CN106320163B - 一种用于大跨度桥梁横向减震的弹塑性减震索 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于大跨度桥梁横向减震设计的弹塑性减震索，其拉索锚固采用冗余设计，在锚固区和有效索段之间增加了一个冗余索丝增强段。在锚固区和增强段内的索丝数量要大于有效索丝数量，冗余索丝在有效索段内截断，形成锚固区与增强段与有效索段之间的抗拉能力级差，进而避免潜在的薄弱与破坏环节发生在锚固区或增强段内。减震索可以在正常使用情况下提供足够的约束刚度和承载力，并在强震条件下具备足够的变形能力和耗能，能够显著提高强震区大跨度桥梁的抗震性能。

Description

一种用于大跨度桥梁横向减震的弹塑性减震索

技术领域

本发明属于桥梁工程结构减震技术领域，涉及一种用于大跨度桥梁横向减震的弹塑性减震索。

背景技术

大跨度桥梁属于重大交通基础工程，为减少震后次生灾害，保障交通生命线安全，其抗震安全性不容小视。随着我国西部资源开发战略以及“一带一路”国家战略的实施，在高烈度地震区域、活动断层区域建设大跨度桥梁已成为不可避免的现实需求。大量实践证明：采用适当的减、隔震设计是提高大跨度桥梁抗震性能的有效方法，通过在墩-梁、塔-梁等连接处设置适当的减、隔震措施，并容许一定的相对位移，可显著降低传递至下部结构的惯性力，实现结构地震内力与位移响应的相互平衡。

目前，常用的减、隔震装置可分为两类：一是速度相关型，如粘滞阻尼器等，原理是利用液体粘性提供的阻尼进行耗能，但不提供刚度，对静力条件下的结构边界约束基本没有影响，在动力条件下由于其内力响应上与结构响应存在相位差，因此也不会显着增大结构的受力；二是位移相关型，如钢阻尼支座、铅芯橡胶支座、高阻尼支座等，主要利用材料的屈服滞回性能来吸收能量，具备初始刚度和屈服力，当其屈服力大于正常使用状态下的最大内力响应而又小于地震下的内力响应，则既可提供正常使用条件下的约束行为，又能在地震条件下提供较大的屈后变形和耗能特性。

强震区大跨度桥梁在纵桥向一般采用漂浮体系设计，因其自身刚度可满足正常使用需求，减震装置多选用速度相关型粘滞型阻尼器，以提供必要的耗能，近20年来绝大多数的大跨度桥梁都是采用这种设计体系。但在横桥向，由于考虑风荷载等静力作用，塔-梁、墩-梁连接处需要提供强大的约束以满足正常使用要求，其中塔-梁处连接装置的承载力需求一般可达数百吨；而在地震作用下，当采用减、隔震设计时，将产生很大的形变需求，尤其是塔-梁间相对位移，一般可达十几厘米到几十厘米的量级。现有的位移相关型阻尼器中，应用最广泛的是钢阻尼器，但一般无法同时满足大承载力和大位移能力的要求，其低周疲劳寿命受材料和结构初始微缺陷影响显著，对使用环境和日常维护的要求也比较高；橡胶类的产品则竖向承载力一般较小，同时耐久性较差。因此，目前绝大多数大跨度桥梁的横向减、隔震设计都还是仅限于墩-梁之间，塔-梁之间都是采用侧向抗风支座的非减、隔震连接模式，这在很大程度上增加了桥塔的地震力需求和破坏风险。举世闻名的希腊里翁-安蒂里翁大桥，为克服强震作用在横桥向采用了横向粘滞阻尼器和牺牲装置组合的减震方式，但大吨位的牺牲装置(350吨)构造复杂、价格昂贵，此外，大吨位的牺牲装置发生断裂时对结构的冲击效应尚不明确。

弹性索是一种弹性限位连接装置，不提供耗能能力，在早期的大跨度桥梁纵桥向减震设计中有一定的应用。例如日本名港中央大桥在塔梁间设置了纵向钢铰线拉索来控制纵向位移。弹性索一般由高强度钢丝或钢绞线组成，因此可以很容易地提供较大的承载力；但其有效弹性位移则受索长控制，最大弹性变形一般为有效索长的0.8％，当需要较大的索变形时，需要的索长也较长。申请人在永宁黄河大桥设计中首次提出将弹性索与粘滞阻尼器组合用于大桥横向减震设计并已成功应用，其中弹性索采用成品斜拉索。但受横向桥宽的限制，其最大变形仅满足±26cm。为此，申请人提出弹塑性减震索的设计方案，使之兼具大承载力和大变形能力，同时还具备一定的耗能能力，进而大幅度提高减、隔震技术在高烈度地震地区大跨度桥梁中的适应性，为大跨度桥梁减、隔震设计提供新的解决方案。然而，目前的弹性索和成品斜拉索，其潜在受力薄弱环节均为锚头，并不能确保其具有稳定的塑性行为；其次，用于桥梁横向减震作用的斜拉索和一般的斜拉索在受力状态上存在很大的不同，其对连接构造例如转动等有更高的要求，客观上需要针对减震索的设计目的和使用要求研发新的产品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于强震条件下的大跨度桥梁横桥向减震的弹塑性减震索，其具有稳定的塑性性能，具有大承载力和大变形能力，适应索端大转角和低张拉力下的防松弛构造设计，具有优良的耐气候性和低维护要求。

为达到上述目的，本发明采用的解决方案是：提供一种用于大跨度桥梁横向减震的弹塑性减震索，其特征在于：包括锚固区(1)、冗余索丝增强段(2)和有效索段(3)，冗余索丝增强段(2)设置在锚固区(1)和有效索段(3)之间。在锚固区(1)和冗余索丝增强段(2)内增加冗余索丝(4)，使得锚固区(1)和冗余索丝增强段(2)内的索丝数量要大于有效索段(3)中的有效索丝(5)的数量，冗余索丝(4)在有效索段(3)内截断，形成锚固区(4)、冗余索丝增强段(2)与有效索段(3)之间的抗拉能力级差。

较佳地，减震索还包括压力环(6)，冗余索丝(4)和有效索丝(5)在压力环(6)内通过控制压力环(6)内的压力分布，实现有效索丝应力的渐次变化。

较佳地，锚固区(1)中具有穿心式球形铰支座(7)。

较佳地，减震索外还套有热挤压PE防护套(8)。

较佳地，减震索还包括U型支架(9)和索身保护套箍(10)。

本发明还提供了一种桥梁减震***：其包括如上所述的弹塑性减震索构成的减震索索对(11)和横向粘滞阻尼器(12)组成；减震索共有两对，每对减震索一端锚固于与所述桥梁的主梁(13)整体浇筑的锚固块(14)上，另一端锚固于另一侧的主塔塔柱(15)上，两对减震索呈对称布置，粘滞阻尼器(12)一端锚固于所述主梁(13)的梁底，另一端锚固于所述桥梁的主塔横梁(16)上。

较佳地，所述的弹塑性减震索用于所述主梁(13)与主塔、辅助墩或过渡墩之间。

较佳地，所述桥梁是斜拉桥、悬索桥、拱桥或大跨度的梁式桥。

本发明提出的弹塑性减震索，为强震区大跨度桥梁塔梁横桥向的减、隔震设计提供了更为简洁、经济、高效的解决方案，其有益效果如下：

1)弹塑性减震索兼具大承载力和大变形能力的优点，既能够提供充足的初始刚度以满足正常使用状态下的约束要求，同时在强震条件下还可提供较大的变形能力和一定的耗能能力；

2)弹塑性拉索的变形能力相比弹性索可提高至3倍以上，可以使之用于适应更大、更强的地震作用，也可以减少索长，因此对于各种桥宽以及地震作用强度具有更好的适应性；

3)弹塑性减震索具有与斜拉索相同的耐久性和低维护要求，且其材料强度利用率高，重量较轻，连接构造简单可靠，更换方便，因此也具有更好的经济性；

总之，本发明主要用于大跨度桥梁横桥向减震设计，尤其适用于高烈度地区，具备出色的强震适应性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为弹塑性减震索冗余索丝增强设计图。

图2为弹塑性减震索U型支架和索身保护套箍设计图。

图3为弹塑性减震索用于混凝土斜拉桥立面图。

图4为弹塑性减震索用于混凝土斜拉桥三视图(删除主梁)。

图中：1-锚固区，2-冗余索丝增强段，3-有效索段，4-冗余索丝，5-有效索丝，6-压力环，7-球形铰支座，8-PE防护套，9-U型支架，10-索身保护套箍，11-弹塑性减震索索对，12-横向粘滞阻尼器，13-主梁，14-锚固块，15-主塔塔柱，16-主塔横梁，17-钢支座，18-纵向粘滞阻尼器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的额具体实施方式做进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明的弹塑性减震索的拉索锚固采用冗余设计，在锚固区1和有效索段3之间增加了一个冗余索丝增强段2。在锚固区和增强段内的索丝数量要大于有效索丝数量，冗余索丝4在有效索段内截断，形成锚固区与增强段2与有效索段3之间的抗拉能力级差，进而避免潜在的薄弱与破坏环节发生在锚固区或增强段内。冗余索丝4和有效索丝5在压力环6内通过控制压力环6内的压力分布，实现有效索丝应力的渐次变化，进而避免有效索段内高强钢丝的应力集中和脆断，使得钢丝的塑性性能得到充分的发挥，进而获得稳定的塑性性能。

试验表明：按上述方案设计的拉索的最大应变可达2.5％，由此可见，弹塑性拉索的变形能力相比弹性索可提高至3倍以上，结合拉索的大承载力特点，可使其兼具大承载力和大变形能力的特点，对强地震作用有更好的适应性。

如前所述，减震索在横桥向上布置时，索长会受到桥宽的限制。对于纵向上的漂浮体系设计，减震索还必须能适应主梁受温度、地震影响产生的纵向位移，这使得减震索的索端转角将远大于一般的斜拉索。本发明在索端锚固处采用了穿心式球形铰支座7的设计方案。此外，由于减震索在正常使用状态下的应力水平并不高，为防止发生应力松弛或者太大的垂度，还设计了U型支架9和索身保护套箍10。

减震索的防护采用与斜拉索相同的热挤压PE防护套8，因此可具有与斜拉索相同的耐气候性和低维护性，这相比粘滞阻尼器、钢阻尼器以及橡胶类减震产品将有很大的提高。

如图3和4所示，某混凝土斜拉桥塔梁之间采用了横向减震设计，采用的减震***由弹塑性减震索索对11(成对布置)和横向粘滞阻尼器12组成。减震索共有两对，每条减震索一端锚固于与主梁13整体浇筑的锚固块14上，另一端锚固于另一侧的主塔塔柱15上，两条减震索呈对称布置。粘滞阻尼器12一端锚固于主梁13的梁底，另一端锚固于主塔横梁16上。从图4可看出，减震索索对11和横向粘滞阻尼器12与钢支座17和纵向粘滞阻尼器18在空间布局上协调一致，互不冲突。

作为本发明实施例的一种变换，主塔参数(外形、截面尺寸等)、弹塑性减震索的布置位置均可根据需要进行设计调整。

作为本发明实施例的一种变换，弹塑性减震索可以用于主梁与主塔之间，也可以应用于主梁与辅助墩、过渡墩之间。

作为本发明实施例的又一种变换，桥梁结构可以属于斜拉桥、悬索桥、拱桥，也可以是大跨度(50m及以上单跨跨径)的梁式桥。

上述对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，因此，本发明的保护范围不仅仅局限于上述实施例，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的各种修改和改进，只要结构包含弹塑性减震索的减震形式，都应视为落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于大跨度桥梁横向减震的弹塑性减震索，其特征在于：包括锚固区（1）、冗余索丝增强段（2）和有效索段（3），冗余索丝增强段（2）设置在锚固区（1）和有效索段（3）之间；在锚固区（1）和冗余索丝增强段（2）内增加冗余索丝（4），使得锚固区（1）和冗余索丝增强段（2）内的索丝数量要大于有效索段（3）中的有效索丝（5）的数量，冗余索丝（4）在有效索段（3）内截断，形成锚固区（1）、冗余索丝增强段（2）与有效索段（3）之间的抗拉能力级差；所述减震索还包括U型支架（9）和索身保护套箍（10）。

2.根据权利要求1所述的弹塑性减震索，其特征在于：还包括压力环（6），所述冗余索丝（4）和有效索丝（5）在压力环（6）内通过控制压力环（6）内的压力分布，实现有效索丝应力的渐次变化。

3.根据权利要求2所述的弹塑性减震索，其特征在于：锚固区（1）中具有穿心式球形铰支座（7）。

4.根据权利要求3所述的弹塑性减震索，其特征在于：所述减震索外还套有热挤压PE防护套（8）。