排架墩可更换耗能节点日常使用约束加强构造 |
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| 申请号 | CN202311399332.7 | 申请日 | 2023-10-26 | 公开(公告)号 | CN117266051A | 公开(公告)日 | 2023-12-22 |
| 申请人 | 鲁宗鹏; | 发明人 | 鲁宗鹏; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种排架墩可更换耗能 节点 日常使用约束加强构造，属于 桥梁 工程抗震技术领域。该排架墩可更换耗能节点日常使用约束加强构造包括墩柱、系梁、两组 钢 板和多个刚性连接件，两组钢板分别设于系梁端部的上、下缘，位于墩柱和系梁之间，钢板的两端分别与系梁和墩柱可拆卸连接，刚性连接件间隔设置于墩柱与系梁之间，刚性连接件的两端均分别与两组钢板固定连接。本发明的排架墩可更换耗能节点日常使用约束加强构造能够增强排架墩结构日常使用过程中的局部 刚度 ，确保结构在建设完成后能够拥有一定的安全措施保证人员安全，同时在大震作用下，避免影响到可更换节点的耗能能 力 ，在发生较大基底沉降等问题时，还能起到提前预警的作用。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种排架墩可更换耗能节点日常使用约束加强构造，包括墩柱(1)、系梁(2)和两组钢板(3)，两组钢板(3)分别设于所述系梁(2)端部的上、下缘，位于所述墩柱(1)和系梁(2)之间，所述钢板(3)的两端分别与系梁(2)和墩柱(1)可拆卸连接，其特征在于，还包括： |
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| 说明书全文 | 排架墩可更换耗能节点日常使用约束加强构造技术领域背景技术[0002] 强柱弱梁指的是使框架结构塑性铰出现在梁端的设计要求，是一个从结构抗震设计角度提出的一个结构概念，就是柱子不先于梁破坏，因为梁破坏属于构件破坏，是局部性的，柱子破坏将危及整个结构的安全——可能会整体倒塌，后果严重，要保证柱子更“相对”安全，故要“强柱弱梁”。 [0003] 排架墩在公路桥梁中极为常见，其墩柱‑横系梁节点是地震作用下的易损位置，塑性铰常见于节点区、节点区柱端或梁端，损伤严重时可导致桥墩整体承载能力降低或垮塌，丧失通行功能。影响框架结构“强柱弱梁”的因素十分复杂，且随着时代的发展，人们已不再拘谨于排架墩震后短期的正常使用，越发关注结构的可修复性，因此可更换耗能构件的研究迅速发展。 [0004] 在现有研究过程中，大家常常关注可替换结构在地震荷载作用下排架墩的受力状态而忽视可替换结构本身对结构产生的影响，忽视了汽车撞击等偶然作用的影响，而系梁位于墩柱上，起到改善柱子结构受力及加强墩柱整体刚度的作用，因此需要加强其日常使用过程中的局部刚度，而现有技术的部分可更换构件，常常伴随着梁‑柱节点结构刚度的削弱，对结构日常使用过程中的受力状态具有一定的影响。 [0005] 例如公开号为CN115110404B的一种基于弯折钢板耗能的桥梁排架墩柱‑系梁可恢复节点，提出的新型墩柱‑系梁可恢复耗能节点将抗弯、抗剪构造分离解耦，通过系梁端上、下缘弯折钢板形成力耦来抵抗梁端弯矩，以及通过在节点外设置销轴系统来抵抗梁端剪力，通过弯折钢板作为可更换消能减震构件，使地震下大量变形、耗能均将集中在该板件上，借此控制节点区塑性铰发生位置，确保“强节点弱构件”机制，虽然其错位设计了梁端上、下侧钢板弯折位置，使弯折位置不对称，避免梁端在该截面弯曲刚度过低而导致承载能力不足，但仍不可避免地较多地削弱了梁‑柱节点结构的刚度，降低了其在日常使用中应对汽车撞击等偶然作用的能力，因此本发明提出一种排架墩可更换耗能节点日常使用约束加强构造，以增强日常使用过程中的局部刚度，并能够在发生地震时确保塑性铰首先发生在系梁，起到保护柱端和节点区的作用。 发明内容[0006] 本发明的目的是为了克服现有技术中的问题，提供一种排架墩可更换耗能节点日常使用约束加强构造能够增强排架墩结构日常使用过程中的局部刚度，避免现有可替换构件在日常使用时可能存在的局部刚度不足的问题出现，同时在大震作用下，不会影响到可更换节点的耗能能力，在发生较大基底沉降等问题时，还能起到提前预警的作用，且具有健康监测的部分特点，以便根据情况快速调整施工方案。 [0007] 本发明提供了一种排架墩可更换耗能节点日常使用约束加强构造，包括墩柱、系梁和两组钢板，两组钢板分别设于所述系梁端部的上、下缘，位于所述墩柱和系梁之间，所述钢板的两端分别与系梁和墩柱可拆卸连接，还包括： [0008] 多个刚性连接件，所述刚性连接件间隔设置于所述墩柱与系梁之间，所述刚性连接件的两端均分别与两组钢板固定连接。 [0009] 较佳地，所述刚性连接件为刚性直杆，所述刚性连接件均与墩柱的长度方向平行，所述刚性连接件的顶端与底端分别与两组钢板固定连接。 [0010] 较佳地，所述刚性连接件中部的直径小于两端的直径。 [0011] 较佳地，所述刚性连接件采用HPB235/HPB300/HRB335钢筋。 [0012] 较佳地，所述刚性连接件包括多个第一刚性连接件和多个第二刚性连接件，所述第一刚性连接件均匀设于所述墩柱与系梁之间的两侧，所述第二刚性连接件分别均匀设于所述墩柱与系梁之间的中部，所述相邻第一刚性连接件之间的间距S1大于相邻第二刚性连接件之间的间距S2。 [0013] 较佳地，相邻第一刚性连接件之间的间距S1、相邻第二刚性连接件之间的间距S2以及第一刚性连接件和第二刚性连接件的直径d1的确定方法如下： [0015] 其中，Es1为系梁的系梁纵筋的弹性模量； [0016] Ec为系梁的系梁混凝土的弹性模量； [0017] Ac为系梁的系梁混凝土的截面面积； [0018] 计算所述钢板换算为混凝土材质的截面面积As2，As2＝Ac，其中αE2＝Es2/Ec； [0019] Es2为钢板的弹性模量； [0020] S2：比较As1与As2的大小； [0021] S3：初步选取所述第一刚性连接件的间距s1、第二刚性连接件的间距s2： [0022] 当As2≥As1时，s1＝s3，s2＝s4，其中，s3为所述系梁箍筋的间距，s4为加密筋的间距； [0023] 当As2＜As1时，s1＝s3/α，s2＝s4/α，其中α＝As1/As2； [0024] S4：初步选取第一刚性连接件和第二刚性连接件的直径d1≈0.5d2，其中，d2为系梁箍筋的直径； [0025] S5：将初步选取的s1、s2和d1代入有限元分析模拟，确定s1、s2和d1的最终值。 [0026] 较佳地，采用有限元分析模拟确定s1、s2和d1的最终值的方法包括以下步骤： [0027] S1:建立带有可更换耗能节点的排架桥墩模型，其中系梁纵筋、系梁箍筋和加密筋采用桁架单元，墩柱、系梁混凝土和钢板依据具体设计要求采用实体单元，并依据初步选取的s1、s2和d1的值拟定日常使用约束加强构造的形式； [0028] S2:将第一刚性连接件和第二刚性连接件通过MPC绑定与钢板建立接触关系； [0029] S3:当模型不满足受力需求时，优先增加第一刚性连接件和第二刚性连接件的强度等级，第一刚性连接件和第二刚性连接件的强度等级最高不超过设计系梁箍筋的强度；其次增加第一刚性连接件和第二刚性连接件的直径d1，第一刚性连接件和第二刚性连接件的直径最大不超过系梁箍筋的直径，最后依次减少相邻第一刚性连接件的间距s1和相邻第二刚性连接件的间距s2，直至满足使用需求。 [0030] 与现有技术相比，本发明具有以下优点： [0031] 本发明的一种排架墩可更换耗能节点日常使用约束加强构造，通过多个间隔设置的刚性连接件连接于两组钢板之间，能够增强排架墩结构日常使用过程中的局部刚度，避免现有可替换构件在日常使用时可能存在的局部刚度不足的问题出现，同时在大震作用下，避免影响到可更换节点的耗能能力，在发生较大基底沉降等问题时，还能起到提前预警的作用，确保结构在建设完成后能够拥有一定的安全措施保证人员安全，且具有健康监测的部分特点，以便根据情况快速调整施工方案。附图说明 [0032] 图1为本发明的整体结构示意图； [0033] 图2为本发明的剖面结构示意图。 [0034] 附图标记说明： [0035] 1、墩柱；2、系梁；21、系梁纵筋；22、系梁混凝土；23、系梁箍筋；24、加密筋；3、钢板；4、刚性连接件；41、第一刚性连接件；42、第二刚性连接件。 具体实施方式[0036] 下面结合附图1‑2，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0037] 本发明提供的一种排架墩可更换耗能节点日常使用约束加强构造，包括包括墩柱1、系梁2、两组钢板3和多个刚性连接件4，两组钢板3分别设于系梁2端部的上、下缘，位于墩柱1和系梁2之间，系梁2包括系梁纵筋21、系梁混凝土22、系梁箍筋23和加密筋24，钢板3的两端分别与系梁2和墩柱1可拆卸固定连接，刚性连接件4间隔设置于墩柱1与系梁2之间，墩柱1、系梁2之间还连接有销轴系统，刚性连接件4的两端均分别与两组钢板3通过焊接的方式固定连接，采用上述技术方案，通过焊接的形式加强了两组钢板3之间的联系，加强了结构的局部刚度与抗剪性能，在地震发生时，销轴系统发生转动适应节点大变形，此时约束于两组钢板3之间的刚性连接件4迅速发生剪切破坏，可更换节点进入抗震耗能阶段，本排架墩可更换耗能节点日常使用约束加强构造在地震发生后，对可更换构件塑性铰耗能不会产生影响，不参与地震耗能等方面的需求；在车辆撞击等偶然荷载作用下桥墩发生位移，约束于两组钢板3之间的刚性连接件4可以帮助结构辅助受力，避免其在日常使用中出现损坏； 在发生较大基底沉降等问题时，约束于两组钢板3之间的刚性连接件4会发生部分断裂，还能起到提前预警的作用，简单易操作，且本排架墩可更换耗能节点日常使用约束加强构造在实际使用中由于较大变形断裂的特点，还可用于快速检测可更换节点是否合理，刚度是否足够，让其在施工过程或长期使用阶段具有健康监测的部分特点，以便根据情况快速调整施工方案。 [0038] 作为一种优选的方式，刚性连接件4为刚性直杆，刚性连接件4均与墩柱1的长度方向平行，刚性连接件4的顶端与底端分别与两组钢板3固定连接，采用上述技术方案，通过将刚性连接件4与墩柱1长度方向平行设置的方式，在地震发生后可更少的触发刚性连接件4的抗拉性能，让该构造迅速发生断裂，避免影响到可更换构造的耗能能力。 [0039] 作为一种优选的方式，刚性连接件4中部的直径小于两端的直径，采用上述技术方案，在满足日常使用的前提下，在刚性连接件4中部进行局部截面削弱，有助于触发地震释放约束机制。 [0040] 作为一种优选的方式，刚性连接件4采用HPB235/HPB300/HRB335钢筋或钢丝，采用上述技术方案，一方面，需要的材料在工地上便于取材，在非特殊状况下，不会产生大量额外费用，另一方面，钢筋或钢丝的抗剪能力明显低于抗拉能力，当地震发生后，节点部位发生大变形，更容易发生发生断裂。 [0041] 作为一种优选的方式，刚性连接件4包括多个第一刚性连接件41和多个第二刚性连接件42，第一刚性连接件41均匀设于墩柱1与系梁2之间的两侧，第二刚性连接件42分别均匀设于墩柱1与系梁2之间的中部，所述相邻第一刚性连接件41之间的间距S1大于相邻第二刚性连接件42之间的间距S2，第一刚性连接件41和第二刚性连接件42为结构相同的构件，采用上述技术方案，能够在日常使用中为可更换耗能节点提供一定的局部强度，而在地震发生后，位于两侧的第一刚性连接件41支撑强度较小，能够先快速发生断裂，然后位于中部的第二刚性连接件42承受更强的剪应力而发生断裂，既能够增强排架墩结构日常使用过程中的局部刚度，还能够进一步避免影响到可更换节点的耗能能力。 [0042] 作为一种优选的方式，相邻第一刚性连接件41之间的间距S1、相邻第二刚性连接件42之间的间距S2以及第一刚性连接件41和第二刚性连接件42的直径d1的确定方法如下： [0043] S1：计算所述系梁2换算为混凝土材质的截面面积As1，As1＝1+αE1Ac，其中αE1＝Es1/Ec； [0044] 其中，Es1为系梁2的系梁纵筋21的弹性模量； [0045] Ec为系梁2的系梁混凝土22的弹性模量； [0046] Ac为系梁2的系梁混凝土22的截面面积； [0047] 计算所述钢板3换算为混凝土材质的截面面积As2，As2＝1+αE2Ac，其中αE2＝Es2/Ec； [0048] Es2为钢板3的弹性模量； [0049] S2：比较As1与As2的大小； [0050] S3：初步选取所述第一刚性连接件41的间距s1、第二刚性连接件42的间距s2： [0051] 当As2≥As1时，s1＝s3，s2＝s4，其中，s3为所述系梁箍筋23的间距，s4为加密筋24的间距； [0052] 当As2＜As1时，s1＝s3/α，s2＝s4/α，其中α＝As1/As2； [0053] S4：初步选取第一刚性连接件41和第二刚性连接件42的直径d1≈0.5d2，其中，d2为系梁箍筋23的直径； [0054] S5：将初步选取的s1、s2和d1代入有限元分析模拟，确定s1、s2和d1的最终值； [0055] 采用上述技术方案，能够获得较优的相邻第一刚性连接件41之间的间距S1、相邻第二刚性连接件42之间的间距S2以及第一刚性连接件41和第二刚性连接件42的直径d1的数据，最大程度地平衡节点强度和耗能能力之间的关系，同时便于构造的设计，提高工程质量和建设效率。 [0056] 作为一种优选的方式，采用有限元分析模拟确定s1、s2和d1的最终值的方法包括以下步骤： [0057] S1:通过ANSYS，建立带有可更换耗能节点的排架桥墩模型，其中系梁纵筋21、系梁箍筋23和加密筋24采用桁架单元，墩柱1、系梁混凝土22和钢板3依据具体设计要求采用实体单元，并依据初步选取的s1、s2和d1的值拟定日常使用约束加强构造的形式； [0058] S2:将第一刚性连接件41和第二刚性连接件42通过MPC绑定与钢板3建立接触关系； [0059] S3:当模型不满足受力需求时，优先增加第一刚性连接件41和第二刚性连接件42的强度等级，第一刚性连接件41和第二刚性连接件42的强度等级最高不超过设计系梁箍筋23的强度；其次增加第一刚性连接件41和第二刚性连接件42的直径d1，第一刚性连接件41和第二刚性连接件42的直径最大不超过系梁箍筋23的直径，最后依次减少相邻第一刚性连接件41的间距s1和相邻第二刚性连接件42的间距s2，直至满足使用需求； [0060] MPC方法是指利用接触单元和技术，由ANSYS根据接触运动自动建立约束方程，采用上述技术方案，优先选取强度较低的第一刚性连接件41和第二刚性连接件42，能够在满足正常使用的基础上，更容易在大震作用下释放约束，同时节省开支。 [0061] 在本发明的描述中，需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 |
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