CN114960396A - 一种斜拉桥弹性与锁定限位约束结构体系 - Google Patents

一种斜拉桥弹性与锁定限位约束结构体系 Download PDF

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文望青
王德志
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周继
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刘志成
高慰
夏正春
曾甲华
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Abstract

本发明涉及桥梁工程技术领域，具体涉及一种斜拉桥弹性与锁定限位约束结构体系，主塔与主梁之间的塔梁约束采用弹性与锁定限位约束体系，主梁与辅助墩之间的辅助墩约束和主梁与边墩之间的边墩约束均采用纵向自由约束体系、弹性与锁定限位约束体系中的任意一种；弹性与锁定限位约束体系对主梁进行顺桥向的弹性约束和设初始启动力阈值的锁定限位。本发明在主塔与主梁之间采用弹性与锁定限位约束，在主梁与辅助墩之间以及主梁与边墩之间采用纵向自由约束体系或弹性与锁定限位约束，优化了大跨度斜拉桥主梁上顺桥向荷载传力路径，减小了梁端位移，缩小梁端伸缩装置规模，并实现了高速行车状态下梁端无动态变形，保障行车平顺性和乘坐舒适性。

Description

一种斜拉桥弹性与锁定限位约束结构体系
技术领域
本发明涉及桥梁工程技术领域，具体涉及一种斜拉桥弹性与锁定限位约束结构体系，尤其适用于大跨度斜拉桥。
背景技术
高速铁路大跨度斜拉桥纵向约束体系对动力性能、行车平顺性、结构受力等具有显著影响。正常运营状态下尽可能减小梁端位移，高速行车状态下保持梁端轨道静态稳定，成为高速铁路斜拉桥设计的关键问题之一。
目前常用的大跨度斜拉桥纵向约束体系主要有纵向自由约束、弹性约束、阻尼约束以及固定约束。纵向自由约束包括飘浮体系及半飘浮体系，在温度和混凝土收缩徐变作用下的结构受力响应均较小，但结构的位移、特别是主梁的纵向位移响应相对较大，梁端伸缩装置设计制造难度大、价格昂贵，且可能会影响铁路大跨度斜拉桥行车的安全性。弹性约束通常采用弹性钢索来实现，约束刚度的大小通过改变钢索的面积和长度实现，且在桥上列车冲击荷载、风荷载作用下，梁端产生动态位移影响行车平顺性。阻尼约束通常采用阻尼器实现，对温度、活载等引起的小于额定行程量的慢速位移不加约束，而当由大风等荷载引起超出额定行程位移时，装置起到限位锁定作用。固定约束适用于高墩双塔斜拉桥或独塔斜拉桥，实际工程中较少应用。
飘浮体系及半飘浮体系由于缺少有效的纵向约束，漂浮体系中主梁会产生过大的纵向位移，引起主塔变形过大及相邻跨碰撞等震害。塔-梁纵向弹性约束体系具有性能可靠、安装方便，经济性高等突出优点，目前已被应用于一些大跨度斜拉桥的实际工程中。通过设置水平弹性钢索来实现纵向约束存在的弊端：1）约束了温度荷载的主梁变形，增加了主塔的控制弯矩，提高了主塔的造价，且弹性钢索一般较长，张拉力较低，垂度效应明显，弹性钢索的刚度损失明显；2）也有工程采用温度敏感性极低的碳纤维复合材料（CFRP）索实现纵向约束，但材料用量大、成本高、锚固结构复杂；3）在高速铁路正常运营状态下，列车冲击荷载、风荷载等作用下，梁端存在较大的动态变形，引起桥上轨道不平顺，会大大影响行车安全性和乘坐舒适性。高速铁路运行速度快、对线路平顺性和行车安全性要求高，寻找有效的高速行车状态下大跨度斜拉桥因列车冲击、风荷载引起的梁端位移控制装置是十分必要的。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种斜拉桥弹性与锁定限位约束结构体系，能够减小塔底顺桥向弯矩，延长桥梁结构的使用寿命；还可以减小大跨度斜拉桥梁端位移，进而减小梁端伸缩装置规模；同时，实现了高速行车状态下结构受列车冲击荷载、风荷载等作用梁端位移相对稳定，避免了梁端较大的动态变形，保障了高铁列车的运行安全性和乘坐舒适性。
为实现上述目的，本发明的技术方案为一种斜拉桥弹性与锁定限位约束结构体系，包括主塔、主梁、斜拉索、辅助墩和边墩；所述主塔与所述主梁之间设置有塔梁约束，所述主梁与所述辅助墩之间设置有辅助墩约束，所述主梁与所述边墩之间设置有边墩约束；所述塔梁约束采用弹性与锁定限位约束体系，所述辅助墩约束和所述边墩约束均采用纵向自由约束体系、所述弹性与锁定限位约束体系中的任意一种；所述弹性与锁定限位约束体系对所述主梁进行顺桥向的弹性约束和设初始启动力阈值的锁定限位。
进一步地，所述弹性与锁定限位约束体系包括沿横桥向间隔设置的若干弹性与锁定限位单元，所述弹性与锁定限位单元包括并列设置的弹性与锁定限位装置和第一多向活动支座。
更进一步地，所述纵向自由约束体系包括沿横桥向间隔设置的第二多向活动支座和纵向活动支座；所述辅助墩约束、所述边墩约束、所述塔梁约束中的活动支座一一对应。
更进一步地，所述辅助墩约束和所述边墩约束均采用所述纵向自由约束体系，且所述辅助墩约束中的第二多向活动支座与所述边墩约束中的第二多向活动支座相对应，所述辅助墩约束中的纵向活动支座与所述边墩约束中的纵向活动支座相对应。
进一步地，所述弹性与锁定限位装置与所述第一多向活动支座分体或一体化设置。
进一步地，所述弹性与锁定限位装置包括弹性与锁定限位组件、上座板、传力臂、导向连杆以及沿纵桥向间隔布置的两个刚性基座；所述刚性基座锚固于所述主塔或桥墩上，所述导向连杆的两端分别与两个刚性基座连接，所述弹性与锁定限位组件套装于所述导向连杆上；所述上座板与所述主梁固定，所述上座板上沿纵桥向间隔固定有两个传力臂，所述弹性与锁定限位组件位于两个传力臂之间。
更进一步地，所述弹性与锁定限位组件包括弹性元件、传力环、滑动轴套和预压限位锚圈，所述弹性元件的两端均设置有传力环，所述传力环与对应的所述传力臂之间设置有一端开口且开口朝向所述弹性元件的滑动轴套，所述滑动轴套中设置有预压限位锚圈，所述预压限位锚圈通过螺纹安装于所述导向连杆上并与所述传力环相抵；所述弹性元件通过所述预压限位锚圈设定初始启动力阈值。
更进一步地，所述滑动轴套的端盖与所述预压限位锚圈之间具有间隙，满足设计滑动行程需要。
更进一步地，所述滑动轴套与所述导向连杆之间以及所述滑动轴套与所述预压限位锚圈之间均设有滑动面。
更进一步地，所述弹性与锁定限位组件上套设有可伸缩的密封筒，所述密封筒的两端分别与两侧的所述滑动轴套连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）采用本发明的斜拉桥弹性与锁定限位约束结构体系，在高速行车状态下，结构受列车冲击荷载、风荷载等作用，全桥纵向荷载小于全桥支座摩阻力和全桥弹性与锁定限位约束启动力阈值之和，保证梁端无较大的动态位移，有效保障了高速列车平稳地通过梁端相对稳定的线路；在设计地震、极限风荷载作用下，全桥纵向荷载小于体系纵向设计水平承载力，主梁和斜拉索底部的纵向荷载直接传递至主塔下塔柱，优化了大跨度斜拉桥主梁上纵桥向荷载传力路径，减小塔底顺桥向弯矩，改善结构受力，延长桥梁结构的使用寿命；
（2）与常规斜拉桥纵向约束体系相比，本发明减小了大跨度斜拉桥主梁梁端位移，避免使用昂贵的伸缩装置，降低工程建设成本，同时有效保障了铁路斜拉桥梁端列车高速行车的平顺性；
（3）本发明满足两级抗震的设防要求，在设计地震作用下能够限制梁端最大位移，避免损坏梁端伸缩装置，有利于震后快速修复通车；在超设计地震作用下，能够释放塔梁纵向约束，减小塔底地震弯矩，保护主体结构不受损坏。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例中斜拉桥弹性与锁定限位约束结构体系的结构示意图；
图2为本发明实施例中斜拉桥弹性与锁定限位约束结构体系中支座的布置示意图；
图3为本发明实施例中弹性与锁定限位约束单元的结构示意图；
图4为本发明实施例中弹性与锁定限位装置的结构示意图；
图5为本发明实施例中弹性与锁定限位装置的本构关系图；
图中：1、主塔；2、主梁；3、斜拉索；4、塔梁约束；5、辅助墩约束；6、边墩约束；7、第二多向活动支座；8、纵向活动支座；9、第一多向活动支座；10、弹性与锁定限位装置；11、刚性支座垫石；12、刚性基座；13、连接销耳；14、锚栓；15、上座板；16、传力臂；17、密封筒；18、导向连杆；19、滑动轴套；20、传力环；21、预压限位锚圈；22、弹性元件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“若干”的含义是两个或两个以上。
如图1-图2所示，本实施例提供一种斜拉桥弹性与锁定限位约束结构体系，包括主塔1、主梁2、斜拉索3、辅助墩和边墩；所述主塔1与所述主梁2之间设置有塔梁约束4，所述主梁2与所述辅助墩之间设置有辅助墩约束5，所述主梁2与所述边墩之间设置有边墩约束6；所述塔梁约束4采用弹性与锁定限位约束体系，所述辅助墩约束5和所述边墩约束6均采用纵向自由约束体系、所述弹性与锁定限位约束体系中的任意一种；所述弹性与锁定限位约束体系对所述主梁2进行纵桥向的弹性约束和设初始启动力阈值的锁定限位。本实施例在主塔1与主梁2之间采用弹性与锁定限位约束体系对主梁2进行顺桥向的弹性约束和设定初始启动力阈值的锁定限位，辅助墩约束5和边墩约束6根据结构受力需要可采用纵向自由约束体系，也可部分或全部采用弹性与锁定限位约束体系，优化了大跨度斜拉桥主梁2上顺桥向荷载传力路径，减小塔底顺桥向弯矩，改善结构受力，延长桥梁结构的使用寿命。
进一步地，所述弹性与锁定限位约束体系包括沿横桥向间隔设置的若干弹性与锁定限位单元，所述弹性与锁定限位单元包括并列设置的弹性与锁定限位装置10和第一多向活动支座9。其中，弹性与锁定限位装置10可以对主梁2进行纵桥向的弹性约束和设定初始启动力阈值的锁定限位；第一多向活动支座9可以释放主梁2沿纵桥向和横桥向一定的位移，可以采用本领域常规的多向活动支座。弹性与锁定限位装置10的个数可根据需要进行设置。
更进一步地，所述纵向自由约束体系包括沿横桥向间隔设置的第二多向活动支座7和纵向活动支座8；所述辅助墩约束5、所述边墩约束6、所述塔梁约束4中的活动支座一一对应。其中，第二多向活动支座7可以释放主梁2沿纵桥向和横桥向一定的位移，可以采用本领域常规的多向活动支座；纵向活动支座8可以释放主梁2沿纵桥向一定的位移，可以采用本领域常规的纵向活动支座。第二多向活动支座7和纵向活动支座8的个数可以根据需要设置。
更进一步地，所述辅助墩约束5和所述边墩约束6均采用所述纵向自由约束体系，且所述辅助墩约束5中的第二多向活动支座7与所述边墩约束6中的第二多向活动支座7相对应，所述辅助墩约束5中的纵向活动支座8与所述边墩约束6中的纵向活动支座8相对应，如图2所示。
作为一种实施方式，如图1和图2所示，斜拉桥弹性与锁定限位约束结构体系包括两个主塔1、主梁2、斜拉索3、两个辅助墩和两个边墩，其中，每个主塔1与主梁2之间沿横桥向方向的两侧均设置有弹性与锁定限位单元，每个辅助墩与主梁2之间沿横桥向方向的两侧分别设置有一个第二多向活动支座7和一个纵向活动支座8，每个边墩与主梁2之间沿横桥向方向的两侧分别设置有一个第二多向活动支座7和一个纵向活动支座8，且所有的第二多向活动支座7与每个主塔1上的一个弹性与锁定限位单元的第一多向活动支座9位于同一直线上，所有的纵向活动支座8与每个主塔1上的另一个弹性与锁定限位单元的第一多向活动支座9位于同一直线上。
进一步地，所述弹性与锁定限位装置10与所述第一多向活动支座9分体或一体化设置。如图3所示，第一多向活动支座9置于刚性支座垫石11之上，并锚固于主梁2底部；弹性与锁定限位装置10置于刚性基座12之上，并锚固于主梁2底部；刚性支座垫石11与刚性基座12分体或一体化设置。
本实施例中弹性与锁定限位装置10具有一定纵向刚度k与行程X0，具体刚度k与行程X0取值应根据桥梁结构受力、列车运营平稳性的要求确定，通过合理的设置可以兼顾减小梁端位移和减隔震的功能。
进一步地，所述弹性与锁定限位装置10包括弹性与锁定限位组件、上座板15、传力臂16、导向连杆18以及沿纵桥向间隔布置的两个刚性基座12；所述刚性基座12锚固于所述主塔1或桥墩上，所述导向连杆18的两端分别与两个刚性基座12连接，所述弹性与锁定限位组件套装于所述导向连杆18上；所述上座板15与所述主梁2固定，所述上座板15上沿纵桥向间隔固定有两个传力臂16，所述弹性与锁定限位组件位于两个传力臂16之间。其中，桥墩为辅助墩或边墩。如图4所示，刚性基座12上安装有连接销耳13，导向连杆18的两端分别与两个连接销耳13连接，可以起到限制传力臂16纵桥向位移的作用，从而防止落梁，保证桥梁结构的安全性。上座板15可以通过锚栓14与主梁2连接，用于将两个传力臂16与主梁2固定，使主梁2受到的纵桥向载荷可以通过传力臂16传递至主塔1或桥墩。当主梁2将受到的纵桥向载荷通过传力臂16传递至弹性与锁定限位组件时，弹性与锁定限位组件产生的纵向弹性约束力为桥梁提供一定刚度的纵向弹性约束，可以减小大跨度斜拉桥主梁梁端位移，从而减小梁端伸缩装置规模，降低工程建设成本，同时对于铁路桥梁而言，改善了梁端行车条件，有效保证了列车高速运行的平顺性和舒适性。
更进一步地，所述弹性与锁定限位组件包括弹性元件22、传力环20、滑动轴套19和预压限位锚圈21，所述弹性元件22的两端均设置有传力环20，所述传力环20与对应的所述传力臂16之间设置有一端开口且开口朝向所述弹性元件22的滑动轴套19，所述滑动轴套19中设置有预压限位锚圈21，所述预压限位锚圈21通过螺纹安装于所述导向连杆18上并与所述传力环20相抵；所述弹性元件22通过所述预压限位锚圈21设定初始启动力阈值F1。如图4所示，弹性元件22、预压限位锚圈21、传力环20以及滑动轴套19均套设于导向连杆18上，由于弹性元件22两端的预压限位锚圈21均通过螺纹固定在导向连杆18螺纹上，因此，通过调节弹性元件22两端的预压限位锚圈21的位置设定初始启动力阈值F1，实现弹性元件22预压变形和定位。当主梁2受到的纵桥向载荷时，会带动传力臂16沿纵桥向移动时，传力臂16将纵向载荷传递至滑动轴套19，滑动轴套19推动传力环20压缩弹性元件22，弹性元件22发生弹性变形，从而起到减小梁端位移和减隔震的作用。
如图4所示，导向连杆18还沿纵桥向贯穿两个传力臂16，对传力臂16、滑动轴套19和传力环20等沿纵桥向的滑动起到导向的作用。
更进一步地，所述滑动轴套19的端盖与所述预压限位锚圈21之间具有间隙。当主梁2发生该间隙范围内的纵向移动时，传力臂16都会将纵向载荷通过滑动轴套19、传力环20传递至弹性元件22，从而起到减小梁端位移和减隔震的作用。
更进一步地，所述滑动轴套19与所述导向连杆18之间以及所述滑动轴套19与所述预压限位锚圈21之间均设有滑动面，通过滑动面满足纵桥向滑动需求。
更进一步地，所述弹性与锁定限位组件上套设有可伸缩的密封筒17，所述密封筒17的两端分别与两侧的所述滑动轴套19连接，可以避免粉尘影响弹性元件22。密封筒17的中部可以采用螺纹橡胶套结构实现可伸缩功能。
本实施例中的弹性元件22可采用小变形、大刚度、缓冲吸振能力强的弹簧结构，具体可以采用碟形弹簧、环形弹簧、螺旋弹簧中的任意一种或多种组合的结构，但不限于此。
本实施例中弹性与锁定限位装置的本构关系共分a、b、c三个阶段，如图5所示，以在塔梁之间共设置n个弹性与锁定限位装置为例进行说明。
阶段a：当塔梁之间无相对温度位移时，体系处于一级锁定限位约束状态。即弹性与锁定限位装置位移X=0，正常运营状态下列车冲击荷载、纵向风荷载等全桥纵向荷载FZ小于全桥纵向约束力（全桥支座摩阻力f与初始启动力阈值F1之和），FZ≤∑f i+ nF1，梁端轨道结构处于相对静态稳定状态，有效保障高铁列车行车平顺性和乘坐舒适性。
阶段b：当在温度作用下产生塔梁相对位移Xj时，体系处于带有启动力阈值的弹性约束状态。正常运营状态下列车冲击荷载、纵向风荷载等全桥纵向荷载FZ小于全桥纵向约束力，即FZ≤∑f i+（nF1+ nkXj），即产生温度变形后增大了塔梁之间纵向约束力，同样可保证梁端轨道结构处于相对静态稳定状态。
阶段c：在设计地震、极限风荷载作用下，体系处于二级锁定限位约束状态。塔梁之间产生较大的相对位移，塔梁之间最大位移可达到装置设计行程X0，体系处于二级锁定限位约束状态。设计地震、极限风荷载等全桥纵向荷载FZ小于体系纵向设计水平承载力，即FZ≤∑f i+nF3，体系设计纵向水平承载力F3应满足设计地震、极限风荷载的承载要求。
其中，n—体系中弹性与锁定限位装置的数量；
f i—体系中活动支座静摩阻力；
F1—弹性与锁定限位装置的设定初始启动力阈值；
F2—弹性与锁定限位装置的带有启动力阈值的弹性约束状态最大纵向水平承载力；
F3—弹性与锁定限位装置的设计纵向水平承载力；
X0—弹性与锁定限位装置的设计行程；
k—弹性与锁定限位装置的设计刚度；
FZ—全桥纵向荷载。
需要注意的是，当超越设计地震时，弹性与锁定限位装置破坏，释放塔梁纵向约束，减小塔底地震弯矩，保护主体结构不受损坏。
以上仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制或限定本发明。对于本领域的研究或技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明所声明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种斜拉桥弹性与锁定限位约束结构体系，包括主塔、主梁、斜拉索、辅助墩和边墩，其特征在于：所述主塔与所述主梁之间设置有塔梁约束，所述主梁与所述辅助墩之间设置有辅助墩约束，所述主梁与所述边墩之间设置有边墩约束；所述塔梁约束采用弹性与锁定限位约束体系，所述辅助墩约束和所述边墩约束均采用纵向自由约束体系、所述弹性与锁定限位约束体系中的任意一种；所述弹性与锁定限位约束体系对所述主梁进行顺桥向的弹性约束和设初始启动力阈值的锁定限位。
2.如权利要求1所述的一种斜拉桥弹性与锁定限位约束结构体系，其特征在于：所述弹性与锁定限位约束体系包括沿横桥向间隔设置的若干弹性与锁定限位单元，所述弹性与锁定限位单元包括并列设置的弹性与锁定限位装置和第一多向活动支座。
3.如权利要求2所述的一种斜拉桥弹性与锁定限位约束结构体系，其特征在于：所述纵向自由约束体系包括沿横桥向间隔设置的第二多向活动支座和纵向活动支座；所述辅助墩约束、所述边墩约束、所述塔梁约束中的活动支座一一对应。
4.如权利要求3所述的一种斜拉桥弹性与锁定限位约束结构体系，其特征在于：所述辅助墩约束和所述边墩约束均采用所述纵向自由约束体系，且所述辅助墩约束中的第二多向活动支座与所述边墩约束中的第二多向活动支座相对应，所述辅助墩约束中的纵向活动支座与所述边墩约束中的纵向活动支座相对应。
5.如权利要求2所述的一种斜拉桥弹性与锁定限位约束结构体系，其特征在于：所述弹性与锁定限位装置与所述第一多向活动支座分体或一体化设置。
6.如权利要求2所述的一种斜拉桥弹性与锁定限位约束结构体系，其特征在于：所述弹性与锁定限位装置包括弹性与锁定限位组件、上座板、传力臂、导向连杆以及沿纵桥向间隔布置的两个刚性基座；所述刚性基座锚固于所述主塔或桥墩上，所述导向连杆的两端分别与两个刚性基座连接，所述弹性与锁定限位组件套装于所述导向连杆上；所述上座板与所述主梁固定，所述上座板上沿纵桥向间隔固定有两个传力臂，所述弹性与锁定限位组件位于两个传力臂之间。
7.如权利要求6所述的一种斜拉桥弹性与锁定限位约束结构体系，其特征在于：所述弹性与锁定限位组件包括弹性元件、传力环、滑动轴套和预压限位锚圈，所述弹性元件的两端均设置有传力环，所述传力环与对应的所述传力臂之间设置有一端开口且开口朝向所述弹性元件的滑动轴套，所述滑动轴套中设置有预压限位锚圈，所述预压限位锚圈通过螺纹安装于所述导向连杆上并与所述传力环相抵；所述弹性元件通过所述预压限位锚圈设定初始启动力阈值。
8.如权利要求7所述的一种斜拉桥弹性与锁定限位约束结构体系，其特征在于：所述滑动轴套的端盖与所述预压限位锚圈之间具有间隙。
9.如权利要求7所述的一种斜拉桥弹性与锁定限位约束结构体系，其特征在于：所述滑动轴套与所述导向连杆之间以及所述滑动轴套与所述预压限位锚圈之间均设有滑动面。
10.如权利要求7所述的一种斜拉桥弹性与锁定限位约束结构体系，其特征在于：所述弹性与锁定限位组件上套设有可伸缩的密封筒，所述密封筒的两端分别与两侧的所述滑动轴套连接。
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