CN212452260U - 一种预制拼装桥墩与承台快速连接的多级摇摆系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种预制拼装桥墩与承台快速连接的多级摇摆系统，该系统主要包括：底封板、上盘、预应力筋、U型耗能器、下盘和限位角钢。其中底封板锚固于墩柱底部；上盘包括顶板、凹槽和支板；下盘包括球销、球销台阶和底板；凹槽与球销相互嵌套，限制上盘的横向位移，第一支板支撑在球销台阶上，球销和球销台阶共同承担竖向荷载；第二支板通过限位角钢和底板相互连接，限制上盘和下盘相对转动；顶板和底板之间设置U型耗能器，必要时在底封板和上盘之间设置钢垫板以便锚固和更换U型耗能器；下盘固定在承台上。与现有技术相比，本实用新型通过摇摆支点变化，增大恢复力矩，延长结构周期，震后只需更换U型耗能器，便于快速恢复。

Description

一种预制拼装桥墩与承台快速连接的多级摇摆系统

技术领域

本实用新型涉及桥梁工程和地震工程领域，尤其是涉及一种预制拼装桥墩与承台快速连接的多级摇摆系统。

背景技术

桥梁是交通运输系统的关键组成部分，尤其是在应急事件或者灾情期间，保证桥梁的畅通具有重要意义。现行国内外桥梁抗震设计方法主要是利用桥墩延性进行抗震设计，容许桥墩进入塑性，形成塑性铰，强震作用下，桥墩可能严重损伤，产生较大的塑性变形，塑性铰区混凝土保护层可能剥落，震后桥墩会产生永久的残余位移。通过对桥梁震害的调查表明，桥墩残余位移是衡量震后桥梁可修复性的主要因素。在阪神地震中，100余座桥墩因为墩柱倾斜超过1°或者桥墩顶部位移偏移超过墩高1.75％，无法修复而被拆除，造成了巨大的经济损失，并对震后城市交通功能的恢复带来了巨大阻碍。

为提高震后桥梁结构的使用功能，快速恢复交通，国内外许多学者进行了具有可恢复性能的桥墩体系的研究。典型的可恢复性技术包括使用摇摆结构、自复位技术和地震后快速修复技术。此外，研究人员正在寻找塑性铰的替代办法，以减小塑性铰区域的局部损伤，提供替代的耗能机制，同时加入自复位技术，以减少残余位移，确保震后的正常工作，减少震后墩柱的修复。虽然摇摆墩可以通过摇摆来延长结构周期，减少地震力，但桥墩在摇摆过程中与承台碰撞，将会造成墩底保护层混凝土脱落等问题，如何避免摇摆墩的局部损伤也是一大研究难点。

近年来，伴随着混凝土预制工业和装配技术的发展，预制节段拼装桥墩得到越来越广泛的应用，大大提高了现场施工效率和构件质量。虽然预制拼装缩短了现场施工时间，但在现场仍有一系列工作，比如进行预制段与承台的湿接，以及进行预应力筋张拉、导管灌浆，而湿接段和灌浆形成强度都需要耗费一定时间。此外，预应力筋锚固在承台底部后也无法检查锚固情况。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种预制拼装桥墩与承台快速连接的多级摇摆系统。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

本实用新型提供一种预制拼装桥墩与承台快速连接的多级摇摆系统可同时在纵桥向和横桥向发挥作用。

本实用新型提供一种预制拼装桥墩与承台快速连接的多级摇摆系统，该多级摇摆系统主要包括底封板、上盘、预应力筋、U型耗能器、下盘和限位角钢；所述底封板锚固于墩柱底部；所述底封板和上盘之间直接焊接，或底封板和上盘之间设置钢垫板，通过钢垫板焊接底封板和上盘；所述上盘与下盘之间设置有U型耗能器，U型耗能器通过螺栓连接上盘和下盘；所述上盘与下盘之间还设置有限位角钢，限位角钢通过螺栓连接上盘和下盘；所述下盘固定在承台上。

在本实用新型的一个实施方式中，所述底封板上设置剪力钉，底封板通过剪力钉锚固于墩柱底部。

在本实用新型的一个实施方式中，所述底封板由于需要传递来自墩柱的较大的荷载，基于能力保护的原则，需要设置足够的剪力钉，以确保底封板与墩柱之间的锚固性能。

在本实用新型中，所述上盘包括顶板、第一支板和第二支板；所述第一支板位于顶板下方中心位置，第一支板中间围成了了凹槽；所述第二支板位于第一支板外侧；所述第一支板和第二支板按照距离墩柱中心由近到远分布，支板的转角处做成倒角的形式，支板为中心对称结构；所述下盘包括球销、球销台阶和底板；所述球销端部为半球体，位于底板中心位置，球销尺寸和凹槽相匹配；所述球销四周设置球销台阶，第一支板位于球销台阶上方。

在本实用新型的一个实施方式中，所述凹槽与球销相互嵌套，使得上盘的横向位移被限制；所述第一支板支撑在球销台阶上，使得球销和球销台阶共同承担竖向荷载；所述第二支板通过限位角钢和底板相互连接，通过螺栓进行固定，使得上盘和下盘之间的相对转动被限制。

本实用新型所述的限位角钢的强度设计，一方面要能限制正常使用情况下上、下盘之间的相对转动，另一方面又不能过大，能够在小震时被破坏，从而形成摇摆结构，减小地震力。

在本实用新型的一个实施方式中，在顶板上通过螺栓设置连接板，连接板通过螺栓连接U型耗能器的一侧，U型耗能器的另一侧通过螺栓再连接另一个连接板，该连接板通过螺栓固定在底板上；所述U型耗能器与墩柱中心的距离大于墩柱一半的宽度，或U型耗能器与墩柱中心的距离大于钢垫板一半的宽度。

在本实用新型的一个实施方式中，所述U型耗能器与墩柱中心的距离超过墩柱一半的宽度时，上盘的顶板直接与底封板进行焊接连接。

在本实用新型的一个实施方式中，所述U型耗能器与墩柱中心的距离小于墩柱一半的宽度时，顶板和底封板之间设置钢垫板；所述钢垫板的宽度小于两个U型耗能器之间的距离，使得底封板和上盘之间留出空间用于U型耗能器的锚固和更换；所述钢垫板的宽度决定了焊缝面积，保证焊缝面积的焊缝抗剪能力大于实际剪力。

在本实用新型的一个实施方式中，所述U型耗能器两侧分别连接一根连接板，两根连接板再通过螺栓分别与上盘和下盘连接，通过钢板间的剪切错动及拉压来耗散能量，具有较早进入屈服，变形能力优良，及耗能能力稳定的优点，震后可以进行更换。基于能力保护的原则，U型耗能器与上盘、下盘的锚固强度，下盘与承台间的锚固强度均大于最大地震力需求。

在本实用新型的一个实施方式中，多级摇摆系统还包括预应力筋，预应力筋一端锚固在墩柱顶部，预应力筋通过墩柱、底封板、钢垫板、上盘的顶板和下盘的底板，最终另一端锚固在下盘的底板上。

在本实用新型的一个实施方式中，所述多级摇摆系统在小震时，第二支板和限位角钢之间的螺栓被破坏，第一支板与球销台阶相连形成第一支点，多级摇摆系统以第一支点为中心摇摆；所述多级摇摆系统在大震时，第一支点脱空，第二支板与底板相连形成第二支点，多级摇摆系统以第二支点为中心摇摆；所述多级摇摆系统在地震时，预应力筋处于弹性状态，U型耗能器耗散地震能量。

在本实用新型的一个实施方式中，可以增加多级摇摆系统的支板数量，支板按照距离墩柱中心由近到远分布，形成地震时的多级摇摆系统的支点，形成多级摇摆。

本实用新型上盘支板与下盘底板的间距，除了第一支板与球销台阶紧密接触外，所述上盘的支板与底板的间距根据上一个支点转动到设计转角时支板的竖向位移量确定。

在正常使用情况下，下盘的球销及其台阶共同承担竖向荷载。下盘的球销能限制上盘的凹槽的横向位移，起到抗剪的作用。同时，限位角钢可以限制上、下盘之间的相对转动。

在地震作用下，本实用新型所述的限位角钢与第二支板的连接螺栓被剪坏，如图8所示，在地震等级较低时，所述的上盘以第一支点为中心转动；如图9所示，地震等级较高时，结构转角继续增大，直到第二支板以第二支点为中心转动，第一支点脱空，增大了恢复力力臂。根据抗震设防等级的不同，摇摆系统支点的数量可以通过上盘支板的数量进行调整，形成多级摇摆。为使摇摆过程中，上盘支板的棱角不与下盘碰撞，应该将支板的转角处做成倒角的形式。地震作用下，所述的U型耗能器耗散能量，所述的预应力筋处于弹性状态，提供恢复力。

在地震发生后，损伤主要集中在耗能装置上，而结构主体不受损伤，震后只需更换耗能装置即可。在各种耗能器中，U型耗能器以其优良的变形能力和稳定可靠的滞回耗能能力而受到关注。U型耗能器是由平钢板弯曲成U形，并且首尾焊接成闭环形成，通过钢板的塑性变形进行耗能。限位角钢为熔断装置，在使用荷载作用下连接上盘和下盘，地震作用下，限位角钢与连接螺栓熔断，通过摇摆延长周期、耗散地震力。

本实用新型采用一种适用于预制桥墩与承台间的连接装置，在工厂提前将预应力筋张拉并锚固在该连接装置上，在现场只需将该连接装置与承台进行简单的连接，将会具有巨大的便利性和时间成本优势。

本实用新型的多级摇摆系统可以实现预制桥墩与承台之间的快速连接，进一步减少施工现场的工作量。在地震发生时，随着转角的增大，摇摆系统以不同的支点转动，增大恢复力矩，延长结构周期，同时设有耗能器耗散地震能量，并设有预应力筋以达到自复位的功能。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1.本实用新型首次提出多级摇摆系统的理念，通过摇摆支点的变化，既能在小震时较容易摇摆起来，延长结构周期，降低地震响应，又能在大震时增大摇摆支点的距离，从而增大恢复力力臂，起到提高水平荷载承载能力和耗能能力的效果。

2.本实用新型提供的多级摇摆系统可以在工厂与预制桥墩拼装，张拉好预应力筋，现场只需将此多级摇摆系统的底板与承台螺栓连接，省去了传统预制桥墩施工过程中，预应力筋张拉、灌浆，以及预制段与承台湿接的工序，大大缩减了现场的安装难度与耗费的时间，具有很大的便利性和时间效益。

3.本实用新型利用的U型耗能器优良的变形能力和稳定可靠的滞回耗能能力，有效降低结构的地震响应，同时减小支点切换时的冲击力。

4.本实用新型的多级摇摆系统采用钢材制成，可以避免摇摆时的碰撞冲击力造成墩柱底部的局部损伤；该多级摇摆系统可以替代传统延性桥墩的塑性铰，可以有效减小墩柱底部的损伤；并具有可恢复性，震后只需更换U型耗能器，保障了震后墩柱的快速恢复与正常工作。

附图说明

图1为本实用新型立面结构示意图；

图2为本实用新型侧面结构示意图；

图3为本实用新型A-A截面示意图；

图4为本实用新型B-B截面示意图；

图5为U型耗能器的主视结构示意图；

图6为U型耗能器的侧视结构示意图；

图7为U型耗能器的俯视结构示意图；

图8为小震中多级摇摆系统运动示意图；

图9为大震中多级摇摆系统运动示意图。

图中标识为：1墩柱，2剪力钉，3底封板，4钢垫板，5上盘，6预应力筋，7螺栓，8连接板，9U型耗能器，10下盘，11限位角钢，12锚栓，13承台，14顶板，15凹槽，16第一支板，17第二支板，18球销，19球销台阶，20底板，21第一支点，22第二支点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例

本实施例提供一种可同时在纵桥向和横桥向发挥作用的多级摇摆系统。

如图1至图9所示，本实施例提供一种预制拼装桥墩与承台快速连接的多级摇摆系统，该多级摇摆系统主要包括：底封板3、上盘5、预应力筋6、U型耗能器9、下盘10和限位角钢11。该多级摇摆系统中底封板3锚固于墩柱1底部；底封板3和上盘5之间直接焊接，或底封板3和上盘5之间设置钢垫板4，通过钢垫板4焊接底封板3和上盘5；上盘5与下盘10之间设置有U型耗能器9，U型耗能器9通过螺栓7连接上盘5和下盘10；所述上盘5与下盘10之间还设置有限位角钢11，限位角钢11通过螺栓7连接上盘5和下盘10；所述下盘10固定在承台13上。

本实施例中上盘5包括顶板14、凹槽15、第一支板16和第二支板17；凹槽15位于顶板14的中心位置；第一支板16位于顶板14下方中心位置，底部为凹槽结构，第一支板16构成了凹槽15；第二支板17位于第一支板16外侧；第一支板16和第二支板17按照距离墩柱中心由近到远分布，支板的转角处做成倒角的形式，支板为中心对称结构；下盘10包括球销18、球销台阶19和底板20；球销18端部为半球体，位于底板20中心位置，球销18尺寸和凹槽15相匹配；球销18四周设置球销台阶19，球销台阶19位于第一支板16下方。

本实施例中凹槽15与球销18相互嵌套，使得上盘5的横向位移被限制；第一支板16支撑在球销台阶19上，使得球销18和球销台阶19共同承担竖向荷载；第二支板17通过限位角钢11和底板20相互连接，通过螺栓7进行固定，使得上盘5和下盘10之间的相对转动被限制。

本实施例中底封板3需要传递来自墩柱1的较大的荷载，基于能力保护的原则，在底封板3上设置足够的剪力钉2，以确保底封板3与墩柱1之间的锚固性能。

本实施例中钢垫板4的作用为了在底封板3和上盘5之间留出充足的空间，便于U型耗能器9的锚固和更换。当上盘5和下盘10的宽度较大，使得U型耗能器9距离墩柱1中心的距离超过墩柱1宽度时，可以不设置钢垫板4，将上盘5直接与底封板3焊接。钢垫板4的直径大小决定了焊缝面积，钢垫板的直径大小应确保焊缝的抗剪能力大于实际剪力。

本实施例中限位角钢11用于连接上盘5的第二支板17和下盘10，限位角钢11的强度设计应保证如下两个条件：一方面能限制正常使用情况下上、下盘之间的相对转动，另一方面又不能过大，能够在小震时被破坏，从而形成摇摆结构，减小地震力。

本实施例中U型耗能器9两侧分别连接一根连接板8，两根连接板8再通过螺栓7分别与上盘5和下盘10连接，通过钢板间的剪切错动及拉压来耗散能量，具有较早进入屈服，变形能力优良，及耗能能力稳定的优点，震后可以进行更换。

基于能力保护的原则，U型耗能器9与上盘5和下盘10的锚固强度，下盘10与承台13间的锚固强度均大于最大地震力需求。

上盘5的支板与下盘10的底板20的间距，除了第一支板16与底板20紧密接触外，其余间距应根据上盘5以上一个支点转动到设计转角时支板的竖向位移量确定。

在正常使用情况下，下盘10的球销18及其球销台阶19共同承担竖向荷载。下盘10的球销18能限制上盘5的凹槽15横向位移，起到抗剪的作用。同时，限位角钢11可以限制上盘5和下盘10之间的相对转动。

在地震作用下，限位角钢11与第二支板17的连接螺栓7被剪坏，小震作用下，所述的上盘5以第一支点21为中心转动，大震作用下，结构转角继续增大，直到上盘5以第二支点22为中心转动，第一支点21脱空，增大了恢复力力臂。根据抗震设防等级的不同，摇摆系统支点的数量可以通过上盘5支板的数量进行调整，形成多级摇摆。所述的U型耗能器9耗散能量，所述的预应力筋6处于弹性状态，提供恢复力。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种预制拼装桥墩与承台快速连接的多级摇摆系统，其特征在于，所述多级摇摆系统包括以下构件：底封板(3)、上盘(5)、U型耗能器(9)、下盘(10)和限位角钢(11)；

所述底封板(3)锚固于墩柱(1)底部；

所述底封板(3)和上盘(5)之间直接焊接，或底封板(3)和上盘(5)之间设置钢垫板(4)，通过钢垫板(4)焊接底封板(3)和上盘(5)；

所述上盘(5)与下盘(10)之间设置有U型耗能器(9)，U型耗能器(9)通过螺栓(7)连接上盘(5)和下盘(10)；

所述上盘(5)与下盘(10)之间还设置有限位角钢(11)，限位角钢(11)通过螺栓(7)连接上盘(5)和下盘(10)；

所述下盘(10)固定在承台(13)上。

2.根据权利要求1所述的一种预制拼装桥墩与承台快速连接的多级摇摆系统，其特征在于，所述底封板(3)上设置剪力钉(2)，底封板(3)通过剪力钉(2)锚固于墩柱(1)底部。

3.根据权利要求1所述的一种预制拼装桥墩与承台快速连接的多级摇摆系统，其特征在于，所述上盘(5)包括顶板(14)、第一支板(16)和第二支板(17)；

所述第一支板(16)位于顶板(14)下方中心位置，第一支板(16)中间围成了凹槽(15)；

所述第二支板(17)位于第一支板(16)外侧；

所述第一支板(16)和第二支板(17)按照距离墩柱(1)中心由近到远分布，均为中心对称结构；

所述下盘(10)包括球销(18)、球销台阶(19)和底板(20)；

所述球销(18)端部为半球体，位于底板(20)中心位置，球销(18)尺寸和凹槽(15)相匹配；

所述球销(18)四周设置球销台阶(19)，球销台阶(19)位于第一支板(16)下方。

4.根据权利要求3所述的一种预制拼装桥墩与承台快速连接的多级摇摆系统，其特征在于，所述凹槽(15)与球销(18)相互嵌套，使得上盘(5)的横向位移被限制；

所述第一支板(16)支撑在球销台阶(19)上，使得球销(18)和球销台阶(19)共同承担竖向荷载；

所述第二支板(17)通过限位角钢(11)和底板(20)相互连接，通过螺栓(7)进行固定，使得上盘(5)和下盘(10)之间的相对转动被限制。

5.根据权利要求3所述的一种预制拼装桥墩与承台快速连接的多级摇摆系统，其特征在于，在顶板(14)上通过螺栓(7)设置连接板(8)，连接板(8)通过螺栓(7)连接U型耗能器(9)的一侧，U型耗能器(9)的另一侧通过螺栓(7)再连接另一个连接板(8)，该连接板(8)通过螺栓(7)固定在底板(20)上；

所述U型耗能器(9)与墩柱(1)中心的距离大于墩柱(1)一半的宽度，或U型耗能器(9)与墩柱(1)中心的距离大于钢垫板(4)一半的宽度。

6.根据权利要求1所述的一种预制拼装桥墩与承台快速连接的多级摇摆系统，其特征在于，所述U型耗能器(9)与墩柱(1)中心的距离超过墩柱(1)一半的宽度时，上盘(5)直接与底封板(3)进行焊接。

7.根据权利要求1所述的一种预制拼装桥墩与承台快速连接的多级摇摆系统，其特征在于，所述U型耗能器(9)与墩柱(1)中心的距离小于墩柱(1)一半的宽度时，上盘(5)和底封板(3)之间设置钢垫板(4)，钢垫板(4)的宽度小于两个U型耗能器(9)之间的距离，使得底封板(3)和上盘(5)之间留出空间用于U型耗能器(9)的锚固和更换。

8.根据权利要求1所述的一种预制拼装桥墩与承台快速连接的多级摇摆系统，其特征在于，还包括预应力筋(6)，所述预应力筋(6)一端锚固在墩柱(1)顶部，另一端锚固在下盘(10)上，中部贯穿底封板(3)、钢垫板(4)、上盘(5)和下盘(10)。

9.根据权利要求3所述的一种预制拼装桥墩与承台快速连接的多级摇摆系统，其特征在于，所述多级摇摆系统在小震时，第二支板(17)和限位角钢(11)之间的螺栓(7)能够被破坏，第一支板(16)与球销台阶(19)相连形成第一支点(21)，使得多级摇摆系统以第一支点(21)为中心摇摆；

所述多级摇摆系统在大震时，第一支点(21)脱空，第二支板(17)与底板(20)相连形成第二支点(22)，多级摇摆系统以第二支点(22)为中心摇摆；

所述多级摇摆系统在地震时，预应力筋(6)处于弹性状态，U型耗能器(9)耗散地震能量。

10.根据权利要求3所述的一种预制拼装桥墩与承台快速连接的多级摇摆系统，其特征在于，增加多级摇摆系统的支板数量，支板按照距离墩柱(1)中心由近到远分布，形成地震时的多级摇摆系统的支点，形成多级摇摆；

所述支点与墩柱(1)中心的最远距离大于墩柱(1)重心侧向偏移的距离，且多级摇摆系统的转动力矩小于墩柱(1)的等效屈服弯矩；

除第一支板(16)以外的其他支板与底板(20)的间距根据上一个支点转动到设计转角时支板的竖向位移量确定。

Images