CN101718077B - 桥梁抗震支座 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种桥梁抗震支座，包括下滑动板组件、底盆、上锚碇板组件，其中底盆设置在下滑动板组件的上方，可相对下滑动板组件沿水平方向滑动；上锚碇板组件设置在底盆的上方，可和该底盆一起相对下滑动板组件沿水平方向滑动；以及包括运动锁定装置。采用该运动锁定装置，支座在低速水平荷载时可以使桥梁梁体与墩柱之间产生相对滑动，而在发生地震时的高速水平荷载下，自动锁定该支座，使得桥梁梁体和墩柱刚性地连接成一体。
Description
技术领域
本发明涉及一种桥梁支座，尤其涉及一种活动式的桥梁抗震支座。
背景技术
地震作为不能避免的自然灾害，会造成生命财产的损失。而地震对于桥梁的破坏直接损失更大，因此对于桥梁建设而言，如何提高桥梁的抗震能力并降低地震对桥梁的坡环，是十分重要的问题。
对于桥梁抗震来说，长期以来人们往往是加大梁、柱、剪力墙用来被动抵抗，而非采用更主动的办法去减小结构所受地震力。到了二十世纪末期，这种现象有了很大的改变。人们在增强传统结构构件之外，吸收航空和机械等其他领域的成果，采取在结构上另外安装新的装置来减小结构所受的地震力，例如：利用隔震措施或各种阻尼器的减震系统，以及在高层建筑中已投入实用的被动质量调谐阻尼系统和主动控制减震系统。这些方法归纳起来形成了目前桥梁抗震领域常用的三种抗震设计方法，即传统结构抗震设计方法，近些年出现的减隔震结构抗震设计方法和结构控制设计方法。
传统抗震设计概念及机理主要是依靠结构、构件自身具有的强度、延性、耗能能力来抗震，设计是通过增加结构、构件强度和延性来实现。在该方法中，容许很大的地震力和能量从地面传递给结构，而抗震设计要考虑的问题是如何为结构提供抵抗这种地震力的能力。设计原则是按设防水准和预期性能目标进行全延性、有限延性或弹性体系来设计。设计过程仍是依据地震力进行设计，同时需要对结构允许出现塑性铰的部分进行专门的延性设计。
减隔震技术是通过引入隔震装置改变结构在地震中的动力响应特性，从而减少地震输入，外加耗能机制作为主要的抗震构件，而以结构构件抗震为辅。在该方法中，基本目的是要大大减小传递到结构上的地震力和能量，其抗震能力是通过延长结构周期，增加耗能能力来实现。设计依据一般包括全保护隔震设计、部分保护隔震设计两种设计原则。从各国的桥梁减隔震应用情况来看，目前桥梁减隔震设计中已采用的主要是分层橡胶支座、铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座，且通常安装在桥梁上部结构与桥墩或桥台之间。
结构控制设计包括被动控制，半主动控制和主动控制，该种设计方法采用如TMD、AMD等结构控制措施来改变结构的刚度或阻尼等振动特性进而实现对结构震动的控制。三种方法的比较可见表1。
表1不同抗震技术的基本机理
| 基本原理 | 传统结构抗震设计 | 隔震结构抗震设计 | 结构控制 |
| 降低刚度延长周期 | 利用塑性铰来实现刚度降低 | 隔震装置来延长周期 | 可变化的刚度 |
| 增加阻尼 | 塑性铰的非弹性变形来增加阻尼 | 阻尼装置来增加阻尼 | 可变化的阻尼 |
目前，我国高架设计与建造的实际情况是不论采用什么断面形式，基本都以多跨连续梁为主，而该种多跨一联的连续梁基本都是在一联中的中间位置设置一个制动墩，这样做是考虑保证这一联梁在纵向不能够自由移动的同时，也不影响其纵向温度力的传递和释放。但这往往造成制动墩和其下的基础设计需要由地震荷载来控制，这时由于全部地震惯性力都作用在了一个制动墩上，导致制动墩设计的较其它墩强大很多，同时其下部的桩数也都有了较大增加。更为重要的是这样的设计方法限制了我国高架连续梁一联长度的增加，否则制动墩将需要作的非常强大，这往往是不容许，甚至不可能的。这使得伸缩缝的数量无法减少下来，进而使得行车的舒适性无法得以提高。
针对该问题，采取单纯加大制动墩及其基础强度的传统设计方法显然是不可取的。而通过结构控制来减小地震作用对几公里甚至几十公里的高架来说，技术即不成熟，代价也过于昂贵。
国外目前针对这种情况研究和使用较多的是从减隔震设计的思路出发，将制动墩支座做成减隔震支座进行隔震设计，但是该方法也有它的适用范围，因为桥梁是否适合采用隔震设计，应从桥梁在地震时和正常使用时两个方面来考虑，并结合其延长桥梁结构固有周期及吸收能量能力的效果进行研究后方可决定。
而且，减隔震设计也面临着其它问题：首先，因为减隔震设计一般是通过使用低刚度的支座来改变延长结构的动力周期，这样由于支座刚度较低使得它自身的变形在地震以外的工况下会增大，进而可能会影响整体系统的稳定及自身的稳定，所以每个减隔震系统的设计都需要针对具体工程情况进行仔细计算和设计，以保证在常规作用和地震作用下结构强度、静动刚度和稳定性能够满足两个时期各自的要求，这需要设计单位有很高的减隔震设计理论和计算分析能力；同时，从隔震产品角度来讲，由于环保的原因，发达国家现在已经较少使用原本减隔震支座中的主力——铅芯橡胶支座，而另一个主要的隔震产品——分层橡胶支座由于需要控制它在地震下过大的变形，一般需要配合阻尼器来共同使用，这需要各个隔震产品的成熟和配合的可靠，同时也增加了使用的复杂度和成本，而高阻尼橡胶支座需要保证能生产出大量性能稳定和可靠产品；另外，从耐久性角度，使用减隔震支座后，整个结构的抗震将依赖隔震支座来独自承担，而隔震支座目前多为橡胶和钢板胶合结构，在风吹日晒等条件下的使用寿命一般低于盆式支座，这将成为整个抗震系统的隐忧；最后，从工程造价角度，桥梁结构使用隔震支座时，一般每个支撑位置都需要使用隔震支座，这也使得整个系统成本大大提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种桥梁抗震支座，其能合理分配地震荷载，从而有效减小常规制动墩所承受的地震作用，进而有效减小下部和基础工程用量。
为达成上述目的，本发明提供了一种桥梁抗震支座，包括下滑动板组件、底盆)、上锚碇板组件，其中下滑动板组件包括下滑动板和安装在该下滑动板上的多根下锚碇钢棒；底盆设置在下滑动板组件的上方，可相对下滑动板组件沿水平方向滑动；上锚碇板组件设置在底盆的上方，可和该底盆一起相对下滑动板组件沿水平方向滑动，上锚碇板组件包括上锚碇板和安装在该上锚碇板上的多根上锚碇钢棒；以及包括运动锁定装置，运动锁定装置具有缸体和可相对缸体水平运动的活塞杆，其中缸体可与底盆连成一体并且在缸体内充满阻尼介质，活塞杆的两端固定在下滑动板组件上，活塞杆的活塞头位于缸体内，并且活塞头与缸体的内壁之间具有供阻尼介质流动的细微间隙，活塞杆相对应缸体水平运动的方向与底盆相对于下滑动板组件水平运动的方向一致。
上述的桥梁抗震支座，其中底盆上部包括第一凹槽，橡胶垫和活塞依次容置于该第一凹槽中，活塞上设有销槽；上锚碇板上设有销孔；剪力销容置在销槽并伸入销孔中将上锚碇板与活塞相连。
上述的桥梁抗震支座，其中下滑动板组件与底盆之间设置有导轨组件，其中下滑动板设有下导轨槽，底盆设有上导轨槽，导轨组件安装在上导轨槽中并嵌入下导轨槽中，导轨组件的长度小于下导轨槽的长度。
上述的桥梁抗震支座，其中下滑动板组件在下导轨槽的两侧设有不锈钢垫板，该不锈钢垫板截面为L形，其水平部贴靠在下滑动板的上表面，其垂直部伸入导轨槽内并贴在下导轨槽的内壁上；底盆在底面上导轨槽的两侧设有第二凹槽，滑动板设置在该第二凹槽内，并与不锈钢垫板相接触；并且导轨组件包括导轨和贴靠在导轨两侧的滑动条，该滑动条与不锈钢垫板的垂直部相接触。
上述的桥梁抗震支座，其中底盆至少在一侧形成一对向外延伸的翼板，各翼板上形成有同轴的通孔，且该通孔的轴线和底盆相对于下滑动板组件水平运动方向平行；缸体定位于这对翼板之间，活塞杆的两端安装到下滑动板上的固定块上。
上述的桥梁抗震支座，其中所述阻尼介质为硅脂。
上述的桥梁抗震支座，其中下滑动板上设有容纳槽，缸体底部容纳于容纳槽中。
上述的桥梁抗震支座，其中滑动块的材料为改性超高分子量聚乙烯。
上述的桥梁抗震支座，其中所述阻尼介质产生的阻尼力与活塞杆速度V的关系由下式决定：F＝C·Vα；
其中，C为阻尼系数，α为速度指数，该速度指数大于等于2。
本发明的桥梁支座中采用了运动锁定装置，其在低速水平荷载时可以使桥梁梁体与墩柱之间产生相对滑动，而在发生地震时的高速水平荷载下，自动锁定该支座，使得桥梁梁体和墩柱刚性地连接成一体。此时地震水平荷载不再单独由该活动支座承担，而是由桥梁中所有的支座共同分担。通过这种方式，不会发生由单个或少数几个墩柱承受大部分荷载的情况，大大改善了墩柱的受力状况，进而可有效地减小下部和基础的工程用量。
附图说明
图1为本发明的桥梁抗震支座的剖面图。
图2为本发明的桥梁抗震支座的俯视图。
图3为本发明的桥梁抗震支座的分解示意图。
图4为本发明的桥梁抗震支座的部分剖视立体图。
图5为本发明中下滑动板组件的俯视图。
图6为图3的A部放大图。
图7为本发明中底盆的俯视图。
图8为图3的B部放大图。
图9为图1的C部放大图。
图10为本发明中运动锁定器的剖视图。
图11为本发明中运动锁定器与现有流体阻尼器的速度—阻尼力曲线比较图。
具体实施方式
如图1—4所示，本发明为一种活动式的桥梁抗震支座，其安装在桥梁梁体和墩柱之间。该桥梁抗震支座主要包括下滑动板组件10、底盆20、运动锁定器30、上锚碇板组件40、橡胶垫50、活塞60、剪力销70和导轨组件80。下滑动板组件10是固定在桥梁墩柱(桥墩)上，上锚碇板组件40固定在梁体中，上锚碇板组件40可相对下滑动板组件10运动。
下滑动板组件10包括下滑动板11，下滑动板11的底部安装有多根下锚碇钢棒12。当下滑动板组件10安装到桥梁墩柱上时，下锚碇钢棒12是伸入桥梁墩柱内。在本实施例中，该下锚碇钢棒12的数量为四根，对称地设置在下滑动板11上。
在下滑动板11的中心设有下导轨槽13，供设置导轨组件80。从图2及图5可以看出，下导轨槽13呈I形。下导轨槽13的两侧分别设置不锈钢垫板15，从图6的放大图可以看出，该不锈钢垫板15截面呈L形，其水平部贴靠在下滑动板11的上表面，其垂直部伸入导轨槽13内并贴在下导轨槽13的内壁上。
再参看图1-5，沿着平行于该导轨槽13的下滑动板11两侧边缘，分别设有平行于该导轨槽13的容纳槽14，用来容纳运动锁定器30的底部。
参看图3、7、8，底盆20设置在下滑动板组件10的上方。该底盆20的上部包括第一圆形凹槽21，底部包括第二圆形凹槽24，和位于底盆中央穿过该第二圆形凹槽24的上导轨槽25。该上导轨槽25和下导轨槽13相对应。底盆20的两侧各形成一对向外延伸的翼板22，各翼板22上形成有通孔23。同一侧翼板上的一对通孔23是同轴线的，且和上导轨槽25的轴线(即底盆的中心线)平行。
底部的第二圆形凹槽24被上导轨槽25分成两部分，从而形成两个半圆形的部分。两块弓形的滑动块26分别嵌入到该第二圆形凹槽24的两部分中，并和下滑动板组件10上的不锈钢垫板15接触使得底盆20可相对下滑动板组件10产生相对的滑动。该滑动块26的材料为改性超高分子量聚乙烯。
导轨组件80设置于上导轨槽25和下导轨槽13中，使得底盆20沿着导轨组件80来相对下滑动板组件10产生滑动。该导轨组件80是通过多个螺栓85安装到上导轨槽25中，该上导轨槽25中设有供螺栓85旋入的螺纹孔27。这样，导轨组件80与底盆20成为一体，而可在下导轨槽13中滑动。
如图9的放大图所示，导轨组件80包括导轨81和焊接在导轨81两侧的滑动条82。导轨81的长度要小于下导轨槽13的长度，从而可以在下导轨槽13中滑动。当导轨组件80设置于上、下导轨槽中时，滑动条82与不锈钢垫板15的垂直部相接触来产生相对滑动。
再参看图1—3，上锚碇板组件40放置在底盆20的上方。上锚碇板组件40与底盆20之间从下往上依次设置有橡胶垫50、活塞60和剪力销70。橡胶垫50容置在底盆20的第一圆形凹槽21内。活塞60的截面呈T形，上部形成凸缘61。活塞60的下部容置在该第一圆形凹槽21内，上部凸缘61位于底盆的上方。凸缘61中心部设有销槽62，供剪力销70设置在其中。
上锚碇板组件40包括上锚碇板41和多根安装于上锚碇板41的上锚碇钢棒42。本实施例中，上锚碇钢棒42的数量也为四根。上锚碇板41的中心部设有销孔43，剪力销70伸入到该销孔43中，使得上锚碇板41连接到活塞60上。在该销孔43的上方还设有一盖板44，用于保护该销孔43。
通过上述结构，上锚碇板组件40可相对于底盆20在垂直方向运动，而在水平方向上则可与底盆20一起运动。而底盆20则可沿导轨组件80相对下滑动板组件10在水平方向运动，则上锚碇板组件40也可相对于下滑动板组件10在水平方向运动。
两个运动锁定器30由固定块31安装在下滑动板组件10上的两侧，并穿过底盆20的两侧翼板22中的通孔23。如图2及图10所示，下滑动板组件10上安装有四个固定块31。该运动锁定器30包括缸体32和穿设在该缸体32中的活塞杆33。缸体32的两端设有端盖36，用于封闭缸体32，端盖36上设有供活塞杆33伸出的开口。缸体32的底部容置于容纳槽14中，并且活塞杆33的外露部分上还设有橡胶保护套35。
缸体32设置成处于同一侧的两片翼板22之间，使得缸体32可随底盆20一起运动。活塞杆33的两端分别穿过翼板22而连接到固定块31上，使得活塞杆33可与下滑动板组件10固定在一起，跟随其一起运动。活塞杆33可相对缸体32运动，因此当底盆20相对于下滑动板组件10水平运动时，翼板22会推动缸体32相对于活塞杆33运动。
活塞杆33上形成活塞体331，活塞体331将缸体32分成第一腔室321和第二腔室322，并与缸体32的内壁之间形成有细微的间隙332。在第一腔室321和第二腔室322中充满阻尼介质34，阻尼介质34可以通过间隙332在两个腔室内流动。在本实施例中，该阻尼介质34为硅脂，但也可以是其它类型的油或脂。
该运动锁定器内的阻尼介质34对应于活塞杆33运动的速度产生相应的阻尼力，该阻尼力F与活塞杆33速度V的关系由下式决定：
F＝C·Vα
其中，C为阻尼系数，α为速度指数，该速度指数大于等于2。在一较佳实施例中，该α为速度指数等于2，即阻尼力F与活塞杆33速度V的平方成正比。
参见图11，是本发明的运动锁定器与现有阻尼器的速度—阻尼力曲线图。曲线A表示在α＝2时运动锁定器的速度—阻尼力比率图，曲线B表示现有阻尼器α＝0.1的速度—阻尼力比率图，直线C表示两者的分界线。从图中可以看出，现有阻尼器随着速度增加，阻尼力也会逐渐增加。而本发明的速度在同样增加的情况下，阻尼力上升的斜率很大，远远超出现有阻尼器的升幅，因此很快就能达到使得活塞杆33锁定的预定值。
因此当活塞杆33的速度较小时，阻尼力较小；而速度增大时，阻尼力急剧增大，使得活塞杆33无法动作。
当梁体相对于墩柱在水平方向有轻微的相对运动时，例如由于气温变化产生的桥梁伸缩，底盆20连同上锚碇板组件40相对于下滑动板组件10产生的水平滑动较为缓慢和柔和，所受的荷载为低速荷载。此时，缸体32中的阻尼介质34可以通过间隙332从第一腔室321缓慢地流到第二腔室322，或者从第二腔室322缓慢地流动到第一腔室321。藉此，活塞杆33上的活塞体331可以相对于缸体32作水平运动，从而容许支座在水平方向产生相对滑动。
当发生地震时，本发明支座所受的水平荷载为高速荷载，活塞体331具有相对于缸体32快速移动的趋势。但由于阻尼介质34无法迅速通过间隙332在两个腔室内流动，从而对活塞体331形成极大的反向阻力，阻止了活塞体331相对于缸体32的运动。这样就使得底盆20连同上锚碇板组件40无法相对于下滑动板组件10产生水平方向的运动，将支座锁死，使得该活动支座变成固定支座，从而将桥梁的梁体和墩柱刚性地连接成一体。此时地震水平荷载不再单独由该活动支座承担，而是由桥梁中所有的支座(包括固定支座)共同分担。原本在现有的减隔震结构的支座中，大部分地震水平荷载是由安装了减隔震支座的墩柱独自承担。通过这种方式，不会发生由单个或少数墩柱承受大部分荷载的情况，大大改善了墩柱的受力状况，进而可有效地减小下部和基础的工程用量。
Claims (9)
1.一种桥梁抗震支座，包括下滑动板组件(10)、底盆(20)、上锚碇板组件(40)，其特征在于：
下滑动板组件(10)包括下滑动板(11)和安装在该下滑动板(11)上的多根下锚碇钢棒(12)；
底盆(20)设置在下滑动板组件(10)的上方，可相对下滑动板组件(10)沿水平方向滑动；
上锚碇板组件(40)设置在底盆(20)的上方，可和该底盆(20)一起相对下滑动板组件(10)沿水平方向滑动，上锚碇板组件(40)包括上锚碇板(41)和安装在该上锚碇板(41)上的多根上锚碇钢棒(42)；以及
包括运动锁定装置(30)，运动锁定装置(30)具有缸体(32)和可相对缸体(32)水平运动的活塞杆(33)，其中缸体(32)可与底盆(20)连成一体并且在缸体(32)内充满阻尼介质(34)，活塞杆(33)的两端固定在下滑动板组件(10)上，活塞杆(33)的活塞头(331)位于缸体(32)内，并且活塞头(331)与缸体(32)的内壁之间具有供阻尼介质流动的细微间隙(332)，活塞杆(33)相对应缸体(32)水平运动的方向与底盆(20)相对于下滑动板组件(10)水平运动的方向一致。
2.如权利要求1所述的桥梁抗震支座，其特征在于：底盆(20)上部包括第一凹槽(21)，橡胶垫(50)和活塞(60)依次容置于该第一凹槽(21)中，活塞(60)上设有销槽(62)；上锚碇板(41)上设有销孔(43)；剪力销(70)容置在销槽(62)并伸入销孔(43)中将上锚碇板(41)与活塞相连。
3.如权利要求1所述的桥梁抗震支座，其特征在于：下滑动板组件(10)与底盆(20)之间设置有导轨组件(80)，其中下滑动板(11)设有下导轨槽(13)，底盆(20)设有上导轨槽(25)，导轨组件(80)安装在上导轨槽(25)中并嵌入下导轨槽(13)中，导轨组件(80)的长度小于下导轨槽(13)的长度。
4.如权利要求3所述的桥梁抗震支座，其特征在于：下滑动板组件(10)在下导轨槽(25)的两侧设有不锈钢垫板(15)，该不锈钢垫板(15)截面为L形，其水平部贴靠在下滑动板(11)的上表面，其垂直部伸入导轨槽(13)内并贴在下导轨槽(13)的内壁上；底盆(20)在底面上导轨槽(25)的两侧设有第二凹槽(24)，滑动块(26)设置在该第二凹槽(24)内，并与不锈钢垫板(15)相接触；并且导轨组件(80)包括导轨(81)和贴靠在导轨(81)两侧的滑动条(82)，该滑动条(82)与不锈钢垫板(15)的垂直部相接触。
5.如权利要求1所述的桥梁抗震支座，其特征在于：底盆(20)至少在一侧形成一对向外延伸的翼板(22)，各翼板(22)上形成有同轴的通孔(23)，且该通孔(23)的轴线和底盆(20)相对于下滑动板组件(10)水平运动方向平行；缸体(32)定位于这对翼板(22)之间，活塞杆(33)的两端安装到下滑动板(11)上的固定块(31)上。
6.如权利要求1所述的桥梁抗震支座，其特征在于：所述阻尼介质为硅脂。
7.如权利要求1所述的桥梁抗震支座，其特征在于：下滑动板(11)上设有容纳槽(14)，缸体(32)底部容纳于容纳槽(14)中。
8.如权利要求4所述的桥梁抗震支座，其特征在于：滑动块的材料为改性超高分子量聚乙烯。
9.如权利要求1所述的桥梁抗震支座，其特征在于：所述阻尼介质(34)产生的阻尼力F与活塞杆(33)速度V的关系由下式决定：
F＝C·Vα；
其中，C为阻尼系数，α为速度指数，该速度指数大于等于2。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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Owner name: SHANGHAI URBAN CONSTRUCTION DESIGN + RESEARCH INST Free format text: FORMER NAME: SHANGHAI MUNICIPAL URBAN CONSTRUCTION DESIGN AND RESEARCH INST. |
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 200011 Tibet South Road, Shanghai, No. 1170, No. Patentee after: Shanghai Urban Construction Design & Research Institute Patentee after: Wuhan Alga Bridge New Technology Development Co., Ltd. Address before: 200125 Dongfang Road, Shanghai, Pudong New Area, No. 3447 Patentee before: Shanghai Urban Construction Design and Research Institute Patentee before: Wuhan Alga Bridge New Technology Development Co., Ltd. |