CN110295541B - 一种实现对超阈值水平位移自复位的新型盆式橡胶支座 - Google Patents

Abstract

本发明涉及桥梁支座技术领域，具体来说是一种实现对超阈值水平位移自复位的新型盆式橡胶支座，包括顶板、钢滑板、聚四氟乙烯板、中间钢板、橡胶板和底板，其特征在于钢滑板设置于聚四氟乙烯滑板之上，中间钢板上方设有凹槽，聚四氟乙烯板设置于中间钢板的凹槽中，以限制聚四氟乙烯板在平面内的移动，底板内设有凹槽，由下到上依次放置橡胶板和中间钢板，本发明同现有技术相比，其优点在于：具有有限活动和自复位功能，上部结构水平面内的自由运动，包括平动和转动，并且，通过本专利提出的参数设计方法，可以对支座的构造参数进行设计调整，以满足不同回复力设计需求，以及不同的最大平动和转动量设计需求。

Description

一种实现对超阈值水平位移自复位的新型盆式橡胶支座

技术领域

本发明涉及桥梁支座技术领域，具体来说是一种实现对超阈值水平位移自复位的新型盆式橡胶支座。

背景技术

桥梁结构在设计时，对于上部结构水平方向的位移约束方式包括不约束(允许自由滑动)、部分约束(允许一定量的自由滑动，超出阈值后限制滑动)或全约束(不允许自由滑动)的方法。其中，不约束的方式应用最多。实际运营过程中，由于环境温度、车辆摩擦、车辆撞击等因素作用，可能导致桥梁上部结构缓慢地或突然地产生较大的水平方向的位移。导致梁体脱离设计状态，结构位置、受力都将发生变化，影响行车、行人功能甚至结构安全。

特别是对于很多曲线桥、斜桥以及其他异形桥梁，上部结构在运营过程中容易产生连续的水平方向位移，这对桥梁结构运营安全带来了不利影响，并给桥梁养护管理机构的工作带来了挑战。

目前，针对桥梁上部结构在运营过程中产生的水平位移。一般有以下几种处置方法：1)通过限位装置限制上部结构达到某水平位移限值后的运动；2)对没有设置限位支座而发生了超过水平位移限值的上部结构，通过顶推的方式将上部结构复位。

第一种方式在上部结构达到水平位移限值的临界点时，结构约束条件发生突变——由自由滑动突变为刚性阻碍，此时上部结构、下部结构都将突然承受较大的水平力，可能导致结构构件强度的突然失效，对结构运营安全不利。并且，由于缺少平缓的过度阶段，使得结构损伤突然产生，缺少让结构病害缓慢发展的时间，使得养护人员丧失通过定期检查及时发现病害危险并进行有效处置的机会。

第二种方式下，上部结构本身不具备限位或者自动复位的能力，需要借助外部机械力作用，将梁体整个水平方向推移到设计位置，此时外部机械(一般采用千斤顶)需要克服整个梁体自重产生的摩擦阻力，这对外部机械的推力以及相应反力支撑装置提出了很高的要求，因此，这种方式处置方式耗时且费用高。

如果可以通过支座实现对桥梁上部结构水平位移的有效限制，即当上部结构水平位移超阈值后的阻碍不是刚性突变而是缓慢变大的，并具有自复位能力，这种支座是具有工程意义和应用前景的。但目前尚未见同时具有上述两种功能的支座的文献报导。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种实现对超阈值水平位移自复位的新型盆式橡胶支座设计方案，该支座在传统橡胶支座的基础上，通过设置弧形挡板等构造，实现：1)有限活动功能，即在上部结构水平位移不超过阈值时，具有良好的滑动和转动功能；2)渐进式限位功能，即在上部结构水平位移超过阈值后，提供随超过阈值部分的水平位移增加而逐渐增大的渐进式阻力；3)自复位功能，在上部结构水平位移超过阈值后，提供随超过阈值部分的水平位移增加而逐渐增大的回复力，并利用上部结构自重实现上部结构超阈值水平位移的自复位。

为了实现上述目的，设计一种实现对超阈值水平位移自复位的新型盆式橡胶支座，包括顶板、钢滑板、聚四氟乙烯板、中间钢板、橡胶板和底板，其特征在于钢滑板设置于聚四氟乙烯滑板之上，中间钢板上方设有凹槽，聚四氟乙烯板设置于中间钢板的凹槽中，以限制聚四氟乙烯板在平面内的移动，底板内设有凹槽，由下到上依次放置橡胶板和中间钢板，其中，橡胶板完全放置并约束在底板中央内，在橡胶板和中间钢板之间设有环形的密封圈，形成由底板、中间钢板包围的三向受力状态；顶板限位侧设有顶板限位弧板，底板在同侧设有底板限位弧板，顶板限位弧板的最低端和底板限位弧板顶面的水平面留有间隙，顶板限位弧板的内侧与中间钢板之间留有间隙。

所述钢滑板和聚四氟乙烯滑板之间涂抹润滑液。

所述顶板限位弧板内侧垂直，外侧为圆弧形，底板限位弧板顶面为圆弧形，顶板限位弧板外侧面和底板限位弧板顶面涂抹润滑液，同时，在顶板外侧设置延伸到底板的防尘板。

所述支座的参数包括：顶板限位弧板的半径R_t，底板限位弧板的半径R_b，顶板限位弧板与中间钢板的水平距离l_i，顶板限位弧板最低点与底板限位弧板切点的水平距离l_o，顶板限位弧板最低点与支座转动中心的水平距离b₁，顶板限位弧板底部与底板限位弧板水平顶面之间的竖直距离t；具体参数设计如下：

A.桥梁上部结构可自由水平向外侧移动的位移量由本专利中的参数l_o、t、R_b和上部结构作用下的支座上下部相对沉降量Δ_t共同确定，通过调整参数l_o、t、R_b、Δ_t，可改变桥梁上部结构自由水平向外侧移动的最大位移量F_Max，F_Max需满足：

B.为保证桥梁上部结构超阈值水平位移后，支座和桥墩能提供随超出阈值的水平位移量增加而增加的回复阻力，需满足：R_b＞R_t；

C.为保证桥梁上部结构通过支座可以产生转动，若最大转角设计值为α_Max，需满足：

D.支座复位能力的大小，通过调节底板限位弧板的半径R_b实现，半径R_b减小，复位能力增大，半径R_b增大，复位能力降低；

E.为保证从可滑移状态到带阻尼限位状态的平顺过度，底板限位弧板宜与底板直线段相切。

所述参数具体设计如下：若桥梁上部结构另一侧不设置自复位限位，可自由水平向内侧移动的位移量由专利中的l_i参数确定，通过调整参数l_i，改变桥梁上部结构自由水平向内侧移动的最大位移量。

所述参数具体设计如下：最大转角α_Max简化计算为：

本发明同现有技术相比，其优点在于：

1.具有有限活动功能，上部结构水平面内的自由运动，包括平动和转动。并且，通过本专利提出的参数设计方法，可以对支座的构造参数进行设计调整，以满足不同的最大平动和转动量设计需求。

2.具有渐进式限位功能，随着梁体水平位移达到阈值后，限位阻力从零开始逐渐增大，而不是传统刚性挡块限位的约束力从零直接突变的形式，这使得结构状态具有连续变化的特点，避免了突然的构件失效情况产生，桥梁管理养护人员可以通过目前常用的定期检查的方式发现潜在的病害并及时处置，提高了结构的运营安全和可维护性。

3.具有自复位功能，利用结构自身的重量，实现结构超阈值水平位移的自复位，回复力也具有渐进的特点，并且提供回复力的大小可以通过构造参数进行调整。这对于很多需要限制并纠正结构水平位移的桥梁，具有重要意义。可显著减少或避免采用成本较高的顶推方式回复桥梁结构水平位置的作业。

4.构造简单、加工方便、节省钢材，适合在各种跨度的桥梁中进行应用。

附图说明

图1是本发明实施例中对单个方向一侧进行水平位移限制和自复位的支座构造示意图；

图2是本发明设计方法实施例中的尺寸符号示意图；

图3是本发明实施例中对单个方向两侧进行水平位移限制和自复位的支座构造示意图；

图中：1.顶板 1-1.顶板限位弧板(属于顶板) 2.钢滑板 3.聚四氟乙烯板 4.中间钢板 5.橡胶板 6.底板 6-1底板限位弧板(属于底板) 7.密封圈 8.防尘板 9.防尘圈 10.螺栓。

具体实施方式

结合附图对本技术方案做进一步的解释。

实施例一：参见图1

图1展示了根据本发明设计的一种在单个方向一侧进行水平位移限制和自复位的支座构造形式。其中，顶板上固结螺栓，通过螺栓插入桥梁上部结构进行固定。类似地，底板下固结螺栓，通过螺栓插入桥梁下部结构进行固定。

顶板下为钢滑板，钢滑板下为聚四氟乙烯板，钢滑板与聚四氟乙烯滑板的接触面上涂抹润滑液，利用接触面的摩擦系数小的特点，实现上部结构在水平位移阈值内的自由滑动。

聚四氟乙烯滑板嵌固在中间钢板上，中间钢板、橡胶板由上到下依次放置在底板凹槽内。通过中间钢板和底板将橡胶板封闭起来，在上部结构竖向荷载传递下来后，实现橡胶板的三向受压状态，并利用橡胶板在三向受压状态下具有一定的流动性，适应大转角的需求。中间钢板和橡胶板之间可放置密封圈以增强密封性。

图1在单个方向一侧进行水平位移限制和自复位的支座，在需要进行水平位移限制和自复位的一侧，顶板设计为加厚的外侧带弧状的顶板限位弧板。同时对应同侧的底板也设计加厚的顶面带弧状的底板限位弧板。顶板限位弧板和底板限位弧板的接触面上涂抹润滑液。顶板和底板侧设置防尘板，以防止在运营过程中尘土、垃圾等杂物进入顶板限位弧板和底板限位弧板之间阻碍支座相应功能。

实施例二：参见图2

图2进一步展示了图1支座构造的主要构造参数，包括：顶板限位弧板的半径R_t，底板限位弧板的半径R_b，顶板限位弧板与中间钢板的水平距离l_i，顶板限位弧板最低点与底板限位弧板切点的水平距离l_o，顶板限位弧板最低点与支座转动中心的水平距离b₁，顶板限位弧板底部与底板限位弧板水平顶面之间的竖直距离t。

设桥梁上部结构自由水平向外侧(设置限位和自复位一侧)移动的最大位移量为F_Max，向内侧(不设置自复位一侧)的最大位移量为F_min，最大转角设计值为α_Max，图1和图2中构造参数满足：

F_Max＝l_i

R_h>R_t

实施例三：参见图3

图3展示了在水平方向两侧均设置限位和自复位的支座的具体构造。与图1的主要区别是，将图1中不设置限位和自复位的顶板、底板侧增加顶板限位弧板、底板限位弧板以及防尘板。

实施例四：参见图1-图3

包括顶板、钢滑板、聚四氟乙烯板、中间钢板、橡胶板、底板、密封圈、防尘板、防尘圈和螺栓。其中，顶板顶面伸出螺栓与上部结构相连接，底板底面伸出螺栓与下部结构相连接。各个部分由上到下依次放置顺序为：顶板、钢滑板、聚四氟乙烯板、中间钢板、橡胶板、底板。其中，钢滑板放置在聚四氟乙烯滑板之上，两者之间涂抹润滑液。中间钢板上方中央设置凹槽，聚四氟乙烯板放置于其中，以限制聚四氟乙烯板在平面内的移动。底板内设置凹槽，由下到上依次放置橡胶板和中间钢板。其中，橡胶板完全放置并约束在底板中央内，在橡胶板和中间钢板之间设置环形的密封圈，形成由底板、中间钢板包围的三向受力状态。

顶板限位侧设置顶板限位弧板(构造上属于顶板的一部分)，顶板限位弧板内侧垂直，外侧为圆弧形。底板在同侧设置底板限位弧板(构造上属于顶板的一部分)，底板限位弧板顶面为圆弧形。顶板限位弧板的最低端和底板限位弧板顶面的水平面留有一定的距离。顶板限位弧板的内侧与中间钢板之间留有一定的距离。顶板限位弧板外侧面和底板限位弧板顶面涂抹润滑液。同时，在顶板外侧设置延伸到底板的防尘板。

实现本发明说明的功能的原理是：

1、有限活动功能实现原理：在上部结构水平位移不超过阈值时，上部结构的自重等竖向荷载通过“顶板——钢滑板——聚四氟乙烯板——中间钢板——橡胶板——底板”的顺序依次传递到下部结构；上部结构的水平位移通过钢滑板与聚四氟乙烯板之间的摩擦滑动实现，此时，由于顶板限位弧板的内侧与中间钢板之间留有一定的距离并且顶板限位弧板外侧与底板之间留有一定距离，双向的水平位移均不会被限制；上部结构的转动通过内置在底板和中间钢板之间的橡胶板变形实现，其在三向受压状态下具有一定的流动性，能适应大转角的需求，此时，由于顶板限位弧板的最低端和底板限位弧板顶面的水平面留有一定的距离，转动不会被限制。在有限活动阶段，即上部结构在设计允许的正常位置状态下，支座顶板限位弧板和底板限位弧板不相互接触。

2、渐进式限位功能实现原理：在上部结构水平位移超过阈值时，顶板限位弧板最低端与底板限位弧板的顶面接触。此后，若上部结构进一步产生水平位移，则顶板限位弧板跟着产生水平位移，顶板限位弧板与底板限位弧板的接触位置向着曲线斜率更大的方向移动，由于斜率的出现，支座对梁体的水平位移开始产生约束作用，并且这种约束作用随着斜率的增加而增加。

3、自复位功能实现原理：在上部结构水平位移超过阈值后，由于接触面曲率带来的高程变化，导致上部结构的竖向荷载开始从原来通过中间钢板和橡胶板传递的路径发生变化，荷载逐渐转移到顶板限位弧板和底板限位弧板上，结构自重在顶板限位弧板和底板限位弧板接触面上产生垂直于接触面的分量，使上部结构在自重分力的作用下自动向斜面下方位移。水平位移量大时，上部结构自重转移到顶板限位弧板和底板限位弧板的比例大，同顶板限位弧板和底板限位弧板接触面的斜率大，由此自重产生的回复力大。该自复位能力也具有渐进变化的特点。

本发明专利不局限于上述实施方案，任何人在不脱离本专利原理的前提下，做出若干局部调整和改进，也视为本专利的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种实现对超阈值水平位移自复位的新型盆式橡胶支座，包括顶板、钢滑板、聚四氟乙烯板、中间钢板、橡胶板和底板，其特征在于钢滑板设置于聚四氟乙烯滑板之上，中间钢板上方设有凹槽，聚四氟乙烯板设置于中间钢板的凹槽中，以限制聚四氟乙烯板在平面内的移动，底板内设有凹槽，由下到上依次放置橡胶板和中间钢板，其中，橡胶板完全放置并约束在底板中央内，在橡胶板和中间钢板之间设有环形的密封圈，形成由底板、中间钢板包围的三向受力状态；顶板限位侧设有顶板限位弧板，底板在同侧设有底板限位弧板，顶板限位弧板的最低端和底板限位弧板顶面的水平面留有间隙，顶板限位弧板的内侧与中间钢板之间留有间隙；

所述支座的参数包括：顶板限位弧板的半径R_t，底板限位弧板的半径R_b，顶板限位弧板与中间钢板的水平距离l_i，顶板限位弧板最低点与底板限位弧板切点的水平距离l_o，顶板限位弧板最低点与支座转动中心的水平距离b₁，顶板限位弧板底部与底板限位弧板水平顶面之间的竖直距离t；

桥梁上部结构可自由水平向外侧移动的位移量由参数l_o、t、R_b和上部结构作用下的支座上下部相对沉降量Δt共同确定，通过调整参数l_o、t、R_b和Δt，可改变桥梁上部结构自由水平向外侧移动的最大位移量F_Max，F_Max需满足：

为保证桥梁上部结构超阈值水平位移后，支座和桥墩能提供随超出阈值的水平位移量增加而增加的回复阻力，需满足：R_b＞R_t；

为保证桥梁上部结构通过支座可以产生转动，若最大转角设计值为α_Max，需满足：

2.如权利要求1所述的一种实现对超阈值水平位移自复位的新型盆式橡胶支座，其特征在于所述钢滑板和聚四氟乙烯滑板之间涂抹润滑液。

3.如权利要求1所述的一种实现对超阈值水平位移自复位的新型盆式橡胶支座，其特征在于所述顶板限位弧板内侧垂直，外侧为圆弧形，底板限位弧板顶面为圆弧形，顶板限位弧板外侧面和底板限位弧板顶面涂抹润滑液，同时，在顶板外侧设置延伸到底板的防尘板。

4.如权利要求1-3任一所述的一种实现对超阈值水平位移自复位的新型盆式橡胶支座，其特征在于：

支座复位能力的大小，通过调节底板限位弧板的半径R_b实现，半径R_b减小，复位能力增大，半径R_b增大，复位能力降低；

为保证从可滑移状态到带阻尼限位状态的平顺过度，底板限位弧板宜与底板直线段相切。

5.如权利要求1所述的一种实现对超阈值水平位移自复位的新型盆式橡胶支座，其特征在于所述参数具体设计如下：若桥梁上部结构另一侧不设置自复位限位，可自由水平向内侧移动的位移量由l_i参数确定，通过调整参数l_i，改变桥梁上部结构自由水平向内侧移动的最大位移量。

6.如权利要求1所述的一种实现对超阈值水平位移自复位的新型盆式橡胶支座，其特征在于所述参数具体设计如下：最大转角α_Max简化计算为：

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