一种极端波浪作用下跨海箱型梁桥的减灾连接件装置的制作方法

1.本发明涉及海洋工程和桥梁工程技术领域，特别是涉及一种极端波浪作用下跨海箱型梁桥的防灾、减灾连接件装置。


背景技术：

2.随着我国高速公路和铁路的大规模建设以及中长期铁路网从内陆向近海岛屿的延伸，我国的近海区域修建了愈来愈多的跨海桥梁。不同于内陆区域的桥梁，跨海箱型梁桥容易遭受到台风、巨浪甚至海啸等复杂的海洋动力环境的侵袭，可能受到不同程度的结构损伤，造成严重的经济损失。已有大量研究表明跨海箱型梁桥结构在极端波浪作用期间极易受到破坏，主要原因是当极端波浪荷载分量中的任何一个超过结构承载力时，有可能造成结构破坏。在水平方向上，结构的抵抗力主要是由支座连接、摩擦力以及其他连接如连接件提供。而在竖向方向上，梁段的自重是主要的抗力。对于缺乏有效竖向约束的跨海箱型梁桥上部结构，极端波浪引起的竖向波浪力分量与浮力的合力极易达到甚至超过梁段自重，从而在较小的水平力也能导致箱梁上部结构发生掀翻或落梁等破坏。目前采取的常用防灾减灾措施是提升上部结构净空，但是在极端波浪引起的潮位上升下，极端波浪仍会作用于上部结构，进而造成上部结构的损伤破坏。因此，对于现有以及在建跨海箱型梁桥，如何提升其在极端波浪作用下的生存几率，是亟待解决的工程难题。


技术实现要素：

3.本发明针对跨海箱型梁桥结构在极端波浪作用期间极易受到破坏的问题，提供了一种极端波浪作用下跨海箱型梁桥的减灾连接件装置，提升了跨海箱型梁桥结构在极端波浪作用下的生存几率，起到了有效的减灾作用。
4.为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
5.一种极端波浪作用下跨海箱型梁桥的减灾连接件装置，装置包括v型钢板、滑槽和螺栓装置，在跨海桥梁原有支座的基础上，在箱型梁桥上部结构侧方和桥墩盖梁上方布置该减灾螺栓连接件装置，其中v型钢板的夹角可以根据箱梁腹板与桥墩盖梁之间的夹角来确定，v型钢板内部进行开孔，便于锚固螺栓将箱梁腹板和连接件装置以及桥墩盖梁与连接件装置进行连接，v型钢板侧边封闭以提升整体刚度及结构稳定性，考虑到原有支座的水平位移，下部螺栓孔设计滑槽结构，保证结构在原有支座水平变形限值范围内具有一定的位移空间。
6.本发明公开了一种极端波浪作用下跨海箱型梁桥的减灾连接件装置，包括以下步骤：
7.步骤一：针对需要进行抗极端波浪荷载加固的箱型梁桥上部结构，需要确定箱梁腹板与桥墩盖梁的夹角，以便确定v型钢板夹角α，必要时在桥墩盖梁上方加设混凝土挡块以便连接件装置的安装架设；
8.步骤二：确定箱型梁桥上部结构参数，选择连接件装置的螺栓孔径d以及锚固长度
l
m
，必要时可进行相应的极端波浪作用下跨海桥梁易损性分析计算，若无计算条件可直接采用建议螺栓型号m30及锚固长度500mm；
9.步骤三：根据跨海箱型梁桥的支座的允许位移，螺栓下部设置螺栓孔的滑槽长度l
h
；
10.步骤四：将连接件装置通过锚固螺栓与跨海箱型梁桥上部结构进行紧密连接。
11.与现有技术相比，本发明所述的装置的有益效果：
12.1.本发明所述的装置结构简单、便于安装，可以在原有支座的基础上，通过螺栓抗剪承载能力和抗拔承载能力，为上部梁体提供额外的水平和竖向承载力，有效降低跨海箱型梁桥在极端波浪荷载作用下的失效概率。在该减灾连接件设计中，能够根据原有支座的不同性能调整滑槽长度，充分发挥原有支座的性能；并且螺栓孔径与锚固长度可以根据不同的桥梁结构承载力及桥址区的极端波浪参数进行更改设计，达到经济高效的目的；由于该连接件装置安装方便，可以通过增加连接件数量的方式提升结构能力，抵御极端灾害并且保障跨海箱型梁桥的安全运营。
13.2.本发明所述螺栓下部的螺栓孔设计有滑槽，保证结构在原有支座水平变形限值范围内具有一定的位移空间，v型钢板侧边采用厚度为d的钢板封闭，以提升减灾连接件整体刚度及结构稳定性。
14.3.本发明所述支座选取了相适应的gjz支座规格参数进行计算，最大承压力为4761kn，板式橡胶的支座的水平滑移限值取0.7倍橡胶片总厚度。
15.4.本发明所述箱梁腹板与桥墩盖梁的夹角，确定v型钢板1夹角为α＝72
°
，并在桥墩盖梁的上方加设c50的混凝土挡块6以便连接件装置的安装架设。
16.5.本发明所述连接件装置对跨海箱梁桥在极端波浪作用下的失效概率有较为明显的降低作用，采用建议螺栓型号m30，螺栓锚固长度的增大对跨海桥梁在极端波浪作用下的生存概率提升并不明显，因此可以采用建议螺栓锚固长度500mm。
附图说明
17.图1是本发明的架设布置图；
18.图2是本发明的平面(a)布置图；
19.图3是本发明的侧面(b)布置图；
20.图4是加装本发明所述减灾连接件前后的跨海箱型梁桥的极端波浪易损性曲线对比图；
21.图5是减灾连接件参数对跨海箱型梁桥的极端波浪易损性曲线的影响规律图。
22.图中标记：1
‑
v型钢板，2
‑
螺栓，3
‑
箱型梁桥上部结构，4
‑
桥墩盖梁，5
‑
支座，6
‑
混凝土挡块，7
‑
滑槽。
具体实施方式
23.实施例1
24.如图1
‑
图3所示，本发明一种极端波浪作用下跨海箱型梁桥的减灾连接件装置安装在箱型梁桥上部结构3(梁腹板)上，箱型梁桥上部结构3的下部具有支座5，支座5采用与桥墩盖梁4固结的混凝挡块6来安装，v型钢板1通过螺栓2锚固在箱型梁桥上部结构3以及混
凝土挡块6上，螺栓2下部的螺栓孔设计有滑槽7，保证结构在原有支座5水平变形限值范围内具有一定的位移空间，v型钢板1侧边采用厚度为d的钢板封闭，以提升减灾连接件整体刚度及结构稳定性。
25.为了验证本发明在降低跨海箱型梁桥在极端波浪荷载作用下的失效概率上的有效性，针对加装本发明所述减灾连接件前后的跨海箱型梁桥进行了易损性分析。其中跨海桥梁模型参考海坛海峡某跨海桥梁进行设计计算，梁段宽15m，长55m，箱梁翼缘高0.45m，梁腹板宽7.68m，以及箱梁高度为2.7m，采用普通板式橡胶支座，按照《公路桥梁板式橡胶支座规格系列》选取了相适应的gjz支座规格参数进行计算，最大承压力为4761kn，板式橡胶的支座5的水平滑移限值取0.7倍橡胶片总厚度。箱梁上部结构所受极端随机波浪荷载采用势流理论计算，其中箱梁处于顶部与水面齐平的淹没状态来模拟极端潮位，随机波浪的有效周期取7.8s。桥梁下部结构所受极端随机波浪荷载采用morison方程进行计算，桥梁在极端波浪荷载作用下的动力响应通过非线性计算程序得到，并定义桥梁的极限状态函数为结构能力与需求的函数。先对未加装连接件的跨海箱型梁桥进行易损性分析，然后在箱梁的迎浪侧和背浪侧各布置3组连接件，包括以下步骤：
26.步骤一：针对箱型梁桥上部结构3尺寸即箱梁腹板3与桥墩盖梁4的夹角，确定v型钢板1夹角为α＝72
°
，并在桥墩盖梁4的上方加设c50的混凝土挡块6以便连接件装置的安装架设；
27.步骤二：连接件螺栓2采用m22的8.8级螺栓，抗拉强度400mpa，抗剪强度320mpa，锚固长度l
m
取500mm；
28.步骤三：根据板式橡胶的支座5的水平滑移限值，设置下部螺栓孔的滑槽7长度l
h
；
29.步骤四：将连接件装置通过锚固螺栓2与跨海箱型梁桥上部结构3进行紧密连接。
30.如图4所示，给出了加装本发明所述减灾连接件前后的跨海箱型梁桥的极端波浪易损性曲线的对比情况。可以看出在极端波浪的作用下，处于淹没状态下的跨海箱型梁桥上部结构在1m有效波高的极端波浪作用失效概率为100％，然而加装了连接件后，能看出跨海箱型梁桥上部结构在1m有效波高的极端波浪作用下不会产生破坏，直到有效波高增长至2.5m左右时失效概率升至100％。可以看出，加装了本发明所提出的连接件装置之后，能够有效降低跨海箱型梁桥上部结构在极端波浪荷载作用下的失效概率。
31.实施例2
32.为了确定连接件参数，如螺栓2直径以及螺栓2的锚固长度对连接件装置减灾效果的影响情况，开展了减灾连接件参数对跨海箱型梁桥上部结构的极端波浪易损性曲线的影响规律计算。其中跨海桥梁模型参考海坛海峡某跨海桥梁进行设计计算，梁段宽15m，长55m，箱梁翼缘高0.45m，梁腹板宽7.68m，以及箱梁高度为2.7m，采用普通板式橡胶的支座5，按照《公路桥梁板式橡胶支座规格系列》选取了相适应的gjz支座规格参数进行计算，最大承压力为4761kn，板式橡胶支座的水平滑移限值取0.7倍橡胶片总厚度。箱型梁桥上部结构所受极端随机波浪荷载采用势流理论计算，其中箱梁处于顶部与水面齐平的淹没状态来模拟极端潮位，随机波浪的有效周期取7.8s。桥梁下部结构所受极端随机波浪荷载采用morison方程进行计算，桥梁在极端波浪荷载作用下的动力响应通过非线性计算程序得到，并定义桥梁的极限状态函数为结构能力与需求的函数。在箱梁的迎浪侧和背浪侧各布置3组连接件，包括以下步骤：
33.步骤一：针对箱型桥梁上部结构3尺寸即箱梁腹板3与桥墩盖梁4的夹角，确定v型钢板1夹角为α＝72
°
，并在桥墩盖梁上方加设c50混凝土挡块6以便连接件的安装架设；
34.步骤二：连接件螺栓2采用m22
ⅹ
500螺栓，即m22螺栓和500mm锚固长度；
35.步骤三：根据板式橡胶的支座5的水平滑移限值，设置下部螺栓孔的滑槽7长度l
h
；
36.步骤四：将连接件装置通过锚固螺栓2与跨海箱型梁桥上部结构3进行紧密连接。
37.步骤五：重复以上步骤，仅替换步骤二中所使用的螺栓2，依次替换成m18
ⅹ
500、m27
ⅹ
500、m30
ⅹ
500、m22
ⅹ
300、m22
ⅹ
400和m22
ⅹ
600。
38.如图5所示，给出了减灾连接件参数对跨海箱型梁桥的极端波浪易损性曲线的影响规律图。可以看出当螺栓直径较小时，随着螺栓直径的增大，连接件对跨海箱梁梁桥在极端波浪作用下的失效概率有较为明显的降低作用，然而当螺栓型号超过m27之后，提升效果迅速下降，因此若无易损性计算条件时，可以采用建议螺栓型号m30。同时，能够发现螺栓锚固长度的增大对跨海桥梁在极端波浪作用下的生存概率提升并不明显，因此可以采用建议螺栓锚固长度500mm。采用本发明连接件时，不建议在设计中采用过大的螺栓直径和锚固长度，考虑到连接件结构构造简单、方便安装，在跨海箱梁梁桥的极端波浪灾害安全设计中可以采用增加连接件数量的方法降低结构的失效概率。同时，可以依据桥址区潮位、极端波高以及桥梁设计参数，并通过极端波浪易损性分析来具体确定连接件个数，来保证在极端波浪灾害下跨海箱型梁桥的运营安全。