一种内置波纹腹板阻尼器的限位自复位铁路摇摆空心桥墩

技术领域

本发明属于桥梁工程抗震领域，具体为一种内置波纹腹板阻尼器的限位自复位铁路摇摆空心桥墩。

背景技术

桥梁在高速铁路中有着庞大的占比，使得其在轨道交通运输中的重要性不可替代。目前的桥梁抗震设计主要是基于延性抗震的理念，通过设置塑性铰产生塑性变形耗散地震能量。但这种设计方法在震后会产生较大的残余位移，且容易产生局部的严重破坏。对于产生结构损伤的桥梁只能通过拆除重建的方式修复，这种方式造成了极大的经济损失，也滞后了修复速度。

震后损坏的桥梁不仅丧失轨道交通运输能力，也严重滞后了网络交通运输，给修复重建工作带来了极大的困难，灾区救援抢险通道会受到阻塞。桥墩是桥梁主要承重构件，也是震时主要耗能构件，是桥梁抗震的重要构件之一，避免桥墩的折断能够有效防止桥梁倒塌。

现研究出一种具有损伤控制和自复位能力的摇摆桥墩结构，其能实现桥梁大震不倒，且震后无需修复或稍加修复就能恢复正常使用功能。摇摆桥墩能降低结构抗侧刚度，延长结构自震周期以此达到隔震效果，但抗剪能力差，整体性差。同时上部结构自重及预应力束给桥墩提供了自复位能力，残余位移减小。但摇摆桥墩震时耗能能力较差，在摇摆时往往需要设置附加阻尼器，且阻尼器外用外置的方式设置，外置阻尼器不仅易出现人为破坏，还受环境因素影响使用寿命。

发明内容

本发明的目的提供一种抗剪能力强、整体性好、内置波纹腹板阻尼器的限位自复位铁路摇摆空心桥墩，保证桥墩在遭遇较大地震时避免自身结构的破坏。

本发明提供的这种内置波纹腹板阻尼器的限位自复位铁路摇摆空心桥墩，其圆端形的空心墩体底部与安装基础嵌合装配，空心墩体内腔底部设置有沿其横桥向的波纹腹板阻尼器，波纹腹板阻尼器的下端与基础之间通过拉杆铰接，波纹腹板阻尼器的正上方设置撑杆组件；墩底轴向中心与基础之间锚固无粘结预应力钢筋。

上述桥墩的一种实施方式中，所述墩体的墩底为实心段，实心段的底面中部为下凸的弧形凸台，弧形凸台两侧墩壁的底面为往上收的圆弧面，圆弧面与安装基础之间浇筑纤维混凝土支撑座。

上述桥墩的一种实施方式中，所述墩体的墩底横向两端外壁与基础之间设置有钢绞线。

上述桥墩的一种实施方式中，所述墩体的上端面为平面，设置有橡胶支座和减震榫，减震榫的钢榫主体为锥形支撑体和上端圆球体的整体件，圆球体和锥形支撑体分别配置榫头和底板，底板通过螺栓固定于墩体上端面，榫头通过紧固件与墩体上方的结构箱梁底面固定。

上述桥墩的一种实施方式中，所述波纹腹板阻尼器包括波纹腹板、安装盒和夹板，安装盒为矩形板盒，其内腔宽度大于波纹腹板波纹段的总厚度，夹板可上下滑动的插接于安装盒的底部，波纹腹板的延展方向沿竖直方向设置，波纹腹板置于安装盒内腔中，顶部通过贯穿安装盒的螺栓悬挂，底部被夹板夹住后通过贯穿和波纹腹板的螺栓连接；安装盒的上端两侧对称伸出有外表面与所述墩体圆端内壁匹配弧面的连接头。

上述桥墩的一种实施方式中，所述波纹腹板有左右并排的两块，它们的下端分别通过所述夹板夹持后固定。

上述桥墩的一种实施方式中，所述夹板外壁与安装盒内腔底部内壁之间通过嵌合的竖向齿板面装配，夹板的上端端部设置有限位块，安装盒的底部两侧设置有挡块。

上述桥墩的一种实施方式中，所述波纹腹板阻尼器包括波纹腹板和安装框，安装框为倒置的U形框，其内壁设置有一圈矩形槽，两侧臂上矩形槽的下端为盲端，矩形槽的宽度大于波纹腹板波纹段的总厚度，波纹腹板的延展方向沿竖直方向设置，左右并排的两块波纹腹板置于矩形槽中，顶部通过贯穿安装框的螺栓悬挂；安装框的上端两侧对称伸出有外表面与所述墩体圆端内壁匹配弧面的连接头。

上述桥墩的一种实施方式中，所述撑杆组件包括钢制撑杆和安装座，钢制撑杆包括多根水平撑杆和它们之间的斜撑杆，安装座为π型座，其端板外壁为空心墩体内壁匹配的弧形；安装座的端板通过螺栓固定于墩体圆端侧壁，水平撑杆和斜撑杆的端部分别与安装座通过螺栓铰接。

本发明将墩底与基础之间锚固无粘结预应力钢筋，使桥墩在地震作用下可提离摇摆避免墩体结构发生破坏，且摇摆幅度有一定限制，使桥墩具有一定的震后自复位功能。在空心墩体内腔底部设置波纹腹板阻尼器，将波纹腹板阻尼器与基础之间通过拉杆连接，桥墩摇摆时通过波纹腹板阻尼器耗能降低地震能量的输入。在墩体内对应波纹腹板阻尼器的上方设置撑杆组件，来提升桥墩抗剪能力以及桥墩的整体性，当然，波纹腹板阻尼器的设置也可一定程度上提升桥墩的抗剪能力。

附图说明

图1为本发明实施例一的横桥向结构剖视示意图。

图2为图1中的A-A线的剖视示意图。

图3为图1中波纹腹板阻尼器的轴测结构示意图。

图4为图3去掉安装盒后的结构示意图。

图5为图1中撑杆组件的结构示意图。

图6为图5中水平撑杆和斜撑杆与安装座装配的爆炸结构示意图。

图7为本实施例中墩体底部外壁与基础之间钢绞线的作用示意图。

图8为本发明实施例二中波纹腹板阻尼器的轴测结构示意图。

具体实施方式

实施例一、如图1所示，本实施例公开的这种内置波纹腹板阻尼器的限位自复位铁路摇摆空心桥墩，主要包括空心墩体1、波纹腹板阻尼器2、水平撑杆3、斜撑杆4、安装座5、拉杆6、纤维混凝土支撑座7、现浇基础8、无粘结预应力钢筋9、钢绞线10、减震榫11和橡胶支座12。

结合后图1、图2可以看出，空心墩体1的横桥向两端为圆端，其内腔中的横桥向中心面底部固定有波纹腹板阻尼器2，波纹腹板阻尼器2的上方布置有由水平撑杆3、斜撑杆4及安装座5通过紧固件装配的撑杆组件。

结合后图2、图3可以看出，波纹腹板阻尼器2包括波纹腹板21、安装盒22和夹板23。安装盒22为矩形板盒，其内腔宽度稍大于波纹腹板21波纹段的总厚度，夹板23可上下滑动的插接于安装盒22的底部：在夹板外壁与安装盒内腔底部内壁之间通过嵌合的矩形齿板面装配，夹板的上端端部设置有限位块，安装盒的底部两侧设置有挡块。

波纹腹板21的波纹沿水平方向设置，使波纹腹板可沿竖向伸缩。

波纹腹板阻尼器2装配时，两块波纹腹板21左右并排置于安装盒22的内腔中，顶部通过贯穿安装盒22的高强度螺栓悬挂，底部分别被一对夹板23夹住后通过贯穿的高强度螺栓固定。桥墩在地震作用下摇摆，桥墩内同一高度左右两侧位移不一致可能对墩体结构产生破坏时，可通过两块波纹腹板的独立运动来有效解决这个问题。当震后需要更换波纹腹板时，操作方便快捷。

安装盒22的上端两侧对称伸出有外表面与墩体圆端内壁匹配弧面的连接头，连接头通过高强度螺栓与内壁固定。

结合图1、图5和图6可以看出，水平撑杆3有平行等间距布置的多根，各水平撑杆的两端分别配置安装座5。安装座5为π型座，其端板外壁为墩体圆端内壁匹配的弧形。各水平撑杆3之间分别布置斜撑杆4，斜撑杆4和水平撑杆3的两端分别通过矩形耳板与相应的安装座5插接后通过螺栓铰接。

安装座5的端板通过高强度螺栓固定于墩体圆端内壁，撑杆组件在空心墩体的横向中心面呈半米字型的布置方式。

撑杆组件可有效传递了墩体上端结构箱梁的剪力传递，提高了装配式桥墩接缝位置的抗剪能力以及桥墩的整体性，解决传统空心桥墩抗剪能力较弱、桥墩整体性较差的问题。

从图1可以看出，波纹腹板阻尼器2的下端横向两侧通过拉杆6与空心墩体的现浇基础连接，波纹腹板阻尼器2的夹板23下沿两端对称连接有用于连接拉杆6的耳板。波纹腹板阻尼器作为耗能装置，通过波纹腹板的自身结构来耗散地震能量，也可以一定程度上提升空心桥墩抗剪能力。

空心墩体1的墩底有实心段，实心段的底面中部为下凸的弧形凸台，弧形凸台两侧墩壁的底面为往上收的圆弧面，圆弧面与安装基础之间浇筑纤维混凝土支撑座7。

墩底实心段的轴向中心与现浇基础8之间通过无粘结预应力钢筋9及锚具连接，拉杆6穿过实心段和现浇基础。即实心段和现浇基础上分别设置无粘结预应力钢筋9和拉杆6的安装孔。

空心墩体1的墩底圆端外壁与现浇基础之间对称铰接有钢绞线10。

空心墩体1的顶面为平面，设置有减震榫11和橡胶支座12。减震榫11的钢榫主体为锥形支撑体和上端圆球体的整体件，圆球体和锥形支撑体分别配置榫头和底板，底板通过螺栓固定于墩体上端面，榫头通过紧固件与墩体上方的结构箱梁底面固定。

本实施例的空心墩体可采用分节段现浇成型或者分节段在工厂预制，空心墩体的安装基础采用现浇方式成型。

空心墩体分节段现浇的施工过程如下：

(1)基础浇筑，预留用于安装无粘结预应力钢筋和拉杆的安装孔，以将墩体底部和波纹腹板阻尼器与基础连接。注意用于安装无粘结预应力钢筋的安装孔孔径只需考虑便于安装即可，而用于安装拉杆的安装孔孔径还需考虑地震时拉杆跟随墩体摇摆的空间。

(2)待基础混凝土养护期结束之后，浇筑纤维混凝土。纤维混凝土有一定的强度与韧性，在桥墩正常使用时能够支撑桥墩，而在桥墩摇摆与之相互碰撞时，相对于不同混凝土，它不容易被压裂。纤维混凝土浇筑时，外表面要与桥墩的墩壁平齐，内表面为与墩底圆端相匹配的圆弧面，这样桥墩在中大震情况下纤维混凝土被压碎时，能以与基础嵌合的圆弧面进行平整的摇摆，增大了摇摆时的接触面面积。

(3)依次浇筑墩底段、中间分段及墩顶段

墩底段按设计形状浇筑，成型后与基础和纤维混凝土成型体嵌合，墩底段养护好后安装拉杆、无粘结预应力钢筋及波纹腹板阻尼器，并将拉杆上端与波纹腹板阻尼器连接，在墩底圆端外壁和基础之间安装钢绞线；

中间段浇筑过程中，根据实际情形依次安装各撑杆；

墩顶段浇筑时，预留检修孔，浇筑成型后安装减震榫和橡胶支座。

即构件在空心墩体相应的浇筑节段成型后安装固定。

空心墩体采用分节段现节段在工厂预制时，在各节段的墩体预制完成后根据内置结构件的设计位置安装固定好。即将内置结构在工厂安装好，现场只需将节段拼接后现浇拼接缝。

上述结构的波纹腹板阻尼器的耗能原理如下：

波纹腹板的波峰和波谷两侧均有挡板，与其拉压变形方向一致，正常使用时，波纹腹板不与挡板接触，两块波纹腹板的底部分别通过一对夹板夹住，在变形时可单独进行拉伸和收缩变形，而且安装盒底部和夹板之间通过竖向的矩形齿板面啮合，所以波纹腹板仅能在夹板上下滑动时发生竖向的拉伸运动，而不会出现相对挡板的水平位移。另外，波纹腹板的竖向拉伸有上限位和下限位，可防止拉伸位移过大时夹板脱离轨道被拉出安装盒外，或者压缩时整个夹板嵌入挡板内部的情形。即安装盒的结构能保证波纹腹板在设定范围内实现拉伸和压缩耗能。

具体来说，地震作用下桥墩摇摆时，波纹腹板阻尼器的安装盒上端固定于墩体内壁跟随桥墩运动，而波纹腹板阻尼器下端与基础之间的拉杆可使波纹腹板阻尼器的安装盒挡板与其底部的夹板产生上下相对位移。由于挡板与波纹腹板上端连接，而夹板与波纹腹板下端连接，挡板与夹板的上下相对位移即可使波纹腹板产生竖向拉伸或压缩变形，从而实现耗能。当波纹腹板受到一定程度的压缩时，安装盒的前后挡板可限制波纹腹板波峰和波谷向外凸起，避免产生过大变形，也可提升波纹腹板阻尼器的整体抗剪承载力。波纹腹板阻尼器内部采用两块并排的波纹腹板，一方面可保证两块波纹腹板可跟随桥墩左、右两侧单独运动，分别进行拉伸与压缩，另一方面可方便在震后对破坏的结构进行更换。波纹腹板的形状和尺寸可根据需要择优选取，波纹的形状包括正弦波形状和方波形状等，但需保证波纹腹板的延展方向为竖向。波纹腹板的使用增强了其面外稳定性和抗剪能力，克服了平钢板易面外屈曲的不足。

利用空心墩体的墩底轴向中心与基础之间通过锚具安装的无粘结预应力钢筋的恢复力可实现墩体的自复位，减小或消除震后桥梁结构的残余位移，能够在灾后实现快速通车。

墩体圆端外壁与基础之间设置的钢绞线，可避免墩身在摇摆过程中产生过大转角倾覆，同时还能确保墩体内置的波纹腹板阻尼器免于破坏，如图7所示。

墩体上端的减震榫不影响桥梁支座的正常使用，同时在一定程度上承受制动力和温度力，处于弹性状态。地震情况下，减震榫的钢榫主体会发生塑性变形，一方面吸收了地震能量，一方面也降低结构刚度，延长结构自振周期，减少地震作用。

本桥墩在遭遇不同程度地震时的具体工作状态如下：

小震作用时：当地震波传至桥梁结构时，由于上部结构的惯性力导致减震榫中的钢榫发生塑性变形，提高了结构阻尼比，消耗地震输入的能量。同时由于刚度降低，结构周期得到了延长，有效避开了地震能量集中的频率范围

中大地震作用时：在中震及大震作用下，减震榫的钢榫屈服消耗的地震能量相对较小，此时桥墩底部产生摇摆，空心桥墩内部各耗能装置发挥作用。上部结构传至桥墩的水平力加大，桥墩在底部欲提离摇摆。基础与桥墩之间产生相对位移，而阻尼器底端通过基础连接杆与基础相连，顶端由普通螺栓固定在空心桥墩内壁。随着桥墩的摇摆，波纹腹板顶端和底端产生相对位移从而出现拉伸或收缩变形，其变形消耗地震输入能量。以桥墩向右摇摆为例，说明桥墩的工作状态：当桥墩向右摇摆时，左侧墩底提离，左侧墩底与基础产生相对位移，由于波纹腹板阻尼器内部并排放置两块波纹腹板，左边的波纹腹板发生拉伸变形，右边的波纹腹板则发生压缩变形，均耗散地震能量，避免了地震对桥梁结构的破坏。桥墩向右摇摆时同理。桥墩摇摆时与基础发生碰撞压碎纤维混凝土，桥墩沿着底部的圆弧段摇摆提离，这进一步延长了桥梁结构周期，减小了地震能量的输入。在地震作用停止后，桥墩在桥墩自重和预应力钢筋的恢复力作用下实现自复位。由于桥墩本身混凝土结构未发生任何破坏，因此后续只需更换底部压碎的纤维混凝土和变形的波纹腹板。

总结来说，本桥墩具有以下优势：

创新性的提出了波纹腹板作为耗能构件的阻尼器，这种构造能够在桥墩摇摆时发生拉压变形耗散地震输入能量。相对于普通H型钢板，波纹腹板在耐冲击力、耐腐蚀性能以及防锈性能方面都有大幅度提升，并且具备一定防火阻燃能力。在施工中，其后期安装、加工均十分方便、可塑性强，且可根据工程实际情况设计不同截面尺寸的波形。

波纹腹板阻尼器为盒装结构，且两块波纹腹板底部分别通过夹板固定，在桥墩摇摆带动波纹腹板上下运动时，安装盒的前后挡板与底部夹板间设置了嵌合的竖向轨道以确保波纹腹板的拉伸、压缩方向。夹板及其上端的限位结构还能防止波纹腹板发生过大变形，起到保护作用。

在桥墩内部增设多根钢制撑杆，以半米字型的布置方式放置。这些撑杆增强了空心桥墩的抗剪能力，提升了桥墩整体性，这些杆件本身也能增加桥墩的整体刚度，减小在地震摇摆时对桥墩的破坏。

将钢制撑杆与波纹腹板阻尼器设置在空心桥墩内部，避免了环境对这些构件的破坏，降低了日常维护费用。而且波纹腹板阻尼器，相较于市面上常见的液压阻尼器、脉冲阻尼器等等不会在正常使用过程中就发生漏液、漏气等损坏的情况，空心桥墩内部构件仅在地震时发挥作用，进一步降低了日常维护费用。

采取两级防护的构造，使桥墩实现了“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设计标准。在小震作用下，减震榫的钢榫发生屈服消耗地震能量，同时降低结构刚度以延长结构周期，减少地震破坏作用。中大震作用下，桥墩底部纤维混凝土压碎，桥墩沿着底部与基础嵌合的圆弧段进行提离摇摆，进一步延长结构周期，耗散了地震能量，墩底与基础之间的钢绞线可以避免墩身在摇摆过程中产生过大转角倾覆，也确保里面的阻尼器不受到破坏。桥墩主体在震后不会产生破坏，因此，不会影响震后交通系统的恢复及灾区重建。

实施例二，本实施例与实施例一的主要区别在于：墩体底部内置的波纹腹板阻尼器结构不同。本实施例的波纹腹板阻尼器2包括波纹腹板21和安装框24，安装框24为倒置的U形框，其内壁设置有一圈矩形槽，两侧臂上矩形槽段的下端为盲端，使波纹腹板可下限位，以防波纹腹板21被拉出安装框24外，矩形槽的宽度大于波纹腹板21波纹段的总厚度，波纹腹板21的波纹沿水平方向设置，左右并排的两块波纹腹板置于矩形槽中，顶部通过贯穿安装框24的螺栓悬挂；安装框的上端两侧对称伸出有外表面与墩体圆端内壁匹配弧面的连接头，如图8所示。

波纹腹板21的底部通过高强螺栓与拉杆6连接。

本实施例的其它结构及装配方式与实施例一相同。

实施例一中的波纹腹板阻尼器最好在工厂生产时装配好，相较于实施例一中的波纹腹板阻尼器，成本略高但由于波纹腹板采用安装板盒和夹板安装，对对波纹腹板的保护作用更强，且限制了波纹腹板的变形范围，整体承载力高于第二个实施例中波纹腹板阻尼器，更适合在烈度高的地区使用。

实施例二中的波纹腹板阻尼器可在现场拼装，成本较低且方便震后更换，且更适合烈度较低地区。

所以可根据实际需求选择两种结构的波纹腹板阻尼器应用。