一种城市桥梁抗倾覆复合限位装置的制作方法

本发明涉及一种城市桥梁抗倾覆复合限位装置，属于桥梁抗倾覆技术领域。

背景技术：

为了节约并充分利用空间，城市桥梁较多采用多跨连续的宽幅主梁为上部结构，中间墩多为独柱式桥墩或横桥向宽度较小的框架式桥墩，在意外超偏载作用下，易发生主梁横向侧翻倾覆失稳破坏。此外，在正常工作或多遇地震发生时，桥梁可以依靠桥梁支座的摩擦力满足使用要求。但在飓风、罕遇地震等极限工况下，城市桥梁支座承受的水平荷载较大，产生较大的水平位移，也易造成城市桥梁倾覆破坏。现有的抗倾覆装置主要是脆性混凝土挡块，但是，在工程实际中发现，混凝土挡块易发生脆性剪切破坏而失效，导致城市桥梁倾覆破坏。

技术实现要素：

针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种城市桥梁抗倾覆复合限位装置，能够显著提升桥梁抗倾覆能力，且在意外严重超偏载作用下改变桥梁破坏属性，将原本无任何预兆体系瞬态破坏转变为具有明显弹塑性变形过程的薄钢板受拉破坏过程；同时在地震作用下主梁相对于桥墩的横、竖向位移均受到该装置的约束，能够显著提升城市桥梁抵抗地震倾覆破坏的能力。

本发明提出了一种城市桥梁抗倾覆复合限位装置，包括：

顶板，连接城市桥梁上部结构，并且所述顶板的下面设置有导槽；以及

阻尼元件，连接城市桥墩；

其中，所述阻尼元件的上部设置在所述导槽内，并适应城市桥梁的横桥向和纵桥向的水平位移，同时给城市桥梁提供横桥向屈服力。

本发明的进一步改进在于，所述阻尼元件包括上水平板和下水平板，所述上水平板和所述下水平板之间均匀设置有若干竖直板；其中，所述上水平板、所述下水平板和所述竖直板均具有一定的弹性。

本发明的进一步改进在于，所述顶板的下面设置有两个对称的截面为l型的导块，所述导块包括竖直设置的竖向导板和设置在所述竖向导板底部的横向导板；两个所述导块之间形成所述导槽。

本发明的进一步改进在于，所述上水平板设置在所述导槽内，所述竖直板的侧面与所述横向导板的侧边之间设置有滑动摩擦副。

本发明的进一步改进在于，所述滑动摩擦副包括设置在所述竖直板侧面的金属板，以及设置在所述横向导板的侧面的耐磨板。

本发明的进一步改进在于，所述上水平板和所述下水平板上均匀等间距布置若干方形孔，所述竖直板插接在所述方形孔内并通过焊接的方式与所述方形孔固定相连。

本发明的进一步改进在于，所述顶板上设置有若干上锚固钢棒，所述上锚固钢棒的上部连接所述城市桥梁上部结构，下端通过上锚固螺栓固定在所述顶板上。

本发明的进一步改进在于，所述下水平板上设置有若干下锚固钢棒，所述下锚固钢棒的下部连接城市桥墩，上端通过下锚固螺栓固定在所述下水平板上。

本发明的进一步改进在于，所述竖直板的数量为两个或三个。

本发明的进一步改进在于，所述竖直板的间距为28-33mm，竖直板的厚度在25-30mm之间；上水平板和所述下水平板的厚度均大于所述竖直板的厚度，并且所述上水平板的宽度小于所述下水平板的宽度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的一种城市桥梁抗倾覆复合限位装置，能够显著提升桥梁抗倾覆能力，且在意外严重超偏载作用下改变桥梁破坏属性，将原本无任何预兆体系瞬态破坏转变为具有明显弹塑性变形过程的薄钢板受拉破坏过程；同时在地震作用下主梁相对于桥墩的横、竖向位移均受到该装置的约束，能够显著提升城市桥梁抵抗地震倾覆破坏的能力。

本发明所述城市桥梁抗倾覆复合限位装置构造简单、传力明确、造价低廉、便于安装和维护更换；无需改变原有桥梁的结构设计，既可用于新建城市桥梁，也可用于既有桥梁的改造；对城市桥梁抵抗地震或超偏载两种不同性质的能力均具有显著提升作用。

附图说明

下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：

图1所示为本发明的一个实施例的城市桥梁抗倾覆复合限位装置的结构示意图；

图2所示为本发明的一个实施例的城市桥梁抗倾覆复合限位装置的横桥向截面剖视示意图；

图3所示为本发明的一个实施例的城市桥梁抗倾覆复合限位装置的纵桥向结构示意图；

图4所示为本发明的一个实施例的滑动摩擦副的结构示意图；

图5所示为本发明的一个实施例的下水平板的结构示意图；

图6所示为本发明的一个实施例的阻尼元件的结构示意图，显示了两个竖直板的结构；

图7所示为本发明的一个实施例的阻尼元件的结构示意图，显示了三个竖直板的结构。

附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

在附图中各附图标记的含义如下：1、顶板，2、阻尼元件，10、导块，11、导槽，12、竖向导板，13、横向导板，14、上锚固钢棒，15、上锚固螺栓，20、竖直板，21、上水平板，22、下水平板，23、滑动摩擦副，24、金属板，25、耐磨板，26、通孔，27、方形孔，28、下锚固钢棒，29、下锚固螺栓。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的一种城市桥梁抗倾覆复合限位装置，包括顶板1。所述顶板1连接城市桥梁上部结构，顶板1的下面设置有导槽11。城市桥梁的桥墩上设置有阻尼元件2，阻尼元件2的上部设置在所述导槽11内，并能够在导槽11内滑动。其能够适应城市桥梁的横桥向和纵桥向的水平位移，同时给城市桥梁提供横桥向屈服力。

根据本实施例所述城市桥梁抗倾覆复合限位装置，在发生变形时能耗散部分地震或其它冲击荷载的能量，耗能效果较好，有效阻尼比较高，阻尼循环次数较多，因此能有效抵抗地震、飓风、桥梁超偏载等自然灾害。同时，由于仅仅通过顶板1和阻尼元件2就能够与城市桥梁固定安装，因此使得整个装置的安装简单便捷，同时便于检查、维修和更换。

在一个实施例中，如图2所示，所述阻尼元件2包括上水平板21和下水平板22，所述上水平板21和所述下水平板22之间均匀设置有若干竖直板20，竖直板20均与上水平板21或下水平板22垂直。其中，所述上水平板21、所述下水平板22和所述竖直板20均具有一定的弹性。

优选地，阻尼元件2中竖直板20为高延性的弹塑性材料的薄金属板24，阻尼元件2通过竖直板20的弹塑性变形耗散城市桥梁外部输入能，从而起到城市桥梁减震作用，并沿顶板1和导槽11适应城市桥梁的横桥向和纵桥向水平位移，同时给城市桥梁提供横桥向屈服力，从而起到了抗倾覆作用。竖直板20沿导槽11横桥向均匀布置，并且在上水平板21和下水平板22之间等距均匀布置。

在一个实施例中，如图2所示，所述顶板1的下面有两个截面为l型的导块10，两个导块10以顶板1的中轴面对称设置，其中，导块10包括竖向导板12和横向导板13。竖向导板12竖直设置在顶板1的底部，横向导板13设置在竖向导板12的底部，并且横向导板13的一端与竖向导板12的底端垂直相连，形成截面为l型的结构。两个导块10之间形成一个矩形的空间，并且，两个横向导板13之间形成一个开口，该空间和开口形成所述导槽11。

在一个实施例中，如图2和图3所示，所述上水平板21设置在所述导槽11内，所述竖直板20的侧面与所述横向导板13的侧边之间设置有滑动摩擦副23。

在一个实施例中，如图4所示，所述滑动摩擦副23包括设置在所述竖直板20侧面的金属板24，以及设置在所述横向导板13的侧面的耐磨板25。优选地，导槽11内侧下侧面布置有侧面不锈钢板，且竖直板20外侧对应位置布置有sf-1耐磨板25。侧面不锈钢板和sf-1耐磨板25构成侧面滑动摩擦副23，阻尼元件2与导槽11通过此滑动摩擦副23，以适应城市桥梁的纵桥向水平滑动和横桥向水平挤压。

在根据本实施例所述装置中，在发生地震、飓风、桥梁超偏载等自然灾害时，由于城市桥梁产生纵桥向和横桥向水平位移，致使导槽11与阻尼元件2的上水平板21及竖直板20产生纵桥向水平滑移和横桥向水平挤压，因此在导槽11内侧下侧面布置侧面不锈钢板，并在竖直板20相对应的位置布置sf-1耐磨板25，这样就形成了导槽11与阻尼元件2之间的纵桥向滑动摩擦副23，通过此滑动摩擦副23，既可以减小导槽11与阻尼元件2之间纵桥向滑动摩擦，同时避免竖向板在受到导槽11的挤压时产生局部应力集中现象。

在一个实施例中，如图5所示，所述上水平板21和所述下水平板22上均匀等间距布置若干方形孔27(或方形槽)，所述竖直板20插接在所述方形孔27内并通过焊接的方式与所述方形孔27固定相连。

具体地，由于上水平板21、下水平板22和竖直板20容易采购和加工，而整体加工ii型或iii型架极易浪费大量钢材，因此将整个阻尼元件2拆分成独立的上水平板21、下水平板22和竖直板20三个部件，再将这三个部件组装并焊接成一个整体。此外，由于竖直板20之间的横桥向间距较小，在上水平板21的下底面和下水平板22的上顶面进行焊接有一定难度，因此只能在竖直板20的两个端面通过焊接固定于上水平板21和下水平板22之间。这种焊接方法既简单方便，又不影响竖直板20的弹塑性变形，且不会造成竖直板20的局部应力集中。

在一个实施例中，所述顶板1上设置有若干上锚固钢棒14，所述上锚固钢棒14的上部连接所述城市桥梁上部结构，下端通过上锚固螺栓固定在所述顶板1上。

在一个实施例中，所述下水平板22上设置有若干下锚固钢棒28，所述下锚固钢棒28的下部连接城市桥墩，上端通过下锚固螺栓29固定在所述下水平板22上。

在一个实施例中，所述竖直板20的数量为两个或三个。如图6所示的阻尼元件2为两个竖直板20，如图7所示的阻尼元件2为三个竖直板20。

阻尼元件2的竖直板20之间横桥向间距d不宜过大，其横桥向间距d应设置在30mm左右，以适应城市桥梁横桥向过大的水平滑动。竖直板20的厚度b在25mm-30mm之间，竖直板20的厚度b不宜过小，其厚度b以大于25mm为宜，从而使其通过弹塑性变形产生的耗能滞回曲线十分饱满；并且阻尼元件2的竖直板20的厚度b不宜过大，其厚度b以小于30mm为宜，以适应城市桥梁宽桥面窄支承结构的抗倾覆功能。此外竖直板20厚度较大，易导致装置的横向减震水平下降。

阻尼元件2的上水平板21与下水平板22的厚度t、t应大于竖直板20的厚度b，以使阻尼元件2的弹塑性变形主要集中在竖直板20两端。顶板1的厚度应大于等于阻尼元件2上水平板21和下水平板22的厚度t、t。阻尼元件2的上水平板21宽度a小于下水平板22的宽度a，且上水平板21的俯视图投影位于其下水平板22的两侧圆形通孔之内。阻尼元件2的下水平板22的长度l应大于上水平板21的长度l。

具体地，由于城市桥梁为宽桥面窄支承结构，因此桥墩留给本实施例所述装置的底部的安装空间十分有限，因此本实施例所述装置的阻尼元件2的下水平板22的尺寸较小。为了与下水平板22相匹配，阻尼元件2的竖直板20相互之间的间距d(横桥向)不宜过大，且其横桥向间距d应设置在30mm左右，可节省装置的底部安装空间。若其横桥向间距d过小，将会降低阻尼元件2的横向减震水平。阻尼元件2的竖直板20的厚度b应设置在25mm至30mm之间，有利于装置的耗能滞回曲线十分饱满，即不会产生正向水平位移对应的横向水平反力与负向水平位移对应的横向水平反力差别过大的问题；同时竖直板20的厚度b太大，导致顶板1、导槽11下部、上水平板21及下水平板22的厚度同时增加，又会使竖直板20难以产生弹塑性变形，降低了阻尼元件2的横桥向减震水平。

为了使本实施例所述装置的弹塑性变形主要集中在阻尼元件2的竖直板20处，竖直板20的厚度b应小于上水平板21及下水平板22的厚度t、t，同时t、t也应该小于等于导槽11下部与顶板1的厚度。为了方便下锚固螺栓及下锚固钢棒28与下水平板22横桥向两侧布置的圆形通孔装配简单，阻尼元件2的下水平板22的宽度a与长度l都应该分别大于上水平板21的宽度a与长度l。此外，为了使装置的弹塑性变形主要集中在阻尼元件2处，导槽11横向延伸部分的厚度应大于等于阻尼元件2的上水平板21与下水平板22的厚度t、t。

根据本实施例所述的城市桥梁抗倾覆复合限位装置可以单独使用，也可以跟球型钢支座、盆式橡胶支座等支座一起使用。阻尼元件2的竖直板20的高度应跟城市桥梁的上、下部结构的安装空间匹配。具体地，所述装置通过竖直板20的弹塑性变形，耗散地震能量或外部输入能，既可以单独使用，也可以跟支座一起使用，这样并不影响装置的减震功能。在进行装置的工程安装施工图时，装置的安装空间十分有限，根据安装空间先确定装置的整体高度，即顶板1顶部与阻尼元件2的下水平板22底部的竖向间距，再确定阻尼元件2的高度。在阻尼元件2高度一定的前提下，按照城市桥梁的横向地震位移和横向屈服力的设计要求，确定阻尼元件2的横桥向间距d和厚度b。当城市桥梁有竖向抗拔特殊要求时，还需要对阻尼元件2进行竖向抗拔设计，同时对竖直板20的长度作进一步优化设计。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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