CN111691286A - 悬索桥铰接式耗能型阻尼扣结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了悬索桥铰接式耗能型阻尼扣结构，悬索桥主梁‑主缆连接阻尼扣结构，所述阻尼扣采用C型钢片作为阻尼耗能元件，通过设计计算C型钢片的一、二次刚度，最大承载力，阻尼耗能的位移‑力的曲线等技术参数，确定其C型钢的尺寸满足悬索桥对中央阻尼扣的需求。所述阻尼扣两端采用铰接的方式分别与悬索桥的主梁与主缆连接，释放可能因为弯矩产生的内应力。所述阻尼扣内部设置有长度调节结构，主要解决因为桥梁施工误引起的主梁与主缆上的连接孔间距误差，从而导致阻尼扣安装困难或者阻尼扣受力不均而影响其性能。所述阻尼扣与水平面夹角在25°～35°之间，有利于主梁‑主缆之间力的传递及阻尼扣自身结构的优化。

Description

悬索桥铰接式耗能型阻尼扣结构
技术领域
本发明涉及悬索桥中央阻尼扣技术领域，具体地指一种悬索桥铰接式耗能型阻尼扣结构。
背景技术
如图1悬索桥是一种柔性结构，结构体系的柔度随着跨数的增加而增大，对于多跨悬索桥在车辆载荷、地震及风载等荷载作用下，主缆1和主梁2纵横向产生较大的相对位移尤为明显。对于大跨度悬索桥而言，当出现一跨满载，一跨空载的情况时，结构变形较大，主缆1将会在塔顶3产生很大的不平衡力，进而在塔底产生较大的弯矩。为了抵抗该塔底弯矩，通常会通过调整主塔截面，提高主塔的抗弯承载力，但是该方法会加剧塔顶主缆的滑移趋势。针对上述问题，常见的解决方法主要是通过调整主塔截面、塔顶主缆抗滑移措施来实现结构体系的协调，但是随着悬索桥跨径的增大，主塔截面将会不断增加，塔顶主缆滑移趋势将会加剧，两者之间终究会出现不可协调的情况，进而制约多塔悬索桥跨径的发展。
中央扣自从1950年在Tacoma新桥上使用以来,发展形成了3种设置方式:(1)用刚性三角桁架将主缆与加劲梁联结，使缆、梁在跨中处相对固定，即刚性中央扣；(2)在跨中加设1对或多对斜吊索来建立缆梁纵向约束，即柔性中央扣；(3)将主缆直接与加劲梁相联结。上述方案可有效的增加悬索桥的刚度，能有效的减小悬索桥在车辆载荷、低烈度地震及风载等情况下的主梁-主缆相对位移，但在高烈度地震环境下，采用普通的刚性中央扣或柔性中央扣并不合适，会导致主梁及中央扣构件本身应力大幅增加甚至破坏。目前常用的中央扣主要为各种型钢截面，如工字钢、槽钢等，或者采用钢-混凝土结合的截面，这种结构形式的中央扣很难具备有效的阻尼耗能作用，或者减震耗能的能力非常有限。故需要在保证中央扣自身功能的前提下，通过对中央扣结构的研究，达到减震耗能的作用。
因此，有必要研究一种兼顾刚性连接和阻尼耗能的中央扣结构，保证结构在车辆载荷、风载荷等相对较小的载荷情况下，中央扣结构发挥其刚性连接的功能，在高烈度地震的环境下，发挥其阻尼耗能功能。达到优化悬索桥塔、梁的目的。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种同时具有刚性连接功能和减震耗能功能的悬索桥中央阻尼扣。有效的减小缆、索、梁等局部结构因为长期的交变应力而产生的疲劳失效，提高桥梁的总体寿命。同时还能在高烈度地震环境下起到减震耗能的作用，保护桥梁主体结构的抗震性能。
为实现上述目的，本发明所设计的悬索桥主梁-主缆连接阻尼扣结构，包括主梁、主缆，所述主梁的主跨跨中沿顺桥向设置多对中央扣，每对中央扣由两只呈八字型布设的所述耗能杆件构成，其特征在于，所述耗能杆件包括依次连接的张紧机构、弓形阻尼连接件、连接件，所述张紧机构由丝套、丝杆组成，所述丝套设有与丝杆螺纹配合的丝孔，使丝杆可沿丝孔伸缩，所述弓形阻尼连接件由弓形板组成，弓形板两端分别与张紧机构的丝套和所述连接件铰接；
所述张紧机构远离弓形板的一端通过铰接转动副与主梁铰接，所述连接件远离弓形板件的一端通过铰接转动副与固定安装在主缆上的索夹铰接，所述铰接转动副包括设置在主梁、索夹与所述耗能杆件两端并相互配合的单耳板、双耳板，使互相配合的单耳板、双耳板形成销铰连接的关节轴承及主销。
作为优选方案，所述张紧机构设有一对丝套和一根丝杆，一对丝套套于一根丝杆两端并可沿丝杆旋转位移，远离所述弓形板的丝套与单耳板或双耳板一体连接。
作为优选方案，所述张紧机构包括第一丝套、第二丝套、丝杆，丝杆与第一丝套焊接相连，第二丝套两端设有与丝杆螺纹配合的螺母，螺母外周通过相对螺母中心连线对称的连杆连接，两端的螺母和对称的连杆围成可插入扳手的矩形孔，所述第二丝套两端对称拧入连接第一丝套的丝杆，远离所述弓形板的第一丝套与单耳板或双耳板一体连接。
作为优选方案，所述耗能杆件与主梁水平面的夹角为25°～35°。
作为优选方案，所述弓形阻尼连接件由一对对称布置的弓形板组成，一对所述弓形板沿所述耗能杆件的纵长中轴线对称布置。
作为优选方案，一对所述弓形板两端与张紧机构和连接件的铰接点位于该纵长中轴线的两侧。
作为优选方案，所述弓形板为C形或“弓”字形或弧形的弹塑性金属板。
作为优选方案，所述多对中央扣中弓形板在平行主梁且垂直悬索桥主塔方向的屈服力合力大于所述悬索桥出现一跨满载另一跨空载的情况时因弯矩产生的内应力。
作为优选方案，所述弓形板在塑性位移/等效弹性位移为12的条件下，低周寿命超过30个周期。
本发明的有益效果是：本发明的悬索桥中央阻尼扣结构兼顾刚性连接和阻尼耗能的双重功能，对悬索桥主梁与主塔的优化设计提供了有利条件。当主缆与主梁之间的拉力小于弓形板的屈服力时，弓形板在拉力下不发生位移，中央阻尼扣的刚性连接功能，能有效的防止大跨度悬索桥主梁上出现一跨满载，一跨空载的情况下，因弯矩产生内应力使主梁与主缆之间的相对运动，进而减小这种相对运动对整个悬索桥各部件产生的交变应力影响，进而提高桥梁主体结构的抗疲劳性能；而当发生地震，主梁和主缆之间的拉力大于弓形板的屈服力时，弓形板发生位移抵消地震产生的能量，中央阻尼扣的阻尼耗能功能，能有效的减小地震对桥梁的危害，提高桥梁的抵御地震能力。
附图说明
图1为阻尼中央扣在悬索桥的安装位置示意图；
图2为本发明的悬索桥跨中处的中央阻尼扣连接布置形式示意图；
图3为本发明的耗能杆件结构安装示意图；
图4为本发明的单个耗能杆件构造示意图；
图5为图4a或图4b的侧视图；
图6为本发明的弓形板的滞回曲线；
图7为本发明的弓形板的荷载-位移滞回曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如前文所述，阻尼扣安装后的预应力为阻尼扣实现其刚性连接和阻尼耗能的关键，本发明旨在通过改变中央扣的构造，优化悬索桥中央扣的功能。
请参阅图2和图3，采用本发明优选的三组六套八字型安装的耗能杆件组成中央阻尼扣，在悬索桥梁跨跨中区域成对称布置，悬索桥梁跨跨中区域两侧需同时安装耗能杆件，在多跨的情况下，每一主跨均需安装至少一组中央阻尼扣。
耗能杆件包括依次连接的张紧机构10、弓形阻尼连接件、连接件19，张紧机构10由一对丝套18、丝杆13组成，如图6丝套18设有与丝杆13螺纹配合的丝孔181，使一对丝套18套于一根丝杆13两端并可沿丝杆13旋转位移，弓形阻尼连接件由一对对称的弓形板15组成，一对弓形板15沿耗能杆件的纵长中轴线对称布置，弓形板两端分别与张紧机构10的丝套18和连接件19铰接，远离弓形板15的丝套18与双耳板23一体连接，弓形板15为C形或“弓”字形(图4a)或弧形的弹塑性金属板，具有如图6所示的滞回曲线，K为屈服刚度，x为屈服位移，F为屈服力，屈后强度比为0.01，和如图7所示的荷载-位移滞回曲线，其在损坏之前几乎没有周期性的折减，具有很好的能量耗散作用，在位移延性(塑性位移/等效弹性位移)为12的条件下，低周寿命可达30个周期以上，耗能杆件与主梁101水平面的夹角为25°～35°，使多对中央扣中弓形板在垂直悬索桥主塔103方向的屈服力合力大于悬索桥出现一跨满载另一跨空载的情况时因弯矩产生的内应力。
请参阅图3和图4b，将耗能杆件两端分别与主梁耳板11和主缆耳板16连接。具体地，按设计要求制作相应的耗能杆件，在主梁101上表面相应位置焊接主梁耳板11，并在主缆102的相应位置安装索夹20和主缆耳板16，锁紧索夹20的固定螺栓，测量主梁耳板11与主缆耳板16上连接孔的实际孔间距，微调张紧机构10的长度，使之与安装孔位匹配，长度调整准确之后在主梁耳板11和主缆耳板16的连接孔处安装向心关节轴承22，采用挡圈固定向心关节轴承22，并涂抹黄油；采用专用设备起吊耗能杆件到安装位置，并用销轴12连接固定，在安装过程中应避免碰撞。依次安装全桥的中央阻尼扣，安装完成后，利用测力设备(例如测力扳手等)，通过旋钮长度调节丝杆13，使得耗能杆件具备一次刚度情况下对应拉力的10％～15％。全桥所有中央阻尼扣均按设定的预拉力进行调整。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。如图4c张紧机构10还可包括第一丝套18、第二丝套17、丝杆13，丝杆13与第一丝套18焊接相连，第二丝套17两端设有与丝杆螺纹配合的螺母171，螺母171外周通过相对螺母中心连线对称的连杆172连接，两端的螺母和对称的连杆围成可插入扳手的矩形孔173，第二丝套17两端对称拧入连接第一丝套18的丝杆13，远离弓形板15的第一丝套18与单耳板或双耳板一体连接。
因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种悬索桥铰接式耗能型阻尼扣结构，包括主梁、主缆，所述主梁的主跨跨中沿顺桥向设置多对中央扣，每对中央扣由两只呈八字型布设的所述耗能杆件构成，其特征在于，所述耗能杆件包括依次连接的张紧机构、弓形阻尼连接件、连接件，所述张紧机构由丝套、丝杆组成，所述丝套设有与丝杆螺纹配合的丝孔，使丝杆可沿丝孔伸缩，所述弓形阻尼连接件由弓形板组成，弓形板两端分别与张紧机构的丝套和所述连接件铰接；
所述张紧机构远离弓形板的一端通过铰接转动副与主梁铰接，所述连接件远离弓形板件的一端通过铰接转动副与固定安装在主缆上的索夹铰接，所述铰接转动副包括设置在主梁、索夹与所述耗能杆件两端并相互配合的单耳板、双耳板，使互相配合的单耳板、双耳板形成销铰连接的关节轴承及主销。
2.根据权利要求1所述的悬索桥铰接式耗能型阻尼扣结构，其特征在于，所述张紧机构设有一对丝套和一根丝杆，一对丝套套于一根丝杆两端并可沿丝杆旋转位移，远离所述弓形板的丝套与单耳板或双耳板一体连接。
3.根据权利要求1所述的悬索桥铰接式耗能型阻尼扣结构，其特征在于，所述张紧机构包括第一丝套、第二丝套、丝杆，丝杆与第一丝套焊接相连，第二丝套两端设有与丝杆螺纹配合的螺母，螺母外周通过相对螺母中心连线对称的连杆连接，两端的螺母和对称的连杆围成可插入扳手的矩形孔，所述第二丝套两端对称拧入连接第一丝套的丝杆，远离所述弓形板的第一丝套与单耳板或双耳板一体连接。
4.根据权利要求1所述的悬索桥铰接式耗能型阻尼扣结构，其特征在于，所述耗能杆件与主梁水平面的夹角为25°～35°。
5.根据权利要求1所述的悬索桥铰接式耗能型阻尼扣结构，其特征在于，所述弓形阻尼连接件由一对对称布置的弓形板组成，一对所述弓形板沿所述耗能杆件的纵长中轴线对称布置。
6.根据权利要求5所述的悬索桥铰接式耗能型阻尼扣结构，其特征在于，一对所述弓形板两端与张紧机构和连接件的铰接点位于该纵长中轴线的两侧。
7.根据权利要求1所述的悬索桥铰接式耗能型阻尼扣结构，其特征在于，所述弓形板为C形或“弓”字形或弧形的弹塑性金属板。
8.根据权利要求1所述的悬索桥铰接式耗能型阻尼扣结构，其特征在于，所述多对中央扣中弓形板在平行主梁且垂直悬索桥主塔方向的屈服力合力大于所述悬索桥出现一跨满载另一跨空载的情况时因弯矩产生的内应力。
9.根据权利要求1所述的悬索桥铰接式耗能型阻尼扣结构，其特征在于，所述弓形板在塑性位移/等效弹性位移为12的条件下，低周寿命超过30个周期。
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