高速铁路桥梁的装配式减震装置及其应用方法及更换方法与流程

2021-01-19 11:01:30|

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本发明属于桥梁减震领域，具体为一种高速铁路桥梁的装配式减震装置及其应用方法及更换方法。

背景技术：

地震对于桥梁造成的直接破坏就是桥梁结构破坏和倒塌，其中桥梁梁体底面和墩柱顶部的连接节点是桥梁结构的薄弱环节，也是抗震设计的重点环节。

近年来随着抗震支座技术的不断发展，铅芯橡胶抗震支座、摆式滑动摩擦支座等抗震支座技术在桥梁抗震的工程实践中不断发展，这些支座同时承受竖向重力和水平地震荷载。为保障抗震支座的安全性，工程中常设置减震榫耗散部分的地震能量并减少支座的水平位移。，但目前减震榫常采用悬臂式棒材，存在以下缺陷：

为结构提供的抗侧刚度有限，抗震贡献也相应有限；

大多构造复杂，且常与桥梁结构整体式连接，建造成本相对较高，拆除和更换的难度大、耗时长，不利于桥梁结构震后抗震性能的快速恢复；

通过弯曲变形来耗能，变形不易被监测，不利于桥梁结构健康监测和损伤识别。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种结构简单、更换快捷、变形易于监测且抗震能力强的减震装置。

本发明提供的这种高速铁路桥梁装配式钢板剪力墙减震装置，预制墩柱的顶部中心位置处设置有抗震支座，本减震装置包括围绕所述抗震支座均布的多组减震单元，每组减震单元包括t型主体、水平耗能板、角钢、竖向耗能板、锚固构件；t型主体的翼板内侧对称设置有水平耗能板、腹板两侧对称设置有角钢，角钢的角部位于t型主体的翼板与腹板之间的夹角中，翼板外侧设置有关于其长度方向中心面对称的两排锚固构件；t型主体的翼板、水平耗能板、角钢的水平臂及锚固构件之间通过高强度的螺栓、螺母连接形成整体件；两组整体件以t型主体的腹板相对对称布置，在两t型主体的腹板两侧和两侧角钢的竖直臂之间分别插入竖向耗能板后通过高强度的螺栓、螺母连接形成减震单元。

上述技术方案的一种实施方式中，所述锚固构件包括定位盒体和四根锚固钢筋，定位盒体为由四块侧板及一块端板焊接而成的空心长方体，锚固钢筋的形状为l型，各锚固钢筋的水平臂朝外、竖直臂的末端与定位盒体的角部焊接。

上述技术方案的一种实施方式中，所述端板的中心位置处有圆孔，圆孔处焊接所述螺母。

上述技术方案的一种实施方式中，所述定位盒体的高度大于所述螺母的两倍厚度。

上述技术方案的一种实施方式中，所述水平耗能板的材质为软钢或者记忆合金。

上述技术方案的一种实施方式中，所述竖向耗能板为平钢板或者波纹钢板。

本发明提供的这种上述减震装置的应用方法，包括以下步骤：

(1)预制梁体时，根据设计位置在梁体的底部预埋各减震单元的锚固构件，锚固构件以锚固钢筋朝上固定；

预制墩柱时，根据设计位置在墩柱顶部预埋各减震单元的锚固构件，锚固构件以定位盒体朝上固定；

(2)将减震单元的t型主体、水平耗能板、角钢和螺栓组装成t型整体件，使t型主体的腹板两侧分别与相应侧的角钢竖直臂之间形成用于安装钢板的插接槽，且角钢的竖直臂与t型主体的腹板之间不连接螺栓；

现场将t型整体件通过螺栓分别与墩柱和梁体上预埋的锚固构件上的螺母连接固定；

(3)在墩柱顶部t型整体件上的插接槽中插入两块耗能板，调整位置后通过螺栓、螺母连接固定；

(4)墩柱吊装后梁体吊装时，使梁体底部t型整体件上的插接槽分别与墩柱顶部已安装好的竖向耗能板对正插接，再通过螺栓、螺母连接锁紧。

本发明提供的这种上述减震装置的竖向耗能板更换方法，包括以下步骤：

(1)将竖向耗能板上侧与t型主体和角钢竖直臂之间的螺栓、螺母卸下，然后将竖向耗能板下侧与t型主体和角钢竖直臂之间的螺栓、螺母卸下，使竖向耗能板处于自由状态；

(2)将竖向耗能板沿插接槽抽出；

(3)将替换板沿插接槽插入后通过螺栓、螺母连接锁紧。

本发明采用围绕抗震支座设置的方式，再抗震支座的周围均布多组减震单元，减震单元的各结构件之间均采用高强度的螺栓、螺母可拆卸连接，且锚固构件在梁体和墩柱的工厂预制时预埋固定，减震单元的t型主体、水平耗能板和角钢可通过螺栓、螺母组装为两个t型整体件，两个t型整体件之间通过竖向耗能板及螺栓螺母连接锁紧。本发明具有以下优势：

减震单元设置有水平耗能板和竖向耗能板，采用钢板作为抗剪功能的主要元件，尤其是竖向耗能板作为钢板剪力墙，刚度大利于抗剪，材料利用率高，符合材料使用的力学性能，能使用较少的钢材提供较大的抗剪能力；竖向耗能板作为抗震的第一道防线，用于日常检测和普通损坏后的更换；水平耗能板作为第二道防线，用于增大结构在较大地震时的阻尼来消耗地震能量，大大提高桥梁的抗震能力；

减震单元的各结构件均在工厂预制，各结构件之间均采用高强度的螺栓连接，在保证结构强度和刚度的同时，可减少现场焊接工作造成的质量不稳定等不利因素；

竖向耗能板形成钢板剪力墙，其上下侧分别与t型主体之间为可拆卸连接，竖向耗能板在桥梁结构发生震害变形较大时，可快速更换；另外，当桥梁结构需要重新设计和加固时，也能通过调整竖向耗能板的型号及材料特性来改造减震装置，从而通过改造减震装置即可提高桥梁结构的抗震性能；

竖向耗能板的平面外屈曲变形明显，不仅可以通过无人机摄像头观察其实际的工作状况，还可以通过沿竖向耗能板的长度方向设置应变片等方式进行数字化监测，通过大数据的方法来进行桥梁的结构健康监测和损伤识别。

附图说明

图1为本发明的一种使用状态示意图。

图2为图1隐去梁体后的示意图。

图3为图2中一组减震单元的结构示意图。

图4为图3中经锚固构件横向中心面的剖视放大示意图。

图5为图3中锚固构件的放大结构示意图。

图6为减震单元的竖向耗能板更换过程示意图。

具体实施方式

结合图1、图2可以看出，本实施例公开的这种高速铁路桥梁装配式钢板剪力墙减震装置，包括围绕墩柱顶部中心位置处支座设置的多组减震单元。

结合图1至图3可以看出，每组减震单元包括两组t型主体1及其连接的水平耗能板2、角钢3和锚固构件4及紧固件的装配组件，两装配组件以t型主体的腹板相对布置，通过竖向耗能板5、角钢3和紧固件连接形成装配主体结构横截面为工字型的整体件。

结合图3和图4可以看出，t型主体1的翼板顶面关于其长度方向中心面对称连接有两排锚固构件4、翼板的下侧对称连接有水平耗能板2和角钢3。

为了增强水平耗能板2的变形能力和耗能效果，水平耗能板应采用较低屈服点的软钢或者形状记忆合金等高阻尼材料。

为了增强竖向耗能板的变形能力和耗能效果，竖向耗能板应采用低屈服点的金属材料，同时可根据实际需要选择使用平钢板还是波纹板等结构。

结合图2至图5可以看出，锚固构件4包括l型钢筋41、连接板42和端板43，四根l型钢筋41以竖直臂对应一个矩形的四角、水平臂朝外布置，相邻l型钢筋竖直臂的顶部之间焊接连接板42后焊接端板43形成具有定位盒体及其四角有锚固筋的整体件。

各结构件之间的紧固件采用高强度的螺栓和螺母，所以在t型主体、水平耗能板、角钢和竖向耗能板上均需开设相应的螺栓安装孔。

t型主体1上、水平耗能板2上和竖向耗能板5上的螺栓安装孔均设置为直径略大于螺栓直径的圆孔，圆孔加工时，可采用配做的方式来保证不同结构件上孔位的精确对应。如可将水平耗能板2上的圆孔加工好后将其通过工装固定于t型主体1上的对应位置处，然后再按照水平耗能板2上的孔位来加工t型主体1上的圆孔，这样就可以保证两结构件上的圆孔位置对应。

而角钢3的两侧臂均需加工螺栓安装孔，为了便于施工现场的连接操作，消除安装时的累积误差，将角钢侧臂的螺栓安装孔设置为沿角钢长度方向的腰圆孔，腰圆孔的宽度略大于螺栓的直径。

另外，为了进一步便于连接操作，可将角钢两侧臂上的开孔位置进行错位布置。

由于减震单元的锚固构件4需在梁体和墩柱的工厂预制时预埋，所以需将紧固件的螺母在锚固件的工厂制作时焊接于封板中心位置的圆孔处，以便于现场螺栓的安装操作。

减震单元除锚固构件4外的其它结构件在工厂制作完成后，可组装为t型主体1、水平耗能板2、角钢3通过高强度的螺栓、螺母组装成t型整体件，而竖向耗能板5不组装运输至施工现场，但t型整体件需注意角钢竖直臂与t型主体腹板之间的间隙满足竖向耗能板的安装尺寸，以便于竖向耗能板在现场的顺利安装。

桥梁施工现场的安装步骤如下：先将各t型整体件分别通过螺栓与梁体和墩柱上预埋的锚固构件4连接好，并在墩柱顶部的t型整体件上通过螺栓、螺母连接好两块竖向耗能板5；墩柱安装后梁体吊装，使梁体底部t型整体件上预留的插接槽与墩柱顶部t型整体件上已连接好的竖向耗能板插接好，最后通过螺栓、螺母将竖向耗能板5与t型主体1、角钢3连接锁紧。由此可以看出，墩柱和梁体之间对接安装时的空间操作简单快捷。

当地震强度较小，监测到竖向5的变形达到更换程度时，只需将安装竖向耗能板的螺栓、螺母拆卸，将竖向耗能板从两t型整体件上角钢竖直臂和t型主体腹板之间的插接槽中抽出，换上新的竖向耗能板后再重新安装好螺栓、螺母即可，如图6所示，方便快捷。

当地震强度较大，水平耗能板需要更换时，竖向耗能板和角钢也同时更换，更换操作也主要是螺栓、螺母的拆卸。

从减震单元的上述结构及更换操作可以看出，本发明具有工厂预制、现场装配、高强螺栓可拆卸连接方便等优点，并通过可更换竖向耗能那么的设计，不仅方便桥梁结构的损伤识别和健康监测，同时也有利于损坏后的结构部件更换，使结构重启功能，而其竖向耗能板加水平耗能板的双重减震设计，也使本发明具有了多重抗震的功能，抗震能力大大提高。

具体来说，本发明跟现有技术的减震榫结构相比具有以下优势：

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