CN106835947B - 含有粘弹性耗能构件和金属橡胶的悬索桥中央扣多维减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了含有粘弹性耗能构件和金属橡胶的悬索桥中央扣多维减振装置，在弱风荷载或中小震作用下，螺旋桨型耗能装置在主缆带动下在圆筒状钢箱内发生移动，并与钢箱中的粘弹性材料发生摩擦，减小作用对悬索桥主体结构的影响；当其处在强风荷载或大震作用下时，水平方向可能出现较大位移，限位挡板与圆筒状钢箱壁上的环形橡胶垫板接触，带动钢箱绕长方体钢箱支座发生转动，此时作用的部分能量被支座与角钢之间的粘弹性材料吸收，而金属橡胶除消耗部分能量外，还可限制整个中央扣结构发生过大水平位移，并使结构在解除荷载之后得以复位。本发明使中央扣整体具有较好的塑性，减小对悬索桥主体结构的损害。

Description

含有粘弹性耗能构件和金属橡胶的悬索桥中央扣多维减振 装置

技术领域

本发明涉及一种含有粘弹性耗能构件和金属橡胶的悬索桥中央扣多维减振装置，属于土木工程抗风、抗震与减震技术领域。

背景技术

现代悬索桥是由主缆和加劲梁构成的一种柔性缆梁组合体系，在车辆、地震及风载等各种荷载或动力作用下，主缆和加劲梁纵横向都会产生较大的变形甚至扭转，如果缆梁位移不同步，将会使吊索产生弯折损伤，特别是跨中处短吊索，从根本上改善这一问题的重要途径是在主跨跨中设置中央扣，使两者在跨中处相对固定。中央扣除了能改善短吊索的弯折疲劳外，还能减小地震力及制动力作用下加劲梁的位移，提高结构的反对称抗扭刚度从而提高全桥的抗风稳定性，设置中央扣已成为提高悬索桥刚度的有效措施之一。

目前，中央扣已发展有3种设置方式，1在跨中将主缆直接与加劲梁相联结，此联结方式采用较少。2刚性中央扣，用刚性三角桁架将主缆与加劲梁联结，使缆、梁在跨中处相对固定，它由连接主缆的中央扣索夹、连接加劲梁的斜竖杆及跨中加劲梁段组成。3柔性中央扣，即在跨中加设一对或多对斜吊索来增加缆梁纵向约束体系。刚性中央扣及柔性中央扣在中小震作用下能发挥改善短吊索弯折疲劳、提高反对称抗扭刚度从而提高抗风稳定性及减小梁端位移的作用，但在高烈度地震区或风作用较强的地区，采用普通的刚性中央扣和柔性中央扣并不合适，会加强加劲梁-主缆-主塔的动力耦合作用，使加劲梁应力及中央扣构件本身应力大幅增加甚至破坏。我国地处世界上两条大地震带之间，受太平洋板块、印度洋板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分发育，不少地区地震相当活跃，近年来大震不断，而且发震频率相当高，因此，迫切需要一种可以在大震作用下能够有效抗震减震的新型耗能中央扣。

目前桥梁抗震普遍采用能力设计方法进行延性抗震设计，即将结构构件区分成延性构件和能力保护构件，在两者之间建立强度安全等级差异，以确保结构不会发生脆性的破坏模式，与常规的强度设计方法相比，采用能力设计方法设计的抗震结构具有明显的优势。结构延性抗震设计的基本原理是将结构部分构件设计成具有较好的滞回延性，在预期的地震作用下，通过延性构件发生的反复弹塑性变形循环耗散掉大量的地震输入能量，从而保证结构的抗震安全。本发明即从能力设计的角度出发，提出一种含有粘弹性耗能构件和金属橡胶的悬索桥中央扣多维减振装置。

为了提高悬索桥中央扣在高烈度地震作用及较强风作用下的抗震减震效果，本发明提出的带螺旋桨耗能构件与金属橡胶的悬索桥中央扣主要依靠螺旋桨耗能装置(包括T型钢杆、螺旋桨型耗能钢构件及限位挡板)、粘弹性材料及金属橡胶进行抗震减震，其中螺旋桨耗能钢构件的叶片分为3层，每层4个叶片，并在空间设置一定角度，这可以保证耗能钢构件与粘弹性材料充分接触，在作用下被主缆带动发生水平位移、竖直位移及扭转时，螺旋桨耗能构件的叶片与粘弹性材料有较大的接触面积，摩擦消耗较多的能量；粘弹性材料是一种专门用作阻尼层的材料，常用的粘弹性材料可依其基低的不同分为四类：沥青、水溶物、乳胶和环氧树脂，其中都要适当地添加填料和溶剂，本发明中粘弹性材料除了用在圆筒状钢箱内与耗能构件摩擦消耗能量外，还填充于支座与角钢之间，保证中央扣整体塑性耗能。金属橡胶是一种适用性强的多功能性阻尼结构材料，其是由金属丝卷成螺旋形，经过编织，加压成型的金属材料，具有超弹性、高阻尼和性能稳定等特点，本发明中金属橡胶的主要功能是消耗部分能量，限制中央扣整体出现较大位移，并使其在解除作用之后得以复位。

发明内容

本发明给出一种含有粘弹性耗能构件和金属橡胶的悬索桥中央扣多维减振装置，在较弱风荷载或中小震作用下，螺旋桨型耗能装置在主缆带动下在圆筒状钢箱内发生移动，并与钢箱中的粘弹性材料发生摩擦，减小动力作用对悬索桥主体结构的影响；当其处在较强风荷载或大震作用下时，水平方向可能出现较大位移，限位挡板与圆筒状钢箱壁上的环形橡胶垫板接触，带动钢箱绕长方体钢箱支座发生转动，此时动力作用的部分能量被支座与角钢之间的粘弹性材料吸收，而金属橡胶除也能消耗部分能量外，还可限制整个中央扣结构发生过大水平位移，并使结构在解除荷载之后得以复位。本发明的中央扣具有较好的塑性，并且能够复位，可以消耗较多的能量，以解决设置普通的刚性中央扣和柔性中央扣使加劲梁应力及中央扣构件本身应力大幅增加甚至破坏的问题，减小对悬索桥主体结构的损害。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

含有粘弹性耗能构件和金属橡胶的悬索桥中央扣多维减振装置，该减振装置包括钢丝绳1、复位弹簧2、螺旋桨型耗能装置3、环形橡胶垫板4、粘弹性材料5、开口向下的长方体钢箱支座6、圆筒状钢箱7、L型角钢8、外置高强度螺栓9、预埋高强螺栓10、圆柱状金属橡胶11。螺旋桨耗能装置3通过钢丝绳1与悬索桥主缆13固定在一起，通过螺旋桨耗能装置3在粘弹性材料5中进行多维运动以及圆柱状金属橡胶11的超弹性耗能能力降低悬索桥中央扣和悬索桥主体的动力响应并提高桥梁整体的抗震性能和安全性。

螺旋桨耗能装置被置于盛有粘弹性材料5的圆筒状钢箱7内，在弱风荷载或中小震作用下，T型钢杆被悬索桥主缆的带动，使螺旋桨型耗能钢构件在粘弹性材料5中发生水平位移、竖向位移及扭转，耗能钢构件叶片的空间布置方式使其与粘弹性材料5充分接触，由于悬索桥主缆13的拉动及自身尺寸的限制，耗能钢构件不与圆筒状钢箱7直接接触，在粘弹性材料5中处于“悬浮”状态，因此在随主缆发生位移时与粘弹性材料5摩擦，消耗较多能量，以减小对主体结构的影响。

悬索桥中央扣承受的荷载分为弱风荷载或强风荷载；悬索桥中央扣承受的震动分为中小震或大震；

在强风荷载或大震作用下，为防止螺旋桨型耗能钢构件由于过大位移与圆筒状钢箱7内壁发生碰撞，破坏钢构件，在钢构件上方设置限位挡板。在圆柱状钢箱7内壁限位挡板高度上贴有环形橡胶垫板4，以防在大震作用下耗能装置对钢箱产生较强的冲击作用，保护整体结构。

在限位挡板上方T型钢杆上，均匀布置多个复位弹簧2，联结螺旋桨耗能装置与圆柱状钢箱7，以限制悬索桥主缆13在作用下发生较大位移，并使作用解除之后螺旋桨耗能装置能够复位。

圆筒状钢箱7通过外置高强度螺栓9固定在开口向下的长方体钢箱支座6上，开口向下的长方体钢箱支座6与L型角钢8之间填充粘弹性材料5并用外置高强度螺栓9固定，L型角钢8与悬索桥桥面12通过预埋高强螺栓10联结。开口向下的长方体钢箱支座6与悬索桥桥面12之间留有间隙，保证在强风荷载或大震作用下长方体钢箱支座6挤压粘弹性材料5，发生平动以及转动，使中央扣整体发生塑性变形，以消耗部分振动能量。

圆柱状金属橡胶11预埋在悬索桥桥面12中一定的长度，并在垂直桥面上的预设计位置布置。长方体钢箱支座6沿高度方向上钻有小孔，钢丝绳1通过小孔把圆柱状金属橡胶11的顶部与长方体钢箱支座6绑扎在一起。当悬索桥处在强风荷载或大震作用下时，圆柱状金属橡胶11发挥其超弹性、高阻尼和性能稳定等的特点，限制开口向下的长方体钢箱支座6的位移，并消耗部分的能量。当作用解除之后，圆柱状金属橡胶11则使长方体钢箱支座6得以复位。

本发明的中央扣装配化程度较高，方便安装和更换，当作用较强造成结构某一部分发生破坏时，可以对此部分及时进行更换，不影响整体结构的完整性及性能。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明的螺旋桨型耗能装置中，螺旋桨型耗能钢构件的叶片有多层，且每层有多个叶片，并在空间设置一定角度，这可以保证耗能构件与粘弹性材料充分接触，消耗较多的能量。

2)本发明中央扣开口向下的长方体钢箱支座与圆柱状钢箱通过外置高强螺栓联结在一起，L型角钢则与悬索桥桥面通过预埋高强螺栓联结，然后与中央扣的底座用外置高强螺栓联结，且中间填充粘弹性材料，保证较强作用下中央扣整体发生塑性变形，消耗能量。

3)本发明中在混凝土中预埋多根实心圆柱形金属橡胶，并与开口向下的长方体钢箱支座通过钢丝绳绑扎在一起，在较强的作用下，金属橡胶可以限制结构整体发生过大位移，并且在作用解除时，使结构能够及时复位。

4)本发明的中央扣装配化程度较高，当作用较强造成结构某一部分发生破坏时，可以对此部分及时进行更换，不影响整体功能。

5)本发明主要由螺旋桨耗能装置、粘弹性材料、金属橡胶等组成，其在较弱风荷载或小震作用下，螺旋桨型耗能装置被主缆带动在粘弹性材料中发生水平移动、竖向移动及扭转，使粘弹性材料耗能，达到减小中央扣动力响应的效果；当其处在较强风荷载或中震和大震作用下时，水平方向可能出现较大位移，限位挡板与圆筒状钢箱壁上的环形橡胶垫板接触，带动钢箱绕长方体钢箱支座发生转动，此时能量中的一部分被支座与角钢之间的粘弹性材料吸收，另一部分能量被金属橡胶消耗，从而限制整个中央扣结构发生过大水平位移，并使结构在解除荷载之后得以复位。

附图说明

图1为本发明含有粘弹性耗能构件和金属橡胶的悬索桥中央扣多维减振装置竖向剖面图。

图2为本发明悬索桥中央扣A-A截面剖面图。

图3为本发明悬索桥中央扣B-B截面剖面图。

图4为本发明悬索桥中央扣C-C截面剖面图。

图5为本发明悬索桥中央扣底部支座左视图。

图6为本发明中央扣在悬索桥中位置示意图。

图中：1-钢丝绳、2-复位弹簧、3-螺旋桨耗能装置、4-环形橡胶垫板、5-粘弹性材料、6-开口向下的长方体钢箱支座、7-圆筒状钢箱、8-L型角钢、9-外置高强度螺栓、10-预埋高强螺栓、11-圆柱状金属橡胶、12-悬索桥桥面、13-悬索桥主缆。

具体实施方式

实施例1：

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，含有粘弹性耗能构件和金属橡胶的悬索桥中央扣多维减振装置包括：钢丝绳1、复位弹簧2、螺旋桨耗能装置3、环形橡胶垫板4、粘弹性材料5、开口向下的长方体钢箱支座6、圆筒状钢箱7、L型角钢8、外置高强度螺栓9、预埋高强螺栓10、圆柱状金属橡胶11。

以一座自锚式双索面预应力混凝土悬索桥为例，该桥主缆跨径组合为(40+100+40)m，矢跨比为1/5，最短吊索为4.16m。中央扣各部位尺寸及设置方式如下：

1)带螺旋桨的耗能装置包括T型钢杆、螺旋桨型耗能钢构件和限位挡板选用钢材为Q345，三部分经过焊接构成耗能装置整体，整体高度为2m，用6mm×61mm钢丝绳与悬索桥主缆联结，随主缆在作用下发生水平位移、竖直位移及扭转。限位挡板主要作用是防止产生较大位移时螺旋桨型耗能钢构件与圆筒状钢箱(选用钢材为Q345，底面直径为0.6m，高为1.5m)发生碰撞损坏构件，螺旋桨型耗能钢构件的作用是与粘弹性材料发生摩擦消耗能量。螺旋桨耗能装置与圆筒状钢箱之间均匀布置4个复位弹簧，弹簧采用耐疲劳合金，限制耗能装置位移并使其在作用解除时能够复位。

2)开口向下的长方体钢箱支座选用Q345钢材，尺寸为0.5×0.5×1m，与L型角钢及圆筒状钢箱通过强度等级为10.9级的外置高强度螺栓联结，支座底部距悬索桥桥面距离为10cm，保证结构整体可以发生塑性变形，且支座与角钢之间填充有粘弹性材料，在较大的作用下消耗能量。L型角钢选用钢材为Q345，通过强度等级为12.9级的预埋高强螺栓固定于悬索桥桥面上，各部位在较强作用发生破坏时可以更换。

3)金属橡胶是一种适用性强的多功能性阻尼结构材料，由金属丝卷成螺旋形，经过编织，加压成型的金属材料，具有高弹性、高阻尼、重量轻、环境适应性强、孔隙度可控、易于成型、热机械性能好等特点。本发明所用圆柱状金属橡胶，直径为0.2m，高为1.2m，预埋在悬索桥桥面中的高度为0.3m，上部通过6×61钢丝绳绑扎在预留孔洞的开口向下的长方体钢箱支座。金属橡胶分布在钢支座4个面的边缘位置，即共设置8根圆柱状金属橡胶，其主要作用是限制作用产生的较大位移，并使作用解除后底座能够复位。

4)粘弹性材料是一种专门用作阻尼层的材料，常用的粘弹性材料可依其基低的不同分为四类：沥青、水溶物、乳胶和环氧树脂，其中都要适当地添加填料和溶剂，本发明中粘弹性材料可以用新型硅橡胶材料，除了用在圆筒状钢箱内与耗能构件摩擦耗能外，还填充于支座与角钢之间，保证中央扣整体可以发生塑性耗能。

5)上述的带螺旋桨的耗能装置(包括T型钢杆、螺旋桨型耗能钢构件和限位挡板)、圆筒状钢箱及开口向下的长方体钢箱支座等部分可在工厂预制拼装好，待圆柱状金属橡胶及预埋高强螺栓在指定位置预埋好后，将这些拼装好的装置运送到施工现场，在指定位置安装，最后在圆筒状钢箱中放入粘弹性材料，既节省施工时间，又能降低施工成本。

以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。

Claims (3)

1.含有粘弹性耗能构件和金属橡胶的悬索桥中央扣多维减振装置，其特征在于：该减振装置包括钢丝绳(1)、复位弹簧(2)、螺旋桨型耗能装置(3)、环形橡胶垫板(4)、粘弹性材料(5)、开口向下的长方体钢箱支座(6)、圆筒状钢箱(7)、L型角钢(8)、外置高强度螺栓(9)、预埋高强螺栓(10)、圆柱状金属橡胶(11)；螺旋桨耗能装置(3)通过钢丝绳(1)与悬索桥主缆(13)固定在一起，通过螺旋桨耗能装置(3)在粘弹性材料(5)中进行多维运动以及圆柱状金属橡胶(11)的超弹性耗能能力降低悬索桥中央扣和悬索桥主体的动力响应并提高桥梁整体的抗震性能和安全性；

螺旋桨耗能装置被置于盛有粘弹性材料(5)的圆筒状钢箱(7)内，在弱风荷载或中小震作用下，T型钢杆被悬索桥主缆的带动，使螺旋桨型耗能钢构件在粘弹性材料(5)中发生水平位移、竖向位移及扭转，耗能钢构件叶片的空间布置方式使其与粘弹性材料(5)充分接触，由于悬索桥主缆(13)的拉动及自身尺寸的限制，耗能钢构件不与圆筒状钢箱(7)直接接触，在粘弹性材料(5)中处于“悬浮”状态，因此在随主缆发生位移时与粘弹性材料(5)摩擦，消耗较多能量，以减小对主体结构的影响；

悬索桥中央扣承受的荷载分为弱风荷载或强风荷载；悬索桥中央扣承受的震动分为中小震或大震；

在强风荷载或大震作用下，为防止螺旋桨型耗能钢构件由于过大位移与圆筒状钢箱(7)内壁发生碰撞，破坏钢构件，在钢构件上方设置限位挡板；在圆柱状钢箱(7)内壁限位挡板高度上贴有环形橡胶垫板(4)，以防在大震作用下耗能装置对钢箱产生较强的冲击作用，保护整体结构；

在限位挡板上方T型钢杆上，均匀布置多个复位弹簧(2)，联结螺旋桨耗能装置与圆柱状钢箱(7)，以限制悬索桥主缆(13)在作用下发生较大位移，并使作用解除之后螺旋桨耗能装置能够复位；

圆筒状钢箱(7)通过外置高强度螺栓(9)固定在开口向下的长方体钢箱支座(6)上，开口向下的长方体钢箱支座(6)与L型角钢(8)之间填充粘弹性材料(5)并用外置高强度螺栓(9)固定，L型角钢(8)与悬索桥桥面(12)通过预埋高强螺栓(10)联结；开口向下的长方体钢箱支座(6)与悬索桥桥面(12)之间留有间隙，保证在强风荷载或大震作用下长方体钢箱支座(6)挤压粘弹性材料(5)，发生平动以及转动，使中央扣整体发生塑性变形，以消耗部分振动能量。

2.根据权利要求1所述的含有粘弹性耗能构件和金属橡胶的悬索桥中央扣多维减振装置，其特征在于：圆柱状金属橡胶(11)预埋在悬索桥桥面(12)中一定的长度，并在垂直桥面上的预设计位置布置。

3.根据权利要求1所述的含有粘弹性耗能构件和金属橡胶的悬索桥中央扣多维减振装置，其特征在于：长方体钢箱支座(6)沿高度方向上钻有小孔，钢丝绳(1)通过小孔把圆柱状金属橡胶(11)的顶部与长方体钢箱支座(6)绑扎在一起。