一种高墩桥梁墩顶位移弹簧限位器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于桥梁工程技术领域，具体涉及一种高墩桥梁墩顶位移弹簧限位器。
【背景技术】
[0002] 高墩桥梁由于墩柱在纵向刚度较低，当发生梁底与支座面接触面不水平时，因偏 压、汽车制动力及温差等效应，会在墩顶产生不平衡水平推力，导致墩顶产生纵向偏移。对 于高柔桥墩因为非线性效应所发生的墩顶位移难以估计，并且随着效应的长期累积如不采 取控制措施，会造成墩顶位移超限，造成支座支撑位置偏位或盆式滑动支座上、下钢板相对 滑移过大产生支座破坏、伸缩缝破坏等一系列病害。另外，高墩墩顶位移过大同时会导致 P-Λ效应的增大，进一步加速墩顶与主梁端部相对位移的增加，并带来墩底弯矩增大、桥墩 承载力下降、桥梁结构耐久性及安全度降低、影响正常使用性能等一系列不利因素。这些问 题在浙江省诸如金竹牌大桥、桥头大桥以及国内许多桥梁中均有出现。
[0003] 桥梁纵向限位器在近年来很多桥梁中得到使用，从各文献调研中可以大致将桥梁 纵向限位器分为拉索限位器和挡块限位器以及包括弹簧限位器在内的其他类型限位器。
[0004] 拉索限位器通过梁与墩或梁与梁之间设置拉索，在主梁与桥墩或主梁与主梁间相 对纵向位移超出设计预期值时，通过拉索拉力将两者联系在一起以达到限制纵向位移的目 的。国内对于拉索限位器的研宄，主要定位于如何防止梁体在地震作用下发生落梁破坏。由 于桥墩高度、桥梁跨径的不同，在地震作用时，主梁与桥墩或主梁与主梁间会产生较大的相 对位移，振动频率并不一致。如果搭接长度设置未考虑这种相对位移存在，会产生主梁与桥 墩间支撑连接失效发生落梁破坏，同时主梁与主梁间产生纵向的梁体碰撞破坏。
[0005] 拉索限位器在美国及日本应用较为普遍。较多学者对限位器的设计方法进行了大 量研宄，发展了各种限位装置的设计方法，但大多都集中在限位器设计时如何考虑地震作 用的问题。美国南加利福利亚的一些高架桥在1971年的圣费尔南多地震时发生了落梁破 坏，这些事故激起了各国学者们对桥梁纵向限位器的研宄。早期的桥梁纵向限位器为C型 限位器，它通过拉索将主梁与主梁间进行纵向限位连接，由于锚固措施及梁体锚固加强构 造较为复杂，且该限位器锚固与混凝土箱梁内不易检测，因此拉索限位器逐渐朝着梁体外 表面锚固发展。
[0006] 美国AASHTO(美国国家高速公路和交通运输协会）规范及加利福尼亚交通运输规 范都有自己的一套拉索限位器的设计方法。这些设计方法主要针对拉索限位器的伸长率所 展开。这些设计方法非常简单，受到了很多设计者的欢迎，但是由于美国对于拉索限位器设 计的初衷是在地震作用下限制主梁与桥墩的纵向相对位移，同时简化的设计方法却并未考 虑动力作用下桥梁的受力特性，因此具有一定的局限性。同济大学袁万城等人在普通盆式 支座上开发了拉索支座，通过合理地设计拉索和抗剪螺栓的参数，使支座不仅能够满足静 力作用下的使用性能，而且在强震作用下能够有效地减小固定墩的受力，限制墩梁间的相 对位移，防止落梁的发生。从国外的研宄不难看出，对于纵向限位器的研宄仍然集中在地震 作用下落梁破坏及梁体碰撞破坏的领域。对于高墩长期效应所导致的梁体与桥墩相对位移 过大的纵向限位装置研宄，目前仍较少。
[0007] 挡块限位器通过设置在主梁与桥墩或主梁与主梁间，从而达到限制两者相对的纵 向位移。于芳等人在文献（设置限位器的双向隔震铁路桥梁动力响应特性研宄.[J] 土木 工程学报，2010)中提出在铅芯橡胶支座上下钢板处增设了软钢X形限位器。由于铅芯橡胶 支座在小震或中震时进入屈服，屈服后变形发展较快，使得轨道及线路设备等破坏。因此在 铅芯支座上下钢板处设置X形限位器在小震和中震作用时，不仅起到限位作用以保护上部 结构，同时其还具有一定的耗能性能。大震发生时，X形限位器剪断，铅芯橡胶支座发挥其 隔震作用。
[0008] 沙千里等人在文献（U型钢板-I型铅棒复合限位器力学性能研宄.[J]世界地震 工程，2008)中提出在U型钢板阻尼器的基础上，结合了圆柱形铅阻尼器，开发出了 U型钢 板-I型铅棒复合限位器。这种限位器有着良好的耗能性能和限位能力，但是由于圆柱形铅 阻尼器会出现裂纹而导致重复使用率差，且焊接需要合金焊接。毛晨曦等人通过将SM (沥 青玛蹄脂碎石混合料）金属及橡胶进行组合，开发出了一种形状记忆合金金属橡胶的新型 限位材料。在限位过程中，这种材料可以达到软碰撞的效果，减少梁体之间的撞击力。同时 由于SM金属的存在，在橡胶发生残余变形而无法恢复原始形状时，通过加热处理可以使 得形状记忆合金金属橡胶回复到初始形状，且受力性能与原先基本不变，但是这种材料尚 有很多问题需要进一步解决。
[0009] 1973年，新西兰第一次在Moto桥中使用了 U型钢弯曲梁阻尼限位装置。在之后的 建设实践中，世界范围内已有大量桥梁建设采用了阻尼限位装置，其中不少经历了地震的 考验。1972年，Kelly等人提出汉能概念时，采用了软钢屈服耗能器，其中包括扭转梁、弯曲 梁、U型钢等形式。Whittaker和Tsai等人分别研宄了 X形钢板和三角形钢板耗能器平面 外的特性。日本Kajima公司提出了蜂窝状的软钢屈服耗能器，可以安装在墙中或梁内。目 前软钢阻尼器已经应用于建筑结构中，如新西兰六层政府办公大楼，美国旧金山某些建筑 的抗震加固中。
[0010] 弹簧限位器是通过软碰撞使弹簧变形耗能来达到减小和限制位移的作用。韩淼等 人在文献（基础隔震层钢螺旋弹簧软碰撞限位实验研宄.[J]世界地震工程，2007)中提出 通过在隔震层设置软碰撞限位器，当地震时隔震层发生过大位移时，软碰撞限位器将发生 变形，提供一定的恢复力与阻尼力，将隔震层变形限制在允许变形范围内。闫锋等人在文献 (弹簧限位抗震支座在五棵松文化体育中心体育馆大跨钢屋架设计中的应用.[J]建筑结 构，2006)中提出在建筑结构中使用弹簧限位抗震支座来限制桁架的水平位移。
[0011] 从国内、国外的研宄不难看出，目前各种限位器的研宄基本都是基于减震的目的 而进行的，均没有对高桥墩长期非线性效应所导致的墩顶、主梁间相对位移过大这种情况 来设计限位器。
【发明内容】
[0012] 针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种高墩桥梁墩顶位移弹簧 限位器，能够解决高墩桥梁墩顶位移经过长期积累而造成的超限。
[0013] 一种高墩桥梁墩顶位移弹簧限位器，包括：
[0014] 设于主梁端部梁底且靠近盖梁位置处的加劲钢板A1，所述的加劲钢板Al上设有 多排加劲肋BI ;
[0015] 设于盖梁侧面的加劲钢板A2 ;
[0016] 与加劲钢板A2平行的加劲钢板A3,所述的加劲钢板A3通过多排加劲肋B2与加劲 钢板A2连接；
[0017] 与加劲钢板A3平行的自由钢板，所述的自由钢板通过若干弹簧与加劲钢板A3连 接；
[0018] 与加劲钢板Al垂直且面向自由钢板的加劲钢板A4,各加劲肋Bl的一端均垂直固 定于加劲钢板A4上，所述的加劲钢板A4与自由钢板间预留有一定间隙。
[0019] 进一步地，所述的加劲肋B2垂直连接于加劲钢板A2与加劲钢板A3之间。
[0020] 进一步地，所述的加劲钢板Al和加劲钢板A2采用焊钉或螺栓分别固定于主梁梁 底和盖梁侧面。
[0021] 进一步地，所述焊钉的直径多为19mm或22mm，长度约为IOcm~15cm ;对于与梁底 的连接，焊钉主要承受剪力，采用纵桥向两列布置，根据最大限位力的不同，布置3~5排焊 钉或螺栓；对于盖梁处的焊钉，承受较大的轴力，具体焊钉布置可以根据具体结构和限位力 做相应调整。
[0022] 进一步地，所述的加劲钢板Al~A4多采用Q345钢材，尺寸要求满足安装的构造 要求，即考虑梁底和盖梁侧面的空间限制，还需要满足焊钉或螺栓的布置要求，考虑满足焊 钉或螺栓间距的情况下基于节省的原则尽量采用较小尺寸的钢板，板厚根据强度和稳定控 制。
[0023] 进一步地，所述的弹簧两端圈并紧磨平，焊接于自由钢板与加劲钢板A3之间；以 保证几个弹簧能够共同工作；弹簧在板间竖向和横向对齐布置，弹簧选取不唯一，但需要保 证几个弹簧在工作状态下工作负荷约50kN~100kN。
[0024] 所述弹簧的极限负荷不超过200kN，自由长度约为8cm~12cm ;弹簧刚度宜取较大 值以保证工作状态下弹簧变形量较小，能够起到限位的作用。
[0025] 所述的弹簧工作于极限负荷下变形量一般不超过弹簧总长的20%，即约为6kN/ mm ~12kN/mm〇
[0026] 进一步地，所述的加劲钢板A4与自由钢板的间隙不超过规定的墩顶位移限值，使 得弹簧压缩变形后，墩顶位移仍不至于过大。
[0027] 所述的墩顶位移限值取为〇.5λ/Ι(ΠΤ1，L为箱梁墩台间的最小跨径。
[0028] 本发明通过在立柱或盖梁侧面和主梁端部梁底分别设置加劲钢板，通过连接件将 其与盖梁或主梁连接，在锚固于立柱或盖梁侧面的竖向加劲板间设置若干弹簧，这些弹簧 的另一端固定在另外同一块钢板上，并使该钢板与锚固于主梁的钢板间预留一定间隙。墩 顶偏位多是因为温度效应循环、制动力、较大纵坡等因素的累积效应造成，当墩顶由于这些 因素发生位移时，如果位移在规范允许范围内时，限位器通过预留的间隙不发挥作用；而当 墩顶发生过大的偏位时，预留空隙被压缩直至抵紧，限位器开始工作，通过弹簧的变形来减 小和限制这种过大的位移，减小和限制累积的效应，防止墩顶位移累积