装配式标准化软钢缓冲减震耗能抗震挡块及其施工方法

本发明属于桥梁工程的，具体涉及一种装配式标准化软钢缓冲减震耗能抗震挡块及其施工方法。

背景技术：

1、当桥梁未设置横向抗震挡块时，主梁在地震作用下通常会产生较大的横桥向位移，对支座造成拔出、剪断、脱座等破坏，甚至发生落梁等严重震害。此时亟需一种构件以限制主梁位移，防止支座破坏及落梁。目前，国内外中小跨径梁桥中应用最广泛的是传统整体现浇式钢筋混凝土挡块，即施工时预先在盖梁两端预留钢筋，再通过现浇混凝土的形式将挡块与盖梁连成整体。

2、然而，国内的桥梁工作者对挡块的理解大都处于感性认识阶段，并存在有很大的盲区，对装配式挡块、耗能挡块的设计和应用则更少，抗震规范也仅把挡块作为一种构造措施；在水平地震力作用下，挡块是受力和传力构件，仅对其进行构造设计是不恰当的。由此，在整体式现浇钢筋混凝土挡块广泛应用时期，抗震挡块的地震破坏现象十分普遍且震害程度相对其他构件较严重，其合理设计值得进一步深思。

3、现阶段主要存在的问题如下：

4、(1)没有抗震规范的设计依据，缺乏统一的设计标准和方法，挡块设计的随意性太大。

5、我国现行的各种桥梁抗震设计规范尚缺乏关于挡块设计和挡块力学分析模型的说明，导致设计人员仅将挡块作为一般构造措施处理，忽略了其重要性，且设计过程主要凭设计人员的经验。目前全国各地对挡块形式、配筋情况也没有统一的做法，且几乎从不对挡块进行抗震计算。挡块对于桥梁结构这种超大体量的工程而言，所占的比重非常小，很多时候其作用往往被忽略了，以致于国内外对桥梁挡块的统一设计研究并不多。

6、(2)无法实现标准化设计，难以根据设防水准、上部结构、场地类型选择相应的挡块方案。

7、国内外普遍采用的钢筋混凝土挡块多按照经验进行构造配筋，钢挡块也仅凭经验进行设计，导致实际地震作用下挡块的破坏机理和受力模式不够明确，挡块本身在抗震分析中应采用何种分析模型也尚未形成统一结论，进而无法进行挡块的标准化设计。挡块作为桥梁横向支承的主要构件，在地震中的横向限位作用至关重要。但若设计得过于强大，则可能使地震力直接传递到下部结构，而且挡块与梁体间碰撞作用产生的巨大冲击力可能会进一步扩大桥梁结构的破坏；但若设计过弱，则导致挡块的承载能力不足造成其提前破坏失效从而无法起到横向限位的功能。

8、(3)难以实现震前的装配式建造技术，震中的缓冲减震、能量耗散功能及震后的可恢复更换性。

9、随着桥梁结构的装配式施工技术日益成熟，作为桥梁系统横桥向重要构造措施的抗震挡块同样需要实现装配化建造技术，以达到整个桥梁结构体系的快速建造。在地震作用下桥梁主梁与挡块之间的碰撞作用通常为刚性碰撞，导致梁体传递至挡块的地震力不仅包含水平碰撞力，而且还有刚性碰撞效应产生的瞬时冲击力，从而致使抗震挡块自身受到的内力需求大幅增加，将会导致其更容易发生破坏而不能实现其常规的限位功能，并且传统整体式现浇钢筋混凝土挡块的破坏通常为弯曲或剪切破坏，缺乏明确的耗能机制，无相应的耗能功能。加之目前震后功能可恢复型构造措施在地震工程领域掀起新一轮研究热潮，同时随着国家的快速发展，人民对美好生活需要的日益增长，要求桥梁结构的抗震性能也需不断提高，桥梁抗震从传统的强度设计与基于性能的延性设计逐步转向震后功能可恢复发展。在桥梁结构中设置易于拆卸的可更换耗能装置，在地震时使结构的损伤和耗能集中在可更换耗能装置内，不仅可以利用其有效地耗散地震能量，而且能够保证主体结构处于弹性状态，震后仅需对受损的可更换耗能装置进行替换，有利于尽快恢复结构的正常使用功能。但国内规范尚缺少对可更换式限位装置的相关说明，相关研究学者提出的各类挡块构造也各执所见，难以统一，目前仍处于“百花齐放、百家争鸣”的阶段。并且传统钢筋混凝土挡块采用整体式构造施工技术，其在强震作用下不仅伴随着盖梁或桥台的破坏，并且震后完全修复或加固均十分困难。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种装配式标准化软钢缓冲减震耗能抗震挡块及其施工方法，以解决现有抗震挡块设计结构存在不统一、无法标准化、不便更换等问题。

2、为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、第一方面，一种装配式标准化软钢缓冲减震耗能抗震挡块，其包括“d”型空心橡胶块、钢预埋混凝土体、钢阻尼耗能装置和装配式盖梁/台帽；

4、“d”型空心橡胶块可拆卸的连接于钢预埋混凝土体的侧面；钢预埋混凝土体可拆卸的连接于钢阻尼耗能装置上；钢阻尼耗能装置可拆卸的设置于装配式盖梁/台帽上。

5、进一步地，“d”型空心橡胶块外部为“d”型，“d”型空心橡胶块的内部设置有若干个“d”型空心部分；“d”型空心橡胶块与开孔钢板ⅰ之间通过硫化处理连接；开孔钢板ⅰ预留有多个螺栓孔道ⅰ。

6、“d”型空心橡胶块通过螺栓ⅰ可拆卸的连接于钢预埋混凝土体的侧面(远离装配式盖梁/台帽边缘侧)。

7、进一步地，钢预埋混凝土体内包括预埋件ⅰ和若干根贯通钢筋ⅰ；

8、预埋件ⅰ包括开孔钢板ⅱ、开孔钢板ⅲ和pbl连接件ⅰ；pbl连接件ⅰ设置于开孔钢板ⅱ和开孔钢板ⅲ之间；且开孔钢板ⅱ与pbl连接件ⅰ之间，以及开孔钢板ⅲ与pbl连接件ⅰ之间均通过双面角焊缝连接。

9、进一步地，开孔钢板ⅱ预留有多个螺栓孔道ⅱ，在螺栓孔道ⅱ处焊接螺栓套筒ⅰ；开孔钢板ⅱ与开孔钢板ⅰ的大小相同；且开孔钢板ⅱ的螺栓孔道ⅱ数量及布置形式与开孔钢板ⅰ的螺栓孔道ⅰ相同；螺栓套筒ⅰ内配置有螺栓ⅰ，螺栓ⅰ穿过开孔钢板ⅱ预留的螺栓孔道ⅱ和开孔钢板ⅰ预留的螺栓孔道ⅰ并与螺栓孔道ⅱ处的螺栓套筒ⅰ螺纹相连，以将钢预埋混凝土体与“d”型空心橡胶块连接。

10、进一步地，开孔钢板ⅲ预留有多个螺栓孔道ⅲ，且在螺栓孔道ⅲ处焊接螺栓套筒ⅱ。

11、进一步地，pbl连接件ⅰ预留有多个贯通钢筋圆孔ⅰ；贯通钢筋ⅰ为螺纹钢筋；pbl连接件ⅰ的贯通钢筋圆孔ⅰ数量与贯通钢筋ⅰ数量相等；若干根贯通钢筋ⅰ分别配置在pbl连接件ⅰ的贯通钢筋圆孔ⅰ内。

12、钢预埋混凝土体通过螺栓ⅱ可拆卸的连接于钢阻尼耗能装置上。

13、进一步地，钢阻尼耗能装置包括开孔钢板ⅳ、竖直钢板、多道“狗骨式”钢板、竖直“h”型钢板和开孔钢板ⅴ；

14、开孔钢板ⅳ预留有多个螺栓孔道ⅳ；开孔钢板ⅳ与开孔钢板ⅲ的大小相同；且开孔钢板ⅳ的螺栓孔道ⅳ数量及布置形式与开孔钢板ⅲ的螺栓孔道ⅲ相同；螺栓孔道ⅳ内配置有螺栓ⅱ，螺栓ⅱ穿过开孔钢板ⅳ预留的螺栓孔道ⅳ和开孔钢板ⅲ预留的螺栓孔道ⅲ并与螺栓孔道ⅲ处的螺栓套筒ⅱ螺纹相连，以将钢阻尼耗能装置与钢预埋混凝土体连接。

15、进一步地，竖直钢板与开孔钢板ⅳ通过双面角焊缝连接；“狗骨式”钢板通过双面角焊缝焊接于竖直钢板与竖直“h”型钢板之间；“狗骨式”钢板由两端向中部逐渐进行削弱；“狗骨式”钢板采用低屈服点钢(软钢)制作；多道“狗骨式”钢板沿竖直方向布设；竖直“h”型钢板与开孔钢板ⅴ通过双面角焊缝连接；开孔钢板ⅴ预留有多个螺栓孔道ⅴ。

16、钢阻尼耗能装置通过螺栓ⅲ可拆卸的设置于装配式盖梁/台帽上。

17、进一步地，装配式盖梁/台帽内包括预埋件ⅱ和若干根贯通钢筋ⅱ；

18、预埋件ⅱ包括开孔钢板ⅵ和pbl连接件ⅱ，开孔钢板ⅵ和pbl连接件ⅱ之间通过双面角焊缝连接；开孔钢板ⅵ预留有多个螺栓孔道ⅵ，在螺栓孔道ⅵ处焊接螺栓套筒ⅲ；开孔钢板ⅵ与开孔钢板ⅴ的大小相同；且开孔钢板ⅵ的螺栓孔道ⅵ数量及布置形式与开孔钢板ⅴ的螺栓孔道ⅴ相同；螺栓套筒ⅲ内配置有螺栓ⅲ，螺栓ⅲ穿过开孔钢板ⅵ预留的螺栓孔道ⅵ和开孔钢板ⅴ预留的螺栓孔道ⅴ并与螺栓孔道ⅵ处的螺栓套筒ⅲ螺纹相连，以将钢阻尼耗能装置与装配式盖梁/台帽连接。

19、进一步地，pbl连接件ⅱ预留有多个贯通钢筋圆孔ⅱ；贯通钢筋ⅱ为螺纹钢筋；若干根贯通钢筋ⅱ分别配置在pbl连接件ⅱ的贯通钢筋圆孔ⅱ内。

20、第二方面，一种装配式标准化软钢缓冲减震耗能抗震挡块的施工方法，包括以下步骤：

21、s1、工厂预制阶段，其包括：

22、s1.1、钢结构构件加工：对钢结构构件进行批量化生产加工，钢结构构件包括：

23、开孔钢板ⅰ，预留螺栓孔道ⅰ；开孔钢板ⅱ，预留螺栓孔道ⅱ，螺栓套筒ⅰ；开孔钢板ⅲ，预留螺栓孔道ⅲ，螺栓套筒ⅱ；pbl连接件ⅰ，预留贯通钢筋圆孔ⅰ；开孔钢板ⅳ，预留螺栓孔道ⅳ；竖直钢板；“狗骨式”钢板；竖直“h”型钢板；开孔钢板ⅴ，预留螺栓孔道ⅴ；开孔钢板ⅵ，预留螺栓孔道ⅵ，螺栓套筒ⅲ；pbl连接件ⅱ，预留贯通钢筋圆孔ⅱ；

24、s1.2、钢结构构件焊接：将步骤s1.1中的钢结构构件进行批量化焊接连接，包括：

25、预埋件ⅰ：分别将开孔钢板ⅱ及开孔钢板ⅲ与pbl连接件ⅰ通过双面角焊缝进行连接，将螺栓套筒ⅰ焊接在开孔钢板ⅱ的螺栓孔道ⅱ处，将螺栓套筒ⅱ焊接在开孔钢板ⅲ的螺栓孔道ⅲ处；

26、预埋件ⅱ：将开孔钢板ⅵ与pbl连接件ⅱ通过双面角焊缝进行连接，将螺栓套筒ⅲ焊接在开孔钢板ⅵ的螺栓孔道ⅵ处；

27、钢阻尼耗能装置：首先将开孔钢板ⅳ与竖直钢板通过双面角焊缝进行连接，其次分别将“狗骨式”钢板通过双面角焊缝焊接于竖直钢板与竖直“h”型钢板间，最后将竖直“h”型钢板与开孔钢板ⅴ通过双面角焊缝进行连接；

28、s1.3、钢筋构件加工：将钢筋构件进行批量化生产加工，钢筋构件包括：贯通钢筋ⅰ；贯通钢筋ⅱ；

29、s1.4、混凝土结构构件加工：将所有混凝土结构构件进行批量化生产加工，包括：

30、钢预埋混凝土体：配置预埋件ⅰ及贯通钢筋ⅰ以加工钢预埋混凝土体；

31、装配式盖梁/台帽：配置预埋件ⅱ、贯通钢筋ⅱ及桥梁结构本身盖梁/台帽的构件以加工装配式盖梁/台帽；

32、s1.5、其他类型构件的加工与连接，包括：

33、“d”型空心橡胶块：加工“d”型空心橡胶块，预留“d”型空心部分，并硫化在开孔钢板ⅰ上；

34、s2、现场拼装阶段，其包括：

35、s2.1、将“d”型空心橡胶块、钢预埋混凝土体、钢阻尼耗能装置、装配式盖梁/台帽运输至施工现场后，依次进行拼装；

36、s2.2、将钢阻尼耗能装置吊装至装配式盖梁/台帽之上，确保开孔钢板ⅴ的螺栓孔道ⅴ与预埋件ⅱ的开孔钢板ⅵ的螺栓孔道ⅵ对齐，然后拧入且拧紧螺栓ⅲ，即实现钢阻尼耗能装置与装配式盖梁/台帽的拼装；

37、s2.3、吊装钢预埋混凝土体，确保预埋件ⅰ的开孔钢板ⅲ的螺栓孔道ⅲ与开孔钢板ⅳ的螺栓孔道ⅳ对齐，然后拧入且拧紧螺栓ⅱ，即实现钢预埋混凝土体与钢阻尼耗能装置的拼装；

38、s2.4、吊装“d”型空心橡胶块，确保开孔钢板ⅰ的螺栓孔道ⅰ与预埋件ⅰ的开孔钢板ⅱ的螺栓孔道ⅱ对齐，然后拧入且拧紧螺栓ⅰ，即实现“d”型空心橡胶块与钢预埋混凝土体的拼装；

39、s2.5、分别将钢阻尼耗能装置与装配式盖梁/台帽、钢预埋混凝土体与钢阻尼耗能装置、“d”型空心橡胶块与钢预埋混凝土体进行拼装后，即完成装配式标准化软钢缓冲减震耗能抗震挡块的整体装配化施工。

40、本发明提供的装配式标准化软钢缓冲减震耗能抗震挡块及其施工方法，具有以下有益效果：

41、1、本发明在震前能实现标准化设计及装配化施工；在震中具有“逐级缓冲、双重减震”、“多道设防，分段耗能”的功能；在震后具备“震后易修复、功能自恢复”的能力；并且满足多水准抗震设防的要求。

42、2、本发明设置有“d”型空心橡胶块，“d”型空心橡胶块减小了挡块与桥梁主梁的接触面积，增加了变形能力，避免了在地震作用下挡块直接承受梁体的横向撞击力，使梁体与挡块的刚性碰撞转化为软撞击，从而被橡胶块吸收、耗散掉，大大减小了撞击力，起到了缓冲减震的功能，降低了传递至桥梁下部结构的地震力。而且其外部呈现为“d”型及内部的多个“d”型空心，使碰撞过程由线碰撞逐步变为面碰撞，且碰撞面积逐渐增大，即随着碰撞力的增大使碰撞刚度同样增大，此外部及内部两阶段变刚度的过程可实现“逐级缓冲、双重减震”的功能。

43、3、本发明的钢预埋混凝土体，其一可视为传统钢筋混凝土挡块，由于配置了钢结构预埋件，其抗震能力得以大幅提升，可确保在地震下不易损伤及破坏；其二作为“d”型空心橡胶块与钢阻尼耗能装置之间的连接构造，可确保两者的可靠连接，相比该部分采用整体钢结构连接大幅降低了造价，并且保持了传统钢筋混凝土挡块的特征。

44、4、本发明的钢阻尼耗能装置，仅两侧的“h”型钢板与装配式盖梁/台帽连接，通过在竖直方向设置多道“狗骨式”钢板，使其传力路径转化，梁体横向碰撞力通过钢预埋混凝土体传递至竖直钢板后，由于“h”型钢板的整体强度较处于“h”型钢板与竖直钢板间的“狗骨式”钢板强，从而竖直钢板所受到的弯矩进一步传递引起“狗骨式”钢板发生弯扭变形以大幅耗散地震能量，挡块整体表现为转动或平动耗能。加之“狗骨式”钢板采用低屈服点钢(软钢)制作的材料特点及由两端向中部逐渐进行削弱的构造特征，可以确保在整个钢阻尼耗能装置中其在地震作用下相较于其他构件率先屈服耗能，并且达到在强震中将塑性破坏集中在“狗骨式”钢板中部以形成延性损伤的特性从而增强其耗能能力。

45、5、本发明的钢阻尼耗能装置中的“狗骨式”钢板在竖直方向存在多道，在梁体和挡块的碰撞过程中，距离挡块转动中心不同高度的“狗骨式”钢板由于其不同的变形程度，从而引起耗能大小的不同，“狗骨式”钢板随着碰撞力的加大从弹性变形转变为塑性变形，通过软钢屈服后的非弹性变形耗散地震能量，并且从上至下依次进行耗能，具有耗能梯度性，且滞回性能稳定，达到逐级精量化控制，满足多水准抗震设防的要求，实现了“多道设防，分段耗能”的功能。

46、6、本发明的装配式盖梁/台帽即为桥梁结构本身的盖梁/台帽，且仅增加了预埋件ⅱ及贯通钢筋ⅱ，对其自身的结构构造及钢筋配置影响较小，设置预埋件后可通过螺栓实现抗震挡块整体的装配化施工。

47、7、本发明的装配式标准化软钢缓冲减震耗能抗震挡块，其中的四大部件，即“d”型空心橡胶块、钢预埋混凝土体、钢阻尼耗能装置及装配式盖梁/台帽通过螺栓分别实现了安装、拆卸的方便性及易修复、更换性，并且螺栓与螺栓套筒及pbl连接件与贯通钢筋共同配套使用可确保装配化连接的可靠性。加之四大部件中的各种构件都可工厂预制，进行定制化批量生产，达到精细装配化施工，且简单便捷的要求，同时工厂预制能够保证质量及精度，其社会经济效益显著。各部件损伤可控，在震后针对任一受损部件，均可以单独更换，以达到震后便于更换的要求，实现了“震后易修复、功能自恢复”的功能。

48、8、本发明的装配式标准化软钢缓冲减震耗能抗震挡块，在具备充足横向限位能力的基础上，还具有一定的缓冲减震功能，承载能力足够，塑性变形能力强，延性耗能充分，能有效减小下部结构的地震响应需求，又兼备了装配式的“易修易更换”特点。

49、9、本发明的装配式标准化软钢缓冲减震耗能抗震挡块，传力路径明确、力学机理清晰、损伤特性显著，力学本构分析模型合理，设计参数稳定可控。依据挡块的损伤性能等级和桥梁的抗震性能指标体系，可建立结构抗震指标、性能水准与挡块产品类型的量化关系，以得到挡块抗震设计选型表，实现“标准化”设计，基于不同地震烈度区、设防水准、结构形式、上部结构类型及场地类型对应的桥梁，可以针对性地提出不同地震碰撞力需求的挡块结构构造。对于设置抗震挡块的桥梁结构地震安全性、新建桥梁的抗震挡块设计均有非常重要的意义。