一种顺桥向低屈服点钢制耗能型桥梁抗震挡块结构的制作方法

本实用新型属于桥梁抗震技术领域，具体涉及一种用于桥梁的顺桥向低屈服点钢制耗能型桥梁抗震挡块结构。

背景技术：

我国位于太平洋地震带和欧亚地震带之间，是世界上多地震国家之一，发生的地震具有强度大、分布广、震源浅和震害特别严重等特点。修建的桥梁多处于公路交通的枢纽地位和咽喉地段，为生命线工程的重要组成部分，一旦在地震中遭到破坏，其后果是灾难性的，有时甚至会导致整个交通系统的严重瘫痪，给后续的救援和重建工作带来不便。在过去几十年里发生的大地震中，桥梁的震害形式主要包括：支座损坏；梁式桥的上部梁体位移如果超出了桥墩的支撑面，则会引起落梁震害（含横桥向和顺桥向）；上部梁体发生落梁时如果撞击桥墩，引起下部结构很大的碰撞破坏；伸缩缝处相邻梁体碰撞引起的局部损坏；伸缩缝处相对较大的碰撞力还会把该处的碰撞力效应，传到桥墩底部，引起桥墩底部的损坏；桥梁抗震挡块自身的局部损坏，从而丧失挡块的抗震功能。

目前我国的桥梁为了限制上部梁体横桥向相对较大的位移，常常在桥墩盖梁顶部安装钢筋混凝土挡块，而对限制上部梁体顺桥向相对较大位移的研究相对较少。但是地震中桥梁也常常发生梁体顺桥向的落梁损坏。普通的钢筋混凝土挡块和梁体之间的碰撞是混凝土之间的刚性碰撞，容易造成钢筋混凝土挡块和桥梁梁体的局部损坏，而且地震中钢筋混凝土挡块的水平剪力通常不足，挡块容易发生不可修复的破坏，不能很好限制梁体的位移。但是如果加强混凝土挡块和盖梁间的连接强度，又会把挡块和梁体间的碰撞效应转移到桥墩底部，引起桥墩底部的损坏。另外地震中，对于设置伸缩缝的梁式桥，较大的上部梁体顺桥向位移还会引起邻梁在伸缩缝处的直接碰撞，不仅在碰撞区域产生严重的局部破坏，还会增大伸缩缝的宽度影响车辆的正常通行。

针对上述不足，需要设计和开发一种新型的顺桥向抗震挡块结构，不仅能把发生在挡块和梁体之间的刚性碰撞转化为柔性碰撞，还能有效减小碰撞力和消耗地震能量。

技术实现要素：

鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型设计和开发一种新型的抗震挡块结构及布置方法，限制顺桥向梁体和桥墩之间相对较大的位移，保护支座，防止梁体顺桥向的落梁震害；把发生在挡块和梁体之间的刚性碰撞转化为柔性碰撞，大大减小碰撞区域的局部损坏；把伸缩缝处相邻梁体间的碰撞转移到挡块上，达到保护伸缩缝的作用；增加并分散梁体和挡块之间的碰撞位置，大大减小作用在每一挡块结构的碰撞力，减小挡块结构的局部损坏；尽可能多的消耗掉地震能量，以期减小桥墩等其他桥梁构件的损坏。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是，一种顺桥向低屈服点钢制耗能型桥梁抗震挡块结构，其特征在于：包括钢牛腿、挡块块体和钢架；钢牛腿固定在桥梁活动支座附近的桥墩顶部的侧面，挡块块体焊接在钢牛腿上；钢架固定在桥的主梁的底部，挡块块体位于两个钢架之间，挡块块体与钢架之间预留一定的距离。

所述挡块块体和钢架之间的较优距离为20mm～80mm。

所述挡块块体由挡块块体钢底板、挡块块体钢侧板、挡块块体钢腹板、挡块块体加劲肋、耗能型低屈服点钢板和碰撞钢板焊接构成；两块相对的挡块块体钢侧板焊接在挡块块体钢底板上，两块相对的挡块块体钢侧板之间自下而上依次焊接一块耗能型低屈服点钢板、一块挡块块体加劲肋和一块挡块块体钢腹板，每块挡块块体钢侧板外侧和挡块块体加劲肋相同高度的水平位置上各焊接一块碰撞钢板，碰撞钢板的最边缘处为圆弧形。

所述的钢架由钢架加劲肋、钢架侧板、钢架腹板和钢架顶板焊接而成；钢架顶板开有若干个螺栓孔；水平的钢架顶板向下焊接两块竖直并且相对的钢架侧板，两块钢架侧板之间焊接钢架加劲肋和钢架腹板；钢架加劲肋和钢架顶板平行，钢架腹板和钢架顶板垂直。

所述挡块块体中的耗能型低屈服点钢板的屈服强度要低于挡块块体中除了耗能型低屈服点钢板以外的其它钢材的屈服强度，挡块块体中除了耗能型低屈服点钢板以外的其它钢材的屈服强度和构成钢牛腿、钢架的钢材的屈服强度相同。

所述的耗能型低屈服点钢板采用屈服点为160MPa或100MPa的低屈服点钢。

所述的顺桥向低屈服点钢制耗能型桥梁抗震挡块结构的布置方法，其特征在于，该桥梁抗震挡块结构横桥向布置在每一桥梁活动支座的附近，挡块结构布置多而且分散，挡块块体和钢架之间的距离小于活动支座允许移动的最大距离，达到保护支座的目的；对于设置伸缩缝的梁式桥，挡块块体和钢架之间的距离还要小于伸缩缝的宽度，地震中，可以分散碰撞位置，大大减小作用在每一桥梁抗震挡块结构上的地震力，可以把本应发生在伸缩缝处相邻梁体间的碰撞转移到挡块上，防止伸缩缝处的碰撞损坏。

上述的布置方法，进一步的，挡块块体的加劲肋、碰撞钢板和钢架的加劲肋要对齐设置。

其原理是：地震中，顺桥向梁体和桥墩发生相对较大的位移，当该位移超过挡块块体和钢架之间的距离时，挡块块体和钢架发生碰撞，从而限制顺桥向梁体和桥墩的相对较大位移，防止落梁损坏。挡块块体中含有1块耗能型低屈服点钢板，其屈服强度低于抗震挡块结构中其他钢材的屈服强度，便于地震中，耗能型低屈服点钢板比其他普通钢板先发生较大变形，消耗能量。地震波有三个方向，常常导致桥梁的振动非常复杂，挡块块体和钢架之间的碰撞很难是面对面的均匀碰撞，更多的是碰撞位置不确定的点对面的非均匀碰撞。因此，挡块块体上有两块碰撞钢板，该碰撞钢板的最边缘处为圆弧形，这样就能满足桥梁在复杂振动下是碰撞位置不确定的点对面的非均匀碰撞，有利于挡块结构正常工作。

为了进一步确保抗震挡块结构中的耗能型低屈服点钢板正常工作，还要预防挡块结构中的其他钢板不发生严重的局部损坏，如钢板屈曲等。因此，挡块块体的碰撞区域除了设置最边缘处为圆弧形的碰撞钢板以外，还设置1块挡块块体的加劲肋；同理，钢架的碰撞区域也设置了1块钢架的加劲肋。挡块块体的加劲肋、碰撞钢板和钢架的加劲肋要对齐设置，使碰撞位置在加劲肋处，钢板不易发生局部屈曲，挡块结构不易发生局部损坏。

本实用新型的有益效果是：本实用新型能有效限制桥梁梁体和桥墩之间顺桥向的相对较大位移，防止梁体落梁损坏，减小活动支座和伸缩缝的震害。因为在每一活动支座附近都布置了所述的桥梁抗震挡块，挡块的位置分散，数量多，这样的布置方法可以有效减小作用在每一挡块结构上的地震力，减小对挡块结构本身的损伤。另外，挡块块体中的加劲肋、碰撞钢板和钢架中的加劲肋对齐设置，使碰撞位置在加劲肋处，不易损坏挡块结构。碰撞钢板最边缘圆弧形设计能有效满足挡块与钢架间的碰撞是碰撞位置不确定的非均匀碰撞。在中小地震作用下，较小的碰撞力使得挡块块体中的耗能型低屈服点钢板处在弹性阶段，该阶段与普通钢筋混凝土挡块相似，属刚性碰撞；但在大地震作用下，较大的碰撞力会使耗能型低屈服点钢板进入塑性阶段，挡块块体与钢架之间的碰撞属柔性碰撞，不仅可以有效减小碰撞区的局部损坏和减小传递到桥墩底部的损坏，还可以依靠挡块块体中耗能型低屈服点钢板的塑性变形，消耗一部分地震能量，减小地震对桥梁其他构件的损坏。最后，本实用新型具有材料价格低，构造简单，施工方便，适用于旧桥和新桥，容易检测维修等优点。

附图说明

图1为本实用新型应用于工字型钢板组合梁桥示意图；

图2为图1的A-A截面示意图；

图3为地震作用下本实用新型的第一种工作状态图；

图4为地震作用下本实用新型的第二种工作状态图；

图5为本实用新型的钢牛腿结构示意图；

图6为本实用新型的挡块块体结构示意图；

图7为本实用新型的钢架结构示意图。

在图中：1-桥的主梁，2-桥的另一主梁，3-伸缩缝，4-桥墩，5-桥梁支座垫石，6-桥梁另一支座垫石，7-桥梁活动支座，8-桥梁固定支座，9-钢牛腿，10-挡块块体，11-钢架，12-钢架螺栓，13-钢牛腿螺栓，14-钢牛腿底板，15-钢牛腿腹板，16-钢牛腿顶板，17-钢牛腿的侧板，18-钢牛腿侧板上的螺栓孔，19-挡块块体钢底板，20-挡块块体钢侧板，21-挡块块体钢腹板，22-挡块块体的加劲肋，23-耗能型低屈服点钢板，24-碰撞钢板，25-钢架的加劲肋，26-钢架侧板，27-钢架腹板，28-钢架顶板，29-钢架顶板上的螺栓孔，30-桥面板。

具体实施方式

如图1至图7所示，本实用新型一种顺桥向低屈服点钢制耗能型桥梁抗震挡块结构及布置方法的一具体实施例，包括钢牛腿9、挡块块体10和钢架11。本实施例选用的桥型为工字型钢板组合梁桥，所述桥梁抗震挡块结构及布置方法同样适用于预应力混凝土桥、钢桥等其他桥型。

如图1至图4所示，桥的主梁1和桥的另一主梁2在桥墩4的顶部断开，形成伸缩缝3。在伸缩缝3处的顺桥向，桥墩4的顶部，设置了桥梁支座垫石5和桥梁另一支座垫石6，桥梁活动支座7设置在桥梁支座垫石5上，桥梁固定支座8设置在桥梁另一支座垫石6上。桥梁活动支座7支承桥的主梁1，桥梁固定支座8支承桥的另一主梁2。

顺桥向布置方法：如图1、图3和图4所示，钢牛腿9布置在桥墩4顶部顺桥向的侧面，且设置在桥梁活动支座7附近，挡块块体10设置在钢牛腿9的顶部，钢架11设置在桥的主梁1底部。

横桥向布置方法：如图2所示，在每一活动支座7的附近设置钢牛腿9、挡块块体10和钢架11。

具体的，如图5所示，钢牛腿9由钢牛腿底板14、钢牛腿的腹板15、钢牛腿顶板16和钢牛腿的侧板17焊接组成。钢牛腿的侧板17上，开有8个钢牛腿侧板上的螺栓孔18。如图1和图2所示，钢牛腿9通过钢牛腿螺栓13固定在桥墩4顶部的侧面，且在每一活动支座7的附近都设置了钢牛腿9。钢牛腿9所选用的钢材可以为Q235钢、Q345钢、Q390钢或者Q420钢。

如图6所示，挡块块体10由挡块块体钢底板19，挡块块体钢侧板20，挡块块体钢腹板21，挡块块体的加劲肋22，耗能型低屈服点钢板23，碰撞钢板24焊接构成。

如图1、图2、图5和图6所示，通过把挡块块体钢底板19和钢牛腿顶板16焊接起来，钢牛腿9和挡块块体10连接成一个整体。其中挡块块体钢底板19的几何尺寸略小于钢牛腿顶板16的尺寸，便于二者有效的焊接在一起。

如图7和图1所示，钢架11由钢架的加劲肋25、钢架侧板26、钢架腹板27和钢架顶板28焊接而成。钢架顶板28开有8个钢架顶板上的螺栓孔29，钢架螺栓12将钢架顶板28和桥的主梁1的底板栓接在一起。钢架11和除了耗能型低屈服点钢板23以外的挡块块体10中的其他钢板，采用的钢材一般为Q235钢、Q345钢、Q390钢或者Q420钢。耗能型低屈服点钢板23可以用屈服点为160MPa或100MPa的低屈服点钢。耗能型低屈服点钢板23的屈服强度要低于钢牛腿9、钢架11和挡块块体10（除了耗能型低屈服点钢板23以外）钢材的屈服强度。

挡块块体10和钢架11之间要留有一定的距离，较佳的范围为20mm—80mm，并且该距离还要满足不仅要小于伸缩缝3的宽度，还要小于附近活动支座7允许的最大位移。地震中，桥的主梁1和桥墩4之间会产生相对较大的位移，依靠挡块块体10和钢架11之间的相互碰撞，限制相对较大位移，保护活动支座7不产生较大位移而破坏，保护伸缩缝3不会因为桥的主梁1和桥的另一主梁2发生碰撞而损坏，防止桥的主梁1落梁损坏（落梁指桥的主梁1从桥墩4上掉落下来）。因为在每一活动支座4附近的桥的主梁1底部和桥墩4顶部侧面之间都安装了抗震挡块结构，碰撞位置较多而且分散，所以可以有效减小作用在每个挡块块体10和钢架11之间的碰撞力，大大减小挡块块体10和钢架11的局部损坏，使抗震挡块结构正常工作，有效发挥消耗地震能量、保护活动支座7和伸缩缝3的作用。

所述挡块块体10中的耗能型低屈服点钢板23的屈服强度要低于挡块块体10中除了耗能型低屈服点钢板23以外的其它钢材的屈服强度，挡块块体10中除了耗能型低屈服点钢板23以外的其它钢材的屈服强度和构成钢牛腿9、钢架11的钢材的屈服强度相同。

钢架11由钢架的加劲肋25、钢架侧板26、钢架腹板27和钢架顶板28焊接而成；钢架顶板28开有8个钢架顶板上的螺栓孔29。水平的钢架顶板28向下焊接两块竖直并且相对的钢架侧板26，两块钢架侧板26之间焊接钢架加劲肋25和钢架腹板27；钢架加劲肋25和钢架顶板28平行，钢架腹板27和钢架顶板28垂直。

挡块块体10中的挡块块体加劲肋22、碰撞钢板24和钢架11中的钢架的加劲肋25要对齐设置。

历次地震震害表明发生在挡块上较大的碰撞力，容易引起挡块的局部损坏，从而极大影响抗震挡块结构的限位功能。本实用新型通过使用挡块块体的加劲肋22和钢架的加劲肋25可以避免整个挡块结构的局部损坏。具体的如图3、图4、图6和图7所示，挡块块体的加劲肋22、碰撞钢板24和钢架的加劲肋25要对齐设置，便于地震发生时，碰撞钢板24和钢架11的碰撞位置在加劲肋处，挡块块体10和钢架11不易产生局部损坏，使抗震挡块结构在地震发生时能正常工作。

本实用新型中采用的挡块块体的加劲肋22和钢架的加劲肋25发生局部屈曲时的力要大于耗能型低屈服点钢板23的屈服力，如图3和图4所示即大地震中耗能型低屈服点钢板23可以依靠自身滞回曲线正常耗能工作。

地震波一般是南北向，东西向和竖向的三维地震波，从而导致桥梁在这三个方向都有振动，振动特性非常复杂。基于地震中桥梁发生的复杂振动，挡块块体内部的碰撞很难是面对面的均匀碰撞，更多的是位置不确定的点对面的非均匀碰撞。所以本实用新型在挡块块体10上焊接有碰撞钢板24，且碰撞钢板24的最边缘处为圆弧形，该圆弧的直径等于碰撞钢板24的板厚。这样碰撞钢板24和钢架11之间的碰撞可以满足桥梁在复杂振动下是碰撞位置不确定的非均匀碰撞，有利于挡块块体10依靠自身变形消耗地震能量。

中小地震作用下，如图3和图4所示，桥的主梁1和桥墩4之间产生相对较大位移，挡块块体10和钢架11依靠之间的碰撞力，限制桥的主梁1和桥墩4的顺桥向相对位移，保护活动支座4不会产生较大位移而损坏，保护伸缩缝3不会因为桥的主梁1和桥的另一主梁2发生碰撞而损坏，防止桥的主梁1落梁损坏。发生大地震时，桥的主梁1和桥墩4的相对位移很大，挡块块体10在顺桥向产生较大的变形，耗能型低屈服点钢板23进入塑性阶段，挡块块体10和钢架11之间的碰撞属柔性碰撞，不仅大大减小碰撞区的局部碰撞力和减小传递到桥墩4底部的损坏，还能依靠耗能型低屈服点钢板23的滞回曲线，消耗一部分能量，减小桥梁其他构件的破坏。