一种三向限位缓冲耗能型桥梁抗震挡块结构及设置安装方法与流程

本发明属于桥梁抗震技术领域，具体涉及一种三向限位缓冲耗能型桥梁抗震挡块结构及设置安装方法。

背景技术：

近年来，随着我国经济的快速发展和全面建设小康社会的需要，我国修建了大量的公路。2015年5月23日，交通运输部公布的数据显示：截至到2015年底，我国公路总里程已达457.73万公里，其中公路桥梁77.92万座、4592.77万米。为了提高公路的运输效率，保护公路沿线的生态环境，节省土地资源，以桥代路的思想将会引领未来的基础设施建设。但是我国修建的桥梁多处于地震频发地段，一旦在地震中遭到破坏，不仅造成巨大的经济损失，还会造成交通系统瘫痪，引起更为严重的间接损失。开展桥梁抗震、减震技术的研究工作，对于提高其抗震能力，特别是抗大震的能力，提高整个国家对地震等大自然灾害的抵御能力具有至关重要的现实意义和理论价值。经调查在过去几十年里发生的地震中，桥梁发生的震害形式主要包括：活动支座由于产生过大位移而损坏；梁体和桥墩之间由于产生相对较大位移，引起梁体发生顺桥向或横桥向的落梁震害；对于设置伸缩缝的梁式桥，较大的上部梁体位移还会引起相邻梁体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；伸缩缝处相邻梁体的碰撞还会把碰撞力的效应，传到桥墩底部，引起桥墩底部的损坏；地震波引起桥梁较大的竖向位移，常常导致上部梁体脱落支座，不仅引起支座损坏和梁体发生竖向的翘曲损坏，还会引起支座和梁体间的竖向碰撞损坏；在顺桥向和横桥向，抗震挡块和梁体之间较大的碰撞力，还会引起抗震挡块结构自身的损坏。

目前我国的桥梁工作者常常在桥墩盖梁顶部的横桥向两侧设置钢筋混凝土挡块，依靠钢筋混凝土挡块和梁体间的碰撞力限制梁体横桥向产生的相对较大位移，防止梁体横桥向落梁震害。但地震中桥梁也常常在顺桥向和竖向产生较大位移，引起多种震害，具体如下：支座损坏；梁体发生顺桥向落梁损坏；伸缩缝处的碰撞损坏；梁体竖向翘曲损坏；梁体和支座间发生的竖向碰撞损坏等。但是我国对限制梁体顺桥向相对较大位移和梁体竖向相对较大位移的研究比较缺乏。另外，现阶段我国常用的限制梁体横桥向相对较大位移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，容易造成碰撞区域的局部损坏，而且较大的碰撞力会把钢筋混凝土和梁体之间的碰撞效应传到桥墩底部，引起桥墩底部的损坏。

为了克服抗震挡块的以上缺陷，本领域的技术人员迫切需要开发一种新型的三向限位抗震挡块结构，不但要限制上部梁体在横桥向、顺桥向和竖向的三向较大位移，还要能缓冲桥梁挡块和梁体间的碰撞效应，减小碰撞区域的局部损坏和桥墩底部的损坏。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题，提供了一种三向限位缓冲耗能型桥梁抗震挡块结构及设置方法，本发明致力于能同时限制上部梁体和桥墩之间在横桥向、顺桥向和竖向的三向相对较大位移，减小支座损坏，防止梁体横桥向和顺桥向发生落梁震害，防止梁体竖向翘曲损坏，防止梁体和支座的竖向碰撞损坏；将本应发生在桥梁抗震挡块和梁体之间的刚性碰撞，转移到多个活动支座附近的桥梁抗震挡块内部结构的缓冲型碰撞，不仅大大减小挡块自身的损坏，还能减小桥墩底部损坏；把本应发生在伸缩缝处相邻梁体间的碰撞，转移到多个桥梁抗震挡块上，防止伸缩缝处的碰撞损坏及相邻梁体间碰撞引起的其他震害。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案是，一种三向限位缓冲耗能型桥梁抗震挡块结构，其特征在于：主要包括钢牛腿、挡块下部结构和挡块上部结构；钢牛腿固定在桥梁活动支座附近的桥墩顶部顺桥向的侧面，挡块下部结构通过螺栓固定在钢牛腿的顶部；挡块上部结构的下部设置有凹槽，挡块上部结构通过螺栓固定在桥的主梁底部，其中桥的主梁底部设置了一块预留钢板，使得主梁底部较为平整，起到调平的作用；挡块下部结构的上部设置有可嵌入挡块块体上部结构中凹槽内、向上凸起的碰撞块；挡块下部结构的碰撞块与挡块上部结构的凹槽之间分别在顺桥向、横桥向和竖向都预留一定的净距离；挡块上部结构的凹槽内在三个方向都设置了橡胶缓冲块。

所述的钢牛腿由钢牛腿的底板、钢牛腿的腹板、钢牛腿的顶板和钢牛腿的侧板焊接而成；挡块下部结构由挡块下部结构的钢底板、挡块下部结构的钢柱和挡块下部结构的碰撞块构成。

进一步的，所述安装在挡块上部结构凹槽内的橡胶缓冲块，在顺桥向、横桥向和竖向的厚度均小于挡块上部结构碰撞块和挡块下部结构凹槽之间的净距离。

进一步的，挡块上部结构的凹槽和挡块下部结构的碰撞块是形状相似的带有圆弧形倒角的长方形，且凹槽尺寸略大于碰撞块尺寸。地震中，挡块下部结构的碰撞块与挡块上部结构凹槽之间的碰撞是碰撞位置不确定的碰撞，将碰撞挡块和凹槽的角隅处设置为圆弧形倒角，可以增大碰撞面积，防止角隅处为尖角时产生较大碰撞应力，损坏挡块结构。

所述的三向限位缓冲耗能型桥梁抗震挡块结构的设置安装方法，其特征在于，其设置安装方法为：在每一活动支座附近的桥墩顶部顺桥向的侧面设置并安装一套桥梁抗震挡块结构，在整座桥上安装的桥梁抗震挡块结构数量多，而且位置分散，可以有效减小作用在每一个抗震挡块结构上的碰撞力，不仅减小挡块结构自身的损坏，还能减小传递到桥墩底部的损伤。

对于每个桥梁抗震挡块结构的安装，首先是在桥墩顶部的侧面安装钢牛腿，这样可以增大挡块结构的安装空间以便安装施工，通过调整钢牛腿的竖向安装高度，适应不同大小的挡块结构；在挡块上部结构的凹槽内在顺桥向、横桥向和竖向设置橡胶缓冲块；把挡块下部结构的碰撞块嵌入挡块上部结构预留的凹槽中，一起放在钢牛腿顶部；用螺栓把挡块下部结构固定在钢牛腿顶部；然后将挡块上部结构按顺时针（或逆时针）旋转90度，即挡块下部结构的碰撞块卡入挡块上部结构的凹槽内，并且挡块下部结构的碰撞块和挡块上部结构的凹槽之间在顺桥向、横桥向和竖向都均匀地设置净距离，在顺桥向、横桥向和竖向设置的净距离小于支座或梁体在三个方向允许移动的距离，且挡块下部结构的碰撞块和挡块上部结构的凹槽之间顺桥向的净距离还需小于桥梁的伸缩缝宽度；最后再用螺栓把挡块上部结构固定在桥梁梁体的底部（其中梁体底部设置了一块预留钢板，使得梁体底部较为平整，起到调平的作用），完成桥梁抗震挡块的整个安装过程。

挡块下部结构的碰撞块和挡块上部结构的凹槽之间在顺桥向、横桥向和竖向均设置小于支座或梁体在三个方向允许移动的距离，保护支座免受损坏，防止梁体顺桥向和横桥向落梁损坏，防止梁体发生竖向翘曲损坏，防止梁体和支座间竖向的碰撞损坏，减小伸缩缝在三个方向产生的残余位移，较少影响车辆的正常通行。挡块下部结构的碰撞块和挡块上部结构的凹槽之间顺桥向的净距离小于桥梁的伸缩缝宽度时，还能有效防止伸缩缝处相邻梁体或梁体与桥台之间的碰撞损坏。

所述挡块上部结构的碰撞块和挡块下部结构的凹槽之间，在顺桥向、横桥向和竖向的较优净距离分别为40～100mm，30～60mm，20～30mm。

本发明的有益效果是：在三维地震波作用下，桥梁梁体在顺桥向、横桥向和竖向都有振动，在每一活动支座附近安装三向限位缓冲耗能型桥梁抗震挡块结构，可以同时限制上部梁体在三个方向相对较大的位移，保护支座，防止梁体顺桥向、横桥向的落梁损坏和梁体竖向脱离支座发生的翘曲损坏，防止梁体和支座的竖向碰撞损坏。挡块数量多而且安装位置分散，可以有效减小作用在每一挡块结构上的地震力，减小挡块自身的局部损坏和桥墩底部的损坏。当挡块下部结构的碰撞块和挡块结构上部结构的凹槽之间的顺桥向净距离小于伸缩缝宽度时，碰撞将不会发生在伸缩缝处，保护伸缩缝免受碰撞损坏。挡块上部结构的凹槽和挡块下部结构的碰撞块在各自的角隅处设置为圆弧形倒角，可以增大碰撞面积，减小碰撞应力，从而减小挡块结构自身的局部损坏。因为挡块上部结构凹槽内三个方向都含有橡胶缓冲块，不仅可以利用橡胶材料的缓冲特性大大减小三个方向的碰撞力，还能依靠橡胶缓冲块的塑性变形消耗掉一部分地震能量，减小桥梁其他结构的损坏。该桥梁抗震挡块结构厚实，构造简单，施工方便，易于维修更换，适用于新桥和旧桥。

附图说明

图1为本发明应用于单箱双室预应力混凝土桥示意图；

图2为图1的A-A截面示意图；

图3为本发明的钢牛腿结构示意图；

图4为本发明的挡块下部结构示意图；

图5为本发明的挡块下部结构详图；

图6为本发明的挡块上部结构示意图；

图7为本发明的挡块上部结构详图；

图8为本发明的挡块结构安装示意图；

图9是图1的C处局部放大图；

图10是图2的D处局部放大图。

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、挡块下部结构，11、挡块上部结构，12、钢牛腿螺栓，13、挡块上部结构螺栓，14、预埋钢板，15、钢牛腿的底板，16、钢牛腿的腹板，17、钢牛腿的顶板，18、钢牛腿顶板上的螺栓孔，19、钢牛腿的侧板，20、钢牛腿侧板上的螺栓孔，21、挡块下部结构的钢底板，22、挡块下部结构的钢柱，23、挡块下部结构的碰撞块，24、挡块下部结构的螺栓孔，25、挡块上部结构主体，26、顺桥向橡胶缓冲垫块，27、横桥向橡胶缓冲垫块，28、竖向橡胶缓冲垫块，29、挡块上部结构的螺栓孔。

具体实施方式

如图1至图10所示，一种三向限位缓冲耗能型桥梁抗震挡块结构及设置安装方法的一具体实施例。三向限位缓冲耗能型桥梁抗震挡块结构，包括钢牛腿9、挡块下部结构10和挡块上部结构11，选用的钢材可以为Q235钢、Q345钢或Q390钢。本实施例选用的桥型为单箱双室预应力混凝土桥，所述桥梁抗震挡块结构及设置安装方法同样适用于组合梁桥、钢桥等其他桥型。

如图1至图2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。桥墩顶部顺桥向设置了桥梁支座垫石5和桥梁另一支座垫石6，其上分别设置了活动支座7和固定支座8。活动支座7支承桥的主梁1，固定支座8支承桥的另一主梁2。

具体的，如图3所示，钢牛腿9由一块钢牛腿的底板15，两块钢牛腿的腹板16，一块钢牛腿的顶板17和一块钢牛腿的侧板19焊接而成。其中，钢牛腿的底板15和钢牛腿的顶板17平行，钢牛腿的腹板16及钢牛腿的侧板19都垂直于钢牛腿的底板15和钢牛腿的顶板17。钢牛腿的侧板19上，开有9个钢牛腿侧板上的螺栓孔20，钢牛腿的顶板17上，开有4个钢牛腿顶板上的螺栓孔18。

如图4和图5所示，挡块下部结构10由挡块下部结构的钢底板21，挡块下部结构的钢柱22和挡块下部结构的碰撞块23构成；挡块下部结构的碰撞块23向上凸起，安装时碰撞块朝上并嵌入挡块上部结构主体25朝下设置的凹槽内。其中挡块下部结构的钢底板21开有4个挡块下部结构的螺栓孔24。

如图6和图7所示，挡块上部结构11由挡块上部结构主体25，顺桥向橡胶缓冲块26，横桥向橡胶缓冲块27和竖向橡胶缓冲块28构成。其中挡块上部结构主体25是一块开有凹槽的钢块体，在凹槽内的三个方向分别设置橡胶缓冲块。顺桥向橡胶缓冲块26，横桥向橡胶缓冲块27和竖向橡胶缓冲块28的厚度分别为T1，T2和T3。

三向限位缓冲耗能型桥梁抗震挡块结构顺桥向设置安装方法：如图1所示，钢牛腿9设置在桥墩4顶部的侧面，这样可以增大挡块结构的安装空间以便施工安装，还可通过调整钢牛腿9的竖向高度，适应不同大小的挡块结构。如图1，图4至图10所示，挡块上部结构11的凹槽和挡块下部结构10的碰撞块23是形状相似的带有圆弧形倒角的长方形，且凹槽尺寸略大于碰撞块23尺寸。挡块上部结构10的凹槽内在顺桥向、横桥向和竖向都含有橡胶缓冲块；把挡块下部结构10的碰撞块23嵌入挡块上部结构11的凹槽中，然后一起放在在钢牛腿9的顶部，并用螺栓把挡块下部结构10固定在钢牛腿9上。再把挡块上部结构11顺时针（或逆时针）旋转90度，此时挡块下部结构的碰撞块23已经卡入挡块上部结构11的凹槽中，最后用挡块上部结构螺栓13把挡块上部结构11固定在桥的主梁1的底部（其中主梁1的底部设置了一块预埋钢板14，使得主梁1的底部较为平整，便于调平），完成桥梁抗震挡块的安装。

上述的设置安装方法，进一步的如图8所示，挡块上部结构11在旋转90度后，挡块上部结构的螺栓孔29和挡块下部结构的螺栓孔24均在挡块上部结构11和挡块下部结构10的重叠区域之外，便于挡块结构的施工安装。

三向限位缓冲耗能型桥梁抗震挡块结构横桥向设置方法：如图2所示，桥梁抗震挡块结构沿横桥向设置在每一桥梁活动支座7附近，挡块结构数量多，位置分散，能有效分散地震力作用，减小作用在每一个挡块结构上的碰撞力，减小挡块结构自身的局部损坏和桥墩4底部的损坏。

如图1至图2，图6至图10所示，挡块下部结构的碰撞块23和挡块上部结构11的凹槽之间在顺桥向、横桥向和竖向都要留有一定的净距离分别为L1(L2)，H1(H2)和S1，挡块上部结构的碰撞块和挡块下部结构的凹槽之间，在顺桥向、横桥向和竖向的较优净距离分别为L1(L2)在40～100mm，H1(H2)在30～60mm，S1在20～30mm。如在顺桥向的净距离设置L1=L2=40mm，在横桥向的净距离设置H1=H2=30mm，竖向的净距离设置S1=20mm。挡块上部结构11的凹槽内，在顺桥向、横桥向和竖向都设置了一定厚度的橡胶缓冲块，厚度分别为T1，T2和T3，且都小于挡块下部结构的碰撞块23和挡块上部结构11的凹槽之间相应的净距离L1(L2)，H1(H2)和S1，比如设置T1=20mm，T2=15mm和T3=10mm。

在顺桥向，挡块下部结构的碰撞块23和挡块上部结构11的凹槽之间的顺桥向净距离L1（L2）不仅要小于伸缩缝3的宽度，还要小于活动支座7在顺桥向允许产生的最大位移，以便在地震中，防止伸缩缝3发生碰撞损坏，防止活动支座7在顺桥向发生较大位移而引起自身的局部损坏和桥的主梁1的顺桥向落梁损坏。在横桥向，挡块下部结构的碰撞块23和挡块上部结构11的凹槽之间的横桥向净距离H1（H2）一方面要小于活动支座7在横桥向允许产生的最大位移，防止活动支座7在横桥向发生局部损坏和桥的主梁1的横桥向落梁损坏，另一方面上述净距离又要大于桥的主梁1在横桥向发生的温度、收缩徐变产生的变形，以便确保挡块结构在不发生地震的正常情况下不工作，不影响桥梁的正常使用功能。在竖向，因为挡块结构设置在活动支座7附近，所以挡块下部结构的碰撞块23和挡块上部结构11的凹槽之间的竖向净距离S1要大于桥梁正常使用状态下在挡块位置处产生的竖向位移，保证桥梁的正常使用功能；在满足上述条件下，该竖向净距离S1尽量取小值，以便有效防止地震中活动支座7在竖向产生较大位移而损坏，防止桥的主梁1因为竖向振动脱离活动支座7，从而在桥的主梁1和活动支座7之间发生碰撞损坏。

本发明中，挡块下部结构的碰撞块23和挡块上部结构11的凹槽之间在顺桥向、横桥向和竖向都分别设置顺桥向橡胶缓冲块26，横桥向橡胶缓冲块27和竖向橡胶缓冲块28。橡胶缓冲块可以把下部结构的碰撞块23和挡块上部结构11的凹槽之间的刚性碰撞转化为柔性碰撞，依靠自身较小的刚度，缓冲碰撞力，减小挡块结构自身的局部损坏和传递到桥墩4底部的损坏，还能依靠自身的塑性变形，消耗一部分地震能量，减小地震对桥梁其他结构的损坏。

地震作用下，桥的主梁1和桥墩4之间在顺桥向、横桥向和竖向都有相对较大位移，挡块下部结构的碰撞块23与挡块上部结构三个方向的橡胶缓冲块发生碰撞。在三个方向，橡胶缓冲块均可依靠自身较小的碰撞刚度，缓冲较大的碰撞力，减小挡块结构自身的局部损坏，防止桥的主梁1在顺桥向和横桥向发生落梁损坏，防止桥的主梁1与活动支座7竖向脱离，引发活动支座7损坏，桥的主梁1翘曲损坏以及桥的主梁1和活动支座7在竖向的碰撞损坏。另外，橡胶缓冲块还可依靠自身的滞回曲线消耗一部分地震能量，减轻地震对桥梁其他构件的损坏。