CN114775413B - 基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构及方法，属于既有桥梁抗震加固技术领域。包括既有桥墩，既有盖梁，既有基础，顶部钢构件，底部钢构件，竖直螺杆，螺母，粘结剂，滑道，滚珠，增设桥墩，外钢管，惯容隔震器，聚四氟乙烯板和阻尼器组成。在既有盖梁和既有基础上安装顶部钢构件和底部钢构件；顶部钢构件上设置滑道和滚珠，底部钢构件与增设桥墩接触位置设置聚四氟乙烯板，减小增设桥墩与顶部和底部钢构件的摩擦；底部钢构件与既有基础之间安装惯容隔震器；在增设桥墩顶部安装阻尼器以增加耗能能力。本发明的抗震性能提升措施施工简单，震后桥墩结构残余位移小，大大提高了改造后桥墩结构的震后功能性和可恢复性。

Description

基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构及方法

技术领域

本发明涉及一种基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构及方法，属于既有桥梁抗震加固技术领域。

背景技术

桥梁作为交通生命线工程，其震后的安全性和快速通车能力很大程度影响震后灾区的救援速度。通过多次地震后调查发现，桥梁在震后破坏严重，比如桥墩在塑性铰区发生严重破坏，墩柱受剪破坏严重，上部结构落梁等。这些破坏不仅导致严重直接经济损失，而且桥梁的损毁造成交通中断，给震后救援与灾后重建带来严重阻碍。因此桥梁结构的震后功能的快速恢复对于震后灾区的救援至关重要。

截止2020年，我国在役公路桥梁总数超过80万座，其中根据2008版桥梁抗震规范进行设计的桥梁仅占36.4％。特别地，28.8％的桥梁由于建造时间早，并未考虑抗震设计。为大幅提高我国桥梁的震后功能性和安全性，交通运输部发布《关于进一步提升公路桥梁安全耐久水平的意见》(交公路发〔2020〕127号)中指出，大力开展危旧桥梁的改造行动，提高桥梁的安全性和耐久性。因此，在役桥梁的抗震性能提升也成为重点研究方面。

为实现既有桥梁抗震性能的提升，常采用的方法包括增大截面法，体外预应力法，外包钢法，碳纤维布加固法和减隔震技术等，通过以往研究发现，采用这些方法确实能够提高桥梁的承载力和延性，但是震后桥梁的残余位移仍很大，较大的残余位移使桥梁震后不能够实现快速的通车，因此不能第一时间开展救援工作。为降低震后残余位移，研究人员提出摇摆桥墩结构，其依靠桥墩自重实现震后自复位，采用阻尼器增大耗能，从而提高摇摆桥墩的抗震性能。然而，摇摆桥墩结构目前仅用于新建结构，未将其理念发展到桥梁的加固改造领域。此外，为了减小传入结构的地震能量，常在基础底部安装隔震支座，对于各隔震支座，结构隔震效果与竖向刚度的关系是成负相关，竖向刚度较低会增大隔震效果，但也会使结构的摇摆响应增大。惯容器能够延长结构振动周期，避免对刚度产生削弱，能够减轻在竖向刚度系统中刚度削减带来的过大竖向位移还有摇摆位移的影响，并且对安装空间要求不高。目前惯容器在桥梁隔震领域的应用尚在起步阶段，且多集中于理论研究。因此亟待提出基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升措施与构造，旨在实现既有桥梁抗震性能提升，提高震后既有桥墩的功能可恢复性，保证震后交通生命线的畅通。

发明内容

为了提升既有桥墩震后功能和可恢复性，降低地震作用下改造后桥墩的损伤和残余位移，本发明提出基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构及方法。在既有桥墩结构上增设摇摆桥墩，采用惯容隔震器减少地震能量对增设摇摆的输入；增设桥墩的顶部和底部设置钢构件，与增设桥墩形成摇摆界面，增大改造后桥墩的自复位能力；增设桥墩的顶部安装阻尼器耗散地震能量，降低既有桥墩和增设摇摆桥墩损伤。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构，用于提升既有桥墩的震后功能性和可恢复性，包括既有桥墩、既有盖梁以及既有基础，既有桥墩上、下分别设置有既有盖梁以及既有基础；

还包括顶部钢构件、底部钢构件、增设桥墩，外钢管，惯容隔震器以及阻尼器；

在所述既有盖梁和既有基础上设置有切除凹槽，切除凹槽内分别设置有顶部钢构件以及底部钢构件；顶部钢构件与底部钢构件之间设置有所述增设桥墩；顶部钢构件与底部钢构件中间均设置有圆弧形凹槽，所述增设桥墩的底部和顶部均为圆弧形，其分别位于顶部钢构件与底部钢构件中间的圆弧形凹槽内，便于增设桥墩的摇摆；

所述增设桥墩顶部设置有带圆弧形顶面的外钢管，所述外钢管外壁和顶部钢构件之间还安装有多根阻尼器，用以增加增设桥墩的耗能能力；

所述顶部钢构件的圆弧形凹槽内设置有多个同心的圆形滑道和滚珠，用于减小与增设桥墩顶部的外钢管的摩擦；滑道的横截面为圆弧形，在每个滑道中放置有多个滚珠；滚珠嵌入所述滑道内，即滑道开口处宽度小于滚珠直径，确保滚珠不掉出；滚珠通过滑道预留的进珠槽安装，安装滚珠后将进珠槽封上；

所述底部钢构件与既有基础之间还安装有惯容隔震器；所述惯容隔震器设置为水平方向和竖直方向；惯容隔震器包括惯容组件、阻尼器组件和弹簧组件；所述惯容组件，阻尼器组件和弹簧组件并联或其中两个组件并联后再与另一个组件串联，用于起到水平和竖直方向的隔震作用。

进一步地，所述顶部钢构件通过竖直螺杆、螺母和粘结剂固定于既有盖梁上。

进一步地，所述底部钢构件的圆弧形凹槽与增设桥墩底部接触位置均设置有聚四氟乙烯板，且所述增设桥墩顶部设置带圆弧形顶面的外钢管，其用于减小增设桥墩与顶部钢构件和底部钢构件之间的摩擦。

进一步地，所述底部钢构件中圆弧形凹槽的半径大于增设桥墩底部弧形的半径，便于增设桥墩底部的摇摆。

进一步地，所述顶部钢构件设置的圆弧形凹槽半径稍大于增设桥墩顶部圆弧半径，用于给予增设桥墩摇摆的空间。

进一步地，所述顶部钢构件连接所用竖直螺杆表面带有螺纹，用于增加竖直螺杆与粘结剂的粘结强度，且所述竖直螺杆埋置深度的设计要保证其具有足够的抗拉拔强度。

进一步地，所述粘结剂采用早强水泥砂浆。

进一步地，所述既有盖梁和既有基础上切除凹槽的厚度不超过既有盖梁和既有基础原高度的1/2，用以保证正常通车和满足承载力的要求。

进一步地，所述增设桥墩为1根以上，其设置于双柱墩桥梁两根既有桥墩之间；或者所述增设桥墩为多根，其设置于T型单墩桥梁的既有桥墩周边。增设桥墩数量可以根据既有桥墩结构形式进行调整，不限于仅增设一个桥墩。

一种基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构的施工方法，包括如下步骤：

步骤一：将既有盖梁和既有基础的部分混凝土挖掉，形成切除凹槽，为安装顶部钢构件和底部钢构件预留空间；

步骤二：安装顶部钢构件，采用竖直螺杆、螺母和粘结剂将顶部钢构件固定于既有盖梁底部；顶部钢构件的圆弧形凹槽内的滚珠通过滑道预留的进珠槽安装，安装滚珠后将进珠槽封上；

步骤三：在既有基础切除凹槽形成的空间内安装附带聚四氟乙烯板的底部钢构件，在既有基础和底部钢构件之间安装惯容隔震器；

步骤四：安装顶部带有外钢管的增设桥墩，将其顶部和底部放置于顶部钢构件和底部钢构件的圆弧形凹槽位置；

步骤五：在外钢管外壁和顶部钢构件之间安装阻尼器。

该提升措施和构造不仅适用于双柱墩结构，也适用于T型单墩等多种既有桥墩结构体系；增设桥墩数量可以根据既有桥墩结构形式进行调整，不限于仅增设一个桥墩。

相对于现有技术，本发明具有如下技术效果：

1.提出的基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构及方法，将既有延性桥墩结构改造成功能可恢复的桥墩结构体系，利用增设桥墩的自复位摇摆提高改造后桥墩结构的自复位能力，降低残余位移。

2.惯容隔震器对安装空间的需求小，适合用于桥墩改造加固领域；惯容隔震器延长结构的周期，减轻刚度削弱带来的过大竖向和水平位移，降低地震对改造后桥墩结构的损伤。

3.安装的阻尼器能够耗散地震能量，将损伤集中于阻尼器，保护桥墩结构，且外置阻尼器便于后期更换，实现改造后桥墩结构的震后快速恢复。

4.提出的既有桥墩抗震性能提升措施与构造在施工过程中不影响正常通车，基本无现场湿作业量，改造所需时间短。

5.提出的既有桥墩抗震性能提升措施与构造使用范围广，可根据多种既有桥墩结构形式进行调整，具有重大工程应用前景，在工程上有推广的价值和意义。

6.改造后桥墩结构的耗能能力、震后的功能可恢复性显著提高，降低原桥墩损伤；在强震下，即使既有桥墩结构失效，增设摇摆桥墩仍能够发挥作用，为桥墩结构提供双重防线，为震后生命线的畅通带来保障。

附图说明

图1为基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构整体示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构的既有基础和增设桥墩连接详图；

图4为基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构的既有盖梁和增设桥墩连接详图；

图5为基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构的既有盖梁中顶部钢构件滑道和滚珠详图；

图6为基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构采用两个增设桥墩用于既有双柱墩改造时的示意图；

图7为基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构用于T型单墩结构时的示意图；

图8为基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构的施工流程图。

图中，1—既有桥墩；2—既有盖梁；3—既有基础；4—顶部钢构件；5—底部钢构件；6 —竖直螺杆；7—螺母；8—粘结剂；9—滑道；10—滚珠；11—增设桥墩；12—外钢管；13 —惯容隔震器；14—聚四氟乙烯板；15—阻尼器。

具体实施方式

下面结合附图1-8对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明适用的典型既有双柱式墩桥梁构造图如图1-5所示，为基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构，用于提升既有桥墩的震后功能性和可恢复性，包括既有桥墩1、既有盖梁2以及既有基础3，既有桥墩1上、下分别设置有既有盖梁2以及既有基础3，还包括顶部钢构件4、底部钢构件5、增设桥墩11，外钢管12，惯容隔震器13以及阻尼器15。顶部钢构件4通过竖直螺杆6、螺母7和粘结剂8固定于既有盖梁2上。顶部钢构件4连接所用竖直螺杆6表面带有螺纹，粘结剂8采用早强水泥砂浆，用于增加竖直螺杆6与粘结剂8的粘结强度，且竖直螺杆6埋置深度的设计要保证其具有足够的抗拉拔强度。在既有盖梁2 和既有基础3上设置有切除凹槽，切除凹槽内分别设置有顶部钢构件4以及底部钢构件5。既有盖梁2和既有基础3上切除凹槽的厚度不超过既有盖梁2和既有基础3原高度的1/2，用以保证正常通车和满足承载力的要求。顶部钢构件4与底部钢构件5之间设置有增设桥墩11。顶部钢构件4与底部钢构件5中间均设置有圆弧形凹槽，增设桥墩11的底部和顶部均为圆弧形，其分别位于顶部钢构件4与底部钢构件5中间的圆弧形凹槽内，便于增设桥墩11的摇摆。其中，底部钢构件5的圆弧形凹槽与增设桥墩11底部接触位置均设置有聚四氟乙烯板14，且增设桥墩11顶部设置带圆弧形顶面的外钢管12，其用于减小增设桥墩11与顶部钢构件4 和底部钢构件5之间的摩擦。底部钢构件5中圆弧形凹槽的半径大于增设桥墩11底部弧形的半径，便于增设桥墩11底部的摇摆。顶部钢构件4设置的圆弧形凹槽半径稍大于增设桥墩 11顶部圆弧半径，用于给予增设桥墩11摇摆的空间。增设桥墩11顶部设置有带圆弧形顶面的外钢管12，外钢管12外壁和顶部钢构件4之间还安装有4根阻尼器15，用以增加增设桥墩11的耗能能力。

如图4-5所示，顶部钢构件4的圆弧形凹槽内设置有多个同心的圆形滑道9和滚珠10，用于减小与增设桥墩11顶部的外钢管12的摩擦。滑道9的横截面为圆弧形，在每个滑道9中放置有多个滚珠10。滚珠10嵌入滑道9内，即滑道9开口处宽度小于滚珠10直径，确保滚珠10不掉出。滚珠10通过滑道9预留的进珠槽安装，安装滚珠10后将进珠槽封上。

如图1-3所示，底部钢构件5与既有基础3之间还安装有惯容隔震器13。惯容隔震器13 设置为水平方向和竖直方向。惯容隔震器13包括惯容组件b、阻尼器组件c和弹簧组件k。惯容组件b，阻尼器组件c和弹簧组件k并联或其中两个组件并联后再与另一个组件串联，用于起到水平和竖直方向的隔震作用。

原理为：改造后桥墩正常工作时，增设桥墩11和既有桥墩1协同承受上部结构传递的竖向荷载，提高改造后桥墩结构的竖向承载力。地震作用下，初期阶段，增设桥墩11和既有桥墩1共同承担地震作用，改造后桥墩处于弹性状态。增设桥墩11底部惯容隔震器13发挥隔震作用，减小增设桥墩11的地震响应。当侧向位移使既有桥墩1进入屈服状态后，增设桥墩 11具有足够侧向位移发生摇摆，顶部钢构件4，底部钢构件5与增设桥墩11的顶部与底部分别形成圆弧形摇摆空间，使增设桥墩11摇摆后能够利用自身重力实现自复位，降低结构残余位移。在摇摆的过程中，阻尼器15消耗地震能量，将损伤集中于阻尼器15，降低改造后桥墩结构的损伤，提升改造后桥墩结构的震后功能和可恢复性。强震作用下，即使既有桥墩1 发生破坏，由于惯容隔震器13和自复位摇摆协同作用，损伤较小的增设桥墩11仍能发挥作用，保持震后桥梁生命线的畅通。

如图1-4所示，本实施例中，增设桥墩11为1根，其设置于双柱墩桥梁两根既有桥墩1 之间。

上述基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构的施工方法，如图8所示，包括如下步骤：

步骤一：将既有盖梁2和既有基础3的部分混凝土挖掉，形成切除凹槽，为安装顶部钢构件4和底部钢构件5预留空间。

步骤二：安装顶部钢构件4，采用竖直螺杆6、螺母7和粘结剂8将顶部钢构件4固定于既有盖梁2底部。顶部钢构件4的圆弧形凹槽内的滚珠10通过滑道9预留的进珠槽安装，安装滚珠10后将进珠槽封上。

步骤三：在既有基础3切除凹槽形成的空间内安装附带聚四氟乙烯板14的底部钢构件5，在既有基础3和底部钢构件5之间安装惯容隔震器13。

步骤四：安装顶部带有外钢管12的增设桥墩11，将其顶部和底部放置于顶部钢构件4 和底部钢构件5的圆弧形凹槽位置。

步骤五：在外钢管12外壁和顶部钢构件4之间安装阻尼器15。

实施例2

如图6所示，本发明的另外一种基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构及施工方法，其增设桥墩11为并排设置的2根，设置于双柱墩桥梁两根既有桥墩1之间。其它结构及施工方法同实施例1，此处不再详述。

实施例3

如图7所示，本发明的另外一种基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构及施工方法，其增设桥墩11为2根，设置于T型单墩桥梁的既有桥墩1周边左右两侧。其它结构及施工方法同实施例1，此处不再详述。

以上对本发明进行了详细说明，但内容不能被认为用于限定本发明的实施范围，凡依本发明申请范围所作的惯容隔震器位置和布置方式、增设桥墩顶部和底部摇摆构造、阻尼器构造形式、尺寸等的改进，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构，用于提升既有桥墩的震后功能性和可恢复性，包括既有桥墩(1)、既有盖梁(2)以及既有基础(3)，既有桥墩(1)上、下分别设置有既有盖梁(2)以及既有基础(3)，其特征在于：

还包括顶部钢构件(4)、底部钢构件(5)、增设桥墩(11)，外钢管(12)，惯容隔震器(13)以及阻尼器(15)；

在所述既有盖梁(2)和既有基础(3)上设置有切除凹槽，切除凹槽内分别设置有顶部钢构件(4)以及底部钢构件(5)；顶部钢构件(4)与底部钢构件(5)之间设置有所述增设桥墩(11)；顶部钢构件(4)与底部钢构件(5)中间均设置有圆弧形凹槽，所述增设桥墩(11)的底部和顶部均为圆弧形，其分别位于顶部钢构件(4)与底部钢构件(5)中间的圆弧形凹槽内，便于增设桥墩(11)的摇摆；

所述增设桥墩(11)顶部设置有带圆弧形顶面的外钢管(12)，所述外钢管(12)外壁和顶部钢构件(4)之间还安装有多根阻尼器(15)，用以增加增设桥墩(11)的耗能能力；

所述顶部钢构件(4)的圆弧形凹槽内设置有多个同心的圆形滑道(9)和滚珠(10)，用于减小与增设桥墩(11)顶部的外钢管(12)的摩擦；滑道(9)的横截面为圆弧形，在每个滑道(9)中放置有多个滚珠(10)；滚珠(10)嵌入所述滑道(9)内，即滑道(9)开口处宽度小于滚珠(10)直径，确保滚珠(10)不掉出；滚珠(10)通过滑道(9)预留的进珠槽安装，安装滚珠(10)后将进珠槽封上；

所述底部钢构件(5)与既有基础(3)之间还安装有惯容隔震器(13)；所述惯容隔震器(13)设置为水平方向和竖直方向；惯容隔震器(13)包括惯容组件(b)、阻尼器组件(c)和弹簧组件(k)；所述惯容组件(b)，阻尼器组件(c)和弹簧组件(k)并联或其中两个组件并联后再与另一个组件串联，用于起到水平和竖直方向的隔震作用；

所述顶部钢构件(4)通过竖直螺杆(6)、螺母(7)和粘结剂(8)固定于既有盖梁(2)上；所述底部钢构件(5)中圆弧形凹槽的半径大于增设桥墩(11)底部弧形的半径，便于增设桥墩(11)底部的摇摆；所述顶部钢构件(4)设置的圆弧形凹槽半径稍大于增设桥墩(11)顶部圆弧半径，用于给予增设桥墩(11)摇摆的空间。

2.根据权利要求1所述的基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构，其特征在于：所述底部钢构件(5)的圆弧形凹槽与增设桥墩(11)底部接触位置均设置有聚四氟乙烯板(14)，且所述增设桥墩(11)顶部设置带圆弧形顶面的外钢管(12)，其用于减小增设桥墩(11)与顶部钢构件(4)和底部钢构件(5)之间的摩擦。

3.根据权利要求2所述的基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构，其特征在于：所述顶部钢构件(4)连接所用竖直螺杆(6)表面带有螺纹，用于增加竖直螺杆(6)与粘结剂(8)的粘结强度，且所述竖直螺杆(6)埋置深度的设计要保证其具有足够的抗拉拔强度。

4.根据权利要求3所述的基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构，其特征在于：所述粘结剂(8)采用早强水泥砂浆。

5.根据权利要求4所述的基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构，其特征在于：所述既有盖梁(2)和既有基础(3)上切除凹槽的厚度不超过既有盖梁(2)和既有基础(3)原高度的1/2，用以保证正常通车和满足承载力的要求。

6.根据权利要求1所述的基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构，其特征在于：所述增设桥墩(11)为1根以上，其设置于双柱墩桥梁两根既有桥墩(1)之间；或者所述增设桥墩(11)为多根，其设置于T型单墩桥梁的既有桥墩(1)周边。

7.一种根据权利要求5-6任一项所述的基于惯容隔震和摇摆的既有桥墩抗震性能提升结构的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将既有盖梁(2)和既有基础(3)的部分混凝土挖掉，形成切除凹槽，为安装顶部钢构件(4)和底部钢构件(5)预留空间；

步骤二：安装顶部钢构件(4)，采用竖直螺杆(6)、螺母(7)和粘结剂(8)将顶部钢构件(4)固定于既有盖梁(2)底部；顶部钢构件(4)的圆弧形凹槽内的滚珠(10)通过滑道(9)预留的进珠槽安装，安装滚珠(10)后将进珠槽封上；

步骤三：在既有基础(3)切除凹槽形成的空间内安装附带聚四氟乙烯板(14)的底部钢构件(5)，在既有基础(3)和底部钢构件(5)之间安装惯容隔震器(13)；

步骤四：安装顶部带有外钢管(12)的增设桥墩(11)，将其顶部和底部放置于顶部钢构件(4)和底部钢构件(5)的圆弧形凹槽位置；

步骤五：在外钢管(12)外壁和顶部钢构件(4)之间安装阻尼器(15)。

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