一种适用于预制拼装桥墩的连接铰

技术领域

本发明属于桥梁工程和地震工程技术领域，涉及一种适用于预制拼装桥墩的连接铰。

背景技术

传统的延性抗震设计方法允许在桥墩底部形成塑性铰，并通过塑性铰消耗能量。虽然这种方法防止了桥梁的坍塌，但地震后会产生较大的残余变形，使得震后无法恢复正常交通。因此给社会经济带来了包括：震后救灾受阻、桥墩被迫拆除、商业经济受限等多方位的影响，造成了巨大的经济损失。为了在地震后恢复桥梁的使用功能，越来越多的学者开始研究具有可恢复性功能的桥梁。

摇摆墩具有优异的抗震性能和震后恢复能力，且非常适合预制装配技术的应用。然而，在摇摆过程中，摇摆界面的局部压力可能会导致在转动点处的桥墩混凝土剥落和压碎。目前，如何避免摇摆墩的局部损伤是一大研究难点。

大部分摇摆墩都是预制的，并通过无粘结的后张预应力筋连接相邻的构件。虽然预制拼装加快了桥梁的建设，但现场仍有一系列工作，如预应力筋的张拉等，不但预应力筋张拉困难，耗费时间，而且锚固质量难以进行检查。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种适用于预制拼装桥墩的连接铰，以适用于桥墩与承台快速连接，并减小墩柱底部摇摆碰撞造成的局部损伤等。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种适用于预制拼装桥墩的连接铰，包括上盘、下盘、预应力筋和屈曲约束支撑，所述的上盘设置在墩柱底部，所述的下盘则固定在承台上，且上盘和下盘的中间区域呈球面接触配合并形成球铰结构；所述预应力筋可以采用无粘结预应力筋，其一端锚固在墩柱顶部，另一端锚固在下盘的底板上；所述的屈曲约束支撑布置在上盘和下盘之间并位于球铰结构周围。

进一步的，所述的上盘包括锚固于墩柱底部的顶板，以及设置在顶板下表面的球铰头，所述的下盘包括固定在承台上的底板，以及设置在底板上表面的球铰窝，所述的球铰头与球铰窝呈球面接触形成所述球铰结构。

更进一步的，所述的球铰窝上从球形内壁过渡到平台段的转角位置设置成倒角。

更进一步的，所述的球铰头位于顶板的中心位置，所述的球铰窝位于底板的中心位置，且球铰头与球铰窝的尺寸匹配。

进一步的，所述上盘的边缘位置还设有向下伸出的上挡板，所述下盘的边缘位置还设有向上伸出的下挡板，所述上挡板与下挡板的位置相对，且上挡板与下挡板之间预留间距。

更进一步的，所述上挡板与下挡板分别呈中心对称布置。

进一步的，所述上盘通过剪力钉锚固在墩柱底部。

进一步的，所述下盘通过锚固螺栓固定在承台上。

进一步的，所述屈曲约束支撑的两端分别固定连接所述上盘和下盘，所述预应力筋的上端锚固在墩柱顶部，下端则依次穿过所述墩柱与顶板，并锚固在底板上。

更进一步的，所述屈曲约束支撑的上下两端分别焊接于上盘和下盘上。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明首次提出适用于桥墩与承台连接的连接铰理念。本发明的连接铰采用钢材制成，通过球铰的转动，延长结构周期，降低地震响应，可以避免传统摇摆墩摇摆时的碰撞冲击力造成墩柱底部的局部损伤；此外，该连接铰可以替代传统延性桥墩的塑性铰，可以有效减小墩柱底部的损伤。

(2)本发明提供的连接铰可以在工厂与预制桥墩拼装，张拉好预应力筋，现场只需将此连接铰的底板与承台进行螺栓连接，省去了传统预制桥墩施工过程中，预应力筋现场张拉工序等工序，大大缩减了现场的安装难度与耗费的时间，具有很大的便利性和时间效益。

(3)本发明的连接铰具有可恢复性，预应力筋提供了自复位能力，震后只需更换屈曲约束支撑，保障了震后墩柱的快速恢复与正常工作。

附图说明

图1为本发明立面结构示意图；

图2为本发明侧面结构示意图；

图3为图1中的平截面示意图；

图4为地震中连接铰运动示意图；

图中标识为：

1为墩柱，2为剪力钉，3为上盘，4为下盘，5为屈曲约束支撑，6为预应力筋，7为锚固螺栓，8为承台，9为顶板，10为球铰头，11为上挡板，12为球铰窝，13为底板，14为下挡板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下各实施方式或实施例中，如无特别说明的功能部件或结构，则表明其均为本领域为实现对应功能而采用的常规部件或结构。

为适用于预制拼装桥墩与承台快速连接，本发明提供了一种适用于预制拼装桥墩的连接铰，其结构参见图1至图3所示，包括上盘3、下盘4、屈曲约束支撑5和预应力筋6，所述的上盘3设置在墩柱1底部，所述的下盘4则固定在承台8上，且上盘3和下盘4的中间区域呈球面接触配合并形成球铰结构，所述的屈曲约束支撑5布置在上盘3和下盘4之间并位于球铰结构周围，所述的预应力筋6一端锚固在墩柱1顶部，另一端锚固在下盘4上。

在一些实施方式中，请再参见图1等所示，所述的上盘3包括锚固于墩柱1底部的顶板9，以及设置在顶板9下表面的球铰头10，所述的下盘4包括固定在承台8上的底板13，以及设置在底板13上表面的球铰窝12，所述的球铰头10与球铰窝12呈球面接触形成所述球铰结构。具体的，球铰头10与球铰窝12相互嵌套，使得上盘3的横向位移被限制；同时，球铰头10支撑在球铰窝12上，球铰头10承担竖向荷载，同时可与球铰窝12发生相对转动。

可选的，上盘3的顶板9与下盘4的球铰窝12的间距，应大于顶板9转动到最大设计转角时顶板9的竖向位移量。

更具体的实施方式中，所述的球铰窝12上从球形内壁过渡到平台段的转角位置设置成倒角。

更具体的实施方式中，所述的球铰头10位于顶板9的中心位置，其端部呈半球体，所述的球铰窝12位于底板13的中心位置，且球铰头10与球铰窝12的尺寸匹配。

在一些实施方式中，请再参见图1等所示，所述屈曲约束支撑5的两端分别固定连接所述上盘3和下盘4，所述预应力筋6的上端锚固在墩柱1顶部，下端则依次穿过所述墩柱1与顶板9，并锚固在底板13上。具体的，屈曲约束支撑5通过其自身(芯材)的塑性变形来耗散能量，其延性和滞回耗能能力大，兼有普通支撑和耗能构件的双重作用，震后可以进行更换。基于能力保护的原则，屈曲约束支撑5与上盘3、下盘4的连接强度，下盘4与承台8间的锚固强度均大于最大地震力需求。而预应力筋6可采用无粘结预应力筋。

更具体的实施方式中，所述屈曲约束支撑5的上下两端分别焊接于上盘3和下盘4上。

在一些实施方式中，请再参见图1等所示，所述上盘3的边缘位置还设有向下伸出的上挡板11，所述下盘4的边缘位置还设有向上伸出的下挡板14，所述上挡板11与下挡板14的位置相对，且上挡板11与下挡板14之间预留间距。上挡板11与下挡板14的间距，应根据最大设计转角时上挡板11的竖向位移量确定。

更具体的实施方式中，所述上挡板11与下挡板14分别呈中心对称布置。

在一些实施方式中，所述上盘3通过剪力钉2锚固在墩柱1底部，上盘3由于需要传递来自墩柱1的较大的荷载，基于能力保护的原则，需要设置足够的剪力钉2，以确保上盘3与墩柱1之间的锚固性能。

在一些实施方式中，所述下盘4通过锚固螺栓7固定在承台8上。

在正常使用情况下，上盘3的球铰头10承担竖向荷载。下盘4的球铰窝12能限制上盘3球铰头10的横向位移，起到抗剪的作用。同时，屈曲约束支撑5与预应力筋6一起，限制上、下盘4之间的相对转动。

在地震作用下，本发明的球铰头10和球铰窝12之间发生相对转动，延长结构周期，所述的屈曲约束支撑5耗散能量，所述的预应力筋6处于弹性状态，提供恢复力，以达到自复位的功能。为使摇摆过程中，上盘3球铰头10不与球铰窝12的从球形内壁过渡到平台段的转角处碰撞，应该将该转角设置成倒角。为使连接铰在大震作用下转动角度不会超出设计限值，设有上挡板11和下挡板14进行限制。

在地震发生后，损伤主要集中在屈曲约束支撑上，而结构主体不受损伤，震后只需更换屈曲约束支撑5等耗能装置即可。屈曲约束支撑5由于自身的构造特点，受压、受拉都能发生屈服，具有优良的变形能力和滞回耗能能力，且施工简便，便于维护。

本发明连接铰可以实现预制桥墩与承台8之间的快速连接，进一步减少施工现场的工作量。在工厂提前将预应力筋6张拉并锚固在该连接铰的底板上，在现场只需将该连接装置与承台8进行简单的连接，将会具有很大的便利性和时间成本优势。

以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。

下面结合具体实施例对上述实施方式进行更详细的说明。

实施例1：

如图1至图4所示，本实施例提供一种适用于预制拼装桥墩的连接铰，该连接铰主要包括：上盘3、下盘4、屈曲约束支撑5和预应力筋6。上盘3锚固于墩柱1底部；上盘3与下盘4之间设置有屈曲约束支撑5，屈曲约束支撑5通过焊接连接上盘3和下盘4；上盘3与下盘4之间还设置有预应力筋6，其一端锚固在墩柱1顶部，另一端锚固在下盘的底板13上；下盘4固定在承台8上。

本实施例中的上盘3需要传递来自墩柱1的较大的荷载，基于能力保护的原则，在上盘3上设置足够的剪力钉2，以确保上盘3与墩柱1之间的锚固性能。

本实施例中上盘3包括顶板9、球铰头10和上挡板11，球铰头10位于顶板9的中心位置，端部为半球体；上挡板11位于顶板9下方外侧位置，并为中心对称结构；下盘4包括球铰窝12、底板13和下挡板14；球铰窝12位于底板13中心位置，球铰窝12尺寸和球铰头10相匹配。

本实施例中球铰头10与球铰窝12相互嵌套，使得上盘3的横向位移被限制；球铰头10支撑在球铰窝12上，球铰头10承担竖向荷载，同时可与球铰窝12发生相对转动。

本实施例中屈曲约束支撑5通过焊接与上盘3和下盘4连接，通过芯材的塑性变形来耗散能量，其延性和滞回耗能能力好，兼有普通支撑和耗能构件的双重作用，震后可以进行更换。

本实施例中，由于连接铰发生转动后，重力属于倾覆力矩，故应设置足够面积的预应力筋6，使得连接铰的恢复力矩大于倾覆力矩，保证可恢复性。

基于能力保护的原则，屈曲约束支撑5与上盘3和下盘4的锚固强度，下盘4与承台8间的锚固强度均大于最大地震力需求。球铰头10的竖向承载能力应大于最大地震力需求。连接铰的转动力矩应小于墩柱1底部的等效屈服弯矩，并设定一定的安全系数，保证墩柱处于弹性范围。

顶板9与球铰窝12的间距，应大于顶板9转动到设计转角时顶板9的竖向位移量。本发明上挡板11与下挡板14的间距，应根据最大设计转角时上挡板11的竖向位移量确定。

在正常使用情况下，上盘的球铰头10承担竖向荷载。球铰窝12能限制上盘球铰头10的横向位移，起到抗剪的作用。同时，屈曲约束支撑5与预应力筋6一起，限制上盘3、下盘4之间的相对转动。

在地震作用下，球铰头10和球铰窝12之间发生相对转动，延长结构周期，屈曲约束支撑5耗散能量，预应力筋6处于弹性状态，提供恢复力，以达到自复位的功能。为使摇摆过程中，上盘的球铰头10不与球铰窝12的从球形内壁过渡到平台段的转角处碰撞，应该将该转角设置成倒角。为使连接铰在大震作用下转动角度不会超出设计限值，设有上挡板11和下挡板14进行限制。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。