本發(fā)明屬于橋梁工程結(jié)構(gòu)減震技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種大跨度橋梁彈塑性減震系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

大跨度橋梁屬于重大交通基礎(chǔ)工程，為減少震后次生災(zāi)害，保障交通生命線安全，其抗震安全性不容小視。隨著我國(guó)西部資源開發(fā)戰(zhàn)略以及“一帶一路”國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施，在高烈度地震區(qū)域、活動(dòng)斷層區(qū)域建設(shè)大跨度橋梁已成為不可避免的現(xiàn)實(shí)需求。大量實(shí)踐證明：采用適當(dāng)?shù)臏p、隔震設(shè)計(jì)是提高大跨度橋梁抗震性能的有效方法，通過在墩-梁、塔-梁等連接處設(shè)置適當(dāng)?shù)臏p、隔震措施，并容許一定的相對(duì)位移，可顯著降低傳遞至下部結(jié)構(gòu)的慣性力，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)地震內(nèi)力與位移響應(yīng)的相互平衡。

目前，常用的減、隔震裝置可分為兩類：一是速度相關(guān)型，如粘滯阻尼器等，原理是利用液體粘性提供的阻尼進(jìn)行耗能，但不提供剛度，對(duì)靜力條件下的結(jié)構(gòu)邊界約束基本沒有影響，在動(dòng)力條件下由于其內(nèi)力響應(yīng)上與結(jié)構(gòu)響應(yīng)存在相位差，因此也不會(huì)顯著增大結(jié)構(gòu)的受力；二是位移相關(guān)型，如鋼阻尼支座、鉛芯橡膠支座、高阻尼支座等，主要利用材料的屈服滯回性能來吸收能量，具備初始剛度和屈服力，當(dāng)其屈服力大于正常使用狀態(tài)下的最大內(nèi)力響應(yīng)而又小于地震下的內(nèi)力響應(yīng)，則既可提供正常使用條件下的約束行為，又能在地震條件下提供較大的屈后變形和耗能特性。

強(qiáng)震區(qū)大跨度橋梁在縱橋向一般采用漂浮體系設(shè)計(jì)，因其自身剛度可滿足正常使用需求，減震裝置多選用速度相關(guān)型粘滯型阻尼器，以提供必要的耗能，近20年來絕大多數(shù)的大跨度橋梁都是采用這種設(shè)計(jì)體系。但在橫橋向，由于考慮風(fēng)荷載等靜力作用，塔-梁、墩-梁連接處需要提供強(qiáng)大的約束以滿足正常使用要求，其中塔-梁處連接裝置的承載力需求一般可達(dá)數(shù)百噸；而在地震作用下，當(dāng)采用減、隔震設(shè)計(jì)時(shí)，將產(chǎn)生很大的形變需求，尤其是塔-梁間相對(duì)位移，一般可達(dá)十幾厘米到幾十厘米的量級(jí)。現(xiàn)有的位移相關(guān)型阻尼器中，應(yīng)用最廣泛的是鋼阻尼器，但一般無法同時(shí)滿足大承載力和大位移能力的要求，其低周疲勞壽命受材料和結(jié)構(gòu)初始微缺陷影響顯著，對(duì)使用環(huán)境和日常維護(hù)的要求也比較高；橡膠類的產(chǎn)品則豎向承載力一般較小，同時(shí)耐久性較差。因此，目前絕大多數(shù)大跨度橋梁的橫向減、隔震設(shè)計(jì)都還是僅限于墩-梁之間，塔-梁之間都是采用側(cè)向抗風(fēng)支座的非減、隔震連接模式，這在很大程度上增加了橋塔的地震力需求和破壞風(fēng)險(xiǎn)。舉世聞名的希臘里翁-安蒂里翁大橋，為克服強(qiáng)震作用在橫橋向采用了橫向粘滯阻尼器和犧牲裝置組合的減震方式，但大噸位的犧牲裝置(350噸)構(gòu)造復(fù)雜、價(jià)格昂貴，此外，大噸位的犧牲裝置發(fā)生斷裂時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊效應(yīng)尚不明確。

彈性索是一種彈性限位連接裝置，不提供耗能能力，在早期的大跨度橋梁縱橋向減震設(shè)計(jì)中有一定的應(yīng)用。例如日本名港中央大橋在塔梁間設(shè)置了縱向鋼鉸線拉索來控制縱向位移。彈性索一般由高強(qiáng)度鋼絲或鋼絞線組成，因此可以很容易地提供較大的承載力；但其有效彈性位移則受索長(zhǎng)控制，最大彈性變形一般為有效索長(zhǎng)的0.8％，當(dāng)需要較大的索變形時(shí)，需要的索長(zhǎng)也較長(zhǎng)。申請(qǐng)人在永寧黃河大橋設(shè)計(jì)中首次提出將彈性索與粘滯阻尼器組合用于大橋橫向減震設(shè)計(jì)并已成功應(yīng)用，其中彈性索采用成品斜拉索。但受橫向橋?qū)挼南拗疲渥畲笞冃蝺H滿足±26cm。為此，申請(qǐng)人提出彈塑性減震索的設(shè)計(jì)方案，使之兼具大承載力和大變形能力，同時(shí)還具備一定的耗能能力，進(jìn)而大幅度提高減、隔震技術(shù)在高烈度地震地區(qū)大跨度橋梁中的適應(yīng)性，為大跨度橋梁減、隔震設(shè)計(jì)提供新的解決方案。然而，目前的彈性索和成品斜拉索，其潛在受力薄弱環(huán)節(jié)均為錨頭，并不能確保其具有穩(wěn)定的塑性行為；其次，用于橋梁橫向減震作用的斜拉索和一般的斜拉索在受力狀態(tài)上存在很大的不同，其對(duì)連接構(gòu)造例如轉(zhuǎn)動(dòng)等有更高的要求，客觀上需要針對(duì)減震索的設(shè)計(jì)目的和使用要求研發(fā)新的產(chǎn)品。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于強(qiáng)震條件下的大跨度橋梁彈塑性減震系統(tǒng)，其具有穩(wěn)定的塑性性能，具有大承載力和大變形能力，適應(yīng)索端大轉(zhuǎn)角和低張拉力下的防松弛構(gòu)造設(shè)計(jì)，具有優(yōu)良的耐氣候性和低維護(hù)要求。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的解決方案是：提供一種大跨度橋梁彈塑性減震系統(tǒng)：其包括彈塑性減震索構(gòu)成的減震索索對(duì)(11)和橫向粘滯阻尼器(12)組成；減震索共有兩對(duì)，每對(duì)減震索一端錨固于與所述橋梁的主梁(13)整體澆筑的錨固塊(14)上，另一端錨固于另一側(cè)的主塔塔柱(15)上，兩對(duì)減震索呈對(duì)稱布置，粘滯阻尼器(12)一端錨固于所述主梁(13)的梁底，另一端錨固于所述橋梁的主塔橫梁(16)上。

較佳地，所述的彈塑性減震索用于所述主梁(13)與主塔、輔助墩或過渡墩之間。

較佳地，所述橋梁是斜拉橋、懸索橋、拱橋或大跨度的梁式橋。

所述的彈塑性減震索，其特征在于：包括錨固區(qū)(1)、冗余索絲增強(qiáng)段(2)和有效索段(3)，冗余索絲增強(qiáng)段(2)設(shè)置在錨固區(qū)(1)和有效索段(3)之間。在錨固區(qū)(1)和冗余索絲增強(qiáng)段(2)內(nèi)增加冗余索絲(4)，使得錨固區(qū)(1)和冗余索絲增強(qiáng)段(2)內(nèi)的索絲數(shù)量要大于有效索段(3)中的有效索絲(5)的數(shù)量，冗余索絲(4)在有效索段(3)內(nèi)截?cái)?，形成錨固區(qū)(4)、冗余索絲增強(qiáng)段(2)與有效索段(3)之間的抗拉能力級(jí)差。

較佳地，減震索還包括壓力環(huán)(6)，冗余索絲(4)和有效索絲(5)在壓力環(huán)(6)內(nèi)通過控制壓力環(huán)(6)內(nèi)的壓力分布，實(shí)現(xiàn)有效索絲應(yīng)力的漸次變化。

較佳地，錨固區(qū)(1)中具有穿心式球形鉸支座(7)。

較佳地，減震索外還套有熱擠壓PE防護(hù)套(8)。

較佳地，減震索還包括U型支架(9)和索身保護(hù)套箍(10)。

本發(fā)明提出的大跨度橋梁彈塑性減震系統(tǒng)，為強(qiáng)震區(qū)大跨度橋梁塔梁橫橋向的減、隔震設(shè)計(jì)提供了更為簡(jiǎn)潔、經(jīng)濟(jì)、高效的解決方案，其有益效果如下：

1)彈塑性減震索兼具大承載力和大變形能力的優(yōu)點(diǎn)，既能夠提供充足的初始剛度以滿足正常使用狀態(tài)下的約束要求，同時(shí)在強(qiáng)震條件下還可提供較大的變形能力和一定的耗能能力；

2)彈塑性拉索的變形能力相比彈性索可提高至3倍以上，可以使之用于適應(yīng)更大、更強(qiáng)的地震作用，也可以減少索長(zhǎng)，因此對(duì)于各種橋?qū)捯约暗卣鹱饔脧?qiáng)度具有更好的適應(yīng)性；

3)彈塑性減震索具有與斜拉索相同的耐久性和低維護(hù)要求，且其材料強(qiáng)度利用率高，重量較輕，連接構(gòu)造簡(jiǎn)單可靠，更換方便，因此也具有更好的經(jīng)濟(jì)性；

總之，本發(fā)明主要用于大跨度橋梁橫橋向減震設(shè)計(jì)，尤其適用于高烈度地區(qū)，具備出色的強(qiáng)震適應(yīng)性。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1為彈塑性減震索冗余索絲增強(qiáng)設(shè)計(jì)圖。

圖2為彈塑性減震索U型支架和索身保護(hù)套箍設(shè)計(jì)圖。

圖3為彈塑性減震索用于混凝土斜拉橋立面圖。

圖4為彈塑性減震索用于混凝土斜拉橋三視圖。

圖中：1-錨固區(qū)，2-冗余索絲增強(qiáng)段，3-有效索段，4-冗余索絲，5-有效索絲，6-壓力環(huán)，7-球形鉸支座，8-PE防護(hù)套，9-U型支架，10-索身保護(hù)套箍，11-彈塑性減震索索對(duì)，12-橫向粘滯阻尼器，13-主梁，14-錨固塊，15-主塔塔柱，16-主塔橫梁，17-鋼支座，18-縱向粘滯阻尼器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的額具體實(shí)施方式做進(jìn)一步的說明。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明的彈塑性減震索的拉索錨固采用冗余設(shè)計(jì)，在錨固區(qū)1和有效索段3之間增加了一個(gè)冗余索絲增強(qiáng)段2。在錨固區(qū)和增強(qiáng)段內(nèi)的索絲數(shù)量要大于有效索絲數(shù)量，冗余索絲4在有效索段內(nèi)截?cái)?，形成錨固區(qū)與增強(qiáng)段2與有效索段3之間的抗拉能力級(jí)差，進(jìn)而避免潛在的薄弱與破壞環(huán)節(jié)發(fā)生在錨固區(qū)或增強(qiáng)段內(nèi)。冗余索絲4和有效索絲5在壓力環(huán)6內(nèi)通過控制壓力環(huán)6內(nèi)的壓力分布，實(shí)現(xiàn)有效索絲應(yīng)力的漸次變化，進(jìn)而避免有效索段內(nèi)高強(qiáng)鋼絲的應(yīng)力集中和脆斷，使得鋼絲的塑性性能得到充分的發(fā)揮，進(jìn)而獲得穩(wěn)定的塑性性能。

試驗(yàn)表明：按上述方案設(shè)計(jì)的拉索的最大應(yīng)變可達(dá)2.5％，由此可見，彈塑性拉索的變形能力相比彈性索可提高至3倍以上，結(jié)合拉索的大承載力特點(diǎn)，可使其兼具大承載力和大變形能力的特點(diǎn)，對(duì)強(qiáng)地震作用有更好的適應(yīng)性。

如前所述，減震索在橫橋向上布置時(shí)，索長(zhǎng)會(huì)受到橋?qū)挼南拗?。?duì)于縱向上的漂浮體系設(shè)計(jì)，減震索還必須能適應(yīng)主梁受溫度、地震影響產(chǎn)生的縱向位移，這使得減震索的索端轉(zhuǎn)角將遠(yuǎn)大于一般的斜拉索。本發(fā)明在索端錨固處采用了穿心式球形鉸支座7的設(shè)計(jì)方案。此外，由于減震索在正常使用狀態(tài)下的應(yīng)力水平并不高，為防止發(fā)生應(yīng)力松弛或者太大的垂度，還設(shè)計(jì)了U型支架9和索身保護(hù)套箍10。

減震索的防護(hù)采用與斜拉索相同的熱擠壓PE防護(hù)套8，因此可具有與斜拉索相同的耐氣候性和低維護(hù)性，這相比粘滯阻尼器、鋼阻尼器以及橡膠類減震產(chǎn)品將有很大的提高。

如圖3和4所示，某混凝土斜拉橋塔梁之間采用了橫向減震設(shè)計(jì)，采用的減震系統(tǒng)由彈塑性減震索索對(duì)11(成對(duì)布置)和橫向粘滯阻尼器12組成。減震索共有兩對(duì)，每條減震索一端錨固于與主梁13整體澆筑的錨固塊14上，另一端錨固于另一側(cè)的主塔塔柱15上，兩條減震索呈對(duì)稱布置。粘滯阻尼器12一端錨固于主梁13的梁底，另一端錨固于主塔橫梁16上。從圖4可看出，減震索索對(duì)11和橫向粘滯阻尼器12與鋼支座17和縱向粘滯阻尼器18在空間布局上協(xié)調(diào)一致，互不沖突。

作為本發(fā)明實(shí)施例的一種變換，主塔參數(shù)(外形、截面尺寸等)、彈塑性減震索的布置位置均可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。

作為本發(fā)明實(shí)施例的一種變換，彈塑性減震索可以用于主梁與主塔之間，也可以應(yīng)用于主梁與輔助墩、過渡墩之間。

作為本發(fā)明實(shí)施例的又一種變換，橋梁結(jié)構(gòu)可以屬于斜拉橋、懸索橋、拱橋，也可以是大跨度(50m及以上單跨跨徑)的梁式橋。

上述對(duì)實(shí)施例的描述均不是對(duì)本發(fā)明方案的限制，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍不僅僅局限于上述實(shí)施例，任何依據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所作出的僅僅為形式上的而非實(shí)質(zhì)性的各種修改和改進(jìn)，只要結(jié)構(gòu)包含彈塑性減震索的減震形式，都應(yīng)視為落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。