CN215562023U - 一种具有减振功能的大跨径拱桥桥面系加固用钢纵梁 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于桥梁加固技术领域，公开了一种具有减振功能的大跨径拱桥桥面系加固用钢纵梁，包括变截面导轨、调谐质量阻尼器、限位挡块、纵向复位扭力弹簧装置，具备竖向和纵向减振(震)功能，通过设置于加固纵梁两端的调谐质量阻尼器减少吊杆断裂后桥梁局部振动，优化用钢梁指标的目的；通过调谐质量阻尼器在一对变截面导轨纵向移动，驱动阻尼器活塞在缸体内往复运动，将地震动能通过活塞在阻尼介质中的往复运动转化为热量耗散掉；合理设置纵向复位弹簧装置的刚度，将调谐质量阻尼器在汽车制动力及地震作用后保持在梁端，保证吊杆断裂后桥面系不发生强烈振动。此加固钢纵梁减(振)震效果好，易于施工，后期维护成本低，耐久寿命可达100年。
Description
技术领域
本实用新型属于桥梁加固技术领域，具体涉及一种具有减振(震)功能的大跨径拱桥桥面系加固用钢纵梁。
背景技术
截至2015年年底(《公路钢管混凝土拱桥设计规范》(JTG/T D65-06-2015)规范颁布前)，我国已建成的跨度超过50m的钢管混凝土拱桥已达400余座，然而，早期的钢管混凝土拱桥所采用的悬吊式桥面系，以第五类为主。它直接沿用了上承式圬工拱和钢筋混凝土拱的简支桥面结构。然而，由于传力结构由立柱变为高强的钢索吊杆(吊索)，吊索并不是与桥梁主体结构等寿命的构件，属于缺陷敏感和需要在全寿命中更换的构件，由于各种原因，易于发生断索事故。第五类悬吊式桥面系拱桥桥面板就像简易积木，无论内外都没有多余约束。所以这种结构存在整体性差以及变形问题严重和在车辆通过下的振动问题突出，而且其支撑横梁的结构只有吊杆，而吊杆又是一种极容易受损的结构，所以抵抗风险的能力很差。近二十年来，关于以横梁受力为主的大跨径拱桥的工程事故时有发生，如2011年新疆库尔勒市孔雀河大桥由于主跨第二根吊杆断裂，造成主跨第三、四、五道矮T梁掉入河中，致使大桥长约10米、宽约12米的路面发生垮塌。目前，以横梁受力为主的大跨径拱桥桥面系加固主要是采用增设钢纵梁的方式，传统的钢纵梁截面形式主要为：单工字形、双工字形、箱型，加固设计时主要考虑满足静力性能，即当一根横梁两端相对应的吊杆(锚头)断裂失效后桥面系不发生坍塌，可临时承担桥面恒载与活载。根据工程实践资料，现有的加固用纵梁用于拱桥加固后，因温度、汽车制动等作用，运营多年后加固纵梁与原横梁连接部位焊缝或高强螺栓处存在较高的应力幅，易出现材料的疲劳破坏。另外，拱桥桥面系改造时，往往希望提高静力性能的同时改善其抗震性能。因此开发一种具有减振(震)功能，且适用于以横梁受力为主的大跨径中、下承式拱桥桥面系加固的钢纵梁具有重大的工程意义。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种具有减振(震)功能的大跨径拱桥桥面系加固用钢纵梁，采用高强耐候钢制作的箱型梁，并且纵向设置一对变截面导轨，导轨上布设具有纵向自复位功调的调谐质量阻尼器(TMD)，具备竖向和纵向减振(震)功能。本实用新型减少吊杆本身或因锚头突然断裂后桥面系的局部振动，并因此达到优化加固钢纵梁用钢量指标的目标，同时使加固后的拱桥桥面系具备在E1、E2地震作用下减震能力。该发明的装置维护成本极低、减振(震)效果突出，现场安装方便，非常适用于以横梁受力为主的大跨径中、下承式拱桥桥面系改造与加固工程中。
为了实现上述目的，本实用新型提供的一种具有减振(震)功能的大跨径拱桥桥面系加固用钢纵梁，包括顶板、底板、腹板、变截面导轨、竖向加劲肋、调谐质量阻尼器、铰式连接装置、梁端限位挡块、跨中限位挡块、滑动块、纵向复位扭力弹簧装置、拼接板；
所述顶板、底板、腹板、变截面导轨、竖向加劲肋通过焊缝连接而形成钢箱梁，用于分担桥面活载、吊杆破断力及自身恒载；
所述腹板设置在钢箱梁内部；腹板平面距离顶板和底板边缘有一定距离，减小顶板和底板的剪力滞效应；
所述竖向加劲肋等距竖向设置在钢箱梁外侧；
所述变截面导轨在钢箱梁内部沿跨中和纵向对称轴对称设置；
跨中限位挡块固定于变截面导轨的跨中连接处，将变截面导轨分为左右两部分；
所述调谐质量阻尼器(TMD)分别竖向设置在变截面导轨的左右两部分中；上下端面分别依次通过铰式连接装置和滑动块与变截面导轨连接；所述滑动块带动调谐质量阻尼器沿着变截面导轨滑动；跨中限位挡块防止左右侧调谐质量阻尼器(TMD)直接碰撞；
梁端限位挡块位于变截面导轨与钢箱梁接触的端部，防止调谐质量阻尼器(TMD)滑动时冲击箱梁；
纵向复位扭力弹簧装置一端固定于变截面导轨与钢箱梁接触的端头，另一端与滑动块连接；
拼接板用于将钢箱梁固定到桥面横梁上。
进一步的，所述调谐质量阻尼器从上到下依次包括缸体、活塞、导杆、质量块、轴向弹簧；
所述缸体内从上到下分为副缸、主缸；
所述导杆与活塞和质量块刚性连接，可采用工厂一次压铸成型，轴向弹簧位于质量块下方，通过含锚固板与质量块刚性连接；
所述副缸和主缸之间通过挡板分隔；所述主缸内填充阻尼材料，所述活塞位于主缸内部，活塞预留有两个阻尼孔，供活塞压缩主缸左(右)部分体积时阻尼材料进入右(左)部分；所述导杆穿过副缸和主缸之间的挡板。
进一步的，根据需要达到的减震效果及钢箱梁顶板纵向加劲肋最小尺寸要求，设计变截面导轨，为保证装置的减震效果，变截面导轨包括直线段AB和曲线段BC，直线段AB的距离不小于钢箱梁梁长尺寸的5％且不小于50cm，曲线段BC采用二次抛物线，端头C处变截面导轨的高度不得低于顶板纵向加劲肋规范最低值。
进一步的，优选所述变截面导轨的直线段AB位于靠近跨中位置处，沿钢箱梁纵向对称轴对称设置的上下变截面导轨之间的距离根据TMD导杆竖向可移动范围和钢箱梁高度计算减震需要达到的效果确定。更优选的，靠近跨中位置处的上下变截面导轨之间的距离最小；将调谐质量阻尼器(TMD)在汽车制动力及地震作用后保持在梁端(吊杆附近)，充分发挥调谐质量阻尼器(TMD)的功能，保证吊杆断裂后桥面系不发生强烈振动。质量块起到平衡整个调谐质量阻尼器数量质量分布的作用，节约空间。
本实用新型中，调谐质量阻尼器通过滑动块沿着变截面导轨移动，达到耗散地震能量的作用。地震或吊杆断裂后，因惯性作用质量块带动导杆连同活塞一起运动，驱使阻尼介质在主缸因活塞分开的隔腔体内迅速流动，阻尼介质的分子间、阻尼介质与活塞之间产生剧烈的摩擦，介质在通过活塞孔时产生巨大的节流阻尼，将输入的动能通过活塞在阻尼介质中的往复运动转化为热量耗散掉，使活塞运动速度逐渐降低，达到阻尼耗能的目的。
本实用新型基于对整体减振(震)的技术要求，首先根据拟加固的拱桥吊杆间距，按《钢管混凝土拱桥技术规范》(GB 50923-2013)及《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)的规定初步拟定顶板、底板、腹板、变截面导轨、竖向加劲肋的尺寸，此时动力放大系数η1可按照1.1取值，然后建立加固纵梁有限元模型，计算调谐质量阻尼器(TMD)的物理参数：模态质量、弹簧刚度、阻尼系数；建立增设加固纵梁后的全桥有限元模型，利用半动力法模拟吊杆断裂损伤的动力过程，并求得动力放大系数η2，以此调整钢箱梁尺寸，调谐质量阻尼器(TMD)的物理参数，并从新调整有限元模型参数，直到相对误差小于5％。
根据调谐质量阻尼器(TMD)的物理参数，考虑钢箱梁空间条件设计调谐质量阻尼器具体尺寸。
纵向复位扭力弹簧装置中扭力弹簧的刚度，主要根据调谐质量阻尼器(TMD)的质量及其于导轨之间的摩擦系数确定，为使调谐质量阻尼器(TMD)在汽车制动力、地震等动力荷载作用后复位，扭力弹簧的提供的扭力应略大于滑块与导轨之间的摩擦力。
与现有技术相比，本实用新型的优点是：
(1)正常使用的情况下，该加固用钢纵梁具有纵向减振作用，可降低汽车制动力的冲击效应，降低加固用钢纵梁与原横梁连接部位焊缝或高强螺栓处应力幅，延迟材料发生疲劳破坏的时间。
(2)横梁两端的一对吊杆断裂后，该加固用钢纵梁可充分发挥竖向减振作用，保证桥面系不发生强烈局部振动，避免桥面机动车司机发生恐慌，同时因降低了吊杆破断后动力放大系数，并由此而优化了钢纵梁的用钢总量。
(3)地震中，该加固用钢纵梁具有纵向减震作用，可通过活塞在缸体内往复运动消耗地震输入的动能。
(4)地震后调谐质量阻尼器(TMD)可以自动复位，减少了后期养护成本。
(5)该装置构造简单，原理可靠，减振(震)效果良好。
附图说明
附图1是加固用钢纵梁Ⅵ-Ⅵ的剖立面图。
附图2是加固用钢纵梁Ⅴ-Ⅴ的剖视图。
附图3是加固用钢纵梁Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ的横断面图。
附图4是调谐质量阻尼器(TMD)的结构示意图。
附图5是变截面导轨的高度示意图。
附图6是计算调谐质量阻尼器(TMD)物理参数的计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式来对本实用新型的技术方案进行详述：
本实施方式给出了一种包括变截面导轨、调谐质量阻尼器(TMD)、限位挡块、纵向复位扭力弹簧装置组成的具备竖向和纵向减振(震)功能的加固用钢纵梁，目的在于通过设置于加固纵梁两端(吊杆下方)的调谐质量阻尼器来减少吊杆(锚头)断裂后桥梁局部振动，并从减小钢纵梁动力放大系数的角度达到优化用钢梁指标的目的；通过调谐质量阻尼器(TMD)在一对变截面导轨纵向移动时，驱动阻尼器活塞在缸体内往复运动，将地震动能通过活塞在阻尼介质中的往复运动转化为热量耗散掉；通过合理设置纵向复位弹簧装置的刚度，可将调谐质量阻尼器(TMD)在汽车制动力及地震作用后保持在梁端(吊杆附近)，即吊杆断裂后局部振动一阶竖向振型的最大位移处，可充分发挥调谐质量阻尼器(TMD)的功能，保证吊杆断裂后桥面系不发生强烈振动。此加固钢纵梁减(振)震效果好，易于施工，后期维护成本低，耐久寿命可达100年。
实施例1
一种具有减振(震)功能的大跨径拱桥桥面系加固用钢纵梁，包括顶板1、底板2、腹板3、变截面导轨4、竖向加劲肋5、调谐质量阻尼器6、铰式连接装置7、梁端限位挡块8、跨中限位挡块9、滑动块10、纵向复位扭力弹簧装置11、拼接板12；
所述顶板1、底板2、腹板3、变截面导轨4、竖向加劲肋5通过焊缝连接而形成钢箱梁，用于分担桥面活载、吊杆破断力及自身恒载；所述腹板3设置在钢箱梁内部；腹板3平面距离顶板1和底板2边缘有一定距离，减小顶板和底板的剪力滞效应；所述竖向加劲肋5等距竖向设置在钢箱梁外侧；所述变截面导轨4在钢箱梁内部沿跨中和纵向对称轴对称设置；跨中限位挡块9固定于变截面导轨4的跨中连接处，将变截面导轨4分为左右两部分；所述调谐质量阻尼器(TMD)6分别竖向设置在变截面导轨4的左右两部分中，上下端面分别依次通过铰式连接装置7和滑动块10与纵向对称设置的一对变截面导轨4连接；所述滑动块10带动调谐质量阻尼器6沿着变截面导轨4滑动；跨中限位挡块9防止左右侧调谐质量阻尼器(TMD)6直接碰撞；梁端限位挡块8位于变截面导轨4与钢箱梁接触的端部，防止调谐质量阻尼器(TMD)6滑动时冲击箱梁；纵向复位扭力弹簧装置11一端固定于变截面导轨4与钢箱梁接触的端头，另一端与滑动块10连接；拼接板12用于将钢箱梁固定到桥面横梁上；
所述调谐质量阻尼器6从上到下依次包括副缸61、主缸62、活塞65、导杆66、质量块67、轴向弹簧68；所述导杆66与活塞65和质量块67刚性连接，可采用工厂一次压铸成型，轴向弹簧68位于质量块67下方，通过含锚固板与质量块67刚性连接；所述副缸61和主缸62之间通过挡板分隔；所述主缸内填充阻尼材料64，所述活塞65位于主缸内部，活塞预留有两个阻尼孔63，供活塞压缩主缸左(右)部分体积时阻尼材料进入右(左)部分；所述导杆穿过副缸61和主缸62之间的挡板；
根据需要达到的减震效果及钢箱梁顶板纵向加劲肋最小尺寸要求，设计变截面导轨4，为保证装置的减震效果，变截面导轨4直线段AB的距离不小于钢梁尺寸的5％且不小于50cm，曲线段BC采用二次抛物线，端头C处变截面导轨4的高度不得低于顶板纵向加劲肋规范最低值；
进一步的，所述变截面导轨4的直线段AB位于靠近跨中位置处，沿钢箱梁纵向对称轴对称设置的上下变截面导轨4之间的距离根据TMD导杆竖向可移动范围和钢箱梁高度计算减震需要达到的效果确定。跨中位置处上下变截面导轨4之间的距离最小。
Claims (6)
1.一种具有减振功能的大跨径拱桥桥面系加固用钢纵梁，其特征在于，包括顶板、底板、腹板、变截面导轨、竖向加劲肋、调谐质量阻尼器、铰式连接装置、梁端限位挡块、跨中限位挡块、滑动块、纵向复位扭力弹簧装置、拼接板；
所述顶板、底板、腹板、变截面导轨、竖向加劲肋通过焊缝连接而形成钢箱梁；
所述腹板设置在钢箱梁内部；腹板平面距离顶板和底板边缘有一定距离；
所述竖向加劲肋等距竖向设置在钢箱梁外侧；
所述变截面导轨在钢箱梁内部沿跨中和纵向对称轴对称设置；
跨中限位挡块固定于变截面导轨的跨中连接处，将变截面导轨分为左右两部分；
所述调谐质量阻尼器分别竖向设置在变截面导轨的左右两部分中；其上下端面分别依次通过铰式连接装置和滑动块与一对上下变截面导轨连接；
梁端限位挡块位于变截面导轨与钢箱梁接触的端部；
纵向复位扭力弹簧装置一端固定于变截面导轨与钢箱梁接触的端头，另一端与滑动块连接；
拼接板用于将钢箱梁固定到桥面横梁上。
2.根据权利要求1所述的一种具有减振功能的大跨径拱桥桥面系加固用钢纵梁，其特征在于，所述调谐质量阻尼器从上到下依次包括缸体、活塞、导杆、质量块、轴向弹簧；
所述缸体内从上到下通过挡板分隔为副缸、主缸；
所述主缸内填充阻尼材料，所述活塞位于主缸内部，活塞预留有阻尼孔，供活塞压缩主缸体积时引起阻尼材料流动；
所述活塞与质量块通过导杆刚性连接；
所述轴向弹簧位于质量块下方，通过含锚固板与质量块刚性连接；
所述导杆穿过副缸和主缸之间的挡板。
3.根据权利要求2所述的一种具有减振功能的大跨径拱桥桥面系加固用钢纵梁，其特征在于，所述阻尼孔为2个，活塞和质量块与导杆采用工厂一次压铸成型；所述调谐质量阻尼器在变截面导轨的左右两部分中对称设置。
4.根据权利要求1所述的一种具有减振功能的大跨径拱桥桥面系加固用钢纵梁，其特征在于，根据需要达到的减震效果及钢箱梁顶板纵向加劲肋最小尺寸要求，设计变截面导轨，为保证装置的减震效果，变截面导轨包括直线段AB和曲线段BC，所述直线段AB的距离不小于钢箱梁的梁长尺寸的5%且不小于50cm，曲线段BC采用二次抛物线，端头C处变截面导轨的高度不得低于顶板纵向加劲肋规范最低值。
5.根据权利要求4所述的一种具有减振功能的大跨径拱桥桥面系加固用钢纵梁，其特征在于，所述变截面导轨的直线段AB位于靠近跨中位置处，沿钢箱梁纵向对称轴对称设置的上下变截面导轨之间的距离根据调谐质量阻尼器导杆竖向可移动范围和钢箱梁高度计算减震需要达到的效果确定。
6.根据权利要求5所述的一种具有减振功能的大跨径拱桥桥面系加固用钢纵梁，其特征在于，靠近跨中位置处的上下变截面导轨之间的距离最小。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN114687294A (zh) * | 2022-04-18 | 2022-07-01 | 重庆交通大学 | 预制钢管混凝土与钢筋混凝土拼装桥及其施工方法 |
| CN115419186A (zh) * | 2022-09-30 | 2022-12-02 | 广州大学 | 一种可自复位的碰振双调谐减振系统 |
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| CN114687294A (zh) * | 2022-04-18 | 2022-07-01 | 重庆交通大学 | 预制钢管混凝土与钢筋混凝土拼装桥及其施工方法 |
| CN115419186A (zh) * | 2022-09-30 | 2022-12-02 | 广州大学 | 一种可自复位的碰振双调谐减振系统 |
| CN115419186B (zh) * | 2022-09-30 | 2023-05-12 | 广州大学 | 一种可自复位的碰振双调谐减振系统 |
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