CN111472267B - 桥梁弹性球型支座 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁弹性球型支座，该支座由橡胶弹性系统与球型支座系统并联而成，其特征在于：所述橡胶弹性系统由上连接板、橡胶本体、下连接板自上而下叠置而成，所述球型支座系统由上支座板、不锈钢滑板、平面聚四氟乙烯板、球冠衬板、球面聚四氟乙烯板、下支座板自上而下叠置而成，所述上支座板通过焊接或锚栓连接的方式与桥梁的上部结构连成整体，所述下支座板通过焊接或锚栓连接的方式与桥梁的下部结构连成整体，本发明构思巧妙，在不改变普通球型支座支承功能和变位功能的基础上，增加了具有可调水平刚度的隔震功能，广泛适用于高烈度区的梁式桥。

Description

桥梁弹性球型支座

技术领域

本发明涉及一种桥梁支座，特别是桥梁弹性球型支座。

背景技术

桥梁是生命线工程之一，其抗震性能决定着抗震救灾和灾后重建的效率。支座是桥梁的主要构件之一，是提升桥梁抗震性能的重要装置。常用的桥梁支座主要有板式橡胶支座、盆式橡胶支座、球型支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座、摩擦摆支座等。其中，球型支座因其承载力大、耐久性优、经济性好而受到广泛应用。

桥梁球型支座根据水平方向能否滑动可分为滑动支座和固定支座，工程实践中这两种类型的支座通常一起使用。以连续梁桥为例，在纵桥向通常设置一处固定支座，其余均采用滑动支座；在横桥向每个墩台处通常设置一个固定支座，其余均采用滑动支座。可以看出，无论是纵桥向还是横桥向，连续梁桥均采用了固定支座对主梁和墩台进行连接，即采用了铰接的形式。然而，铰接会造成桥梁的整体刚度偏大，自振周期偏小，地震作用偏大，进而造成桥梁构件破坏。出现上述问题的根本原因在于，球型支座约束了主梁与桥墩之间的相对位移，增大了支座的水平剪力，该剪力依次传递到墩台与基础，并引起各自弯矩的增大，一旦支座的水平承载力小于上述剪力，支座将发生剪切破坏；一旦墩台与基础的抗剪承载力小于上述剪力，墩台与基础将发生剪切破坏；一旦墩台与基础的抗弯承载力小于上述弯矩，墩台与基础将发生弯曲破坏。可见，球型支座使得连续梁桥的抗震性能出现劣化，进而限制了该支座在高烈度区的使用。

综上所述，水平约束功能限制了球型支座的应用，因此有必要对该类型支座进行改造升级，增强其抗震性能以获得更大范围的应用。

发明内容

鉴于桥梁球型支座应用广泛但抗震性能较差的现状，本发明从增强其抗震性能、扩展其应用范围的角度出发，公开了一种桥梁弹性球型支座，旨在实现球型支座的水平抗剪刚度可控化设计，进而调节桥梁墩台与基础的受力，全面提升桥梁的抗震性能。

本发明为解决其技术问题提出的技术方案为：一种桥梁弹性球型支座，包括：

并联的橡胶弹性系统与球型支座系统；

所述橡胶弹性系统由上连接板、橡胶本体、下连接板自上而下叠置而成，所述上连接板与橡胶本体采用硫化粘结，所述下连接板与橡胶本体采用硫化粘结；

所述球型支座系统由上支座板、不锈钢滑板、平面聚四氟乙烯板、球冠衬板、球面聚四氟乙烯板、下支座板自上而下叠置而成，所述上支座板与不锈钢滑板采用焊接连接，所述不锈钢滑板与球冠衬板之间设置平面聚四氟乙烯板，所述球冠衬板与下支座板之间设置球面聚四氟乙烯板，所述上支座板与上连接板采用螺栓连接，所述下支座板与下连接板采用螺栓连接。

进一步地，平面聚四氟乙烯板、球冠衬板、球面聚四氟乙烯板、下支座板、上连接板、橡胶本体和下连接板在水平面上的投影为中心对称的同心圆结构。

进一步地，橡胶本体选用天然橡胶、人工橡胶、与钢板组成的叠层橡胶、铅芯橡胶、高阻尼橡胶中的一种。

进一步地，所述橡胶弹性系统的未压缩总厚度等于球型支座系统在设计竖向承载力作用下压缩后上支座板与下支座板之间的净距。

进一步地，支座本体的容许剪切变形值小于不锈钢滑板与平面聚四氟乙烯板的设计滑动位移值。

进一步地，支座本体的竖向容许压缩变形值大于球型支座系统达到设计转角时上支座板与下支座板同侧边缘之间减小的距离。

进一步地，支座本体的竖向容许拉伸变形值大于球型支座系统达到设计转角时上支座板与下支座板同侧边缘之间增大的距离。

进一步地，上支座板通过焊接或锚栓连接的方式与桥梁的上部结构连成整体，下支座板通过焊接或锚栓连接的方式与桥梁的下部结构连成整体。

进一步地，桥梁弹性球型支座的本构模型为：支座竖向刚度K_V＝F/s，其中F为竖向设计承载力，s为球型支座系统竖向压缩量，通常取支座总高度的1％；

进一步地，当支座本体采用板式橡胶时，支座水平刚度K_E＝GA/Σt，其中G为加劲橡胶板的动剪切模量，A加劲橡胶板的剪切面积，Σt为橡胶层的总厚度。

本发明取得的有益技术效果是：本发明在保留普通球型支座基本功能的基础上，增加了隔震功能，且水平刚度具有可调节性，极大拓展了球型支座的应用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种桥梁弹性球型支座的断面图；

图2为本发明实施例提供的一种桥梁弹性球型支座的A-A剖面图；

图3为本发明实施例提供的一种桥梁弹性球型支座的B-B剖面图；

图4为本发明实施例提供的一种桥梁弹性球型支座的压缩示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

支座的基本功能包括竖向支承功能、水平变位功能，以及转动功能。在地震作用下，为降低上部结构传至下部结构与基础的地震力，通常要求支座具备隔震功能，即支座具有一定的水平刚度，进而减小地震力的传导。对于常规的球型支座而言，仅具备支座的基本功能，尚不具备隔震功能。因此，从增强支座功能的角度出发，为球型支座赋予隔震功能。

从材料上讲，支座的隔震功能可分为橡胶类隔震材料和摩擦类隔震材料。其中，橡胶类隔震材料是应用最为广泛的支座隔震材料，包括天然橡胶、人工橡胶、高阻尼橡胶等。因此，橡胶类隔震材料可作为实现球型支座隔震功能的一种选择。在工程实践中，橡胶类材料可单独使用制作为支座，如板式橡胶支座、高阻尼橡胶支座等，然而受橡胶材料特性的限制，此类支座的竖向承载力通常不大，并不适用于跨径较大的桥梁；同时，人工橡胶存在较为明显的老化问题，耐久性值得商榷。因此在球型支座的二次设计中，需保留支座本身的基本功能，仅将橡胶类材料的隔震功能单独设计，提出桥梁弹性球型支座的概念。

参见图1-4，本发明的桥梁弹性球型支座由橡胶弹性系统与球型支座系统并联而成，其特征在于：所述橡胶弹性系统由上连接板7、橡胶本体8、下连接板9自上而下叠置而成，所述上连接板7与橡胶本体8采用硫化粘结，所述下连接板9与橡胶本体8采用硫化粘结，所述球型支座系统由上支座板1、不锈钢滑板2、平面聚四氟乙烯板3、球冠衬板4、球面聚四氟乙烯板5、下支座板6自上而下叠置而成，所述上支座板1与不锈钢滑板2采用焊接连接，所述不锈钢滑板2与球冠衬板4之间设置平面聚四氟乙烯板3，所述球冠衬板4与下支座板6之间设置球面聚四氟乙烯板5，所述上支座板1与上连接板7采用螺栓连接，所述下支座板6与下连接板9采用螺栓连接。

本实施例中，上连接板7、橡胶本体8、下连接板9、平面聚四氟乙烯板3、球冠衬板4、球面聚四氟乙烯板5、下支座板6在水平面上的投影为中心对称的同心圆结构。

本实施例中，橡胶本体8选用天然橡胶、人工橡胶、与钢板组成的叠层橡胶、铅芯橡胶、高阻尼橡胶中的一种。

本实施例中，橡胶弹性系统的未压缩总厚度等于球型支座系统在设计竖向承载力作用下压缩后上支座板1与下支座板6之间的净距。

本实施例中，支座本体8的容许剪切变形值小于不锈钢滑板2与平面聚四氟乙烯板3的设计滑动位移值。

本实施例中，支座本体8的竖向容许压缩变形值大于球型支座系统达到设计转角时上支座板1与下支座板6同侧边缘之间减小的距离。

本实施例中，支座本体8的竖向容许拉伸变形值大于球型支座系统达到设计转角时上支座板1与下支座板6同侧边缘之间增大的距离。

本申请实施例的桥梁弹性球型支座的设计方法为：

该支座的竖向支承功能、水平变位功能、转动功能由球型支座系统实现，其中，竖向支承功能由球型支座各钢构件竖向压缩实现，水平变位功能由球型支座的不锈钢滑板实现，转动功能由球型支座的球面聚四氟乙烯板实现；

该支座的隔震功能由橡胶弹性系统实现，主要依靠支座本体的水平变形实现；上述两套系统并联而成，设计时重点考虑变形协调，其中橡胶弹性系统的未压缩总厚度应等于球型支座系统在设计竖向承载力作用下压缩后上支座板与下支座板之间的净距，以确保橡胶弹性系统不承受竖向设计荷载，支座本体的容许剪切变形值小于不锈钢滑板与平面聚四氟乙烯板的设计滑动位移值，以确保支座本体变形可控，支座本体的竖向容许压缩变形值大于球型支座系统达到设计转角时上支座板与下支座板同侧边缘之间减小的距离，支座本体的竖向容许拉伸变形值大于球型支座系统达到设计转角时上支座板与下支座板同侧边缘之间增大的距离，以确保球型支座系统正常转动时支座本体的安全性。

桥梁弹性球型支座的本构模型为：支座竖向刚度K_V＝F/s，其中F为竖向设计承载力，s为球型支座系统竖向压缩量，通常取支座总高度的1％；当支座本体采用板式橡胶时，支座水平刚度K_E＝GA/Σt，其中G为加劲橡胶板的动剪切模量，A加劲橡胶板的剪切面积，Σt为橡胶层的总厚度；当支座本体采用铅芯橡胶或高阻尼橡胶时，支座水平刚度可采用双线性模型表示。

需要进一步说明的是：橡胶弹性系统的核心构件是环形橡胶本体，其主要特点在于橡胶本体无需承担竖向荷载，仅通过自身的水平变位即可实现隔震的目的，且在震后具有一定程度的复位功能。需要指出的是，与常规隔震支座不同，橡胶本体的尺寸不受竖向荷载控制，其水平刚度可根据抗震分析需要进行调整，具有良好的适应性。同时，橡胶本体具有优异的拉伸与压缩功能，可适应因球型支座转动而引起的变形。从结构形式上讲，橡胶本体具有可更换性，可根据设计使用年限或地震损坏予以更换。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种桥梁弹性球型支座的设计方法，其特征在于，所述桥梁弹性球型支座包括：

并联的橡胶弹性系统与球型支座系统；

所述橡胶弹性系统由上连接板(7)、橡胶本体(8)、下连接板(9)自上而下叠置而成，所述上连接板(7)与橡胶本体(8)采用硫化粘结，所述下连接板(9)与橡胶本体(8)采用硫化粘结；

所述球型支座系统由上支座板(1)、不锈钢滑板(2)、平面聚四氟乙烯板(3)、球冠衬板(4)、球面聚四氟乙烯板(5)、下支座板(6)自上而下叠置而成，所述上支座板(1)与不锈钢滑板(2)采用焊接连接，所述不锈钢滑板(2)与球冠衬板(4)之间设置平面聚四氟乙烯板(3)，所述球冠衬板(4)与下支座板(6)之间设置球面聚四氟乙烯板(5)，所述上支座板(1)与上连接板(7)采用螺栓连接，所述下支座板(6)与下连接板(9)采用螺栓连接；

所述桥梁弹性球型支座的设计方法包括：

所述桥梁弹性球型支座的竖向支承功能、水平变位功能、转动功能由球型支座系统实现，其中，竖向支承功能由球型支座各钢构件竖向压缩实现，水平变位功能由球型支座的不锈钢滑板实现，转动功能由球型支座的球面聚四氟乙烯板实现；

该支座的隔震功能由橡胶弹性系统实现，主要依靠橡胶本体的水平变形实现；

橡胶弹性系统的未压缩总厚度等于球型支座系统在设计竖向承载力作用下压缩后上支座板与下支座板之间的净距，以确保橡胶弹性系统不承受竖向设计荷载，橡胶本体的容许剪切变形值小于不锈钢滑板与平面聚四氟乙烯板的设计滑动位移值，以确保橡胶本体变形可控，橡胶本体的竖向容许压缩变形值大于球型支座系统达到设计转角时上支座板与下支座板同侧边缘之间减小的距离，橡胶本体的竖向容许拉伸变形值大于球型支座系统达到设计转角时上支座板与下支座板同侧边缘之间增大的距离，以确保球型支座系统正常转动时橡胶本体的安全性；

桥梁弹性球型支座的本构模型为：支座竖向刚度K_V＝F/s，其中F为竖向设计承载力，s为球型支座系统竖向压缩量，通常取支座总高度的1％；

当橡胶本体采用板式橡胶时，支座水平刚度K_E＝GA/Σt，其中G为加劲橡胶板的动剪切模量，A加劲橡胶板的剪切面积，Σt为橡胶层的总厚度。

2.根据权利要求1所述的桥梁弹性球型支座的设计方法，其特征在于，平面聚四氟乙烯板(3)、球冠衬板(4)、球面聚四氟乙烯板(5)、下支座板(6)、上连接板(7)、橡胶本体(8)和下连接板(9)在水平面上的投影为中心对称的同心圆结构。

3.根据权利要求1或2所述的桥梁弹性球型支座的设计方法，其特征在于，橡胶本体(8)选用天然橡胶、人工橡胶、与钢板组成的叠层橡胶、铅芯橡胶、高阻尼橡胶中的一种。

4.根据权利要求1或2所述的桥梁弹性球型支座的设计方法，其特征在于，上支座板(1)通过焊接或锚栓连接的方式与桥梁的上部结构连成整体，下支座板(6)通过焊接或锚栓连接的方式与桥梁的下部结构连成整体。

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