[发明专利]一种混凝土拱桥变刚度智能减震控制系统

说明书

本发明属于建筑结构和控制技术领域，尤其涉及一种混凝土拱桥变刚度智能减震控制系统。

拱桥是我国山区最常用的桥型，而多数山区又是地震多发区。混凝土主拱结构为受压构件，延性小，抗震性能差，地震作用下易于破坏且损失惨重。现有技术中桥梁工程的抗震途径可分为两大类；一是通过增强桥梁结构自身抗力和延性来抵御地震作用和吸纳地震能量，但对拱桥而言，其主要跨越结构的主拱圈以承受轴向压力为主，轴压比通常较大，延性极低，难于设计为延性抗震结构；二是采用结构振动控制技术，通过改变结构系统的动力学特性或阻尼耗散性能来提高和改善结构的抗震能力。如目前已用于减震控制的TMD或ATMD技术，是在结构最大位移部位设置具有适宜弹簧刚度的附加质量块，对大跨度的混凝土拱桥常常需要附加很大的质量块，以致明显影响桥梁的负载能力，这对桥梁的正常使用是所不可接受的；或是安装阻尼装置的半主动减震控制方法，是通过专门的支撑体系将阻尼装置安装在结构适宜的空间位置，对跨度不大的建筑结构是有效的，但对大跨度的混凝土拱桥来说，欲在主拱结构中设置带阻尼装置的支撑体系几乎是不可能的，或说造价高，以致不可接受。

混凝土拱桥的主拱结构通常为无铰拱，具有很大的刚度，地震荷载作用下变形小，内力大，易于产生突发性的脆性破坏。本发明通过适时改变主拱结构的刚度，以期在结构容许变形范围条件下明显降低地震荷载作用下主拱结构的内力

本发明的目的在于提供一种既不影响桥梁负载能力，又不破坏桥梁景观，力学概念明确，技术先进可行的混凝土拱桥变刚度智能减震控制系统。

本发明的目的按以下技术步骤实现：A.在主拱结构的拱脚处沿横截面周边设置预留槽口，以削弱主拱在该截面的抗弯刚度；B.在槽口处安装可变刚度元件条，元件条的两端分别与主拱结构的主钢筋和预埋在主拱基础内的主钢筋连接；C.用在正常情况下具有与主拱混凝土相近的刚度和强度，在需要时通电即自动软化的特种材料填充槽口剩余部分；D.在拱脚附近地面安装地震信息拾震器；E.安装信息分析处理及减震控制器(简称控制器)；F.将特种填充材料、可变刚度元件条、拾震器分别用信号传输线接入控制器，形成混凝土拱桥变刚度智能减震控制系统。

本系统主要针对混凝土拱桥主拱结构的减震控制，其工作原理为：拾震器将地震动信息传输给控制器，对超过限值的地震由控制器指示特种填充材料通电自动软化；控制器对输入地震信息进行分析处理，并适时智能调节可变刚度元件条的刚度，以适时改变主拱结构与地基基础的约束条件，使之在结构容许的变形条件下明显降低地震荷载引起的主拱结构内力响应，达到减震控制的目的。必要时可结合在拱上建筑中设置带阻尼装置的支撑体系协同工作，共同减震，可达更好的减震效果。

本发明的积极效果是：通过在主拱结构拱脚周边安装可变刚度元件，可以根据需要适时改变地基对主拱结构的约束方式，通常情况下可变刚度元件的刚度为不低于原结构刚度的常值，主拱结构的力学行为为无铰拱；当超限地震发生时，设于拱脚周边的矩形可变刚度元件框可根据反馈信息需要适时调节其各元件的轴向刚度，以改变主拱结构在此部位的双向抗弯刚度，使之在结构容许变形范围条件下明显降低地震荷载引起的内力响应；当可变刚度元件的轴向刚度变化至最小值时，主拱结构的力学行为为双铰拱(分析表明：地震荷载引起双铰拱的内力响应较同条件无铰拱的内力响应降低可达50％)；本系统通过智能调节主拱结构与地基基础的约束条件，可以将混凝土拱桥在地震荷载作用下的变形响应和内力响应进行合理匹配，使二者均控制在可接受的范围内。本系统在不附加质量块和阻尼支撑(即不影响结构的正常使用和桥梁外观)的条件下，为大跨度混凝土拱桥的减震控制提供了一条可行的途径，解决了现有技术无法对大跨度混凝土拱桥实施减震控制的难题。

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详述：

图一为本发明的控制系统示意图。

图二为拱脚部位控制系统布置图(图一的A大样图)。

图三为拱脚截面构造图(图二的I-I断面)。

图中，件1为地面线，件2为地基基础，件3为主拱结构，件4为主拱结构的主钢筋，件5为预埋在主拱基础内的主钢筋，件6为拱脚部位铰连交叉钢筋，件7为特种填充材料，件8为可变刚度元件条，件9为地震信息拾震器，件10为信息分析处理及减震控制器，件11为特种填充材料与控制器相连的信号传输线接，件12为可变刚度元件条与控制器相连的信号传输线接，件13为拾震器与控制器相连的信号传输线接。