一种用于双柱墩的钢摩擦铰耗能系梁结构及其建造方法

本发明涉及桥梁结构抗震与减震技术领域，具体为一种用于双柱墩的钢摩擦铰耗能系梁结构及其建造方法。

背景技术：

由于中国西部地区地形地貌复杂，公路铁路线路经常要跨越深山峡谷。针对西部地区的已建或在建的桥梁统计结果显示，超过40％的桥墩高度超过40m。有些桥梁的桥墩高度超过了100m，比如花土坡大桥的墩高达到110m。在这种地形下的桥梁结构经常采用双柱框架墩。在双柱墩静力设计时，通常在双柱之间设置钢筋混凝土系梁，从而提高桥墩的横向刚度，改善其横向稳定性。

目前，在双柱墩系梁设计中，一般均采用钢筋混凝土结构，但是在强震作用下，系梁易发生变形。遇到多次地震，钢筋混凝土系梁的破坏失效是其常见震害，其需要在震后花费人力、物力和财力进行修复和加固，从而影响震后交通恢复，延缓抗震救灾工作，而且修复后的双柱墩系梁结构的刚性、稳定性均易受影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提供用于双柱墩的钢摩擦铰耗能系梁结构及其建造方法，以解决以上缺陷。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于双柱墩的钢摩擦铰耗能系梁结构，包括桥墩立柱、横梁，所述横梁两端均通过钢套筒和耳梁分别连接在两竖直设置的桥墩立柱外壁上，所述钢套筒通过抗剪焊钉套设在桥墩立柱外壁上，所述耳梁一端焊接在钢套筒外侧，另一端通过预应力钢筋施加的压力与横梁连接形成钢摩擦铰结构。

优选地，所述耳梁另一端设置为半圆形，所述耳梁的半圆形部位中央设置有耳梁通孔，所述横梁两端均设置有圆弧形凹陷平台，所述凹陷平台中央设置有圆形凸起限位柱，所述耳梁的半圆形部位与横梁的圆弧形凹陷平台咬合且圆形凸起限位柱插入在耳梁通孔中；所述圆形凸起限位柱中心设置有钢筋固定孔，所述预应力钢筋设置在钢筋固定孔中，所述横梁外侧的预应力钢筋上设置有锚垫板，所述耳梁外侧的预应力钢筋上设置有穿心式压力传感器、锚垫板，所述预应力钢筋两端均通过锚具固定。

优选地，所述横梁与耳梁的连接处上下两侧均设置有复位组件，所述复位组件由形状记忆合金板、以及设置在形状记忆合金板两端的铰接耳板组成，两个所述铰接耳板分别设置在横梁、耳梁上，所述形状记忆合金板两端均通过铰接螺栓分别铰接在两个所述铰接耳板上。

优选地，所述形状记忆合金板为镍钛材料板。

一种用于双柱墩的钢摩擦铰耗能系梁结构的建造方法，包括以下步骤：

s1、建立采用预应力用于双柱墩的钢摩擦铰耗能系梁结构的桥梁的空间三维有限元模型，对其进行拟静力分析，获得桥墩立柱的水平刚度；通过模态分析获得桥梁的自振周期；通过非线性时程分析获得桥梁在小震和大震的设防地震下的桥墩响应参数；根据分析结果确定系梁的几何尺寸、轴向刚度、弯曲刚度、转动弯矩，且横梁的截面屈服弯矩要高于钢摩擦铰的转动弯矩；

s2、将耳梁焊接到钢套筒外侧，且耳梁与钢套筒的焊接面的抗弯承载力高于钢摩擦铰的转动弯矩；

s3、当桥墩立柱浇筑到系梁结构时，将钢套筒和耳梁分别吊装到位，并将钢套筒作为桥墩立柱的混凝土浇筑的模板使用；再对桥墩立柱进行混凝土浇注，而钢套筒内壁上预先焊接的抗剪焊钉会嵌入在桥墩立柱混凝土中，待桥墩立柱的混凝土凝固后，钢套筒内侧的抗剪焊钉发挥作用使得钢套筒和桥墩立柱固接；

s4、将横梁吊装到位，使横梁的圆弧形凹陷平台与耳梁的半圆形部位实现咬合，且凹陷平台上的圆形凸起限位柱插入在耳梁的通孔中；然后在圆形凸起限位柱的钢筋固定孔中安装预应力钢筋，并在横梁外侧的预应力钢筋上安装锚垫板和锚具，在耳梁外侧的预应力钢筋上安装穿心式压力传感器、锚垫板和锚具；最后通过千斤顶对预应力钢筋进行张拉，并通过锚具锚固；

s5、在横梁两端的上下缘处、以及耳梁上下侧均安装铰接耳板；然后在横梁与耳梁的连接处的两铰接耳板上通过铰接螺栓安装形状记忆合金板，使形状记忆合金板与两端的铰接耳板形成铰接，从而实现用于双柱墩的钢摩擦铰耗能系梁结构的建造。

本发明的有益效果在于：

本发明用于双柱墩的钢摩擦铰耗能系梁结构及其建造方法，简单实用，可以代替钢筋混凝土系梁，降低桥墩的计算高度，提高桥墩的横向抗压稳定性和横向刚度；在地震作用下，通过系梁两端的钢摩擦铰的塑性转动消耗地震输入能量，减小桥墩的横向地震响应；在地震作用下，通过利用形状记忆合金板的超弹性，减小耳梁和横梁的相对残余转角；在地震后，通过放松预应力钢筋可以修复系梁两端的残余转角，无需更换横梁构件。本发明用于双柱墩的钢摩擦铰耗能系梁结构及其建造方法，简单实用，可以提高双柱墩的横向抗压稳定性和横向刚度，通过系梁的塑性吸收地震输入能量，同时利用形状记忆合金的超弹性减小系梁残余变形，而且对地震后存在残余变形的系梁修复方便。

附图说明

图1：本发明结构示意图；

图2：本发明中钢套筒、耳梁、横梁组装示意图；

图3：本发明钢套筒、耳梁结构示意图；

图4：本发明横梁结构示意图；

图5：本发明复位组件结构示意图。

具体实施方式

结合附图1-5，对本发明的具体实施方式作如下说明：

如图1、2、3、4、5所示，一种用于双柱墩的钢摩擦铰耗能系梁结构，包括桥墩立柱1、横梁4，横梁4两端均通过钢套筒2和耳梁3分别连接在两竖直设置的桥墩立柱1外壁上，钢套筒2通过抗剪焊钉21套设在桥墩立柱1外壁上，耳梁3一端通过焊接在钢套筒2外侧，另一端通过预应力钢筋5施加的压力与横梁4连接形成钢摩擦铰结构。

其中，在整个钢摩擦铰结构中，耳梁3另一端设置为半圆形，耳梁3的半圆形部位中央设置有耳梁通孔31，横梁4两端均设置有圆弧形凹陷平台41，凹陷平台41中央设置有圆形凸起限位柱42，耳梁3的半圆形部位与横梁4的圆弧形凹陷平台41咬合且圆形凸起限位柱42插入在耳梁通孔31中，使得耳梁3和横梁4连接处在地震作用下可以发生相对转动。圆形凸起限位柱42中心设置有钢筋固定孔43，预应力钢筋5设置在钢筋固定孔43中，横梁4外侧的预应力钢筋5上设置有锚垫板7，耳梁3外侧的预应力钢筋5上设置有穿心式压力传感器8、锚垫板7，预应力钢筋5两端均通过锚具6固定。

预应力钢筋5张拉时可以通过锚垫板7下布置的穿心式压力传感器8控制张拉力，在系梁使用过程中，可以通过锚垫板7下布置的穿心式压力传感器8监测横梁4和耳梁3接触面压力。当锚垫板7下布置的穿心式压力传感器8监测得知预应力损失较大时，可以对预应力钢筋5进行补张拉。耳梁3和横梁4的接触面可以通过对钢材表面喷砂来改变钢-钢接触面摩擦系数，从而改变钢摩擦铰转动弯矩。

横梁4与耳梁3的连接处上下两侧均设置有复位组件9，复位组件9由形状记忆合金板91、以及设置在形状记忆合金板91两端的铰接耳板92组成。形状记忆合金板91采用镍钛材料板或其他类似材料板制成，而且为两端粗、中间细的“狗骨头形”，从而保证变形主要发生在中间部位，防止两端由于钻孔和螺栓拉力导致的局部破坏。两个铰接耳板92分别设置在横梁4、耳梁3的上下缘，形状记忆合金板91两端均通过铰接螺栓93分别铰接在两个铰接耳板92上。

一种用于双柱墩的钢摩擦铰耗能系梁结构的建造方法，包括以下步骤：

s1、建立采用预应力用于双柱墩的钢摩擦铰耗能系梁结构的桥梁的空间三维有限元模型，对其进行拟静力分析，获得桥墩立柱1的水平刚度；通过模态分析获得桥梁的自振周期；通过非线性时程分析获得桥梁在小震和大震的设防地震下的桥墩响应参数；根据分析结果确定系梁的几何尺寸、轴向刚度、弯曲刚度、转动弯矩，且横梁部分的截面屈服弯矩要高于钢摩擦铰的转动弯矩；

s2、将耳梁3焊接到钢套筒2外侧，且耳梁3与钢套筒2的焊接面的抗弯承载力高于钢摩擦铰的转动弯矩；

s3、当桥墩立柱1浇筑到系梁结构时，将钢套筒2和耳梁3分别吊装到位，并将钢套筒2作为桥墩立柱1的混凝土浇筑的模板使用；再对桥墩立柱1进行混凝土浇注，其中抗剪焊钉21的一端预先焊接在钢套筒2内壁上，在桥墩立柱1混凝土浇注过程中，钢套筒2内壁上预先焊接的抗剪焊钉21的另一端会嵌入在桥墩立柱1混凝土中，待桥墩立柱1的混凝土凝固后，钢套筒2内侧的抗剪焊钉21发挥作用使得钢套筒2和桥墩立柱1固接；

s4、将横梁4吊装到位，使横梁4的圆弧形凹陷平台41与耳梁3的半圆形部位实现咬合，且凹陷平台41上的圆形凸起限位柱42插入在耳梁3的耳梁通孔31中；然后在圆形凸起限位柱42的钢筋固定孔43中安装预应力钢筋5，并在横梁4外侧的预应力钢筋5上安装锚垫板7和锚具6，在耳梁3外侧的预应力钢筋5上安装穿心式压力传感器8、锚垫板7和锚具6；最后通过千斤顶对预应力钢筋5进行张拉，并通过锚具6锚固；

s5、在横梁4两端的上下缘处、以及耳梁3上下侧均安装铰接耳板92；然后在横梁4与耳梁3的连接处的两铰接耳板92上通过铰接螺栓93安装形状记忆合金板91，使形状记忆合金板91与两端的铰接耳板92形成铰接，从而实现用于双柱墩的钢摩擦铰耗能系梁结构的建造。

在恒载作用下，系梁主要发挥减小桥墩的计算高度，提高桥墩的横向稳定性的作用。在小震作用时，系梁保持弹性，钢摩擦铰未发生转动，此时系梁主要作用是提高桥墩的横向刚度，减小桥墩的横向位移。在大震作用时，钢摩擦铰发生塑性转动从而耗散地震输入能量，减小桥墩的横向位移。形状记忆合金板91由于受摩擦铰的转动从而承受拉力和压力，由于形状记忆合金的超弹性，可以有效减小耳梁3和横梁4的残余转角。在地震后，若系梁两端存在较大的残余转角，可以通过放松预应力钢筋减小系梁残余转角。

钢摩擦铰接触面的摩擦系数以及预压力的大小需要根据系梁设计的屈服弯矩决定。由于系梁只能在两侧的钢摩擦铰处发生塑性转动，其余处要求始终保持弹性。因此在设计时，横梁4、耳梁3的截面屈服弯矩均要高于钢摩擦铰的转动屈服弯矩。

本发明用于双柱墩的钢摩擦铰耗能系梁结构及其建造方法，简单实用，可以提高双柱墩的横向抗压稳定性和横向刚度，通过系梁的塑性吸收地震输入能量，同时利用形状记忆合金的超弹性减小系梁残余变形，而且对地震后存在残余变形的系梁修复方便。

上述结合附图对发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。