本发明属于桥梁工程领域。特别涉及由无粘结预应力技术和耗能组件控制结构地震反应和残余变形的一种消能自复位双层矩形空心钢管混凝土摇摆桥墩结构体系。
背景技术：
我国地处环太平洋地震带和欧亚地震带之间，国土的大部分地区为地震区，尤其是我国的西部地区多为强震区，地震非常活动频繁。桥梁是交通生命线的枢纽工程，其建设成本高，一旦遭到地震破坏，将会导致巨大的经济损失，且震后修复极其困难。直接发生在桥梁上的伤亡人数并不多，但是由于交通生命线损毁、中断而造成的经济损失和人员伤亡不可估量，造成救援人员不能及时到位，很多人因为没有得到及时救援而加剧地震灾害。同时，遭受破坏的大型桥梁修复起来比较困难，严重影响灾区生产生活和灾后的重建工作。
目前桥梁抗震设计方法主要将钢筋混凝土桥墩设计成延性构件，利用选定塑性铰区域的塑性变形来耗散地震能量，并延长桥梁结构基本周期，从而减小桥梁结构地震反应。通过合理延性抗震设计的桥梁结构可以满足在地震中防止桥梁结构倒塌，保护人们的生命财产安全。但是对于中矮桥墩，其在地震中易发生弯剪破坏，为了满足延性抗震需求，需配置大量箍筋和纵向钢筋，严重增大工程投资成本。更重要的是延性抗震设计方法不可避免地使桥墩发生损伤，尤其在强震作用下桥墩塑性铰区域损伤将非常严重，并产生较大侧向残余位移，致使桥梁下部结构在震后需要完全或部分重建才能提供交通运输功能。这些拆除、更换和修复工作致使交通中断间接造成的经济损失更是难以估计。
技术实现要素：
为了克服上述存在的缺陷，本发明提供一种消能自复位双层矩形空心钢管混凝土摇摆桥墩结构体系，将地震造成的结构变形集中在桥墩和承台的接触面上，避免结构发生严重破坏，允许桥墩在接触面发生提离，以降低结构承受的地震力，且可提供有效耗能能力和自复位能力，提高桥梁结构的抗震性能。
本发明的目的在于提供一种消能自复位双层矩形空心钢管混凝土摇摆桥墩结构体系，其特性在于：所述消能自复位双层矩形空心钢管混凝土摇摆桥墩结构体系包括主梁(1)、支座(2)、盖梁(3)、双层矩形空心钢管混凝土桥墩(4)、无粘结预应力纤维增强复合材料(frp)筋(5)、承台(6)、桩基础(7)、聚氯乙烯(pvc)管(12)、防屈曲狗骨形金属阻尼器(16)；其特征在于：自上而下依次为主梁(1)、支座(2)、盖梁(3)、双层矩形空心钢管混凝土桥墩(4)、承台(6)、桩基础(7)连接安装在一起，主梁(1)、盖梁(3)之间采用至少两个支座(2)将主梁(1)、盖梁(3)支撑开，两个支座(2)之间有空隙；
所述双层矩形空心钢管混凝土桥墩(4)是在同轴的桥墩外层钢管(8)、桥墩内层钢管(9)之间填充有桥墩夹心混凝土(10)，桥墩内层钢管(9)内部形成一个桥墩截面空心(11)；双层矩形空心钢管混凝土桥墩(4)的上端嵌入到盖梁(3)的下端面中；
承台(6)的顶部预埋有中心带矩形凹槽的钢垫板(15)，凹槽底部设有孔；桥墩外层钢管(8)和桥墩内层钢管(9)的下端面放置在钢垫板(15)上，桥墩外层钢管(8)和桥墩内层钢管(9)轴向垂直钢垫板(15)，桥墩内层钢管(9)内表面与钢垫板(15)矩形凹槽的侧面轴向齐平；桥墩内层钢管(9)内表面与钢垫板(15)矩形凹槽的侧面连接处设有防屈曲狗骨形金属阻尼器(16)；
聚氯乙烯(pvc)管(12)贯穿所述主梁(1)、两个支座(2)之间有空隙、盖梁(3)、双层矩形空心钢管混凝土桥墩(4)和承台(6)；聚氯乙烯(pvc)管(12)的管内设有无粘结预应力纤维增强复合材料(frp)筋(5)；预应力纤维增强复合材料(frp)筋(5)的上端与主梁(1)锚固在一起，下端与承台(6)锚固在一起。
所述双层矩形空心钢管混凝土桥墩(4)与承台(6)之间是独立的，未浇筑成一体，仅通过无粘结预应力frp筋(5)和防屈曲狗骨形金属阻尼器(16)连接。将防屈曲狗骨形金属阻尼器(16)的安装预留出空间。
所述无粘结预应力frp筋(5)在聚氯乙烯(pvc)管(12)内依次穿过承台(6)、带矩形凹槽的钢垫板(15)、双层矩形空心钢管混凝土桥墩(4)、盖梁(3)和主梁(1)，通过锚具(13)和锚具钢板锚固在承台(6)的底部和主梁(1)的顶部。
所述防屈曲狗骨形金属阻尼器(16)由狗骨形金属耗能板(17)和防屈曲盖板(18)组成，在狗骨形金属耗能板(17)和防屈曲盖板(18)的端部预留有与双层矩形空心钢管混凝土桥墩(4)和承台(6)连接的螺栓孔(19)，狗骨形金属耗能钢板(17)安装在带矩形凹槽的钢垫板(15)的凹槽侧壁和桥墩内层钢管(9)内表面连接处，防屈曲盖板(18)为凹槽钢板，置于狗骨形金属耗能板(17)中间部分的外侧，与钢垫板(15)的凹槽侧壁和桥墩内层钢管(9)内表面固定在一起，来限制狗骨形金属耗能板(17)面外变形，以防止狗骨形金属耗能板(17)的面外屈曲。
本发明的有益效果是：
本发明的消能自复位双层矩形空心钢管混凝土摇摆桥墩结构体系，在地震作用下减隔震效果显著，主要体现在以下几点：
1.由于桥墩放置在承台上，而仅由无粘结预应力frp筋连接，则桥墩可在承台上发生局部提离，有效释放桥墩底部弯矩，降低桥梁结构所承受的地震力，且将变形集中在桥墩与承台之间的接触面上，承台接触面设置钢垫板，桥墩则采用既可显著加强桥墩承压强度又可减少桥墩混凝土用量的双层矩形空心钢管混凝土桥墩，从而使接触面不发生塑性变形，以减小桥墩损伤。
2.在承台与桥墩之间布置的防屈曲狗骨形金属阻尼器起到耗散地震能量的作用，有效控制桥墩在承台上提离的发展，使损伤集中于防屈曲狗骨形金属阻尼器，起到保护桥墩、提高体系强度和刚度的作用，防屈曲狗骨形金属阻尼器安装在桥墩和承台的内部，可避免在正常使用过程中阻尼器过早屈服的问题，同时不影响桥梁外观，且在震后较容易更换。
3.无粘结预应力技术和frp材料的应用提供桥梁结构自复位能力，有效控制桥墩残余变形，保证桥梁结构震后交通服务功能，减少震后修复工作，且避免了预应力钢筋易腐蚀的问题。
4.本发明对现有常规桥墩的设计改动较小，容易实现，适用范围广，可减少桥墩的设计截面和配筋用量；震后破坏集中在防屈曲狗骨形金属阻尼器，稍加修复便可使用，确保交通生命线不中断，减少震后的修复成本和灾区重建时间。因此，本发明具有良好社会经济效益，值得推广应用。
附图说明
图1为消能自复位双层矩形空心钢管混凝土摇摆桥墩结构体系的横桥向截面示意图。
图2为消能自复位双层矩形空心钢管混凝土摇摆桥墩结构体系的a-a截面示意图。
图3为消能自复位双层矩形空心钢管混凝土摇摆桥墩结构体系的b-b截面示意图。
图4为消能自复位双层矩形空心钢管混凝土摇摆桥墩结构体系的c-c截面示意图。
图5为消能自复位双层矩形空心钢管混凝土摇摆桥墩结构体系的防屈曲狗骨形金属阻尼器构造示意图。
图6为消能自复位双层矩形空心钢管混凝土摇摆桥墩结构体系的防屈曲狗骨形金属阻尼器的d-d截面示意图。
图7为消能自复位双层矩形空心钢管混凝土摇摆桥墩结构体系的防屈曲狗骨形金属阻尼器的e-e截面示意图。
图8为消能自复位双层矩形空心钢管混凝土摇摆桥墩结构体系的防屈曲狗骨形金属阻尼器的f-f截面示意图。
附图标记说明：
1—主梁；2—支座；3—盖梁；4—双层矩形空心钢管混凝土桥墩；5—无粘结预应力纤维增强复合材料(frp)筋；6—承台；7—桩基础；8—桥墩外层钢管；9—桥墩内层钢管；10—桥墩夹心混凝土；11—桥墩截面空心；12—聚氯乙烯(pvc)管；13—锚具；14—锚具的钢垫板；15—带矩形凹槽的钢垫板；16—防屈曲狗骨形金属阻尼器；17—狗骨形金属耗能板；18—防屈曲盖板；19—螺栓孔。
具体实施方式
本发明是在常规钢筋混凝土桥墩的基础上，将桥墩底部与承台分离，仅通过无粘结预应力frp筋和防屈曲狗骨形金属阻尼器连接，以实现桥墩的摇摆行为来耗散地震能量并具有自复位功能，达到减隔震的目的。该结构主要用于抗震性能要求较高的桥梁工程和渡河工程减隔震技术中。
如图1～8所示，本发明为一种消能自复位双层矩形空心钢管混凝土摇摆桥墩结构体系，主要包括桥墩-承台连接构造、桥墩-盖梁连接构造、无粘结预应力体系和阻尼器构造。图2为消能自复位双层矩形空心钢管混凝土摇摆桥墩结构体系的桥墩-承台连接构造示意图，主要由双层矩形空心钢管混凝土桥墩4、承台6、无粘结预应力frp筋5和防屈曲狗骨形金属阻尼器16组成。承台6的顶部预埋带矩形凹槽的钢垫板15，双层矩形空心钢管混凝土桥墩4置于带矩形凹槽的钢垫板15上，防屈曲狗骨形金属阻尼器16安装在带矩形凹槽的钢垫板15的凹槽侧壁和桥墩内层钢管9之间。无粘结预应力frp筋5连接双层矩形空心钢管混凝土桥墩4和承台6。图3为消能自复位双层矩形空心钢管混凝土摇摆桥墩结构体系的桥墩截面示意图，双层矩形空心钢管混凝土桥墩4由桥墩外层钢管8、桥墩内层钢管9和桥墩夹心混凝土10组成，桥墩内层钢管9形成一个桥墩截面空心11。图4为消能自复位双层矩形空心钢管混凝土摇摆桥墩结构体系的桥墩-盖梁连接构造示意图，主要由双层矩形空心钢管混凝土桥墩4、盖梁3和无粘结预应力frp筋5组成。双层矩形空心钢管混凝土桥墩4和盖梁3浇筑成一体。无粘结预应力frp筋5连接双层矩形空心钢管混凝土桥墩4和盖梁3。在桥墩-承台连接构造和桥墩-盖梁连接构造中应用的无粘结预应力frp筋5为通长筋，依次穿过承台6、带矩形凹槽的钢垫板15、双层矩形空心钢管混凝土桥墩4、盖梁3和主梁1，并通过锚具13锚固在承台6的底部和主梁1的顶部。图5～8为消能自复位双层矩形空心钢管混凝土摇摆桥墩结构体系的防屈曲狗骨形金属阻尼器构造示意图，由狗骨形金属耗能板17和防屈曲盖板18组成，防屈曲盖板18置于狗骨形金属耗能板17上，在狗骨形金属耗能板17和防屈曲盖板18的端部预留与双层矩形空心钢管混凝土桥墩4和承台6连接的螺栓孔19。
本发明突破传统桥墩设计思路，设计灵活，结构受力明确，使桥墩结构体系具有良好的自复位性能以及稳定的耗能能力，并且能快速更换，满足控制残余变形、震后快速更新修复等要求。本发明所涉及的阻尼器更换方便，无粘结预应力frp筋耐腐蚀性极好，保证了此墩柱结构体系的耐用性和震后可修复性能，是对传统墩柱节点体系的突破和发展。本发明能够很好的解决了传统桥墩在地震荷载过后具有较大不易恢复残余变形的问题，并且同时保证足够的耗能能力。消能自复位双层矩形空心钢管混凝土摇摆桥墩结构体系在正常使用荷载和偶然地震荷载作用下均有良好的工作性能，值得在实际工程中推广应用。