CN106638288A

CN106638288A - 一种耗能减震桥梁支座

Info

Publication number: CN106638288A
Application number: CN201710080235.XA
Authority: CN
Inventors: 杨吉忠; 陶奇; 胡连军; 肖飞知; 冯读贝; 代丰; 郑晓龙; 杨国静
Original assignee: China Railway Eryuan Engineering Group Co Ltd CREEC
Current assignee: China Railway Eryuan Engineering Group Co Ltd CREEC
Priority date: 2017-02-15
Filing date: 2017-02-15
Publication date: 2017-05-10

Abstract

一种耗能抗震桥梁支座，以有效地消除桥墩在固有频段的有害振动，减小高墩墩顶位移、墩身弯矩和应力，从而有效提高桥梁的整体抗震性能。支座包括上支座板、下支座板和位于两者之间的垂向支座结构，上支座板、下支座板分别与梁体、墩体垫石固定连接。所述上支座板、下支座板的外缘分别具有竖向延伸的上挡板、下挡板结构，上挡板、下挡板之间于水平面上设置弹性连接件，弹性连接件的远端、近端分别与上挡板、下挡板固定连接，梁体与支座之间具有最优的连接刚度k_i和连接阻尼c_i。

Description

一种耗能减震桥梁支座

技术领域

本发明涉及桥梁，特别涉及一种耗能抗震桥梁支座。

背景技术

桥梁支座连接桥墩与梁体，在地震中，可以起到延长结构周期、消耗大量地震能量的作用，在桥梁工程中得到了广泛的应用。传统的铅芯橡胶支座对于消除垂向振动作用明显，但其对于水平方向的振动耗能作用有限。摩擦摆支座可以消耗部分横向振动，但水平刚度过低，对于软弱地基或者较柔的桥墩，会降低其减振效果。粘滞阻尼器为一种杆式结构，具有方向性，而地震作用方向事先是无法预知的，同时它不具备回位功能，需要依靠外力作用回位。

在申请号为201310556310.7的发明专利申请说明书中公开了一种环向橡胶阻尼支座，支座承重体的外圈设置有环形橡胶圈，并且环形橡胶圈在密封受约束的条件下工作，能提供水平面内各个方面的刚度和阻尼，但仅采用橡胶圈的阻尼效应来达到抗震耗能的效果。

近年来，动力吸振器是发展得比较成熟的一种被动控制装置，在建筑结构上应用较多。譬如，在申请号为201420319835.9的实用新型专利说明书中公开了一种被动式动力吸振桥墩，利用动力吸振器的原理，在铁路空心高墩桥梁中安装附加质量块，通过质量块的位移耗能。但由于安装空间有限，附加质量块相对于桥墩的质量较小，抗震性能有待提升，且这种抗震方式，必须在墩体上引入一个外部的质量块，通常质量在几十上百吨，其安装施工难度很大。

因此，如何能够保证桥梁支座最大限度地消耗地震能量，同时保证支座结构简化，是目前亟待解决的问题。

传递至桥梁建设场地的主要地震动频率在0.5-10Hz左右，而大多数桥梁高墩的主要共振频率均在这个范围内，在地震激励下，桥墩的主要振动模态将被激起，如果能将桥墩的主要参振模态进行约束或限制，则桥墩的振动位移和应力均会得到削弱。

动力吸振器就是抑制结构共振的装置，于1928年由Ormondroyd与Den Hartog提出，并在机械及土木结构中得到大量应用，也广泛应用于桥梁拉索及梁体的振动控制中。近年来，也有学者(如兰州交通大学陈兴冲教授、同济大学余钱华博士等)提出应用动力吸振器来抑制墩体在地震作用下的振动。众所周知，影响动力吸振器减振效果的主要因素就是附加质量块与结构本体之间的质量比，质量比越大，减振效果越好。由于受墩身安装空间的限制，附加质量较小，抗震效果一直得不到提升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种耗能抗震桥梁支座，以有效地消除桥墩在固有频段的有害振动，减小高墩墩顶位移、墩身弯矩和应力，从而有效提高桥梁的整体抗震性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种耗能减震桥梁支座，支座包括上支座板、下支座板和位于两者之间的垂向支座结构，上支座板、下支座板分别与梁体、墩体垫石固定连接，其特征是：所述上支座板、下支座板的外缘分别具有竖向延伸的上挡板、下挡板结构，上挡板、下挡板之间于水平面上设置弹性连接件，弹性连接件的远端、近端分别与上挡板、下挡板固定连接，梁体与支座之间的连接刚度k_i和连接阻尼c_i为：

式中：M_i为桥墩等效模态质量，m_i为梁体(10)的一半质量，K_i为桥墩模态刚度，K_i＝M_i(2πf_i)²，f_i为墩体的自振频率。

本发明的有益效果是，弹性连接件具有最优的连接刚度和连接阻尼值，使梁体和支座形成一个附加在墩顶的动力吸振器，能够有效耗散地震能量，减小高墩墩顶位移、墩身弯矩和应力，可有效提高桥梁的整体抗震性能；弹性连接件可根据具体情况和需要方便的设置，使之可以消除横桥向或顺桥向、横桥向或顺桥向的振动，以及消除整个在水平面内的振动；垂向支座结构可以沿用现有橡胶支座、铅芯橡胶支座、摩擦摆支座、型钢支座等的主体，仅仅改变其上支座板、下支座板，使之具有档板结构用于安装附加的弹性连接件，因此可有效降低桥梁抗震支座的生产成本。

附图说明

本说明书包括如下六幅附图。

图1是本发明一种耗能减震桥梁支座的结构示意图；

图2是本发明一种耗能减震桥梁支座实施例1的仰视图；

图3是本发明一种耗能减震桥梁支座的结构示意图；

图4是本发明一种耗能减震桥梁支座实施例2的仰视图；

图5是本发明一种耗能减震桥梁支座实施例3的仰视图；

图6是本发明一种耗能减震桥梁支座实施例2的仰视图；

图中示出构件和对应的标记：梁体10，垂向支座结构20，上支座板21，上挡板211，下支座板22，下挡板221，墩体垫石30，弹性连接件40。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参照图1，本发明的一种耗能减震桥梁支座，支座包括上支座板21、下支座板22和位于两者之间的垂向支座结构20，上支座板21、下支座板22分别与梁体10、墩体垫石30固定连接。所述上支座板21、下支座板22的外缘分别具有竖向延伸的上挡板211、下挡板221结构，上挡板211、下挡板221之间于水平面上设置弹性连接件40，弹性连接件40的远端、近端分别与上挡板211、下挡板221固定连接。弹性连接件40由橡胶材料或者高弹阻尼材料制成。

梁体10与支座之间的连接连接刚度k_i和连接阻尼c_i为：

式中：M_i为等效模态质量，m_i为梁体(10)的一半质量，K_i为模态刚度，K_i＝M_i(2πf_i)²，f_i为墩体的自振频率。

模态刚度K_i可以通过如下两种方式确定：

对于尚未开始建设的桥墩，首先建立桥墩的有限元模型，进行模态分析，获得桥墩在纵向和横向的自振频率f_i及对应模态，利用“等效质量法”获得不同模态对应的参振质量，即等效模态质量M_i，该阶模态对应的模态刚度利用公式K_i＝M_i(2πf_i)²获得；

对于已经建设完成的桥墩，可以通过试验模态测试，获得桥墩的自振频率f_i、对应模态及等效模态质量M_i。模态刚度利用公式K_i＝M_i(2πf_i)²获得。

由于弹性连接件具有最优的连接刚度和连接阻尼值，使梁体和支座形成一个附加在墩顶的动力吸振器，能够有效耗散地震能量，减小高墩墩顶位移、墩身弯矩和应力，可有效提高桥梁的整体抗震性能。

参照图1和图3，垂向支座结构20可以沿用现有橡胶支座、铅芯橡胶支座、摩擦摆支座、型钢支座等的主体，仅仅改变其上支座板21、下支座板22，使之具有档板结构用于安装附加的弹性连接件，因此可有效降低桥梁抗震支座的生产成本。

相对于传统减隔震支座，本发明在梁体与墩体之间的水平面内的连接刚度和连接阻尼均存在一个最优值，纵向刚度和阻尼的最优值跟桥梁梁体的纵向参振质量及桥墩的纵向自振频率有关，横向刚度和阻尼的最优值跟桥梁梁体的横向参振质量及桥墩横向自振频率有关，过大或过小，其抗震效果都会受到影响。根据减隔震支座的设计原理，其在水平方向的阻尼越大，对地震的耗散作用越大；其水平方向的刚度越小，其隔震性能越高，但是过小的水平支座刚度，将会引起很大的梁体和墩顶位移，对行车安全造成威胁，这是不被容许的。因此，减隔震支座在水平面内的刚度和阻尼不存在一个最优值。

在实现形式上，本发明可以将梁体与墩体之间的最优连接刚度和连接阻尼与现有支座相结合来实现，即对支座的纵向、横向连接刚度和连接阻尼提出要求，使其符合最优值的需求。在原理上，本发明与减隔震支座有着本质的区别，减隔震支座是通过低刚度隔震和高阻尼吸振的原理，提高桥梁的抗震性能，本发明是利用动力吸振的原理来提高桥墩抗震性能，即通过合理设置梁体与墩体之间的纵向、横向连接刚度和连接阻尼，利用大质量梁体的振动，吸收并储存部分地震能量，进而通过梁体和墩体之间的阻尼消耗掉此部分能量，实现在桥墩自振频率段上梁体的振动相位与墩体振动相位相反，进而提高桥墩承受的弯矩及应力，减小地震对墩体的破坏。

弹性连接件40可根据具体情况和需要方便的设置，使之可以消除横桥向或顺桥向、横桥向或顺桥向的振动，以及消除整个在水平面内的振动。

参照图2，所述上挡板211、下挡板221、弹性连接件40的水平面投影均呈环形，用于消除整个在水平面内的振动。

参照图4，所述上挡板211、下挡板221设置于上支座板21、下支座板22横桥向两侧，弹性连接件40设置于横桥向同侧上挡板211、下挡板221之间，用于消除横桥向的振动。

参照图5，所述上挡板211、下挡板221设置于上支座板21、下支座板22顺桥向两侧，弹性连接件40设置于顺桥向同侧上挡板211、下挡板221之间，用于消除顺桥向的振动。

参照图6，所述上挡板211、下挡板221设置于上支座板21、下支座板22横桥向两侧和纵桥向两侧，弹性连接件40设置于横桥向和顺桥向同侧上挡板211、下挡板221之间，用于消除横桥向和顺桥向的振动。

以上所述只是用图解说明本发明一种耗能减震桥梁支座的一些原理，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

Claims

1.一种耗能减震桥梁支座，支座包括上支座板(21)、下支座板(22)和位于两者之间的垂向支座结构(20)，上支座板(21)、下支座板(22)分别与梁体(10)、墩体垫石(30)固定连接，其特征是：所述上支座板(21)、下支座板(22)的外缘分别具有竖向延伸的上挡板(211)、下挡板(221)结构，上挡板(211)、下挡板(221)之间于水平面上设置弹性连接件(40)，弹性连接件(40)的远端、近端分别与上挡板(211)、下挡板(221)固定连接，梁体(10)与支座之间的连接连接刚度k_i和连接阻尼c_i为：

k_{i} = \frac{1}{{(1 + \frac{m_{i}}{M_{i}})}^{2}} \frac{K_{i}}{M_{i}} m_{i}

c_{i} = 2 m_{i} \sqrt{\frac{K_{i}}{M_{i}}} \sqrt{\frac{3 \frac{m_{i}}{M_{i}}}{8 {(1 + \frac{m_{i}}{M_{i}})}^{3}}}

2.如权利要求1所述的一种耗能减震桥梁支座，其特征是：所述弹性连接件(40)由橡胶材料或者高弹阻尼材料制成。

3.如权利要求1所述的一种耗能减震桥梁支座，其特征是：所述上挡板(211)、下挡板(221)、弹性连接件(40)的水平面投影均呈环形。

4.如权利要求1所述的一种耗能减震桥梁支座，其特征是：所述上挡板(211)、下挡板(221)设置于上支座板(21)、下支座板(22)横桥向两侧，弹性连接件(40)设置于横桥向同侧上挡板(211)、下挡板(221)之间。

5.如权利要求1所述的一种耗能减震桥梁支座，其特征是：所述上挡板(211)、下挡板(221)设置于上支座板(21)、下支座板(22)顺桥向两侧，弹性连接件(40)设置于顺桥向同侧上挡板(211)、下挡板(221)之间。

6.如权利要求1所述的一种耗能减震桥梁支座，其特征是：所述上挡板(211)、下挡板(221)设置于上支座板(21)、下支座板(22)横桥向两侧和纵桥向两侧，弹性连接件(40)设置于横桥向和顺桥向同侧上挡板(211)、下挡板(221)之间。