CN101748685A - 可滑移柱形软钢阻尼装置及其在桥梁上的应用 - Google Patents

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Abstract

一种可滑移柱形软钢阻尼装置及其在桥梁上的应用，该软钢阻尼装置包括固定端板、上焊接板、下焊接板、铸钢推力槽、阻尼器耗能部件，阻尼器耗能部件采用软钢材料及变截面圆柱形结构，其底座通过固定端板栓接于上焊接板上，铸钢推力槽栓接于下焊接板上，耗能部件的球头伸入推力槽中，推力槽两端及软钢阻尼器耗能部件球头之间设有挡块，挡块置于球头的一端或两端，可提供单向或双向阻尼力。该装置在桥梁上的应用：桥梁的梁底及墩顶预埋有上、下预埋板，阻尼装置通过其上、下焊接板分别与上、下预埋板连接固定而竖直安装于桥梁上。本发明阻尼装置结构简单，安装方便，提供可选择的双向阻尼力，大吨位、大行程，具有良好的疲劳性能及减震耗能作用。

Description

可滑移柱形软钢阻尼装置及其在桥梁上的应用
技术领域
本发明属于工程结构抗震领域，涉及一种阻尼装置，特别是桥梁结构震动控制中，安装于桥梁上、下部结构之间，借助软刚材料的屈服延性提供滞回阻尼力，实现消能减震的功能的阻尼装置。
背景技术
减隔震措施是结构抗震常用的手段，经济、有效。其中关键技术之一就是通过阻尼装置实现耗能减震的效果。现有技术中，常用的阻尼装置有：速度相关型阻尼器(如液体粘滞阻尼器等)、位移相关型阻尼器(如铅芯橡胶支座、软钢阻尼器等)、摩擦型阻尼器(如摩擦摆式支座等)等等。其中，软钢阻尼器具有构造简单、力学行为特征明确、造价相对较低等优点。但由于软钢阻尼器的耗能原理是利用金属材料屈服后的延性，疲劳性能往往会是较为棘手的问题。到目前为止，尚未见于桥梁抗震中实际应用的大吨位、大位移，且具备良好疲劳性能的钢阻尼器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可滑移柱形软钢阻尼装置及其在桥梁上的应用，其安装于桥梁上，具有减震耗能作用。
为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：
一种可滑移柱形软钢阻尼装置，其包括固定端板、上焊接板、下焊接板、阻尼器耗能部件，其还包括推力槽，推力槽栓接于下焊接板上，耗能部件的球头伸入推力槽中，耗能部件的底座通过固定端板栓接于上焊接板上。
进一步，该推力槽两端及软钢阻尼器耗能部件球头之间设有挡块，挡块置于球头的一端或两端，可提供单向或双向阻尼力。
该阻尼器耗能部件采用软钢材料及变截面圆柱体结构，变截面的母线选用三次抛物线，变界面区段宜从固定段根部起到2/3～4/5的构件长度处止。
该推力槽为两端为半圆的狭长槽，槽宽比软钢阻尼器耗能部件的球头略大1～2mm，且推力槽强度须大于耗能部件。
该固定端板、推力槽通过高强螺栓分别与上、下焊接板连接固定。
可滑移柱形软钢阻尼装置在桥梁上的应用，桥梁的梁底及墩顶预埋有上、下预埋板，阻尼装置通过其上、下焊接板分别与上、下预埋板连接固定而竖直安装于桥梁上。
该下预埋板预埋位置低于桥梁墩顶呈下凹，提供阻尼装置安装空间，阻尼装置高于桥梁支座。
该软钢阻尼装置中含有2～4个并联的软钢阻尼器耗能部件，每个耗能部件高约1m，直径144mm～90mm。该推力槽是铸钢推力槽。
由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：
1、变截面圆柱体，等强度设计的一种方式以及水平面内各向同性；
2、借助桥墩下凹的造型，允许竖立安装较高的钢阻尼器，实现大位移、大行程且疲劳性能好的目标；
3、滑槽的设计允许阻尼器或者仅提供单向的阻尼力、另一方向可自由滑动，或者提供双向阻尼力。
附图说明
图1为本发明实施例阻尼器结构示意图。
图2为本发明等强度示意图。
图3为本发明阻尼器试验所得滞回曲线。
图4为本发明实际地震波输入典型桥梁结构时，安装于该结构上的软钢阻尼器的滞回曲线。
图5为本发明实施例的安装位置示意图。
图6为本发明实施例的软钢阻尼装置图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
本发明是应用于结构抗震，特别是桥梁抗震的软钢阻尼器，如图1所示。其中软钢阻尼器变形耗能部分采用变截面圆柱体，可实现在平面内各向同性的力位移本构行为。端部采用球冠形以获得理想的约束条件，从而真正实现等弯曲强度设计，见图2。通过滑槽的设计，可自由选择地实现单向自由滑动。
针对本发明所涉及的软钢阻尼器，进行了一系列的足尺模型试验，考察阻尼器的耗能作用以及产品的疲劳性能。经过数十次的实验和产品材料及设计参数的调整，最终获得了满位移行程下60周以上的疲劳性能，如图3所示。借助于有限元动力分析手段，可获得该阻尼器安装在典型的桥梁结构上后，在地震作用下的耗能情况，如图4所示。
如图6所示，本发明的软钢阻尼器1包含固定端板11、上焊接板12、下焊接板13、铸钢推力槽14及若干个软钢阻尼器耗能部件15，，耗能部件15的底座通过固定端板11栓接于上焊接板12上，铸钢推力槽14栓接于下焊接板13上，耗能部件15的球头伸入推力槽14中。其中，上、下焊接板12、13为过渡构件，其上开螺孔，螺孔的布置应满足强度设计要求。固定端板11通过高强螺栓5与上焊接板12连接，同样铸钢推力槽(即滑槽)14通过高强螺栓5与下焊接板13连接，槽体约束耗能部件15的球头发生单向或双向的水平位移，其强度须大于耗能部件15，宜选用刚度、强度均较大的材料，本例中采用的铸钢。在滑槽14的两端及各耗能部件15的球头之间设置挡块，可实现双向约束(提供阻尼力)；取消挡块，可实现单向约束，另一方向自由滑动。同时，滑槽14为两端为半圆的狭长槽，软钢阻尼器耗能部件15的球头伸入槽中，槽宽比球头略大1～2mm。
所述的软钢阻尼器耗能部件的选取须满足：其一，选用圆柱形，可使之在平面内表现为各向同性；其二，变截面的母线选用三次抛物线，变界面区段宜从固定段根部起到2/3～4/5的构件长度处止，这样可有保障地最大限度地获得等强度段共同屈服变形的效果。
如图5-6所示，本发明所涉及的软钢阻尼装置1，应竖直安装与桥墩3墩顶中心位置，位于两个支座41、42之间。在桥梁的主梁2梁底及桥墩3的墩顶预埋有上预埋板6、下预埋板7，上、下预埋板6、7是通过钢筋与混凝土结构牢固连接的，软钢阻尼装置1通过其上、下焊接板12、13分别焊接于其对应的上、下预埋板6、7，进而软钢阻尼装置1安装固定于桥梁上。由于该阻尼器装置1本身不承受上部结构的自重荷载，故不可代替支座功能。该阻尼器1的高度由设计阻尼力和位移行程的要求决定，一般会显著大于常用的支座的高度，因此安装阻尼器1的桥墩3墩顶中部应下凹以提供阻尼器1的安装空间。本实施例中每套阻尼装置1中含有2～4个并联的软钢阻尼器耗能部件，每个耗能钢部件高约1m，直径144mm～90mm；其设计阻尼力为30吨，位移行程±200mm，疲劳性能要求满位移行程60周构件不破坏。
桥梁结构抗震设计中，在部分桥墩3上常常需要墩梁3之间纵桥向可自由滑动，因此对阻尼器1的球冠端的约束考虑采用纵向的滑槽。滑槽宜安装于墩顶，阻尼器固定端宜安装在主梁2的梁底。滑槽内壁与阻尼器球冠之间可留有1～2mm间隙，但安装完毕后球冠伸入滑槽内的合理的高度范围需经计算确定，确定的原则为：在最大位移行程范围内，阻尼器的悬臂纯弯变形不会导致球头附近的颈部与槽口相碰。
桥梁结构在强震作用下，墩梁之间会发生相对位移；特别是隔震设计的桥梁，会发生较大的位移。作为被动控制手段，软钢阻尼器通过往复塑性变形来消耗结构吸收到的地震能量，从而起到控制结构地震位移的作用。
根据结构抗震分析可获得理想的阻尼器目标本构参数，主要是阻尼力与位移行程。由此两个目标参数就可以设计阻尼器的选材和具体尺寸。通常，桥梁结构抗震所用的阻尼器要求大吨位、大位移行程，若设计成单个软钢阻尼器耗能部件将会是个庞然大物。因此，考虑采用多个吨位较小的耗能部件并联的方式来获得阻尼器目标本构参数。
从桥梁抗震需求的角度看，抵抗纵向地震作用时各墩顶设置阻尼装置没有差别，抵抗横向地震作用时则宜将阻尼器放置在每一联桥的靠两边的桥墩上。但是，考虑到梁体温度变形的作用，钢阻尼器的纵向约束不宜分散在多个桥墩上，更不能分散到距离很远的两个边墩上。为此，要求软钢阻尼器具有纵向约束和滑移的两种功能。本发明的软钢阻尼装置通过纵向滑槽来实现滑移功能，通过调整滑槽内的挡块来实现纵向约束功能——不同的选择对应不同约束条件的阻尼装置。前述的多个并联的耗能部件沿着滑槽方向排列。软钢阻尼装置安装于墩梁之间；纵向滑动者安装于一联桥的两个边墩上，纵向约束者安装于中间的固定墩上。针对单根耗能部件的原型试验测试结果表明，阻尼力、位移行程、疲劳性能都满足设计要求，因此，该软钢阻尼装置安装于桥梁结构上，能在强震作用下很好地按预想发挥减震耗能的效果。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可滑移柱形软钢阻尼装置，其包括固定端板、上焊接板、下焊接板、阻尼器耗能部件，其特征在于：其还包括推力槽，推力槽栓接于下焊接板上，耗能部件的球头伸入推力槽中，耗能部件的底座通过固定端板栓接于上焊接板上。
2.如权利要求1所述的可滑移柱形软钢阻尼装置，其特征在于：该推力槽两端及软钢阻尼器耗能部件球头之间设有挡块，挡块置于球头的一端或两端。
3.如权利要求1所述的可滑移柱形软钢阻尼装置，其特征在于：该阻尼器耗能部件采用软钢材料及变截面圆柱体结构，变截面的母线选用三次抛物线，变界面区段宜从固定段根部起到2/3～4/5的构件长度处止。
4.如权利要求1所述的可滑移柱形软钢阻尼装置，其特征在于：该推力槽为两端为半圆的狭长槽，槽宽比软钢阻尼器耗能部件的球头略大1～2mm，且推力槽强度大于耗能部件。
5.如权利要求1所述的可滑移柱形软钢阻尼装置，其特征在于：该固定端板、推力槽通过高强螺栓分别与上、下焊接板连接固定。
6.如权利要求1所述的可滑移柱形软钢阻尼装置在桥梁上的应用，其特征在于：桥梁的梁底及墩顶预埋有上、下预埋板，阻尼装置通过其上、下焊接板分别与上、下预埋板连接固定而竖直安装于桥梁上。
7.如权利要求6所述的可滑移柱形软钢阻尼装置在桥梁上的应用，其特征在于：该下预埋板预埋位置低于桥梁墩顶呈下凹，提供阻尼装置安装空间，阻尼装置高于桥梁支座。
8.如权利要求6所述的可滑移柱形软钢阻尼装置在桥梁上的应用，其特征在于：该软钢阻尼装置中含有2～4个并联的软钢阻尼器耗能部件，每个耗能部件高约1m，直径144mm～90mm。
9.如权利要求1所述的可滑移柱形软钢阻尼装置，其特征在于：该推力槽是铸钢推力槽。
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