CN107012787B - 一种利用多级配颗粒填充限位的连续梁桥抗震自锁支座 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用多级配颗粒填充限位的连续梁桥抗震自锁支座，该支座包含上连接板、支座主体、橡胶垫层、盆型底板、水平触发板连接件、水平触发板、环形挡板、固定柱、多级配颗粒、环形斜挡板、水平挡板、垫块、竖向隔板、螺栓、带孔垫板、转轴、下连接板。正常使用时，水平挡板搭接在水平触发板上，多级配颗粒位于颗粒容器内，支座主体与橡胶垫层之间可以自由滑动，满足梁墩温度变位的需求；地震发生时，梁体与滑动墩的相对位移超过设定的阈值时，水平挡板从水平触发板上脱离并向下转动，位于颗粒容器内的多级配颗粒落入支座主体与盆型底板之间的缝隙内，限制梁体和桥墩的相对位移，达到滑动墩和固定墩协同受力的目的。

Description

一种利用多级配颗粒填充限位的连续梁桥抗震自锁支座

技术领域

本发明涉及一种利用多级配颗粒填充限位的连续梁桥抗震自锁支座，适合安装在多跨连续梁桥桥墩和梁体的连接处，属于桥梁抗震技术领域。

背景技术

支座是连续梁桥中连接桥墩和桥面板的联系构件，其力学性能和约束条件显著影响桥梁的整体性能。为满足温度荷载作用下连续梁桥梁墩之间的变位需要，通常只选择一个支座进行水平方向的约束，从而形成固定支座，而其他支座均为铰接状态。在此状态下，安有固定支座的桥墩被称为固定墩，是主要受力构件，其他桥墩均被称为滑动墩。上述传统形式在正常运营状态下是满足承载力要求的。但当地震发生时，固定墩将承受主要的地震作用，其他滑动墩的抗震能力得不到充分发挥，从而导致固定墩可能迅速破坏，最终影响桥梁整体的抗震能力和安全性。为了降低连续梁桥的地震响应，提高连续梁桥的抗震性能，通常在连续梁桥中采用减隔震支座和阻尼器等减震装置，如铅芯橡胶支座、粘滞阻尼器等。但上述方案仍然没有改变地震作用下连续梁桥固定墩单独承受地震横向作用的状态，达不到滑动墩和固定墩协同受力的效果，其实际减震性能偏低且仍存在安全隐患。

为了实现温度效应下连续梁桥梁墩允许相对滑移，地震发生时各墩又能够协同受力的目的，有些学者提出了能够在地震作用下滑动转固定的支座形式，比如在传统支座上加装速度锁定器、位移限位装置。速度锁定器即Lock-up装置，与液体黏滞阻尼器具有相同的组成部分，在高速的地震作用或制动力下，速度锁定器会产生较大的阻尼力，而仅发生较小的位移，此时装置提供较大阻尼，类似于锁死。该装置成本高昂，后期的检查与维护烦杂，运营及维护成本高，存在锁定效率问题。位移限位装置，即在桥墩上设置位移限位装置限制墩梁相对滑动位移，一些学者提出了基于加速度激活的位移限位支座，使得发生地震时，支座自动位移锁定，由滑动转为固结。这种支座结构简单、成本低、便于维护和保养，但存在正常状态下的误激活问题以及锁定后空隙间的碰撞问题，其实用性尚需提高。

有鉴于此，为了改进传统自锁支座的不足，本发明提出了一种利用多级配颗粒填充限位的连续梁桥抗震自锁支座，该装置主要由上连接板、支座主体、橡胶垫层、盆型底板、水平挡板、颗粒容器、多级配颗粒、水平触发板、下连接板组成。通过调节水平触发板与水平挡板的搭接长度设定位移阈值。正常使用时，水平挡板搭接在水平触发板上，多级配颗粒位于颗粒容器内，支座主体与橡胶垫层之间可以自由滑动，满足梁墩温度变位的需求；地震发生时，梁体与滑动墩的相对位移超过设定的阈值时，水平挡板从水平触发板上脱离并向下转动，位于颗粒容器内的多级配颗粒落入支座主体与盆型底板之间的缝隙内，限制梁体和墩的相对位移，达到滑动墩和固定墩协同受力的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用多级配颗粒填充限位的连续梁桥抗震自锁支座，在运营状态时，支座为滑动支座可以满足温度作用导致的梁墩相对滑动的需求，地震作用下，支座自动转换为固定支座，限制梁体和滑动墩的相对位移，使连续梁桥各墩协同受力，从而提高连续梁桥的抗震能力。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种利用多级配颗粒填充限位的连续梁桥抗震自锁支座，该抗震自锁支座包括上连接板(1)、支座主体(2)、橡胶垫层(3)、盆型底板(4)、水平触发板连接件(5)、水平触发板(6)、环形挡板(7)、固定柱(8)、多级配颗粒(9)、环形斜挡板(10)、水平挡板(11)、垫块(12)、竖向隔板(13)、螺栓(14)、带孔垫板(15)、转轴(16)、下连接板(17)。支座主体(2)通过上连接板(1)固定于梁体(18)的底部，盆型底板(4)通过下连接板(17)固定于墩(19)的顶部，橡胶垫层(3)固定于盆型底板(4)中部，水平挡板(11)通过转轴(16)与环形挡板(7)相连，环形挡板(7)、环形斜挡板(10)、水平挡板(11)和竖向隔板(13)连接组成颗粒容器，颗粒容器通过固定柱(8)固定于盆型底板(4)上方，多级配颗粒(9)位于颗粒容器内；水平触发板(6)的一端穿过垫块(12)的上部并与水平挡板(11)搭接，螺栓(14)穿过带孔垫板(15)后将水平触发板(6)固定在水平触发板连接件(5)的底部，水平触发板(6)的另一端通过水平触发板连接件(5)固定于上连接板(1)上，垫块(12)固定于盆型底板(4)上部。正常使用时，水平挡板(11)搭接在水平触发板(6)上，多级配颗粒(9)位于颗粒容器内，支座主体(2)与橡胶垫层(3)之间自由滑动，满足梁墩温度变位的需求；地震发生时，梁体(18)与墩(19)的相对位移超过设定阈值时，水平挡板(11)从水平触发板(6)上脱离并向下转动，位于颗粒容器内的多级配颗粒(9)落入支座主体(2)与盆型底板(4)之间的缝隙内，限制梁体(18)和墩(19)的相对位移，达到滑动墩和固定墩协同受力的目的。

支座主体(2)通过上连接板(1)固定于梁体底部，盆型底板(4)通过下连接板(17)固定于滑动墩顶部，在支座主体(2)和盆型底板(4)之间设置橡胶垫层(3)，起缓冲竖向地震力的作用，支座主体(2)与橡胶垫层(3)之间涂有聚四氟乙烯或硅脂等润滑剂以减小温度作用下梁体(18)与墩(19)相对滑移时的摩擦力。

多级配颗粒(9)位于颗粒容器内，环形斜挡板(10)设有坡度，使多级配颗粒(9)在重力作用下能够下落到颗粒容器底部，竖向隔板(13)用以将颗粒容器分割成不同的空间。

多级配颗粒(9)内的颗粒材料弹性模量不低于100Mpa，多级配颗粒(9)由至少两种以上不同粒径的颗粒组成，其中最大粒径不超过50mm、最小粒径不低于1mm，且颗粒容器内的多级配颗粒(9)的总体积要大于盆型底板(4)与支座主体(2)之间空隙的总体积，以使在地震发生时多级配颗粒(9)能够充分填充盆型底板(4)与支座主体(2)之间的空隙，限制梁体(18)和墩(19)的相对滑移，又不影响梁体(18)和墩(19)之间的相对转动，进而达到滑动墩和固定墩协同受力，提高连续梁桥抗震能力。

盆型底板(4)的内壁与支座主体(2)的外壁有一定的夹角，范围在0～45度之间，以使地震发生时，颗粒容器中的多级配颗粒(9)落入盆型底板(4)和支座主体(2)之间的缝隙，多级配颗粒(9)与支座主体(2)和盆型底板(4)紧密接触，支座主体(2)和盆型底板(4)在地震中不出现刚性碰撞。

水平触发板(6)穿过垫块(12)上部与水平挡板(11)搭接，通过调节搭接长度设定位移阈值，其中设定的位移阈值等于墩(19)高的1/800～1/50。

在震后修复工作中，若支座主体(2)和盆型底板(4)没有破坏，仅多级配颗粒(9)屈服的情况下只需更换多级配颗粒(9)，并重新调整位移阈值，支座即可继续使用。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、正常使用时，梁体和滑动墩之间可以自由滑动，满足温度荷载引起的变位需求；地震作用下限制梁体和滑动墩的相对位移，使得滑动墩变为固定墩，起到合理分配梁体惯性力的作用，使连续梁各桥墩在地震作用下协同受力。本发明能够在地震发生时通过多级配颗粒下沉及填充促使支座从滑动状态迅速转变为固接状态，且不影响支座转动，从而自动锁定梁体和桥墩的相对位移，使所有桥墩协同承受地震作用，提高连续梁桥的抗震能力。

2、在地震作用导致的梁墩相对位移达到所设定的阈值后，多级配颗粒下落，限制了梁墩相对位移的增大，可以防止落梁现象的发生。

3、地震作用下梁墩之间超过设定的位移阈值，多级配颗粒卡死后，梁体和滑动墩之间既可以协同受力，又不会产生碰撞。

4、本支座采用位移激活的方式限制梁墩的相对位移，相对于加速度激活的方式，可以避免在正常使用车载作用时误锁定情况的发生，实用性强。

5、可以通过对颗粒强度的设计，达到地震作用下多级配颗粒屈服耗能目的。

6、支座主体和盆型底板之间设置橡胶垫层可以起到缓冲竖向地震力的作用；支座主体与橡胶垫层之间涂润滑剂，保证不对正常使用状况下梁体的纵向变形产生约束。

7、本支座构造简单、施工方便，耐久性好，便于检查和维护，成本相对于粘滞阻尼器及lock-up装置等大为降低，在震后修复工作中，若支座主体和盆型底板没有破坏，仅多级配颗粒屈服的情况下只需简单更换多级配颗粒，并重新调整位移阈值后，支座即可继续使用，维修简单。

附图说明

图1为本发明支座的剖视图。

图2为本发明支座的立体示意图。

图3为本发明支座的分解图。

图4为本发明支座颗粒容器构成示意图。

图5为本发明支座触发装置示意图。

图6为地震发生时本发明支座状态示意图。

图7为本发明支座用在实施例中时桥梁的总体外观图

图中：1－上连接板、2－支座主体、3－橡胶垫层、4－盆型底板、5－水平触发板连接件、6－水平触发板、7－环形挡板、8－固定柱、9－多级配颗粒、10－环形斜挡板、11－水平挡板、12－垫块、13－竖向隔板、14－螺栓、15－带孔垫板、16－转轴、17－下连接板、18－梁体、19－墩。

具体实施方式

以下结合实施例及附图作进一步详述，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，一种利用多级配颗粒填充限位的连续梁桥抗震自锁支座的实施例，其主要包括：上连接板1、支座主体2、橡胶垫层3、盆型底板4、水平触发板连接件5、水平触发板6、环形挡板7、固定柱8、多级配颗粒9、环形斜挡板10、水平挡板11、垫块12、竖向隔板13、螺栓14、带孔垫板15、转轴16、下连接板17。

对于北京某3跨预应力连续梁桥，位于8度抗震设防区，在主梁和桥墩之间安装该利用多级配颗粒填充限位的连续梁桥抗震自锁支座。经有限元分析计算得到温度作用下该连续梁桥的梁墩相对位移可以达到3cm，地震作用下梁墩相对位移最大为15cm。

实施步骤如下：

1)上连接板、支座主体、盆型底板、下连接板均采用Q345钢，盆型底板的内壁的向外倾斜角度为5度，采用焊接的方式，将盆型底板通过下连接板固定于滑动墩顶部，橡胶垫层固定于盆型底板中部，垫块焊接在盆型底板上部。

2)将环形挡板、环形斜挡板、水平挡板、转轴和竖向隔板通过焊接的方式连接组成颗粒容器。环形斜挡板的倾斜角度为30度。

3)采用焊接的方式将颗粒容器通过固定柱连接在盆型底板的上部。

4)将支座主体和水平触发板连接件与上连接板焊接连接，在橡胶垫层顶部和支座主体底部涂润滑剂后将支座主体放置在橡胶垫层上，使支座主体与盆型底板之间的最小空隙为4cm。

5)将水平触发板通过螺栓和带孔垫板连接在水平触发板连接件底部并穿过垫块上部与水平挡板搭接。通过调节搭接长度设置位移阈值为6cm。

6)多级配颗粒采用Q235钢球和沙石，颗粒的最大粒径为3cm。将颗粒容器底部放满钢球后，用钢球和砂石的混合物将颗粒容器填满。

正常使用时，如图1和图5所示，水平挡板搭接在水平触发板上，多级配颗粒位于颗粒容器内，支座主体与橡胶垫层之间可以自由滑动，以满足温度作用下的梁墩变位需求；地震发生时，梁体与滑动墩的相对位移超过设定的阈值时，水平挡板从水平触发板上脱离并向下转动，位于颗粒容器内的多级配颗粒落入支座主体与盆型底板之间的缝隙内，如图6所示，限制梁体和墩的相对位移，使滑动墩和固定墩协同承受地震作用。图7为安装本发明支座后的连续梁桥总体示意图。

通过有限元计算采用传统一个固定支座多个滑动支座和本发明支座后的减震效果可知，采用本发明支座后，地震作用下的梁底最大弯矩减震率为53％，梁底最大剪力减震率为50％，梁顶位移减震率为51％，减震效果明显。

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 (7)

1.一种利用多级配颗粒填充限位的连续梁桥抗震自锁支座，其特征在于：该抗震自锁支座包括上连接板(1)、支座主体(2)、橡胶垫层(3)、盆型底板(4)、水平触发板连接件(5)、水平触发板(6)、环形挡板(7)、固定柱(8)、多级配颗粒(9)、环形斜挡板(10)、水平挡板(11)、垫块(12)、竖向隔板(13)、螺栓(14)、带孔垫板(15)、转轴(16)、下连接板(17)；支座主体(2)通过上连接板(1)固定于梁体(18)的底部，盆型底板(4)通过下连接板(17)固定于墩(19)的顶部，橡胶垫层(3)固定于盆型底板(4)中部，水平挡板(11)通过转轴(16)与环形挡板(7)相连，环形挡板(7)、环形斜挡板(10)、水平挡板(11)和竖向隔板(13)连接组成颗粒容器，颗粒容器通过固定柱(8)固定于盆型底板(4)上方，多级配颗粒(9)位于颗粒容器内；水平触发板(6)的一端穿过垫块(12)的上部并与水平挡板(11)搭接，螺栓(14)穿过带孔垫板(15)后将水平触发板(6)固定在水平触发板连接件(5)的底部，水平触发板(6)的另一端通过水平触发板连接件(5)固定于上连接板(1)上，垫块(12)固定于盆型底板(4)上部；正常使用时，水平挡板(11)搭接在水平触发板(6)上，多级配颗粒(9)位于颗粒容器内，支座主体(2)与橡胶垫层(3)之间自由滑动，满足梁墩温度变位的需求；地震发生时，梁体(18)与墩(19)的相对位移超过设定阈值时，水平挡板(11)从水平触发板(6)上脱离并向下转动，位于颗粒容器内的多级配颗粒(9)落入支座主体(2)与盆型底板(4)之间的缝隙内，限制梁体(18)和墩(19)的相对位移，达到滑动墩和固定墩协同受力的目的。

2.根据权利要求1所述的一种利用多级配颗粒填充限位的连续梁桥抗震自锁支座，其特征在于：支座主体(2)通过上连接板(1) 固定于梁体底部，盆型底板(4)通过下连接板(17)固定于滑动墩顶部，在支座主体(2)和盆型底板(4)之间设置橡胶垫层(3)，起缓冲竖向地震力的作用，支座主体(2)与橡胶垫层(3)之间涂有聚四氟乙烯或硅脂以减小温度作用下梁体(18)与墩(19)相对滑移时的摩擦力。

3.根据权利要求1所述的一种利用多级配颗粒填充限位的连续梁桥抗震自锁支座，其特征在于：多级配颗粒(9)位于颗粒容器内，环形斜挡板(10)设有坡度，使多级配颗粒(9)在重力作用下能够下落到颗粒容器底部，竖向隔板(13)用以将颗粒容器分割成不同的空间。

4.根据权利要求1所述的一种利用多级配颗粒填充限位的连续梁桥抗震自锁支座，其特征在于：多级配颗粒(9)内的颗粒材料弹性模量不低于100Mpa，多级配颗粒(9)由至少两种以上不同粒径的颗粒组成，其中最大粒径不超过50mm、最小粒径不低于1mm，且颗粒容器内的多级配颗粒(9)的总体积要大于盆型底板(4)与支座主体(2)之间空隙的总体积，以使在地震发生时多级配颗粒(9)能够充分填充盆型底板(4)与支座主体(2)之间的空隙，限制梁体(18)和墩(19)的相对滑移，又不影响梁体(18)和墩(19)之间的相对转动，进而达到滑动墩和固定墩协同受力，提高连续梁桥抗震能力。

5.根据权利要求1所述的一种利用多级配颗粒填充限位的连续梁桥抗震自锁支座，其特征在于：盆型底板(4)的内壁与支座主体(2)的外壁设有0～45度的夹角，当地震发生时，颗粒容器中的多级配颗粒(9)落入盆型底板(4)和支座主体(2)之间的缝隙，多级配颗粒(9)与支座主体(2)和盆型底板(4)紧密接触，支座主体(2)和盆型底板(4)在地震中不出现刚性碰撞。

6.根据权利要求1所述的一种利用多级配颗粒填充限位的连续梁桥抗震自锁支座，其特征在于：水平触发板(6)穿过垫块(12)上部与水平挡板(11)搭接，通过调节搭接长度设定位移阈值，其中设定的位移阈值等于墩(19)高的1/800～1/50。

7.根据权利要求1所述的一种利用多级配颗粒填充限位的连续梁桥抗震自锁支座，其特征在于：在震后修复工作中，若支座主体(2)和盆型底板(4)没有破坏，仅多级配颗粒(9)屈服的情况下只需更换多级配颗粒(9)，并重新调整位移阈值，支座即可继续使用。