一种新型耗能减震式分幅联塔斜拉桥塔间联系结构

技术领域

本发明涉及桥梁结构技术领域，具体涉及到一种新型耗能减震式分幅联塔斜拉桥塔间联系结构。

背景技术

我国疆域辽阔，山脉、河流众多，为跨越深谷、大河以及满足日益增长的交通运输需求，大跨度缆索承重桥梁以其独特的优势逐渐得到广泛的应用，主要包括斜拉桥、悬索桥、斜拉悬吊组合体系等。其中，位于200-800m跨径范围内，斜拉桥具有很好的经济性，且与悬索桥相比，其竖向刚度、抗扭刚度较大，抗风振稳定性好，施工难度低，因而在近20年内得到迅猛发展。

随着城市快速发展和交通量的激增，新建道路越来越宽，更多桥梁采用双幅式设计。与整体式单幅斜拉桥相比，双幅式斜拉桥既能满足更多车道的交通需求，又能解决桥面宽度限制的力学难题，具有宽敞的视觉效果和良好的行车条件，近年来倍受青睐。

分幅斜拉桥一般工程投资较大，建设周期也较长，其作为主要承重结构的桥塔在地震中一旦出现较为严重的损伤，修复极为困难；因此，要求即使在罕遇地震作用下桥塔、基础也应基本保持弹性。在抗震设计的工程实践中发现，桥塔结构的横桥向地震响应往往是控制桥塔设计的关键，对于分幅斜拉桥桥塔来说，其结构形式及联系方式显的尤为重要。

目前，分幅式斜拉桥桥塔主要有三种形式。一种为分离式塔柱，即两幅桥，桥塔基本无互相联系，本质上为两座独立的斜拉桥，虽受力明确，但抗震设计时仍按照单个桥塔设计，塔柱截面尺寸一般较大，经济指标往往较高。第二种为双幅局部联系桥塔，即在两桥塔下横梁处设置塔间横梁将其连接，或整个下塔肢局部连接，中、上塔肢完全分离；这种桥塔形式由于在两幅桥桥塔间设置了横向联系，使桥塔横向刚度增大，且与单幅桥相比，可显著降低桥塔基础的横桥向地震响应，但相应的，横向地震作用时，塔间横梁、上塔柱底部地震响应均较大，需要较大的截面尺寸；且塔间横梁、下塔肢局部联系施工复杂，降低了桥梁的经济性。第三种为共塔肢桥塔，即双幅桥共用内塔肢，其结构形式简单、横向刚度大、稳定性好，造价也相对较低，但其主梁通常采用单向横坡断面，荷载布置不对称，结构受力和变形的空间效应显著；此外，由于共用内塔肢，一幅桥的受力变化不仅会对本幅桥产生影响，还会通过共用的内塔肢影响另一幅桥的受力和变形，藕合效应显著；而且，共塔肢桥塔形式仅适用于H形桥塔，由于其上塔柱自由长度较大，不利于抗震。

发明内容

为解决背景技术中提出的问题，本发明提供了一种耗能减震式分幅联塔斜拉桥的塔间联系结构形式。该结构形式在不影响桥塔施工周期、不增加施工难度的基础上，通过设置塔间斜撑及塔间金属消能阻尼器的方式，使桥塔的横桥向地震响应大幅降低，极大的提高了桥塔的抗震性能、安全性以及经济性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下所述：

一种耗能减震式分幅联塔斜拉桥的塔间联系结构，包括桥塔承台，在桥塔承台上固定有桥塔塔柱，桥塔塔柱由其上设置的桥塔横梁分为上塔柱和下塔柱，所述桥塔承台之间通过组合结构承台系梁使两幅桥塔底端连接；

所述下塔柱的塔肢间设置塔间钢箱斜撑使两幅桥塔形成局部联系；

所述桥塔横梁位置处塔柱上安装有钢牛腿，两幅桥塔之间通过钢牛腿安装有阻尼器。

所述塔间钢箱斜撑底部与组合结构承台系梁预留接头相连接；顶部与塔柱内预埋接头连接，塔间钢箱斜撑内灌注有混凝土。

所述组合结构承台系梁由焊接箱型骨架及系梁顶底面纵向钢筋、系梁侧面分布钢筋、系梁底面钢筋网、箍筋、承台系梁混凝土组成。

所述焊接箱型骨架由钢箱骨架顶板、钢箱骨架底板、钢箱骨架腹板及横隔板、环向加劲肋组成。

所述钢箱骨架顶板、钢箱骨架底板及钢箱骨架腹板内外侧均设置剪力钉群；钢箱骨架顶板、钢箱骨架底板及钢箱骨架腹板上均设置有纵向钢箱骨架加劲肋。

所述塔间斜撑采用矩形钢箱混凝土结构，所述矩形钢箱由钢箱斜撑顶板、钢箱斜撑底板及钢箱斜撑腹板焊接组成。

所述钢箱斜撑顶板、钢箱斜撑底板及钢箱斜撑腹板上均设置有若干钢箱斜撑加劲肋。

所述塔柱内预埋接头设置于预留槽口中，其端部采用锚固端预应力筋与剪力钉相结合的方式锚固，预留槽口处被打断的桥塔主筋采用双面焊接于钢筋连接板上。

所述钢牛腿由钢牛腿顶板、钢牛腿底板、钢牛腿端板及钢牛腿腹板组成，所述钢牛腿于钢牛腿拼接线处与钢牛腿锚固端预埋件焊接形成整体；钢牛腿锚固端预埋件设置于塔柱预留槽口内，采用桥塔横梁钢束、钢牛腿锚固端预应力筋与剪力钉锚固。

所述阻尼器采用剪切屈服型金属消能阻尼器，采用高强螺栓安装于钢牛腿上。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供了一种耗能减震式分幅联塔斜拉桥的塔间联系结构形式，构造简单，受力明确；通过设置在两幅桥塔承台与下塔柱之间的组合结构承台系梁、塔间钢箱斜撑，对两幅桥塔间形成局部联系，增大了桥塔的横向刚度及稳定性，有效降低了基础的横向地震响应；同时，通过设置在塔间的金属消能阻尼器，可有效的耗散横向地震作用输入的能量，降低桥塔塔柱的横向地震反应，从而减小截面尺寸及配筋率，即在保证桥塔抗震能力及安全性的基础上，获得了更佳的经济性。

2、本发明所采用的承台系梁与塔间钢箱斜撑相组合的方式，使组合结构承台系梁在截面尺寸较小的情况下即可满足双幅联塔桥的抗震需求。根据以往的工程设计实践，将分幅斜拉桥桥塔承台相连，可有效减小桩基的横向地震反应，但同时承台系梁因受力较大而很难设计，本发明所采用的组合结构承台系梁则解决了这一问题，获得了很好的经济性。

3、本发明所采用的组合结构承台系梁，其内部的焊接钢箱骨架，可根据实际受力情况采用不同形式，设计灵活；焊接钢骨架可在工厂加工制作，现场定位吊装，不影响施工周期；同时，钢骨架被系梁混凝土包裹，具有很好的耐久性。

4、本发明将塔间钢箱斜撑设计为钢结构，很好的适用于横向地震作用时斜撑拉、压交替的受力特征。

5、本发明将塔间钢箱斜撑设计为分节段拼装施工，其顶部与桥塔塔柱内预埋接头连接，底部与组合结构承台系梁预留接头连接，可在塔柱施工至斜撑预埋接头下一节段后再安装斜撑中间部分，对塔柱爬模施工及承台系梁施工均无影响，避免了施工周期的增加，节约了施工成本。

6、本发明采用的塔间钢箱斜撑联系形式，可根据实际受力情况，将钢箱更换为圆钢管、钢管混凝土或其他截面形式的型钢构件，必要时还可采用防屈曲支撑(BRB)来增加地震能量耗散，具有设计灵活、适用性广的优点。

7、本发明采用剪切屈服型金属消能器作为横向地震作用下主要的消能减震装置，可有效降低桥塔的横向地震反应，减少塔柱材料用量；同时，剪切屈服型金属消能器构造简单，耗能机制明确，且价格较低；其核心构件为软钢钢板，可通过改变钢板尺寸来控制消能器的性能参数，从而满足不同跨径、不同塔高的联塔结构抗震设计需求。

8、本发明金属消能器锚固牛腿，当桥塔横梁距地面较高时，采用钢牛腿的结构形式，并设计分节段施工。当施工至横梁处塔柱时，仅需在塔柱上预留槽口并埋设钢牛腿接头，待桥塔施工至下一节段后，再吊装拼接钢牛腿剩余部分，该方法对塔柱施工影响较小，不增加额外的施工周期；且可将桥塔横梁预应力钢束作为钢牛腿的锚固钢束，节约材料，降低施工成本。

9、本发明采用塔间金属消能阻尼器通过高强螺栓与锚固钢牛腿连接，便于震后对其更换或修复。

10、本发明提供的分幅联塔斜拉桥的塔间联系结构形式，充分利用了分幅斜拉桥桥塔的结构特点，形成了塔柱局部联系与消能减震装置相组合的结构体系，与分幅分离式桥塔相比，在不增加施工周期和施工难度的基础上，大幅降低了桥塔基础及塔柱的横向地震反应，节约了材料成本，且具有较好的施工便捷性和适用性。

附图说明

图1为本发明分幅联塔斜拉桥塔间联系结构示意图；

图2为本发明分幅联塔斜拉桥塔间联系局部示意图；

图3为本发明组合结构承台系梁横断面示意图；

图4为本发明组合结构承台系梁钢箱骨架侧立面示意图；

图5为本发明塔间钢箱斜撑侧立面示意图；

图6为本发明塔间钢箱斜撑横断面示意图；

图7为本发明塔间斜撑锚固端示意图；

图8为本发明阻尼器及钢牛腿构造示意图

图9为本发明阻尼器及钢牛腿局部连接示意图

图10为本发明塔间钢箱斜撑横断面示意图；

图中所示：1.组合结构承台系梁；2.塔间钢箱斜撑；3.钢牛腿；4.阻尼器；5.桥塔承台；6.上塔柱；7.下塔柱；8.桥塔横梁；

1-1.钢箱骨架底板；1-2.钢箱骨架顶板；1-3.钢箱骨架腹板；1-4.预留接头；1-5.剪力钉群；1-6.钢箱骨架加劲肋；1-7.系梁顶底面纵向钢筋；1-8.系梁底面钢筋网；1-9.系梁侧面分布钢筋；1-10.承台系梁混凝土；1-11.箍筋；1-12.横隔板；1-13.环向加劲肋；

2-1.钢箱斜撑顶板；2-2.钢箱斜撑底板；2-3.钢箱斜撑腹板；2-4.横隔板及环向加劲肋；2-5.塔柱内预埋接头；2-6.钢筋连接板；2-7.拼接线；2-8.钢箱斜撑加劲肋；2-9.混凝土；2-10.塔柱预留槽口；2-11.锚固端预应力筋；2-12.横隔板过人孔；

3-1.钢牛腿顶板；3-2.钢牛腿底板；3-3.钢牛腿端板；3-4.钢牛腿腹板；3-5.钢牛腿钢筋连接板；3-6.桥塔预留槽口；3-7.钢牛腿锚固端预埋件；3-8.钢牛腿拼接线；3-9.钢牛腿锚固端预应力筋；

4-1.高强螺栓；

8-1.桥塔横梁钢束。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体的实施例进一步的说明本发明的技术方案：

实施例1

实施例1

本发明提供了一种耗能减震式分幅联塔斜拉桥的塔间联系结构形式，本实施例包括组合结构承台系梁1、塔间钢箱斜撑2、阻尼器4、以及钢牛腿3组成；如图1-9所示。

本实施例所述分幅联塔斜拉桥，主跨328m，边跨151m，单幅桥宽22.75m；桥塔采用钻石型桥塔，下塔柱高55m，上塔柱高97m，承台系梁高5m。

本实施例中，在两幅桥塔承台间设置组合结构承台系梁1，并在下塔柱7塔肢间设置塔间钢箱斜撑2使两幅桥塔形成局部联系；钢牛腿3设置于桥塔横梁8处塔柱内侧，其上固定塔间金属消能阻尼器4，阻尼器4采用剪切屈服型金属消能阻尼器。

所述组合结构承台系梁1，高5.0m，宽4.0m，长11.0m；由焊接箱型骨架及系梁顶底面纵向钢筋1-7、侧面分布钢筋1-9、系梁底面钢筋网1-8、箍筋1-11、混凝土1-10组成。

所述焊接箱型骨架由钢箱骨架顶板1-2、钢箱骨架底板1-1、钢箱骨架腹板1-3及横隔板1-12及环向加劲肋1-13组成组成。其中，钢箱骨架顶板1-2和钢箱骨架底板1-1厚25mm，钢箱骨架腹板1-3厚38mm，箱体高4.5m，宽2.5m，钢箱骨架顶板1-2、钢箱骨架底板1-1、钢箱骨架腹板1-3内外侧均设置剪力钉群1-5，以增强钢板与混凝土的黏结，剪力钉型号采用φ16x120mm；钢箱骨架顶板1-2、钢箱骨架底板1-1均设置两道纵向钢箱骨架加劲肋1-6，钢箱骨架腹板1-3设置三道纵向钢箱骨架加劲肋1-6，顶、底板加劲肋高度250mm，腹板加劲肋高度310mm，厚度均为28mm。

所述组合结构承台系梁1，其内部焊接箱型骨架制作时预留与塔间钢箱斜撑2连接接头；钢骨架与纵向钢筋均伸入承台5m。承台系梁混凝土1-10采用与桥塔承台相同的混凝土标号，且与承台混凝土同时浇筑施工。

所述塔间斜撑2采用矩形钢箱混凝土结构，高3.0m，宽度与组合结构承台系梁1内的焊接箱型骨架同宽，均为2.5m。其中，所述矩形钢箱由钢箱斜撑顶板2-1、钢箱斜撑底板2-2及钢箱斜撑腹板2-3焊接组成，板厚均为38mm。钢箱斜撑顶板2-1、钢箱斜撑底板2-2设置两道钢箱斜撑加劲肋2-8，钢箱斜撑腹板2-3设置三道钢箱斜撑加劲肋2-8，加劲肋尺寸均为高300mm，厚28mm。

所述塔间斜撑2底部与组合结构承台系梁1预留接头1-4于拼接线2-7处相连接；顶部与塔柱内预埋接头2-5连接；管内灌注微膨胀混凝土2-9。

所述塔间斜撑2顶部于塔柱内的预埋接头2-5，在塔柱施工该节段时，设置于塔柱预留槽口2-10中，其端部采用锚固端预应力筋2-11与剪力钉相结合的方式进行锚固；塔柱预留槽口2-10处被打断的主筋采用双面焊接于钢筋连接板2-6上，钢筋连接板2-6采用等强度原则设置。

所述钢牛腿3，由钢牛腿顶板3-1、钢牛腿底板3-2、钢牛腿腹板3-4及钢牛腿端板3-3组成，板厚均采用50mm；其中，根据抗剪计算需求，钢牛腿腹板3-4设置三道。

所述钢牛腿3，待桥塔下塔柱7施工至横梁下一节段后，吊装并与锚固端预埋件3-7焊接。所述钢牛腿锚固端预埋件3-7，设置于塔柱预留槽口3-6内，采用桥塔横梁钢束8-1、钢牛腿锚固端预应力筋3-9与剪力钉相结合的方式进行锚固，与钢牛腿3于钢牛腿拼接线3-8处焊接形成整体；钢牛腿3局部填充微膨胀混凝土，以避免其与桥塔混凝土交界处的应力集中。

所述塔间金属消能阻尼器4，采用剪切屈服型金属消能阻尼器，其力学性能分析时可采用双线性滞回模型，采用高强螺栓4-1安装于钢牛腿3上，以便于日后维修或更换。

实施例2

本发明提供了一种耗能减震式分幅联塔斜拉桥的塔间联系结构形式，本实施例包括组合结构承台系梁1、塔间钢箱斜撑2、阻尼器4、以及钢牛腿3组成；如图1-5、图7-8、图10所示。

本实施例所述分幅联塔斜拉桥，主跨290m，边跨137m，单幅桥宽22.75m；桥塔采用钻石型桥塔，下塔柱高36m，上塔柱高73m，承台系梁高5m。

本实施例所述塔间联系结构，由下塔柱局部联系和塔间金属消能阻尼器组成。所述下塔柱局部联系由组合结构承台系梁1及塔间钢箱斜撑2组成；所述阻尼器4位于桥塔横梁8处内塔肢之间，安装于钢牛腿3上。

所述钢牛腿3，由钢牛腿顶板3-1、钢牛腿底板3-2、钢牛腿腹板3-4及钢牛腿端板3-3组成，板厚均采用50mm；其中，根据抗剪计算需求，钢牛腿腹板3-4设置两道。

所述塔间金属消能阻尼器4，采用剪切屈服型金属消能阻尼器，通过高强螺栓4-1安装于钢牛腿3上。所述塔间金属消能阻尼器4的力学性能参数，采用非线性时程法进行抗震分析后确定。

所述组合结构承台系梁1，由承台系梁混凝土1-10、系梁顶底面纵向钢筋1-7、系梁侧面分布钢筋1-9、系梁底面钢筋网1-8、箍筋1-11及焊接钢箱骨架组成；所述组合结构承台系梁1截面尺寸为高5m，宽4.0m。

所述焊接箱型骨架由钢箱骨架底板1-1、钢箱骨架顶板1-2、钢箱骨架腹板1-3及横隔板1-12、环向加劲肋1-13组成。其中，顶板1-2、底板1-1厚25mm，钢箱骨架腹板1-3厚38mm，箱体高4.5m，宽2.5m，钢箱骨架底板1-1、钢箱骨架顶板1-2、钢箱骨架腹板1-3内外侧均设置剪力钉群1-5，以增强钢板与混凝土的黏结，剪力钉型号采用φ16x120mm。

所述钢箱骨架底板1-1、钢箱骨架顶板1-2均设置两道纵向钢箱骨架加劲肋1-6，钢箱骨架腹板1-3设置三道纵向钢箱骨架加劲肋1-6，顶、底板加劲肋高度250mm，腹板加劲肋高度310mm，厚度均为28mm。

所述塔间钢箱斜撑2采用钢箱结构，其顶部截面中心线处距离承台顶11.4m，截面高3.0m，宽度与组合结构承台系梁1内的焊接箱型骨架同宽，均为2.5m。

所述钢箱结构塔间斜撑2由钢箱斜撑顶板2-1、钢箱斜撑底板2-2及钢箱斜撑腹板2-3焊接组成，板厚均为38mm；钢箱斜撑顶板2-1、钢箱斜撑底板2-2设置两道钢箱斜撑加劲肋2-8，钢箱斜撑腹板2-3设置三道钢箱斜撑加劲肋2-8，加劲肋尺寸均为高300mm，厚28mm。箱体内每间隔1.4m设置一道环向加劲肋；每间隔2.8m设置一道横隔板，其上留有为便于施工而设置的过人孔2-12。

所述塔间钢箱斜撑2底部与组合结构承台系梁1预留接头1-4于拼接线2-7处相连接；顶部与塔柱内预埋接头2-5连接；斜撑柱顶、柱脚处局部灌注微膨胀混凝土2-9，以减小钢-混结合处的应力集中。

所述塔间斜撑2顶部于塔柱内的预埋接头2-5，在塔柱施工该节段时，设置于预留槽口2-10中，其端部采用锚固端预应力筋2-11与剪力钉相结合的方式进行锚固；塔柱预留槽口2-10处被打断的主筋采用双面焊接于钢筋连接板2-6上，钢筋连接板2-6采用等强度原则设置。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。