一种拱桥拱上立柱自复位耗能柱脚、设计方法及施工方法 |
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| 申请号 | CN202410175725.8 | 申请日 | 2024-02-07 | 公开(公告)号 | CN118048844A | 公开(公告)日 | 2024-05-17 |
| 申请人 | 重庆交通大学; 四川公路桥梁建设集团有限公司; | 发明人 | 周建庭; 陈悦; 孙立成; 沈培文; 卢伟; 向正松; 刘万春; 汪元伟; 苏鹏; 何畅; 严成俊; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种拱桥拱上立柱自复位耗能柱脚、设计方法及施工方法，属于 桥梁 技术领域，包括：柱墩，设置在主拱圈的上部；柱墩远离主拱圈的一侧设置有U形限位槽；拱上立柱，拱上立柱的一端插置在U形限位槽内，另一端设置有盖梁；支座，设置在盖梁远离拱上立柱的一侧；支座的另一端与 桥面 梁板体系连接；多个预应 力 钢 筋，依次穿过盖梁、拱上立柱、柱墩和主拱圈的预留孔，且预 应力 钢筋 的两端分别通过锚具锚固在盖梁的顶部和主拱圈的底部。本发明在拱桥的拱上立柱柱脚部位设置自复位耗能装置，可以在 地震 发生时限制结构的位移，将损伤集中在耗能构件上，减少了上部结构的破坏，在震后更换耗能构件即可快速恢复结构抗震性能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种拱桥拱上立柱自复位耗能柱脚，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种拱桥拱上立柱自复位耗能柱脚、设计方法及施工方法技术领域背景技术[0002] 桥梁作为交通基础设施的关键组成部分，其安全性和可靠性对于保障公共安全和促进社会经济发展至关重要。在众多桥梁类型中，拱桥因其优雅的结构美感和良好的力学性能而被广泛应用。然而，地震等自然灾害对桥梁结构的稳定性和安全性构成了严峻挑战。特别是对于拱桥而言，其结构特点决定了在遭受地震等极端条件影响时，其拱上立柱尤其容易受损。拱上立柱的柱脚部位作为承受和传递荷载的关键节点，若在地震中受损，不仅会严重影响桥梁的整体稳定性，还可能导致桥梁的功能性丧失，甚至威胁使用者的生命财产安全。 [0003] 传统的桥梁设计和抗震技术主要侧重于通过增强结构的承载能力来减少地震对桥梁的破坏。这包括使用高强材料、增大构件截面、增加结构的冗余度和增强关键部位的连接等。然而，在较大烈度的地震作用后，采用这些方法建造的桥梁通常无法在震后快速恢复使用功能。因此，即使结构未发生倒塌，修复和重建的时间和成本也可能极高，严重影响桥梁的运营效率和经济性。 [0004] 自复位技术的出现提供了一种全新的视角，这项技术旨在使桥梁结构在经历地震等极端荷载后，能自动恢复到初始状态。随着城市化进程的加快和交通需求的持续增长，桥梁的连续运营和快速恢复能力变得越来越重要。尤其是在城市或关键交通节点，桥梁的任何中断都可能导致严重的交通拥堵和社会经济活动的混乱。因此，自复位技术在提高桥梁的可靠性和减少灾害影响方面具有重要的实际意义。 [0005] 尽管自复位技术的概念和应用前景令人充满期待，但在拱桥拱上立柱柱脚的具体应用方面，未见相关研究成果。现有技术中对于这一技术的探讨大多集中在其他类型的桥梁结构上，如梁桥、悬索桥等。 [0006] 因此，本发明旨在填补这一领域的研究空白，通过提出拱桥拱上立柱自复位耗能柱脚的构造形式和设计方法、施工方法，丰富桥梁设计及构造理论体系。 发明内容[0007] 为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案： [0008] 一种拱桥拱上立柱自复位耗能柱脚，包括： [0009] 柱墩，所述柱墩设置在主拱圈的上部；所述柱墩远离所述主拱圈的一侧设置有U形限位槽； [0010] 拱上立柱，所述拱上立柱的一端插置在所述U形限位槽内，另一端设置有盖梁；其中，所述主拱圈、所述柱墩、所述拱上立柱和所述盖梁上均对应设置有多个预留孔； [0011] 支座，所述支座设置在所述盖梁远离所述拱上立柱的一侧；所述支座的另一端与桥面梁板体系连接； [0012] 多个预应力钢筋，多个所述预应力钢筋与多个所述预留孔一一对应设置；所述预应力钢筋依次穿过所述盖梁、所述拱上立柱、所述柱墩和所述主拱圈的预留孔，且所述预应力钢筋的两端分别通过锚具锚固在所述盖梁的顶部和所述主拱圈的底部。 [0014] 进一步地，还包括多个阻尼器，所述阻尼器为消能杆或屈曲约束支撑，所述拱上立柱的非端部设置有第一连接件，所述柱墩上与所述第一连接件对应设置有第二连接件，所述阻尼器的两端分别与所述第一连接件、所述第二连接件固定连接。 [0015] 进一步地，所述第一连接件包括多个沿所述拱上立柱的非端部位置周向均匀分布设置的第一连接钢板组；所述第一连接钢板组包括2块第一连接钢板，2块所述第一连接钢板相对间隔设置，2块所述第一连接钢板对应设置有多个第一螺栓孔或第一销轴孔； [0016] 所述第二连接件包括多个沿所述柱墩周向均匀分布设置且与所述第一连接钢板组对应设置的第二连接钢板组；所述第二连接钢板组包括2块第二连接钢板，2块所述第二连接钢板相对间隔设置，2块所述第二连接钢板对应设置有多个第二螺栓孔或第二销轴孔； [0017] 所述阻尼器包括杆体，所述杆体的两端均设置有连接板，所述连接板上设置有孔洞，两个所述连接板上的孔洞分别与所述第一连接钢板组的所述第一螺栓孔或第一销轴孔、所述第二连接钢板组的所述第二螺栓孔或第二销轴孔配合，并通过螺栓或销轴固定连接。 [0018] 一种拱桥拱上立柱自复位耗能柱脚的设计方法，为上述任一项所述的拱桥拱上立柱自复位耗能柱脚的设计方法，所述设计方法包括： [0019] 在多遇地震下，自复位耗能柱脚要满足不开口的要求，预应力钢筋的截面面积AsPT为： [0020] [0021] 式中，拱上立柱承担的内力为弯矩M、剪力V、轴力N，bc为立柱宽度；为预应力筋的初始应力系数；fPTk为预应力钢筋极限强度标准值； [0022] 在罕遇地震下，拱上立柱的位移角为θt，则消能杆的长度lED为： [0023] [0024] 式中，fEDy为消能杆的屈服强度；fEDu为消能杆的极限强度；EEDe为消能杆弹性阶段的变形模量；EEDp为消能杆弹塑性阶段的变形模量；dEDd为转动侧消能杆距离转动点的距离；dEDu为开口侧消能杆距离转动点的距离；dEDm为中部消能杆距离转动点的距离；dPTu为预应力钢筋距离转动点的距离； [0025] 自复位参数βsc决定结构的自复位能力和耗能能力，根据结构预期的抗震性能目标预先设定βsc，βsc在1.5‑2.0之间取值，计算得到消能杆截面面积AsED： [0026] [0027] 至此，自复位耗能柱脚的设计参数预应力钢筋的截面面积AsPT、消能杆的长度lED、消能杆截面面积AsED已通过计算确定。 [0028] 进一步地，所述主拱圈的材料为混凝土、砌体或钢材中的一种；所述柱墩的材料为混凝土或钢材中的一种；所述立柱的材料为混凝土或钢材中的一种；所述盖梁的材料为混凝土或钢材中的一种；所述桥面梁板体系的材料为混凝土或钢材中的一种；所述支座的材料为橡胶支座或其他具体抗震性、耐久性的材料；所述预应力钢筋的材料为高强钢筋或钢绞线。 [0029] 一种拱桥拱上立柱自复位耗能柱脚的施工方法，为上述任一项所述的拱桥拱上立柱自复位耗能柱脚的施工方法，所述施工方法包括以下步骤： [0030] S10、浇筑或安装主拱圈； [0031] S20、浇筑或安装柱墩，并预留安装第二连接板； [0032] S30、工厂内预制施工拱上立柱，并预留安装第一连接板； [0033] S40、将预制的拱上立柱运至现场，将拱上立柱安装在柱墩顶部预留的U形槽内； [0034] S50、工厂内施工盖梁； [0035] S60、将盖梁运至现场，并将盖梁安装在拱上立柱的顶部； [0036] S70、张拉预应力钢筋，并锚固； [0037] S80、安装阻尼器的消能杆，并将其与第二连接板、第一连接板连接； [0038] S90、安装支座及桥面梁板体系； [0039] 其中，如盖梁和拱上立柱整体预制施工，将S30‑S60进行合并施工。 [0040] 有益效果： [0041] 本发明在拱桥的拱上立柱柱脚部位设置自复位耗能装置，可以在地震发生时限制结构的位移，将损伤集中在耗能构件上，减少了上部结构的破坏，在震后更换耗能构件即可快速恢复结构抗震性能。 [0043] 图1为本发明提供的拱桥拱上立柱自复位耗能柱脚的整体结构示意图； [0044] 图2为图1中A‑A剖视图； [0045] 图3为图2中1‑1剖视图； [0046] 图4为图2中2‑2剖视图； [0047] 图5为阻尼器的结构示意图； [0048] 图6为阻拱上立柱的受力计算简图； [0049] 其中，11、主拱圈；12、预应力钢筋；121、锚具；13、柱墩；131、第二连接钢板；1311、第二螺栓孔或第二销轴孔；132、U形限位槽；14、拱上立柱；141、第一连接钢板；1411、第一螺栓孔或第一销轴孔；15、盖梁；16、支座；17、桥面梁板体系；18、阻尼器；181、杆体；182、第一连接板；1821、第一孔洞；183、第二连接板；1831、第二孔洞。 具体实施方式[0050] 实施例1 [0051] 参考图1－图5，一种拱桥拱上立柱自复位耗能柱脚，包括： [0052] 柱墩13，柱墩13设置在主拱圈11的上部；柱墩13远离主拱圈11的一侧设置有U形限位槽132； [0053] 拱上立柱14，拱上立柱14的一端插置在U形限位槽132内，另一端设置有盖梁15；其中，主拱圈11、柱墩13、拱上立柱14和盖梁15上均对应设置有多个预留孔； [0054] 支座16，支座16设置在盖梁15远离拱上立柱14的一侧；支座16的另一端与桥面梁板体系17连接； [0055] 多个预应力钢筋，多个预应力钢筋与多个预留孔一一对应设置；预应力钢筋依次穿过盖梁15、拱上立柱14、柱墩13和主拱圈11的预留孔，且预应力钢筋的两端分别通过锚具121锚固在盖梁的顶部和主拱圈的底部。 [0056] 在本实施例中，柱墩13为钢筋混凝土柱墩，柱墩13与主拱圈11整体浇筑或二次浇筑形成。 [0057] 拱上立柱14和盖梁15为独立的预制结构，其中，拱上立柱14在工厂制作完成后吊装搁置于柱墩上部的U形限位槽132内，拱上立柱14的中部预留孔洞，用于设置预应力钢筋。盖梁15在工厂制作完成后吊装置于拱上立柱之上，盖梁15上需留设孔洞，用于设置预应力钢筋。 [0058] 其中，根据使用情况，亦可将拱上立柱14和盖梁15在工厂内制作为整体进行预制，在现场进行安装。 [0059] 本实施例提供的拱桥拱上立柱自复位耗能柱脚，还包括多个阻尼器18，拱上立柱14的非端部设置有第一连接件，柱墩13上与第一连接件对应设置有第二连接件，阻尼器18的两端分别与第一连接件、第二连接件固定连接。 [0060] 在本实施例中，拱上立柱14为方形柱体。 [0061] 具体地，第一连接件包括4个沿拱上立柱14的非端部位置的四周均设置有第一连接钢板组；第一连接钢板组包括2块第一连接钢板141，2块第一连接钢板141相对间隔设置，2块第一连接钢板141对应设置有多个第一螺栓孔或第一销轴孔1411； [0062] 其中，第一螺栓孔或第一销轴孔1411的数量和尺寸根据连接部位的形式和承载力计算求得。 [0063] 第二连接件包括4个沿柱墩13的四周设置且与第一连接钢板组对应设置的第二连接钢板组；第二连接钢板组包括2块第二连接钢板131，2块第二连接钢板131相对间隔设置，2块第二连接钢板131对应设置有多个第二螺栓孔或第二销轴孔1311；第二螺栓孔或第二销轴孔1311的数量和尺寸根据连接部位的形式和承载力计算求得。 [0064] 在本实施例中，阻尼器18为消能杆或屈曲约束支撑。 [0065] 具体地，阻尼器18包括杆体181，杆体181的两端均设置有连接板，连接板上设置有孔洞，两个连接板上的孔洞分别与第一连接钢板组的第一螺栓孔或第一销轴孔1411、第二连接钢板组的第二螺栓孔或第二销轴孔1311配合，并通过螺栓或销轴固定连接。 [0066] 具体地，阻尼器18的中部为杆体181，杆体181的上部设置第一连接板182，并留设第一孔洞1821，用于与拱上立柱的第一连接钢板用螺栓或销轴连接；杆体181的下部设置第二连接板183，并留设第二孔洞1831，用于与柱墩13的第二连接钢板用螺栓或销轴连接。 [0067] 当桥梁遭受罕遇地震灾害时，由于采用了本实施例提供的拱桥拱上立柱自复位耗能柱脚，拱桥上部结构的破坏将集中在柱脚部位的消能杆上，即通过消能杆的破坏耗散地震能量。 [0068] 另外，消能杆通过螺栓或销轴分别与柱墩、拱上立柱相连，破坏后仅需对其进行更换，桥梁结构即可快速恢复抗震性能和使用功能。同时，由于采用了预应力钢筋这类复位装置，地震之后，桥梁主体结构亦不会产生不可恢复的塑性变形。 [0069] 实施例2 [0070] 一种拱桥拱上立柱自复位耗能柱脚的设计方法，为实施例1提供的拱桥拱上立柱自复位耗能柱脚的设计方法，设计方法包括： [0071] 在各种类型的荷载组合下，立柱承担的内力为弯矩M、剪力V、轴力N，柱脚部位的剪力由设置于柱墩顶部的U形限位槽承担，而弯矩和轴力决定着该自复位耗能柱脚的设计参数，受力简图参考图6。 [0072] 在多遇地震下，自复位耗能柱脚要满足不开口的要求，预应力钢筋的截面面积AsPT为： [0073] [0074] 式中，拱上立柱承担的内力为弯矩M、剪力V、轴力N，bc为立柱宽度；为预应力筋的初始应力系数；fPTk为预应力钢筋极限强度标准值； [0075] 在罕遇地震下，拱上立柱的位移角为θt，则消能杆的长度lED为： [0076] [0077] 式中，fEDy为消能杆的屈服强度；fEDu为消能杆的极限强度；EEDe为消能杆弹性阶段的变形模量；EEDp为消能杆弹塑性阶段的变形模量，上述取值均与材料特性相关；dEDd为转动侧消能杆距离转动点的距离；dEDu为开口侧消能杆距离转动点的距离；dEDm为中部消能杆距离转动点的距离；dPTu为预应力钢筋距离转动点的距离，其中，由于预应力钢筋位于拱上立柱的中部，因此dPTu等于bc/2。 [0078] 自复位参数βsc决定结构的自复位能力和耗能能力，根据结构预期的抗震性能目标预先设定βsc，βsc在1.5‑2.0之间取值，性能目标越高，取值越大，计算得到消能杆截面面积AsED： [0079] [0080] 至此，自复位耗能柱脚的设计参数预应力钢筋的截面面积AsPT、消能杆的长度lED、消能杆截面面积AsED已通过计算确定。 [0081] 在本实施例中，主拱圈的材料为混凝土、砌体或钢材中的一种；柱墩的材料为混凝土或钢材中的一种；拱上立柱的材料为混凝土或钢材中的一种；盖梁的材料为混凝土或钢材中的一种；桥面梁板体系的材料为混凝土或钢材中的一种；支座的材料为橡胶支座或其他具体抗震性、耐久性的材料；预应力钢筋的材料为高强钢筋或钢绞线；第一连接钢板和第二连接钢板的材料为钢板；消能杆的材料为钢材。 [0082] 实施例3 [0083] 一种拱桥拱上立柱自复位耗能柱脚的施工方法，为实施例1提供的拱桥拱上立柱自复位耗能柱脚的施工方法，施工方法包括以下步骤： [0084] S10、浇筑或安装主拱圈； [0085] S20、浇筑或安装柱墩，并预留安装第二连接板； [0086] S30、工厂内预制施工拱上立柱，并预留安装第一连接板； [0087] S40、将预制的拱上立柱运至现场，将拱上立柱安装在柱墩顶部预留的U形槽内； [0088] S50、工厂内施工盖梁； [0089] S60、将盖梁运至现场，并将盖梁安装在拱上立柱的顶部； [0090] S70、张拉预应力钢筋，并锚固； [0091] S80、安装阻尼器的消能杆，并将其与第二连接板、第一连接板连接； [0092] S90、安装支座及桥面梁板体系； [0093] 其中，如盖梁和拱上立柱整体预制施工，将S30‑S60进行合并施工。 |
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