抗爬移倾覆的曲线梁桥支座布置方式及其支座结构的制作方法

本发明属于桥梁工程技术领域，具体涉及一种抗爬移倾覆的曲线梁桥支座布置方式及其支座结构。

背景技术：

随着我国高等级公路和城市道路的迅猛发展，高架桥以及城市立交的兴建越来越多；由于受地形、建筑物的限制，高架结构和立交结构呈现出弯、坡、斜、异形等特点；与直线梁桥相比，曲线梁桥对地形的适应性较强，更能适应复杂的线形需要。因此，在高等级公路及城市道路中，曲线梁桥能实现各方面交通连接，适应复杂的路况需求，是现代交通工程中的一种重要桥型。

近年来，多起桥梁爬移倾覆事故造成重大人员伤亡和经济损失，成为桥梁工程的研究热点问题之一；相对于直线梁桥，曲线箱梁桥由于弯扭耦合导致受力更为复杂，曲线梁桥的抗爬移与倾覆研究具有更强代表性。另外，曲线梁桥自身的特点决定了车辆离心力将引起横向爬移变形，严重时导致伸缩缝和支座剪切破坏、防震挡块被挤碎、墩柱受弯开裂等，进一步增大了倾覆概率。事实上，曲线梁桥的水平变形一方面包括离心力导致日积月累的爬移，另一方面在倾覆转动过程中，也将发生瞬时的横向水平变形，二者对梁桥倾覆都有影响。

目前已有的曲线梁桥支座布置方式，只能满足桥梁纵横两个水平方向小变形的要求，也无法有效控制曲线梁桥横向刚体大转动，也无法有效的耗散离心力产生的横向水平变形。从现有支座的研究上看，各种耗能和自复位支座的研究取得良好进展，但是缺少针对曲线梁桥的变形特点而系统设计的抗倾覆支座及布置。

现有曲线梁桥支座布置方式中并未采用可复位的支座进行布置，如图8所示，常见弯桥支座布置中设置的支座分别为单向滑动支座、双向滑动支座和固定支座三种支座。现有支座布置中，仅仅满足了桥梁纵横两个方向的小变形，无法解决桥梁日积月累的爬移问题，也无法解决车辆离心力导致的桥梁横向水平变形的问题；因而随着桥梁使用时间变长，其弯桥会慢慢发生横向爬移，如果爬移量达到桥梁倾覆的界限时，桥梁事故就有可能发生。现有支座布置中，当弯桥发生横向刚体转动时，支座产生脱空趋势；如果横向刚体转动力很大，支座发生完全脱空时，支座不再提供承载力，桥梁发生倾覆破坏的可能性大大增加。

此外，现有国内公路桥梁中普遍采用的支座有板式橡胶支座、盆式橡胶支座及球型支座，这类支座具备各向转动灵活的特点，但是却没有抵抗倾覆和自复位的能力。目前，国内已经有人设计出了具备拉载能力的拉杆式球型支座，各类耗能和自复位支座的研究也取得了良好进展，但是结构形式尚较复杂。

因此结合曲线梁桥的变形特点，设计相应的抗倾覆自复位支座以及新的曲线梁桥支座布置方式是必不可少的。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明提供了一种抗爬移倾覆的曲线梁桥支座布置方式及其支座结构，可用于协助曲线梁桥抗爬移，实现箱梁倾覆变形的分类控制，为曲线梁桥提升抗爬移及倾覆承载力提供科学经济的解决方案。

一种抗爬移倾覆的曲线梁桥支座布置方式，即从曲线梁桥左端部至右端部等间距设定四个位置点依次对应为a～d，每个位置点在梁体与墩台之间沿横桥向布置安装两个支座，其中位置点a的两个支座分别采用纵向平动拉压支座和可爬移拉压支座，位置点b的两个支座分别采用固定支座和横向自复位支座，位置点c的两个支座均采用横向自复位支座，位置点d的两个支座分别采用纵向平动拉压支座和可爬移拉压支座。

进一步地，所述固定支座自下而上依次由下支座板、球冠衬板以及上支座板叠加组成，上支座板通过锚固件与梁体连接，下支座板通过锚固件与墩台连接，下支座板与球冠衬板的接触面为曲面，上支座板四周边缘向下延伸形成挡板以紧扣下支座板，使得上支座板与下支座板无法发生相对移动。

进一步地，所述纵向平动拉压支座自下而上依次由抗拉球板、下支座板、球冠衬板以及上支座板叠加组成，上支座板通过锚固件与梁体连接，下支座板通过锚固件与墩台连接，下支座板与球冠衬板和抗拉球板的接触面均为曲面，上支座板横向两侧设有挡块，挡块通过螺栓与上支座板固接以紧扣球冠衬板，使得球冠衬板与上支座板横向无法发生相对滑移(纵向不设置，球冠衬板和上支座板纵向可以自由滑移)，支座中间位置设有拉杆以连接上支座板和下支座板(当支座受较大压力时，可以起到一定抗压作用，当支座远端受较大压力导致支座发生脱空趋势时，可以给支座提供向下的拉力)，抗拉球板紧扣拉杆底端以使支座发生脱空趋势时稳固拉杆。

进一步地，所述横向自复位支座自下而上依次由下支座板、球冠衬板、中间衬板以及上支座板叠加组成，上支座板通过锚固件与梁体连接，下支座板通过锚固件与墩台连接，上支座板横向两侧边缘向下延伸形成挡板以紧扣中间衬板，使得上支座板与中间衬板横向无法相对滑移(纵向可以自由平动)；下支座板纵向两侧边缘向上延伸形成挡板以紧扣球冠衬板，使得下支座板与球冠衬板纵向无法相对滑移(横向可以相对爬移)，下支座板与球冠衬板的接触面为曲面，且下支座板横向相应位置设有限位块用以限制球冠衬板的横向爬移量；因此在桥面车辆离心力作用下，球冠衬板与下支座板发生滑移后，由于重力作用支座将可以自复位，同时横向由于是曲面，因此可以通过摩擦消耗更多爬移产生的能量，同时当温度降低或荷载消失后可以使箱梁爬移量恢复；中间衬板与球冠衬板的接触面为曲面，其曲率半径r2要小于下支座板与球冠衬板接触面的曲率半径r1，以使其四氟滑板的相对摩擦系数较大，因此上下座板会与中间部分先发生平动或爬移，中间衬板和球冠衬板的球型接触用于减轻偶然发生的地震作用影响。

进一步地，所述可爬移拉压支座自下而上依次由下支座板、球冠衬板、中间衬板以及上支座板叠加组成，上支座板通过锚固件与梁体连接，下支座板通过锚固件与墩台连接，上支座板横向两侧边缘向下延伸形成挡板以紧扣中间衬板，使得上支座板与中间衬板横向无法相对滑移(纵向可以自由平动)，该挡板底部设有抗拉板，该抗拉板向内延伸与中间衬板上预开的缺口相扣(使支座发生受拉趋势时更有效的减轻受拉影响)；下支座板纵向两侧边缘向上延伸形成挡板以紧扣球冠衬板，使得下支座板与球冠衬板纵向无法相对滑移(横向可以相对爬移)，该挡板顶部设有抗拉板，该抗拉板向内延伸与球冠衬板上预开的缺口相扣(使支座发生受拉趋势时减少支座脱空的可能性)；下支座板与球冠衬板的接触面为曲面，且下支座板横向相应位置设有限位块用以限制球冠衬板的横向爬移量，支座中间位置设有拉杆以连接上支座板和下支座板，中间衬板与球冠衬板的接触面为曲面，其曲率半径r2要小于下支座板与球冠衬板接触面的曲率半径r1。

进一步地，下支座板与球冠衬板接触面的曲率半径r1通过以下公式计算确定：

其中：su为设计给定的最大爬高量，sv为设计给定的最大爬移量。

进一步地，本发明采用横向自复位支座以通过自重消耗因温度升高或离心力产生的水平位移，在温度降低或载荷消失时通过重力使箱梁复位，防止多次爬移产生的叠加效应。

进一步地，本发明可分类控制桥梁倾覆过程中的不同变形，以拉压支座控制倾覆过程中的刚体转动和扭转引起的变形体转动，对桥体起到抗倾覆的作用，通过中间的曲面自复位支座抵抗桥体爬移，对桥体起到抗爬移作用，实现箱梁倾覆变形的分类控制。

本发明抗爬移倾覆的弯箱梁桥支座及布置方式可分类控制桥梁倾覆过程中的不同变形，以拉压支座控制倾覆过程中的刚体转动和扭转引起的变形体转动，对桥体起到抗倾覆的作用，通过中间的横向自复位支座抵抗桥体横向爬移，对桥体起到抗爬移作用，实现箱梁倾覆变形的分类控制。本发明中横向自复位支座的下座板与球冠衬板下表面的曲率半径可以通过公式并且在已知设计最大爬高值和设计最大爬移量的条件下计算得到，进而根据设计的最大爬移值和爬高值，在下支座板中相应位置设置限位挡块，控制球冠衬板的横向爬移量。爬移后，桥墩根据运营过程中箱梁爬移可能产生的水平力与轴向力叠加，按偏心受压构件进行设计计算。

从上述技术方案可以看出，本发明抓住曲线梁桥的受力及变形特点，从造成爬移倾覆的原理出发，运用多种支座的不同功能和特殊布置形式，对桥梁倾覆和爬移实现分类控制，为曲线梁桥提升抗爬移及倾覆承载力提供科学经济的解决方案。因此，本发明具有以下有益技术效果：

1.本发明提出了一种新的系统性的支座布置方式，两端四个拉压支座能够实现抗倾覆，中间三个横向自复位支座能够实现抗爬移，因此可分类控制桥梁倾覆过程中的不同变形，以拉压支座控制倾覆过程中的刚体转动和扭转引起的变形体转动，对桥体起到抗倾覆的作用，通过中间的横向自复位支座抵抗桥体爬移，对桥体起到抗爬移作用，实现箱梁倾覆变形的分类控制。

2.本发明使用横向自复位支座以通过自重消耗因温度升高或离心力产生的水平位移，在温度降低或载荷消失时通过重力使箱梁复位，防止多次爬移产生的变形叠加。

3.本发明各支座结构简单，易于装配施工，能广泛应用于弯桥支座布置中。

附图说明

图1为本发明抗爬移倾覆的曲线梁桥支座布置方式示意图，其中：1—固定支座；2—横向自复位支座；3—纵向平动拉压支座；4—可爬移拉压支座。

图2(a)和图2(b)对应为固定支座的横向和纵向截面示意图，其中：1—上锚固件；2—上支座板；3—球冠衬板；4—下支座板；5—下锚固件。

图3(a)和图3(b)对应为纵向平动拉压支座的横向和纵向截面示意图，其中：1—上锚固件；2—上支座板；3—球冠衬板；4—下支座板；5—抗拉球板；6—拉杆；7—下锚固件。

图4(a)和图4(b)对应为横向自复位支座的横向和纵向截面示意图，其中：1—上锚固件；2—上支座板；3—中间衬板；4—球冠衬板；5—下支座板；6—下锚固件。

图5(a)和图5(b)对应为可爬移拉压支座的横向和纵向截面示意图，其中：1—上锚固件；2—上支座板；3—中间衬板；4—球冠衬板；5—拉杆；6—下支座板；7—下锚固件。

图6为横向自复位支座设置限位挡块的示意图。

图7为横向自复位支座曲率半径计算原理示意图。

图8为现有曲线梁桥的支座布置示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，由于箱梁倾覆的横向大转动主要是变形体和刚体转动的叠加，因此新型弯桥抗爬移支座布置方式需要系统控制上部结构刚体转动、变形体转动和平动。首先，中间1号支座为固定支座，2号支座表示横向自复位支座，3号支座为纵向平动拉压支座，4号为可爬移的拉压支座。其次，端部支座均为拉压支座，中间支座为一个为固定支座，其余三个为横向自复位支座，横向自复位支座允许纵向自由平动，对横向爬移有能够自复位的功能。当温度升高或受到离心力作用时，横向自复位支座允许发生变形。在温度降低或载荷消失时使箱梁爬移量恢复，从而防止多次爬移产生的叠加效应；图1所示箭头方向即为支座可移动的方向和其自复位的方向。

由此，本发明抗爬移倾覆的弯箱梁桥支座及布置方式，可用于实现箱梁爬移倾覆变形的分类控制，提升曲线梁桥抗爬移承载力；四种支座结构如下：

如图2(a)和图2(b)所示，固定支座包括与上部箱梁连接的上支座板2(含镜面不锈钢板)和与下部墩体连接的下支座板4(含球面四氟滑板)，中间是球冠衬板3(含平面四氟滑板)，上下支座板都通过锚固件1、5分别与上梁体和下墩体连接，其中上支座板2边缘周围做长并垂直向下延伸成挡板，防止上下支座板发生相对移动。

如图3(a)和图3(b)所示，纵向平动拉压支座包括分别与上方梁体和下方墩台连接的上支座板2(含镜面不锈钢板和纵向抗拉板)和下支座板4(含大球面四氟滑板)，中间为球冠衬板3(含平面四氟滑板)，其中横向设有挡块，挡块与上座板通过螺栓固接，挡住球冠衬板3，使球冠衬板3和上支座板2横向不能发生相对滑移，纵向不设置，因此球冠衬板3和上支座板2纵向可以自由滑移。支座中心设有拉杆6，连接上支座板2与下支座板4，当支座受较大压力时，可以起到一定抗压作用，当支座远端受较大压力导致支座发生脱空趋势时，可以给支座提供向下的拉力，抗拉球板5可以使支座发生脱空趋势时更好的稳固拉杆6。

如图4(a)和图4(b)所示，横向自复位支座包括分别与上方梁体和下方墩台连接的上支座板2(含镜面不锈钢板)和下支座板5(含镜面不锈钢板)，中间有中间衬板3和球冠衬板4，其中上支座板2与中间衬板3通过构造使横向无法相对滑移，纵向可以自由平动，下支座板5和球冠衬板4通过构造使纵向无法相对滑移，但是横向可以爬移，同时球冠衬板4与下支座板5横向爬移面为曲面，该曲面曲率半径由设计最大爬高值和最大爬移值确定，因此在桥面车辆离心力作用下，球冠衬板4与下支座板5发生滑移后，由于重力作用支座将可以自复位，同时横向由于是曲面，因此可以通过摩擦消耗更多爬移产生的能量，同时当温度降低或荷载消失后可以使箱梁爬移量恢复。根据设计的最大爬移值和爬高值，需要在下支座板5中相应位置设置限位挡块，控制球冠衬板4的横向爬移量；其中中间衬板3和球冠衬板4的接触面也为曲面，其曲率半径较小，且使其四氟板的相对摩擦系数较大，因此上下座板会与中间部分先发生平动或爬移，中间衬板3和球冠衬板4的球型接触用于减轻偶然发生的地震作用影响。

如图5(a)和图5(b)所示，可爬移的拉压支座是将横向自复位支座中间增设拉杆5，同时在上支座板2设置抗拉板，插入中间衬板3的凹槽中，使该支座发生受拉趋势时，更有效的减轻受拉影响；同时下支座板6内侧有凹槽，球冠衬板4下部边缘有凸起，也形成抗拉构造，使该支座发生受拉趋势时，减少支座脱空的可能性。

如图6所示，横向自复位支座中限位挡块在下支座板的设置位置，由横向最大爬移设计值确定。如图7所示，根据横向最大爬移设计值和最大爬高设计值确定了横向自复位支座下支座板的曲率半径，即根据以下公式：

可得出：

其中：su为设计最大爬高量，sv为设计最大爬移量，从而确定下座板曲率半径r。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。