23顶部开设的直径为2cm的小孔22向软钢23内部灌注，钢块20可阻碍灌注过程中铅21向软钢23端部空腔处流动。灌注的铅21的体积为软钢23内体积的1/2。耗能装置中软钢23含碳量为0.2％～0.3％，屈服强度为200MPa。上耗能装置8-1中两端钢板17与盖梁2和空心板梁1之间通过多个螺栓16固定，使上耗能装置8-1牢牢固定在盖梁2和空心板梁1上，保障上耗能装置8-1不会脱落。外耗能装置8-2中，近盖梁2侧的钢板17通过多个螺栓16与盖梁2固定，橡胶挡板9截面尺寸为75cm×75cm，厚度2～3cm，橡胶挡板9通过多个螺栓16与耗能装置中的钢板17固定，可使外耗能装置8-2防止雨水的腐蚀。
进一步地，由于支座7抗剪切能力较差，当盖梁2遭受到桥梁下设车道的超高车辆碰撞时，产生扭矩，盖梁顶部的上耗能装置8-1通过与空心板梁1的连结，限制独柱墩身3的扭转。此外，外耗能装置8-2为多组模块并联而成，应避免作为一个整体模块进行安装布置，便于在发生碰撞后，对碰撞后造成破损的模块进行修缮或更换，经济环保。
盖梁钢锚块5-1、5-2、5-3、5-4及承台钢锚块6-1、6-2、6-3、6-4与盖梁2或者承台4之间用螺栓16固定，管道11为直径为20mm的圆孔型管道，管道端部通过氯丁橡胶粘剂固定在盖梁钢锚块5-1、5-2、5-3、5-4及承台钢锚块6-1、6-2、6-3、6-4表面。钢绞线12-1、12-2、12-3、12-4上端连结电动牵引机15，电动牵引机15通过螺栓16固定在盖梁钢锚块5-1、5-2、5-3、5-4中，下端通过锚具24固定在地表下承台钢锚块6-1、6-2、6-3、6-4中。管道11通过限位器13固定在盖梁2及独柱墩3外表面，管道11内灌油用于减小钢绞线12-1、12-2、12-3、12-4与管道11内壁之间的摩擦阻力。螺栓16为高强度螺栓，其材质为35CrMoA。所能承受载荷较大，可以长期使用。
如图8所示，管道11外的限位器13为带有直径为25mm凹槽的立方体，通过凹槽两侧螺栓16固定在盖梁2或独柱墩3上。限位器13的材料为聚氯乙烯PVC，PVC材料机械性能优良，耐酸碱、耐磨、不易燃，能够较好地防火防雨。
桥梁下设车道超高车辆撞击盖梁时，产生撞击力与扭矩计算公式如下：
Pk——汽车撞击力kN。
m——汽车质量t，包括自重与载重。
v——汽车行驶速度m/s。
t——撞击持续时间s。
T＝Pk×l
T——撞击产生扭矩kN*m。
l——汽车撞击点距独柱墩心距离m。
当盖梁遭受到桥梁下设车道的超高车辆碰撞，且汽车撞击力低于100kN，盖梁上耗能装置变形较小，产生的扭矩也较小，但由于支座抗剪切能力较差，此时盖梁顶部的耗能装置通过与空心板梁的连结，能够限制独柱墩身的扭转。当汽车撞击力超过100kN时，产生扭矩较大，此时盖梁上耗能装置变形较大，位移传感器检测到变形超限，输出信号，盖梁钢锚块上电动牵引机牵引管道内部钢绞线，从而拉动地表下的巨大承台进行抗扭。
具体控制过程为：当独柱墩桥梁纵向遭受某一下设车道上的超高车辆撞击时，如图3、4所示，外耗能装置8-2承受荷载，软钢23产生压缩变形，软钢23内部所灌注铅21受挤压向远离软钢23两端的方向运动，推动空心可滑动钢块20在活塞杆19上向两侧滑动，铅21可向软钢23内部空腔处流动，消耗能量。当撞击荷载小于100kN时，位移传感器14读数较小，未达到启动自动开关25临界值，不闭合自动开关25，此时撞击产生的扭矩较小，耗能装置8-1两端连接固定空心板梁1与盖梁2，足以限制独柱墩3的扭转。当撞击荷载大于100kN时，位移传感器14读数达到启动自动开关25临界值，自动开关25闭合，梁盖钢锚块5-4上的电动牵引机15开始工作，拉动钢绞线12-4，钢绞线12-4通过锚具24固定于地表下承台上锚块6-1，工作过程中钢锚块5-4承受来自钢绞线12-4的拉力F1，钢锚块6-1承受来自钢绞线12-4的拉力F2，此时两拉力F1、F2作用点不在同一条直线上而产生顺时针方向的扭矩M2，此扭矩和空心板梁1共同抵抗外力撞击所产生的逆时针方向扭矩M1。
上述实施例只是为了更清楚说明本发明的技术方案做出的列举，并非对本发明的限定，本领域的普通技术人员根据本领域的公知常识对本申请技术方案的变通亦均在本申请保护范围之内，总之，上述实施例仅为列举，本申请的保护范围以所附权利要求书范围为准。
Claims (7)
1.一种大悬臂独柱墩桥梁遭受撞击后的止损装置，其兼具耗能与抗扭转失效功能，包括独柱墩(3)顶部的盖梁(2)、空心板梁(1)、耗能装置以及抗扭转失效装置；盖梁(2)顶部通过支座(7)支撑空心板梁(1)；其特征在于：
所述耗能装置包括上耗能装置(8-1)以及外耗能装置(8-2)；所述上耗能装置(8-1)布置在独柱墩桥梁盖梁(2)与空心板梁(1)之间；所述外耗能装置(8-2)布置在独柱墩桥梁盖梁(2)底部外侧；所述上耗能装置(8-1)以及外耗能装置(8-2)均包括钢板(17)、钢条(18)、软钢(23)、铅(21)、活塞杆(19)以及钢块(20)；软钢(23)为多列，布置与于两个钢板(17)之间，每列软钢(23)由多道圆弧形软钢钢管和直线型软钢凹槽交错构成，中间为竖直灌铅通道；软钢(23)上下两端通过钢条(18)与钢板(17)焊接在一起，活塞杆(19)一侧焊接在圆弧形软钢钢管一端，另一端设置有钢块(20)，钢块(20)可在活塞杆(19)上滑动；钢块(20)内侧限定出灌铅通道；
所述抗扭转失效装置包括盖梁钢锚块及承台钢锚块、管道(11)、钢绞线、电动牵引机(15)以及锚具(24)，盖梁钢锚块布置在盖梁(2)外侧上部，承台钢锚块布置在地表下承台(4)顶部，盖梁钢锚块和承台钢锚块之间通过管道(11)、钢绞线、锚具(24)、电动牵引机(15)组合连接为一个整体；
管道(11)内部的钢绞线上端连接固定于盖梁钢锚块内的电动牵引机(15)上，钢绞线下端通过锚具(24)固定于地表下承台钢锚块中；
为避免占据桥下空间，管道(11)在盖梁(2)表面向下延伸，在独柱墩(3)表面上缠绕数圈进入地下；管道(11)外侧布置多个限位器(13)对管道(11)进行固定，地表以下管道(11)通过螺栓(16)固定于承台钢锚块上，且管道(11)内部灌油；侧向放置的所述外耗能装置(8-2)的顶部还布置有橡胶挡板(9)；
所述外耗能装置(8-2)上布置位移传感器(14)，所述位移传感器(14)连有自动开关(25)，可根据车辆撞击后外耗能装置(8-2)的变形大小控制启动盖梁上盖梁钢锚块中的电动牵引机(15)，从而拉动钢绞线进行抗扭；
所述耗能装置中软钢(23)含碳量为0.2％～0.3％，屈服强度为200MPa。
2.根据权利要求1所述的一种大悬臂独柱墩桥梁遭受撞击后的止损装置，其特征在于：所述耗能装置中，钢板(17)截面为70cm×70cm，厚度为5cm；钢条(18)长度为钢板(17)长度的1/15，软钢(23)整体形似弹簧，高度为50～55cm，共布置四列于钢板(17)上，每一列软钢(23)长度为60cm，向上沿伸方向上直线型软钢凹槽与圆弧形软钢钢管之比为4：5，直线型软钢凹槽与圆弧形软钢钢管高度均为5cm；钢块(20)初始位置放置于活塞杆(19)近软钢(23)中心端，灌铅(21)时通过软钢(23)顶部开设的直径为2cm的小孔(22)向软钢(23)内部灌注，钢块(20)可阻碍灌注过程中铅(21)向软钢(23)端部空腔处流动；灌注的铅(21)的体积为软钢(23)内体积的1/2。
3.根据权利要求1所述的一种大悬臂独柱墩桥梁遭受撞击后的止损装置，其特征在于：所述上耗能装置(8-1)中两端钢板(17)与盖梁(2)和空心板梁(1)之间通过多个螺栓(16)固定，使上耗能装置(8-1)牢牢固定在盖梁(2)和空心板梁(1)上，保障上耗能装置(8-1)不会脱落；所述外耗能装置(8-2)中，近盖梁(2)侧的钢板(17)通过多个螺栓(16)与盖梁(2)固定，所述橡胶挡板(9)截面尺寸为75cm×75cm，厚度2～3cm，橡胶挡板(9)通过多个螺栓(16)与耗能装置中的钢板(17)固定，可使外耗能装置(8-2)防止雨水的腐蚀。
4.根据权利要求1所述的一种大悬臂独柱墩桥梁遭受撞击后的止损装置，其特征在于：由于支座(7)抗剪切能力较差，当盖梁(2)遭受到桥梁下设车道的超高车辆碰撞时，产生扭矩，盖梁顶部的上耗能装置(8-1)通过与空心板梁(1)的连结，限制独柱墩身(3)的扭转；此外，所述外耗能装置(8-2)为多组模块并联而成，应避免作为一个整体模块进行安装布置，便于在发生碰撞后，对碰撞后造成破损的模块进行修缮或更换，经济环保。
5.根据权利要求1所述的一种大悬臂独柱墩桥梁遭受撞击后的止损装置，其特征在于：盖梁钢锚块及承台钢锚块与盖梁(2)或者承台(4)之间用螺栓(16)固定，所述管道(11)为直径为20mm的圆孔型管道，管道端部通过氯丁橡胶粘剂固定在盖梁钢锚块及承台钢锚块表面；钢绞线上端连结电动牵引机(15)，电动牵引机(15)通过螺栓(16)固定在盖梁钢锚块中，下端通过锚具(24)固定在地表下承台钢锚块中；管道(11)通过限位器(13)固定在盖梁(2)及独柱墩(3)外表面，管道(11)内灌油用于减小钢绞线与管道(11)内壁之间的摩擦阻力。
6.根据权利要求5所述的一种大悬臂独柱墩桥梁遭受撞击后的止损装置，其特征在于：所述管道(11)外的限位器(13)为带有直径为25mm凹槽的立方体，通过凹槽两侧螺栓(16)固定在盖梁(2)或独柱墩(3)上；限位器(13)的材料为聚氯乙烯。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种大悬臂独柱墩桥梁遭受撞击后的止损装置，其特征在于：所述螺栓(16)为高强度螺栓，其材质为35CrMoA。
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