一种高速铁路桥梁地震损伤控制体系

摘要

本发明公开了一种高速铁路桥梁地震损伤控制体系，包括：由高延性水泥基复合材料(ECC)－钢板组成的预制壳壁，壳壁内浇筑混凝土，组成桥墩，且桥墩中配置竖向无粘结预应力筋。桥墩顶部通过2个活动支座与上部主梁连结，且桥墩顶部与主梁间设置形状记忆合金(SMA)螺旋弹簧。SMA螺旋弹簧分别与钢套筒、方钢棒相连。钢套筒上部嵌入主梁底部，方钢棒下部嵌入桥墩顶部。预制壳壁将成为桥墩内部混凝土施工的模板，提供桥墩的抗剪强度和延性耗能能力；并减少在地震下的开裂破坏；无粘结预应力筋将减少桥墩残余位移。SMA螺旋弹簧将提供列车正常运行下的水平刚度，并提供大震下的耗能和主梁的自复位能力。活动支座将提供竖向刚度和承载力。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程中的桥梁结构体系，特别涉及采用预制壳壁和SMA螺旋弹簧的高速铁路桥梁体系。

背景技术

目前，我国高速铁路建设快速开展，势必引起人们对此类重大交通工程抗震安全的极大关注。桥墩和主梁是桥梁结构的主要承重构件，桥墩和主梁的抗震安全是高速铁路桥梁抗震安全的保障。

对此类重大交通工程的抗震问题而言，传统的桥梁延性抗震设计理论已无法满足其抗震要求。主要原因在于：(1)为保证高速铁路的行车要求，桥墩的侧向刚度必须很大，这就造成其截面大，纵筋配筋率低，箍筋难以有效约束核心混凝土，难以形成塑性铰并消耗地震能量；(2)大量高速铁路桥梁跨越江河湖海等恶劣环境，腐蚀性强，耐久性问题突出，对桥墩震后混凝土的开裂破坏必须进行严格限制；(3)为保证高速铁路轨道的平顺和高速列车行车安全，必须对桥墩及主梁的震后残余变形进行严格限制；(4)高速铁路为重大交通工程，一旦震后停止通行，将造成巨大的经济损失和社会影响，因此桥梁损伤破坏的震后检查、修复必须快速完成，这就要求对桥墩混凝土开裂等损伤进行严格控制。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提出一种高速铁路桥梁地震损伤控制体系。由ECC-钢板预制壳壁作为桥墩内部混凝土施工的模板，并在桥墩中配置竖向无粘结预应力筋。ECC-钢板预制壳壁将增加桥墩的延性和耗能能力，并抑制震后桥墩的开裂破坏，无粘结预应力筋将减小桥墩的震后残余位移，实现桥墩的地震损伤控制设计。高速铁路桥梁地震损伤控制体系将在桥墩与主梁间设置SMA螺旋弹簧，利用SMA螺旋弹簧的自复位能力限制主梁的震后残余变形。上述技术措施将充分保证高速铁路桥梁的抗震安全，在重大交通工程建设中具有广泛应用前景。

为达到以上目的，通过以下技术方案实现的：

一种高速铁路桥梁地震损伤控制体系，其特征在于：包括，桥墩基础，由ECC和钢板组成的预制壳壁。预制壳壁内部布置纵筋并浇筑混凝土，沿桥墩竖向设置无粘结预应力筋。桥墩顶部设置2个活动支座与主梁相连。且桥墩顶部与主梁间设置4个SMA螺旋弹簧。

由ECC和钢板组成的预制壳壁沿墩高分段设置，通过接缝连结。接缝为齿状，便于上下段预制壳壁的咬合。

无粘结预应力筋沿竖向穿过桥墩，底部锚固于基础中，顶部锚固于桥墩上部。

钢板内外两侧焊接栓钉，保证钢板与ECC的协同工作，且钢板内侧的栓钉深入内部的混凝土中，以充分保证预制壳壁与内部钢筋混凝土的协同工作。

SMA螺旋弹簧分别与钢套筒、方钢棒相连。钢套筒上部嵌入主梁底部，方钢棒下部通过预埋钢板和锚固钢筋嵌入桥墩顶部。

ECC是一种由水泥、砂、粉煤灰，外掺PVA纤维制成的高延性水泥基复合材料。ECC-钢板预制壳壁可工厂预制，现场通过接缝相连，并作为内部混凝土浇筑时的模板。

上部主梁实际是通过4个SMA螺旋弹簧与下部桥墩相连，SMA螺旋弹簧(11)由镍钛形状记忆合金制作而成，4个SMA螺旋弹簧均在水平方向布置。其中2个沿纵桥向，另2个沿横桥向布置。SMA螺旋弹簧仅承受水平力，竖向不受力。

采用上述技术方案的本发明：

1.ECC-钢板预制壳壁将极大增加桥墩的抗剪强度和延性抗震能力，提高桥墩大震后的抗倒塌能力。

2.由于ECC特殊的抗开裂能力，ECC-钢板预制壳壁将抑制桥墩地震后的开裂破坏，提高桥墩耐腐蚀能力和长寿命抗震安全。

3.ECC-钢板预制壳壁可工厂预制，且现场作为内部混凝土浇筑时的模板，减少了施工工序，便于加快施工进度。

4.桥墩内部的无粘结预应力筋将较少其震后残余位移，保证高速列车的震后行车安全和高速铁路桥梁的震后可修复性。

5.主梁与桥墩间的SMA螺旋弹簧将提供列车正常运行所需的刚度，大震后SMA螺旋弹簧可自动复位，大大减轻主梁的震后残余变形，且SMA螺旋弹簧可消耗地震能量。

6.主梁与桥墩间的活动支座仅提供竖向承载力和刚度，水平向刚度和强度由SMA螺旋弹簧提供，并依靠SMA螺旋弹簧实现主梁的震后自动复位和耗能能力。实现了高速铁路桥梁“功能分离”的抗震设计理论。

7.在桥墩的受力机理上，由于钢板与桥墩下部承台间预留空隙，且ECC-钢板预制壳壁沿墩高分段，因此ECC-钢板预制壳壁不提供抗弯强度；桥墩抗弯能力主要由预制壳壁内部的钢筋混凝土提供。

与传统高速铁路桥梁相比，本发明具有6个突出优点，其一是ECC-钢板预制壳壁将极大减少桥墩的开裂破坏，提高桥墩的耐腐蚀能力和长寿命抗震安全；其二，ECC-钢板预制壳壁将提高桥墩的抗剪强度和延性耗能能力，提高了桥墩的抗倒塌能力；其三，ECC-钢板预制壳壁可工厂预制，并作为内部混凝土现场施工的模板，可减少施工工序，加快施工进度；其四，无粘结预应力筋将减少桥墩震后的残余变形，保证高速列车的行车安全，并增加了桥墩的震后可修复性；其五，SMA螺旋弹簧的自复位能力将极大减少主梁的震后残余变形，保证高速列车轨道的平顺性；其六，SMA螺旋弹簧与活动支座实现了高速铁路桥梁基于“功能分离”的抗震设计理念。正常情况下，活动支座提供竖向强度和刚度，SMA螺旋弹簧提供水平向强度和刚度。且大震下SMA螺旋弹簧提供耗能能力和自复位能力。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

本发明共5幅附图,其中：

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为高速铁路桥墩截面示意图。

图3为桥墩与主梁连接部位详图。

图4为4个水平向布置的SMA螺旋弹簧详图。

图中：1、桥墩基础，2、ECC，3、钢板，4、栓钉，5、纵筋，6、混凝土，7、无粘结预应力筋，8、接缝，9、活动支座，10、主梁，11、SMA螺旋弹簧，12、钢套筒，13、方钢棒，14、预埋钢板，15、锚固钢筋。

具体实施方式

如图1至图4所示的一种高速铁路桥梁地震损伤控制体系，包括：包括，桥墩基础，由ECC和钢板组成的预制壳壁。预制壳壁内部布置纵筋并浇筑混凝土，沿桥墩竖向设置无粘结预应力筋。桥墩顶部设置2个活动支座与主梁相连。且桥墩顶部与主梁间设置4个SMA螺旋弹簧。

由ECC和钢板组成的预制壳壁沿墩高分段设置，通过接缝连结。接缝为齿状，便于上下段预制壳壁的咬合。

无粘结预应力筋沿竖向穿过桥墩，底部锚固于基础中，顶部锚固于桥墩上部。

钢板内外两侧焊接栓钉，保证钢板与ECC的协同工作，且钢板内侧的栓钉深入内部的混凝土中，以充分保证预制壳壁与内部钢筋混凝土的协同工作。

SMA螺旋弹簧分别与钢套筒、方钢棒相连。钢套筒上部嵌入主梁底部，方钢棒下部通过预埋钢板和锚固钢筋嵌入桥墩顶部。

ECC是一种由水泥、砂、粉煤灰，外掺PVA纤维制成的高延性水泥基复合材料。ECC-钢板预制壳壁可工厂预制，现场通过接缝相连，并作为内部混凝土浇筑时的模板。

上部主梁实际是通过4个SMA螺旋弹簧与下部桥墩相连，SMA螺旋弹簧(11)由镍钛形状记忆合金制作而成，4个SMA螺旋弹簧均在水平方向布置。其中2个沿纵桥向，另2个沿横桥向布置。SMA螺旋弹簧仅承受水平力，竖向不受力。

采用上述技术方案的本发明：

1.ECC-钢板预制壳壁将极大增加桥墩的抗剪强度和延性抗震能力，提高桥墩大震后的抗倒塌能力。

2.由于ECC特殊的抗开裂能力，ECC-钢板预制壳壁将抑制桥墩地震后的开裂破坏，提高桥墩耐腐蚀能力和长寿命抗震安全。

3.ECC-钢板预制壳壁可工厂预制，且现场作为内部混凝土浇筑时的模板，减少了施工工序，便于加快施工进度。

4.桥墩内部的无粘结预应力筋将较少其震后残余位移，保证高速列车的震后行车安全和高速铁路桥梁的震后可修复性。

5.主梁与桥墩间的SMA螺旋弹簧将提供列车正常运行所需的刚度，大震后SMA螺旋弹簧可自动复位，大大减轻主梁的震后残余变形，且SMA螺旋弹簧可消耗地震能量。

6.主梁与桥墩间的活动支座仅提供竖向承载力和刚度，水平向刚度和强度由SMA螺旋弹簧提供，并依靠SMA螺旋弹簧实现主梁的震后自动复位和耗能能力。实现了高速铁路桥梁“功能分离”的抗震设计理论。

7.在桥墩的受力机理上，由于钢板与桥墩下部承台间预留空隙，且ECC-钢板预制壳壁沿墩高分段，因此ECC-钢板预制壳壁不提供抗弯强度；桥墩抗弯能力主要由预制壳壁内部的钢筋混凝土提供。

与传统高速铁路桥梁相比，本发明具有6个突出优点，其一是ECC-钢板预制壳壁将极大减少桥墩的开裂破坏，提高桥墩的耐腐蚀能力和长寿命抗震安全；其二，ECC-钢板预制壳壁将提高桥墩的抗剪强度和延性耗能能力，提高了桥墩的抗倒塌能力；其三，ECC-钢板预制壳壁可工厂预制，并作为内部混凝土现场施工的模板，可减少施工工序，加快施工进度；其四，无粘结预应力筋将较少桥墩震后的残余变形，保证高速列车的行车安全，并增加了桥墩的震后可修复性；其五，SMA螺旋弹簧的自复位能力将极大减少主梁的震后残余变形，保证高速列车轨道的平顺性；其六，SMA螺旋弹簧与活动支座实现了高速铁路桥梁基于“功能分离”的抗震设计理念。正常情况下，活动支座提供竖向强度和刚度，SMA螺旋弹簧提供水平向强度和刚度。且大震下SMA螺旋弹簧提供耗能能力和自复位能力。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上诉揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。