一种消抗一体化桥墩及其控制方法与流程

本发明涉及桥墩制作，尤其涉及一种消抗一体化桥墩及其控制方法。

背景技术：

1、桥梁结构抗震是在地震区建造桥梁，为使其对可能发生的地震有足够安全，或减轻震害而便于修复，对于传统桥梁，抗震措施主要靠设置足够大的截面或者配置足够多的钢筋以达到足够的地震抗力，但是一旦结构出现过大的延性变形，即便结构没有倒塌，也面临着加固及修复困难，无法二次使用的问题；此外，由于地震的破坏形式不同，震后修复的手段及难易程度也不同；经过对震后桥梁进行对比研究，发现桥梁上部结构延性较好，大多能满足抗震要求，而桥梁下部结构往往破坏的很多；而对于桥梁下部结构的破坏，一般采取震后加固的措施，常见的有贴碳纤维布，或者使用纤维增强复合材料(frp)，或者粘贴钢板，或者增大截面，在原有桥墩的基础上继续在桥墩外部浇筑混凝土；但是这些措施对于震害不严重的桥梁是有作用的，对于震害严重的桥梁，就只有进行桥墩的更换了；混凝土是目前最常用的建筑材料，抗压性能较好，但受拉和受弯性能较差，在弯拉状态下极易开裂；但是如果使其处于三向受压状态，则其抗压强度和延性都会提高；在不增加自重又能提高强度和延性的要求下，粘贴碳纤维布或使用纤维增强复合材料(frp)是不错的选择，但是不足之处在于这种材料成本高，价格昂贵，同样，对于桥墩震后开裂修复，粘贴钢板不可取，有时候现浇混凝土增大截面的条件又不具备，更换桥墩又不方便也不经济，因此，开发一种减震抗震，更换方便的桥墩对建筑的绿色低碳、经济耐久以及防震减灾具有十分重要的现实意义。

2、现有技术一，申请号cn202010729691.4公开了一种组合式减震桥墩，包括主体、承重装置、底座、连接装置、第一连杆、第二连杆和孔洞，主体的上方设有承重装置，承重装置包括弹簧、支撑板、缓冲柱和第一橡胶垫，第一连杆的下方设有支撑柱，支撑柱由垫块、橡胶柱和下压板组成，第二连杆的下方设有固定块，主体的外部设有孔洞，主体的下方设有连接装置，连接装置包括第二橡胶垫、螺帽和螺栓组成，连接装置的下方设有底座，在底座的顶部安装了连接装置不仅可以给主体的本身增加缓震的效果，还可以增加桥梁的稳定性，并且在承重装置内部添加了多层硬性缓冲的装置，可以把桥面传输的冲击力与重量进行层层分解，达到良好的缓震效果。虽然可以增加桥墩的缓震效果，增加桥梁的稳定性。但是桥墩损坏后不易更换，更换成本高。

3、现有技术二，申请号cn202310322165.x公开了一种桥梁减震耗能装置及带有减震装置的桥梁，涉及桥梁工程技术领域，该装置包括至少一放大组件，放大组件包括至少一摇摆传力杆和垂直穿过所有摇摆传力杆中部的摇摆旋转轴，摇摆旋转轴轴向方向沿主梁纵向方向设置，且与墩柱在横向方向上相对固定，摇摆旋转轴将摇摆传力杆划分为连接段和放大段，连接段端部随主梁横向振动产生横向位移；金属阻尼组件，其上侧与放大段端部相连接，用于提供阻尼作用；通过摇摆旋转轴将摇摆传力杆划分为连接段和放大段，且连接段长度小于放大段长度，连接段端部随主梁横向振动产生横向位移时，放大段端部会产生更大位移，带动金属阻尼组件发生更大形变，提高阻尼作用。虽然使用金属阻尼与震感对抗，起到了桥梁减震的作用。但是损坏后不易更换，更换成本高，建造过程中使用材料成本高，价格昂贵。

4、现有技术三，申请号cn202110630139.4公开了一种节段拼装摇摆桥墩多重减震体系，包括上部结构、拉索减震支座、盖梁、节段拼装桥墩、角钢阻尼器、无粘结预应力索、承台和凹槽剪力键；上部结构通过拉索减震支座支承在盖梁上；桥墩节段之间其内部通过凹槽剪力键连接，桥墩节段之间其外部通过连接盖板连接，并用无粘结预应力索将节段拼装桥墩、盖梁和承台连接成整体；桥墩的顶部与盖梁，以及桥墩的底部与承台通过角钢阻尼器连接。虽然将减隔震体系和摇摆体系结合应用于节段拼装桥墩上，通过一种摇摆桥墩多重减震的构造方式，该多重减震体系适用于装配式t梁、小箱梁、整体箱梁的主梁形式，保证了正常使用状态的工作性能，见笑了桥墩的地震内力响应，并实现了自复位的功能。但是一旦结构出现过大的延性变形，即便结构没有倒塌，也面临着加固及修复困难，无法二次使用的问题，且震后的修复手段及难易程度也不同。

5、目前，现有技术一、现有技术二及现有技术三存在桥墩结构抗震能力差，抗震效果不明显，材料成本高，价提供格昂贵，桥墩震后开裂加固及修复困难，无法二次使用的问题。因此，本发明提供一种消抗一体化桥墩及其控制方法，通过在梁底设置摩擦摆支座，在桥墩节段之间设置预应力筋、消抗一体化装置，以及在墩底设置摩擦减震装置，充分将结构的抗力和消能减震结合在一起，极大的提高了结构的使用寿命。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种消抗一体化桥墩及其控制方法，以解决现有技术中桥墩结构抗震能力差，抗震效果不明显，材料成本高，价格昂贵，桥墩震后开裂加固及修复困难，无法二次使用的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种消抗一体化桥墩，所述消抗一体化桥墩包括：梁底；

4、在梁底设置摩擦摆支座，在桥墩节段间设置预应力筋、消抗一体化装置及钢-uhpc混凝土柱芯；

5、消抗一体化装置，用于受拉侧由预应力钢筋抗拉，减轻桥墩振动，释放内部能量并减少动态荷载；

6、钢-uhpc混凝土柱芯，用于支撑，增强桥墩的承载力；与柱间节段连接处的消抗一体化装置配合实现震中耗能以及震后结构的自复位；

7、摩擦减震装置，在墩底设置，用于通过摩擦力消耗地震能量，利用摩擦面之间的滑动吸收能量；

8、墩底缓冲装置，用于吸收和耗散由地震引起的动力能量；

9、墩底摩擦耗能装置，用于通过摩擦系统来耗散能量，通过摩擦作用实现振动的衰减。

10、墩底消能复位装置，用于利用sma环形阻尼器的特性，实现桥梁在经历大振动后不会受到永久性变形；

11、梁侧抗倾覆装置，用于通过耳板与钢连杆的结合，防止桥梁的倾覆或滑移。

12、作为本发明的进一步改进，梁侧抗倾覆装置包括耳板、第一钢连杆；桥面由波形钢腹板梁构成，耳板与第一钢连杆组成梁侧抗倾覆装置，由膨胀螺栓固定在桥墩上，耳板与桥墩之间有一块第一垫板。

13、作为本发明的进一步改进，摩擦摆支座包括摩擦摆支座上部、摩擦摆支座下部、第一高强弹簧、第五螺栓和聚四氟乙烯；

14、摩擦摆支座上部、摩擦摆支座下部由第五螺栓固定在一起，第一高强弹簧由第四螺栓固定在牙板上，聚四氟乙烯存放在高强弹簧与第五螺栓处，组成摩擦摆支座。

15、作为本发明的进一步改进，钢-uhpc混凝土柱芯包括第一钢套管、第三钢肋板、第三栓钉焊接成整体后与uhpc混凝土浇筑成整体。

16、作为本发明的进一步改进，摩擦耗能装置包括第二钢肋板、钢顶板、第一钢腹板、第四钢肋板、第一橡胶块、上摩擦板、下摩擦板、sma环形阻尼器、sma蜂窝结构、第二橡胶块、第十一螺栓；

17、其中，墩底缓冲装置由钢顶板、第一钢腹板、第四钢肋板、钢底板焊接成整体，并且在钢顶板、钢底板之间，钢肋板一侧设置有第一橡胶块，第一橡胶块与钢管混凝土下节段相抵接；墩底缓冲装置下方为摩擦耗能装置，由上摩擦板和下摩擦板通过第八螺栓栓接而成，上下各有一块钢垫板；摩擦耗能装置下方为墩底消能复位装置，由sma环形阻尼器内嵌sma蜂窝结构组成，其上下由第十一螺栓栓接，靠近钢支座下部结构的一侧为第二橡胶块，有上下分布的上牙板和下牙板将其固定；

18、墩底缓冲装置下方为摩擦耗能装置，由上摩擦板和下摩擦板通过第八螺栓栓接而成，上下各有一块钢垫板；摩擦耗能装置下方为墩底消能复位装置，其上下由第十一螺栓栓接，靠近钢支座下部结构的一侧为第二橡胶块，有上下分布的上牙板和下牙板将其固定。

19、作为本发明的进一步改进，墩底消能复位装置由sma环形阻尼器内嵌sma蜂窝结构组成；墩底缓冲装置由钢顶板、第一钢腹板、第四钢肋板、钢底板焊接成整体，并且在钢顶板、钢底板之间，第四钢肋板一侧设置有第一橡胶块，第一橡胶块与钢管混凝土下节段相抵接；墩底定位装置由钢支座上部结构、钢支座下部结构和高强钢定位装置互相嵌套而成。

20、作为本发明的进一步改进，消抗一体化装置包括带孔钢圆台、钢导块、sma环筋、第二高强弹簧及塑料波纹管；

21、钢-uhpc混凝土柱芯的两侧对称分布有上下对称连接的带孔钢圆台，两带孔钢圆台由三根sma环筋固定，其内部有塑料波纹管，塑料波纹管内有一根第二高强弹簧，在带孔钢圆台上下两侧各有一块第二钢肋板，每块第二钢肋板有均匀分布的12个第二栓钉焊接；在钢-uhpc混凝土柱芯下方，左右两侧各有一块第一钢肋板，各有两排分布均匀的18个第一栓钉将其固定。

22、作为本发明的进一步改进，桥墩节段包括第二垫板、竖向加劲肋、第六螺栓、第二钢连杆、角钢、第一钢肋板、第一栓钉、钢套筒、第二栓钉、第二钢肋板、钢垫块、圆钢管、第五钢肋板、钢管混凝土上节段；

23、其中，第一钢连杆中间设置有一块第二垫板，通过第二螺栓固定；桥柱整体由钢套筒覆盖，三根圆钢管竖向贯穿在桥柱内，桥柱与钢悬臂中间有一层角钢，通过第六螺栓固定；钢管混凝土上节段上半部分，左右两侧各有一块第一钢肋板，各有两排分布均匀的个第一栓钉将其固定，在两块第一钢肋板中间，有上下左右对称分布的四块第五钢肋板，每块第五钢肋板有三个第一螺栓固定，在第五钢肋板上下分布的间隔内部，固定有三个等距的第二钢连杆，该第二钢连杆横向贯穿桥柱。

24、作为本发明的进一步改进，钢悬臂由钢腹板和第二竖向加劲板焊接而成；

25、其中，钢悬臂与第一钢连杆中间有一块第二垫板8，通过第二螺栓8固定；桥柱整体由钢套筒覆盖，三根圆钢管竖向贯穿在桥柱内，圆钢管内部有预应力筋，上部固定在摩擦摆支座中间支座上，桥柱与钢悬臂中间有一层角钢，通过第六螺栓固定；钢管混凝土上节段上半部分，左右两侧各有一块第一钢肋板，各有两排分布均匀的8个第一栓钉将其固定，在两块第一钢肋板中间，有上下左右对称分布的四块第五钢肋板，每块第五钢肋板有三个第一螺栓固定，在第五钢肋板上下分布的间隔内部，固定有三个等距的第二钢连杆，该第二钢连杆横向贯穿桥柱；在钢管混凝土上节段下半部分有钢-uhpc混凝土柱芯，在第一钢肋板相靠近方向的中间有两块左右对称分布的第五钢肋板，每块第五钢肋板各有三个第一螺栓焊接；钢管混凝土下节段与钢管混凝土上节端下半部分相同，包括两侧带孔钢圆台和第二钢肋板；在钢管混凝土下节段下方，左右两侧各有一块第一钢肋板，在第一钢肋板相靠近方向的中间有两块左右对称分布的第五钢肋板，每块第五钢肋板各有三个第一螺栓焊接；墩底缓冲装置由钢顶板、第一钢腹板、第四钢肋板、钢底板焊接成整体，并且在钢顶板、钢底板之间，钢肋板一侧设置有第一橡胶块，第一橡胶块与钢管混凝土下节段相抵接；在两墩底消能复位装置中间有高强钢定位装置，固定于钢支座上部结构与钢支座下部结构之间，在高强钢定位装置上部，横向贯穿有两个第三钢连杆，两第三钢连杆与桥柱连接处有耗能角钢，在第三钢连杆贯穿处，左右两侧各有一块第二钢肋板，分别由个第二栓钉栓接；在桥墩最下方，圆钢管内有第二预应力筋、第三预应力筋；桥墩底部有基础包裹。

26、为实现上述目的，本发明还提供了如下技术方案：

27、一种消抗一体化桥墩控制方法，其应用于所述的消抗一体化桥墩，所述消抗一体化桥墩控制方法，包括：

28、墩底缓冲装置、摩擦耗能装置、墩底消能复位装置通过sma蜂窝结构、sma环形阻尼器和两处橡胶块对地震进行大幅度有效消能，sma蜂窝结构和sma环形阻尼器也能对结构自复位提供很大的复位能量；

29、消抗一体化装置通过钢肋板牢牢固定在桥柱上，在发生地震时，通过小幅度的晃动来实现大幅度的消能，抵抗外力防止桥墩倾覆；

30、摩擦摆支座通过梁侧抗倾覆装置与桥墩上节段连接，摩擦摆支座通过其内部的高能弹簧和聚四氟乙烯，在受到地震震动后，通过小幅度的摩擦移动对地震进行消能。

31、本发明的波形钢腹板梁、钢腰梁及各个角钢和螺栓的组合形成高强刚度的整体结构，提高了桥墩在各种荷载下的整体稳定性；采用高强钢及uhpc(超高性能混凝土)材料，显著提高了结构的承载能力和耐久性。提升桥梁的使用寿命：利用高强、耐久材料减少养护频率，整体延长了桥梁的服务寿命；显著提高结构在极端荷载下的承载能力，降低在地震等自然灾害时桥梁失稳的风险。抗倾覆与抗震设计，耳板与第一钢连杆组成梁侧抗倾覆装置，在极端情况下提供额外的稳定性；在支座中使用摩擦摆结构，允许垂直和水平位移，有效吸收和耗散地震能量。安全防护：提高了桥梁的抗倾覆能力，使其在强震荷载下能够有效保持稳定；减震效果：通过摩擦结构的引入，可以显著降低地震振动传递至结构的能量，减少对桥梁的损害。缓冲与消能机制，由钢垫板与橡胶块结合，使得在地震或重载下有良好的耗能效果；sma(形状记忆合金)环形阻尼器提供非线性耗能机制，使其在回弹中恢复形状，有效消耗震动能量。有效的保护手段：缓冲和消能机构能显著降低动力荷载带来的影响，提高结构耐震性能；降低维护成本：减少因震动引起的结构损害，降低后期的维护和修复费用。预应力筋设计，设计了多根圆钢管内的预应力筋，增强了对建筑物的约束力和稳定性，提升了对冲击和震动的抵御能力。增强应力分配：通过预应力设计，使得结构在施工或使用中产生的应力能够更均匀地分布，防止应力集中导致的裂缝或破坏；提升结构的经济性：通过合理的设计分配，最大化材料利用率，降低材料成本。组件连接与整体协调，各个部件间通过高强连接件和螺栓高效连接，以提高结构的工装效率和施工精度；各部件均为预制并互相配合，保证施工过程的高效率和准确性。施工便利性：模块化设计使得组件的运输、安装和调试均变得更加简单快速；提高施工质量：通过精确设计的连接件，减少了因安装不当造成的质量问题。