CN109826085B - 一种非线性剪切型弹簧组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及弹簧设备领域，具体涉及一种非线性剪切型弹簧组件。本发明提供的非线性剪切型弹簧中，弹簧单元应用了两杆水平铰接机构承载原理，在水平状态是刚度为零的瞬变体系，而当中间铰点承受竖向荷载时，荷载随着中间铰点位移的3次方增加，呈现高度的非线性强化特性。同时因为该弹簧单元可以沿竖向正反向承载，从而构成一种剪切型弹簧单元，进而通过将多个弹簧单元并联，形成刚度大、位移小的大型非线性剪切型弹簧组件，该结构为全金属结构，具有结构简单，制作容易，便于施工的突出优点。

Description

一种非线性剪切型弹簧组件

技术领域

本发明涉及弹簧设备领域，特别涉及一种非线性剪切型弹簧组件。

背景技术

大跨度桥梁在地震以及其他荷载作用下，为了防止结构物产生较大的位移，一般使用钢筋混凝土挡块或者钢结构挡块起到限位作用，在挡块和结构物之间设置垫木或者橡胶垫块来起到缓冲作用。这些结构在限位时刚度会发生突变。为了改变刚度突变的现象，近年来，在一些大跨度桥梁中采用大刚度弹簧起到限位和缓冲作用。例如，苏通大桥所采用的Taylor公司发明的带限位的阻尼器，是由钢板和氨基酸脂复合的非线性轴向弹簧实现限位功能，沿阻尼器的轴向拉伸和压缩方向，必须设置两个弹簧。这种限位器制作工艺复杂，价格昂贵以及技术保密，并且采用的氨基酸脂属于有机物易发生老化现象。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中限位器制作工艺复杂，价格昂贵的问题，提供一种结构简单、制作容易、便于施工的一种非线性剪切型弹簧组件。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种非线性剪切型弹簧组件，包括：

承载构件，用于承受外界载荷力；

若干个弹簧单元，并联在所述承载构件上，每个所述弹簧单元包括对称铰接在所述承载构件两端的两个弹性杆；

第一固定结构、第二固定结构，分别位于所述承载构件的两侧，其中连接在所述承载构件左侧的所有弹性杆铰接在所述第一固定结构上，连接在所述承载构件右侧的所有弹性杆铰接在所述第二固定结构上。

当所述承载构件在不受力时，所有所述弹簧单元自然恢复形变，每个所述弹簧单元的两个弹性杆位于同一直线上。

进一步的，所述承载构件与所述第一固定结构、第二固定结构平行设置。

进一步的，所述弹簧组件的截面为多边形或圆形。

进一步的，所有的弹性杆长度相同。

进一步的，第一固定结构、第二固定结构与承载构件进行倒角处理。

避免所述弹性杆在压紧时被剪断。

进一步的，所述弹性杆受荷载拉伸时，荷载与承载构件的位移成3次方关系，即

式中P为荷载，n为弹簧单元的个数，E为弹性杆的弹性模量， A为弹性杆的截面面积，L为弹性杆的长度。

进一步的，所述弹性杆为金属构件或玻璃纤维构件，所述承载构件、第一固定结构和第二固定结构均为金属构件。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供的一种非线性剪切型弹簧组件中，弹簧单元应用了两杆水平铰接机构承载原理，在水平状态是刚度为零的瞬变体系，而当中间铰承受竖向荷载时，荷载随着中间铰位移的3次方增加，又呈现高度的非线性强化特性。同时因为该弹簧单元可以沿竖向正反向承载，从而构成一种剪切型弹簧单元，进而通过将多个弹簧单元并联，形成刚度大、位移小的大型非线性剪切型弹簧组件，该结构为全金属结构，具有结构简单，制作容易，便于施工的突出优点。

附图说明：

图1为本发明中弹簧单元的结构及工作原理图；

图2位本发明提供的非线性剪切型弹簧组件的具体实施例。

图中标记：1-弹簧单元，11-铰点，12-弹性杆，21-第一固定结构，22-第二固定结构，3-承载构件。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1、图2所示，本实施例提供的一种非线性剪切型弹簧组件，包括至少四个并联设置的弹簧单元1，均并联在所述承载构件3上，所述承载构件为金属构件；

每个所述弹簧单元1包括对称铰接在所述承载构件3两端的两个弹性杆12，第一固定结构21、第二固定结构22，分别位于所述承载构件3的两侧，其中连接在所述承载构件3左侧的所有弹性杆12铰接在所述第一固定结构21上，连接在所述承载构件3右侧的所有弹性杆12铰接在所述第二固定结构22上，所述承载构件 3上设置有八个铰点11，并通过八个铰点11与四个弹簧单元1中的弹性杆12一一对应连接。

第一固定结构21和第二固定结构22均为金属构件，所述弹性杆12为金属构件(如钢丝绳)或玻璃纤维构件，其工作原理如图1所示，两根等长的弹性杆12 铰接于铰点11，另一端分别铰接在两个固定点上，两个固定点分别位于第一固定结构21、第二固定结构22上，本实施例中，第一固定结构21、第二固定结构22均为垂直于水平面设置，两根弹性杆12保持水平状态，即构成了弹簧单元1。当该弹簧单元1的中间铰点11承受竖向荷载时，该弹簧单元1立即由瞬变结构变为稳定结构，同时所述铰点11产生了位移Δ，所述弹性杆12被拉伸，且其荷载P可由

得出；式中，E为弹性杆11的弹性模量，A为弹性杆11的截面面积，L为每根弹性杆12的长度；可以看出荷载P随着所述铰点11 的位移Δ的3次方增加，L并非随P线性变化，即非线性。而且其中的铰点11 可以沿竖向正反向承载，所以该弹簧单元1具有剪切性。

进一步并联设置多个弹簧单元1(如本实施例中为并联设置四个弹簧单元 1)，各弹簧单元1之间利用承载构件3连接，使得各个弹簧单元1共同工作，每个弹簧单元1保持水平状态，组成了如图2所示的非线性剪切型弹簧组件。当承载构件3承受竖向荷载P时，该弹簧组件由瞬变结构变为稳定结构，同时承载构件3可以沿竖向正反向承载，所以该结构具有剪切性。而且荷载P与中间铰的位移Δ存在以下关系：式中n为弹簧单元的个数，E为弹性杆的弹性模量，A为弹性杆的截面面积，L为每段弹性杆的长度。

应注意的是，承载构件3与第一固定结构21、第二固定结构22平行设置，即承载构件3在荷载作用时始终位于两固定结构的正中间，荷载可以沿着承载构件 3的方向运动，该运动可以为单向运动，也可以为双向运动。第一固定结构21、第二固定结构22与承载构件3保证弹性杆被压紧以及边角进行倒角处理防止弹性杆被剪断，形成的所述弹簧组件的截面可以为多边形或圆形。

Claims (7)

1.一种非线性剪切型弹簧组件，其特征在于，用作限位装置，包括：

承载构件(3)，用于承受外界载荷力；

若干个弹簧单元(1)，并联在所述承载构件(3)上，每个所述弹簧单元(1)包括对称铰接在所述承载构件(3)两端的两个弹性杆(12)；

第一固定结构(21)、第二固定结构(22)，分别位于所述承载构件(3)的两侧，其中连接在所述承载构件(3)左侧的所有弹性杆(12)铰接在所述第一固定结构(21)上，连接在所述承载构件(3)右侧的所有弹性杆(12)铰接在所述第二固定结构(22)上；

当所述承载构件(3)在不受力时，所有所述弹簧单元(1)自然恢复形变，每个所述弹簧单元(1)的两个弹性杆(12)位于同一直线上。

2.如权利要求1所述的弹簧组件，其特征在于，所述承载构件(3)与所述第一固定结构(21)、第二固定结构(22)平行设置。

3.如权利要求1所述的弹簧组件，其特征在于，所述弹簧组件的截面为多边形或圆形。

4.如权利要求1所述的弹簧组件，其特征在于，所有的弹性杆(12)长度相同。

5.如权利要求1所述的弹簧组件，其特征在于，第一固定结构(21)、第二固定结构(22)与承载构件(3)的边角进行倒角处理。

6.如权利要求1所述的弹簧组件，其特征在于，所述弹性杆(12)受荷载拉伸时，荷载与承载构件(3)的位移成3次方关系，即式中P为荷载，n为弹簧单元(1)的个数，E为弹性杆(12)的弹性模量，A为弹性杆(12)的截面面积，L为弹性杆(12)的长度。

7.如权利要求1所述的弹簧组件，其特征在于，所述弹性杆(12)为金属构件或玻璃纤维构件，所述承载构件(3)、第一固定结构(21)和第二固定结构(22)均为金属构件。

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