CN115323943B - 基于液压系统的跨逆断层桥梁的抗断裂装置 - Google Patents

基于液压系统的跨逆断层桥梁的抗断裂装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于液压系统的跨逆断层桥梁的抗断裂装置，其中跨逆断层的桥段设计成简支梁桥，基础类型为桩基础；其余桥段设计成连续梁桥。本发明安装在跨逆断层简支梁桥段的墩台上。本发明包括液压千斤顶整体装置、抗剪销钉、桥墩滑槽。将跨断层桥墩与承台浇筑成与设计相符的形状，通过锚固连接将液压千斤顶整体装置和桥墩承台固结为一体，水平方向由抗剪销钉承担初始约束作用。该装置实现了承台和桥墩的分离，断层错动作用时，抗剪销钉受到巨大的剪切作用失去竖向约束，承台整体向上抬升的同时压缩液压千斤顶装置，最终承台‑液压千斤顶整体装置‑桥墩嵌合。

Description

基于液压系统的跨逆断层桥梁的抗断裂装置
技术领域
本发明属于地震试验技术领域，具体涉及基于液压系统的跨逆断层桥梁的抗断裂装置。
背景技术
我国是公路、铁路网日益密集发展迅速的国家，因此需要穿山越湖修建桥梁。纵向延伸较长的桥梁，因地形地貌等周围环境及建设选址需求、活断层探测技术等原因，禁止或避让并不能完全消除紧邻发震断层地表破裂带上桥梁的破坏风险。
断层地震动一般具有上盘效应、滑冲效应、破裂方向效应、速度脉冲效应等特征。断层错动造成桥体破坏的类型有很多：(1)支座破坏：主要是支座限位装置失去了限位能力，内部螺栓破坏等；(2)桥梁破坏：由于断层错动产生的竖向和水平位移，两墩台之间的主梁不再处于同一条水平线上，产生了一定的挠度，导致梁体错断或是落梁破坏；(3)桥梁墩台破坏：主要体现为断层错动下墩台的位移、墩身的混凝土剪切破坏失去强度、墩台出现贯通裂缝等。
目前的规范禁止在跨越活动断层上修建桥梁。但是如今的局限性在于：(1)技术上勘测主断层是相对容易的，但是预测次生断层的发展却是难题，造成了已经修建好或是正在修建的桥梁被误认为是没有跨越断层的；(2)例如海南铺前湾大桥，是国内最大动峰值加速度(0.59g)场地上修建的大桥，同时也是世界上最大的跨活动断层的海洋大桥。大桥的建设场地跨越1个活动断层和2个非活动断层。说明了由于地形条件和道路交通的限制，即使是跨海大桥这样的重要生命线工程，也选择了跨断层修建；(3)综合考虑经济成本，施工的周期等一系列条件下迫不得已才选择在近断层或者跨越断层修建桥梁。
针对上述问题专家学者们进行了广泛的研究，也提出了很多抗震装置。包括多向异性拉索限位装置、减震榫、防碰撞限位块、铅芯橡胶支座加拉索限位器的组合装置等。这些装置在一定程度上减轻了位错过大导致的落梁、碰撞等震害，但是没有实现减小跨断层错动下墩台竖向位移的目的或通过局部损失破坏实现整体桥梁抗断裂的能力。桥墩作为刚性承载结构，自身无法被压缩，因而在地表产生竖向位移时两墩台形成的高差仍然会使桥梁产生严重破坏。
基于目前近断层桥梁抗震装置的研究，并根据当前桥梁抗震对减隔震装置的要求，本发明提出了基于液压装置的跨逆断层桥梁抗断裂装置。
发明内容
本发明所为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了基于液压系统的跨逆断层桥梁的抗断裂装置。
为了解决技术问题，本发明的技术方案是：
基于液压系统的跨逆断层桥梁的抗断裂装置，所述装置安装在跨逆断层简支梁桥段的桥墩上；所述装置包括：多个液压千斤顶装置和承台；所述桥墩底部的外侧设置有桥墩滑槽，所述桥墩滑槽安装在承台上；所述承台的顶面被浇筑成与多个液压千斤顶装置中第二组液压千斤顶相契合的凹字形凹陷，所述第二组液压千斤顶固定安装在凹字形凹陷内且顶部与桥墩的底面固定安装；所述桥墩的底面被浇筑成与多个液压千斤顶装置中第一组液压千斤顶和第三组液压千斤顶相契合的凹字形凹陷；所述第一组液压千斤顶和第三组液压千斤顶固定安装在桥墩中底面的凹字形凹陷内且底部与承台的顶面固定安装。
进一步，所述液压千斤顶装置的上顶盘上设置有多个上顶盘固定锚孔、侧向设置有多个侧向抗剪销钉固定孔、底部设置有多个底部固定锚孔，所述第一组液压千斤顶和第三组液压千斤顶通过上顶盘固定锚孔与桥墩中底面凹字形凹陷的上侧锚固为一体；所述第二组液压千斤顶的上顶盘固定锚孔与桥墩的底面锚固为一体；所述第一组液压千斤顶和第三组液压千斤顶通过底部固定锚孔与承台的顶面锚固为一体，所述第二组液压千斤顶通过底部固定锚孔与承台的凹字形凹陷的底进一步，所述装置还包括：多个抗剪销钉；所述侧向抗剪销钉固定孔通过多个抗剪销钉与第一组液压千斤顶、第二组液压千斤顶和第三组液压千斤顶的凹字形凹陷内的四周固定。
进一步，所述第一组液压千斤顶、第二组液压千斤顶和第三组液压千斤顶的数量分别为两个；所述第二组液压千斤顶位于第一组液压千斤顶和第三组液压千斤顶的中部，所述第一组液压千斤顶、第二组液压千斤顶和第三组液压千斤顶呈矩阵式分布。
进一步，所述第一组液压千斤顶、第二组液压千斤顶和第三组液压千斤顶的侧向抗剪销钉固定孔的数量为二十四，并均匀分布在四个侧面，所述第一组液压千斤顶、第二组液压千斤顶和第三组液压千斤顶的上顶盘固定锚孔的数量为二；所述第一组液压千斤顶、第二组液压千斤顶和第三组液压千斤顶的底部固定锚孔的数量为二。
进一步，当第二组液压千斤顶被压实时，第二组液压千斤顶的上表面与承台的上表面处于同一水平面。
进一步，所述液压千斤顶装置还包括：千斤顶固定台、千斤顶、顶针、活塞、液压滑槽、底部隔板和液压存储箱；
所述液压千斤顶装置从上到下依次分布为：上顶盘固定锚孔、千斤顶、侧向抗剪销钉固定孔、液压滑槽、千斤顶固定台、液压仓、顶针、底部隔板、活塞、底部固定锚孔、液体储存箱。
进一步，在安装抗断裂装置时，千斤顶处于完全顶升状态，荷载由下部液体储存箱中的液体和侧面与桥墩相连接的抗剪销钉承担；底部隔板上的活塞开口朝向底部处于闭合状态，此时桥墩整体处于正常使用阶段。
进一步，当地震来临时，逆断层作用下地表产生巨大的竖向位移，整体来看，此时断层上盘抬升，竖向的地震作用力使抗剪销钉受到剪切破坏，桥墩和第一组液压千斤顶、第三组液压千斤顶之间失去竖向约束，承台整体会随着断层错动的顶升作用顺着桥墩滑槽向上滑动，最终第二组液压千斤顶受压会完全嵌入承台内，第一组液压千斤顶和第三组液压千斤顶受压后整个装置随着承台的抬升而完全嵌入桥墩的“凹”字型空隙内。
进一步，从所述液压千斤顶自身来看：处于初始状态时，千斤顶处于完全顶升状态；液压仓充满了液体，起到一定的承载作用；活塞处于开口朝底面的闭合状态；当断层位错产生，整体结构发生了变化，千斤顶下部装置整体会随着承台上升，此时千斤顶受压，气体压入上部空仓中，顶针会迅速触碰并顶开活塞，液压仓中的液体会同时被压入液体储存箱，直到完全压实停止运动。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明提供了一种基于液压系统的跨逆断层桥梁的抗断裂装置与方法。其中跨逆断层的桥段设计成简支梁桥，基础类型为桩基础；其余桥段设计成连续梁桥。本发明安装在跨逆断层简支梁桥段的墩台上。本发明包括液压千斤顶整体装置、抗剪销钉、桥墩滑槽。将跨断层桥墩与承台浇筑成与设计相符的形状，通过锚固连接将液压千斤顶整体装置和桥墩承台固结为一体，水平方向由抗剪销钉承担初始约束作用。该装置实现了承台和桥墩的分离，断层错动作用时，抗剪销钉受到巨大的剪切作用失去竖向约束，承台整体向上抬升的同时压缩液压千斤顶装置，最终承台-液压千斤顶整体装置-桥墩嵌合。本发明的优点在于，突破性的提出了跨逆断层的桥梁的抗断裂装置，装置自身的位移抵偿了桥墩自身因地表竖向位移产生的抬升而引起的桥墩间高差，降低梁体错断、落梁风险，避免了桥墩压溃，实现了对桥墩竖向位移的有效控制。
附图说明
图1是本发明结构桥梁整体平面图；
图2是本发明结构桥梁整体立体图；
图3a是本发明结构桥墩立体图；
图3b是本发明结构桥墩透视图；
图4是本发明结构桥墩具体安装立体图；
图5是本发明结构安装实例俯视剖面图；
图6是本发明结构安装实例正视剖面图；
图7a、7b是本发明结构立体图；
图8a、8b是本发明结构剖面立体图；
图9是本发明结构左视图；
图10是本发明结构正视图；
图11是本发明结构剖面图；
图12是抗剪销钉立体图；
图13是抗剪销钉左视图；
图14是抗剪销钉正视图；
图15是桥墩内部抗剪销钉固定图；
图16是桥墩外部抗剪销钉固定图。
附图标记
1-上顶盘固定锚孔；2-侧向抗剪销钉固定孔；3-液压仓；4-千斤顶固定台；5-千斤顶；6-顶针；7-活塞；8-底部固定锚孔；9-液压滑槽；10-底部隔板；11-液体储存箱；12-桥墩滑槽；13-抗剪销钉；14-第一组液压千斤顶；15-第二组液压千斤顶；16-第三组液压千斤顶。
具体实施方式
下面结合实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1
一种基于液压装置的跨逆断层桥梁的抗断裂装置，包括液压千斤顶整体装置、抗剪销钉、桥墩滑槽。如图7-11所示，其中液压千斤顶装置包括：上顶盘固定锚孔、侧向抗剪销钉固定孔、千斤顶、千斤顶固定台、液压仓、底部隔板、下部固定锚孔、液体储存箱、顶针、活塞。所述基于液压千斤顶系统的桥墩竖向减轻损伤装置整体为长方体；外伸部分的千斤顶中心轴和上顶盘都为圆柱体，中心轴较细，剖面为T字型；为了匹配发明内容，桥梁的桥墩和承台设计成适合液压千斤顶整体装置相契合的形状；安装在桥墩和承台之间的液压千斤顶整体装置四个侧面由抗剪销钉(如图12-16所示)和桥墩固定，一共安装四台，上顶盘由固定锚孔和桥墩固定，下部结构由锚孔和承台固定；安装在承台内的液压千斤顶整体装置，一共两台，上顶盘由固定锚孔和桥墩固定，下部结构由锚孔和承台固定；桥墩底部的两侧安装了空心的长方形柱体滑槽。
液压千斤顶被一个长方体的箱体固定在内部，方便和桥墩以及承台固定，也能限制千斤顶水平方向运动。在箱体的内部液压千斤顶被两块固定台固定住，保证只有液压千斤顶的中心轴进行竖向运动，而液压千斤顶整体和箱体保持相对静止。液压千斤顶的上顶盘伸出箱体与桥墩由锚孔固定。下顶盘的下部和底部隔板之间充满了液体，给予初始状态的液压千斤顶一定的支撑力。底部隔板将液压仓和液体储存箱隔开，在底部隔板上安装了两个活塞，下顶盘的下表面相匹配的位置上安装了两个尖头顶针，使千斤顶被压实过程中顶针顶开活塞，液压仓内的液体能够被压入液体储藏箱。箱体的底部由锚孔和承台相连接。
所述安装在桥墩和承台之间的液压千斤顶整体装置大小和桥墩开槽大小相吻合，液压千斤顶整体装置能够整体嵌入桥墩开槽内。液压千斤顶因为有其下部的整体固定装置，保证了液压千斤顶只能在竖直方向移动。安装在桥墩和承台之间的液压千斤顶整体装置有四个侧面，每个侧面由六个抗剪销钉和桥墩链接，抗剪销钉有一定的承受荷载能力，但是当受到巨大的剪切应力作用时，会迅速屈服被剪断，这一特性实现了该装置在跨断层地震作用时，能够实现桥墩迅速与安装在桥墩和承台之间的液压千斤顶整体装置丧失竖向约束。
本发明为一整套装置与其制作方法，对于完整的桥梁，跨逆断层的桥段设计成简支梁桥，其余桥段设计成连续梁桥。本发明安装在跨逆断层简支梁桥段的墩台上。
本发明的优点在于：装置简单、受力构造明确、经济成本低廉、适用于绝大多数跨逆断层桥梁，能有效的减少逆断层错动对桥体产生的损害，具有很好的应用前景。
实施例2：
本实施例应用于实施例1，如图1-3所示，对于完整的桥梁，跨逆断层的桥段设计成简支梁桥，基础类型为桩基础；其余桥段设计成连续梁桥。逆断层破裂位置上下盘部分的比例大概为3：1，根据桥梁对断层的合理避让距离，跨逆断层简支梁桥段的墩台放置在上盘，距离断层破裂位置大约15m处；另一跨简支梁桥墩，距离断层破裂位置大约45m处。
本实施例提供了一种跨断层桥梁在受到逆断层位错作用时的抗断裂装置与方法。如图4、5所示，安装在承台上的第一组液压千斤顶整体装置14和第三组液压千斤顶整体装置16，他们的顶面由上顶盘固定锚孔1和桥墩进行锚固为一体，四个侧面由抗剪销钉13和桥墩侧壁连接，底面由底部固定锚孔8和承台锚固为一体。安装在承台中的第二组液压千斤顶整体装置15其顶面同样由上顶盘固定锚孔1和桥墩进行锚固为一体，四个侧面通过抗剪销钉13和桥墩侧壁连接，底面由底部固定锚孔8和承台锚固为一体。在安装第二组液压千斤顶整体装置15处的承台进行“凹”字型浇筑(如图5、6)，保证当第二组液压千斤顶整体装置15被压实时，装置的上表面能够和承台的上表面在同一水平面上。本发明所设计的液压装置剖面如图11所示，从左到右依次为上顶盘固定锚孔1、千斤顶5、侧向抗剪销钉固定孔2、液压滑槽9、千斤顶固定台4、液压仓3、顶针6、底部隔板10、活塞孔7、底部固定锚孔8、液体储存箱11。如图6所示，桥墩的底部浇筑成类似“山”字型，凹陷处体积的大小设计成正好和压实后的第一组液压千斤顶整体装置14以及第三组液压千斤顶整体装置16的体积相同。在安装时，千斤顶5处于完全顶升状态，荷载由下部液体储存箱11中的液体和侧面与桥墩相连接的抗剪销钉13承担。底部隔板10上的活塞7开口朝向底部处于闭合状态。此时桥墩整体处于正常使用阶段。
当地震来临时，逆断层作用下地表产生巨大的竖向位移。整体来看，此时断层上盘抬升，竖向的地震作用力使抗剪销钉13受到剪切破坏，桥墩和第一组液压千斤顶整体装置14、第三组液压千斤顶整体装置15之间失去竖向约束，承台整体会随着断层错动的顶升作用顺着桥墩滑槽12向上滑动，最终第二组液压千斤顶整体装置受压会完全嵌入承台内，第一组液压千斤顶整体装置14和第三组液压千斤顶整体装置16受压后整个装置随着承台的抬升而完全嵌入桥墩的“凹”字型空隙内。
从液压千斤顶自身来看，如图8、11所示，处于初始状态时，千斤顶5处于完全顶升状态；液压仓3充满了液体，起到一定的承载作用；活塞7处于开口朝底面的闭合状态。当断层位错产生，整体结构发生了变化，千斤顶下部装置整体会随着承台上升，此时千斤顶5受压，气体压入上部空仓中，顶针6会迅速触碰并顶开活塞7，液压仓3中的液体会同时被压入液体储存箱11，直到完全压实停止运动。
这段由千斤顶装置受压压缩产生的位移，很好的抵偿了断层位错引起的地表隆起位移，避免了桥墩的整体抬升使各墩台间产生相对高差而导致得桥梁严重破坏。
上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (5)

1.基于液压系统的跨逆断层桥梁的抗断裂装置，其特征在于，所述装置安装在跨逆断层简支梁桥段的桥墩上；所述跨逆断层简支梁桥段的墩台放置在上盘，所述装置包括：多个液压千斤顶装置和承台；所述桥墩底部的外侧设置有桥墩滑槽（12），所述桥墩滑槽（12）安装在承台上；所述承台的顶面被浇筑成与多个液压千斤顶装置中第二组液压千斤顶（15）相契合的凹字形凹陷，所述第二组液压千斤顶（15）固定安装在凹字形凹陷内且顶部与桥墩的底面固定安装；所述桥墩的底面被浇筑成与多个液压千斤顶装置中第一组液压千斤顶（14）和第三组液压千斤顶（16）相契合的凹字形凹陷；所述第一组液压千斤顶（14）和第三组液压千斤顶（16）固定安装在桥墩中底面的凹字形凹陷内且底部与承台的顶面固定安装；
所述液压千斤顶装置的上顶盘上设置有多个上顶盘固定锚孔（1）、侧向设置有多个侧向抗剪销钉固定孔（2）、底部设置有多个底部固定锚孔（8），所述第一组液压千斤顶（14）和第三组液压千斤顶（16）通过上顶盘固定锚孔（1）与桥墩中底面凹字形凹陷的上侧锚固为一体；所述第二组液压千斤顶（15）的上顶盘固定锚孔（1）与桥墩的底面锚固为一体；所述第一组液压千斤顶（14）和第三组液压千斤顶（16）通过底部固定锚孔（8）与承台的顶面锚固为一体，所述第二组液压千斤顶（15）通过底部固定锚孔（8）与承台的凹字形凹陷的底部锚固为一体；
所述装置还包括：多个抗剪销钉（13）；所述侧向抗剪销钉固定孔（2）通过多个抗剪销钉（13）与第一组液压千斤顶（14）、第二组液压千斤顶（15）和第三组液压千斤顶（16）的凹字形凹陷内的四周固定；
当第二组液压千斤顶（15）被压实时，第二组液压千斤顶（15）的上表面与承台的上表面处于同一水平面；
所述液压千斤顶装置还包括：千斤顶固定台（4）、千斤顶（5）、顶针（6）、活塞（7）、液压滑槽（9）、底部隔板（10）和液压存储箱（11）；
所述液压千斤顶装置从上到下依次分布为：上顶盘固定锚孔（1）、千斤顶（5）、侧向抗剪销钉固定孔（2）、液压滑槽（9）、千斤顶固定台（4）、液压仓（3）、顶针（6）、底部隔板（10）、活塞（7）、底部固定锚孔（8）、液体储存箱（11）；
在安装抗断裂装置时，千斤顶（5）处于完全顶升状态，荷载由下部液体储存箱（11）中的液体和侧面与桥墩相连接的抗剪销钉（13）承担；底部隔板（10）上的活塞（7）开口朝向底部处于闭合状态，此时桥墩整体处于正常使用阶段。
2.根据权利要求1所述的基于液压系统的跨逆断层桥梁的抗断裂装置，其特征在于，所述第一组液压千斤顶（14）、第二组液压千斤顶（15）和第三组液压千斤顶（16）的数量分别为两个；所述第二组液压千斤顶（15）位于第一组液压千斤顶（14）和第三组液压千斤顶（16）的中部，所述第一组液压千斤顶（14）、第二组液压千斤顶（15）和第三组液压千斤顶（16）呈矩阵式分布。
3.根据权利要求1所述的基于液压系统的跨逆断层桥梁的抗断裂装置，其特征在于，所述第一组液压千斤顶（14）、第二组液压千斤顶（15）和第三组液压千斤顶（16）的侧向抗剪销钉固定孔（2）的数量为二十四，并均匀分布在四个侧面，所述第一组液压千斤顶（14）、第二组液压千斤顶（15）和第三组液压千斤顶（16）的上顶盘固定锚孔（1）的数量为二；所述第一组液压千斤顶（14）、第二组液压千斤顶（15）和第三组液压千斤顶（16）的底部固定锚孔（8）的数量为二。
4.根据权利要求1所述的基于液压系统的跨逆断层桥梁的抗断裂装置，其特征在于，当地震来临时，逆断层作用下地表产生巨大的竖向位移，整体来看，此时断层上盘抬升，竖向的地震作用力使抗剪销钉（13）受到剪切破坏，桥墩和第一组液压千斤顶（14）、第三组液压千斤顶（16）之间失去竖向约束，承台整体会随着断层错动的顶升作用顺着桥墩滑槽（12）向上滑动，最终第二组液压千斤顶（15）受压会完全嵌入承台内，第一组液压千斤顶（14）和第三组液压千斤顶（16）受压后整个装置随着承台的抬升而完全嵌入桥墩的“凹”字型空隙内。
5.根据权利要求1所述的基于液压系统的跨逆断层桥梁的抗断裂装置，其特征在于，从所述液压千斤顶自身来看：处于初始状态时，千斤顶（5）处于完全顶升状态；液压仓（3）充满了液体，起到一定的承载作用；活塞（5）处于开口朝底面的闭合状态；当断层位错产生，整体结构发生了变化，千斤顶（5）下部装置整体会随着承台上升，此时千斤顶（5）受压，气体压入上部空仓中，顶针（6）会迅速触碰并顶开活塞（7），液压仓（3）中的液体会同时被压入液体储存箱（11），直到完全压实停止运动。
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US11333590B1 (en) * 2021-07-21 2022-05-17 Institute Of Geology And Geophysics, Chinese Academy Of Sciences Experimental system for simulating creep and stick-slip dislocations of fault in tunnel structure

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