CN115125830B - 一种多年冻土区路桥过渡段刚度平衡结构及其施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多年冻土区路桥过渡段刚度平衡结构，包括桥梁侧的桥梁梁体、桥墩和桥台以及伸缩缝。路基侧包括从上到下依次设置的路面层、碎石层、块石层、预制泡沫混凝土垫块、泡沫混凝土垫层、垫层和地基；桥台与桥梁梁体之间设充气式缓冲支座，该充气式缓冲支座包括支座上层钢板和支座下层钢板以及之间的气囊Ⅰ；靠桥梁侧的预制泡沫混凝土垫块与泡沫混凝土垫层之间设充气式缓冲气垫，该充气式缓冲气垫包括气垫上层钢板、气垫下层钢板和气垫侧面钢板以及之间的气囊Ⅱ；充气式缓冲支座与充气式缓冲气垫相连，且边缘均设有柔性防护布；气囊Ⅰ与Ⅱ内均布有阻尼棒和记忆合金弹簧。本发明还公开了该结构的施工方法。本发明具有刚度平衡及变刚度能力。

Description

一种多年冻土区路桥过渡段刚度平衡结构及其施工方法
技术领域
本发明涉及多年冻土区路桥过渡段差异沉降控制领域，尤其涉及一种多年冻土区路桥过渡段刚度平衡结构及其施工方法。
背景技术
在多年冻土区道路工程领域，路桥过渡段是较为特殊的区段，在其服役过程中，桥台作为刚性结构，其本身沉降量较小，而路基刚度相对较小，加之路基下伏多年冻土随温度季节变化引起的地基刚度变化，在车辆静动荷载作用下易造成路桥过渡段不均匀沉降问题。因此，多年冻土区路桥过渡段作为刚性较大桥台与柔性路基的衔接部位，在结构上是刚度和变形突变点，是需要特殊处理的地段，同时也是控制不均匀沉降、解决桥头跳车等问题的关键。
针对上述多年冻土区路桥过渡段的差异沉降问题，需要解决的关键技术问题主要包括：遵循保护冻土原则，采取对路基下伏多年冻土影响较小的结构；同时，实现路桥过渡段桥台与路基刚度平衡，从而解决差异沉降问题。目前，对于路桥过渡段差异沉降控制方面采取的技术措施主要包括：（1）采用级配碎石掺和水泥或设置过渡搭板作为路桥过渡段结构，从而实现路桥过渡段的刚度匹配。（2）采用复合地基进行差异沉降控制，如：灰土挤密桩、高压旋喷桩和水泥搅拌桩等。但是，级配碎石掺和水泥材料使得路基自重增加，同时，复合地基材料及水泥产生的水化热影响路基下伏多年冻土的热稳定性，进一步增加了路基沉降量；过渡搭板在长期服役过程中，路基沉降不可避免地会造成过渡搭板脱空，甚至过渡搭板断裂会引起严重的事故，因此，过渡搭板的设置并不能从根本上解决路桥过渡段差异沉降问题。因此，有必要提出一种多年冻土区路桥过渡段刚度平衡结构，在保证路基下伏多年冻土稳定性的同时，能够实现路桥过渡段桥台与路基结构刚度平衡，从而解决路桥过渡段差异沉降问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种实用性强且减小对多年冻土扰动的多年冻土区路桥过渡段刚度平衡结构。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供该多年冻土区路桥过渡段刚度平衡结构的施工方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种多年冻土区路桥过渡段刚度平衡结构，包括桥梁侧的桥梁梁体、设在所述桥梁梁体下方的桥墩和桥台以及设在桥梁侧与路基侧之间的伸缩缝，其特征在于：所述路基侧包括从上到下依次设置的路面层、碎石层、块石层、预制泡沫混凝土垫块、泡沫混凝土垫层、垫层和地基；所述桥台与所述桥梁梁体之间设有充气式缓冲支座，该充气式缓冲支座包括支座上层钢板和支座下层钢板；所述支座上层钢板与所述支座下层钢板之间设有气囊Ⅰ；靠桥梁侧的所述预制泡沫混凝土垫块与所述泡沫混凝土垫层之间设有充气式缓冲气垫，该充气式缓冲气垫包括气垫上层钢板、气垫下层钢板和气垫侧面钢板；所述气垫上层钢板、所述气垫下层钢板和所述气垫侧面钢板之间设有气囊Ⅱ；所述充气式缓冲支座与所述充气式缓冲气垫相连，且二者边缘均设置柔性防护布；所述气囊Ⅰ与所述气囊Ⅱ内均布有数个阻尼棒和数个记忆合金弹簧。
所述充气式缓冲支座通过压敏双向阀与所述充气式缓冲气垫相连。
所述支座上层钢板和所述支座下层钢板形成的三维几何体边缘均设有所述柔性防护布。
所述气垫上层钢板、所述气垫下层钢板和所述气垫侧面钢板形成的结构纵断面为直角梯形，且周围设有所述柔性防护布。
所述气垫侧面钢板的两侧分别通过铰链与所述气垫上层钢板、所述气垫下层钢板相连。
所述气囊Ⅰ是由合成橡胶制成的与所述支座上层钢板和所述支座下层钢板所围成的形状相匹配的三维几何体。
所述气囊Ⅱ是由合成橡胶制成的与所述气垫上层钢板、所述气垫下层钢板和所述气垫侧面钢板所围成的形状相匹配的三维几何体。
数个所述阻尼棒和数个所述记忆合金弹簧交错设置。
如上所述的一种多年冻土区路桥过渡段刚度平衡结构的施工方法，包括以下步骤：
⑴按照路桥过渡段的设计要求，预制形状大小符合设计要求的预制泡沫混凝土垫块；
⑵按照设计要求，裁切钢板形成支座上层钢板、支座下层钢板、气垫上层钢板、气垫下层钢板和气垫侧面钢板，并在气垫上层钢板、气垫下层钢板和气垫侧面钢板对应边焊接铰链，安装阻尼棒和记忆合金弹簧，粘贴合成橡胶形成气囊Ⅰ和气囊Ⅱ，然后安装柔性防护布，通过充气嘴向气囊Ⅰ和气囊Ⅱ内部充气，形成充气式缓冲支座和充气式缓冲气垫；
⑶在路桥过渡段地基上修筑桥墩和桥台；在路基侧按照坡度1:1放坡开挖地基形成台阶状结构；
⑷利用沥青材料在所述桥台的台背施工形成铺满台背的伸缩缝下半部分，然后通过粗颗粒土逐层填充并压实形成垫层；
⑸根据设计厚度铺设与所述垫层接触的块石层，然后在所述块石层上通过现场浇筑法形成10~15cm厚的泡沫混凝土垫层；
⑹将预制组装完成的所述充气式缓冲支座安装在所述桥台的上方，同时将所述充气式缓冲气垫安装在靠近所述桥台的所述泡沫混凝土垫层上方，利用压敏双向阀将所述充气式缓冲支座和所述充气式缓冲气垫连接；
⑺修筑桥梁梁体后，利用沥青材料在所述桥梁梁体与路基接触的一端铺满形成所述伸缩缝的上半部分，从下到上依次铺设预制泡沫混凝土垫块、块石层、碎石层和路面层。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明针对路桥过渡段自身刚度差异大及多年冻土区地基活动层刚度随气温季节变化的特点，利用内部设置有阻尼棒和记忆合金弹簧的充气式缓冲支座代替传统的桥梁支座；同时，通过压敏双向阀将充气式缓冲支座与设置在路基内部的充气式缓冲气垫连接，使得桥梁侧充气式缓冲支座与道路侧充气式缓冲气垫气压平衡，从而实现了路桥过渡段结构的刚度平衡。
2、本发明通过设置在充气式缓冲支座和充气式缓冲气垫结构内部的记忆合金弹簧发挥形状记忆效应，记忆合金弹簧形状随温度变化而主动变化，从而引起充气式缓冲支座和充气式缓冲气垫的刚度变化，使路桥过渡段结构具有自适应主动变刚度能力，减小了地基活动层刚度随气温变化造成的影响。
3、本发明设置在路基内部的块石层，实现了空气流通过程中带走路基内部热量的功能，从而达到了冷却路基的效果，对路基下伏多年冻土扰动小，符合多年冻土区工程建设“保护冻土”原则。
4、本发明利用充气式缓冲支座代替传统的桥梁支座，可以实现吸收和分散地震冲击荷载的功能，提高了路桥过渡段结构的抗震能力。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明的纵断面图。
图2为本发明中充气式缓冲支座和充气式缓冲气垫示意图。
图3为本发明中A-A剖面图。
图4为本发明中B-B剖面图。
图中：1-桥梁梁体、2-桥墩、3-桥台、4-伸缩缝、5-路面层、6-碎石层、7-块石层、801-预制泡沫混凝土垫块、802-泡沫混凝土垫层、9-垫层、10-地基、11-充气式缓冲支座、12-充气式缓冲气垫、13-支座上层钢板、14-支座下层钢板、15-气垫上层钢板、16-气垫下层钢板、17-气垫侧面钢板、18-铰链、19-柔性防护布、201-气囊Ⅰ、202-气囊Ⅱ、21-阻尼棒、22-记忆合金弹簧、23-压敏双向阀。
具体实施方式
如图1~4所示，一种多年冻土区路桥过渡段刚度平衡结构，包括桥梁侧的桥梁梁体1、设在桥梁梁体1下方的桥墩2和桥台3以及设在桥梁侧与路基侧之间的伸缩缝4。
路基侧包括从上到下依次设置的路面层5、碎石层6、块石层7、预制泡沫混凝土垫块801、泡沫混凝土垫层802、垫层9和地基10；桥台3与桥梁梁体1之间设有充气式缓冲支座11，该充气式缓冲支座11包括支座上层钢板13和支座下层钢板14；支座上层钢板13与支座下层钢板14之间设有气囊Ⅰ201；靠桥梁侧的预制泡沫混凝土垫块801与泡沫混凝土垫层802之间设有充气式缓冲气垫12，该充气式缓冲气垫12包括气垫上层钢板15、气垫下层钢板16和气垫侧面钢板17；气垫上层钢板15、气垫下层钢板16和气垫侧面钢板17之间设有气囊Ⅱ202；充气式缓冲支座11与充气式缓冲气垫12相连，且二者边缘均设置柔性防护布19；气囊Ⅰ201与气囊Ⅱ202内均布有数个阻尼棒21和数个记忆合金弹簧22。
其中：充气式缓冲支座11通过压敏双向阀23与充气式缓冲气垫12相连。
支座上层钢板13和支座下层钢板14形成的三维几何体边缘均设有柔性防护布19。
气垫上层钢板15、气垫下层钢板16和气垫侧面钢板17形成的结构纵断面为直角梯形，且周围设有柔性防护布19。
气垫侧面钢板17的两侧分别通过铰链18与气垫上层钢板15、气垫下层钢板16相连。
气囊Ⅰ201是由合成橡胶制成的与支座上层钢板13和支座下层钢板14所围成的形状相匹配的三维几何体。
气囊Ⅱ202是由合成橡胶制成的与气垫上层钢板15、气垫下层钢板16和气垫侧面钢板17所围成的形状相匹配的三维几何体。
数个阻尼棒21和数个记忆合金弹簧22交错设置。
块石层7的厚度为50cm~150cm。
预制泡沫混凝土垫块801是根据充气式缓冲气垫12的形状通过预制法形成的块体拼接而成，其最大厚度为1m。
泡沫混凝土垫层802通过现场浇筑法形成，其厚度为10~15cm。
垫层9是由粗颗粒土逐层压密形成。
记忆合金弹簧22的形状可以随温度变化。当气温下降到0℃以下时，地基活动层冻结，刚度增加，气囊内空气体积收缩，记忆合金弹簧22伸长，由于其位移被约束，给充气式缓冲支座11和充气式缓冲气垫12附加了一定的刚度，减小了路桥过渡段的刚度差异；当气温高于0℃时，地基活动层融化，刚度减小，记忆合金弹簧22缩短，由于其位移被约束，充气式缓冲支座11和充气式缓冲气垫12的刚度减小，从而减小了路桥过渡段的刚度差异。
一种多年冻土区路桥过渡段刚度平衡结构的施工方法，包括以下步骤：
⑴按照路桥过渡段的设计要求，预制形状大小符合设计要求的预制泡沫混凝土垫块801；
⑵按照设计要求，裁切钢板形成支座上层钢板13、支座下层钢板14、气垫上层钢板15、气垫下层钢板16和气垫侧面钢板17，并在气垫上层钢板15、气垫下层钢板16和气垫侧面钢板17对应边焊接铰链18，安装阻尼棒21和记忆合金弹簧22，粘贴合成橡胶形成气囊Ⅰ201和气囊Ⅱ202，然后安装柔性防护布19，通过充气嘴向气囊Ⅰ201和气囊Ⅱ202内部充气，形成充气式缓冲支座11和充气式缓冲气垫12；
⑶在路桥过渡段地基上修筑桥墩2和桥台3；在路基侧按照坡度1:1放坡开挖地基10形成台阶状结构；
⑷利用沥青材料在桥台3的台背施工形成铺满台背的伸缩缝4下半部分，然后通过粗颗粒土逐层填充并压实形成垫层9；
⑸根据设计厚度铺设与垫层9接触的块石层7，然后在块石层7上通过现场浇筑法形成10~15cm厚的泡沫混凝土垫层802；
⑹将预制组装完成的充气式缓冲支座11安装在桥台3的上方，同时将充气式缓冲气垫12安装在靠近桥台3的泡沫混凝土垫层802上方，利用压敏双向阀23将充气式缓冲支座11和充气式缓冲气垫12连接；
⑺修筑桥梁梁体1后，利用沥青材料在桥梁梁体1与路基接触的一端铺满形成伸缩缝4的上半部分，从下到上依次铺设预制泡沫混凝土垫块801、块石层7、碎石层6和路面层5。

Claims (3)

1.一种多年冻土区路桥过渡段刚度平衡结构，包括桥梁侧的桥梁梁体（1）、设在所述桥梁梁体（1）下方的桥墩（2）和桥台（3）以及设在桥梁侧与路基侧之间的伸缩缝（4），其特征在于：所述路基侧包括从上到下依次设置的路面层（5）、碎石层（6）、块石层（7）、预制泡沫混凝土垫块（801）、泡沫混凝土垫层（802）、垫层（9）和地基（10）；所述桥台（3）与所述桥梁梁体（1）之间设有充气式缓冲支座（11），该充气式缓冲支座（11）包括支座上层钢板（13）和支座下层钢板（14）；所述支座上层钢板（13）与所述支座下层钢板（14）之间设有气囊Ⅰ（201）；靠桥梁侧的所述预制泡沫混凝土垫块（801）与所述泡沫混凝土垫层（802）之间设有充气式缓冲气垫（12），该充气式缓冲气垫（12）包括气垫上层钢板（15）、气垫下层钢板（16）和气垫侧面钢板（17）；所述气垫上层钢板（15）、所述气垫下层钢板（16）和所述气垫侧面钢板（17）之间设有气囊Ⅱ（202）；所述充气式缓冲支座（11）与所述充气式缓冲气垫（12）相连，且二者边缘均设置柔性防护布（19）；所述气囊Ⅰ（201）与所述气囊Ⅱ（202）内均布有数个阻尼棒（21）和数个记忆合金弹簧（22）；所述充气式缓冲支座（11）通过压敏双向阀（23）与所述充气式缓冲气垫（12）相连；数个所述阻尼棒（21）和数个所述记忆合金弹簧（22）交错设置。
2.如权利要求1所述的一种多年冻土区路桥过渡段刚度平衡结构，其特征在于：所述气垫侧面钢板（17）的两侧分别通过铰链（18）与所述气垫上层钢板（15）、所述气垫下层钢板（16）相连。
3.如权利要求1所述的一种多年冻土区路桥过渡段刚度平衡结构的施工方法，包括以下步骤：
⑴按照路桥过渡段的设计要求，预制形状大小符合设计要求的预制泡沫混凝土垫块（801）；
⑵按照设计要求，裁切钢板形成支座上层钢板（13）、支座下层钢板（14）、气垫上层钢板（15）、气垫下层钢板（16）和气垫侧面钢板（17），并在气垫上层钢板（15）、气垫下层钢板（16）和气垫侧面钢板（17）对应边焊接铰链（18），安装阻尼棒（21）和记忆合金弹簧（22），粘贴合成橡胶形成气囊Ⅰ（201）和气囊Ⅱ（202），然后安装柔性防护布（19），通过充气嘴向气囊Ⅰ（201）和气囊Ⅱ（202）内部充气，形成充气式缓冲支座（11）和充气式缓冲气垫（12）；
⑶在路桥过渡段地基上修筑桥墩（2）和桥台（3）；在路基侧按照坡度1:1放坡开挖地基（10）形成台阶状结构；
⑷利用沥青材料在所述桥台（3）的台背施工形成铺满台背的伸缩缝（4）下半部分，然后通过粗颗粒土逐层填充并压实形成垫层（9）；
⑸根据设计厚度铺设与所述垫层（9）接触的块石层（7），然后在所述块石层（7）上通过现场浇筑法形成10~15cm厚的泡沫混凝土垫层（802）；
⑹将预制组装完成的所述充气式缓冲支座（11）安装在所述桥台（3）的上方，同时将所述充气式缓冲气垫（12）安装在靠近所述桥台（3）的所述泡沫混凝土垫层（802）上方，利用压敏双向阀（23）将所述充气式缓冲支座（11）和所述充气式缓冲气垫（12）连接；
⑺修筑桥梁梁体（1）后，利用沥青材料在所述桥梁梁体（1）与路基接触的一端铺满形成所述伸缩缝（4）的上半部分，从下到上依次铺设预制泡沫混凝土垫块（801）、块石层（7）、碎石层（6）和路面层（5）。
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