CN111778843B - 一种波形索超弹性自复位减震支座 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种波形索超弹性自复位减震支座，包括支座本体、拉索、复位装置、锚固装置等；支座本体为减震支座提供竖向承载力、转动能力，其包括上座板、下座板；上座板、下座板之间采用拉索连接，上座板内设置若干槽道，拉索穿过槽道与固定在下座板上的锚固装置连接，锚固装置内置缓冲弹簧，拉索支座本体弹性伸缩伸展复位；槽道内拉索设置一定长度的波形段，波形段拉索两侧布置复位装置，当支座发生位移时，波形段拉索具备大变形能力，复位装置通过拉索为支座提供超弹性复位力。本申请解决了减震支座的大位移需求，并在有限的支座空间范围内为支座提供了缓冲、限位和复位力，使减震支座具备良好的自复位、缓冲、耗能与限位性能。
Description
技术领域
本申请属于土木工程、抗震领域，具体地说涉及一种波形索减震弹簧机构。
背景技术
工程技术中，支座是十分重要的支撑构件，尤其是桥梁工程中，支座广泛的应用于上下部结构之间。在高烈度地震区，采用支座进行减隔震设计是保证结构抗震性能的重要手段，震害调查以及相关研究表明，为了控制震后结构的残余位移，提高结构的可恢复能力，降低地震灾害带来的社会、经济影响，减隔震支座应当具备大位移适应能力、自复位能力、耗能缓冲能力以及良好的限位能力。
然而，现有技术存在以下的主要问题和不足：
球钢支座与盆式橡胶支座由于竖向承载力高、支座性能稳定而得到广泛的应用，地震作用下可通过摩擦消耗地震能量，但是这种支座缺乏位移约束装置和自复位力，地震残余位移大，容易发生落梁。对于橡胶类支座，如铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座存在环境污染大、耐久性差以及环境适应性不强等问题；板式橡胶支座在地震作用下支座容易发生整体滑动，缺乏合理限位装置导致支座位移的不可控，容易发生落梁。双曲面(摩擦摆)支座具有较好的自复位能力与摩擦耗能能力，但是支座发生水平位移时会产生附加竖向位移，结构受力不利，且缺乏合理的竖向、水平位移约束措施。
另一方面，为提高支座自复位力，现有的解决方式一般直接设置复位弹簧，由于弹簧的拉伸或压缩变形率有限，为了保证支座具备可观的复位力，并满足支座的大位移需求，需要增大弹簧的尺寸或者预留初始间隙。对于增大弹簧尺寸的方案，由于支座设置空间的制约，缺乏实际可行性，且工程造价高；对于预留初始间隙的方案，支座在一定位移范围内存在自复位力缺失的问题，且存在刚度突变的撞击问题。
因此，需要提出一种减隔震支座，具备大位移适应能力、自复位能力、三向位移约束能力以及良好的耗能缓冲能力。
发明内容
本申请的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种波形索超弹性自复位减震支座，在保证减震支座具备大位移适应能力的同时，能有效提供支座三向复位力，限制支座位移，使减震支座具有良好的自复位、耗能、缓冲与限位性能。
本申请提供的技术方案如下：
一种波形索超弹性自复位减震支座，包括支座本体、锚固装置，支座本体包括上座板(1)、下座板(2)、平面摩擦副(5)，其特征在于：还包括复位装置(8)、拉索(9)；；上座板(1)、下座板(2)之间采用拉索(9)连接，上座板(1)中开设有若干沿水平方向的槽道，拉索(9)穿过槽道与固定在下座板(2)上的锚固装置连接；所述槽道内，拉索(9)设置一定长度的波形段，拉索(9)波形段两侧的波峰、波谷位置处设置若干复位装置(8)，两者相互匹配并联，拉索(9)可相对复位装置(8)发生滑动；拉索(9)两端分别伸出通长槽道后各自转向并通过锚固装置与下座板(2)连接，并对应于每个槽道两端的外侧位置，在上座板(1)下缘还安装有导向块(16)；支座设置限位拉索(9)，拉索(9)设置一定的波形段，波形段并联匹配复位装置(8)，支座发生位移时，拉索(9)两端位移增大，拉索(9)由波形逐渐受拉成直线状，该过程中，复位装置(8)协同拉索(9)发生变形，拉索(9)由波形段设定的几何变形来适应支座的大位移，并将这种变形分解到若干复位装置(8)上，而拉索(9)受拉为支座提供复位力。
所述槽道内，拉索(9)设置一定长度的波形段，拉索(9)波形段两侧的波峰、波谷位置处设置若干复位装置(8)，两者相互匹配并联，拉索(9)可相对复位装置(8)发生滑动。支座发生位移时，波形段拉索(9)由波形逐渐拉直伸长，复位装置(8)与拉索(9)协同变形，拉索(9)的索力为支座提供复位力。当拉索(9)波形段接近直线状态时，根据力学的平衡关系，复位装置(8)较小的反作用力即可产生较大的拉索(9)拉力，保证了支座复位能力与限位能力，支座复位力呈现为超弹性特点。
上座板(1)下缘还安装有导向块(16)，初始状态下，上座板(1)与锚固装置之间的拉索(9)呈竖直状态；当支座发生竖向位移时，拉索(9)为支座提供竖向复位力并限制支座最大竖向位移；当支座发生水平位移时，拉索(9)可以贴近支座本体弹性伸缩伸展复位，如图2所示，避免支座产生附加竖向力；当支座绕竖轴转动时，拉索(9)可提供转动复位力并限制转动位移。
所述锚固装置包括锚固基座(18)、约束盖板(10)、盖板固定螺栓(14)、缓冲弹簧(17)、拉索锚头(15)；锚固基座(18)固定在下座板(2)上，约束盖板(10)通过盖板固定螺栓(14)与锚固基座(18)连接，锚固基座(18)内设置缓冲弹簧(17)，拉索(9)的两端穿过缓冲弹簧(17)与拉索锚头(15)连接，缓冲弹簧(17)在拉索受拉时可发生弹性或弹塑性变形，增加支座的变形适应能力与缓冲耗能能力。
在本申请中，减震支座可以是多向活动型、双向活动型、单向活动型或固定型中的任一种。单向活动型可通过设置单向抗剪挡块实现，固定型可通过设置双向抗剪挡块实现。
在本申请中，减震支座具备三向复位与限位能力，具备抗拉、抗扭与抗倾覆功能。
支座本体为减震支座提供竖向承载力、转动能力以及水平滑动摩擦能力，作为举例而非限定，可以采用具有球形滑动面的球形钢支座或采用橡胶承压板的盆式橡胶支座。
若采用球形钢支座，支座本体包括上座板(1)、下座板(2)、球冠(4)、平面摩擦副(5)、球面滑板(6)以及座腔(7)；上座板(1)通过上固定螺栓与上部结构固定，且上座板与上部结构之间设置有上盖板(3)，上盖板(3)的平面尺寸与上座板(1)相同，可通过栓接方式与上座板(1)连接，下座板(2)通过下固定螺栓(13)与下部结构固定连接，下座板朝向上的一侧的中央设计有一凹球面状的座腔(7)，座腔(7)与上座板(1)之间自下而上依次布置球面滑板(6)、球冠(4)以及平面摩擦副(5)。
在优选的实施方式中，上座板(1)中开设的若干通长槽道之间相互平行，复位装置(8)固定在槽道内，拉索(9)布置在复位装置(8)间并呈波形状，拉索(9)可在槽道内滑动，支座发生位移时，拉索(9)侧面复位装置(8)以及端部缓冲弹簧(17)通过拉索(9)为支座提供复位力。
在优选的实施方式中，为了在有限的支座空间内获得较高的支座复位力，复位装置(8)可采用张弦式复位装置，张弦式复位装置布置在上座板(1)的槽道内，由弹簧A(8-1)、弹簧B(8-2)以及多层薄钢板(8-3)组成。其中，多层薄钢板(8-3)呈拱形，拱脚处与弹簧B(8-2)连接，弹簧A(8-1)位于多层薄钢板(8-3)拱形的跨中位置，弹簧A(8-1)一端与多层薄钢板(8-3)连接，另一端通过基座与弹簧B(8-2)连接，且固定与上座板(1)的槽道内。
进一步，复位装置(8)可水平放置也可竖直放置，且不限于上述放置方式。
进一步，拉索槽道以及复位装置(8)布置在支座上座板(1)，也可以布置在支座其它位置，其布置位置不做限定。
进一步，拉索(9)的波形段可连续布置也可不连续布置。
进一步，拉索(9)采用钢绞线、或高强度钢丝绳、或碳纤维束制成，其材料与制成方式不做限定。
进一步，拉索(9)侧面的复位装置(8)结构形式具有多样性，可采用单个金属弹簧、或高分子材料弹簧等高弹性构件，也可采用张弦式复位装置等组合构件，其材料与制成方式不做限定。
进一步，锚固装置内设置缓冲弹簧(17)，缓冲弹簧(17)可采用拉压弹簧也可以采用张弦式复位装置。
进一步，本装置内缓冲弹簧(17)以及复位装置(8)进行预变形处理，即拉索进行预张拉处理，提高支座的初始复位力。
与现有技术相比，本申请提供的技术方案的有益效果如下：
(1)本申请联合利用复位装置、拉索以及锚固装置的布置，为支座提供了三向限位和超弹性复位能力，大位移适应能力强，不但保留了普通支座的优点，还具备良好的减隔震性能。
(2)本申请通过复位装置与波形索设置，可在有限的空间内为拉索提供可观的复位力，并保证了支座的大位移能力与良好的限位能力。
(3)本申请结构形式简洁，在增加复位、限位功能同时，避免了过大的增加支座尺寸。
(4)本申请在支座水平变形时，避免了附加竖向力或附加竖向位移的产生。
(5)支座构造简单，制造安装方便，且易更换。
(6)本申请力学本构关系清晰，传力途径明确，具备明确的限位位移，有利于实现力与位移的平衡，保护墩底不发生弯曲破坏和剪切破坏。
(7)在本申请具备三向复位与限位能力，可用于抗拉、抗扭与抗倾覆设计，有利于提高结构在多灾害作用下的安全性。
附图说明
图1为本申请实施例提供的波形索超弹性自复位减震支座的立面示意图。
图2为本申请实施例提供的波形索超弹性自复位减震支座的发生水平位移后的立示意图。
图3为图1中A—A剖面图，其中复位装置采用张弦式复位装置。
图4为图1中B—B剖面图。
图5为本申请实施例提供的(张弦式复位装置)复位装置的构造示意图。
图6为本申请实施例提供的(张弦式复位装置)复位装置的受力示意图。
图7本申请实施例提供的波形索超弹性自复位减震支座的复位力与支座位移关系图。
图中标号：1为上座板，2为下座板，3为上盖板，4为球冠，5为平面摩擦副，6为球面滑板，7为座腔，8为复位装置，9为拉索，10为约束盖板，12为上固定螺栓，13为下固定螺栓，14为盖板固定螺栓，15为拉索锚头，16为导向块，17为缓冲弹簧，18为锚固基座；8-1为弹簧A，8-2为弹簧B，8-3为多层薄钢板。
具体实施方式
本申请技术方案解决的问题和设计特点：
一方面，高强拉索抗拉能力强，传力性能好，支座采用拉索限位可有效限制支座的位移，并提供复位力，然而，一般支座的结构尺寸有限，仅依靠拉索的轴向变形无法适应支座的大位移需求，为了实现拉索对支座大位移的适应性，应适当利用拉索的几何变形。
另一方面，弹簧或弹簧组合构件具备良好的弹性变形与复位能力，但在支座有限的尺寸范围内，无法在提供足够复位力的同时，满足支座的大变形要求。为了解决这些矛盾，本申请中，支座的上座板、下座板之间采用拉索连接，拉索设置一定长度的波形段，波峰、波谷位置处设置若干复位装置，相互匹配并联，拉索由波形逐渐拉直过程中，带动复位装置沿拉索径向变形，而拉索受拉为支座提供复位力。这种布置方式，使拉索通过波形段设定的几何变形来适应支座的大位移，并将这种变形分解到若干复位装置上，使单个复位装置以较小的变形即可适应支座整体的大位移，呈现出如下的设计特点：
(1)拉索为柔性构件，可多向传力，支座上座板与下座板之间发生相对位移时，拉索可为支座提供三向限位、复位能力；
(2)拉索拉力即支座复位力与波长、波幅以及复位装置的尺寸、形式有关，可使得复位装置处较小的反作用力产生较大的拉索拉力，有利于减小复位装置的尺寸；
(3)在复位力不变的情况下，拉索限位的位移能力可随着波形数量的增加而增大，实现了复位行程的可调节性；
(4)随支座位移的不断增大，波形段拉索逐渐拉伸为直线状态，复位装置与拉索之间的几何角度关系不断变化，支座复位刚度逐渐增大，当拉索的波形段接近直线时，复位刚度与拉索的轴向刚度基本一致，有效发挥高强拉索发挥强限位约束作用，支座复位力表现为超弹性特点。此外，拉索锚固端设置适当的缓冲弹簧，可进一步增加支座的位移适应能力与缓冲能力。
以下结合附图对本申请技术方案进一步说明。
为了能够更加清楚地理解本申请的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式结合附图作详细说明。但是对实施例的描述均不是对本申请方案的限制，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。
实施例
如图1至图4所示，一种波形索超弹性自复位减震支座，包括支座本体、复位装置(8)、拉索(9)、锚固装置等。
支座本体包括上座板(1)、下座板(2)、球冠(4)、平面摩擦副(5)、球面滑板(6)以及座腔(7)；上座板(1)通过上固定螺栓与上部结构固定，且上座板与上部结构之间设置有上盖板(3)，上盖板(3)的平面尺寸与上座板(1)相同，可通过栓接方式与上座板(1)连接，下座板(2)通过下固定螺栓(13)与桥梁的桥墩固定连接，下座板朝向上的一侧的中央设计有一凹球面状的座腔(7)，座腔(7)与上座板(1)之间自下而上依次布置球面滑板(6)、球冠(4)以及平面摩擦副(5)。
上座板(1)、下座板(2)之间采用拉索(9)连接，上座板(1)中开设有若干沿水平方向的槽道，拉索(9)穿过槽道与固定在下座板(2)上的锚固装置连接，锚固装置内置缓冲弹簧(17)。所述槽道内，拉索(9)设置一定长度的波形段，拉索(9)波形段两侧的波峰、波谷位置处设置若干复位装置(8)，两者相互匹配并联，拉索(9)可相对复位装置(8)发生滑动。
上座板(1)下缘还安装有导向块(16)，初始状态下，上座板(1)与锚固装置之间的拉索(9)呈竖直状态；当支座发生竖向位移时，拉索(9)为支座提供竖向复位力并限制支座最大竖向位移；当支座发生水平位移时，拉索(9)可以贴近支座本体弹性伸缩伸展复位，如图2所示，避免支座产生附加竖向力；当支座绕竖轴转动时，拉索(9)可提供转动复位力并限制转动位移。
锚固装置包括缓冲弹簧(17)、锚固基座(18)、约束盖板(10)、盖板固定螺栓(14)、拉索锚头(15)；锚固基座(18)安装在下座板(2)上，约束盖板(10)通过盖板固定螺栓(14)与锚固基座(18)连接，锚固基座(18)内设置缓冲弹簧(17)，拉索(9)的两端穿过缓冲弹簧(17)与拉索锚头(15)连接。
优选的，如图5所示，复位装置(8)可采用张弦式复位装置，张弦式复位装置并布置在上座板(1)的槽道内，由弹簧A(8-1)、弹簧B(8-2)以及多层薄钢板(8-3)组成。其中，多层薄钢板(8-3)呈拱形，拱脚处与弹簧B(8-2)连接，弹簧A(8-1)位于多层薄钢板(8-3)拱形的跨中位置，弹簧A(8-1)一端与多层薄钢板(8-3)连接，另一端通过基座与弹簧B(8-2)连接，且固定与上座板(1)的槽道内。
优选的，在上座板(1)下缘还安装有导向块(16)。
优选的，复位装置(8)支撑于上座板(1)的槽道内，采用张弦式复位装置，由弹簧A(8-1)、弹簧B(8-2)以及多层薄钢板(8-3)组成，多层薄钢板(8-3)呈拱形，拱脚处与弹簧B(8-2)连接；弹簧A(8-1)位于多层薄钢板(8-3)拱形的跨中位置，弹簧A(8-1)一端与多层薄钢板(8-3)连接，另一端通过基座与弹簧B(8-2)连接，且固定与上座板(1)的槽道内。
进一步，复位装置(8)可水平布置也可竖直布置，且不限于上述放置方式。
进一步，拉索(9)的波形段可连续布置也可不连续布置。
进一步，拉索(9)采用钢绞线、或高强度钢丝绳、或碳纤维束制成，其材料与制成方式不做限定。
进一步，拉索(9)侧面的复位装置(8)结构形式具有多样性，可可采用单个金属弹簧、或高分子材料弹簧等高弹性构件，也可采用张弦式复位装置等组合构件，其材料与制成方式不做限定。
进一步，锚固装置内设置缓冲弹簧(17)，缓冲弹簧(17)可采用拉压弹簧也可以采用张弦式复位装置。
进一步，本装置内缓冲弹簧(17)以及复位装置(8)进行预变形处理，即拉索进行预张拉处理，提高支座的初始复位力。
在本申请中，减震支座可以是多向活动型、双向活动型、单向活动型或固定型中的任一种。单向活动型可通过设置单向抗剪挡块实现，固定型可通过设置双向抗剪挡块实现。
如图6所示，本申请提供的波形索超弹性自复位减震支座，当支座产生位移时，拉索(9)受拉，复位装置(8)以及缓冲弹簧(17)发生受压变形，为支座提供复位力，且上座板与锚固基座之间的拉索(9)呈水平受拉状态；随支座位移的不断增大，波形段拉索逐渐拉伸为直线状态，复位装置(8)与拉索(9)之间的几何角度关系不断变化，支座复位刚度逐渐增大，当拉索(9)的波形段接近直线时，复位刚度与拉索(9)的轴向刚度基本一致，有效发挥高强拉索发挥强限位约束作用，支座复位力表现为超弹性特点，如图7所示，减隔震支座应当具备大位移适应能力、自复位能力、耗能缓冲能力以及良好的限位能力。
本申请可通过调整波形索以及对应索道的波幅、波长以及波的数量来适应不同的支座的自复位刚度、限位行程。
上述的对实施例的描述均不是对本申请方案的限制，因此，本申请的保护范围不仅仅局限于上述实施例，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各种修改和改进，都应视为落在本申请的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种波形索超弹性自复位减震支座，包括支座本体、锚固装置，支座本体包括上座板(1)、下座板(2)、平面摩擦副(5)，其特征在于：
还包括复位装置(8)、拉索(9)；
上座板(1)、下座板(2)之间采用拉索(9)连接，上座板(1)中开设有若干沿水平方向的槽道，拉索(9)穿过槽道与固定在下座板(2)上的锚固装置连接；所述槽道内，拉索(9)设置一定长度的波形段，拉索(9)波形段两侧的波峰、波谷位置处设置若干复位装置(8)，两者相互匹配并联，拉索(9)可相对复位装置(8)发生滑动；
拉索(9)两端分别伸出通长槽道后各自转向并通过锚固装置与下座板(2)连接，并对应于每个槽道两端的外侧位置，在上座板(1)下缘还安装有导向块(16)；
支座设置限位拉索(9)，拉索(9)设置一定的波形段，波形段并联匹配复位装置(8)，支座发生位移时，拉索(9)两端位移增大，拉索(9)由波形逐渐受拉成直线状，该过程中，复位装置(8)协同拉索(9)发生变形，拉索(9)由波形段设定的几何变形来适应支座的大位移，并将这种变形分解到若干复位装置(8)上，而拉索(9)受拉为支座提供复位力；
锚固装置内置缓冲弹簧(17)，所述复位装置(8)、缓冲弹簧(17)采用组合构件或采用单个高弹性构件；
高弹性构件同步受力或者分级受力；
锚固装置包括缓冲弹簧(17)、锚固基座(18)、拉索锚头(15)；锚固基座(18)安装在下座板(2)上，锚固基座(18)内设置缓冲弹簧(17)，拉索(9)的两端穿过缓冲弹簧(17)与拉索锚头(15)连接；
为了在有限的支座空间内获得较高的支座复位力，复位装置(8)采用张弦式复位装置，张弦式复位装置布置在上座板(1)的槽道内，包括弹簧A(8-1)、弹簧B(8-2)和多层薄钢板(8-3)，其中多层薄钢板(8-3)呈拱形，拱脚处与弹簧B(8-2)连接，弹簧A(8-1)位于多层薄钢板(8-3)拱形的跨中位置，弹簧A(8-1)一端与多层薄钢板(8-3)连接，另一端通过基座与弹簧B(8-2)连接，且固定与上座板(1)的槽道内。
2.根据权利要求1所述的波形索超弹性自复位减震支座，其特征在于：
拉索(9)贴近支座本体弹性伸缩，提供三向复位、限位能力，支座产生水平位移时，避免产生附加竖向力。
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