CN114737472A - 减震限位拉索装置、桥梁减震体系、碳纤维索设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及桥梁建筑领域，具体涉及减震限位拉索装置、桥梁减震体系、碳纤维索设计方法。减震限位拉索装置包括碳纤维索，碳纤维索的两端分别设置有锚头；桥梁减震体系包括减震限位拉索装置、锚固装置和桥梁结构；锚固装置分为两种形式，均包含有与梁段或桥墩固定连接的底座板。拉索设计方法用于对减碳纤维索进行设计，结合有限元分析获得的位移谱、规范给出动力放大系数曲线和位移限制需求，联合确定碳纤维索截面积与长度。本发明利用了碳纤维索的轻质高强、弹性储能大的特性，利于桥梁的抗震以及梁段的自复位。

Description

减震限位拉索装置、桥梁减震体系、碳纤维索设计方法

技术领域

本发明涉及一种桥梁限位装置，特别是一种减震限位拉索装置、桥梁减震体系及碳纤维索的设计方法。

背景技术

桥梁是重要的生命线工程结构，在防震减灾中具有重要地位。20世纪70年代逐步发展起来的减隔震技术已成为提高桥梁抗震能力的有效手段。现有减隔振装置根据不同目的和用途可简要分为以下几类：

(1)减震限位装置：黏滞阻尼器、黏弹性阻尼器、电流变阻尼器、磁流变阻尼器，以及金属类阻尼器，如软钢阻尼器、铅阻尼器、记忆合金阻尼器及约束屈曲支撑(BRB)等。

(2)柔性橡胶支座:叠层板式橡胶支座、铅芯橡胶支座(LRB)、高阻尼橡胶支座(HDRB)、填充钢珠橡胶支座等；

(3)滑动摩擦类支座:纯滑动摩擦支座(如四氟滑板支座)、摩擦摆式支座(FPS)、双曲面球型支座、多球面滑动摩擦支座。

(4)组合型减隔震装置:如橡胶支座与滑动支座的组合支座、拉索减震支座。

(5)连接、限位装置:如Lock-up锁定装置、耗能挡块、耗能限位器等。

现有减隔振装置的技术要点是一方面通过采用柔性支承延长结构周期，放开墩梁相对位移，耗散地震能量，阻止或减少地震能量传入到结构体系，减小结构地震反应；另一方面需采用减震限位装置限制结构位移，防止发生落梁；同时还必须保证结构在正常使用荷载作用下具有足够的刚度，满足结构功能需求。

为满足隔震需求，减震限位装置刚度不易过大，但需适应较大的墩梁相对位移；同时减震限位装置还应防止发生过大的位移导致落梁的发生。现有技术可以通过采用柔性支承(橡胶类支座、摩擦类支座)+各类减震限位装置(粘滞阻尼器、金属阻尼器)或刚性限位装置(拉索防落梁、防落梁挡块)来实现。其中具有可恢复性能的主要包括摩擦摆支座和记忆合金(SMA)/钢丝拉索支座。各类限位拉索支座，受制于支座尺寸或材料力学性能的限制，其适应大变形(即较大的墩梁相对位移)的能力主要是通过设置较大的松弛间隙而不是材料本身的弹性变形来实现，即，在设计时就允许梁段与桥墩之间发生较大的位移，以适应地震时的大变形需求，当梁段与桥墩之间达到位移限值后再通过限位拉索的拉力将梁段与桥墩连接，避免出现落梁的情况，这必然导致两段较大的刚度差异，如图1中虚线所示，在强震作用下，梁体巨大的动能冲量将产生较大的瞬时冲力，不利于桥梁抗震。在另一方面，因为采用了设置较大的间隙的方式，因此，在墩梁之间出现较大位移之前，限位拉索不会出现弹性变形，因此，达不到震后梁段通过拉索的弹力实现自复位的效果，需要人为顶梁复位，梁段才能恢复原来的设计位置，影响梁上车辆的通行时间较长，不利于抢险救灾。

在现有的方案中，所采用的拉索均为钢索，钢索的弹性应变约为1％。以简支梁桥为例，通常为了达到良好的减隔震效果，在罕遇地震作用下墩梁相对位移大约控制在100mm左右，为满足此位移要求下拉索不发生塑性损伤，为此钢丝拉索长度需要10m，若要减少钢索的用量，就需要设计较大的松弛间隙，在地震时就会出现图1中虚线所示的情况。相比之下，碳纤维索的弹性应变约为2％，在墩梁相对位移需要控制在100mm左右时，碳纤维索仅需要5m，若采用碳纤维增强复合材料替代钢索，则能够克服钢索弹性应变小的问题。

碳纤维增强复合材料(简称碳纤维复材，CFRP)具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳、温度敏感性小等优点，具有较高的比强度、比刚性，轻量化效果十分明显，在达到设计强度需求时截面尺寸更小，可贴梁底设计，较长的拉索也不至发生索体自然悬垂，产生影响美观等次生问题。该材料在航空航天、军工产品中得到广泛应用，但是由于现有的减震限位拉索装置中采用的为钢索，钢索的强度高，能够承受各个方向上的较大作用力。而碳纤维索存在各向异性，具有轴向受力性能好，弯折不利的特点，因此，不能将现有的减震限位拉索装置中的钢索直接替换为碳纤维索。此外，目前也没有针对采用碳纤维索的减震限位拉索装置的设计方法。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有限位拉索技术采用设置较大的松弛间隙以适应墩梁之间的较大位移，存在不利于桥梁抗震以及震后梁段不易复位的问题，提供一种减震限位拉索装置、桥梁减震体系及碳纤维索的设计方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种减震限位拉索装置，包括碳纤维索，所述碳纤维索的两端分别设置有锚头，所述碳纤维索一端的所述锚头连接有第一锚固装置；所述第一锚固装置包括第一底座板，所述第一底座板用于与桥梁结构连接，所述第一底座板转动连接有固定筒，所述固定筒与所述锚头固定连接。

上述技术方案中，第一锚固装置的第一底座板与固定筒转动连接，将固定筒与锚头固定连接后，碳纤维索可以相对于第一底座板实现转动。在实际使用中，当碳纤维索所连接的梁段与桥墩之间出现相对位移后，可以通过第一底座板与固定筒的相对转动使碳纤维索所受拉力的方向与自身轴线平行，避免因碳纤维索出现弯折而影响碳纤维索的受力性能。上述的减震限位拉索装置采用了碳纤维索，能够实现将碳纤维索应用于桥墩与梁段的连接中，由于碳纤维索的弹性应变大，在进行桥梁设计时，可通过设计碳纤维索的弹性应变能力适应地震中桥墩与梁段间出现的较大位移，在地震后，梁段与墩梁还可以通过碳纤维索的弹力实现自复位。

作为本发明的优选方案，所述第一底座板设置有两竖板，所述固定筒的一端位于两所述竖板之间且设置有转轴，通过转轴实现固定筒与两所述竖板的转动连接；所述固定筒的另一端与锚头连接。

作为本发明的优选方案，所述碳纤维索另一端的锚头连接有第二锚固装置，所述第二锚固装置包括第二底座板，所述第二底座板上设置有挡板，所述挡板上设置有第二通孔；所述锚头穿过所述第二通孔后连接有限位螺母。

作为本发明的优选方案，所述挡板与所述限位螺母之间设置有碟簧。

通过在挡板与限位螺母之间设置碟簧，能够缓冲冲击，还可以施加预紧力，避免温度变形造成拉索松弛。

作为本发明的优选方案，所述挡板与所述第二底座板之间设置有肋板。

一种桥梁减震体系，包括前述的一种减震限位拉索装置，所述第一锚固装置与梁段固定连接，或，所述第一锚固装置与桥墩固定连接；所述碳纤维索成张紧状态。

上述技术方案所提供的桥梁减震体系中，采用了碳纤维索连接桥墩与梁段，碳纤维索成张紧状态，张紧状态包括未施加张拉力的自然张紧状态，也包括施加有张拉力的张紧状态。因此，在地震作用下，随着墩梁之间的位移增加，碳纤维索的弹力也逐渐增加，为梁段提供复位力，实现了利用碳纤维索的弹性应变大的特性适应地震时墩梁之间出现的位移。

相较于现有技术通过设置较大间隙结合钢索以适应墩梁之间出现较大位移的方式，采用上述的桥梁减震体系不会带来刚度差异，因此不会产生较大的瞬时冲力，更加利于桥梁的抗震，且在碳纤维索的弹力作用下能够实现梁段的自复位。

作为本发明的优选方案，所述第一底座板通过锚杆实现与梁段或与桥墩的固定连接。

作为本发明的优选方案，所述第一底座板贴合设置于梁段或桥墩。

一种碳纤维索的设计方法，用于对减震限位拉索装置中的碳纤维索进行设计，包括步骤，

S1：对全桥进行有限元分析，结合墩梁位移限值与反应谱动力放大系数，确定碳纤维索所需要的刚度K₁；

S2：根据墩梁位移限值确定碳纤维索的设计长度L；

S3：根据公式K₁＝EA/L计算碳纤维索的截面积A；其中，E为碳纤维索的弹性模量。

上述技术方案中虽然区分为了S1与S2，但是步骤S1与S2并没有先后顺序关系，仅是用于说明两者是相互独立的步骤。上述技术方案中的墩梁位移限值为桥梁的设计参数。

作为本发明的优选方案，所述S1中，确定碳纤维索所需要的刚度K₁的步骤包括S11：通过全桥有限元分析计算，得到墩梁相对位移与结构自振周期的关系，根据墩梁相对位移与结构自振周期的关系得到当墩梁之间的位移达到位移限值时所对应的结构自振周期，记为T_max；

S12：根据反应谱动力放大系数与结构自振周期的关系，将反应谱动力放大系数曲线趋于平稳变化时所对应的自振周期记为T_min；

S13：根据结构自振周期和碳纤维索刚度关系，计算T_max所对应的碳纤维索刚度，记为K_1max；计算T_min所对应的碳纤维索刚度，记为K_1min；K₁可在[K_1min，K_1max]范围内进行取值。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、提供了一种减震限位拉索装置，采用了碳纤维索作为拉索，能够避免碳纤维拉索在桥墩与梁段发生相对位移后因出现弯折而使受力性能受到影响，实现了将碳纤维索应用于连接桥梁结构的目的。

2、提供了一种桥梁减震体系，采用了碳纤维索对桥墩与梁段进行连接，碳纤维索处于张紧状态，利用了碳纤维索的弹性应变大的特性以适应地震时墩梁之间出现的位移。更加利于桥梁的抗震以及梁段的自复位。

3、提供了一种用于对减震限位拉索装置中的碳纤维索进行设计的设计方法，能够用于对碳纤维拉索的参数进行设计，实现在桥梁领域合理地应用碳纤维索进行桥梁结构的连接。

附图说明

图1是现有的拉索设置方式与本发明所提供的拉索设置方式在墩梁之间出现位移后的受力曲线示意图；

图2是本发明中的减震限位拉索装置的示意图；

图3是锚头的结构示意图；

图4是锚头与碳纤维索连接的结构示意图；

图5是本发明中第一锚固装置的结构示意图；

图6是本发明中桥梁减震体系的示意图；

图7是墩梁相对位移以及反应谱动力放大系数与结构自振周期的关系曲线图；

图8是结构自振周期和碳纤维索刚度的关系曲线图；

图9为HDR支座双折线力学滞回模型；

图10是第二锚固装置的结构示意图；

图11是锚头与第二锚固装置的连接示意图。

图标：1-碳纤维索；2-锚头；21-安装腔；22-夹片；23-堵头；30-第一锚固装置；31-第一底座板；32-固定筒；33-竖板；34-转轴；35-安装销；36-第二锚固装置；37-第二底座板；38-挡板；39-肋板；4-梁段；5-桥墩；6-碟簧；7-限位螺母。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种减震限位拉索装置，如图2所示，包括碳纤维索1，碳纤维索1的两端设置有锚头2。如图3所示，锚头2包括安装腔21，安装腔21的截面为锥形，在安装腔21内设置有至少两个夹片22，本实施例中夹片22的数量为两个，夹片22与安装腔21面接触。碳纤维索1的端部设置于两夹片22之间，通过两夹片22与碳纤维索1的摩擦力将锚头2与碳纤维索1进行固定。如图4所示，碳纤维索1从安装腔21开口较小的一端伸出，两夹片22能够起到楔子的作用实现楔紧，增加夹片22与碳纤维索1的相互作用力，进而增加夹片22与碳纤维索1之间的最大静摩擦力，以实现对碳纤维索1的可靠夹紧，保证了锚头2与碳纤维索1的可靠连接。安装腔21的另一端设置有堵头23，以避免夹片22脱落。

碳纤维索1两端的锚头2分别连接有第一锚固装置30与第二锚固装置36。如图5所示，第一锚固装置30包括第一底座板31与固定筒32，第一底座板31上设置有两竖板33，固定筒32的一端设置于两竖板33之间，并通过转轴34实现固定筒32与两竖板33的转动连接。固定筒32的另一端与锚头2固定连接，具体地，可以采用在锚头2开设外螺纹，在固定筒32上开设螺纹孔的方式，使固定筒32与锚头2通过螺纹实现固定连接。第一底座板31上还可以设置有用于锚杆穿过的第一通孔。

在安装时，第一底座板31与固定筒32单独安装。先将第一底座板31与桥梁结构固定连接，之后再通过转轴34将与锚头2固定连接后的固定筒32转动连接于第一底座板31，此时锚头2应已固定在碳纤维索1的端部。为了避免转轴34从第一底座板31脱落，可在安装完转轴34之后在转轴34的两端插入安装销35，当然，也可采用其它的现有技术避免转轴34从第一底座板31脱落。当然，也可以如图2所示，在碳纤维索1的两端均通过锚头2连接第一锚固装置30，但是由于安装第一锚固装置30的操作较为繁琐，因此，在碳纤维索1的一端连接第一锚固装置30，另一端连接第二锚固装置36。

如图9、图10与图11所示，第二锚固装置36包括第二底座板37，第二底座板37上固定设置有挡板38，挡板38上开设有供锚头2穿过的第二通孔，锚头2穿过第二通过后，通过在锚头2外侧螺纹连接限位螺母7的方式，能够在安装与张拉碳纤维索1时，实现对碳纤维索1一端的固定。由于挡板38固定设置于第二底座板37，限位螺母7与挡板38通过平面接触，因此，在限位螺母7与挡板38之间还可以设置碟簧6，用以缓冲冲击，还可以施加预紧力，避免温度变形造成拉索松弛，当然，也可以采用压缩弹簧等弹性件，但是相同尺寸下，碟簧6的稳定性更好、刚度更大，在受压时无需设置限位套筒也能保持稳定，且碟簧6为标准件，成本低廉。为了提高第二锚固装置36的强度，在第二底座板37与挡板38之间还设置有肋板39。同样地，第二锚固装置36也可通过在第二底座板37上开孔的方式实现与梁段4或桥墩5的固定连接。

实施例2

一种桥梁减震体系，采用实施例中技术方案所提供的一种减震限位拉索装置，将梁段4与桥墩5进行连接。如图6所示，设置于碳纤维索1两端的第一锚固装置30设置于梁段4的底面，第二锚固装置36设置于桥墩5的顶面。碳纤维索1成张紧状态，由于固定筒32与第一底座板31可以相对转动，因此在碳纤维索1内部拉应力的作用下固定筒32会旋转，使得碳纤维索1位于锚头2内的端部与碳纤维索1中间部位处于同一轴线上，避免碳纤维索1因出现弯折而影响受力性能。

在碳纤维索1成张紧状态下，当桥梁与墩梁在地震作用下出现墩梁之间的间距增大时，碳纤维索1的弹力也增加，碳纤维索1的弹力即为使梁段4复位的复位力，其变化曲线如图1中的实现所示。在复位力的作用下，能够实现梁段4发生位移后的自复位。

实施例3

一种碳纤维索的设计方法，用于将碳纤维索应用于桥梁结构的连接时的参数计算。适用于实施例1技术方案提供的减震限位拉索装置中碳纤维索的设计，也可适用于采用其它形式的减震限位拉索装置时，对碳纤维索的计算。包括步骤S1：对全桥进行有限元分析，结合墩梁位移限值与反应谱动力放大系数，确定碳纤维索所需要的刚度K₁。

具体包括步骤S11：通过全桥有限元分析计算墩梁相对位移与结构自振周期的关系，计算得到的关系曲线如图7中的虚线所示。图7中的点划线为墩梁位移限值，即桥墩与梁段之间所允许的最大位移，上述两曲线的交点所对应的横坐标即为结构自振周期所允许的最大值，记为T_max，如图7中，T_max大约为2.75T/s。S12：根据抗震规范给出的反应谱动力放大系数与结构自振周期的关系(即图7中所示的实线)，将反应谱动力放大系数曲线趋于平稳变化时所对应的自振周期记为T_min，如图7中T_min为2.0T/s。

S13：根据图8中所示的结构自振周期和碳纤维索刚度关系，计算T_max所对应的碳纤维索刚度，记为K_1max；计算T_min所对应的碳纤维索刚度，记为K_1min；K₁可在[K_1min，K_1max]范围内进行取值。

S2：根据墩梁位移限值确定碳纤维索的设计长度L；具体地，

式中，u为步骤S11中所提及的墩梁位移限值；

为设计应变，是桥梁的设计参数；ε为破断时索体应变，由试验确定，通常碳纤维复材破断应变可做到2％左右；k为安全系数，可依据经验取值。

S3：根据公式K₁＝EA/L计算碳纤维索的截面积A；其中，E为碳纤维索的弹性模量。

实施例4

以某公路典型连续T梁为例，跨度30m，墩高20m，原抗震设计采用高阻尼橡胶支座。按照上述设计方法确定碳纤维索设计参数，连接墩梁的减震限位拉索装置中的碳纤维索的刚度K₂＝22.57kN/mm，14个HDR支座的刚度K₃＝22.5kN/mm，K2≈K3。计算得到的碳纤维索的刚度约等于支座的刚度。

根据HDR支座双折线力学滞回模型，如图9所示，图中X为支座设计位移，Q为设计阻尼力，K₁为初始刚度，K₂为支座二次刚度，Q_y为支座屈服力，K_h为等效刚度，X_y为支座屈服力Q_y对应的支座位移，X_d为无拉索限位装置支座自然卸载后的残余位移，X₁为采用拉索限位装置按照平衡条件计算的残余位移，对于简支梁桥理想状态下地震结束后支座水平阻尼力应为零以满足内力平衡条件，此时残余位移为X_d。

当存在拉索时，梁段的位移在碳纤维索的复位力作用下恢复的位移为X₁，在力的平衡位置有：K₂*X₁＝K₃*(X_d-X₁)，取K₂＝K₃，则X₁＝0.5X_d。即，本实施例中通过设置碳纤维索可恢复50％的残余位移。

若本项目将HDR支座换成滑动钢支座，支座反力合计约为4000kN假定支座摩擦系数为0.05，地震结束后静摩擦力最大为200kN。因此，在梁段的受力平衡位置有：K₂*X_d＝200kN，则残余位移X_d约为9mm。

若本项目将HDR支座改为摩擦摆支座，摩擦摆支座本身具有自复位功能，理论上配合碳纤维索使用可使梁段完全复位，达到100％自复位。

综上，根据本实施例的理论计算，能够证明采用碳纤维索的弹性应变适应地震时的墩梁相对位移，能够实现桥墩与梁段出现相对位移后的自复位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种减震限位拉索装置，其特征在于，包括碳纤维索(1)，所述碳纤维索(1)的两端分别设置有锚头(2)，所述碳纤维索(1)一端的所述锚头(2)连接有第一锚固装置(30)；所述第一锚固装置(30)包括第一底座板(31)，所述第一底座板(31)用于与桥梁结构连接，所述第一底座板(31)转动连接有固定筒(32)，所述固定筒(32)与所述锚头(2)固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种减震限位拉索装置，其特征在于，所述第一底座板(31)设置有两竖板(33)，所述固定筒(32)的一端位于两所述竖板(33)之间且设置有转轴(34)，通过转轴(34)实现固定筒(32)与两所述竖板(33)的转动连接；所述固定筒(32)的另一端与锚头(2)连接。

3.根据权利要求1所述的一种减震限位拉索装置，其特征在于，所述碳纤维索(1)另一端的锚头(2)连接有第二锚固装置(36)，所述第二锚固装置(36)包括第二底座板(37)，所述第二底座板(37)上设置有挡板(38)，所述挡板(38)上设置有第二通孔；所述锚头(2)穿过所述第二通孔后连接有限位螺母(7)。

4.根据权利要求3所述的一种减震限位拉索装置，其特征在于，所述挡板(38)与所述限位螺母(7)之间设置有碟簧(6)。

5.根据权利要求3所述的一种减震限位拉索装置，其特征在于，所述挡板(38)与所述第二底座板(37)之间设置有肋板(39)。

6.一种桥梁减震体系，包括权利要求1至5任一所述的一种减震限位拉索装置，其特征在于，所述第一锚固装置(30)与梁段(4)固定连接，或，所述第一锚固装置(30)与桥墩(5)固定连接；所述碳纤维索(1)成张紧状态。

7.根据权利要求6所述的一种桥梁减震体系，其特征在于，所述第一底座板(31)通过锚杆实现与梁段(4)或与桥墩(5)的固定连接。

8.根据权利要求6所述的一种桥梁减震体系，其特征在于，所述第一底座板(31)贴合设置于梁段(4)或桥墩(5)。

9.一种碳纤维索的设计方法，其特征在于，用于对减震限位拉索装置中的碳纤维索进行设计，并包括如下步骤，

S1：对全桥进行有限元分析，结合墩梁位移限值与反应谱动力放大系数，确定碳纤维索所需要的刚度K₁；

S2：根据墩梁位移限值确定碳纤维索的设计长度L；

S3：根据公式K₁＝EA/L计算碳纤维索的截面积A；其中，E为碳纤维索的弹性模量。

10.根据权利要求9所述的一种碳纤维索的设计方法，其特征在于，所述S1中，确定碳纤维索所需要的刚度K₁的步骤包括，

S11：通过全桥有限元分析计算，得到墩梁相对位移与结构自振周期的关系，根据墩梁相对位移与结构自振周期的关系得到当墩梁之间的位移达到位移限值时所对应的结构自振周期，记为T_max；

S12：根据反应谱动力放大系数与结构自振周期的关系，将反应谱动力放大系数曲线趋于平稳变化时所对应的自振周期记为T_min；

S13：根据结构自振周期和碳纤维索刚度关系，计算T_max所对应的碳纤维索刚度，记为K_1max；计算T_min所对应的碳纤维索刚度，记为K_1min；K₁可在[K_1min，K_1max]范围内进行取值。

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