CN109629404B - 一种拉索限位组合截面降低抗剪刚度的大变形橡胶支座 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拉索限位组合截面降低抗剪刚度的大变形橡胶支座，橡胶支座设于上顶板和下顶板之间，环形的拉索穿设于第一贯穿孔和第二贯穿孔中；多层滑动橡胶支座设于板式橡胶支座的挖空处用于形成组合截面并增加滑动面。本发明通过在空心板式橡胶支座放置多层滑动橡胶支座来形成组合截面，组合截面支座在内部滑动面上发生位移突变从而可减小水平刚度以适应较大的变形；在上下顶板中穿入贯通的拉索，使得整个支座具有耗能以及限位能力。

Description

一种拉索限位组合截面降低抗剪刚度的大变形橡胶支座

技术领域

本发明涉及桥梁工程、抗震领域，具体地说涉及一种具有组合截面、地震中能够发生多层约束滑动、减小刚度延长结构周期、并使桥墩一起承担地震作用的支座，特别涉及到一种拉索限位组合截面降低抗剪刚度的大变形橡胶支座。

背景技术

随着我国经济技术的发展，桥梁抗震需求提高，传统的板式橡胶支座和聚四氟乙烯板式橡胶支座均不宜用于抗震工作，目前工程中应用最为广泛的铅芯橡胶支座虽然减小刚度延长周期，且能消耗地震能量达到减隔震效果，但铅是一种对人体有毒的物质，容易对环境造成污染，而且在大震作用下，铅芯橡胶支座位移过大，易造成落梁。

而目前投入生产使用的拉索减震支座如拉索减震球形支座、拉索减震盆式支座等，虽然具有拉索限位变形的能力，但其依然有固定支座、活动支座之分，固定支座需要安装锚固螺栓，地震作用下在螺栓被剪断之前固定墩的内力依旧较大，此时可能已经进入屈服阶段；强震作用时锚固螺栓的剪断会造成位移失控；锚固螺栓被剪断后，桥梁刚度无法满足通车要求，在抗震救灾中需要先消耗宝贵的时间重新安装锚固螺栓。

对于中小跨径的连续梁桥，板式橡胶支座应用最为广泛。因此，有必要提出一种新型板式橡胶支座，使得能在保留板式橡胶支座原有优点的前提下，提升支座的减隔震性能和耗能能力，并使得所有桥墩共同受力；且在强震作用下能够限制上部结构的相对位移，避免落梁和梁体碰撞，并且保证强震作用后依旧能够达到抢险救灾的通车任务。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种拉索限位组合截面降低抗剪刚度的大变形橡胶支座，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种拉索限位组合截面降低抗剪刚度的大变形橡胶支座，包括上顶板、下顶板、橡胶支座和拉索，橡胶支座设于上顶板和下顶板之间，所述上顶板上沿其水平方向开设有若干第一贯穿孔，下顶板上沿其水平方向开设有若干第二贯穿孔，拉索穿设于第一贯穿孔和第二贯穿孔中，拉索的两端相连并围成封闭结构；所述橡胶支座包括板式橡胶支座以及用于增加滑动面的多层滑动橡胶支座，板式橡胶支座的内部挖空，多层滑动橡胶支座设于板式橡胶支座的挖空处用于形成组合截面，多层滑动橡胶支座的形状与挖空处的形状相适应。

进一步的，所述多层滑动橡胶支座包括至少一个板式滑动支座，板式滑动支座包括依次设置的滑动板、橡胶片和薄钢板，橡胶片分别与滑动板和薄钢板硫化连接。

进一步的，所述多层滑动橡胶支座包括若干依次上下叠合设置的板式滑动支座，每个橡胶片分别与相邻的滑动板和薄钢板硫化连接，滑动板可滑动地设于与其相邻的薄钢板表面。

进一步的，所述板式橡胶支座的挖空处沿板式橡胶支座的厚度方向贯穿板式橡胶支座。

进一步的，所述上顶板和下顶板为钢板材质，多层滑动橡胶支座包括一个板式滑动支座，滑动板可滑动地设于上顶板或下顶板的表面。

进一步的，所述上顶板的下底面上以及下顶板的上顶面上分别开设有上凹槽和下凹槽，橡胶支座的上下两端分别插设于上凹槽和下凹槽中；上顶板和下顶板上还分别开设有螺栓孔。

进一步的，所述第一贯穿孔与第二贯穿孔的开孔方向相同，所有第一贯穿孔和第二贯穿孔均平行设置；每根拉索至少穿设于一个第一贯穿孔和一个第二贯穿孔中。

进一步的，所述拉索的数量至少为两根，每个第二贯穿孔设于对应的第一贯穿孔的正下方，每根拉索穿设于一个第一贯穿孔以及与该第一贯穿孔相对应的第二贯穿孔中。

进一步的，所述拉索的两端通过夹具可拆卸相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明体现了力与位移的平衡关系，通过在空心板式橡胶支座填充多层滑动橡胶支座形成组合截面的方法，使得支座在滑动面即截面削弱处位移突增，保留的板式橡胶支座对滑动面具有一定约束，不会出现层间相对位移过大而失稳，从而提高了结构允许变形值，整体水平刚度减小，结构周期延长，从而降低了桥梁地震响应。

2、本发明在强震作用下拉索能发挥限位作用，避免支座水平整体位移过大引起失稳，避免落梁、梁体碰撞以及伸缩缝破坏的发生，在自由行程内橡胶具有足够的弹性恢复力，在地震过后支座能恢复原样，保证通车要求。

3、本发明可以独立制作能形成组合截面的空心板式橡胶支座、多层滑动橡胶支座，具有生产工艺简单、使用方便、造价较低等特点，适用于大部分桥梁工程尤其是公路连续梁桥，降低了成本和设计施工难度，其适用于重要的中小跨径的公路连续梁桥。

4、本发明可以安装在所有桥梁墩台上形成飘浮体系，避免了地震作用下常见的固定墩受力集中导致的屈服破坏，墩台受力更加均匀。

5、本发明对板式橡胶支座的改进，并未造成竖向承载能力的削弱，且尺寸可以根据设计需要进行调整，可以在连续梁桥中使用不同尺寸的多层滑动橡胶支座，调整正常使用、地震作用下的荷载分配，适应不同状况下的位移。

6、本发明在上下顶板中加入贯通的拉索，在小震时就能发挥作用，即发挥组合截面支座延长结构周期从而减小地震响应的作用；在强震作用时橡胶依旧具有变形能力，不存在锚固栓钉被破坏时的位移失控，支座位移达到拉索的自由行程后，拉索拉紧能够限制桥梁位移，避免落梁、梁体碰撞和伸缩缝破坏。拉索的自由行程可以根据设计容许位移进行调整，拉索的数量、截面尺寸也可以根据支座的尺寸、设计墩台内力、设计索力进行调整。

7、本发明全部采用环保、耐久材料，避免了像铅芯支座对环境的污染，有利于可持续发展。

综上所述，本发明具有组合截面，能够在不削弱竖向承载能力的同时减小支座的整体水平刚度，从而延长结构周期，适应更大的水平位移，减小了结构所受地震作用；同时，本发明可以发生层间约束滑动，具有一定的耗能能力；可以让所有桥墩共同承担地震作用，避免固定墩受力过大；在强震作用下不会发生位移失控，拉索发挥限位作用避免位移过大造成的落梁等问题，震后支座具有自恢复性。

附图说明

图1为本发明所述的拉索限位组合截面降低抗剪刚度的大变形橡胶支座的整体剖视图。

图2为本发明所述的拉索限位组合截面降低抗剪刚度的大变形橡胶支座的纵向剖面图。

图3为本发明所述的拉索限位组合截面降低抗剪刚度的大变形橡胶支座与板式橡胶支座的本构关系图。

图4为本发明所述的拉索限位组合截面降低抗剪刚度的大变形橡胶支座的局部放大图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1～图4，本发明所述的一种拉索限位组合截面降低抗剪刚度的大变形橡胶支座，包括上顶板10、下顶板20、橡胶支座和拉索30，橡胶支座设于上顶板10和下顶板20之间。上顶板10上沿其水平方向开设有若干第一贯穿孔11，下顶板20上沿其水平方向开设有若干第二贯穿孔。拉索30穿设于第一贯穿孔11和第二贯穿孔中，拉索30的两端相连并围成封闭结构。拉索30的每一束都分别穿过上顶板10和下顶板20预留的贯穿孔中，拉索30贯通上下顶板。橡胶支座包括板式橡胶支座40以及用于增加滑动面的多层滑动橡胶支座50。板式橡胶支座40可以为含有多层天然橡胶与钢板镶嵌、粘合、硫化而成。板式橡胶支座40的内部挖空，即板式橡胶支座40的内部空心，从而可将多层滑动橡胶支座50放置于空心的板式橡胶支座40中。多层滑动橡胶支座50设于板式橡胶支座40的挖空处用于形成组合截面。多层滑动橡胶支座50的形状与挖空处的形状相适应。多层滑动橡胶支座50尺寸与板式橡胶支座40挖空的尺寸一致，板式橡胶支座40和多层滑动橡胶支座50的形状和尺寸可以根据设计需要进行调整。

本发明在现有的板式橡胶支座的基础上挖空内部板式橡胶支座，与多层滑动橡胶支座形成一种组合截面多层约束滑动橡胶支座。在此基础上，设置贯穿上下顶板的、一定长度的拉索30，形成一种拉索限位组合截面大变形橡胶支座。拉索30贯通于上下顶板，拉索的自由行程可以根据设计的容许支座位移进行调整。拉索的材料、数量、长度以及截面尺寸都可以按照具体情况进行调整，拉索的数量可以根据设计的支座尺寸以及设计墩台内力进行调整。

多层滑动橡胶支座50包括至少一个板式滑动支座，即板式滑动支座可以为一个或多个，填充在挖空的板式橡胶支座40内部，与保留的板式橡胶支座40共同组成组合截面。板式滑动支座即每一层滑动单元包括依次设置的滑动板51、橡胶片52和薄钢板53，橡胶片52分别与滑动板51和薄钢板53硫化连接。多层滑动橡胶支座的截面尺寸、数量、选用材料以及形状都可以按照具体情况进行调整。

多层滑动橡胶支座中的橡胶片以及板式橡胶支座中的橡胶可以采用天然橡胶、氯丁橡胶，也可以采用高阻尼橡胶以增加支座耗能能力。

滑动板51为聚四氟乙烯板，也可以为其他有利于滑动摩擦的材料。聚四氟乙烯板的层数可以根据设计需要进行调整。薄钢板53也可以替换成其他能与聚四氟乙烯板发生相对滑动的材料。

多层滑动橡胶支座50也可以为多个板式滑动支座，即多层滑动橡胶支座50包括若干依次上下叠合设置的板式滑动支座。每个橡胶片52分别与相邻的滑动板51和薄钢板53硫化连接；滑动板51可滑动地设于与其相邻的薄钢板53表面，使得不同的板式滑动支座之间可相对滑动。

板式橡胶支座的挖空处沿板式橡胶支座40的厚度方向贯穿板式橡胶支座40，从而使得挖空的板式橡胶支座和多层滑动橡胶支座能够独立制作，可分别立模制造挖空的板式橡胶支座以及内部的多层滑动橡胶支座，然后再形成组合截面加上封板，使得整个支座的加工更加方便。

上顶板10和下顶板20为钢板材质，两者的形状与尺寸可以根据设计需要进行调整。多层滑动橡胶支座可以只包括一个板式滑动支座，当空腔为上下贯穿的通孔时滑动板可滑动地设于钢制的上顶板或下顶板的表面。

上顶板10的下底面上以及下顶板20的上顶面上分别开设有上凹槽12和下凹槽，橡胶支座的上下两端分别插设安装于上凹槽12和下凹槽中，并可通过封板和螺栓将橡胶支座与上下顶板相连。橡胶支座放置在上下顶板的凹槽中可防止在地震作用下掉落。上顶板10和下顶板20上还分别开设有螺栓孔，从而上、下顶板20可分别通过螺栓和埋置在桥梁和墩台上的预留件进行可靠连接。

第一贯穿孔11与第二贯穿孔的开孔方向相同，所有第一贯穿孔11和第二贯穿孔均平行设置。每根拉索30至少穿设于一个第一贯穿孔11和一个第二贯穿孔中。

拉索30的数量可以为一根，此时可以将一根拉索30依次交替穿过各个第一贯穿孔11和第二贯穿孔。通过一根拉索贯穿上下顶板时，开孔只要保证拉索具有一定的自由行程和工作时能拉紧即可。

拉索的数量也可以至少为两根，即采用多根拉索。每个第二贯穿孔设于对应的第一贯穿孔的正下方，每根拉索穿设于一个第一贯穿孔以及与该第一贯穿孔相对应的第二贯穿孔中。

当然，第一贯穿孔和第二贯穿孔的开孔方向不限于上述的水平开孔结构，也可以是在上下顶板的延伸方向开设有倾斜的横向贯穿孔结构；同时，贯穿孔的开孔方向也不限于上述的所有第一贯穿孔和第二贯穿孔均开孔相同，只要保证拉索具有一定的自由行程和工作时能拉紧即可。

拉索的两端通过夹具可拆卸相连，这样方便更换，也可以让拉索通长，使整体性能及外观更佳。夹具的具体结构不受限制，只要能将拉索的两端可靠相连并方便拆卸的连接件均适用于此。

本发明以最简单的公路连续梁桥的支座例来设计时，先以根据支座竖向反力，确定支座面积，利用有限元软件，在正常使用状态中允许支座相对位移、保证地震作用下能发挥足够的减隔震效果前提下，确定需要的水平刚度、支座厚度，进而确定内部多层滑动橡胶支座的尺寸；同时可以通过调节多层滑动橡胶支座的尺寸，来调整不同刚度的墩台内力，使得墩台内力在正常使用或者地震作用状况下尽可能均匀，适应上部结构在温度作用等产生更大的变形。在强震作用下，根据不发生落梁、梁体碰撞、伸缩缝破坏等设计要求确定允许的位移值，根据允许位移值确定拉索的自由行程，根据设计墩台内力、支座尺寸、拉索内力来确定拉索的数量和截面尺寸。

本发明通过保留一定的板式橡胶支座并与多层滑动橡胶支座组合形成组合截面，可以减小支座的整体水平刚度，增大容许位移和结构固有周期，达到充分的减隔震效果；并且在避免层间失稳的前提下在多个滑动面上滑动摩擦，具有一定耗能能力。在强震作用下支座位移超过拉索自由行程时，在不产生位移失控的前提下，拉索拉紧，限制位移继续增大，限制上部结构的位移。

本发明的具体工作原理如下：

多层滑动橡胶支座与板式橡胶支座构成组合截面时，竖向仍由橡胶承压，不会削弱支座竖向刚度以及承载能力。组合截面橡胶支座在内部多层滑动橡胶支座滑动面处截面被削弱，位移会发生突增，因此支座的整体剪切刚度减小，能发生的容许位移增大，桥梁周期延长，地震作用减小，达到减隔震效果，且该效果可以通过调整多层滑动橡胶支座的尺寸来进行调整。在地震作用下，组合截面支座层间具有滑动面，可以同时滑动，且受到保留的板式橡胶支座的约束而不至于层间位移过大失稳，因此在往复水平力作用下具有一定的耗能能力。在强震作用下橡胶依旧具有一定刚度，不会发生像锚固螺栓被剪断时的位移失控，支座位移超过拉索的自由行程时，拉索发挥作用，能限制支座进一步相对位移，避免落梁、梁体碰撞、伸缩缝破坏等。通过调节拉索的自由行程，使得支座能在不失稳的前提下，尽可能地发生较大的水平位移，在此范围内橡胶具有弹性恢复力，可以恢复到初始状态，保证桥梁作为抗震救灾抢修要道的功能。

在正常工作状态下可以通过调节组合截面中多层滑动橡胶支座的尺寸来调节支座的刚度，进而分配墩台所受的内力，适应由于温度作用等引起的上部结构较大的位移。本发明保留了板式橡胶支座的优点，每个桥墩都可以布置拉索限位组合截面大变形橡胶支座使得连续梁桥形成飘浮体系。

图3为本发明和板式橡胶支座的本构关系图，其中实线部分为拉索限位组合截面降低抗剪刚度的大变形橡胶支座，虚线部分为板式橡胶支座。由图3可知，在顶部作用较小的水平力时，板式橡胶支座位移较小，刚度较大，变形均匀；而拉索限位组合截面降低抗剪刚度的大变形橡胶支座在同等水平力作用下，总体位移较大，刚度减小，因此能够延长周期，从而达到减小地震作用的效果。在顶部作用较大的水平力时，传统的板式橡胶支座位移较大；而拉索限位组合截面降低抗剪刚度的大变形橡胶支座在位移超过拉索自由行程x_f后拉索发挥作用，刚度迅速增大，限制位移的进一步发生，因此能避免在强震作用下上部结构位移过大造成落梁。

本发明在地震发生时有五个作用：

(1)减小水平刚度，增大周期，能够错开场地卓越周期，达到减隔震效果；

(2)可以发生多个滑动面摩擦且在保留的板式橡胶支座的约束下不会造成层间位移过大失稳，具有一定的耗能能力；

(3)强震作用时，支座变位达到拉索自由行程，拉索拉紧限制位移的进一步发生，从而减小梁体与下部结构之间的相对位移，避免了落梁、梁体碰撞以及伸缩缝等破坏；

(4)强震作用下，橡胶依旧具有变形能力，不会发生锚固螺栓被剪断时所带来的位移失控现象；

(5)地震作用过后，橡胶由于拉索限位而不会发生位移过大破坏，具有弹性恢复力，因此支座具有自恢复性，满足抗震救灾通车的刚度要求。

此外，本发明可以按照正常使用的刚度需求、上部结构在温度等作用下的位移需求、墩台内力分配需求，调整内部多层滑动橡胶支座的尺寸，且施工工艺简单，与板式橡胶支座一样可以将连续梁桥变成飘浮体系，便于更换维护，对环境无污染，具有可持续性和可发展性。

可以综合考虑地震作用和正常使用状态的刚度需求、位移需求，以及根据墩台内力分配要求进行本发明装置的尺寸调整。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种拉索限位组合截面降低抗剪刚度的大变形橡胶支座，包括上顶板、下顶板、橡胶支座和拉索，橡胶支座设于上顶板和下顶板之间，其特征在于：所述上顶板上沿其水平方向开设有若干第一贯穿孔，下顶板上沿其水平方向开设有若干第二贯穿孔，拉索穿设于第一贯穿孔和第二贯穿孔中，拉索的两端相连并围成封闭结构；所述橡胶支座包括板式橡胶支座以及用于增加滑动面的多层滑动橡胶支座，板式橡胶支座的内部挖空，多层滑动橡胶支座设于板式橡胶支座的挖空处用于形成组合截面，多层滑动橡胶支座的形状与挖空处的形状相适应；

所述上顶板的下底面上以及下顶板的上顶面上分别开设有上凹槽和下凹槽，橡胶支座的上下两端分别插设于上凹槽和下凹槽中；上顶板和下顶板上还分别开设有螺栓孔；

所述拉索的两端通过夹具可拆卸相连；

所述多层滑动橡胶支座包括至少一个板式滑动支座，板式滑动支座包括依次设置的滑动板、橡胶片和薄钢板，橡胶片分别与滑动板和薄钢板硫化连接。

2.根据权利要求1所述的拉索限位组合截面降低抗剪刚度的大变形橡胶支座，其特征在于：所述多层滑动橡胶支座包括若干依次上下叠合设置的板式滑动支座，每个橡胶片分别与相邻的滑动板和薄钢板硫化连接，滑动板可滑动地设于与其相邻的薄钢板表面。

3.根据权利要求1所述的拉索限位组合截面降低抗剪刚度的大变形橡胶支座，其特征在于：所述板式橡胶支座的挖空处沿板式橡胶支座的厚度方向贯穿板式橡胶支座。

4.根据权利要求3所述的拉索限位组合截面降低抗剪刚度的大变形橡胶支座，其特征在于：所述上顶板和下顶板为钢板材质，多层滑动橡胶支座包括一个板式滑动支座，滑动板可滑动地设于上顶板或下顶板的表面。

5.根据权利要求1所述的拉索限位组合截面降低抗剪刚度的大变形橡胶支座，其特征在于：所述第一贯穿孔与第二贯穿孔的开孔方向相同，所有第一贯穿孔和第二贯穿孔均平行设置；每根拉索至少穿设于一个第一贯穿孔和一个第二贯穿孔中。

6.根据权利要求5所述的拉索限位组合截面降低抗剪刚度的大变形橡胶支座，其特征在于：所述拉索的数量至少为两根，每个第二贯穿孔设于对应的第一贯穿孔的正下方，每根拉索穿设于一个第一贯穿孔以及与该第一贯穿孔相对应的第二贯穿孔中。

Images