CN107938502B - 一种桥梁用三级隔振耗能支座 - Google Patents

Abstract

本发明提供的桥梁用三级隔振耗能支座通过设置上部耗能+中部耗能+下部耗能，从而构成三级耗能，提高了减振效果；通过在上部耗能减振结构和下部耗能减振机构中分别设置正弦曲面和余弦曲面的滑动面，实现了正余弦曲面的配合，提高了减振作用的区间和工作性能，在U形耗能金属板上设置约束弹簧和碳纤维布，对U形耗能金属板的位移进行了约束，提高了U形耗能金属板的变形能力，从而增加了支座对地震、振动位移的适应能力。

Description

一种桥梁用三级隔振耗能支座

技术领域：本发明涉及一种减振耗能装置，更具体而言，是涉及一种桥梁用三级隔振耗能支座。

背景技术：振动问题或震动问题是桥梁工程面临的主要问题，对于桥梁而言，由于荷载的作用，结构往往会发生变形，对于动荷载而言，往往会引起桥梁结构的局部振动，对于地震，尤其是地震区的桥梁工程而言，震动引起的桥梁结构变形更为严重。当这些振动或震动引起较大的位移时，往往导致结构发生损坏破坏，影响结构使用。当位移较小时，由于往复的振动或震动，也会引起桥梁结构，如混凝土结构、钢筋混凝土结构或钢结构的结构疲劳，影响结构使用寿命，而且一旦振动或震动频率等于或接近结构的固有频率，也有可能导致结构共振，严重影响结构使用寿命。

对于桥梁结构的减振耗能结构，目前已经有较多的研究成果，也形成一批有特色的阻尼减振或减震装置，这种装置中多以耗能减震或减振作为出发点，采用耗能元件进行耗能。例如采用摩擦减振支座，构建滑动摩擦面，通过形成滑动摩擦，进行能量耗减，减小震动或振动引起的能量；或者采用记忆合金等耗能金属，利用耗能金属变形进行耗能减振或减震。这些耗能形式大都是一级耗能，只进行一次能量消耗，对结构变形的适应性能受耗能机构的原始约束较大，一旦结构投入运用，其使用的振动区间往往有限，难以适应较宽的工作范围。

发明内容：本发明提供一种桥梁用三级隔振耗能支座，包括上部减振耗能机构、中部减振耗能元件以及下部减振耗能机构，所述上部减振耗能机构、所述下部减振耗能机构分别与桥梁主梁和桥墩连接，其特征在于：所述上部减振耗能机构包括第一上座板和第一下座板，所述第一上座板与第一下座板滑动配合，且滑动配合面为正弦曲线面，通过第一上座板与第一下座板之间的滑动形成一级耗能，所述第一下座板底板上还延伸设置有第一限位板，所述第一限位板设置有两个，分别位于第一下座板两侧，且高度均高于第一下座板的侧边高度，第一限位板与第一上座板之间均设置第一弹簧，所述第一弹簧对第一上座板起限位作用；

所述下部减振耗能机构包括第二上座板和第二下座板，所述第二上座板与第二下座板滑动配合，且滑动配合面为余弦曲线面，通过第二上座板与第二下座板之间的滑动形成二级耗能，所述第二下座板底板上还延伸设置有第二限位板，所述第二限位板设置有两个，分别位于第二下座板两侧，且高度均高于第二下座板的侧边高度，第二限位板与第二上座板之间均设置第二弹簧，所述第二弹簧对第二上座板起限位作用；

所述中部减振耗能元件包括多组U形耗能金属板，所述每组U形耗能金属板均包括相对设置的两个U形耗能金属板，所述两个U形耗能金属板均设置在上部减振耗能机构与下部减振耗能机构之间，且U形耗能金属板的上板、下板均通过固定件分别于第一下座板和第二上座板固定连接，所述每组U形耗能金属板中相对的U形部之间设置有两根第三弹簧，所述U形耗能金属板对称设置，且每侧的相邻的U形耗能金属板之间均间隔设置有多条碳纤维布，通过碳纤维布与第三弹簧，对变形后的U形耗能金属板进行限位约束，所述U形耗能金属板与第三弹簧、碳纤维布组合形成了三级耗能，从而实现结构的三级耗能。

作为优选，所述正弦曲线面、所述余弦曲线面均只包含一个波长，所述第一上座板、第一下座板以及第二上座板与第二下座板之间的滑动配合可以选择为滑轨与滑槽的配合，通过滑轨与滑槽的配合实现摩擦耗能，或者所述所述第一上座板、第一下座板以及第二上座板与第二下座板之间的滑动配合选择为摩擦面贴合，通过设置在上下结构上的摩擦面实现上下结构的滑动配合。

作为优选，所述U形耗能金属板设置为偶数组，碳纤维布缠绕设置在相应的U形耗能金属板上。

作为优选，所述第一上座板与第二下座板上分别设置有固定螺栓，所述第一上座板上的固定螺栓与桥梁主梁固定连接，所述第二下座板上的固定螺栓与桥墩连接。

工作原理：本发明提供的三级隔振耗能支座，实现三级耗能，即上部耗能+中部耗能+下部耗能，上中下构成三级耗能，其对桥梁结构的减振空间适用范围更广，一旦有振动或地震，上部减振耗能结构的第一上座板和第一下座板之间的滑动面产生位移，从而摩擦耗能，而为避免过大的位移产生，设置第一限位板、第一弹簧，反之第一上座板与第一下座板之间的过大位移；下部减振耗能结构与上部减振耗能结构一致，也是通过滑动面摩擦耗能，并利用第二限位板和第二弹簧进行位移控制。

对于中部减振耗能结构，设置在上下结构中间，通过成对设置的U形耗能金属板进行能量消耗，而为避免U形耗能金属板过大位移，设置第三弹簧和碳纤维布对U形耗能金属板进行位移约束，这种约束在U形耗能金属板受力发生位移时，产生弹性阻力，可以较大空间的提高减振效果。

作为本发明工作原理中的重要改进在于第一上座板与第一下座板以及第二上座板与第二下座板之间的滑动面的设计，本支座设计正弦曲面、余弦曲面，这种正弦或余弦曲面符合波的传递规则，利于能量的扩散，且第一上座板与第一下座板之间的为正弦曲面，当工作时，正弦曲面可以与余弦曲面实现配合，这种配合主要体现了能量耗散更加明显，由于上下部结构摩擦曲面的不同设置，适用于的能量耗散空间更宽，耗散能力更强，从而可以大幅提高支座的减振耗能效果。

本发明的具体安装在于：将该三级减振耗能装置放置与桥梁主梁和墩柱之间，则当受到动荷载时，因此，上部+中部+下部耗能减振机构动作，通过相应的耗能机构进行能量耗减，从而实现减振。

本发明的安装步骤如下：

组装中部减振耗能元件和第一下座板和第二上座板，固定完成后，之后固定安装第一上座板、第二下座板，使其分别与桥梁主梁和桥墩连接，之后将组装好的中部减振耗能元件和第一下座板和第二上座板放置在第一上座板、第二下座板之间，使其滑动面接触配合，这种接触配合可以采用橡胶贴合、滑轨滑槽配合等多种方式，此时，设置第一弹簧、第二弹簧，分别利用第一限位板与第二限位板固定第一弹簧、第二弹簧，以对第一上座板和第二上座板进行限位。

本发明的优点在于：

1)通过设置正弦曲线、余弦曲线的滑动面，并使正余弦曲线面相互配合，分别位于滑动耗能体系的上下两端，有助于增加两者之间的约束，提高耗能效果；

2)在上部减振耗能机构、下部减振耗能机构中均增设限位板，防止滑动位移过大引起结构不必要的大位移，造成结构失效，更为显著的优点在于限位板上设置有弹簧，弹簧具有较强的弹性位移，当形变产生时，弹簧吸收能量压缩，随着位移量的增加，弹簧性能得到发挥，产生弹性力，阻止形变继续产生，这相比于传统的限位板刚性限位提供了更好的受力模型；

3)在传统的U型耗能金属板之间增设了弹簧约束和碳纤维布约束，这两个方向的约束对于U型耗能金属板的位移进行限制，提高了变形能力和抗振效果；

4)整个系统采用螺栓连接，便于安装更换，对于某个零件部分发生损坏，更换更为简洁明了，适用性更强，且节约了成本造价。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为上部减振耗能机构示意图；

图3为第一下座板及第一限位板主视图；

图4为第一下座板及第一限位板的立体示意图；

图5为下部减振耗能机构示意图；

图6为第二下座板及第二限位板的主视图；

图7为第二下座板及第二限位板的立体示意图；

图8为U形耗能金属板结构示意图；

图9为U形耗能金属板与碳纤维布结构示意图。

说明书具体实施方式：以下结合说明书具体实施方式，对本发明进行详细介绍。

本发明提供的一种桥梁用三级隔振耗能支座，包括上部减振耗能机构、中部减振耗能元件以及下部减振耗能机构，所述上部减振耗能机构、所述下部减振耗能机构分别与桥梁主梁和桥墩连接，其特征在于：所述上部减振耗能机构包括第一上座板1和第一下座板2，所述第一上座板1与第一下座板2滑动配合，且滑动配合面为正弦曲线面，通过第一上座板1与第一下座板2之间的滑动形成一级耗能，所述第一下座板2底板上还延伸设置有第一限位板3，所述第一限位板3设置有两个，分别位于第一下座板2两侧，且高度均高于第一下座板2的侧边高度，第一限位板3与第一上座板1之间均设置第一弹簧4，所述第一弹簧4对第一上座板1起限位作用；

所述下部减振耗能机构包括第二上座板5和第二下座板6，所述第二上座板5与第二下座板6滑动配合，且滑动配合面为余弦曲线面，通过第二上座板5与第二下座板6之间的滑动形成二级耗能，所述第二下座板5底板上还延伸设置有第二限位板7，所述第二限位板7设置有两个，分别位于第二下座板5两侧，且高度均高于第二下座板6的侧边高度，第二限位板7与第二上座板6之间均设置第二弹簧8，所述第二弹簧8对第二上座板5起限位作用；

所述中部减振耗能元件包括多组U形耗能金属板9，所述每组U形耗能金属板9均包括相对设置的两个U形耗能金属板9，所述两个U形耗能金属板9均设置在上部减振耗能机构与下部减振耗能机构之间，且U形耗能金属板的上板10、下板11均通过固定件12分别于第一下座板2和第二上座板5固定连接，所述每组U形耗能金属板9中相对的U形部13之间设置有两根第三弹簧14，所述U形耗能金属板9对称设置，且每侧的相邻的U形耗能金属板之间均间隔设置有多条碳纤维布15，通过碳纤维布15与第三弹簧14，对变形后的U形耗能金属板9进行限位约束，所述U形耗能金属板9与第三弹簧14、碳纤维布15组合形成了三级耗能，从而实现结构的三级耗能。

所述固定件12可选择为螺栓。

在上述结构中，所述正弦曲线面、所述余弦曲线面均是本领域的常规指代，具体是指对于该正弦曲线面、所述余弦曲线面均是正弦曲线、余弦曲线沿着垂直正弦曲线或余弦曲线所在平面的方向延伸所得，即该正弦曲线面、所述余弦曲线面沿着垂直正弦曲线或余弦曲线的方向的任何一个剖面所得的都是正弦曲线或余弦曲线。

这种滑轨和滑槽的配合、以及摩擦面贴合的设置方式均是本领域摩擦型耗能支座的常规设置方式，例如滑轨滑槽的配合，是将滑轨滑槽分别设置在上下结构中，利用滑轨在滑槽中的摩擦进行耗能，这种设置较为普遍，为进行必要的限位，还可能增加滑槽的相关限位装置；对于摩擦面贴合则是采用诸如橡胶等材料，分别在上下结构中形成诸如橡胶的贴合面，实现贴合摩擦耗能，本发明的重点并不在于该摩擦面的具体材质结构形式选择，而是在于摩擦曲面的相关配合，利用正余弦曲面的配合，并在限位板上设置弹簧，实现对上下座板的位移限制，这种限制不同于常规限制，而是在上下结构在正余弦曲面发生较大位移时动作，由于正余弦曲面的波形设置，其位移特性不同于一般的单曲面或者弧面，其位移更不易发生变化，而对于设置第一弹簧4和第二弹簧8，则是先将位移转变为弹性势能，随后再进行释放，利用正余弦曲面的特性，实现上下正余弦曲面对能量消耗的配合，这是本申请的结构重点所在，其技术效果也比一般的弧面摩擦要强，自回复能力也得到改善，尤其适用于地震频繁的地区。

作为优选，所述正弦曲线面、所述余弦曲线面均只包含一个波长，所述第一上座板1、第一下座板2以及第二上座板5与第二下座板6之间的滑动配合可以选择为滑轨与滑槽的配合，通过滑轨与滑槽的配合实现摩擦耗能，或者所述所述第一上座板1、第一下座板2以及第二上座板5与第二下座板6之间的滑动配合选择为摩擦面贴合，通过设置在上下结构上的摩擦面实现上下结构的滑动配合。

通过这种滑动配合，既能实现能量的耗减，又能固定结构，对于较小的振动工况，通过滑动配合即可实现能量耗减，对于位移较大的工况时，此时第一限位板3、第二限位板4配合第一弹簧4和第二弹簧8作用，防止上下结构因为过度的滑动引起的位移偏差，从而防止结构破坏。

作为优选，所述U形耗能金属板9设置为偶数组，碳纤维布14缠绕设置在相应的U形耗能金属板9上。

作为优选，所述第一上座板1与第二下座板6上分别设置有固定螺栓，所述第一上座板上1的固定螺栓与桥梁主梁固定连接，所述第二下座板6上的固定螺栓与桥墩连接。

工作原理：本发明提供的三级隔振耗能支座，实现三级耗能，即上部耗能+中部耗能+下部耗能，上中下构成三级耗能，其对桥梁结构的减振空间适用范围更广，一旦有振动或地震，上部减振耗能结构的第一上座板1和第一下座板2之间的滑动面产生位移，从而摩擦耗能，而为避免过大的位移产生，设置第一限位板3、第一弹簧4，反之第一上座板1与第一下座板2之间的过大位移；下部减振耗能结构与上部减振耗能结构一致，也是通过滑动面摩擦耗能，并利用第二限位板7和第二弹簧8进行位移控制。

对于中部减振耗能结构，设置在上下结构中间，通过成对设置的U形耗能金属板9进行能量消耗，而为避免U形耗能金属板9过大位移，设置第三弹簧14和碳纤维布15对U形耗能金属板9进行位移约束，这种约束在U形耗能金属板9受力发生位移时，产生弹性阻力，可以较大空间的提高减振效果。

作为本发明工作原理中的重要改进在于第一上座板1与第一下座板2以及第二上座板5与第二下座板之6间的滑动面的设计，本支座设计正弦曲面、余弦曲面，这种正弦或余弦曲面符合波的传递规则，利于能量的扩散，且第一上座板1与第一下座板2之间的为正弦曲面，当工作时，正弦曲面可以与余弦曲面实现配合，这种配合主要体现了能量耗散更加明显，由于上下部结构摩擦曲面的不同设置，适用于的能量耗散空间更宽，耗散能力更强，从而可以大幅提高支座的减振耗能效果。

本发明的具体安装在于：将该三级减振耗能装置放置与桥梁主梁和墩柱之间，则当受到动荷载时，因此，上部+中部+下部耗能减振机构动作，通过相应的耗能机构进行能量耗减，从而实现减振。

本发明的安装步骤如下：

组装中部减振耗能元件和第一下座板2和第二上座板5，固定完成后，之后固定安装第一上座板1、第二下座板6，使其分别与桥梁主梁和桥墩连接，之后将组装好的中部减振耗能元件和第一下座板2和第二上座板5放置在第一上座板1、第二下座板6之间，使其滑动面接触配合，这种接触配合可以采用橡胶贴合、滑轨滑槽配合等多种方式，此时，设置第一弹簧4、第二弹簧8，分别利用第一限位板3与第二限位板7固定第一弹簧4、第二弹簧8，以对第一上座板1和第二上座板5进行限位。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对本发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.一种桥梁用三级隔振耗能支座，包括上部减振耗能机构、中部减振耗能元件以及下部减振耗能机构，所述上部减振耗能机构、所述下部减振耗能机构分别与桥梁主梁和桥墩连接，其特征在于：所述上部减振耗能机构包括第一上座板和第一下座板，所述第一上座板与第一下座板滑动配合，且滑动配合面为正弦曲线面，通过第一上座板与第一下座板之间的滑动形成一级耗能，所述第一下座板底板上还延伸设置有第一限位板，所述第一限位板设置有两个，分别位于第一下座板两侧，且高度均高于第一下座板的侧边高度，第一限位板与第一上座板之间均设置第一弹簧，所述第一弹簧对第一上座板起限位作用；

所述下部减振耗能机构包括第二上座板和第二下座板，所述第二上座板与第二下座板滑动配合，且滑动配合面为余弦曲线面，通过第二上座板与第二下座板之间的滑动形成二级耗能，所述第二下座板底板上还延伸设置有第二限位板，所述第二限位板设置有两个，分别位于第二下座板两侧，且高度均高于第二下座板的侧边高度，第二限位板与第二上座板之间均设置第二弹簧，所述第二弹簧对第二上座板起限位作用；

所述中部减振耗能元件包括多组U形耗能金属板，每组U形耗能金属板均包括相对设置的两个U形耗能金属板，所述两个U形耗能金属板均设置在上部减振耗能机构与下部减振耗能机构之间，且U形耗能金属板的上板、下板均通过固定件分别与第一下座板和第二上座板固定连接，每组U形耗能金属板中相对的U形部之间设置有两根第三弹簧，所述U形耗能金属板对称设置，且每侧的相邻的U形耗能金属板之间均间隔设置有多条碳纤维布，通过碳纤维布与第三弹簧，对变形后的U形耗能金属板进行限位约束，所述U形耗能金属板与第三弹簧、碳纤维布组合形成了三级耗能，从而实现结构的三级耗能；

所述U形耗能金属板设置为偶数组，碳纤维布缠绕设置在相应的U形耗能金属板上；所述第一上座板与第二下座板上分别设置有固定螺栓，所述第一上座板上的固定螺栓与桥梁主梁固定连接，所述第二下座板上的固定螺栓与桥墩连接。

2.如权利要求1所述的一种桥梁用三级隔振耗能支座，所述正弦曲线面、所述余弦曲线面均只包含一个波长，所述第一上座板、第一下座板以及第二上座板与第二下座板之间的滑动配合选择为滑轨与滑槽的配合，通过滑轨与滑槽的配合实现摩擦耗能，或者所述第一上座板、第一下座板以及第二上座板与第二下座板之间的滑动配合选择为摩擦面贴合，通过设置在上下结构上的摩擦面实现上下结构的滑动配合。