桥梁墩底椭球面自复位摇摆隔震设计方法与流程

本发明涉及一种桥梁墩底自复位摇摆隔震设计方法，适用于铁路桥、公路桥、城市高架桥以及各种大型连续梁结构建筑物，该设计能够对结构起到减震作用，并具有震后自复位功能，提高结构整体抗震性能，属于桥梁等建筑结构抗震领域。

背景技术：
墩底椭球面自复位摇摆隔震设计方法是在地震下使结构与基础分离，从根本上减小强震时地震输入结构的能量，降低结构的地震响应。相比一些简单的平面墩底隔震设计，该椭球面墩底隔震设计具有如下优点：1)不仅具有更好的隔震效果，还可以通椭球面之间的相互摩擦消耗地震能量；2)具有较好的震后自复位功能，便于震后加固修复；3)与简单墩底平面隔震设计相比，结构在地震作用下的响应更为平稳连续；4)椭球面墩底隔震设计，使得结构没有特定频率，可以有效避开场地的卓越周期，避免共振响应。

技术实现要素：
本发明目的是提供一种新型桥梁墩底隔震设计方法，使结构在正常使用情况下基础与桥墩之间保持相对固定。强震发生时，桥墩与基础之间发生相对摇摆，不仅起到隔震效果，而且可以通过摇摆消耗部分地震能量。在震后在上部结构自重作用下使得结构自动恢复到初始平衡位置，以便于震后加固修复。本设计构造简单、施工方便、造价低廉、耐久性好、便于检查与维护。利用本发明，可以克服现有墩底隔震设计的缺点和不足，可以为桥梁抗震设计提供一种新的设计理念和技术保障。1.桥梁墩底椭球面自复位摇摆隔震设计方法，其特征在于：桥梁墩底椭球面自复位摇摆隔震结构包括桥墩、上封板、椭球面马蹄、椭球面马蹄窝、承台和桩基础；桥墩底部的椭球面马蹄断面呈椭圆弧形，椭球面马蹄放置在承台上方中心挖出的椭球面马蹄窝内，并且椭球面马蹄能在椭球面马蹄窝内摆动，上封板在承台上方与承台相连；承台的下方与桩基础相连。2.进一步，所述的设计方法，其特征在于：正常使用状态限制条件：其中，[v]——上封板极限破剪力，kN；R和r——分别为椭球面马蹄的半长轴和半短轴，m；Pz——标准汽车制动力，kN；H——桥面到马蹄窝之间的高度，m；μ——椭球面马蹄窝和椭球面马蹄之间的摩擦阻力系数；N——上部结构和桥墩自重，kN；R≥2r；极限破坏状态限制条件：其中，Md——墩底的极限破坏弯矩，kN.m；Mz——桩基础的极限破坏弯矩，kN.m；其中，Qd——墩底的极限破坏剪力，kN；Qz——桩基础的极限破坏剪力，kN。本发明的技术方案：该方法的施工过程概括如下，桩基础工程全部完成后，开始桥墩承台施工，承台施工时按照设计具体要求，设置椭球面马蹄窝，之后是施工桥墩下方的椭球面马蹄，配合椭球面马蹄窝，形成特殊曲面封闭形式，具体形式见附图。该曲面形式相对球面和平面，有可控范围的位移和夹角的优势，此外由于桥墩自重原因，又有自主复位的特点。所述装置的工作原理如下：原理一，正常状态下，桥墩可在自身质量和上封板共同作用下，基本保持静止，但仍能满足此状态下的桥梁纵向小位移变化需求；原理二，地震突发时，上封板破坏，桥墩做类似单摆原理的小范围内往复摆动，吸收能量，保护桥梁上部结构。原理三，地震发生后，由于上部结构自重作用下，结构自动恢复到初始平衡位置，方便震后加固修复。本发明的积极效果是：研发一种造价低廉、耐久性好、便于检查维护的新型桥梁墩底自复位摇摆隔震装置，利用单摆原理，使各桥墩在地震荷载作用下能够摇摆耗能，震后又能自复位，同时又对上部结构和基础进行一定保护。适用于铁路桥、公路桥、城市高架桥以及各种大型桥梁结构，能够使结构在突发地震作用不发生破坏。附图说明图1(a)、(b)、(c)分别是本发明在正常工作状态的主视图、侧视图以及俯视图图2是本发明在地震时桥墩与基础发生摇摆示意图图3是本发明在震后桥墩自复位后的示意图图4是本发明具体控制条件示意图具体实施方式以下结合实例及附图作进一步详述，但不做为对本发明的限定。本实例的结构如图1(a)、(b)、(c)所示，桥梁墩底椭球面自复位摇摆隔震设计方法，其中：1、桥墩；2、上封板3、椭球面马蹄4、椭球面马蹄窝5、承台6、桩基础；桥墩1底部的椭球面马蹄3断面呈椭球弧形，与承台5上方椭球面马蹄窝4相连，形成一封闭装置，上封板2与承台5相连。承台5与桩基础6相连。如图1(a)、(b)、(c)所示，正常状态下，桥墩1可在自身质量和上封板3共同作用下，基本保持静止，但仍能满足此状态桥梁纵向小位移变化需求。如图2所示，地震突发时，上封板破坏，桥墩做类似单摆原理的小范围内往复摆动，吸收能量，保护桥梁上部结构。如图3所示，发明本装置的目的是发挥各滑动墩在弹性变形阶段的抗震潜力，提高连续梁桥的整体抗震性能，降低震后灾害或修复工作。具体控制条件如图4所示，本发明从弯矩、剪力和位移三方面控制，以保证正常使用状态和极限破坏状态下两方面的结构可靠性。正常使用状态限制条件：其中，[v]——上封板极限破剪力，kN。此参数为设计已知条件。R和r——分别为椭球面马蹄的半长轴和半短轴，m。Pz——标准汽车制动力，kN。H——桥面到马蹄窝之间的高度，m。μ——椭球面马蹄窝和椭球面马蹄之间的摩擦阻力系数。N——上部结构和桥墩自重，kN。R≥2r为满足有自复位功能需求。极限破坏状态限制条件：其中，Md——墩底的极限破坏弯矩，kN.m。此参数为设计已知条件。Mz——桩基础的极限破坏弯矩，kN.m。其中，Qd——墩底的极限破坏剪力，kN。Qz——桩基础的极限破坏剪力，kN。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内所作的的任何修改、等同变化与修饰，都应视为本发明方案的技术范畴，均应包含在本发明的保护范围内。