一种耗能型摇摆自复位抗震挡块系统及其施工方法 |
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| 申请号 | CN201910329834.X | 申请日 | 2019-04-23 | 公开(公告)号 | CN110004818B | 公开(公告)日 | 2024-05-03 |
| 申请人 | 湘潭大学; | 发明人 | 吴文朋; 周权; 龙士国; 刘思思; 吴志伟; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种耗能型摇摆自复位抗震挡 块 系统，所述挡块系统包括设于盖梁左右两侧的第一挡块和第二挡块，所述第一挡块和第二挡块均通过无粘结预应 力 筋与盖梁连接，所述第一挡块和第二挡块的下端均设有挡块 支撑 平台。本发明还相应提供一种上述耗能型摇摆自复位抗震挡块系统的施工方法。本发明结构简单，有良好的耗能功能，挡块能够限制梁体的 横向位移 在一定的范围内，通过合理的设计，挡块可以提供与桥柱损伤相匹配的强度和 变形 能力，可以确保 桥梁 在大 地震 中维持正常使用功能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种耗能型摇摆自复位抗震挡块系统，其特征在于，所述挡块系统包括设于盖梁（2）左右两侧的第一挡块（101）和第二挡块（102），所述第一挡块（101）和第二挡块（102）均通过无粘结预应力筋（3）与盖梁（2）连接，所述第一挡块（101）和第二挡块（102）的下端均设有挡块支撑平台（5）； |
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| 说明书全文 | 一种耗能型摇摆自复位抗震挡块系统及其施工方法技术领域背景技术[0002] 我国是一个地震多发的国家，并且震害具有破坏大、涉及广等特点。在地震中，盖梁横向挡块对限制梁体位移、防止落梁破坏起到重要的作用，但这样重要的构件目前在抗震设计还未得到足够的重视。特别是，由于我国现行的桥梁抗震设计规范中缺乏挡块的相关设计说明，导致我国既有的大量桥梁工程中，挡块构造设计主要凭设计师的经验。 [0003] 现阶段我国桥梁工程在限制梁体横向位移时，都把挡块设置在盖梁顶部的两侧(挡块与盖梁间的关系为上下型布置)，通过盖梁浇筑完成后预留的竖向钢筋浇筑成整体式钢筋混凝土挡块，且在挡块的构造设计上无相关设计说明，该类挡块在地震作用下，桥体发生横向位移过大与挡块发生碰撞这个过程中无任何减震和耗能措施，挡块和梁体发生刚性碰撞，挡块极易发生剪切脆性破坏，盖梁和挡块均可能损坏严重，甚至发生梁体坠落。根据近些年震后挡块的损坏的情况来看，贯穿的主裂缝近似45°角斜向下扩展，盖梁两侧损坏严重，复修难度大，耗资高。发生上述现象的主要原因在于挡块与盖梁通过竖向钢筋构成一体，地震作用下只有竖向抗剪钢筋和水平拉筋来抵抗梁体的撞击，一旦钢筋不能承受这些撞击力时，盖梁就会被撕裂，在这过程中地震能量没有得到有效的耗散，难以实现多水准设防的要求。 发明内容[0004] 本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种耗能型摇摆自复位抗震挡块系统及其施工方法，该挡块系统在地震作用下能够有效的耗散地震能量，且有足够的限位能力和自复位功能。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为： [0005] 一种耗能型摇摆自复位抗震挡块系统，所述挡块系统包括设于盖梁左右两侧的第一挡块和第二挡块，所述第一挡块和第二挡块均通过无粘结预应力筋与盖梁连接，所述第一挡块和第二挡块的下端均设有挡块支撑平台。 [0006] 本发明中，第一挡块和第二挡块均设置于盖梁的左右两侧(挡块与盖梁间的关系为左右型布置)，而不是设置盖梁顶面的两侧，并且，本发明中第一挡块和第二挡块的上端均高于盖梁上梁体的下端，以用于阻挡梁体横向位移过大而脱离盖梁。本发明中，挡块支撑平台可与盖梁一体预制，与盖梁同宽，长度略大于挡块厚度，该平台不仅为施工和震后的检测修复人员提供工作上的方便，同时用于支撑挡块。 [0007] 上述挡块系统中，优选的，所述无粘结预应力筋包括第一预应力筋和第二预应力筋，所述第一挡块通过第一预应力筋与盖梁连接，所述第二挡块通过第二预应力筋与盖梁连接，且第一预应力筋与第二预应力筋相互独立。第一预应力筋与第二预应力筋相互独立可以保证第一挡块与第二挡块动作的相互独立性，某一挡块失效并不会影响另一挡块的功能，更换时也不必全部一体更换，只需更换损坏的挡块即可(或损坏侧挡块的预应力筋或耗能装置)，实用价值与经济价值更高。 [0008] 上述挡块系统中，优选的，所述第一预应力筋的一端固设于第一挡块的外侧面，另一端固设于盖梁远离第一挡块的外侧面，所述第二预应力筋的一端固设于第二挡块的外侧面，另一端固设于盖梁远离第二挡块的外侧面。上述固设方式不限，优选采用锚固。 [0009] 上述挡块系统中，优选的，所述盖梁中贯通设有预应力筋孔道，所述第一挡块和第二挡块中均对应设有贯通的预应力筋孔道，所述预应力筋孔道为竖直设置的长条形孔(如矩形孔)，且所述无粘结预应力筋设置于预应力筋孔道的中上部。更优选的，所述长条形孔的长度h、盖梁的长度L和挡块安全转动角度θ之间的关系为：L*tanθ≦h/2。上述设置方式可以有效的增大挡块的转动能力(安全转动角度更大)，同时确保预应力钢筋始终处于受拉状态，避免预应力钢筋受剪切破坏的发生。 [0010] 上述挡块系统中，优选的，所述挡块支撑平台的上表面设有弧形凹槽，所述第一挡块和第二挡块的下表面均设有与所述弧形凹槽相配合的弧形凸起，且所述弧形凸起的半径R1小于弧形凹槽的半径R2。通过设置弧形凹槽和弧形凸起这样的球入式嵌合连接的方式，挡块受力转动时会沿着弧形凹槽转动，在地震作用下弧形凸起在接口内“一离一合”来实现转动，转动过程中实现能量释放。此外上述连接方式提高体系的稳定性，避免挡块在转动的过程中发生失稳，导致体系失效。对于弧形凹槽的半径R2，应大于凸起的半径R1，这样可行性高，大大的简化了施工，提高了施工效率。 [0011] 上述挡块系统中，优选的，所述第一挡块、第二挡块与盖梁之间均设有耗能装置，所述耗能装置布置于无粘结预应力筋的上端，所述耗能装置包括内置型耗能装置和/或外置型耗能装置。耗能装置的存在，实现了多水准设防，有利于桥梁结构的抗震设计，使用寿命更长。当发生地震时，耗能装置中的耗能件首先吸收能量，直到耗能件被拉断，其次再是预应力筋开始承受地震中梁体对挡块传递的能量，整个抗震挡块系统的安全性更高。一般来说，在施工挡块系统时，先施工内置型耗能装置，外置型耗能装置用于后续内置型耗能装置失效后代替内置型耗能装置。 [0012] 上述挡块系统中，优选的，所述内置型耗能装置包括固设(如预埋)于盖梁左右两侧的第一耗能钢筋和第二耗能钢筋，所述第一挡块和第二挡块中均开设有耗能钢筋孔道，所述第一耗能钢筋穿过第一挡块中的耗能钢筋孔道并固设于第一挡块的外侧面，所述第二耗能钢筋穿过第二挡块中的耗能钢筋孔道并固设于第二挡块的外侧面。上述第一耗能钢筋和第二耗能钢筋直接预埋于盖梁左右两侧或通过盖梁的左右两侧预留的螺纹套管与盖梁固接(提前预埋、后期安装)。上述内置型耗能装置结构简单有效，但一旦地震发生损坏内置型耗能装置时，震后更换困难，本发明中，可以在盖梁两侧预留备用的螺纹套筒，在挡块中也预留备用的耗能钢筋孔道。在地震中耗能钢筋损坏后，可将耗能钢筋穿过备用的耗能钢筋孔道，扭到备用的螺纹套管中，可以实现耗能装置的安装更换，无需整体更换挡块系统。 [0013] 上述挡块系统中，优选的，所述外置型耗能装置包括固设于盖梁端部前侧面和/或端部后侧面的连接支座，所述第一挡块和第二挡块上对应设有连接支座，相邻所述连接支座通过耗能件连接成一整体。本发明中，可在盖梁、第一挡块和第二挡块相应位置植筋用作连接支座，耗能件可为普通钢筋、阻尼器、记忆合金等耗能材料。 [0015] 作为一个总的技术构思，本发明还提供一种耗能型摇摆自复位抗震挡块系统的施工方法包括以下步骤： [0016] S1：预制或现浇盖梁及两侧的挡块支撑平台，并预留相应的预应力筋孔道，预制第一挡块和第二挡块，并预留相应的预应力筋孔道和耗能钢筋孔道； [0017] S2：将第一挡块、第二挡块放置于挡块支撑平台上，将第一预应力筋放置于盖梁的预应力筋孔道中，并将第一预应力筋的一端固设于盖梁远离第一挡块的外侧面，将第二预应力筋放置于盖梁的预应力筋孔道中，并将第二预应力筋的一端固设于盖梁远离第二挡块的外侧面；再将第一预应力筋的另一端穿过第一挡块中的预应力筋孔道，并固设于第一挡块的外侧面，将第二预应力筋的另一端穿过第二挡块中的预应力筋孔道，并固设于第二挡块的外侧面； [0018] S3：在S2的施工过程中，同步将固设于盖梁左右两侧的第一耗能钢筋和第二耗能钢筋穿过耗能钢筋孔道，并分别锚固于第一挡块和第二挡块的外侧面； [0019] S4：在所有接缝部位、孔道端口均采用环氧树脂进行密封，在第一挡块、第二挡块与挡块支撑平台接合处采用填充材料进行填充，即完成施工。 [0020] 本发明中，预应力筋的型号和数目根据工程实际所决定，预应力钢筋采用无粘结后张拉，考虑到氯盐环境中的耐久性腐蚀性等问题，可在预应力钢筋的表面采用锌基镀层或环氧树脂涂层，在或者从材料上进行优化，采用玄武石纤维复合材料、改性铝合金和玻璃纤维增强聚合材料(GFRP)来制作预应力筋。锚具的张拉系统为可以二次张拉的锚具系统，这样一方面让预应力损失降低，另一方面在施工时可以根据需求调整预应力张拉力度，以满足不同抗震性能的需求。 [0021] 本发明中，所有接缝部位、孔道端口均采用环氧树脂进行密封，在第一挡块、第二挡块与挡块支撑平台接合处采用填充材料(如聚苯乙烯泡沫)进行填充，防止长时间之后泥沙在接口里堆积，阻止挡块的正常转动。 [0022] 本发明中，耗能型摇摆自复位抗震挡块系统的工作过程及原理如下：在强震作用下梁体在横桥向易发生较大的位移，首先梁体冲击挡块使耗能装置加入工作，承受能量，直到内置型耗能装置和/或外置型耗能装置中的耗能件被拉断，之后预应力筋承受地震中梁体对挡块传递的能量，挡块受到梁体的冲击后，挡块开始在嵌合接口处转动，有更多的位移使能量耗散，同时挡块由于受到预应力筋的拉力会沿着嵌合接口进行自动复原，实现挡块的自复位而重新加入工作，挡块自复位过程也会给梁体一个相反方向的回复力便于梁体复位，反复如此，直至预应力筋被拉断，挡块失效。在这个过程中地震能大部分被耗散，传到下部结构的能量较小，很好的保护了桥梁的下部结构和盖梁，避免塑性破坏。 [0023] 本发明的结构对于震后的复修和更换也很方便，如预应力筋失效只需按施工步骤更换预应力筋和耗能装置即可，如未失效只需重新安置耗能装置即可(备用螺纹套管或外置型耗能装置等手段更换安置耗能装置)，如果某一挡块整体被损坏，也只需更换被损坏的挡块即可，这样大大的减小地震中的经济损失和震后的修复工作。 [0024] 与现有技术相比，本发明的优点在于： [0025] 1、本发明中挡块与盖梁之间通过无粘结预应力筋连接，传力模型明确，当挡块受到梁体冲击时发生转动实现能量释放，不会损坏挡块和盖梁，如果预应力筋不屈服，预应力筋有对挡块向回拉的力，可以将挡块恢复到其原始位置，实现自复位而重新加入工作，可以减少梁体震后的残余位移。 [0026] 2、本发明结构简单，有良好的耗能功能，挡块与梁体相互作用能够限制梁体的横向位移在一定的范围内，通过合理的设计，挡块可以提供与桥柱损伤相匹配的强度和变形能力，可以确保桥梁在大地震中维持正常使用功能。 [0028] 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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0029] 图1为实施例中耗能型摇摆自复位抗震挡块系统的立体结构示意图。 [0030] 图2为图1的正视图。 [0031] 图3为图2中A‑A面视图。 [0032] 图4为图2中B‑B面视图。 [0033] 图5为图2中C‑C面视图。 [0034] 图6为图2中D‑D面视图。 [0035] 图7为图6的三维结构示意图。 [0036] 图8为图2中E‑E面视图。 [0037] 图9为图8的三维结构示意图。 [0038] 图10为实施例中弧形凹槽与弧形凸起接合处的结构示意图。 [0039] 图11为实施例中外置耗能钢筋的安装结构示意图。 [0040] 图12为在地震作用下第一挡块的转动示意图(图中箭头方向为地震力的作用方向)。 [0041] 图13为在地震作用下第二挡块的转动示意图(图中箭头方向为地震力的作用方向)。 [0042] 图14为实施例中挡块系统在地震作用下的滞回曲线示意图。 [0043] 图例说明： [0044] 101、第一挡块；102、第二挡块；2、盖梁；3、无粘结预应力筋；301、第一预应力筋；302、第二预应力筋；4、梁体；5、挡块支撑平台；6、预应力筋孔道；7、弧形凹槽；8、弧形凸起； 901、第一耗能钢筋；902、第二耗能钢筋；10、耗能钢筋孔道；11、耗能件；12、连接支座；20、张拉锚具；21、墩头锚；22、锚板；23、锚固螺栓。 具体实施方式[0046] 除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。 [0047] 除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。 [0048] 实施例： [0049] 如图1‑11所示，本实施例的耗能型摇摆自复位抗震挡块系统，挡块系统包括设于盖梁2左右两侧的第一挡块101和第二挡块102，第一挡块101和第二挡块102均通过无粘结预应力筋3与盖梁2连接，第一挡块101和第二挡块102的下端均设有挡块支撑平台5，第一挡块101和第二挡块102的上端均高于盖梁2上梁体4的下端。 [0050] 如图8、9所示，本实施例中，无粘结预应力筋3包括第一预应力筋301和第二预应力筋302，第一挡块101通过第一预应力筋301与盖梁2连接，第二挡块102通过第二预应力筋302与盖梁2连接，且第一预应力筋301与第二预应力筋302相互独立。具体的，第一预应力筋 301的一端作为张拉端用张拉锚具20锚固于第一挡块101的外侧面，另一端作为固定端锚固于盖梁2远离第一挡块101的外侧面(用墩头锚21锚固在盖梁2外侧面的锚板22上)，第二预应力筋302的一端作为张拉端用张拉锚具20锚固设于第二挡块102的外侧面，另一端作为固定端锚固于盖梁2远离第二挡块102的外侧面(用墩头锚21锚固在盖梁2外侧面的锚板22上)。 [0051] 如图3‑5所示，本实施例中，盖梁2中预留贯通的预应力筋孔道6，第一挡块101和第二挡块102中均对应预留贯通的预应力筋孔道6，预应力筋孔道6为竖直设置的长条形孔(本实施例中为矩形)，且无粘结预应力筋3设置于预应力筋孔道6的中上部。 [0052] 如图10所示，本实施例中，挡块支撑平台5的上表面设有弧形凹槽7，第一挡块101和第二挡块102的下表面均设有与弧形凹槽7相配合的弧形凸起8，且弧形凸起8的半径R1小于弧形凹槽7的半径R2。 [0053] 本实施例中，第一挡块101、第二挡块102与盖梁2之间均设有耗能装置，耗能装置设于无粘结预应力筋3的上端，耗能装置包括内置型耗能装置和/或外置型耗能装置。 [0054] 如图6、7所示，本实施例中，内置型耗能装置包括预埋于盖梁2左右两侧的第一耗能钢筋901和第二耗能钢筋902，第一挡块101和第二挡块102中均开设有耗能钢筋孔道10，第一耗能钢筋901穿过第一挡块101中的耗能钢筋孔道10并通过锚固螺栓23锚固于与第一挡块101的外侧面，第二耗能钢筋902穿过第二挡块102中的耗能钢筋孔道10并通过锚固螺栓23锚固于与第二挡块102的外侧面。 [0055] 如图11所示，本实施例中，外置型耗能装置包括固设于盖梁2端部前侧面和/或端部后侧面的连接支座12，第一挡块101和第二挡块102上对应设有连接支座12，相邻连接支座12通过耗能件11连接成一整体。本实施例中，耗能件11可为普通钢筋、阻尼器、记忆合金等耗能材料。 [0056] 本实施例给出一种典型的无粘结预应力筋3的规格参数：公称直径15.2mm的高强度低松弛钢绞线，抗拉强度标准值fpk＝1860MPa，弹性模量E＝195000MPa。具体数量和规格可根据实际的工程抗震需求进行相应的调整(本实施例中为4根)。 [0057] 本实施例中的第一耗能钢筋901、第二耗能钢筋902等耗能钢筋可以是普通钢筋，也可以采用压力弹簧，记忆合金等材料，数量和强度根据工程需要自定(本实施例中为4根)。 [0058] 本实施例中，还可以在盖梁2两侧预留备用的螺纹套筒，在挡块中也预留备用的耗能钢筋孔道10。在地震中内置耗能件损坏后，可将备用耗能钢筋穿过备用的耗能钢筋孔道10，扭到备用的螺纹套管中，可以实现备用耗能装置的安装更换，无需整体更换挡块系统。 或者，当内置型耗能装置失效后，直接用外置型耗能装置替换内置型耗能装置。 [0059] 本实施例的耗能型摇摆自复位抗震挡块系统的施工方法，包括以下步骤： [0060] S1：预制或现浇盖梁2及两侧的挡块支撑平台5，并预留相应的预应力筋孔道6；预制第一挡块101和第二挡块102，并预留相应的预应力筋孔道6和耗能钢筋孔道10； [0061] S2：将第一挡块101、第二挡块102放置于挡块支撑平台5上，将第一预应力筋301放置于盖梁2的预应力筋孔道6中，并将第一预应力筋301的一端固设于盖梁2远离第一挡块101的外侧面，将第二预应力筋302放置于盖梁2的预应力筋孔道6中，并将第二预应力筋302的一端固设于盖梁2远离第二挡块102的外侧面；再将第一预应力筋301的另一端穿过第一挡块101中的预应力筋孔道6，并固设于第一挡块101的外侧面，将第二预应力筋302的另一端穿过第二挡块102中的预应力筋孔道6，并固设于第二挡块102的外侧面； [0062] S3：在S2的施工过程中，同步将固设于盖梁2左右两侧的第一耗能钢筋901和第二耗能钢筋902穿过耗能钢筋孔道10，并分别锚固于第一挡块101和第二挡块102的外侧面； [0063] S4：在所有接缝部位、孔道端口均采用环氧树脂进行密封，在第一挡块101、第二挡块102与挡块支撑平台5接合处采用聚苯乙烯泡沫进行填充，即完成施工。 [0064] 本实施例中的耗能型摇摆自复位抗震挡块系统被损坏后，修复和更换流程与上述施工方法相同。 [0065] 如图12‑14所示，为本实施例挡块系统的作用原理示意图，本实施例中的挡块系统相互独立且具有自复位功能。图14中，左边是只有无粘结预应力筋3而无耗能装置，中间是只有耗能装置而无粘结预应力筋3，右边是同时具有无粘结预应力筋3和耗能装置。 |
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