CN106120546A - 功能分离式自复位摩擦索耗能减震支座 - Google Patents

功能分离式自复位摩擦索耗能减震支座 Download PDF

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Abstract

功能分离式自复位摩擦索耗能减震支座属于桥梁等建筑结构抗震领域。其放置在梁体和固定墩之间；每个支座的结构如下：地脚固定于固定墩上；摩擦轴固定在两个地脚之间；梁体连接件和限位销固定在梁体上；复位弹簧一端头与梁体连接件连接，另一端与地脚连接；摩擦索在摩擦轴上缠绕若干圈，并施加预紧力后，两端分别连接在连接件上；复位弹簧和摩擦索均与摩擦轴的轴线相互垂直。该支座既能满足正常使用需求；在强震时又能起到减、隔震效果，有效避免因地震时相对位移过大对常规减、隔震支座造成的损伤，并能实现对固定墩进行能力保护，提高连续梁桥的抗震性能；地震峰值过后在地震余能的作用下，具有较好的震后自复位功能；结构简单，造价低廉。

Description

功能分离式自复位摩擦索耗能减震支座
技术领域
本发明涉及一种连续梁桥耗能减震装置，适用于铁路桥、公路桥、城市高架桥以及各种大型连续梁结构建筑物的新建结构或既有结构抗震加固，提高其整体抗震性能，属于桥梁等建筑结构抗震领域。
背景技术
为降低连续梁桥的地震响应，提高连续梁桥的整体抗震性能，通常在固定墩对连续梁桥采用减、隔震支座等减震措施，如铅芯橡胶支座、摩擦摆支座等，但以上减震措施并没有改变支座竖向承载功能与水平耗能减、震功能的分离。多次地震灾害检查发现，在强震作用下以上常规减隔震支座多因水平相对位移过大而发生损坏，不仅丧失了水平耗能减震功能，而且竖向承载力也不能满足要求，需要进行更换。而常规的减、隔震支座不仅价格昂贵，而且因竖向承载吨位大、结构复杂，更换极为困难。相比常规减、隔震支座，本发明提出将常规连续梁桥固定支座的功能进行分离的设计思想，支座只承受竖向荷载，自复位摩擦索承担耗能和复位功能，即功能分离式自复位摩擦索耗能减震支座，该支座具有如下优点：
1)在正常车辆制动荷载作用下，摩擦索与摩擦轴之间的摩擦锁死力限制连续梁体与固定墩之间的纵向相对位移，满足正常使用需求。
2)在强震发生时，当上部结构梁体产生的地震力大于摩擦索与摩擦轴之间的摩擦锁死力时，摩擦索与摩擦轴之间发生相对滑动，消耗地震输入给结构的能力，减少结构的地震响应。
3)与常规连续梁桥固定墩上的减、隔震支座相比，在本发明中竖向支座只承受竖向荷载，在水平方向可以自由滑动，可以有效避免因地震时相对位移过大对支座造成的损伤。
4)由于设置了自复位弹簧，在地震余能的作用下，具有较好的震后自复位功能，便于震后结构的整体修复。
5)本发明支座具有结构简单，造价低廉，检查维修方便等优点。
发明内容
本发明目的是提供一种功能分离的连续梁桥自复位摩擦索耗能减震支座，利用本发明，可以克服常规减、隔震装置及既有技术上存在的上述缺点和不足，减少强震时常规连续梁桥固定墩减、隔震支座的震害，为连续梁桥抗震设计及抗震加固提供一种新思路和技术保障。
功能分离式自复位摩擦索耗能减震支座，其特征在于：放置在梁体和固定墩之间，设置一个或多个；每个支座的结构如下：地脚7固定于固定墩9上；摩擦轴8固定在两个地脚之间；梁体连接件1和限位销4固定在梁体5上；复位弹簧3一端头与梁体连接件1连接，另一端与地脚7连接；摩擦索2在摩擦轴8上缠绕若干圈，并施加预紧力后，两端分别连接在连接件1上；复位弹簧3和摩擦索2均与摩擦轴8的轴线相互垂直。
所述的支座的应用，其特征在于：
正常状态下，摩擦索2与摩擦轴8之间因预紧力而产生的摩擦锁死力能够限制因车辆制动荷载引起的梁体与固定墩之间的相对位移，以满足正常使用需求。地震情况下，当梁体的纵向地震荷载大于摩擦索2与摩擦轴8之间的摩擦锁死力时，摩擦索2与摩擦轴8之间发生相对滑动，降低结构的刚度，消耗地震输入给结构的能力，发挥减、隔震作用。同时，限位销起到限制竖向支座6的水平滑动的作用，以保护竖向支座6。地震峰值过后，在地震余能和复位弹簧3的共同作用下，使上部梁体自动复位到初始平衡位置。
连续梁桥自复位摩擦索耗能减震支座设计方法，其特征在于：
1)正常使用状态下，为限制梁体与固定墩之间的相对位移，满足正常使用需求，控制条件为
Fe2πnμ＞Pz
2)强震条件下，为对固定墩进行能力保护，控制条件为
k·(F·e2π·n·μ+K·Δx)＜Qmax
k·(F·e2π·n·μ+K·Δx)·h＜Mmax
3)为保护竖向支座
Δ≤Δb
4)为实现震后自复位
F·e2π·n·μ＜K·Δ
其中，
F—摩擦索预紧力，kN；
n—摩擦索缠绕的圈数；
μ—摩擦索和摩擦轴之间的摩擦系数；
Pz—车辆制动力，kN。汽车荷载制动力按同向行驶的汽车荷载(不计冲击力)计算，并应按表1的规定，以使桥梁墩台产生最不利纵向力的加载长度进行纵向折减；
表1 纵向折减系数
计算跨径L0(m) 纵向折减系数 计算跨径L0(m) 纵向折减系数
150≤L0＜400 0.97 800≤L0＜1000 0.94
400≤L0＜600 0.96 L0≥1000 0.93
600≤L0＜800 0.95
K—复位弹簧刚度，kN/m；
Δ—限位销间隙，m；
Δb—竖向支座的允许水平相对位移，m；
Δx—梁体与固定墩纵向相对位移，Δx≤Δ，m；
h—固定墩高度，m；
Qmax—为固定墩的抗剪能力，kN；
Mmax—为固定墩的抗弯能力，kN.m；
k—安全系数，取值范围为1.1～1.5。
本发明的技术方案：
本装置的施工过程概括如下，在常规减、隔震支座位置布置竖向支座，该竖向支座在水平方向可以滑动；在竖向支座旁安装一个或几个缠绕式自复位耗能摩擦索系统，与竖向支座组成功能分离式自复位摩擦索减、隔震支座，摩擦索的缠绕圈数和预紧力根据具体情况设定。
所述装置的工作原理如下：
原理一，正常状态下，摩擦索2与摩擦轴8之间因预紧力而产生的摩擦锁死力大于车辆制动荷载，能够限制梁体与固定墩之间的相对位移，以满足正常使用需求。
原理二，地震情况下，当梁体的纵向地震荷载大于摩擦索2与摩擦轴7之间的摩擦锁死力时，摩擦索2与摩擦轴8之间发生相对滑动，降低结构的刚度，消耗地震输入给结构的能力，发挥减、隔震作用。
原理三，地震峰值过后，在地震余能和复位弹簧3的共同作用下，使上部梁体自动复位到初始平衡位置，以便于震害整体加固。
本发明的积极效果是：本发明提出一种功能分离的减、隔震支座，该支座既能满足正常使用需求；在强震时又能起到减、隔震效果，有效避免因地震时相对位移过大对常规减、隔震支座造成的损伤，并能实现对固定墩进行能力保护，提高连续梁桥的抗震性能；地震峰值过后在地震余能的作用下，具有较好的震后自复位功能，便于震后结构的整体修复。同时，本发明支座具有结构简单，造价低廉，检查维修方便等优点。适用于铁路桥、公路桥、城市高架桥以及各种大型新建连续梁结构或既有连续梁结构的抗震加固领域。
附图说明:
图1(a)、(b)、(c)分别是本发明在正常工作状态的主视图、侧视图以及俯视图。
图2是本发明三维示意图
图3是本发明在地震时桥墩与梁体发生相对位移的示意图
图4是本发明在震后桥墩自复位后的示意图
图5是本发明具体控制条件示意图本发明的构成如附图所示。
具体实施方式
以下结合实例及附图作进一步详述，但不做为对本发明的限定。
本实例的结构如附图1、2、3、4、5所示，功能分离式自复位摩擦索耗能减震支座，其中：1、梁体连接件；2、摩擦索；3、复位弹簧；4、限位销；5、梁体；6、竖向支座；7、地脚；8、摩擦轴；9、桥墩。
地脚7固定于固定墩9上；摩擦轴8固定在地脚上；梁体连接件1和限位销4固定在梁体5上；复位弹簧3一端头与梁体连接件1连接，另一端与地脚7连接；摩擦索2在摩擦轴8上缠绕若干圈，并施加预紧力(具体缠绕圈数和预紧力根据控制条件确定)后，两端分别连接在连接件1上；复位弹簧3和摩擦索2均与摩擦轴8的轴线相互垂直。
根据需要，在桥墩9横桥向可设置多个由摩擦索2、复位弹簧3、地脚7和摩擦轴8所组成的上述构件。
正常状态下，摩擦索2与摩擦轴8之间因预紧力而产生的摩擦锁死力能够限制因车辆制动荷载引起的梁体与固定墩之间的相对位移，以满足正常使用需求。地震情况下，当梁体的纵向地震荷载大于摩擦索2与摩擦轴8之间的摩擦锁死力时，摩擦索2与摩擦轴8之间发生相对滑动，降低结构的刚度，消耗地震输入给结构的能力，发挥减、隔震作用。同时，限位销起到限制竖向支座6的水平滑动的作用，以保护竖向支座6。地震峰值过后，在地震余能和复位弹簧3的共同作用下，使上部梁体自动复位到初始平衡位置，以便于震害整体加固。
具体控制条件:
为实现以上功能，本发明应满足以下条件：
1)正常使用状态下，为限制梁体与固定墩之间的相对位移，满足正常使用需求，控制条件为
Fe2πnμ＞Pz (1)
2)强震条件下，为对固定墩进行能力保护，控制条件为
k·(F·e2π·n·μ+K·Δx)＜Qmax (2)
k·(F·e2π·n·μ+K·Δx)·h＜Mmax (3)
3)为保护竖向支座
Δ≤Δb (4)
4)为实现震后自复位
F·e2π·n·μ＜K·Δ (5)
其中
F—摩擦索预紧力，kN；
n—摩擦索缠绕的圈数；
μ—摩擦索和摩擦轴之间的摩擦系数；
Pz—车辆制动力，kN。汽车荷载制动力按同向行驶的汽车荷载(不计冲击力)计算，并应按表1的规定，以使桥梁墩台产生最不利纵向力的加载长度进行纵向折减；
K—复位弹簧刚度，kN/m；
Δ—限位销间隙，m；
Δb—竖向支座的允许水平相对位移，m；
Δx—梁体与固定墩纵向相对位移，Δx≤Δ，m；
h—固定墩高度，m；
Qmax—为固定墩的抗剪能力，kN；
Mmax—为固定墩的抗弯能力，kN.m；
k—安全系数，取值范围为1.1～1.5。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内所作的的任何修改、等同变化与修饰，都应视为本发明方案的技术范畴，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.功能分离式自复位摩擦索耗能减震支座，其特征在于：放置在梁体和固定墩之间，设置一个或多个；每个支座的结构如下：地脚固定于固定墩上；摩擦轴固定在两个地脚之间；梁体连接件和限位销固定在梁体上；复位弹簧一端头与梁体连接件连接，另一端与地脚连接；摩擦索在摩擦轴上缠绕若干圈，并施加预紧力后，两端分别连接在连接件上；复位弹簧和摩擦索均与摩擦轴的轴线相互垂直。
2.如权利要求1所述的支座的应用，其特征在于：
正常状态下，摩擦索与摩擦轴之间因预紧力而产生的摩擦锁死力能够限制因车辆制动荷载引起的梁体与固定墩之间的相对位移；；地震情况下，当梁体的纵向地震荷载大于摩擦索与摩擦轴之间的摩擦锁死力时，摩擦索与摩擦轴之间发生相对滑动，降低结构的刚度，消耗地震输入给结构的能力，发挥减、隔震作用；同时，限位销起到限制竖向支座的水平滑动的作用，以保护竖向支座；地震峰值过后，在地震余能和复位弹簧的共同作用下，使上部梁体自动复位到初始平衡位置。
3.如权利要求1所述支座的设计方法，其特征在于具体如下：
1)正常使用状态下，为限制梁体与固定墩之间的相对位移，满足正常使用需求，控制条件为
Fe2πnμ>Pz (1)
2)强震条件下，为对固定墩进行能力保护，控制条件为
k·(F·e2π·n·μ+K·Δx)<Qmax (2)
k·(F·e2π·n·μ+K·Δx)·h<Mmax (3)
3)为保护竖向支座
Δ≤Δb (4)
4)为实现震后自复位
F·e2π·n·μ<K·Δ (5)
其中
F—摩擦索预紧力，kN；
n—摩擦索缠绕的圈数；
μ—摩擦索和摩擦轴之间的摩擦系数；
Pz—车辆制动力，kN；
K—复位弹簧刚度，kN/m；
Δ—限位销间隙，m；
Δb—竖向支座的允许水平相对位移，m；
Δx—梁体与固定墩纵向相对位移，Δx≤Δ，m；
h—固定墩高度，m；
Qmax—为固定墩的抗剪能力，kN；
Mmax—为固定墩的抗弯能力，kN.m；
k—安全系数，取值范围为1.1～1.5。
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