CN111119034B - 拉索限位刚度差异组合橡胶减震支座 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种拉索限位刚度差异组合橡胶减震支座，由上下顶板和封板、叠层区、滑动区、拉索组成，其中拉索贯穿上下顶板的预留孔道，叠层区由橡胶层和加劲钢板叠合而成，滑动区具有若干由滑动钢板、四氟滑板和加劲钢板组成的摩擦层。其特征是不改变竖向承载能力，摩擦层可以发生滑动位移，减小支座水平刚度，提高支座位移能力，从而延长周期达到减隔震的目的；滑动面具有一定的耗能能力；强震作用下通过拉索拉紧具有限位能力；在地震作用过后，支座具有一定的自恢复性，也可以迅速维修替换。在正常使用状态也可以适应上部结构的更大的位移，以及调节不同刚度墩台所受到的水平力与弯矩。

Description

拉索限位刚度差异组合橡胶减震支座

技术领域

本申请属于桥梁工程、抗震领域，具体涉及到一种具有整体型组合截面、地震中能够发生局部滑动从而可以减小刚度并增大耗能能力，大震时还可以通过拉索拉紧限制梁体位移的橡胶支座。

背景技术

从汶川地震开始，人们对桥梁抗震能力的重视程度越来越高。震害表明中小跨径桥梁采用板式橡胶支座居多，由于板式橡胶支座剪切刚度过大，水平变形能力及耗能能力过低，无法适应地震中更大的位移需求，大震作用下尤其是有近断层速度脉冲时，更容易发生破坏使得梁体位移过大，进一步导致梁体碰撞甚至落梁，需要对其进行改进。

为此人们提出了变形能力更大的减隔震支座，其中应用较广泛的为铅芯橡胶支座：在叠层橡胶支座的基础上，在内部加入一根或多根铅棒，利用铅棒受剪塑性变形，减小刚度延长结构周期，同时具有较好的耗能效果。

然而，铅芯支座的温度敏感性较大，在低温环境中使用需要慎重考虑；铅芯支座在大震作用下依旧无法约束梁体位移；此外铅芯支座在制造、使用、维修的过程中容易对环境造成污染，支座更换后的废弃铅芯处理也是不容小觑的环境问题。

考虑到中小跨径桥梁中板式橡胶支座应用较为广泛，需要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位移能力；进一步地，需要在强震作用下能够限制上部结构的位移。

发明内容

为解决上述问题，本申请在板式橡胶支座基础上，在若干层加劲钢板上放置一定面积的四氟滑板和滑动钢板形成滑动区，周围橡胶层与加劲钢板叠层粘结形成叠层区，四氟滑板和滑动钢板之间可以发生相对滑动，并在此基础上，设置若干条贯穿上下顶板的、一定长度的拉索，拉索可有效约束支座本体的变形范围，形成拉索限位刚度差异组合橡胶减震支座。

为达到以上目的，本申请采用如下技术方案：

一种拉索限位刚度差异组合橡胶减震支座，其特征在于，包括上顶板(1)、锚固螺栓(2)、抗剪块(3)、上封板(4)、下顶板(11)、下封板(12)、若干拉索(13)、叠层区(14)、滑动区(15)；叠层区(14)由橡胶层(9)和加劲钢板(8)叠合而成，两者硫化粘结；滑动区(15)中有若干个摩擦层(5)，每个摩擦层由滑动钢板(6)、四氟滑板(7)、加劲钢板(8)组成，四氟滑板(7)与加劲钢板(8)可靠粘结，四氟滑板(7)与滑动钢板(8)之间可发生相对滑动；

所述上封板(4)、下封板(12)各自通过上顶板(1)、下顶板(11)分别与外部结构可靠连接；

所述顶板(1)、(11)的预留孔道若干孔道，各个拉索(13)穿过顶板(1)、(11)的预留孔道，拉索(13)组件与顶板(1)、(11)形成连接，以保证顶板(1)、(11)的相对位移在设计指定范围之内，避免橡胶支座发生过大的剪切变形。本申请设置若干条贯穿上下顶板的、一定长度的拉索，拉索可有效约束支座本体的变形范围，形成拉索限位刚度差异组合橡胶减震支座。

仅作为举例，所述上顶板(1)、下顶板(11)带有螺栓孔，与外部结构(例如梁底、墩顶)的预埋件连接；也可以通过焊接实现。梁底、墩顶等仅作为例举，非限定，任何适用于本申请支座场景。

进一步的，所述上顶板(1)与上封板(4)之间，以及下顶板(11)与下封板(12)之间设置辅助机构，以保证支座本体与顶板之间的整体性。

所述辅助机构，结构实现：采用锚固螺栓(2)、抗剪块(3)；所述上顶板(1)位于上封板(4)上侧，两者紧密接触，上顶板(1)开设螺栓孔，采用锚固螺栓(2)与上封板形成栓接；

所述上顶板(1)与上封板(4)相接处的一侧均适当开槽处理，槽内放置抗剪块(3)，抗剪块(3)与上顶板(1)、上封板(4)紧密接触，其功能为传递上顶板(1)与上封板(4)之间的剪力；

同结构同机理：

所述下顶板(11)位于下封板(12)下侧，两者紧密接触，下顶板(11)开设螺栓孔，采用锚固螺栓(2)与下封板形成栓接，下顶板(11)与下封板(12)相接处的一侧均适当开槽处理，槽内放置抗剪块(3)，抗剪块(3)与下顶板(11)、下封板(12)紧密接触，其功能为传递下顶板(11)与下封板(12)之间的剪力。

所述的拉索限位刚度差异组合橡胶减震支座，其特征在于，支座还包括，橡胶保护层(10)；所述橡胶保护层(10)围绕在支座的外部，即橡胶保护层10围绕在加劲钢板(8)的周向外和上封板(4)、下封板(12)的平面外。

本申请中，所述上、下顶板采用钢板，形状与尺寸可以根据设计需要调整，支座放置在上下顶板的凹槽中防止在地震作用下掉落。

本申请中，上、下顶板带有螺栓孔，可以和梁底、墩顶的预埋件进行可靠连接。

本申请中，拉索贯通于上、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。

本申请中，所述加劲钢板为整体，为叠层区和滑动区所共用，保证支座位移协调性。

本申请中，所述滑动钢板可以选择任一能与四氟滑板发生相对滑动的材料。

本申请中，所述摩擦层既可以选择四氟滑板和滑动钢板的接触面作为滑动摩擦面，也可以选择四氟滑板与加劲钢板的接触面作为滑动摩擦面。

本申请中，滑动区的四氟滑板尺寸与滑动钢板尺寸一致，叠层区和滑动区的形状和尺寸可以根据设计需要进行调整。

本申请中，所述四氟滑板在技术方案中为摩擦板，用于与滑动钢板之间形成相对滑动。无法穷举仅例举，所述四氟滑板也可以用改性聚四氟乙烯板、改性超高分子乙烯板等各类耐磨材料面板替代。

本申请中，滑动区内单层摩擦层沿厚度方向的细化分层包括滑动钢板和四氟滑板的厚度和位置，可以根据设计需要进行调整；

本申请中，所述滑动区中摩擦层的层数可以根据设计需要进行调整。

本申请的工作原理为：

拉索限位刚度差异组合橡胶减震支座的结构与板式橡胶支座相似，并没有改变支座的竖向承载能力；

水平方向上，拉索限位刚度差异组合橡胶减震支座的滑动区内具有摩擦层，即该层可以发生相对滑动，支座的水平变形可以由橡胶的剪切变形和滑动区内摩擦层滑动摩擦变形共同提供，并通过叠层区与滑动区共同使用同一块加劲钢板，协调两种变形，支座的整体性和位移适应能力也得到提高。

支座的抗剪刚度减小，桥梁周期延长，结构地震动力响应减小，达到减隔震效果，且该效果可以通过调整滑动区的尺寸和摩擦层数量来进行调整；

在地震作用下，多个摩擦层可以同时滑动，受到叠层区橡胶层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，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。

在地震作用过后，橡胶具有弹性恢复力，易恢复到初始状态，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滑动区的尺寸来调节墩台所受的内力，并且适应由于温度作用等引起的上部结构较大的位移。

本申请主要提供如下优点：

1、本申请所提供的拉索限位刚度差异组合橡胶减震支座通过在板式橡胶支座的若干层加劲钢板上放置四氟滑板和滑动钢板，使得支座具有滑动能力，并被叠层区橡胶层约束而不会导致层间位移过大失稳。由于滑动区和叠层区共用加劲钢板，滑动变形和橡胶剪切变形能够协调，进一步提高支座位移适应能力，在正常使用状态和地震作用下能适应更大的位移。

2、本申请提供的装置充分体现了减隔震的原理，即体现“力与位移”的平衡关系，通过引入支座局部滑动摩擦变形，减小支座水平刚度，充分延长结构周期，从而降低桥梁地震响应；在强震作用下能够通过拉索限制梁体发生过大位移；并在震后可以依靠橡胶的弹性恢复力进行复位。

3、本申请提供的装置制造过程与板式橡胶支座相似，具有生产工艺简单、使用方便、造价较低等特点。

4、本申请提供的装置作为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，如：可以中通过调整滑动区的面积大小，从而调整桥梁结构正常使用、地震作用下的荷载分配，适应不同状况下的位移；根据设计容许位移，调整拉索自由行程；根据墩台内力和索力调整拉索的截面尺寸和数量。

5、本申请所提供的装置全部采用环保、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，本申请能够提高在不削弱竖向承载能力的同时，引入滑动面的滑动摩擦变形，并通过共用加劲钢板提高滑动摩擦变形和橡胶剪切变形之间的协调性，提高支座位移能力；减小支座的水平刚度，适应正常使用状态下更大的上部结构位移，并延长结构周期，减小结构所受地震作用；进一步地，本装置可以在多个滑动面上发生摩擦滑动，地震时在具有一定的耗能能力；进一步地，大震作用下，本装置通过拉索拉紧具有限位能力；进一步地，本装置具有弹性恢复力，震后可以复位。

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申请装置的尺寸调整。

附图说明：

附图为本申请的实施例，其中：

图1拉索限位刚度差异组合橡胶减震支座剖视图

图2拉索限位刚度差异组合橡胶减震支座平面图

图3拉索限位刚度差异组合橡胶减震支座立面图

图中标号：上顶板1，锚固螺栓2、抗剪块3、上封板4、摩擦层5、滑动钢板6、四氟滑板7、加劲钢板8、橡胶层9、橡胶保护层10、下顶板11、下封板12、拉索13、叠层区14、滑动区15。

具体实施方式

实施例1：请见图1-图3，是拉索限位刚度差异组合橡胶减震支座，内部由上顶板1、上封板4、下顶板11、下封板12、拉索13、叠层区14、滑动区15组成；上顶板1(或下顶板11)与上封板4(或下封板12)之间通过锚固螺栓2和抗剪块3可靠连接；叠层区14由橡胶层9和加劲钢板8叠合而成，滑动区15具有若干个摩擦层5，每个摩擦层又由滑动钢板6、四氟滑板7和加劲钢板8组成；橡胶保护层10围绕在加劲钢板8和封板4、12的外部。

所述四氟滑板7与加劲钢板8粘结，与滑动钢板6可发生相对滑动。

所述叠层区14、滑动区15在每一层中共用同一块加劲钢板8。

所述滑动钢板6在生产过程中，与四氟滑板7接触面处需打磨光滑且不涂抹粘结剂，与加劲钢板的接触面处需要打毛并涂抹粘结剂，进行整体硫化粘结。

所述加劲钢板8在生产过程中，与橡胶层9、四氟滑板7的接触面处需进行打毛并涂抹粘结剂，进行整体硫化粘结。

所述发明装置在上顶板1、下顶板11预留孔洞，通过螺栓和埋置在桥梁和墩、台上的预留件进行可靠连接。

所述拉索13的每一束都分别穿过上顶板1、下顶板11预留的孔道。

作为本申请实施例的又一种变换，每层摩擦层的四氟滑板也可以换成其他有利于滑动摩擦的材料。

作为本申请实施例的又一种变换，滑动区内摩擦层可以为一个或多个，与叠层区形成组合截面。

作为本申请实施例的又一种变换，可以将滑动钢板替换成其他能与四氟滑板发生相对滑动的材料。

作为本申请实施例的又一种变换，可以改变滑动钢板与四氟滑板的位置、厚度和尺寸。

作为本申请实施例的又一种变换，可以将摩擦滑动面从四氟滑板与滑动钢板的接触面，替换为四氟滑板与加劲钢板的接触面，滑动面处需打磨光滑且不能涂抹粘结剂，非滑动面处需进行打毛并涂抹粘结剂。

作为本申请实施例的又一种变换，可以将锚固螺栓和抗剪块替换成其他可靠的锚固装置。

作为本申请实施例的又一种变换，拉索的数量、截面尺寸、自由行程都可以进行调整。

作为本申请实施例的又一种变换，可以将滑动钢板替换成其他便于四氟滑板发生滑动的材料。

作为本申请实施例的又一种变换，可以改变加劲钢板与橡胶层和四氟滑板之间的粘结方式。

本申请以最简单的公路梁桥的支座例来设计时，先根据支座正常使用状态下的竖向反力，确定支座面积，利用有限元软件，在满足正常使用状态中支座允许位移和保证地震作用下能发挥足够的减隔震效果的前提下，确定支座的水平刚度、支座厚度，进而确定滑动区的尺寸；同时可以通过调节滑动区的尺寸，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。进一步地，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。

本申请即拉索限位刚度差异组合橡胶减震支座在地震发生时有四个作用：

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滑动区可以通过摩擦滑动在一定程度上消耗地震能量，且在叠层区约束下不会造成失稳。

③强震作用下，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地震作用过后，支座可以依靠橡胶的弹性恢复力恢复到接近原状。

此外，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，调整内部滑动区的尺寸，且施工工艺简单，与板式橡胶支座一样便于更换维护，对环境无污染，具有可持续性和可发展性。

在保证支座竖向承载力的前提下，允许滑动区内摩擦层发生相对滑动，支座位移由橡胶剪切变形和摩擦层滑动变形共同提供，从而减小支座水平刚度，正常使用状态可以适应上部结构在温度作用下等更大的变形；地震作用下可以延长结构周期，并在受约束状态下发生滑动摩擦，具有一定的耗能能力，从而减小结构动力响应，达到减隔震效果；强震作用下通过拉索拉紧具有限位能力；震后支座具有自恢复性。进一步地，可以通过调整滑动区的尺寸和数量，调整支座的水平刚度，可以使得下部结构内力尽可能均匀。

滑动区的摩擦层尺寸、数量、选用材料以及形状都可以按照具体情况进行调整，任何依据本申请构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本申请的技术方案范畴。

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，任何依据本申请构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本申请的技术方案范畴。

叠层区和滑动区形成组合截面，共同使用同一块加劲钢板，叠层区和滑动区可以整体发生变形，具有协调性；此外支座可以整体加工，制作简单方便，可以降低工程成本投入和设计施工难度，尤其适用于中小跨径的公路连续梁桥。

Claims (2)

1.一种拉索限位刚度差异组合橡胶减震支座，其特征在于，包括上顶板（1）、锚固螺栓（2）、抗剪块（3）、上封板（4）、下顶板（11）、下封板（12）、若干拉索（13）、叠层区（14）、滑动区（15）；叠层区（14）由橡胶层（9）和加劲钢板（8）叠合而成，两者硫化粘结；滑动区（15）中有若干个摩擦层（5），每个摩擦层由滑动钢板（6）、四氟滑板（7）、加劲钢板（8）组成，四氟滑板（7）与滑动钢板（6）可靠粘结，四氟滑板（7）与加劲钢板（8）之间可发生相对滑动；

所述上封板（4）、下封板（12）各自通过上顶板（1）、下顶板（11）分别与外部结构可靠连接；

所述上顶板（1）、下顶板（11）的预留孔道若干孔道，各个拉索（13）穿过上顶板（1）、下顶板（11）的预留孔道，拉索（13）组件与上顶板（1）、下顶板（11）形成连接，以保证上顶板（1）、下顶板（11）的相对位移在设计指定范围之内，避免橡胶支座发生过大的剪切变形;

所述上顶板（1）与上封板（4）之间，以及下顶板（11）与下封板（12）之间设置辅助机构，以保证支座本体与顶板之间的整体性；

所述辅助机构，结构实现：采用锚固螺栓（2）、抗剪块（3）；所述上顶板（1）位于上封板（4）上侧，两者紧密接触，上顶板（1）开设螺栓孔，采用锚固螺栓（2）与上封板形成栓接；

所述上顶板（1）与上封板（4）相接处的一侧均开槽处理，槽内放置抗剪块（3），抗剪块（3）与上顶板（1）、上封板（4）紧密接触，其功能为传递上顶板（1）与上封板（4）之间的剪力；

同结构同机理：

所述下顶板（11）位于下封板（12）下侧，两者紧密接触，下顶板（11）开设螺栓孔，采用锚固螺栓（2）与下封板形成栓接，下顶板（11）与下封板（12）相接处的一侧均开槽处理，槽内放置抗剪块（3），抗剪块（3）与下顶板（11）、下封板（12）紧密接触，其功能为传递下顶板（11）与下封板（12）之间的剪力；

所述上顶板（1）、下顶板（11）采用钢板。

2.如权利要求1所述的拉索限位刚度差异组合橡胶减震支座，其特征在于，支座还包括，橡胶保护层（10）；

所述橡胶保护层（10）围绕在支座的外部，即橡胶保护层（10）围绕在加劲钢板（8）的周向外和上封板（4）、下封板（12）的平面外。