CN116927063B - 一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构，采用支座实现桥梁体系的抗震，再由U型钢防落梁装置耗能，最后由U型钢防落梁装置提供防落梁力，大大减小地震对桥梁的破坏情况，由于抗震体系各个产品的合理布置，且在任意方向都具有良好的抗震、减震及防落梁性能，极大提升了桥梁的安全性能。由于装置具有良好的阻尼耗能功能，可有效减小地震载荷，对桥墩、梁体、垫石等桥梁构件的优化设计提供了有利条件。对一体化防落梁支座的研究，提高了装置的精度，简化了施工步骤。

Description

一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构

技术领域

本发明涉及桥梁领域，特别是涉及一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构。

背景技术

支座作为桥梁的支撑体系，是桥梁结构的重要组成部分，防落梁装置是桥梁抵御地震，防止落梁的最后一道屏障，在铁路桥梁中也是广泛使用。以《铁路工程建设通用参考图》为例，球型支座和防落梁挡块组成的铁路桥梁抗震体系是目前铁路桥梁最为常见的抗震体系，该抗震体系结构在竖向支撑、顺桥向及横桥向均具有较好的抗震、防落梁效果。

但该抗震体系也有着非常明显的不足之处：

（1）在地震阶段，梁体的横桥向水平力只能由固定支座和纵向活动支座承担，一孔梁的四个支座在抗震方面得不到充分利用；

（2）不具备阻尼耗能功能，在地震作用下，梁体快速运动，桥墩垫石与防落梁挡块产生巨大的冲击载荷，可靠性得不到保证，同时也容易造成桥梁部件的损害；

（3）不具备竖向限位防落梁的功能，当发生较大的竖向地震时，容易导致梁体竖向位移而造成梁体的断裂或落梁；

（4）经济性差，由于需要抵抗巨大的冲击载荷，桥墩、垫石，梁体以及装置本身的设计均需考虑在巨大的冲击载荷下具备一定的强度，故导致相关部件尺寸较大，特别对于高烈度区，由于过大的尺寸，限制了该装置的应用。

铁路桥梁上还有球型支座与剪力榫组成的抗震体系，该体系具备柔性减震的能力，解决了球型支座与防落梁挡块抗震体系的部分问题，但同样也存在减震位移有限，安装空间大等缺点。另外采用减隔震支座的抗震体系也是铁路桥梁一种比较常用的抗震体系，该体系主要采用隔震的理念，延长结构周期，将加速度控制转化成位移控制，但该体系缺乏可靠的防落梁构造，在发生超出设计地震后，容易出现落梁事故。

故现需一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构解决上述问题。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中球型支座与剪力榫组成的抗震体系，存在减震位移有限，安装空间大等缺点，而采用减隔震支座的抗震体系，缺乏可靠的防落梁构造，在发生超出设计地震后，容易出现落梁事故的问题，提供了一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构，采用通过对支座和防落梁装置的特殊设计，以及组合使用的布置形式等，达到多级抗震、减震和防落梁的目的，解决了上述问题。

本发明提供了一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构，包括梁体、四个梁体支座、两个横向限位机构、两个纵向限位机构和若干对防落梁机构，四个梁体支座分别设置于梁体底面四端点位置，梁体支座底部设置在桥墩顶部，纵向限位机构用于对梁体支座纵向限位，横向限位机构的活动余量小于纵向限位机构的活动余量，横向限位机构用于对梁体支座横向限位，两横向限位机构设置于梁体同一纵向位置一端的两梁体支座上，两纵向限位机构设置于梁体同一横向位置一侧的两梁体支座上，防落梁机构沿梁体横向方向相对设置于梁体底面两端，防落梁机构为横置U型结构，防落梁机构开口相对。

根据铁路桥梁的破坏机理以及震后桥梁的落梁实例，铁路简支梁在横桥向发生位移超限甚至落梁的情况较容易发生，所以应重点提高梁体在横桥向方向的抗震能力，首先在横向活动支座和多向活动支座的横桥向方向增设限位挡块，使得一孔梁所采用的固定支座、横向活动支座、纵向活动支座和多向活动支座在横桥向均具有抵抗地震的能力，提高了支座的抗震能力。

为了进一步优化桥梁的抗震体系，在采用增设限位挡块支座的桥梁上安装U型防落梁装置，当梁体在经历一次地震过程中（以横向地震为例），首先由固定支座和纵向活动支座承担地震水平力，当地震力过大时，梁体发生微变形，此时横向活动支座和多向活动支座的限位挡块开始发挥作用，四个支座同时承担地震力，当地震力进一步增大时，支座螺栓出现剪断，此时梁体发生较大位移，梁体水平力通过U型防落梁装置传递到下部结构，在此过程中，由于U型钢的变形会产生一定的阻尼反力，起到一定的耗能作用，由于U型钢特定的连接和布置方式，当梁体的位移达到设定数值时，U型防落梁装置提供足够的限位力，以防止进一步的落梁事故的发生。针对不同等级的地震，该抗震体系都具有非常明确的受力情况及功能发挥机理。

为了进一步简化施工步骤，提高抗震体系的可靠性和稳定性，提供一种增设限位挡块支座和U型钢防落梁装置集成的一体化设计方案，其在地震情况下的受力情况和功能发挥机理，与球支支座和防落梁装置组合使用的方案相同，区别在于由于一体化设计的防落梁支座在工厂生产组装，精度高，质量容易保证，同时在施工阶段也简化了施工步骤，提高了施工效率。

本发明所述的一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构，作为优选方式，梁体支座包括上支座、球冠衬板、下支座、辅助受力机构和梁底预埋钢板，下支座固定设置在墩顶位置，梁底预埋钢板预埋在梁体的底面位置，上支座板与梁底预埋钢板紧固，辅助受力机构连接上支座一侧边下表面和下支座的对应侧边上表面，球冠衬板设置于上支座与下支座之间，球冠衬板为未过半径球缺结构，球冠衬板球形面为下表面，下支座为底面外周设置有安装翼板的柱体，下支座柱体上表面设置有配合球冠衬板下表面的凹槽，辅助受力机构为U型板结构，辅助受力机构横置设置，辅助受力机构上表面连接梁底预埋钢板下表面，辅助受力机构下表面连接下支座的安装翼板上表面。

本发明所述的一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构，作为优选方式，防落梁机构包括上锚固组件、下锚固组件和吸能器，上锚固组件预埋于桥梁底面，下锚固组件预埋于墩顶，吸能器上端紧固上锚固组件，吸能器下端紧固下锚固组件，吸能器为弧形溃缩结构。

本发明所述的一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构，作为优选方式，吸能器包括上锚固板、下锚固板和弧形连接段，上锚固板和下锚固板均为板状结构，上锚固板与下锚固板相对设置，上锚固板和下锚固板之间通过弧形连接段连接，弧形连接段为截面为弧形的板状结构，上锚固板紧固于上锚固组件下表面，下锚固板紧固下锚固组件上表面。

本发明所述的一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构，作为优选方式，吸能器包括硬质吸能器、安装螺栓、防切断机构壳体、耗能液、耗能颗粒、第一柔性膜、第二柔性膜、脆性分隔板、固化腔、耗能腔、气室和姿态定位板，硬质吸能器为横置的U型溃缩板结构，防切割机构壳体为中空柱体，防切断机构壳体埋于桥墩顶面混凝土内部，硬质吸能器下板面通过安装螺栓穿过混凝土安装在防切断机构壳体上方，姿态定位板为正交三方向结构的板组合体，脆性分隔板为带孔的脆性板体，第二柔性膜填补在脆性分隔板内孔位置，第二柔性膜面积大于脆性分隔板内孔面积，固化腔呈环状设置于防切断机构壳体内壁内侧，耗能腔设置于固化腔中空位置，固化腔和耗能腔之间设置有自防切断机构壳体内表面顶部向下竖向延伸且底部不封闭的环形分隔板，气室设置于防切断机构壳体外周下端，第一柔性膜封闭设置在耗能腔上部，脆性分隔板封闭设置于耗能腔中部，耗能液设置于第一柔性膜和脆性分隔板之间，耗能液为空气固化液体，耗能颗粒设置于耗能腔下部的脆性分隔板下方，耗能颗粒为柔性颗粒，安装螺栓由上至下穿过且连接防切断机构壳体上板面、第一柔性膜和第二柔性膜，姿态定位板接触耗能颗粒，耗能颗粒直径大于环形分隔板底端与防切断机构壳体内表面底部之间的缝隙高度。

当地震发生时，吸能器对安装螺栓进行保护，防止防落梁机构的U型吸能器结构移动切断螺栓，造成的吸能器功能失效。具体的，本结构中，当地震发生时，安装螺栓轴线变动，拉伸柔性膜，柔性膜扯断或由于超过最大拉伸距离破坏脆性板，耗能液落入耗能颗粒间隙内，此时由于地震破坏，防切断机构壳体变形，连通气室和内部腔体，耗能液接触空气变稠或变为弹性固体，此时配合耗能颗粒的弹性结构，耗能颗粒提供结构骨架，耗能液粘合骨架，形成整体耗能结构，同时姿态定位板被埋入整体耗能结构中，耗能结构通过增稠和弹性复合吸能，并通过姿态定位板的正交结构均匀分散受力，使得螺栓应力得以释放。由此避免刚性切断造成U型吸能器的完全失效。

本发明所述的一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构，作为优选方式，横向限位机构包括一对横向限位挡块，横向限位挡块沿梁体纵向方向设置，横向限位挡块相对平行设置于上支座下表面，下支座上端设置球冠衬板的位置设置在两横向限位挡块之间。

本发明所述的一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构，作为优选方式，纵向限位机构包括一对纵向限位挡块，纵向限位挡块沿梁体横向方向设置，纵向限位挡块相对平行设置于上支座下表面，下支座上端设置球冠衬板的位置设置在两纵向限位挡块之间。

本发明有益效果如下：

（1）具有多级抗震、减震+可靠防落梁的功能，有效降低地震对桥梁摧毁的可能；

（2）具有任意方向防落梁功能，完美的适应了地震的任意性；

（3）抗震体系在不同等级的地震下会有相应的反应形式，且在地震的各个阶段结构受力明确；

（4）本技术方案采用复合吸能的溃缩式结构在吸能结构的基础上进一步保障刚性结构的稳固性，避免吸能结构失效问题，使整体结构更稳定。

附图说明

图1为一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构示意图；

图2为一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构梁体支座示意图；

图3为一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构横向限位机构示意图；

图4为一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构纵向限位机构示意图；

图5为一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构防落梁机构示意图；

图6为一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构实施例1吸能器示意图；

图7为一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构实施例2吸能器示意图。

附图标记：

1、梁体；2、梁体支座；21、上支座；22、球冠衬板；23、下支座；24、辅助受力机构；25、梁底预埋钢板；3、横向限位机构；31、横向限位挡块；4、纵向限位机构；41、纵向限位挡块；5、防落梁机构；51、上锚固组件；52、下锚固组件；53、吸能器；531、上锚固板；532、下锚固板；533、弧形连接段；534、硬质吸能器；535、安装螺栓；536、防切断机构壳体；537、耗能液；538、耗能颗粒；539、第一柔性膜；540、第二柔性膜；541、脆性分隔板；542、固化腔；543、耗能腔；544、气室；545、姿态定位板。

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。

实施例1

如图1所示，一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构，包括梁体1、四个梁体支座2、两个横向限位机构3、两个纵向限位机构4和若干对防落梁机构5，四个梁体支座2分别设置于梁体1底面四端点位置，梁体支座2底部设置在桥墩顶部，纵向限位机构4用于对梁体支座2纵向限位，横向限位机构3的活动余量小于纵向限位机构4的活动余量，横向限位机构3用于对梁体支座2横向限位，两横向限位机构3设置于梁体1同一纵向位置一端的两梁体支座2上，两纵向限位机构4设置于梁体1同一横向位置一侧的两梁体支座2上，防落梁机构5沿梁体1横向方向相对设置于梁体1底面两端，防落梁机构5为横置U型结构，防落梁机构5开口相对。

在横向活动支座横桥向方向两侧设置限位挡块，原顺桥向方向的挡块保留，形成上下支座的四个方向均能传递水平力，其中横桥向两侧的挡块与对应的凸缘之间预留一定的间隙，以满足支座的正常温度位移；在多向活动支座横桥向方向两侧设置限位挡块，挡块与对应的凸缘之间也预留一定的间隙，以满足支座的正常温度位移，当上下支座的相对运动量达到设定的位移后，多向活动支座的横桥向达到传递水平力的作用。为了保证U型钢的抗拉能力，同时具备良好的柔性，将多个U型钢组合使用，同时对U型钢的板厚尺寸和宽度高度尺寸进行优化设计，以提高U型钢的性能，进而更好的实现预期的抗震理念。

如图2所示，梁体支座2包括上支座21、球冠衬板22、下支座23、辅助受力机构24和梁底预埋钢板25，下支座23固定设置在墩顶位置，梁底预埋钢板25预埋在梁体1的底面位置，上支座21板与梁底预埋钢板25紧固，辅助受力机构24连接上支座21一侧边下表面和下支座23的对应侧边上表面，球冠衬板22设置于上支座21与下支座23之间，球冠衬板22为未过半径球缺结构，球冠衬板22球形面为下表面，下支座23为底面外周设置有安装翼板的柱体，下支座23柱体上表面设置有配合球冠衬板22下表面的凹槽，辅助受力机构24为U型板结构，辅助受力机构24横置设置，辅助受力机构24上表面连接梁底预埋钢板25下表面，辅助受力机构24下表面连接下支座23的安装翼板上表面。

如图3所示，横向限位机构3包括一对横向限位挡块31，横向限位挡块31沿梁体1纵向方向设置，横向限位挡块31相对平行设置于上支座21下表面，下支座23上端设置球冠衬板22的位置设置在两横向限位挡块31之间。

如图4所示，纵向限位机构4包括一对纵向限位挡块41，纵向限位挡块41沿梁体1横向方向设置，纵向限位挡块41相对平行设置于上支座21下表面，下支座23上端设置球冠衬板22的位置设置在两纵向限位挡块41之间。

如图5所示，防落梁机构5包括上锚固组件51、下锚固组件52和吸能器53，上锚固组件51预埋于桥梁底面，下锚固组件52预埋于墩顶，吸能器53上端紧固上锚固组件51，吸能器53下端紧固下锚固组件52，吸能器53为弧形溃缩结构。

如图6所示，吸能器53包括上锚固板531、下锚固板532和弧形连接段533，上锚固板531和下锚固板532均为板状结构，上锚固板531与下锚固板532相对设置，上锚固板531和下锚固板532之间通过弧形连接段533连接，弧形连接段533为截面为弧形的板状结构，上锚固板531紧固于上锚固组件51下表面，下锚固板532紧固下锚固组件52上表面。

本实施例中，采用抗震支座与U型防落梁装置分体式组合形式，一体化防落梁支座结构形式，其中抗震支座的横向活动型和多向活动型支座在横桥向两侧应设置限位挡块，其它结构与普通球型支座相同。每个支座附近安装一个相同参数的防落梁装置，以便4个防落梁装置同步发挥作用，防落梁装置的U型钢需经过精确计算，确定其板厚，高度，宽度等关键结构尺寸，以保证抗震体系的实施效果。防落梁装置的安装与支座的安装同步进行。

实施例2

如图7所示，本实施例中，区别于实施例1，吸能器53包括硬质吸能器534、安装螺栓535、防切断机构壳体536、耗能液537、耗能颗粒538、第一柔性膜539、第二柔性膜540、脆性分隔板541、固化腔542、耗能腔543、气室544和姿态定位板545，硬质吸能器534为横置的U型溃缩板结构，防切断机构壳体536为中空柱体，防切断机构壳体536埋于桥墩顶面混凝土内部，硬质吸能器534下板面通过安装螺栓535穿过混凝土安装在防切断机构壳体536上方，姿态定位板545为正交三方向结构的板组合体，脆性分隔板541为带孔的脆性板体，第二柔性膜540填补在脆性分隔板541内孔位置，第二柔性膜540面积大于脆性分隔板541内孔面积，固化腔542呈环状设置于防切断机构壳体536内壁内侧，耗能腔543设置于固化腔542中空位置，固化腔542和耗能腔543之间设置有自防切断机构壳体536内表面顶部向下竖向延伸且底部不封闭的环形分隔板，气室544设置于防切断机构壳体536外周下端，第一柔性膜539封闭设置在耗能腔543上部，脆性分隔板541封闭设置于耗能腔543中部，耗能液537设置于第一柔性膜539和脆性分隔板541之间，耗能液537为空气固化液体，耗能颗粒538设置于耗能腔543下部的脆性分隔板541下方，耗能颗粒538为柔性颗粒，安装螺栓535由上至下穿过且连接防切断机构壳体536上板面、第一柔性膜539和第二柔性膜540，姿态定位板545接触耗能颗粒538，耗能颗粒538直径大于环形分隔板底端与防切断机构壳体536内表面底部之间的缝隙高度。

实际应用中耗能颗粒538采用改性橡胶制成，耗能液537选择聚乙二醇溶液。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构，其特征在于：包括梁体（1）、四个梁体支座（2）、两个横向限位机构（3）、两个纵向限位机构（4）和若干对防落梁机构（5），四个所述梁体支座（2）分别设置于所述梁体（1）底面四端点位置，所述梁体支座（2）底部设置在桥墩顶部，所述纵向限位机构（4）用于对所述梁体支座（2）纵向限位，所述横向限位机构（3）的活动余量小于所述纵向限位机构（4）的活动余量，所述横向限位机构（3）用于对所述梁体支座（2）横向限位，两所述横向限位机构（3）设置于所述梁体（1）同一纵向位置一端的两所述梁体支座（2）上，两所述纵向限位机构（4）设置于所述梁体（1）同一横向位置一侧的两所述梁体支座（2）上，所述防落梁机构（5）沿所述梁体（1）横向方向相对设置于梁体（1）底面两端，所述防落梁机构（5）为横置U型结构，所述防落梁机构（5）开口相对;

防落梁机构（5）包括上锚固组件（51）、下锚固组件（52）和吸能器（53），所述上锚固组件（51）预埋于桥梁底面，所述下锚固组件（52）预埋于墩顶，所述吸能器（53）上端紧固所述上锚固组件（51），所述吸能器（53）下端紧固所述下锚固组件（52），所述吸能器（53）为弧形溃缩结构；

所述吸能器（53）包括硬质吸能器（534）、安装螺栓（535）、防切断机构壳体（536）、耗能液（537）、耗能颗粒（538）、第一柔性膜（539）、第二柔性膜（540）、脆性分隔板（541）、固化腔（542）、耗能腔（543）、气室（544）和姿态定位板（545），所述硬质吸能器（534）为横置的U型溃缩板结构，所述防切断机构壳体（536）为中空柱体，所述防切断机构壳体（536）埋于桥墩顶面混凝土内部，所述硬质吸能器（534）下板面通过所述安装螺栓（535）穿过混凝土安装在所述防切断机构壳体（536）上方，所述姿态定位板（545）为正交三方向结构的板组合体，所述脆性分隔板（541）为带孔的脆性板体，所述第二柔性膜（540）填补在所述脆性分隔板（541）内孔位置，所述第二柔性膜（540）面积大于所述脆性分隔板（541）内孔面积，所述固化腔（542）呈环状设置于所述防切断机构壳体（536）内壁内侧，所述耗能腔（543）设置于所述固化腔（542）中空位置，所述固化腔（542）和所述耗能腔（543）之间设置有自所述防切断机构壳体（536）内表面顶部向下竖向延伸且底部不封闭的环形分隔板，所述气室（544）设置于所述防切断机构壳体（536）外周下端，所述第一柔性膜（539）封闭设置在所述耗能腔（543）上部，所述脆性分隔板（541）封闭设置于所述耗能腔（543）中部，所述耗能液（537）设置于所述第一柔性膜（539）和脆性分隔板（541）之间，所述耗能液（537）为空气固化液体，所述耗能颗粒（538）设置于所述耗能腔（543）下部的所述脆性分隔板（541）下方，所述耗能颗粒（538）为柔性颗粒，所述安装螺栓（535）由上至下穿过且连接所述防切断机构壳体（536）上板面、所述第一柔性膜（539）和所述第二柔性膜（540），所述姿态定位板（545）接触所述耗能颗粒（538），所述耗能颗粒（538）直径大于所述环形分隔板底端与所述防切断机构壳体（536）内表面底部之间的缝隙高度。

2.根据权利要求1所述的一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构，其特征在于：所述梁体支座（2）包括上支座（21）、球冠衬板（22）、下支座（23）、辅助受力机构（24）和梁底预埋钢板（25），所述下支座（23）固定设置在墩顶位置，所述梁底预埋钢板（25）预埋在所述梁体（1）的底面位置，所述上支座（21）板与所述梁底预埋钢板（25）紧固，所述辅助受力机构（24）连接所述上支座（21）一侧边下表面和所述下支座（23）的对应侧边上表面，所述球冠衬板（22）设置于所述上支座（21）与所述下支座（23）之间，所述球冠衬板（22）为未过半径球缺结构，所述球冠衬板（22）球形面为下表面，所述下支座（23）为底面外周设置有安装翼板的柱体，所述下支座（23）柱体上表面设置有配合所述球冠衬板（22）下表面的凹槽，所述辅助受力机构（24）为U型板结构，所述辅助受力机构（24）横置设置，所述辅助受力机构（24）上表面连接所述梁底预埋钢板（25）下表面，所述辅助受力机构（24）下表面连接所述下支座（23）的安装翼板上表面。

3.根据权利要求1所述的一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构，其特征在于：

所述吸能器（53）包括上锚固板（531）、下锚固板（532）和弧形连接段（533），所述上锚固板（531）和所述下锚固板（532）均为板状结构，所述上锚固板（531）与所述下锚固板（532）相对设置，所述上锚固板（531）和所述下锚固板（532）之间通过所述弧形连接段（533）连接，所述弧形连接段（533）为截面为弧形的板状结构，所述上锚固板（531）紧固于所述上锚固组件（51）下表面，所述下锚固板（532）紧固所述下锚固组件（52）上表面。

4.根据权利要求2所述的一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构，其特征在于：所述横向限位机构（3）包括一对横向限位挡块（31），所述横向限位挡块（31）沿所述梁体（1）纵向方向设置，所述横向限位挡块（31）相对平行设置于所述上支座（21）下表面，所述下支座（23）上端设置所述球冠衬板（22）的位置设置在两所述横向限位挡块（31）之间。

5.根据权利要求2所述的一种带有具有抗震韧性的防落梁体系的桥梁结构，其特征在于：所述纵向限位机构（4）包括一对纵向限位挡块（41），所述纵向限位挡块（41）沿所述梁体（1）横向方向设置，所述纵向限位挡块（41）相对平行设置于所述上支座（21）下表面，所述下支座（23）上端设置所述球冠衬板（22）的位置设置在两所述纵向限位挡块（41）之间。