一种可实现震后快速修复的应用于桥梁墩底三水准抗震设计方法

1.本发明涉及桥梁抗震设计领域，具体提出了一种可实现震后快速修复的应用于桥梁墩底三水准抗震设计方法，适用于各种新建铁路桥、公路桥、城市高架桥，能够提高结构在突发地震作用下的整体抗震性能。


背景技术：

2.与传统抗震设计理念相比，减隔震技术的设计理念是通过减隔震装置将地震能量由结构重要构件转移到减隔震装置上，避免结构重要构件的损伤，而减隔震装置发生损坏时，替换比较简单，便于震后的快速抢修。正基于此，目前减隔震设计方法已成为桥梁抗震设计的主要设计方法之一。目前，桥梁结构一般采用上部减隔震技术，即通过减隔震装置来代替普通支座，以达到减震消能的目的。但是对于目前常用的连续刚构桥，由于上部采用固结形式，无法通过减隔震支座实现减隔震设计的目的；另外，对于常见的一些墩高较高且墩身质量较大，桥墩自身振动特性控制其抗震设计的高墩桥梁结构而言，上部减隔震技术的减震效果也不明显。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可实现震后快速修复的应用于桥梁墩底三水准抗震设计方法，实现常用连续刚构桥和墩身振动特性起控制作用的高墩桥梁的墩底减隔震，将应用于常规桥梁结构的上部减隔震技术转移至桥梁墩底，进一步扩大桥梁减隔震技术的应用范围，并可实现结构的三水准(常遇地震、罕遇地震及超预期地震)抗震设计。
4.本发明的技术方案是：
5.一种可实现震后快速修复的应用于桥梁墩底三水准抗震设计方法，其特征在于，方法过程如下：
6.(一)为实现桥梁墩底减隔震，桥墩墩底设计成倒t型结构；在竖向，承台9和倒t型桥墩墩底之间安装减隔震支座7；在周向，倒t型桥墩墩底置于挡块体系之间；以满足基本的受力稳定和安全保证；
7.(二)在正常运行及小震状态下，通过桥墩墩底与挡块体系之间约束以保持临时固结效应；
8.通过剪力销限制结构的水平位移，并通过水平挡块限制结构的转动位移，共同实现桥墩墩底的临时固结效应；
9.(三)在常遇地震作用下，挡块体系中的上部剪力销被剪断，剪力销水平约束作用失效，桥墩墩底可在两侧水平挡块之间活动，减隔震支座发挥作用，改变结构的刚度，延长结构的自振周期，起到减隔震效果，通过上部水平挡块限制结构的水平位移和转动位移，保障结构的稳定性和安全性；
10.(四)在罕遇地震作用下，挡块体系中的水平挡块被剪断，桥墩墩底可在两侧挡块之间活动，并通过下部梯形挡块限制桥墩的水平位移与转动位移。
11.进一步的，挡块体系包括水平挡块和竖向挡块；挡块体系中剪力销、水平挡块和连接钢筋均可更换。
12.具体的，挡块体系中竖向挡块设计为梯形挡块3；
13.梯形挡块3作为挡块体系中竖向挡块，设置于所述承台9上部，起到限位作用。
14.桥墩墩底和梯形挡块3之间留有空隙。
15.具体的，在墩底两侧倒t型结构的水平延伸部上部设有预留开孔4，用于安装剪力销1。
16.具体的，所述水平挡块2置于梯形挡块3上方，通过连接钢筋5与梯形挡块3连接；所述水平挡块2的另外一端和剪力销1连接。
17.桥墩8倒t型结构周边设置缓冲橡胶垫6，用于缓冲桥墩8墩底与梯形挡块3之间的碰撞。
18.进一步的，剪力销设计方法如下：
19.通过合理设置剪力销的抗剪强度和个数，可以实现正常使用荷载作用下的临时水平固接效应。剪力销的设置参数如下：假设在常遇地震作用下，墩底的剪力为q
e1
，单个剪力销的抗剪强度为vj，则单侧所需剪力销的设置个数为n＝0.9q
e1
/vj。
20.进一步的，锚固钢筋设计方法如下：
21.通过设置水平挡块与下部梯形挡块之间连接钢筋的数量以及锚固深度，可以实现正常使用荷载作用下的临时转动固结效应与在罕遇地震作用下限位作用；锚固钢筋的设置参数如下：假设在罕遇地震作用下，墩底的剪力为q
e2
，则所需钢筋的面积为a
sv
＝0.9q
e2
/f
sv
cosα，其中α为钢筋弯曲破坏时的扭曲角度，可通过试验测得；f
sv
为钢筋的极限抗拉强度，a
sv
为所需钢筋的面积；罕遇地震作用下，墩底的弯矩为m
e2
，则单侧锚固钢筋轴向受拉力为n＝0.9m
e2
/l(l为两侧锚固钢筋中心点距离)，按照混凝土结构加固设计规范即可计算出锚固所需钢筋直径及锚固长度ld；根据以上计算结果，可以得出锚固钢筋所需的设置参数。通过以上参数设置，可以实现设置水平挡块的目的；
22.进一步的，考虑地震计算与实际情况存在的可能误差，为保证所设置剪力销及水平连接钢筋达到设置目的，在计算相应参数时，选取10％的可靠性系数；
23.本发明的有益效果：
24.本发明适用于常用连续刚构桥和墩身振动特性起控制作用的高墩桥梁的多水准设防减隔震设计，提升了其减隔震效果，具有结构简单，成本低廉，安装维护简便，易于修复等特点。
附图说明
25.图1为本发明的结构示意图。
26.图中标号：1剪力销，2水平挡块，3梯形挡块，4预留开孔，5连接钢筋，6缓冲橡胶垫，7减隔震支座，8桥墩，9承台。
具体实施方式
27.下面将结合具体实施例及其附图对本技术提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本技术的优点和特征将更加清楚。
28.需要说明的是，本技术的实施例有较佳的实施性，并非是对本技术任何形式的限定。本技术实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本技术优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本技术实施例所属技术领域的技术人员所理解。
29.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
30.本技术的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本技术实施例的目的，并非是限定本技术可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本技术所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本技术所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本技术各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
31.实施例1
32.基于本发明设计方法得到实施例产品，如图1所示。本实施例的结构：
33.包括：剪力销1、水平挡块2、梯形挡块3、预留开孔4、连接钢筋5、减隔震支座7、缓冲橡胶垫6、桥墩8和承台9；
34.所述桥墩8墩底为倒t型结构，在墩底两侧倒t型结构水平延伸部设有预留开孔4；所述预留开孔4用于安装剪力销1；
35.所述承台9上部设置两个起到限位作用的梯形挡块3；梯形挡块3与承台9为整体浇筑；
36.所述水平挡块2置于梯形挡块3上方，通过连接钢筋5与梯形挡块3连接；所述水平挡块2的另外一端和剪力销1连接；
37.桥墩8倒t型结构周边设置缓冲橡胶垫6，用于缓冲桥墩8墩底与梯形挡块3之间的碰撞；
38.所述减隔震支座7安装于承台9和桥墩8之间。
39.通过合理设置剪力销的抗剪强度和个数，可以实现正常使用荷载作用下的临时水平固接效应。剪力销的设置参数如下：假设在常遇地震作用下，墩底的剪力为q
e1
，单个剪力销的抗剪强度为vj，则单侧所需剪力销的设置个数为n＝0.9q
e1
/vj；
40.通过设置水平挡块与下部梯形挡块之间连接钢筋的数量以及锚固深度，可以实现正常使用荷载作用下的临时转动固结效应与在罕遇地震作用下限位作用；锚固钢筋的设置参数如下：假设在罕遇地震作用下，墩底的剪力为q
e2
，则所需钢筋的面积为a
sv
＝0.9q
e2
/f
sv
cosα，其中α为钢筋弯曲破坏时的扭曲角度，可通过试验测得；f
sv
为钢筋的极限抗拉强度，a
sv
为所需钢筋的面积；罕遇地震作用下，墩底的弯矩为m
e2
，则单侧锚固钢筋轴向受拉力为n＝0.9m
e2
/l(l为两侧锚固钢筋中心点距离)，按照混凝土结构加固设计规范即可计算出锚固所需钢筋直径及锚固长度ld；根据以上计算结果，可以得出锚固钢筋所需的设置参数。
通过以上参数设置，可以实现设置水平挡块的目的。
41.实施例产品应用于桥梁墩底，可实现震后快速修复的三水准抗震，具体作用机理为：通过以上设置的剪力销和水平挡块锚固钢筋，限制结构的水平位移和转动位移，共同实现桥墩墩底在正常使用荷载作用下的临时固结效应；当地震荷载作用超过所设置的剪力销的抗剪强度后，剪力销被剪断，墩底临时水平固接效应失效，从而实现该装置的活动功能，进而改变结构的刚度，延长结构的自振周期，起到减隔震效果；当地震荷载作用超过上部水平挡块与下部梯形挡块之间连接钢筋的抗拉强度与锚固长度后，连接钢筋破坏，墩底水平限位及临时转动固结效应失效，该装置的活动功能进一步增大，减隔震效应进一步明显；可通过下部梯形挡块来预防未来不可预期地震作用下的位移效应，提升结构的整体抗震安全性。
42.上述剪力销、水平挡块和连接钢筋均可更换。