CN116289510B - 一种基于承台和墩顶摇摆的全装配式双柱桥梁结构体系 - Google Patents

Abstract

一种基于承台和墩顶摇摆的全装配式双柱桥梁结构体系，包括若干个预制桩基，预制桩基上有预制下承台，预制下承台通过摇摆组件连接有预制上承台，预制上承台固接有预制桥墩，预制梁盖连接在预制桥墩顶端，预制桥墩的顶端面固接有十字形预埋钢板，预制梁盖底面开设有十字形槽；十字形预埋钢板与十字形槽相适配；预制桥墩内竖直穿设有若干个预应力钢筋；预应力钢筋分别锚固在预制梁盖顶面和预制下承台底面；本发明的结构体系基于滚动板、十字形预埋钢板的墩顶摇摆构造、预应力钢筋、可更换耗能元件、自复位元件，可以在地震作用下进行摇摆，延长结构自振周期，削弱结构的地震响应，并提供自复位能力和耗能能力，有效降低桥梁的残余位移和局部损伤。

Description

一种基于承台和墩顶摇摆的全装配式双柱桥梁结构体系

技术领域

本发明涉及桥梁工程与地震工程技术领域，特别是涉及一种基于承台和墩顶摇摆的全装配式双柱桥梁结构体系。

背景技术

预制装配式桥梁以其施工周期短、结构构件质量优异、对环境影响较小等优势性能，迅速得到了桥梁建造者的青睐，成为桥梁快速施工中的研究热点。但是，装配式桥梁建设仍存在一些问题。

一方面，目前的桥梁预制装配技术主要围绕上部结构、桩基础以及墩柱展开，而承台由于重量过大，运输和吊装较为困难，其施工方式仍然以现浇为主，极大地限制了预制桥梁结构的建造速度。另一方面，装配式桥梁的构件抗震性能较弱，制约了其在强震区推广使用。

对此，有专家和学者提出了通过摇摆自复位实现桥梁震后低损伤和可快速修复的摇摆桥梁体系来提高装配式桥梁的抗震韧性。然而，现有摇摆桥梁体系主要包括摇摆基础和摇摆桥墩两种形式，其中摇摆基础结构由于土体变形会导致桥梁结构的震后残余变形，影响桥梁震后可恢复性能；摇摆桥墩结构存在开合界面尺寸较小，影响耗能元件布置及变形，导致耗能效率较低的问题。

同时，现阶段的研究多基于单柱摇摆，双柱摇摆桥梁的研究开展得较少。而双柱桥墩作为桥梁工程中一种常见的下部结构形式，广泛应用于城市高架桥的实际工程中。与单柱桥墩相比，双柱桥墩能一定程度地打破桥面车道的限制，缓解城市交通拥堵问题，还能减少单柱桥面侧翻的风险，此外，双柱桥墩在抗震能力方面的表现更加良好。

综上所述，装配式桥梁建设中存在着承台重量过大不宜装配，现有摇摆桥梁体系的形式较难满足城市桥梁抗震韧性重大需求，以及单柱桥墩在城市桥梁实际工程中存在横向稳定性等问题。因此，亟需提出一种可实现桥梁结构桩基-承台-桥墩-上部结构全装配的、具有较高耗能能力和较好自复位性能的新型双柱式摇摆桥梁结构体系。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于承台和墩顶摇摆的全装配式双柱桥梁结构体系，以解决上述现有技术中存在的问题。

一种基于承台和墩顶摇摆的全装配式双柱桥梁结构体系，包括两个摇摆支撑机构，两个所述摇摆支撑机构的顶端安装有同一预制梁盖；所述摇摆支撑机构包括若干个预制桩基，若干所述预制桩基顶端固接有同一预制下承台，所述预制下承台的顶面通过摇摆组件连接有预制上承台，所述预制上承台的顶面竖直固接有预制桥墩，所述预制梁盖连接在所述预制桥墩顶端；所述预制桥墩的顶端面中部固接有十字形预埋钢板，所述预制梁盖底面与所述十字形预埋钢板对应的位置开设有十字形槽；所述十字形预埋钢板与所述十字形槽相适配；所述预制桥墩内竖直穿设有若干个预应力钢筋；所述预应力钢筋的顶端由下到上贯穿所述预制梁盖并锚固在所述预制梁盖的顶面，所述预应力钢筋的底端由上到下贯穿所述预制上承台和所述预制下承台并锚固在所述预制下承台的底面。

优选的，所述十字形预埋钢板的顶端面整体呈球弧面；所述十字形槽的槽底整体呈球弧面并与所述十字形预埋钢板的顶端面相适配。

优选的，所述十字形预埋钢板的顶端面和侧面相交所成棱角处为与两面相切的圆角面；所述十字形槽的槽底与槽侧壁相交所成棱角处为与两面相切的圆角面。

优选的，所述十字形槽的槽壁固接有薄钢板。

优选的，所述摇摆组件包括布置于所述预制下承台顶面四个角位置的四个可更换耗能元件和布置于所述预制下承台顶面每个边中部的四个自复位元件；四个所述可更换耗能元件和四个所述自复位元件的底面均固接于所述预制下承台且顶面均固结于所述预制上承台。

优选的，所述预制下承台的顶面中部开设有凹槽，所述预制上承台的底面中部形成有凸台，所述凸台与所述凹槽相适配且均呈倒立梯形台结构；所述滚动板的底面为平面并与所述凹槽槽底抵接，所述滚动板的底面与四个侧面相交所成棱角处呈圆角面。

优选的，所述预制上承台和预制下承台均在与所述可更换耗能元件对应位置预埋有第一钢板，所述可更换耗能元件上下均固接有连接钢板，并通过锚栓与所述预埋第一钢板连接；所述预制上承台和预制下承台均在与所述自复位元件对应位置预埋有第二钢板，所述自复位元件的顶面和底面通过锚栓与所述预埋第二钢板固定连接。

本发明公开了以下技术效果：

1.本发明的结构体系基于滚动板、球弧顶端面十字形预埋钢板的墩顶摇摆构造、预应力钢筋、可更换耗能元件、自复位元件，可以确保结构体系在正常使用状态下与传统桥梁结构体系无异，而在地震作用下顺利进行摇摆，延长结构自振周期，削弱结构的地震响应，同时提供自复位能力和耗能能力，有效降低桥梁的残余位移和局部损伤。

2.本发明提出的分离式承台：一方面可以减少承台重量，有助于实现桥梁建造的全预制装配施工，便于充分发挥出预制装配式桥梁的优势；另一方面将传统桥梁桩基础的承台一分为二，使承台上部能够在地震作用下摇摆，从而在基础部位隔断地震传播途径，达到减隔震的目的；此外，分离式上下承台之间可以提供较大空间，利于合理布置各类功能元件，为实现新型桥梁结构体系较好的自复位性能和较高的耗能能力提供了充分条件。

3.本发明的滚动板底面为平面且棱角处为圆角面，可保证在正常使用时能较好承受上部传递而来的荷载，在地震作用下更好的实现摇摆，同时圆角面处理避免了传统摇摆桥梁承台或墩柱底部在摇摆过程中局部承压导致保护层混凝土的剥落和脚点混凝土的压碎。

4.本发明的预应力钢筋沿靠近预制桥墩的四条侧棱设置，让桥梁各个方向的摇摆都能实现自复位，相较于桥墩中部设预应力筋可增大体系的自复位力和抗倾覆力矩，提高稳定性；另外，该布置方案也对体系的延性以及水平抗力有一定改善。

5.本发明的桥墩与上部结构的连接方式为类似销栓的柔性摇摆连接，即墩顶设有球弧顶端面十字形预埋钢板插入盖梁开设的十字形槽。一方面，该方式作为销栓构造仅能传递剪力而不传递弯矩，有效降低摇摆桥梁在释放墩底弯矩时显著增加的墩顶同上部结构连接处的弯矩需求，避免墩顶出现塑性破坏；另一方面，十字形预埋钢板顶端面和十字形槽底面均呈整体球弧面，在发挥销栓作用的同时，能顺利进行摇摆，并且在预应力钢筋的作用下保证墩顶连接处实现震后可自复位。

6.本发明的结构体系能将一般震后的损伤和破坏限制在功能元件上，保证主体结构在小震、中震、大震下保持弹性，降低修复成本、缩短修复时间，在巨震下不倒塌。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体轴视图及局部剖视图；

图2为本发明预制桥墩顶端和预制梁盖底面构造和装配示意图；

图3为本发明预制上承台轴视图；

图4为本发明预制下承台轴视图；

图5为本发明可更换耗能元件结构图；

图6为本发明预制盖梁的十字形槽及预制桥墩的十字形预埋钢板的球弧形结构示意图；

图7为本发明预制桥墩与预制盖梁的连接处剖视图。

其中：

1、预制梁盖；2、预制桥墩；3、预制上承台；4、预制下承台；5、预制桩基；6、预应力钢筋；7、可更换耗能元件；8、自复位元件；9、锚具；10、滚动板；12、十字形槽；21、十字形预埋钢板；71、连接钢板；341、第一钢板；342、第二钢板。

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他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照附图1-7，一种基于承台和墩顶摇摆的全装配式双柱桥梁结构体系，包括两个摇摆支撑机构，两个摇摆支撑机构的顶端安装有同一预制梁盖1；摇摆支撑机构包括若干个预制桩基5，若干预制桩基5顶端固接有同一预制下承台4，预制下承台4的顶面通过摇摆组件固定连接有预制上承台3，预制上承台3的顶面竖直固接有预制桥墩2，预制梁盖1连接在预制桥墩2顶端；预制桥墩2的顶端面中部固接有十字形预埋钢板21，预制梁盖1底面与十字形预埋钢板21对应的位置开设有十字形槽12；十字形预埋钢板21与十字形槽12相适配；预制桥墩2内竖直穿设有若干个预应力钢筋6；预应力钢筋6的顶端由下到上贯穿预制梁盖1并锚固在预制梁盖1的顶面，预应力钢筋6的底端由上到下贯穿预制上承台3和预制下承台4并锚固在预制下承台4的底面。

两个摇摆支撑机构对称设置在预制梁盖1的底面两端，若干个预制桩基5竖直固定插接在地基上，两个预制桥墩2均竖直设置；两个十字形预埋钢板21的顶端可以同时插入到其对应的十字形槽12内，这样一来，预制梁盖1可以独立于两个预制桥墩2进行一定的摇摆动作，进一步提高整体桥梁的抗震功能，降低被破坏的可能性，而十字形构造又能在预制梁盖1朝一个方向摇摆的同时，在另一个垂直的方向上对摇摆进行必要限制，起到限位的作用，降低落梁的风险；组成十字形预埋钢板21的两个钢板分别平行于预制桥墩2的两相邻侧面；预应力钢筋6的顶端和底端均通过锚具9分别与预制梁盖1的顶面和预制下承台4的底面锚固连接；预制梁盖1的顶面与锚具9对应的位置形成有凹陷，凹陷的深度需要保证锚具9以及预应力钢筋6的顶端限定在预制梁盖1的顶面的下方，方便后续的安装；每个预制桥墩2内的预应力钢筋6优选四条，四条预应力钢筋6分别靠近预制桥墩2的四条侧棱设置，无论预制梁盖1向哪个方向摆动，都有预应力钢筋6提供反向的拉力，防止其摆动过大。

进一步优化方案，十字形预埋钢板21的顶端面整体呈球弧面；十字形槽12的槽底整体呈球弧面并与十字形预埋钢板21的顶端面相适配。

十字形预埋钢板21的顶端面整体所形成的球弧面为向上凸起的球弧面，十字形槽12的槽底整体所形成的球弧面为向上凹进去的球弧面，十字形预埋钢板21的顶端面可以与十字形槽12的槽底贴合，通过将十字形预埋钢板21的顶端以及十字形槽12的槽底均设置成球弧形，可以保证墩顶在震时顺利进行摇摆，降低摇摆阻力。

进一步优化方案，十字形预埋钢板21的顶端面和侧面相交所成棱角处为与两面相切的圆角面；十字形槽12的槽底与槽侧壁相交所成棱角处为与两面相切的圆角面。

棱角进行圆角处理可以降低预制梁盖1的摆动对十字形预埋钢板21棱角处的磨损，增加十字形预埋钢板21的使用寿命。

预应力钢筋6采用无粘结预应力筋。

预制下承台4、预制上承台3、预制桥墩2以及预制梁盖1与预应力钢筋6对应的位置开设有贯通的预留孔道，与同一根预应力钢筋6对应的所有预留孔道同轴线设置，预应力钢筋6穿设在这些预留孔道内，并且与预留孔道的内壁无粘结滑动连接；无粘结预应力钢筋抗震性能好，当地震荷载引起大幅度位移时，可滑移的无粘结预应力筋一般始终处于受拉状态，应力变化幅度较小并保持在弹性工作阶段，进而始终对预制梁盖1起到限位作用。

进一步优化方案，十字形槽12的槽壁固接有薄钢板。

薄钢板可以提高十字形槽12槽壁的强度以及耐久性，避免在摇摆过程中发生局部破坏。

进一步优化方案，摇摆组件包括布置于预制下承台4顶面四个角位置的四个可更换耗能元件7和布置于预制下承台4顶面每个边中部的四个自复位元件8；四个可更换耗能元件7和四个自复位元件8的底面均固接于预制下承台4且顶面均固结于预制上承台3。

可更换耗能元件7采用的是手风琴式金属阻尼器，该类型的阻尼器具有优异的拉压耗能能力，可满足摇摆结构的耗能需求，自复位元件8包括顶板和底板，顶板和底板之间固接有若干个弹簧、支撑件以及橡胶垫层，当自复位元件8受到的压力大于一定值时，支撑件断裂，支撑的功能消失，若干个弹簧和橡胶垫层可以为预制上承台3提供弹力，使其在摇摆过程中自动复位。

进一步优化方案，预制下承台4的顶面中部开设有凹槽，预制上承台3的底面中部形成有凸台，凸台与凹槽相适配且均呈倒立梯形台结构；滚动板10的底面为平面并与所述凹槽槽底抵接，滚动板10的底面与四个侧面相交所成棱角处呈圆角面。

预制上承台3和预制下承台4采用上下扣合式形式，且留有空隙，以防止摇摆时发生碰撞破坏，并保证有足够空间以布置可更换耗能元件7和自复位元件8；滚动板10采用钢板或采用UHPC材料浇筑，以防止滚动板10局部受压过大导致的局部破坏。

进一步优化方案，预制上承台3和预制下承台4均在与可更换耗能元件7对应位置预埋有第一钢板341，可更换耗能元件7上下均固接有连接钢板71，并通过锚栓与预埋第一钢板341连接；预制上承台3和预制下承台4均在与自复位元件8对应位置预埋有第二钢板342，自复位元件8的顶面和底面通过锚栓与预埋第二钢板342固定连接。

第一钢板341和第二钢板342均提前预埋入预制上承台3和预制下承台4中，自复位元件8的顶板和底板和第二钢板342通过锚栓固定连接。

工作原理：在正常使用状态下，在滚动板10和预应力钢筋6共同作用下，预制上承台3和预制下承台4、预制梁盖1与预制桥墩2不发生摇摆和提离，干接缝可靠、承载能力优良，与传统双柱桥墩无区别。

在地震作用下，预制上承台3和预制下承台4之间、预制梁盖1与预制桥墩2之间发生摇摆，释放了传统双柱桥墩顶部和底部的弯矩，避免桥梁结构发生塑性破坏。具体表现为：地震作用下，预制上承台3和预制下承台4之间存在间隙以及滚动板10的存在，发生摇摆；摇摆过程中，自复位元件8以及预制上承台3和预制下承台4之间的扣合形式亦能限制承台摇摆的横向位移过大；可更换耗能元件7利用优异的拉压耗能能力，满足结构的耗能需求；自复位元件8提供较强的限位和自复位能力，即受压一侧，随压力增强，支撑件断裂，若干个弹簧、橡胶垫层逐次受压，受拉一侧，若干个弹簧提供自复位拉力；可更换耗能元件7与自复位元件8在预制上承台3回落过程中提供缓冲能力，减少对预制下承台4的碰撞损伤及破坏；预制梁盖1上开设的十字形槽12和预制桥墩2墩顶预埋的十字形预埋钢板21都有的球弧面，能实现预制梁盖1的顺利摇摆，而十字形构造又能在一个方向摇摆的同时，在另一个方向上对摇摆进行必要限制，起到限位的作用，降低落梁的风险。

在地震后，预应力钢筋6和结构自重，连同自复位元件8提供自复位能力，减小残余位移；同时，体系的损伤和破坏主要集中在可更换耗能元件7与自复位元件8上，而主体结构无显著破坏，可修复性能良好。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“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，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。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于承台和墩顶摇摆的全装配式双柱桥梁结构体系，其特征在于，包括：两个摇摆支撑机构，两个所述摇摆支撑机构的顶端安装有同一预制梁盖(1)；所述摇摆支撑机构包括若干个预制桩基(5)，若干所述预制桩基(5)顶端固接有同一预制下承台(4)，所述预制下承台(4)的顶面通过摇摆组件连接有预制上承台(3)，所述预制上承台(3)的顶面竖直固接有预制桥墩(2)，所述预制梁盖(1)连接在所述预制桥墩(2)顶端；所述预制桥墩(2)的顶端面中部固接有十字形预埋钢板(21)，所述预制梁盖(1)底面与所述十字形预埋钢板(21)对应的位置开设有十字形槽(12)；所述十字形预埋钢板(21)与所述十字形槽(12)相适配；所述预制桥墩(2)内竖直穿设有若干个预应力钢筋(6)，预应力钢筋(6)靠近预制桥墩(2)的四条侧棱设置；所述预应力钢筋(6)的顶端由下到上贯穿所述预制梁盖(1)并锚固在所述预制梁盖(1)的顶面，所述预应力钢筋(6)的底端由上到下贯穿所述预制上承台(3)和所述预制下承台(4)并锚固在所述预制下承台(4)的底面；

所述摇摆组件包括布置于所述预制下承台(4)顶面四个角位置的四个可更换耗能元件(7)和布置于所述预制下承台(4)顶面每个边中部的四个自复位元件(8)；四个所述可更换耗能元件(7)和四个所述自复位元件(8)的底面均固接于所述预制下承台(4)且顶面均固结于所述预制上承台(3)；

所述十字形预埋钢板(21)的顶端面整体呈球弧面；所述十字形槽(12)的槽底整体呈球弧面并与所述十字形预埋钢板(21)的顶端面相适配；

所述十字形预埋钢板(21)的顶端面和侧面相交所成棱角处为与两面相切的圆角面；所述十字形槽(12)的槽底与槽侧壁相交所成棱角处为与两面相切的圆角面；

所述十字形槽(12)的槽壁固接有薄钢板；

所述预制下承台(4)的顶面中部开设有凹槽，所述预制上承台(3)的底面中部形成有凸台，所述凸台与所述凹槽相适配且均呈倒立梯形台结构；所述凸台的底面固接有滚动板(10)，所述滚动板(10)的底面为平面并与所述凹槽槽底抵接，所述滚动板(10)的底面与四个侧面相交所成棱角处呈圆角面；

所述预制上承台(3)和预制下承台(4)均在与所述可更换耗能元件(7)对应位置预埋有第一钢板(341)，所述可更换耗能元件(7)上下均固接有连接钢板(71)，并通过锚栓与所述预埋第一钢板(341)连接；所述预制上承台(3)和预制下承台(4)均在与所述自复位元件(8)对应位置预埋有第二钢板(342)，所述自复位元件(8)的顶面和底面通过锚栓与所述预埋第二钢板(342)固定连接。