桩基础桥墩的基底摇摆隔震装置.pdf

本发明公开一种桩基础桥墩的基底摇摆隔震装置，其结构特征是由防倾覆钢绞线或钢筋、墩身、扩大基础、橡胶、分离面和基础构成。墩身与扩大基础连接，且墩身垂直于扩大基础，并嵌入基础中，扩大基础的四周用橡胶填充，防倾覆钢绞线或钢筋植入墩身中，一端锚固于墩顶，另一端锚固于基础中。本发明根据相关规范设计使墩身与基础分离，并在设计地震或罕遇地震中桥墩通过摇摆过滤地震能量，以此保证桥墩在正常使用荷载及多遇地震下的使用功能要求，并在设计地震或罕遇地震中使墩身与基础分离，达到既能保护桥墩又能保护基础的抗震目标。

1.  一种桩基础桥墩的基底摇摆隔震装置，是由防倾覆钢绞线或钢筋（1）、墩身（2）、扩大基础（3）、橡胶（4）、分离面（5）和基础（6）构成，其特征是墩身（2）与扩大基础（3）连接，且墩身（2）垂直于扩大基础（3），并嵌入基础（6）中，扩大基础（3）的四周用橡胶（4）填充，防倾覆钢绞线或钢筋（1）植入墩身（2）中，一端锚固于墩顶，另一端锚固于基础（6）中。

桩基础桥墩的基底摇摆隔震装置
 
技术领域
本发明属于工程隔震技术领域，具体说是一种桩基础桥墩的基底摇摆隔震装置。在设计地震或罕遇地震作用下桥墩相对于基础将发生摇摆，地震结束后墩身自行复位，达到既能保护桥墩又能保护基础的抗震目标。 
背景技术
考虑大地震发生的间歇性及不确定性，钢筋混凝土桥梁的弹性设计是不经济的。延性抗震理论设计的桥梁，地震过后墩柱的塑性铰区也将造成永久残余变形。残余变形所造成的损坏，轻微者或许可以修复，但修复后的承载力很难预测，而严重者则需重建，既费时又使交通中断。现有的支座减、隔震装置的变形能力有限，适用频率范围较窄，有严格的使用条件，且不能适应软土场地基础的较大变形。软土场地上的桥梁隔震后有与场地共振的可能，因而桥梁不能适用于软土场地。
发明内容
本发明提供了一种桩基础桥墩的基底摇摆隔震装置，该装置在不影响桥梁正常使用功能的同时，提高桥墩结构的抗震性能，避免桥墩在强震作用下产生严重损伤，从而为抵御地震的破坏提供可靠的技术保障。
本发明的目的是这样实现的：
一种桩基础桥墩的基底摇摆隔震装置，是由防倾覆钢绞线或钢筋、墩身、扩大基础、橡胶、分离面和基础构成。墩身与扩大基础连接，且墩身垂直于扩大基础，并嵌入基础中，扩大基础的四周用橡胶填充，防倾覆钢绞线或钢筋植入墩身中，一端锚固于墩顶，另一端锚固于基础中。
本发明所涉及到的理论如下：
粘着阶段的桥墩地震动方程如下：
                                                                                                                        （1）
式中，为质量矩阵，见式（2）；
      为刚度矩阵，见式（3）；
为阻尼矩阵，用瑞利阻尼表示为；
为单位列矢量。
                                                                        （2）
                                                                                    （3）
如果地震中重力提供的稳定弯矩小于提离弯矩时桥墩进入摇摆阶段，此阶段的体系运动方程如下：
                                                          （4）
                                                                    （5）
                                                                                                              （6）
式中，I_b为所有质点对基底的转动惯量之和，见式（7）；
M_t为所有质量之和，见式（8）；
      M(t)为基础提供的抗倾覆弯矩；
      R(t)为基础提供的竖向反力。
                                                                                                            （7）
                                                                                                                           （8）
与复杂的有限元及边界元模型相比，Winkler弹簧模型是模拟土-结构相互作用的一种简便方法。本发明用弹性梁单元模拟墩柱，桥面用集中质量模拟，基础质量堆积于基础的重心，基础用刚臂模拟，Winkler弹簧模型用以模拟基础隔震桥墩的摇摆，见图3。只受压的Winkler基础弹簧的力位移关系示于图4。采用FEMA356建议的方法计算Winkler弹簧刚度，见图5-6及式（9）、式（10）。
                                                                                                           （9）
                                                                                                                       （10）
图5及式中，为基础端部每平方米的弹簧刚度；
             为基础中部每平方米的弹簧刚度；
             G为基础材料的剪切模量；
             为基础材料的泊松比。
本发明的优点和产生的有益效果是：
1、震后桥墩与基础能达到基本无损伤，完整性较好，且可通过墩身自重及上部恒载重力进行自复位；摇摆隔震对现有常规桥墩的设计改动较小，容易实现，适用范围广。
2、震前不会由于抗震设计增加较多投资；震后桥墩不发生或发生轻微破坏，可以不用修复或轻微修复便可使用，避免了昂贵的震后修复费用，减少了震后的修复工作量和经济成本，保证了交通畅通。为震后抗震救灾及灾后重建赢得了宝贵的时间，具有很大的社会综合效益。
3、本发明根据相关规范设计使墩身与基础分离，并在设计地震或罕遇地震中桥墩通过摇摆过滤地震能量，以此保证桥墩在正常使用荷载及多遇地震下的使用功能要求，并在设计地震或罕遇地震中使墩身与基础分离，达到既能保护桥墩又能保护基础的抗震目标。
附图说明
图1为本发明粘着阶段示意图。
图2为图1摇摆阶段示意图。
图3为基础摇摆分析模型I。
图4为基础弹簧模型。
图5为Winkler分布刚度模型。
图6为Winkler分布弹簧模型。
具体实施方式
如图1所示，一种桩基础桥墩的基底摇摆隔震装置，包括防倾覆钢绞线1、墩身2、扩大基础3、橡胶4、分离面5和基础6。墩身2与扩大基础3连接，且墩身2垂直于扩大基础3，并嵌入基础6中，扩大基础3的四周用橡胶4填充，防倾覆钢绞线1植入墩身2中，一端锚固与墩顶，另一端锚固于基础6中。
在正常使用及多遇地震作用下，墩身2不发生摇摆，保证了桥梁结构的抗倾覆稳定和行车的安全。
在设计地震或罕遇地震中，桥墩相对于基础将发生摇摆，通过摇摆过滤地震能量，钢绞线1可以防止墩身倾覆。
地震结束后桥墩自行复位，以此达到在地震中既能保护桥墩又能保护基础的抗震目标。