無支座自復位的抗震、減震現澆橋梁的制作方法

本發明屬于橋梁技術領域。特別涉及一種現澆橋梁的抗震、減震技術。

背景技術：

目前國內外橋梁抗震橋梁設計方法主要分為橋梁延性設計和減隔震設計。

延性抗震設計是通過增加構件延性，使其具有足夠塑性變形能力，在強震作用下能夠產生塑性鉸，通過彈塑性變形來實現耗散地震能量。延性抗震設計中，往往將預期出現塑性鉸區域(通常在鋼筋混凝土橋墩中)通過配置箍筋確保其為延性構件，而其余部位按照能力保護構件進行設計。

橋梁減隔震設計按照抗震機理不同分為減震設計和隔震設計，減震設計是人為在結構的某些部位設置阻尼器或耗能構件,改變結構的動力性能,耗散結構吸收的地震能量,從而降低結構的地震反應。隔震則是指通過延長結構的自振周期避開地震卓越周期或減小地震能量輸入,以此降低結構地震反應。在常規橋梁抗震設計中往往通過減隔震支座來實現，在強震作用下通過柔性支乘延長結構周期，并通過設置阻尼裝置耗散地震能量限制結構位移。

對于北京等高烈度抗震設防地區，為了滿足橋梁抗震需求，延性抗震設計和減隔震設計均有所應用，但均存在一定的局限性。減隔震設計體系中，上部結構位移量均較大，需相應設置阻尼或限位裝置。同時如疊層鋼板橡膠類減隔震支座(普通疊層橡膠支座、鉛芯橡膠支座以及高阻尼橡膠支座等)設計使用年限遠低于橋梁工程的設計使用壽命，會顯著增加橋梁建設成本；而現行規范中基于延性設計的抗震工程設計方法以及傳統的延性結構形式，僅能保證結構物在設計地震中不發生倒塌，在設計中更關注“大震不倒”，缺乏對震后結構性能的考慮，難以確保震后“救援生命線”的暢通。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種無支座自復位的抗震、減震現澆橋梁，以解決在地震中，限制橋梁上部結構位移，避免落梁風險；同時減少結構震害、減輕結構損傷程度，確保大震震后橋梁結構性能，使震后橋梁能夠快速修復等技術問題。

為了實現上述發明目的，本發明所采用的技術方案如下：

無支座自復位的抗震、減震現澆橋梁，每個墩柱主要由與上、下部結構分離的雙界面搖擺墩1、可更換耗能裝置2、無粘結預應力鋼索3和抗剪裝置4組成；

所述雙界面搖擺墩1，主要包括：在橋墩底設置可作為墩柱混凝土外模板的墩底鋼板5、6、7、在承臺頂面設置與承臺9采用地腳螺栓11形成有效連接的承臺預埋鋼板8；所述墩底鋼板5、6是一個變徑的結構，其套置在為墩底耗能裝置的安裝預留空間的變徑階梯墩柱底部，在墩底鋼板底端固定有增加墩底局部受力面積的鋼板7，該增加墩底局部受力面積的鋼板3與承臺預埋鋼板8采用間斷定位焊的方式定位；另有一組限制搖擺墩柱出現扭轉錯動的承臺加勁板10，設置于承臺頂預埋鋼板8之上，與承臺頂預埋鋼板8貼角焊，并與墩底鋼板6的底部周邊相互頂緊。在混凝土墩柱14頂部設置對墩頂混凝土形成套箍效應的鋼板箍13和擴散混凝土局部應力的環形鋼板12；

所述可更換耗能裝置，主要包括墩柱預埋鋼筋18、承臺預埋鋼筋19、耗能鋼筋20、防屈曲鋼套筒21、鋼筋連接套筒22、23和釋放位移墊片24；所述墩柱預埋鋼筋18位于墩柱混凝土14中，其下端由墩柱底部的變徑階梯結構的下平面引出，并通過設置有外螺紋的下端部與第一鋼筋連接套筒22的相應內螺紋連接；所述承臺預埋鋼筋19位于承臺混凝土9中，其上端由承臺頂部引出，并通過設置有外螺紋的上端部與第二鋼筋連接套筒23的相應內螺紋連接；所述耗能鋼筋20置于防屈曲鋼套筒21中，其兩端設置有外螺紋，分別與所述第一、二鋼筋連接套筒22、23內螺紋連接，與墩柱預埋鋼筋18、承臺預埋鋼筋19間設置釋放位移墊片24，并將墊片頂緊；所述耗能鋼筋20主體采用鋼棒，兩端設置較中部鋼棒直徑大的連接端頭，其上車制螺紋；所述防彎曲鋼套筒21設置在鋼棒的中部位置，起到防屈曲作用；

所述無粘結預應力鋼索，主要包括：無粘結預應力鋼索28、固定端錨具29、張拉端錨具30和磁通量傳感器31；在主梁梁頂設置固定端錨具29，在承臺底板設置張拉端錨具30，無粘結預應力鋼索28采用單端張拉；在張拉端錨具側預埋有磁通量傳感器31；在承臺9底設置有檢修井32；

所述抗剪裝置，主要包括抗剪錨栓33、錨筋34和鋼板箍36；所述抗剪錨栓33在澆注承臺9時，垂直設置在承臺9中央，外露在承臺頂預埋鋼板35中，預留相應錨栓孔頂面一定距離；所述抗剪錨栓33位于承臺部分內，在澆注承臺時，固定連接有錨筋36；所述鋼板箍36在澆注墩柱14時，被置于墩柱底部對應抗剪錨栓位置處，鋼板箍36罩住抗剪錨栓33并相互預留縫隙，鋼板箍36下側與承臺預埋鋼板35采用定位間斷焊的連接結構；

在搖擺墩的墩柱底設置低標號混凝土二次澆注區域15，在搖擺墩柱和上部結構均完成施工后，在墩底預埋鋼板和可更換耗能裝置外側澆注低標號混凝土15，混凝土表面設置φ16分布鋼筋網，并涂刷混凝土保護劑16和聚硫密封膏17。

所述耗能鋼筋20外包裹土工布25和厚外纏聚乙烯膠帶26，再將防屈曲套筒21固定在耗能鋼筋中部，防屈曲套筒內填充環氧砂漿27。

無粘結預應力鋼索采用環氧噴涂無粘結鋼絞線纏包后外擠pe套管，張拉端錨具30采用可二次張拉錨具，后期可通過在檢修井32中完成對鋼束的補張拉。

在墩頂相應位置設置所述的抗剪裝置，并在主梁內設置鋼板箍38。

本發明的優點如下：

與傳統的延性抗震設計相比，無支座自復位橋梁避免了墩底出現塑性鉸，降低了震后結構的損傷度，可有效縮短震后修復時間；與傳統的減隔震設計相比，減小了主梁上部結構的位移量，可確實有效的避免墩柱出現落梁破壞，確保上部結構安全。

因此，無支座自復位橋梁體系減小了地震作用下橋梁結構的位移，降低了地震對橋梁結構的損傷，避免了上部結構出現落梁破壞，且橋梁具有自復位功能，保證了地震下橋梁安全及震后救災通道的暢通；由于取消了墩頂支座設置，減小了橋梁后期養護工作。與現行的抗震結構設計體系相比均有較大優勢。與現有抗震橋梁設計相比無明顯增加投資，具有廣泛的社會效益。為提升橋梁抗震設計技術具有重要意義。

附圖說明

圖1是本發明的正常使用狀態示意圖。

圖2是本發明的地震狀態示意圖。

圖3-1是本發明的橋梁墩柱布置主視圖。

圖3-2是本發明的橋梁墩柱布置側視圖。

圖4是本發明的雙界面搖擺墩構造圖。

圖5是本發明的雙界面搖擺墩局部防腐構造圖。

圖6是本發明的耗能鋼筋成橋狀態示意圖。

圖7是本發明的耗能鋼筋施工狀態示意圖。

圖8是本發明的耗能鋼筋結構示意圖。

圖9是本發明的耗能鋼筋保護層示意圖。

圖10是本發明的無粘結預應力鋼索結構圖。

圖11-1是本發明的墩頂、墩底抗剪裝置示意圖。

圖11-2是圖11-1的放大圖。

圖12是本發明的墩柱力-位移曲線。

具體實施方式

本發明的具體結構參見附圖。對于北京等高烈度抗震設防地區，為了滿足橋梁抗震需求，延性抗震設計和減隔震設計均有所應用，但均存在一定的局限性。減隔震設計體系中，上部結構位移量均較大，需相應設置阻尼或限位裝置。同時如疊層鋼板橡膠類減隔震支座(普通疊層橡膠支座、鉛芯橡膠支座以及高阻尼橡膠支座等)設計使用年限遠低于橋梁工程的設計使用壽命，會顯著增加橋梁建設成本；而現行規范中基于延性設計的抗震工程設計方法以及傳統的延性結構形式，僅能保證結構物在設計地震中不發生倒塌，在設計中更關注“大震不倒”，缺乏對震后結構性能的考慮，難以確保震后“救援生命線”的暢通。

本發明為針對城市橋梁中最為常見的現澆連續箱梁開發出的新型抗震、減震結構體系。主要設計理念是將所有中墩墩柱均設計為無支座自復位橋墩，在地震作用下，多個無支座自復位橋墩共同作用，通過橋梁雙界面搖擺墩1搖擺轉換地震動能量，局部附加耗能裝置2耗散地震能量，震后橋梁在現澆箱梁上部結構自重和無粘結預應力鋼索3作用下能夠自復位，并在墩底和墩頂設置抗剪裝置4以確保結構安全，本發明可有效避免常規延性設計中墩柱產生塑性鉸，及產生較大不可恢復的殘余變形，抗震原理如圖1和圖2所示(實際搖擺位移量較小)。

本發明所述無支座自復位橋梁具體構造如圖3-1、3-2所示，每個墩柱主要由與上、下部結構分離的雙界面搖擺墩1、可更換耗能裝置2、無粘結預應力鋼索3和抗剪裝置4組成，具體各部分構造形式如下所示：

1)雙界面搖擺墩

無支座自復位橋梁雙界面搖擺墩包括：混凝土墩柱和在墩柱墩底、墩頂、承臺頂面處設置的局部構造措施，如圖4所示。在橋墩底設置墩底鋼板5、6、7，其可作為墩柱混凝土外模板；在承臺頂面設置承臺預埋鋼板8，其與承臺9采用地腳螺栓11形成有效連接；墩底鋼板5、7、8采用焊接方式連為一體，其中設置鋼板5和鋼板6形成變徑階梯墩柱，可為墩底耗能裝置的安裝預留空間，同時可在墩柱澆筑中作為墩柱混凝土外模板；在墩底鋼板底端固定有增加墩底局部受力面積的鋼板8，該增加墩底局部受力面積的鋼板7與承臺預埋鋼板8采用間斷定位焊的方式定位，一方面確保墩柱在地震來臨時可有效實現搖擺，另一方面通過設置鋼板7增加墩底局部受力面積，避免出現墩底局壓破壞。另有一組限制搖擺墩柱出現扭轉錯動的承臺加勁板10，設置于承臺頂預埋鋼板之上，與承臺頂預埋鋼板8貼角焊，并與墩底鋼板6的底部周邊相互頂緊。在混凝土墩柱14頂部設置鋼板12和鋼板13，對墩頂混凝土形成套箍效應，增強雙界面搖擺墩墩頂混凝土局部抗壓承載能力。

為了確保雙界面搖擺墩柱局部構造(鋼板)與耗能裝置的耐久性，在墩底區域進行特殊耐久性構造設計，如圖5所示。在墩柱底設置低標號混凝土二次澆注區域15，在搖擺墩柱和上部結構均完成施工后，在墩底預埋鋼板和耗能裝置外側澆注低標號混凝土15，混凝土表面設置φ16分布鋼筋網，并涂刷混凝土保護劑16和聚硫密封膏17；在正常使用階段內，確保耗能裝置、墩底預埋鋼板等構件的密封性，低標號混凝土起到保護層作用；強震來臨時，確保低標號混凝土二次澆注區域不會限制墩柱搖擺，使搖擺墩柱可完成無支座自復位抗震、減震體系中的設計要求。

2)可更換耗能裝置

無支座自復位橋梁可更換耗能裝置如圖6所示，包括耗能鋼筋20、墩柱預埋鋼筋18、承臺預埋鋼筋19、鋼筋連接套筒22、23、防屈曲鋼套筒21和和釋放位移墊片24。所述墩柱預埋鋼筋18位于墩柱混凝土14，其下端由墩柱底部的變徑階梯結構的下平面引出，并通過設置有外螺紋的下端部與第一鋼筋連接套筒22的相應內螺紋連接。所述承臺預埋鋼筋位于承臺混凝土9中，其上端由承臺頂部引出，并通過設置有外螺紋的上端部與第二鋼筋連接套筒23的相應內螺紋連接。所述耗能鋼筋20置于防屈曲鋼套筒21中，其兩端設置有外螺紋，分別與所述第一、二鋼筋連接套筒22、23內螺紋連接，耗能鋼筋20與墩柱預埋鋼筋18、承臺預埋鋼筋19間設置釋放位移墊片24，并將墊片頂緊；

所述耗能鋼筋20主體采用鋼棒，兩端設置較中部鋼棒直徑大的連接端頭，其上車制螺紋；所述防彎曲鋼套筒21被固定在鋼棒的中部位置。

可更換耗能裝置成橋狀態如圖6所示，耗能鋼筋20與墩柱預埋鋼筋18和承臺預埋鋼筋19間均通過鋼筋連接套筒22、23連接。在墩柱預埋鋼筋18、耗能鋼筋20和承臺預埋鋼筋19中均設置有外螺紋，連接套筒22、23中設置有相應內螺紋，成橋時需將耗能鋼筋在鋼筋連接套筒中頂緊，確保連接套筒范圍內不會出現局部屈曲破壞。耗能鋼筋施工安裝狀態如圖7所示，先將鋼筋連接套筒22、23完全退入墩柱預埋鋼筋18(承臺預埋鋼筋19)范圍內，墊入釋放位移墊片24，待耗能鋼筋20定位完成后再將鋼筋連接套筒22、23擰下，并確保耗能鋼筋20通過連接套筒22、23將釋放位移墊片24頂緊。

耗能鋼筋20具體構造如圖8所示，耗能鋼筋20由35#圓鋼車制而成，耗能鋼筋主體采用較細直徑鋼棒，兩端設置較粗直徑鋼棒連接端頭，其上車制螺紋，確保能與鋼筋連接套筒形成有效連接。

耗能鋼筋20與防屈曲鋼套筒21間構造如圖9所示，耗能鋼筋20在較細鋼棒直徑范圍內外纏土工布25和厚聚乙烯膠帶26。并在外設置防屈曲鋼套筒21，套筒21與耗能鋼筋20間灌注環氧砂漿27填充，橫斷面構造如圖10所示。設置防屈曲鋼套筒21可有效避免耗能鋼筋20在滯回過程中出現屈曲破壞，而外包土工布25和聚乙烯膠帶26可有效確保鋼筋與環氧砂漿27間實現無粘結，確保能夠實現滯回耗能。

3)無粘結預應力鋼索

無支座自復位橋梁無粘結預應力鋼索主要包括：無粘結預應力鋼索28、固定端錨具29、張拉端錨具30、實時監控措施31和承臺底檢修井32，如圖10所示。無粘結預應力鋼索采用環氧噴涂無粘結鋼絞線纏包后外擠pe套管，以使其滿足橋梁耐久性要求。同時，在主梁梁頂設置固定端錨具29，在承臺底板設置張拉端錨具30，鋼束采用單端張拉。在張拉端錨具側預埋有磁通量傳感器31，以便于實時監控。張拉端錨具采用可二次張拉型錨具，以便于后期在承臺底檢修井32處對預應力鋼索進行補張拉和整體更換，以確保該結構體系能滿足橋梁結構100年設計使用年限的要求。

4)抗剪裝置

無支座自復位橋梁墩柱抗剪裝置如圖11-1、11-2所示，包括抗剪錨栓33、錨筋34和鋼板箍38；所述抗剪錨栓33在澆注承臺9時，垂直設置在承臺9中央，外露在承臺頂預埋鋼板35中預留相應錨栓孔頂面一定距離。所述抗剪錨栓33位于承臺部分內，在澆注承臺9時，固定連接有錨筋36。所述鋼板箍36在澆注墩柱14時，被置于墩柱底部對應抗剪錨栓位置處，鋼板箍368罩住抗剪錨栓33并相互預留縫隙，鋼板箍36下側與承臺預埋鋼板35定位焊接。在墩頂相應位置可設置類似裝置，并在主梁內設置鋼板箍36。

所述的無支座自復位橋梁墩柱抗剪裝置，墩柱底鋼板箍36與抗剪錨栓33間預留縫隙，且承臺頂預埋鋼板35與鋼板箍36采用定位間斷焊的連接結構。

無支座自復位橋梁分別依據規范滿足承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下墩柱的受力性能：

1)承載能力極限狀態

在持久設計狀況和短暫設計狀況下，結構滿足規范規定的強度設計要求；

在地震組合下，進行兩階段設計，e1地震作用下，橋梁墩底耗能裝置不屈服；e2地震作用下，自復位墩柱、無粘結預應力鋼索滿足能力保護構件設計要求，耗能裝置可以達到屈服狀態，但不出現斷裂破壞。

2)正常使用極限狀態

在頻遇組合和準永久組合下，結構設計滿足應力、裂縫和變形要求。

根據某高速公路工程橋梁結構特點，選取具有代表性的一聯4*30m預應力混凝土箱梁作為研究對象，按照設計目標對自復位橋梁進行墩柱配筋設計，其中耗能裝置設計主要考慮墩柱e2地震作用下的位移量和震后的殘余位移；預應力鋼絲設計主要考慮墩柱正常使用狀態下處于不消壓狀態和地震力作用下預應力鋼絲屈服點距離耗能裝置極限點較近；根據上述設計，墩柱在pushover分析中的力-位移曲線如圖12所示。

在圖12中，縱坐標是墩底測向反力(kn)，上橫坐標是墩頂側向漂移率(﹪)，下橫坐標是墩頂側向位移，曲線為能力曲線，曲線的初始段為e1地震力，曲線的中段為e2地震力，a、b是搖擺界面消壓、c是預應力束屈服，d是耗能鋼筋極限。