CN105201094A - 一种x型各向异性摩擦双摆减隔震支座 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种X型各向异性摩擦双摆减隔震支座，包括上座板、下座板、上铰接滑块、下铰接滑块、上耐磨板、下耐磨板、球面耐磨板、防尘罩和螺栓等。上座板与下座板呈X型，外侧为平面，内侧为凹形曲面，且凹形曲面与长边挡块、短边挡块组合成凹槽。凹槽内为球心滑块，由上铰接滑块与下铰接滑块通过球形曲面铰接组合而成。通过分别对上座板凹槽、下座板凹槽的曲率半径、长度、摩擦系数等的不同设置，实现各向不同的减隔震刚度、位移、阻尼等，并通过球心滑块的水平转动与竖向转动，实现桥梁基于性能的各向异性减隔震设计。本发明的特点在于：该支座可实现桥梁各向异性的减隔震设计，减隔震机理明确，适用于直、曲、斜交等桥梁，且更经济。
Description
技术领域
本发明涉及一种桥梁结构X型各向异性摩擦双摆减隔震支座。
背景技术
近年来，全球范围内地震活动频发，造成了大量的建筑结构破坏、人员伤亡及经济损失。作为交通运输枢纽的桥梁工程，一旦在地震中遭到严重破坏，不但会造成巨大的直接损失，而且给救灾工作带来极大的困难，并由此引起严重的次生灾害和环境破坏，对于特大型桥梁，还会引起极大的社会影响。因此，为了确保桥梁的安全性，尤其是位于地震较活跃地区的长大型桥梁的抗震性能，必须对桥梁结构进行抗震性能设计，以提高其安全性。
减隔震设计是提高桥梁结构抗震性能、减小地震损失的有效方式之一。桥梁减隔震技术的基本原理是，通过减隔震装置将结构最大限度的与地震时的地面运动或支座运动分隔开，从而大幅减少传递到上部结构的地震作用。其中，减隔震支座是桥梁上减隔震装置最常用的结构形式。目前采用的减隔震支座主要有以下两类：第一类是橡胶类减隔震支座，例如铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座等。第二类是摩擦摆支座。橡胶类减隔震支座的承载能力有限，受环境影响较大，且耐久性能差，仅用于跨度较小的桥梁，而摩擦摆支座具有对地震激励频率范围的低敏感性和高稳定性，且具有较强的自复位能力和优良的隔震和消能机制等综合性能。摩擦摆支座的原理是，将桥梁等结构物本身与地面隔离，利用摩擦单摆的设计周期来延长结构的自振周期，减少地震引起的动力放大效应，将动能转化为势能与热能，有效地转移和消耗地震能量。
传统的摩擦摆支座主要有：单曲面摩擦摆支座、双曲面摩擦摆支座等，且支座的上座板和下座板一般为圆形。然而，传统的摩擦摆支座存在以下不足：传统摩擦摆支座的上座板和下座板为圆形，由支座提供的各方向减隔震刚度完全相同，因此，无法根据桥梁结构不同方向(如纵桥向与横桥向)的自振特性进行基于性能需求的减隔震设计，不具有各向异性的减隔震功能；对于曲线桥梁、斜交桥梁，传统的摩擦摆支座无法满足由于主梁结构在地震引起的摆动过程中所导致的支座随机转动，且同时满足桥梁结构不同方向的减隔震性能需求，因此，不能满足曲线桥梁、斜交桥梁的减隔震设计；传统的摩擦摆支座体积较大，成本较高，且对于桥梁主梁底部、盖梁等的尺寸要求较高。
为了适应直线桥梁、曲线桥梁、斜交桥梁等不同类型桥梁各向基于性能的减隔震设计，改善支座及桥梁结构的受力性能，应使摩擦摆支座具有各向异性减隔震功能，并具有良好的滞回耗能特性，适应性广，且更经济。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有摩擦摆支座的不足，本发明提供一种X型各向异性摩擦双摆减隔震支座，以实现基于性能的桥梁各向减隔震设计。在减隔震实现的过程中，分别通过对上座板、下座板凹槽曲率半径、长度、摩擦系数等的不同设置，实现各向不同的减隔震刚度、位移、阻尼等，并通过球心滑块的水平转动与竖向转动，实现桥梁基于性能的各向异性减隔震设计。在功能相同的前提下，相对于普通摩擦摆支座更节省材料，减隔震机理明确，适用于直、曲、斜交等桥梁，且更经济。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明采用的技术解决方案是：
一种X型各向异性摩擦双摆减隔震支座，包括上座板1、下座板2、上铰接滑块3、下铰接滑块4、上耐磨板5、下耐磨板6和球面耐磨板7，其中，上座板1、上铰接滑块3、下铰接滑块4和下座板2自上而下依次设置，上耐磨板5设置于上座板1与上铰接滑块3之间，下耐磨板6设置于下铰接滑块4与下座板2之间，球面耐磨板7设置于上铰接滑块3与下铰接滑块4之间；上座板1及下座板2的外侧为平面，内侧为凹形曲面，且平面内上座板1和下座板2呈X型。
上述方案中，所述上座板1的凹形曲面与上座板长边挡块12、上座板短边挡块13组合成上座板凹槽14，所述下座板2的凹形曲面与下座板长边挡块15、下座板短边挡块16组合成下座板凹槽17。
上述方案中，在设计该X型各向异性摩擦双摆减隔震支座时，上座板凹槽14及上座板1的平面投影长边方向长度为l，短边方向长度为0.35l；下座板凹槽17平面投影长边方向长度为0.8l～1.2l，短边方向长度为0.3l～0.4l；上座板凹槽14曲率半径为R，下座板凹槽17曲率半径为0.8R～1.2R；凹槽曲率半径R＝T2g/4π2，T为桥梁减隔震方向的目标周期，g为重力加速度；桥梁在减隔震方向的等效刚度Kfps＝W/R，W为支座承载的重量。
上述方案中，所述下铰接滑块4的顶部为滑块球冠10，该滑块球冠10是一个凸形圆弧曲面，上铰接滑块3与下铰接滑块4通过滑块球冠10铰接，形成支座的球心滑块11。
上述方案中，所述球心滑块11置于上座板凹槽14、下座板凹槽17之间，球心滑块11顶面与底面的曲率半径分别与上座板凹槽14、下座板凹槽17的曲率半径相同，使球心滑块11分别与上座板1、下座板2面面接触，实现平稳滑动，且能避免应力集中。
上述方案中，所述球心滑块11的边长为上座板1长边方向长度的1/3，高度为球心滑块11边长的1/5～1/3，球心滑块11能够通过滑块球冠10实现支座上座板1与下座板2的水平转动与竖向转动，从而实现对平面内各方向的减隔震设计。
上述方案中，所述上座板长边挡块12、下座板长边挡块15对球心滑块11起滑动导向作用，且上座板长边挡块12、上座板短边挡块13、下座板长边挡块15、下座板短边挡块16均能防止球心滑块11滑落。
上述方案中，所述下铰接滑块4的上部为滑块球冠10，为凸形圆弧曲面，曲率半径与上铰接滑块3的凹形圆弧曲面曲率半径相同；滑块球冠10四周设置滑块挡块18，防止上铰接滑块3滑落；上铰接滑块3与滑块挡块18之间设置滑块间隙19，实现支座在桥梁纵桥向和横桥向的竖向转动。
上述方案中，所述上铰接滑块3的上部为凸形单曲面，其外侧贴有上耐磨板5，且其曲率半径与上座板凹槽14的曲率半径相同；所述下铰接滑块4的下部为凸形单曲面，其外侧贴有下耐磨板6，且其曲率半径与下座板凹槽17的曲率半径相同，使球心滑块11分别与上座板1、下座板2面面接触，实现平稳滑动，且能避免应力集中。
上述方案中，该X型各向异性摩擦双摆减隔震支座的外侧还设有防尘罩8，并通过螺栓9与X型各向异性摩擦双摆减隔震支座固定。
(三)有益效果
1、本发明提供的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座，采用各向异性减隔震设计。上铰接滑块、下铰接滑块内侧为球面，与球面板紧密接触，通过球面实现任意水平方向的转动；上、下铰接滑块两侧设置的滑块间隙，可实现支座竖向转动，从而实现支座在各个方向基于性能的减隔震设计。
2、本发明提供的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座，采用基于性能的减隔震设计。上座板与下座板的曲面凹槽曲率半径、长度、摩擦系数等根据桥梁纵桥向与横桥向的减隔震需求分别进行设置，实现基于性能的桥梁结构各向(包括纵桥向与横桥向)减隔震设计，使得桥梁结构减隔震设计更加安全、经济、适用。
3、本发明提供的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座，支座的可拼装性和部分构件可更换性。支座由上座板、上铰接滑块、下铰接滑块、下座板通过滑动面拼装而成，对各构件之间相接触的曲面进行相适应设计，满足接触曲面的无缝接触，且各构件可以根据承载吨位、减隔震刚度、位移、阻尼等需求，分别进行设计。当支座部分构件需要更换时，可进行单独构件设计。
4、本发明提供的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座，适应性强。上座板与下座板水平呈X型，可通过球心滑块的水平转动和竖向转动，实现支座平面内任意方向的减隔震功能与自复位功能，以满足直线桥梁、曲线桥梁、斜交桥梁等基于性能的减隔震设计。
5、本发明提供的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座，相对于普通摩擦摆支座更节省材料，降低成本。
附图说明
图1是本发明提供的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座的等轴视图；
图2是本发明提供的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座的正视图；
图3是本发明提供的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座的左视图；
图4是本发明提供的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座的俯视图，其中上座板与下座板呈θ角；
图5是本发明提供的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座的球心滑块11的示意图；
图6a和图6b是本发明提供的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座的上铰接滑块3的示意图，其中图6a是上铰接滑块3的正视图，图6b是上铰接滑块3的侧视图；
图7a和图7b是本发明提供的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座的下铰接滑块4的示意图，其中图7a是下铰接滑块4的正视图，图7b是下铰接滑块4的侧视图；
图8是本发明提供的带防尘罩的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座的正视图；
图中，上座板1、下座板2、上铰接滑块3、下铰接滑块4、上耐磨板5、下耐磨板6、球面耐磨板7、防尘罩8、螺栓9、滑块球冠10、球心滑块11、上座板长边挡块12、上座板短边挡块13、上座板凹槽14、下座板长边挡块15、下座板短边挡块16、下座板凹槽17、滑块挡块18、滑块间隙19。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座，主要包括上座板1、下座板2、上铰接滑块3、下铰接滑块4、上耐磨板5、下耐磨板6和球面耐磨板7，其中，上座板1、上铰接滑块3、下铰接滑块4和下座板2自上而下依次设置，上耐磨板5设置于上座板1与上铰接滑块3之间，下耐磨板6设置于下铰接滑块4与下座板2之间，球面耐磨板7设置于上铰接滑块3与下铰接滑块4之间。
如图1至图4所示，X型各向异性摩擦双摆减隔震支座的上座板1、下座板2的外侧为平面，内侧为凹形曲面，且平面内上座板1和下座板2呈X型。上座板1的凹形曲面与上座板长边挡块12、上座板短边挡块13组合成上座板凹槽14，下座板2的凹形曲面与下座板长边挡块15、下座板短边挡块16组合成下座板凹槽17。上座板凹槽14、下座板凹槽17的曲率半径、长度，以及上铰接滑块3、下铰接滑块4的承载力大小等均可根据减隔震需求分别进行设计，然后进行组装，形成X型各向异性摩擦双摆减隔震支座。
如图2、图3、图4所示，上座板1、下座板2的长边方向凹形曲面的曲率半径、长度及摩擦系数等是根据桥梁结构各方向的减隔震需求分别进行设置，使得沿上座板1或下座板2的长边方向的减隔震刚度、位移、阻尼等各不相同，实现桥梁结构基于性能的各向异性减隔震设计。在设计该X型各向异性摩擦双摆减隔震支座时，上座板凹槽14及上座板1的平面投影长边方向长度，短边方向长度为0.35l。下座板凹槽17平面投影长边方向长度为0.8l～1.2l，短边方向长度为0.3l～0.4l。上座板凹槽14曲率半径为R，下座板凹槽17曲率半径为0.8R～1.2R。凹槽曲率半径R＝T2g/4π2，T为桥梁减隔震方向的目标周期，g为重力加速度；桥梁在减隔震方向的等效刚度Kfps＝W/R，W为支座承载的重量。
如图2和图3所示，下铰接滑块4的上部为滑块球冠10，滑块球冠10四周设置滑块挡块18，防止上铰接滑块3滑落，上铰接滑块3与滑块挡块18之间设置滑块间隙19，实现支座在桥梁纵桥向和横桥向的竖向转动。
如图5所示，X型各向异性摩擦双摆减隔震支座的上铰接滑块3的底部为凹形圆弧曲面，并贴有与其相适应的球面耐磨板7。下铰接滑块4的顶部为滑块球冠10，也即一个凸形圆弧曲面。上铰接滑块3与下铰接滑块4通过滑块球冠10铰接，形成支座的球心滑块11。因此，球心滑块11可以通过滑块球冠10实现支座上座板1与下座板2的水平转动与竖向转动。当上座板1或下座板2通过球心滑块11水平转动时，上座板1与下座板2呈X型，可根据减隔震需求设置成不同的角度，从而能实现对平面内各方向的减隔震设计。进一步结合上座板1、下座板2提供的不同的刚度、位移、阻尼等减隔震性能参数，该支座可以实现桥梁结构在平面内各向异性的减隔震性能设计。
上铰接滑块3的上部为凸形单曲面，其外侧贴有上耐磨板5，且其曲率半径与上座板凹槽14的曲率半径相同。下铰接滑块4的下部为凸形单曲面，其外侧贴有下耐磨板6，且其曲率半径与下座板凹槽17的曲率半径相同，使球心滑块11分别与上座板1、下座板2面面接触，实现平稳滑动，且能避免应力集中。
球心滑块11置于上座板凹槽14、下座板凹槽17之间，组成X型各向异性摩擦双摆减隔震支座。球心滑块11顶面与底面的曲率半径分别与上座板凹槽14、下座板凹槽17的曲率半径相同，使球心滑块11分别与上座板1、下座板2面面接触，实现平稳滑动，且能避免应力集中。球心滑块11的边长约为上座板1长边方向长度l的1/3，高度约为球心滑块11边长的1/5～1/3，球心滑块11可以通过滑块球冠10实现支座上座板1与下座板2的水平转动与竖向转动，从而实现对平面内各方向的减隔震设计。
上座板凹槽14、下座板凹槽17的曲率半径、长度、摩擦系数等是根据桥梁结构各方向的减隔震需求分别进行设置，使得沿上座板1或下座板2的长边方向的减隔震刚度、位移、阻尼等各不相同，实现桥梁结构基于性能的各向异性减隔震设计。上座板长边挡块12、下座板长边挡块15对球心滑块11起滑动导向作用，且上座板长边挡块12、上座板短边挡块13、下座板长边挡块15、下座板短边挡块16均能防止球心滑块11滑落。
如图6所示，X型各向异性摩擦双摆减隔震支座的上铰接滑块3的底部为凹形圆弧曲面，上铰接滑块3与下铰接滑块4之间贴有的球面耐磨板7与该凹形圆弧曲面相适应。
如图7所示，X型各向异性摩擦双摆减隔震支座的下铰接滑块4的顶部为滑块球冠10，为凸形圆弧曲面，曲率半径与上铰接滑块3的凹形圆弧曲面曲率半径相同。
如图8所示，X型各向异性摩擦双摆减隔震支座外侧设有防尘罩8，并通过螺栓9与X型各向异性摩擦双摆减隔震支座固定。
本发明提供的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座，由上座板1、上铰接滑块3、下铰接滑块4和下座板2等通过滑动面拼装而成，通过对各构件之间相接触的曲面进行相适应设计，满足接触曲面的无缝接触，并且各构件可以根据承载吨位、减隔震刚度、位移、阻尼等分别设计。
当支座部分构件需要更换时，可进行单独构件设计，只需满足以下三个条件：(1)贴于上铰接滑块3顶面的上耐磨板5曲面与上座板凹槽14曲面相适应；(2)贴于下铰接滑块4底面的下耐磨板6曲面与下座板凹槽17曲面相适应；(3)下铰接滑块4顶部的球冠球面与上铰接滑块3底部的球面耐磨板7相适应。
在满足以上三个条件的情况下，上座板凹槽14、下座板凹槽17的曲率半径、长度，以及上铰接滑块3、下铰接滑块4的承载力大小等均可根据减隔震需求进行分别设计，然后进行组装，形成X型各向异性摩擦双摆减隔震支座。在支座部分损坏或者分部分设计更改时，可对相应的结构部分进行更换即可，实现了X型各向异性摩擦双摆减隔震支座的可拼装性。
以上所述仅为本发明的较佳可行实施例。可根据桥梁地震设防等级及抗震需求，设计上座板和下座板曲面凹槽长度、曲率半径，以及耐磨板的摩擦系数等。球心滑块的尺寸可根据支座承载力的需求进行设计，球冠球面半径大小可根据转动需求进行设计。因此，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均同理包含在本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种X型各向异性摩擦双摆减隔震支座，其特征在于，包括上座板(1)、下座板(2)、上铰接滑块(3)、下铰接滑块(4)、上耐磨板(5)、下耐磨板(6)和球面耐磨板(7)，其中，上座板(1)、上铰接滑块(3)、下铰接滑块(4)和下座板(2)自上而下依次设置，上耐磨板(5)设置于上座板(1)与上铰接滑块(3)之间，下耐磨板(6)设置于下铰接滑块(4)与下座板(2)之间，球面耐磨板(7)设置于上铰接滑块(3)与下铰接滑块(4)之间；上座板(1)及下座板(2)的外侧为平面，内侧为凹形曲面，且平面内上座板(1)和下座板(2)呈X型。
2.根据权利要求1所述的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座，其特征在于，所述上座板(1)的凹形曲面与上座板长边挡块(12)、上座板短边挡块(13)组合成上座板凹槽(14)，所述下座板(2)的凹形曲面与下座板长边挡块(15)、下座板短边挡块(16)组合成下座板凹槽(17)。
3.根据权利要求2所述的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座，其特征在于，在设计该X型各向异性摩擦双摆减隔震支座时，上座板凹槽(14)及上座板(1)的平面投影长边方向长度为l，短边方向长度为0.35l；下座板凹槽(17)平面投影长边方向长度为0.8l～1.2l，短边方向长度为0.3l～0.4l；上座板凹槽(14)曲率半径为R，下座板凹槽(17)曲率半径为0.8R～1.2R；凹槽曲率半径R＝T2g/4π2，T为桥梁减隔震方向的目标周期，g为重力加速度；桥梁在减隔震方向的等效刚度Kfps＝W/R，W为支座承载的重量。
4.根据权利要求2所述的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座，其特征在于，所述下铰接滑块(4)的顶部为滑块球冠(10)，该滑块球冠(10)是一个凸形圆弧曲面，上铰接滑块(3)与下铰接滑块(4)通过球冠(10)铰接，形成支座的球心滑块(11)。
5.根据权利要求4所述的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座，其特征在于，所述球心滑块(11)置于上座板凹槽(14)、下座板凹槽(17)之间，球心滑块(11)顶面和底面的曲率半径分别与上座板凹槽(14)、下座板凹槽(17)的曲率半径相同，使球心滑块(11)分别与上座板(1)、下座板(2)面面接触，实现平稳滑动，且能避免应力集中。
6.根据权利要求4所述的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座，其特征在于，所述球心滑块(11)的边长为上座板(1)长边方向的1/3，高度为球心滑块(11)边长的1/5～1/3，球心滑块(11)能够通过滑块球冠(10)实现支座上座板(1)与下座板(2)的水平转动与竖向转动，从而实现对平面内各方向的减隔震设计。
7.根据权利要求2所述的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座，其特征在于，所述上座板长边挡块(12)、下座板长边挡块(15)对球心滑块(11)起滑动导向作用，且上座板长边挡块(12)、上座板短边挡块(13)、下座板长边挡块(15)、下座板短边挡块(16)均能防止球心滑块(11)滑落。
8.根据权利要求1所述的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座，其特征在于，所述下铰接滑块(4)的上部为滑块球冠(10)，为凸形圆弧曲面，曲率半径与上铰接滑块(3)的凹形圆弧曲面曲率半径相同；滑块球冠(10)四周设置滑块挡块(18)，防止上铰接滑块(3)滑落；上铰接滑块(3)与滑块挡块(18)之间设置滑块间隙(19)，实现支座在桥梁纵桥向和横桥向的竖向转动。
9.根据权利要求1所述的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座，其特征在于，所述上铰接滑块(3)的上部为凸形单曲面，其外侧贴有上耐磨板(5)，且其曲率半径与上座板凹槽(14)的曲率半径相同；所述下铰接滑块(4)的下部为凸形单曲面，其外侧贴有下耐磨板(6)，且其曲率半径与下座板凹槽(17)的曲率半径相同。
10.根据权利要求1所述的X型各向异性摩擦双摆减隔震支座，其特征在于，该X型各向异性摩擦双摆减隔震支座的外侧还设有防尘罩(8)，并通过螺栓(9)与X型各向异性摩擦双摆减隔震支座固定。
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