CN111335147A - 一种自复位的高阻尼橡胶与sma钢棒联合的防落梁装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自复位的高阻尼橡胶与SMA钢棒联合的防落梁装置,属于桥梁结构技术领域。该防落梁装置包括设置在主梁和盖梁之间的抗拉拔钢挡块以及倾斜设置在抗拉拔钢挡块两侧设置的SMA钢棒构件;SMA钢棒构件包括SMA钢棒,SMA钢棒的顶端设有SMA钢棒上套箱,SMA钢棒的顶部嵌设在SMA钢棒上套箱的容纳腔内,SMA钢棒上套箱的容纳腔内壁上设有第一耗能垫,第一耗能垫与SMA钢棒顶端预留有第一初始间隙,SMA钢棒的底端嵌固在SMA钢棒下锚块内,SMA钢棒上套箱与主梁连接,SMA钢棒下锚块与盖梁和抗拉拔钢挡块连接。本发明的防落梁装置能够对小震、中震、大震甚至超预期地震进行更为完善的防护,且在震后能够有效自修复。

Description

一种自复位的高阻尼橡胶与SMA钢棒联合的防落梁装置
技术领域
本发明涉及桥梁结构技术领域,具体涉及自复位的高阻尼橡胶与SMA钢棒联合的防落梁装置。
背景技术
桥梁结构在服役期间通常会受到不同等级地震荷载的冲击,抗震设计与抗震措施的联合应用能够充分满足桥梁结构“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震需求。挡块与防落梁装置的应用能够有效防止桥梁在地震中发生支座、伸缩装置破坏以及碰撞、落梁震害,挡块能够限制支座的较大位移,防落梁装置则能够防止桥梁发生过大位移而导致落梁震害。然而,现有的抗震措施一旦在地震作用下发生塑性破坏便无法修复,且能够针对不同等级地震提供多级抗震功能的抗震措施相对少见。
从耐久性方面考虑,现有的抗震措施发生破坏之后通常无法继续发挥其抗震功能,且地震耗能能力相对较差,也较难修复,从桥梁震后修复方面考虑,现有的防落梁装置大多都无法进行灾后修复。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的问题,提供一种自复位的高阻尼橡胶与SMA钢棒联合的防落梁装置。
本发明提供的自复位的高阻尼橡胶与SMA钢棒联合的防落梁装置,包括设置在主梁和盖梁之间的抗拉拔钢挡块以及倾斜设置在所述抗拉拔钢挡块的两侧设置的SMA钢棒构件;
所述SMA钢棒构件包括SMA钢棒,所述SMA钢棒的顶端设有SMA钢棒上套箱,所述SMA钢棒的顶部嵌设在SMA钢棒上套箱的容纳腔内,所述SMA钢棒上套箱的容纳腔内壁上设有第一耗能垫,所述第一耗能垫与SMA钢棒顶端预留有第一初始间隙,所述SMA钢棒的底端嵌固在SMA钢棒下锚块内,所述SMA钢棒上套箱与主梁连接,所述SMA钢棒下锚块与盖梁和抗拉拔钢挡块连接。
较佳地,所述抗拉拔钢挡块包括钢挡块主体,所述钢挡块主体顶部固定有钢挡块上底板,钢挡块上底板与主梁锚固,所述钢挡块主体的底部设有梳齿条,所述钢挡块主体的上套设有下套箱,所述下套箱与钢挡块主体的之间设有第二耗能垫,第二耗能垫上设有与梳齿条相匹配的梳齿槽,梳齿条设在梳齿槽内,所述第二耗能垫与钢挡块主体之间预留有第二初始间隙,所述下套箱固定在盖梁上。
较佳地,第一耗能垫和第二耗能垫均为高阻尼橡胶垫。
较佳地,SMA钢棒与抗拉拔钢挡块的夹角为30°-45°。
较佳地,SMA钢棒上套箱通过第一锚固钢棒与主梁连接,所述SMA钢棒下锚块通过第二锚固钢棒与盖梁连接。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明的防落梁装置对桥梁结构在地震荷载下产生的过大位移进行控制,起到疏导结构位移、限制过大位移、防止结构发生碰撞、落梁等震害的作用。在设置防落梁装置部位的结构相对位移未达到装置的设计启动位移量时,挡块及SMA钢棒都不发生作用;当该部位所产生的结构相对位移量大于挡块的启动位移量时,挡块便会发挥其限位、耗能分灾作用。当桥梁上下部结构的相对位移更大,超过支座的设计位移量且挡块发生塑性变形时,SMA钢棒便开始启动,起到耗能限位的作用,限制桥梁在地震作用下的过大位移。当地震逐渐增大时,桥梁结构位移超过其设计位移量,挡块便开始启动,以限制支座的较大位移,且高阻尼橡胶垫能够起到耗能与自恢复的作用;当挡块发生破坏时,且桥梁上下部结构的相对位移超过支座的设计位移量时,SMA钢棒便开始发挥作用,以限制桥梁结构在大震作用下的过大位移。此时挡块与SMA钢棒共同抵抗地震作用,高阻尼橡胶与SMA钢棒亦同时起到了较大的阻尼作用。以满足结构在大震作用下的抗震与耗能需求。
与现有的抗震措施相比,本发明的上述抗震系统能够对小震、中震、大震甚至超预期地震进行更为完善的防护。且在震后能够依靠高阻尼橡胶的复位功能有效自修复,SMA钢棒发生塑性破坏之后则可以通过温控方式恢复到震前状态。
附图说明
图1为本发明在桥梁结构上的布置图;
图2为本发明的结构示意图;
图3为本发明内部结构示意图;
图4为本发明的A-A断面图;
图5为本发明的B-B剖面图。
附图标记说明:
1.主梁,2.盖梁,3.抗拉拔钢挡块,31.钢挡块主体,32.钢挡块上底板,33.梳齿条,34.下套箱,36.第二耗能垫,37.第二初始间隙,5.SMA钢棒,6.SMA钢棒上套箱,7.第一耗能垫,8.第一初始间隙,9.SMA钢棒下锚块,10.第一锚固钢棒,11.第二锚固钢棒。
具体实施方式
下面结合附图1-5,对本发明的具体实施方式进行详细描述,但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
防落梁装置通常设置于主梁端部用于连接主梁与盖梁,与支座在同一横断面内,其中SMA钢棒在纵桥向方向设置,如图1所示。
本发明提供的自复位的高阻尼橡胶与SMA钢棒联合的防落梁装置,包括设置在主梁1和盖梁2之间的抗拉拔钢挡块3以及倾斜设置在所述抗拉拔钢挡块3两侧设置的SMA钢棒构件;
所述SMA钢棒构件包括SMA钢棒5,所述SMA钢棒5的顶端设有SMA钢棒上套箱6,所述SMA钢棒5的顶部嵌设在SMA钢棒上套箱6的容纳腔内,所述SMA钢棒上套箱6的容纳腔内壁上设有第一耗能垫7,所述第一耗能垫7与SMA钢棒5顶端预留有第一初始间隙8,所述SMA钢棒5的底端嵌固在SMA钢棒下锚块9内,所述SMA钢棒上套箱6与主梁1连接,所述SMA钢棒下锚块9与盖梁2和抗拉拔钢挡块3连接。
其中,抗拉拔钢挡块3包括钢挡块主体31,所述钢挡块主体31顶部固定有钢挡块上底板32,钢挡块上底板32与主梁1锚固,所述钢挡块主体31的底部设有梳齿条33,所述钢挡块主体31的上套设有下套箱34,所述下套箱34与钢挡块主体31的之间设有第二耗能垫36,第二耗能垫36上设有与梳齿条33相匹配的梳齿槽,梳齿条33设在梳齿槽内,所述第二耗能垫36与钢挡块主体31之间预留有第二初始间隙37,所述下套箱34固定在盖梁2上。
在具体使用时,抗拉拔钢挡块3的工作机理是:在地震作用下,主梁1发生水平位移;当该位移大于本桥梁抗拉拔钢挡块与主梁间预设的间距时,本抗拉拔钢挡块3开始受力;随着水平作用的不断增大,主梁1位移不断增大,钢挡块主体3底部与第二耗能垫36之间的相对位移不断增大,第二耗能垫36不断被压缩,梳齿条33与梳齿槽之间不断发生碰撞;第二耗能垫36变形的增大将导致其恢复力不断增大,当该变形量等于其极限变形量时,上下部结构的相对位移将传递到下套箱34处,挡块底部开始产生位移;当水平作用结束后,主梁1在第二耗能垫36恢复力的作用下向初始位置移动,即可在一定程度上实现复位的目的。
其中,第一耗能垫7和第二耗能垫36均为高阻尼橡胶垫。
其中,SMA钢棒5与抗拉拔钢挡块3的夹角为30°-45°。
其中,SMA钢棒上套箱6通过第一锚固钢棒10与主梁1连接,所述SMA钢棒下锚块9通过第二锚固钢棒11与盖梁2连接。
上述第一初始间隙8为桥梁在EI地震作用下的支座位移或支座剪切变形量中的最大值,支座剪切变形量的确定方法如下:根据各支座规范对橡胶支座剪切变形量的规定计算剪切变形量。以板式橡胶支座为例,支座的剪切变形量为橡胶层总厚度te乘以结构计入制动力时橡胶支座剪切角正切值的最大值0.7。计入制动力时,橡胶支座剪切角正切值,橡胶层总厚度te均通过交通行业标准JT/T 4-2019公路桥梁板式橡胶支座、JT/T 391-2019公路桥梁盆式支座等支座规格系列获取;
第二初始间隙37为支座的设计位移量,支座的设计位移量的确定方法如下:根据各支座规范中对支座的顺桥向及横桥向设计变形量进行选择。以板式橡胶支座为例,规范规定的计入制动力时支座的最大位移量即为其设计变形量。
在本发明多级抗震体系中,在水平作用下,当桥梁上部结构与下部结构之间发生相对运动,当相对位移等于第二初始间隙37时,钢挡块主体31撞击高阻尼橡胶耗能垫,梳齿条33与橡胶垫层的梳齿槽亦发生碰撞,进而高阻尼橡胶耗能垫开始受力,橡胶垫侧壁受到压缩,限制了相对位移的进一步增大,同时产生耗能效果;当上述相对位移进一步增大时,高阻尼橡胶垫与下套箱34之间的作用力持续增大,更为有效地限制了桥梁上部结构与下部结构之间的相对运动;当水平作用结束后,桥梁在高阻尼橡胶垫恢复力的作用下向初始位置移动,实现复位。
当更大的地震发生时,若挡块发生塑性破坏,此时SMA钢棒5的位移量较大,上下部结构相对位移超过SMA钢棒上套箱第一初始间隙8,因此SMA钢棒5开始受拉并发挥其防落梁作用,同时SMA钢棒上套箱6内高阻尼橡胶垫也可以起到一定的耗能作用;依靠较大的刚度(其承载力为上部结构重度的2倍)及自复位能力对桥梁结构上部结构与下部结构之间的过大位移进行控制。当地震结束时,采用温控方法使SMA钢棒进行复位。复位原理:SMA形状记忆效应是指奥氏体相下的合金形变后,进行低温冷却,SMA中的奥氏体相变转为马氏体,在该状态下拉伸使其留下残余变形。然后再加热至一定温度时,马氏体又转变回奥氏体,又恢复到母体变形前形状的能力,如同材料具有记忆性能一样,本发明中的SMA钢棒可以采用相同的方法恢复震前状态。
本发明在桥梁结构的整个地震过程中均能发挥其抗震耗能效果,高阻尼橡胶材料及SMA钢棒均可以对桥梁结构的地震能量进行耗能,且当地震过大时,挡块与SMA钢棒将会同时发挥作用,共同抵御强烈地震对桥梁结构的破坏,防止落梁震害的发生。
现有的防落梁装置往往不考虑震后修复功能,通常的挡块及防落梁装置均是根据桥梁结构的构造要求进行设计,且桥梁抗震规范中对该部分措施的设计尚没有明确规定。在设计中同时考虑支座、伸缩装置的地震响应及位移需求,将吸能效果较好的高阻尼橡胶支座以及有自复位能力SMA钢棒协同作用的防落梁装置比较少见。
与现有技术相比本发明的优点是,可对挡块及SMA钢棒设置不同的启动位移量进行功能分配,分别在不同等级地震作用下对桥梁结构的碰撞、落梁震害进行控制。
①通过高阻尼橡胶条之间的间隙可以提供桥梁所需的弹性变形与剪切变形能力,该装置还可以满足荷载引起的上部结构转动和变位。橡胶所具备的阻尼性能还能减少动载所产生的上、下部结构之间的冲击,能够起到一定的缓冲、隔震作用。②挡块是该防落梁装置的第一级保护措施,可以用来补充地震作用下支座抗震能力的不足,与支座共同抵抗地震作用对桥梁结构产生的地震力,用以防止支座及伸缩缝处产生的过大位移导致的碰撞或上部结构落座。尤其因为高阻尼橡胶的采用,能够起到一定的耗能作用。④SMA钢棒的设计遵循以下原则:在桥梁结构正常工作状态下或遭遇小震时,SMA钢棒不发挥作用,上部结构可在常时荷载的作用下自由伸缩或振动;当遭遇灾害性地震、挡块有发生破坏的可能时,SMA钢棒开始发挥作用,以使桥梁上、下部结构的相对位移不致过大。SMA钢棒还具有耗能作用,能够在限制结构变位的同时耗散地震能量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种自复位的高阻尼橡胶与SMA钢棒联合的防落梁装置,其特征在于,包括设置在主梁(1)和盖梁(2)之间的抗拉拔钢挡块(3)以及倾斜设置在所述抗拉拔钢挡块(3)两侧设置的SMA钢棒构件;
所述SMA钢棒构件包括SMA钢棒(5),所述SMA钢棒(5)的顶端设有SMA钢棒上套箱(6),所述SMA钢棒(5)的顶部嵌设在SMA钢棒上套箱(6)的容纳腔内,所述SMA钢棒上套箱(6)的容纳腔内壁上设有第一耗能垫(7),所述第一耗能垫(7)与SMA钢棒(5)顶端预留有第一初始间隙(8),所述SMA钢棒(5)的底端嵌固在SMA钢棒下锚块(9)内,所述SMA钢棒上套箱(6)与主梁(1)连接,所述SMA钢棒下锚块(9)与盖梁(2)和抗拉拔钢挡块(3)连接。
2.如权利要求1所述的自复位的高阻尼橡胶与SMA钢棒联合的防落梁装置,其特征在于,所述抗拉拔钢挡块(3)包括钢挡块主体(31),所述钢挡块主体(31)顶部固定有钢挡块上底板(32),钢挡块上底板(32)与主梁(1)锚固,所述钢挡块主体(31)的底部设有梳齿条(33),所述钢挡块主体(31)的上套设有下套箱(34),所述下套箱(34)与钢挡块主体(31)的之间设有第二耗能垫(36),第二耗能垫(36)上设有与梳齿条(33)相匹配的梳齿槽,梳齿条(33)设在梳齿槽内,所述第二耗能垫(36)与钢挡块主体(31)之间预留有第二初始间隙(37),所述下套箱(34)固定在盖梁(2)上。
3.如权利要求1所述的自复位的高阻尼橡胶与SMA钢棒联合的防落梁装置,其特征在于,所述第一耗能垫(7)和第二耗能垫(36)均为高阻尼橡胶垫。
4.如权利要求1所述的自复位的高阻尼橡胶与SMA钢棒联合的防落梁装置,其特征在于,所述SMA钢棒(5)与抗拉拔钢挡块(3)的夹角为30°-45°。
5.如权利要求1所述的自复位的高阻尼橡胶与SMA钢棒联合的防落梁装置,其特征在于,所述SMA钢棒上套箱(6)通过第一锚固钢棒(10)与主梁(1)连接,所述SMA钢棒下锚块(9)通过第二锚固钢棒(11)与盖梁(2)连接。
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