CN1102681A

CN1102681A - 防地震装置

Info

Publication number: CN1102681A
Application number: CN93120726A
Authority: CN
Inventors: 克里斯汀·尚; 亚历克斯·弗罗斯尼; 凡·索·多恩; 保罗·博尔德里
Original assignee: SNCF Mobilites
Current assignee: SNCF Mobilites
Priority date: 1992-10-29
Filing date: 1993-10-29
Publication date: 1995-05-17
Also published as: TW250522B; FR2698400A1; FR2698400B1; WO1994010412A1

Abstract

用于建筑物结构上的防地震装置，包括：配备有至少两个金属楔形物(5)且它们的平面倾斜表面(5a) 向下并向外指向的一个上紧固板(1)，一个配备有至少两个金属楔形物(8)且它们的平面倾斜表面(8a)向上并相对于所述上紧固板的倾斜表面(5a)向内指向的下紧固板(2)，以及考虑到在所述两个紧固板之间建立机械连接而在上述上紧固板和下紧固板的倾斜表面(5a，8a)之间安装至少两个弹性体平板(3)。本发明可以用于铁路桥。

Description

本发明涉及一种建筑结构的防地震装置，更具体地说，本发明涉及同装备支柱的支承架相连接的防地震装置，该支承架用于支承建筑结构件（特别是桥和离开海岸的海洋钻井的栈桥）的载荷。

众所周知，对于一个给定的建筑物结构由地震活动引起的各种力的作用结果同位于在该结构的支承架周围的连接件的刚性有关。

地震力由一个垂直分量和若干个水平分量组成，其中的垂直分量实际上不引起结构件的支柱和平台之间在各支承架附近的相对移动，而水平分量可以引起结构件的支柱和平台之间在各个支承架附近的相对移动。

当在一个已知地震活动的地区设计建筑结构时，由地震活动引起的作用在连接建筑结构的支柱和平台之间的支架上的水平分力是明确的，地震活动引起的垂直分力借助一个组合因子计入在一个固定值内。

当建造例如桥梁，特别是铁路桥梁时，必须考虑桥的支柱和桥面之间在连接的支承架附近可能发生小的移动。这个移动可能由通过桥面的火车或其它车辆的制动力，启动力或桥面的路是弯曲时车辆产生的离心力引起的。车辆的制动力和起动力沿桥面的纵向，离心力的方向沿桥面的横向。

传统的铁路桥是由装备带有纵向和横向档块的固定支架的桥墩或带有横向和纵向挡块的可移动支架。这样的设计对低地震活动性弱的地区是令人满意的，但不适合于地震活动性强的地区，因为在地震活动强地区的由地震活动产生的水平分力大大超过车辆在桥面上引起的水平力。换句话说，在很强的地震期间，桥上的通用挡块不可能在机械上抵抗住这些地震力，因此使这些地震力在桥面的支架周围造成严重的破坏。

有人提出一种防地震装置，这种装置的特点在于把用于通过弹性剪应吸收地震活动的水平力的弹性挡块同桥支承架的滑车组合起来。可是这个解决方案仅适合于地震活动的水平力的范围，在通过弹性挡块的弹性应变补偿允许的范围内。在此后，支承架的损坏仍是不可避免的。

本发明的主题是可以吸收幅值大的水平力的用于建筑结构上的防地震装置。

本发明的目的是在由地震产生的加速作用并使该作用传递到支承支柱的顶部的条件下允许建筑结构的平台相对这个支柱的顶部有一定程度的弹性位移，从而使由平台质量所引起的水平方向的动力反作用引起的断裂力。

本发明的另一目的是要防止在支柱顶部上的平台产生移动，因为支柱的几何形状同平台的移动不相匹配。

本发明的另一个目的是要在地震结束后使平台能返回其初始的位置上。

本发明另一目的是要防止在地震期间安装在支柱顶部的支承架的损坏。

本发明的建筑结构上的防地震装置包括：一个支承结构平台的上紧固板和一个固定在支承结构的支柱顶部上的下紧固板。每个上紧固板和下紧固板至少有两个构成V形的倾斜表面。至少两个弹性板置于在同上紧固板和下紧固板相对的V形倾斜表面之间，以便在所述的上紧固板和下紧固板之间建立机械连接。

弹性体平板是用钢增强的，也就是说具有由弹性体层和金属板交替叠加而构成的叠层结构，借此提高了弹性体的抗破碎能力。

紧固板由钢制成。上紧固板的倾斜表面上包一层不锈钢蒙皮而同其相对应的弹性板表面覆盖一层称为Teflon的聚四氟乙烯树脂层。聚四氟乙烯树脂层最好具有烧结结构，以便提供有利于储存能降低不锈钢和聚四氟乙烯树脂层之间的摩擦系数的硅油结构。

下面详细描述由附图中所示出的非限定实施例，以便更清楚地说明本发明。

图1是本发明的防地震装置的侧视图。

图3是作用在图1所示装置的处于应力状态的弹性体平板上的力的分布图。

图4是在图3所示力的作用下弹性体平板中的应变的图。

图5是结构支承支柱的顶端的平面示意图，所示支柱配备有两个本发明的防地震装置。

如图1和图2所示，本发明的防地震装置包括一个上紧固板1，一个下紧固板2和两个作为上紧固板1和下紧固板2之间机械连接部件的弹性体平板3。

上紧固板1固定在平台上或固定在结构的台面上（未示出），这是通过其水平放置的成板状的金属基座4，并借助拧紧穿过基座4中的孔40的高强度的钢螺杆（未示出）实现的。上紧固板1包括两个焊接到水平基座4的下表面上的金属楔形物5，这两个金属楔形物隔开一段距离a。金属楔形物5的配置应使得它们的倾斜表面5a指向底部，并且朝向装置的外边以构成V形。金属楔形物5的倾斜表面5a上覆盖了一层粘到或焊接到楔形物5上的不锈钢蒙皮6。

下紧固板2固定在一个支柱（未示出）的顶端，这是利用其水平金属基座7借助固定铲状物7a并穿过基座7中的孔7b拧紧在高强度的钢螺杆（未示出）上完成的。使两个金属楔状物8彼此有一个间隙a并焊接到下紧固板2的基座7的上表面上，其倾斜表面8a向上指向并以相对于上紧固板1的倾斜表面5a成一V形朝向装置的内部。

上楔形物5和下楔形物8的倾斜表面5a和8a各自同水平面间的夹角最好均为α。这样，上紧固板1和下紧固板2的金属楔形物5、8的相对的表面5a和8a互相平行。下紧固板2的每个金属楔状物8在倾斜表面8a上具有一个下部桩8b、一个上部桩8c和两个侧面止动装置8d，以便形成一个倾斜矩形框架8e，用于容纳一块弹性体平板3。

弹性体平板3具有叠层结构，这结构由用橡胶或聚氟丁橡胶制的弹性体层和平行于它们的上表面的金属板层交替组成，其上表面覆盖了一层上面有微小凹坑的碳氟化合物树脂（聚四氟乙烯）树脂层3a。弹性体平板3简单地放置在下紧固板2的金属楔状物8的倾斜表面8a上，而它的下面支承在倾斜框架8e的下部柱8b上。每个弹性体平板3都是平行六面体，在安装时使其同侧面止动装置8d和下紧固板2的倾斜框架8e的上部桩8c有一个间隙。

构成弹性体平板3的上表面的聚四氟乙烯层3a的具有能储存润滑剂（例如硅油）的凹坑结构，用于减少在上紧固板1的金属楔形物5的倾斜表面5a处的不锈钢蒙皮6和那些弹性体平板3之一的聚四氟乙烯层3a之间的摩擦系数。

利用弹性体平板3专门提供在上紧固板1和下紧固板2之间的金属连接部件，弹性体平板3的上表面与上紧固板1的倾斜表面5a接触，而弹性体平板3的下表面与下紧固板2的倾斜表面8a接触。

参考图2，可以确定两个互相垂直的水平轴XX′和YY′，沿着这两个水平轴可以分解所有的水平力。

在一个平行于轴YY′的力的作用下，上紧固板1和下紧固板2趋于沿YY′轴彼此水平地移动。然后，通过剪切作用，弹性体平板3产生弹性变形，以便吸收沿着YY′的水平力。当这个力消失时，弹性体平板3的弹性使得上紧固板1和下紧固板2能恢复到它们各自的初始位置。同时，在不锈钢和聚四氟乙烯之间的低摩擦系数允许上紧固板1在沿着YY′有相当大的力期间相对弹性体平板3作微小滑动。

当沿着XX′轴对装置施加一个水平力时，就引起了上紧固板1和下紧固板2沿着XX′轴的相对运动，而且使得两个弹性体平板3之一优先受到应力作用。一方面，受应力作用的弹性体平板3沿着平行于上紧固板1和下紧固板2的倾斜表面5a和8a的倾斜平面α方向在剪切状态下工作，而另一方面，在垂直于所述倾斜平面方向上产生压缩，这使得所述弹性体的弹性应变吸收沿着XX′作用的力产生的能量。作用在楔状物8的倾斜表面8a上的力的垂直分量，使下金属楔形物8的斜面进一步对上紧固板1产生一个恢复力。同时，在上紧固板1的金属楔形物5的不锈钢蒙皮6和弹性体平板3的聚四氟乙烯层3a之间的接触，使在上紧固板1和弹性体平板3之间沿着XX′轴产生微小的倾斜。当沿XX′的力撤消时，弹性体平板3的弹性以及在不锈钢和聚四氟乙烯之间的低摩擦系数使得上紧固板1和下紧固板2能恢复到初始位置。

参考图3和图4，考虑到地震活动性产生的水平力，就可以满意地模拟防地震装置。

图3和图4相应于由于地震活动所引起的、并施加在上紧固板1上且沿着XX′轴的水平力F的情况（见图1和图2）。图3和图4中只示意性地示出了下紧固板2的金属楔形物8和受到力F作用的弹性体平板3，以便使附图更加清晰。

上紧固板1在弹性体平板3上所施加的总的力，由水平力F和垂直力与负载P的合力组合而成。为了计算方便，可将总的力R分解成垂直于下金属楔状物8的倾斜表面8a的垂直分量Rv和平行于金属楔形物8的倾斜表面8a的平行分量Rh。用α表示金属楔状物8的表面8a的倾斜的角度，而用φ表示确定在弹性体平板3的上部聚四氟乙烯表面3a和不锈钢6之间的摩擦系数（tanφ）的角度，不锈钢6覆盖在上紧固板1的金属楔形物5的倾斜表面5a上，并且假设各水平力之和为零，那么，参考图3，就可得到下面的方程（1）和（2）：

Rh Cosα＋Rv Sinα＝F （1）

Rh＝Rv tanφ （2）

因此，可计算出全部力R的分量Rv和Rh：

Rv＝ (F Cosφ)/(Sin(α+φ)) （3）

Rh＝ (F Sinφ)/(Sin(α+φ)) （4）

而且，由于压缩力Rv在弹性体平板3中产生的应变可通过下述关系确定：

△V＝ (δ)/(E) e （5）

式中δ是作用在弹性体平板3上的压缩应力（δ＝Rv／S，S是该弹性体平板的上表面积），E是弹性体平板3的弹性模量即杨氏模量。将方程（3）和（5）联立解出：

△V＝ (Fe Cosφ)/(ES Sin(α+φ)) （6）

由于剪切力Rh在弹性体平板3中产生的应变△h也可以通过下式关系来确定：

Rh＝GS (△h)/(e) （7）

式中G是该弹性体平板的切变模量。

将方程（4）和（7）联立解出：

△h＝ (Fe Sinφ)/(GS Sin(α+φ)) （8）

由图4可导出下述关系：

d＝△V Sinα＋△h Cosα （9）

式中d是地震效应所扩大的力的横向分量F引起的弹性体平板3的水平位移。

考虑方程（6）和（8）可以得到：

d＝ (Fe)/(S) · 1/(Sin(α+φ)) ·（ (CosφSinα)/(E) + (SinφCosα)/(G) ）（10）

对于钢增强的弹性体平板，杨氏模量E的值约为切变模量G值的10³倍。在聚四氟乙烯和不锈钢之间的摩擦系数一般在0.02和0.04之间。而且，金属楔状物8的表面8a的倾斜角α一般是在10°和60°之间。

在这些条件下，可从方程（10）中略去 (CosφSinα)/(E) 这一项，而简化为

d＝ (Fe)/(GS) · (SinφCosα)/(Sin(α+φ)) （11）

公式（11）克服了需要确定钢增强的弹性体平板的杨氏模量E的困难。因此，确定了在地震水平力F的作用下在弹性体平板的尺寸e、S和该弹性体平板的水平位移之间的令人满意的关系式。

最好把角度α选为约30°，给定摩擦系数tanφ约为0.03，方程（11）可进一步简化为：

d＝ (Fe)/(GS) · (Sinφ)/(tan(α+φ)) （12）

确定抗地震装置沿着XX′轴的等效刚性并不困难（图2），由方程（10）、（11）和（12）之一出发就得到所述等效刚性为F／d。

下述的数据可给出抗地震装置的弹性体平板的尺寸的一个例子：

α＝30°，tanφ＝0.03，F＝3000KN，δ＝15000KN／m²；

这样，由方程（3）我们得到：

Rv＝ (F Cosφ)/(Sin(α+φ)) ＝ (3000(KN)×1)/0.526

式中，δ＝ (Rv)/(S) ，

因此，我们得到弹性体平板的上表面积S：

s= (Rv)/(δ) = (3000(KN))/0.526 × 1/(15000(KN/m²)) =0.38（m²)

因此，可把弹性体平板选定为尺寸0.50（m）×0.76（m）的矩形。对于长期的地震效应取切变模量G等于1100KN／m²，并取弹性体平板的厚度e等0.084（m），从方程（12）将得到水平位移d：

d= (3000(KN)×0.084(m))/(1100(KN/m²)×0.38(m²)) × 0.03/0.61 =0.0296(m)

即29.6毫米。该装置的等效刚性也可被确定：

F／d＝1.01×10⁵（KN／m）

由上得出，本发明的抗地震装置的尺寸可方便选定为在一个地区内的地震期间引起的机械应力的函数，该地区的地震少动性通过统计学可以获得，对于重的建筑工程结构，最好使本发明的抗地震装置与在正常情况下支承该结构的主要部件的支柱顶端上的支承架结合起来。

例如，对于建造铁路桥的情况，不仅要考虑要建造桥的地质区域中地震活动的大小，而且要考虑火车施加在该桥桥面上的力，特别是沿着桥面纵轴线的制动和起动力，以及对于在水平平面上成弯曲形状桥面情况下引起的横过桥的桥面的离心力。

显然，对于地震活动性极低的地区，建立在支承桥墩和桥的桥面之间的机械连接的通常的支承架已令人很满意。在这种情况下，并不需要提供地震装置。然而，对于地震活动性更大的地区，问题就完全不同了。

对于铁路桥，在制动或起动力的作用下，桥面相对支承桥墩的几毫米大小的纵向位移是允许的，而桥面相对支承桥墩的横向位移一般是不容许的。在地震活动强度相当低的地区，且在该地区的地震活动性所产生的水平力的大小并不超过火车对于桥的制动或起动力，那末，桥面关于支承桥墩沿着该桥面的轴线的位移并不超过容许的极限值。在这种情况下，在每个桥墩的顶端安装两个本发明的抗地震装置就足够了，这两个本发明的抗地震装置对同桥面的轴线垂直的水平力起反作用，这如图5所示的那样。图5示出了一座铁路桥的一个桥墩9的顶端的平面图，该铁路桥的桥面未示出。桥墩顶端9在桥面的纵轴YY′的每一侧配置两个通常的支承架10，为了吸收桥的那个垂直轴线的反作用力，支承架10是多向滑动支承架。作为例子，滑动支承架10在水平位置可具有不锈钢／聚四氟乙烯接触表面。

沿着桥面的轴线安置两个本发明的抗地震装置。只是示意性地示出了该装置的上紧固板1。抗地震装置的YY′轴（见图2）与桥面的纵轴线重合。如前所述，抗地震装置一方面能防止桥遭受地震力的破坏，即通过弹性体平板的弹性剪切应变和压缩应变而抵消横过桥面的地震力，以及通过弹性体平板的弹性剪切应变而反抗相对桥面的轴线成纵向的那些力。这样，通过上述抗地震装置，抵消了地震活动所引起桥面相对于支承桥墩的相对运动。当地震过后，抗地震装置的弹性体平板的弹性使桥面相对于支承桥墩恢复到其原来位置。

应该指出的是，本发明的巨大的效益在于有效和经济地保护了支承用的支承架。的确，若地震的幅度不超过所预测的，那么显然能很好地防止在地震期间的支承架10受到破坏，对于地震强度超过所预测时的情况，直接的后果将仅是受到了超过使用极限的机械应力作用的弹性体平板的破坏。支承架10和抗地震装置的上紧固板以及下紧固板不会受到损坏。然后，在地震过后，只需要替换破坏了的弹性体平板就可以修复抗地震装置。

再参考图5，为了进行维修和可能替换弹性体平板的作业，在桥墩9的顶端里设置一个空心中央凹槽11，以便保持杆竖放在里面。在桥的桥面上，设置一个用于通到桥墩中的凹槽11中的通道。在桥墩顶端9上，装有四个用于升起桥面的液压或气动的起重器，借此才能维修支承架10和抗地震装置。一旦完成维修作业，通过撤下起重器12，使桥面重新回到其原来的位置。

对由于地震活动所产生的水平力超过火车对于桥面的制动或起动力的情况，可附加两个沿桥面的纵向起作用的防地震装置。换句话说，两个附加的抗地震装置的XX′轴（见图2）平行于桥面的纵轴线。这意味着，虽然地震中桥面的纵向被弹性锁定，但却允许它有一用于衰减地震力的小的弹性位移。

再次考虑具有上述尺寸的用于吸收一座140米长的铁路桥的桥面纵向YY′方向上的地震分力的抗地震装置，该铁路桥受到60KN／m的工作负荷，同时，假设每个装置的制动力是1500KN，并假设对于快速非循环性活动条件下的切变模量估计的值为2200KN／m²，可以计算围绕抗地震装置在制动力的作用下的桥面的纵向位移：

d= (1500(KN)×0.084(m))/(2200(KN/m²)×0.38(m²)) × 0.03/0.61 =0.0274(m)

即7.4毫米，这是一个完全可以接受的位移。

显然，本发明的抗地震装置可以用于所有类型的建筑物结构，例如，用于桥梁、石油作业平台、以及需要在支柱上有支承架的一般建筑物结构。

本发明也并不限于每个装置具有两个可使用的弹性平板。事实上，可以设想每个上紧固板1和下紧固板2包括3个、4个甚至5个金属楔形物，同样，这些金属楔形物可以使很多弹性体平板按前述相同的原则联合使用，把这些金属楔形物安置在每个紧固板上，即安置在上紧固板和下紧固板上。为防止结构受到不同方向地震力的破坏，可以使那些金属楔形物沿着一个圆环形路线均匀设置。

Claims

1、用于建筑物结构的抗地震装置，其特征是包括一个设置有至少两个金属楔状物(5)、且它们的平面倾斜表面5a向下并向外指向的上紧固板(1)，并包括一个设置有至少两个金属楔形物(8)、且它们的平面倾斜表面(8a)向上并对着上述的上紧固板的倾斜表面(5a)向内指向的下紧固板(2)，而且考虑到在所述两个紧固板之间建立机械连接，还包括至少两个安置在上和下紧固板的倾斜表面(5a，8a)之间的弹性体平板(3)。

2、如权利要求1所述的防地震装置，其特征是，弹性体平板（3），具有叠层结构，这结构由一弹性体平板和一些金属板交替叠成的一些层构成。

3、如权利要求1或2所述的防地震装置，其特征是，上紧固板（1）的倾斜表面（5a）覆盖了一层不锈钢蒙皮（6），而且，所述弹性体平板的上表面（3a）由一层碳氟化合物树脂组成。

4、如权利要求3所述的防地震装置，其特征是，上述碳氟化合物层在表面上具有凹坑结构。

5、如前述权利要求之一所述的防地震装置，其特征是，弹性体平板（3）简单放在一个框架（8b，8c，8d）内的下紧固板（2）的倾斜表面（8a）上。

6、如前述权利要求之一所述的防地震装置，其特征是，上紧固板（1）和下紧固板（2）的倾斜表面（5a，8a），具有相同的倾斜角（α），角（α）的值在10°和60°之间。

7、如前述那些权利要求之一所述的防地震装置，其特征是，它满足下述方程：

d＝ (Fe)/(S) · 1/(Sin(α+φ)) ·（ (Cos φSinα)/(E) ＋ (Sinφ Cosα)/(G) )

式中，d是弹性体平板（3）相对下紧固板沿（XX′）轴的水平位移，

F是沿着轴（XX′），对着与上述受压的弹性体平板连接着的上金属楔形物5和下金属楔形物（8）所作用的地震力的水平分量，

e是弹性体平板的厚度，

S是弹性体平板的上表面积，

α是上金属楔形物（5）相对于水平平面的倾角，

φ是在上述楔形物的倾斜表面（5a）和上述弹性体平板的上表面（3a）之间的摩擦角（tanφ是摩擦系数），

E是所述弹性体平板的杨氏模量，

G是所述弹性体平板的切变模量。

8、如权利要求1至6之一所述的防地震装置，其特征是，它满足下述方程

d＝ (Fe)/(GS) · (Sinφ Cosα)/(Sin (α+φ))

这里，d是沿着轴线（XX′）弹性体平板（3）相对下紧固板（2）的水平位移，

F是沿着Y轴线（XX′）方向，对着与上述受压的弹性体平板连接着的上金属楔形物（5）和下金属楔形物（8）所作用的地震力的水平分量，

e是所述弹性体平板的厚度，

S是所述弹性体平板的上表面积，

α是上金属楔形物（5）相对水平平面倾角，该倾角在10°和60°之间，

φ是在上述上金属楔形物的倾斜表面（5a）和所述弹性体平板的上表面（3a）之间的摩擦角（tanφ是摩擦系数，在0.02和0.04之间），

E是上述弹性体平板的杨氏模量，

G是所述弹性体平板的切变模量，而且，G／E为10^-3数量级。

9、如权利要求1至6之一所述的防地震装置，其特征是下述关系成立：

d＝ (Fe)/(GS) · (Sinφ)/(tan(α+φ))

这里，d是弹性体平板（3）相对下紧固板（2）沿着轴线（XX′）的水平位移，

F是沿着轴线（XX′）对着上述受压的弹性体平板连接着的上金属楔形物（5）和下金属楔形物（8）所作用的地震力的水平分量，

e是所述弹性体平板的厚度，

S是所述弹性体平板的上表面积，

α是上金属楔形物（5）相对水平平面的倾角，其值约为30°，

φ是在上述上金属楔形物的倾斜表面（5a）和上述弹性体平板的上表面（3a）之间的摩擦角（tanφ是摩擦系数，其值约等于0.03），

E是上述弹性体平板的杨氏模量，

G是所述弹性体平板的切变模量，而且G／E为10^-3数量级。

10、如前述权利要求之一所述的防地震装置，其特征是，把上紧固板（1）和下紧固板（2）的金属楔形物（5，8）配成对，并沿着一水平圆环形路线按照相等的角度间隔配置金属楔形物（5，8）。