一种具有钢弹簧的碰撞滑动耗能型桥梁抗震挡块结构

摘要

本发明属于桥梁抗震技术领域，具体涉及一种具有钢弹簧的碰撞滑动耗能型桥梁抗震挡块结构，包括钢牛腿和挡块结构，所述钢牛腿固定在活动支座附近的桥墩顶部的侧面，所述挡块结构固定在钢牛腿顶部和主梁底部。所述挡块结构包括钢底板、滑动凹槽、钢弹簧、碰撞块、耗能型低屈服点钢板和双半球型滑块。本发明桥梁抗震挡块结构依靠碰撞、滑动以及耗能型低屈服点钢板的塑性变形消耗地震能量，能有效限制梁体和桥墩之间的较大位移，防止梁体发生顺桥向落梁危害，减小活动支座和伸缩缝的损坏，同时该抗震挡块结构布置在每一活动支座附近，碰撞位置分散，数量多，能有效减小作用在每一挡块结构上的地震力。

说明书

技术领域

本发明属于桥梁抗震技术领域，具体涉及一种具有钢弹簧的碰撞滑动耗能型桥梁抗震挡块结构及布置方法。

背景技术

为了提高公路的运输效率，保护公路沿线的生态环境，节省土地资源，以桥代路的思想将会引领未来的基础设施建设。当地震到来时，首先是人们的生命财产安全受到巨大威胁，另一方面是地震对震区的桥梁工程造成了严重的破坏，切断了地震受灾区的对外交通，造成孤岛效应，给震后的救灾工作造成了巨大困难，导致了后续的次生灾害，间接的经济损失更加严重。

因此开展桥梁抗震、减震技术的研究工作，对于提高其抗震能力，特别是抗大震的能力，提高整个国家对地震等大自然灾害的抵御能力具有至关重要的现实意义和理论价值。在过去几十年里发生的大地震中，桥梁的震害形式主要包括：支座损坏；梁式桥的上部梁体位移如果超出了桥墩的支撑面，则会引起落梁震害（含横桥向和顺桥向）；上部梁体发生落梁时如果撞击桥墩，引起下部结构很大的碰撞破坏；伸缩缝处相邻梁体碰撞引起的局部损坏；伸缩缝处相对较大的碰撞力还会把该处的碰撞力效应，传到桥墩底部，引起桥墩底部的损坏；桥梁抗震挡块自身的局部损坏，从而丧失挡块的抗震功能。

为了限制桥梁上部梁体顺桥向发生较大的位移，常在桥墩盖梁顶部两侧安装钢筋混凝土挡块，但是普通的钢筋混凝土挡块和梁体间的碰撞是刚性碰撞，撞击力很大，容易对梁体和混凝土挡块造成局部破坏，且地震中钢筋混凝土挡块的水平剪力通常不足，挡块容易发生不可修复的破坏，不能很好地限制梁体的位移。

针对上述缺陷，需要设计和开发一种新型的可以限制桥梁上部梁体的顺桥向位移的抗震挡块结构，同时又能多重缓冲耗能，在限制梁体大幅度位移的同时减少挡块自身受损。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明设计和开发了一种具有钢弹簧的碰撞滑动耗能型桥梁抗震挡块结构，在桥梁顺桥向上限制上部主梁和下方桥墩之间过大的位移，防止梁体在顺桥向的落梁震害；将伸缩缝处相邻梁间的碰撞转移到多个桥梁抗震挡块上，减小伸缩缝处的伸缩冲击损伤和相邻梁体之间碰撞区域的局部损伤，达到保护伸缩缝的目的；增加并分散梁体和挡块之间的碰撞位置，大大减小作用在每一挡块结构的碰撞力，减小挡块结构的局部损坏；把梁体和挡块之间的刚性碰撞转化为柔性碰撞，更多地消耗地震能量。

为了实现本发明的目的,本发明采用的技术方案为：

本发明公开了一种具有钢弹簧的碰撞滑动耗能型桥梁抗震挡块结构，包括钢牛腿和挡块结构，所述钢牛腿通过钢牛腿侧板螺栓固定在桥墩的侧壁上方；所述挡块结构包括钢底板、滑动凹槽、碰撞块、耗能型低屈服点钢板和双半球型滑块,所述钢底板通过螺栓固定于所述钢牛腿的顶部，所述滑动凹槽焊接在所述钢底板顶面，其中部固定有耗能型低屈服点钢板，左、右两侧焊接有钢挡板，所述耗能型低屈服点钢板与所述钢挡板之间形成用于所述双半球型滑块滑动的滑槽，所述双半球型滑块的两侧壁与所述耗能型低屈服点钢板、钢挡板之间分别连接有第一钢弹簧和第二钢弹簧；两个所述碰撞块固定于第二主梁的底部，所述第二主梁顺桥向移动时所述碰撞块能够与所述双半球型滑块发生碰撞。

所述双半球型滑块由圆台、内半球和外半球组成，所述圆台的底部与所述滑动凹槽的底部匹配滑动，其两侧壁下方与所述耗能型低屈服点钢板、钢挡板之间分别通过第一钢弹簧和第二钢弹簧连接；所述内半球和外半球分别固定于所述圆台的内壁上方和外壁上方；两侧的所述双半球型滑块不在同一直线上。

所述内半球为钢材料制成；所述外半球为橡胶材料制成。

所述碰撞块包括钢挡板腹板、钢挡板侧板、钢挡板顶板和碰撞前部，所述钢挡板顶板呈水平设置通过钢挡板螺栓固定在所述第二主梁的底部，其下表面边缘处固定有竖直设置的钢挡板侧板；在所述钢挡板顶板和钢挡板侧板之间固定有两块平行设置的钢挡板腹板，所述碰撞前部呈弧曲面结构固定于所述钢挡板侧板的内壁上，所述碰撞前部为橡胶材料制成，能够与外半球相碰撞。

所述第二主梁和主梁之间形成伸缩缝，所述第二主梁与所述桥墩之间设有设置于第二支座垫石上的桥梁活动支座，所述双半球型滑块的水平滑动距离小于所述桥梁活动支座能够移动的最大距离，所述双半球型滑块的水平滑动距离小于所述伸缩缝的宽度。

所述钢牛腿包括顶板、内侧板、底板和腹板，所述内侧板上设有若干个用于将其固定于桥墩侧壁上方的螺栓孔；所述顶板的一端与内侧板的顶部相互垂直连接、所述底板的一端与所述内侧板的底部相互垂直连接，所述腹板的内侧壁与所述内侧板的外壁相互垂直连接，其顶部与底部分别与所述顶板的下表面以及底板的上表面相连。

若干所述挡块结构沿着横桥向布置分散分布在桥梁活动支座的一侧。

本发明的有益效果在于：

1）本发明能够限制梁体顺桥向位移。在地震波作用下，桥梁梁体在顺桥向、横桥向和竖向都有振动，在每一活动支座附近安装碰撞滑动耗能缓冲型桥梁抗震挡块，利用双半球型滑块与碰撞块碰撞后的滑动可以限制上部梁体在顺桥向相对较大的位移，保护支座，防止梁体顺桥向的落梁损坏和梁体竖向脱离支座发生的翘曲损坏，防止梁体和支座的竖向碰撞损坏。挡块数量多而且安装位置分散，可以有效减小作用在每一挡块结构上的地震力，减小挡块自身的局部损坏和桥墩底部的损坏。

2）本发明具有一定的缓冲和消耗地震能量的功能。地震发生时碰撞块在主梁带动下与双半球型滑块碰撞，利用橡胶材料的塑性变形消耗一部分地震能量；双半球型滑块在滑动凹槽内滑行与钢弹簧产生接触又消耗部分地震能量，最后与耗能型低屈服点钢板产生碰撞多重耗能。在中小地震作用下，较小的碰撞力使得挡块块体中的耗能型低屈服点钢板处在弹性阶段，该阶段与普通钢筋混凝土挡块相似，属刚性碰撞；但在大地震作用下，较大的碰撞力会使耗能型低屈服点钢板进入塑性阶段，此时碰撞属柔性碰撞，不仅可以有效减小碰撞区的局部损坏和减小传递到桥墩底部的损坏，还可以依靠挡块块体中耗能型低屈服点钢板的塑性变形，消耗一部分地震能量，减小地震对桥梁其他构件的损坏。

3）本发明具有材料价格低，构造简单，施工方便，容易检测维修等优点。

附图说明

图1为本发明的顺桥向布置图；

图2为本发明的横桥向布置图；

图3为图1的局部放大图；

图4为本发明的三维构造示意图；

图5为本发明的俯视结构示意图；

图6为本发明中碰撞块的结构示意图；

图7为本发明中双半球型滑块的结构示意图。

在图中：1钢牛腿，2挡块结构，3钢底板，4滑动凹槽，5双半球型滑块，6第一钢弹簧，7第二钢弹簧，8碰撞块，9碰撞前部，10耗能型低屈服点钢板，11钢挡板顶板，12钢挡板侧板，13钢挡板腹板，14顶板，15内侧板，16腹板，17底板，18钢牛腿侧板螺栓，19钢底板螺栓，20碰撞块螺栓，21主梁，22伸缩缝，23第二主梁，24桥梁固定支座，25桥梁支座垫石，26桥梁活动支座，27第二支座垫石，28桥墩，51圆台，52内半球，53外半球。

具体实施方式

下面对本发明进一步说明：

请参阅图1-7。

本发明公开了一种具有钢弹簧的碰撞滑动耗能型桥梁抗震挡块结构，包括钢牛腿1和挡块结构2，所述钢牛腿1通过钢牛腿侧板螺栓18固定在桥墩28的侧壁上方；所述挡块结构2包括钢底板3、滑动凹槽4、碰撞块8、耗能型低屈服点钢板10和双半球型滑块5,所述钢底板3通过螺栓19固定于所述钢牛腿1的顶部，所述滑动凹槽4焊接在所述钢底板3顶面，其中部固定有耗能型低屈服点钢板10，左、右两侧焊接有钢挡板，所述耗能型低屈服点钢板10与所述钢挡板之间形成用于所述双半球型滑块5滑动的滑槽，所述双半球型滑块5的两侧壁与所述耗能型低屈服点钢板10、钢挡板之间分别连接有第一钢弹簧6和第二钢弹簧7；两个所述碰撞块8固定于第二主梁23的底部，所述第二主梁23顺桥向移动时所述碰撞块8能够与所述双半球型滑块5发生碰撞。

所述钢弹簧一共有4个，其中2个呈中心对称固连在耗能型低屈服点钢板

10左右两面的中下部，为第一钢弹簧6；剩余钢弹簧分别固连在钢挡板内面中下部与所述双半球型滑块5两个侧面之间，为第二钢弹簧7。

所述双半球型滑块5由圆台51、内半球52和外半球53组成，所述圆台51的底部与所述滑动凹槽4的底部匹配滑动，其两侧壁下方与所述耗能型低屈服点钢板10、钢挡板之间分别通过第一钢弹簧6和第二钢弹簧7连接；所述内半球52和外半球53分别固定于所述圆台51的内壁上方和外壁上方，所述内半球52为钢材料制成；所述外半球53为橡胶材料制成；所述双半球型滑块5共有两个，错开放置在滑动凹槽4内，即不在同一条直线上，以达到最大限度利用耗能型低屈服点钢板10的缓冲面积的目的。可沿轨道滑动并与钢弹簧接触。

所述内半球52与耗能型低屈服点钢板10之间的距离大于所述双半球型滑块5的内侧面与第一钢弹簧6之间的距离。

所述碰撞块8包括钢挡板腹板13、钢挡板侧板12、钢挡板顶板11和碰撞前部9，所述碰撞前部9形状为弧曲面，由橡胶材料构成，可与双半球型滑块5外侧的半球相碰撞耗能，与所述钢挡板侧板12固定连接；所述钢挡板顶板11呈水平设置，通过钢挡板螺栓20固定在所述第二主梁23的底部，其下表面边缘处固定有竖直设置的钢挡板侧板12；在所述钢挡板顶板11和钢挡板侧板12之间固定有两块平行设置的钢挡板腹板13,以增强碰撞块8的稳定性。

所述挡块块体2中的耗能型低屈服点钢板10可以采用屈服点为160MPa或100MPa的低屈服点钢。耗能型低屈服点钢板10的屈服强度要低于钢牛腿1、钢底板3、碰撞块8和钢半球除了耗能型低屈服点钢板以外所用钢材的屈服强度。在大地震中耗能型低屈服点钢板10可以依靠自身滞回曲线正常耗能工作。

所述主梁21和第二主梁23间形成伸缩缝22，所述第二主梁23与所述桥墩28之间设有设置于第二支座垫石27上的桥梁活动支座26，所述双半球型滑块5的水平滑动距离小于所述桥梁活动支座26能够移动的最大距离，所述双半球型滑块5的水平滑动距离小于所述伸缩缝22的宽度。

所述钢牛腿1包括顶板14、内侧板15、底板17、以及腹板16，所述内侧板15上设有若干个用于将其固定于桥墩28侧壁上方的螺栓孔18；所述顶板14的一端与内侧板15的顶部相互垂直连接、所述底板17的一端与所述内侧板15的底部相互垂直连接，所述腹板16的内侧壁与所述内侧板15的外壁相互垂直连接，其顶部与底部分别与所述顶板14的下表面以及底板17的上表面相连。钢牛腿1所选用的钢材可以为Q235钢、Q345钢、Q390钢或者Q420钢。

若干所述挡块结构2沿着横桥向布置在桥梁活动支座26的一侧，所述挡块结构2分散分布，能够有效减小作用在每一挡块结构2上的地震力，减小对挡块结构2本身的损伤。

工作原理：在地震没有发生时，碰撞块8、双半球型滑块5、第一钢弹簧6和第二钢弹簧7均没有明显变形，处于初始状态。地震发生时，第二主梁23和桥墩28之间在顺桥向发生相对位移，带动碰撞块8的碰撞前部9与静止的双半球型滑块5的外半球53产生碰撞，利用橡胶材料的塑性变形初步消耗地震波能量；此后双半球型滑块5在滑动凹槽4内滑动，并压缩第一钢弹簧6，拉伸第二钢弹簧7，使部分地震波能量转化为钢弹簧的弹性势能进行二次耗能；当双半球型滑块5滑动一定距离后与位于滑动凹槽4中部的耗能型低屈服点钢板10进行二次碰撞，此次碰撞为双半球型滑块5的内半球52与耗能型低屈服点钢板10的碰撞，进行多重耗能。

在中小地震作用下，较小的碰撞力使得耗能型低屈服点钢板10处在弹性阶段，该阶段与普通钢筋混凝土挡块相似，属刚性碰撞；但在大地震作用下，较大的碰撞力会使耗能型低屈服点钢板10进入塑性阶段，此时碰撞属柔性碰撞，可以有效减小碰撞区的局部损坏和减小传递到桥墩28底部的损坏。

产生碰撞过程中，能有效限制桥的主梁21和桥墩28的顺桥向相对位移，保护活动支座26不会产生较大位移而损坏，保护伸缩缝22不会因为桥的主梁21和桥的另一主梁发生碰撞而损坏。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。