CN111827098B - 一种触发式有限负刚度高强弹簧减震支座 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种触发式有限负刚度高强弹簧减震支座，该触发式有限负刚度高强弹簧减震支座包括：上连接钢板、支座上层结构、支撑柱、弹簧组合、橡胶支座层和下连接钢板；在上连接钢板顶端设置有支座上层结构，若干支撑柱垂直铰接于上连接钢板和下连接钢板，在上连接钢板和下连接钢板之间安装有橡胶支座层，弹簧组合垂直锚固于上连接钢板和下连接钢板，并铰接于上连接钢板和下连接钢板，形成“K”字型组合构件。本发明的有益效果是：在震级较低时提供足够的承载力，在震级较大时触发负刚度性能，负刚度与普通正刚度隔震支座并联组合，总滞回曲线较饱满，使得隔震层具有较大的阻尼比、结构振动的位移响应有效减小，获得较为理想的隔震效果。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程、地震工程技术领域，尤其涉及一种触发式有限负刚度高强弹簧减震支座。
背景技术
我国位于两大地震带之间，属于地震多发国家，近年来我国经历了汶川地震和雅安地震，给我国人民造成了巨大的伤害。在总结地震震害经验教训的基础上，结构抗震设计理念深入结构工程师的设计思想中。在结构抗震设计中被动减震控制技术已发展成熟，其中基础隔震方法已得到广泛的应用。这种设计理念主要依靠在基础和上部结构间施加具有足够可靠度的柔性隔震层，延长结构的自振周期，以变形来消耗地震能量，达到减小地震反应的目的。
现广泛使用的隔震支座是普通橡胶隔震支座。这类支座在自振周期1s左右的中短周期结构隔震中具有很好的隔震效果。但是，不能实现更长自振周期结构的有效隔震，主要原因是没有水平刚度很低的隔震层、同时在经历大地震之后会出现破坏结构自身的大位移。因此，改善隔震结构在大地震作用下的隔震效果和隔震层位移响应是目前亟需研究解决的难题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种触发式有限负刚度高强弹簧减震支座，应用于桥梁结构，所述桥梁结构中安装有隔震层；将负刚度减震技术应用到正刚度的结构中，负刚度与正刚度相互抵消，总滞回曲线较饱满，使隔震层具有较大的阻尼比，侧向刚度降低，实现结构更长的自振周期，使结构振动的位移响应有效减小，获得较为理想的隔震效果。
形状记忆合金(SMA)具有形状记忆效应和伪弹性的材质，在外力作用下，SMA钢丝具有比一般金属大的多的变形恢复能力，即加载过程中产生的大应变会随着卸载而恢复。利用其伸缩性能，SMA钢丝可以起到消耗能量的作用，且对温度的依赖性很小，适用范围广泛。将形状记忆合金用于桥梁支座，可以确保桥梁自由变形的能力，同时同时可以起到消耗能量的作用，使得支座耗能能力更强。
该触发式有限负刚度高强弹簧减震支座包括：上连接钢板、支座上层结构、支撑柱、弹簧组合、橡胶支座层和下连接钢板；
在上连接钢板顶端设置有支座上层结构，若干支撑柱垂直铰接于上连接钢板和下连接钢板，在上连接钢板和下连接钢板之间安装有橡胶支座层，弹簧组合垂直锚固于上连接钢板和下连接钢板，并通过两个杆件铰接于上连接钢板和下连接钢板，弹簧组合和两个杆件形成“K”字型组合构件，用来减小该触发式有限负刚度高强弹簧减震支座的移动位移，降低桥梁结构中隔震层的位移响应，获得较为理想的隔震效果。
进一步地，还包括由SMA材质组成的SMA钢丝，所述支撑柱沿高度方向的中间位置开有一孔，SMA钢丝的一端通过该孔锚固于所述支撑柱，SMA钢丝的另一端连接至桥梁的主梁；若干支撑柱用于提供该触发式有限负刚度高强弹簧减震支座的负刚度，SMA钢丝用于提供该触发式有限负刚度高强弹簧减震支座的自由变形力，同时用于消耗震动的能量，提高该触发式有限负刚度高强弹簧减震支座的耗能能力。
进一步地，所述若干支撑柱沿垂直于桥梁行车方向对称安装在橡胶支座层的两侧；每个支撑柱配有三根SMA钢丝，SMA钢丝一端通过螺栓集中锚固于支撑柱上的小孔，SMA钢丝另一端通过铆钉分散锚固于桥梁的主梁上。
进一步地，还包括销轴，该销轴呈“凸”字型，其中突起部分采用抗剪强度较低的钢，其他部分采用满足桥梁承载力要求的钢。
进一步地，所述支撑柱通过销轴铰接于上连接钢板和下连接钢板，一起作为负刚度的触发装置。
进一步地，所述弹簧组合包括若干弹簧，该若干弹簧竖直方向通过销轴相邻连接，最外端的两个弹簧通过销轴竖直锚固于上连接钢板和下连接钢板；所述两杆件的一端通过销轴铰接于所述弹簧组合上，所述两杆件的另一端各自以一定的角度通过销轴分别铰接于上连接钢板和下连接钢板。
进一步地，所述弹簧组合沿桥梁行车方向对称安装在橡胶支座层的两侧，“K”字型组合构件的“K”型口对着同一方向。
进一步地，还包括聚四氟乙烯板，所述聚四氟乙烯板安装在所述橡胶支座层的顶端，该聚四氟乙烯板顶端与所述上连接钢板底端间隔有一定的距离。
进一步地，所述支座上层结构是由纯橡胶制成的球形状物体。
进一步地，没有震动发生时，所述SMA钢丝处于松弛状态。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
(1)支撑柱具有比橡胶支座层更高的竖向承载力，支座上层结构和形状记忆合金保证了支座适应变形的能力，因此该支座满足正常使用的要求，并且极大的提高了支座的竖向承载力。
(2)当震级较大时，形状记忆合金SMA钢丝绷紧，传递较大的水平地震力，销轴将会触发负刚度。负刚度的支撑柱弱化了结构，使隔震层具有更低的刚度和更高的阻尼比，实现结构更长的自振周期，使结构振动的位移响应有效减小，获得较为理想的隔震效果。
(3)该支座采用高强弹簧组合限制支座负刚度阶段的较大位移，降低桥梁结构隔震层的位移响应。
(4)在较小地震情况下，触发式有限负刚度高强弹簧减震支座能够发挥其良好的正常使用能力；在强震作用下，触发支座的负刚度结构具有更高的阻尼比，得到理想的隔震效果。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种触发式有限负刚度高强弹簧减震支座的结构图；
图2是本发明实施例中支撑柱3的结构图；
图3是本发明实施例中弹簧组合4的结构图；
图4是本发明实施例中销轴6的结构图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种触发式有限负刚度高强弹簧减震支座。
请参考图1-4，图1是本发明实施例中一种触发式有限负刚度高强弹簧减震支座的结构图，图1的(a)图为没有安装聚四氟乙烯板8时的触发式有限负刚度高强弹簧减震支座的结构图，图1的(b)为安装聚四氟乙烯板8时的触发式有限负刚度高强弹簧减震支座的结构图，图1的(c)为该触发式有限负刚度高强弹簧减震支座的侧视结构图，图2是本发明实施例中支撑柱3的结构图，图2的(a)图为支撑柱3的正视结构图，图2的(b)图为支撑柱3的剖面图及孔的示意图，图3是本发明实施例中弹簧组合4的结构图，图4是本发明实施例中销轴6的结构图，该触发式有限负刚度高强弹簧减震支座由上连接钢板1、支座上层结构2、支撑柱3、弹簧组合4、橡胶支座层5、销轴6、下连接钢板7、聚四氟乙烯板8和SMA钢丝9组成。
在上连接钢板1顶端设置有支座上层结构2，若干支撑柱3垂直铰接于上连接钢板1和下连接钢板7，在上连接钢板1和下连接钢板7之间安装有橡胶支座层5，橡胶支座层5的形状为矩形，橡胶支座层5与上连接钢板1之间存在一定的间隙10；
本实施例中，4根支撑柱3均通过采用销轴6垂直铰接于上连接钢板1和下连接钢板7上，沿垂直于桥梁行车方向对称安装在橡胶支座层5的两侧，这4根支撑柱3分别位于上连接钢板1和下连接钢板7的4个角；每根支撑柱3沿高度方向的中间位置开有一孔12，每根支撑柱3上配有3根SMA钢丝，SMA钢丝一端通过螺栓11集中锚固于支撑柱3上的孔12处，SMA钢丝另一端通过铆钉分散锚固于桥梁的主梁上，作为负刚度的触发装置；4根支撑柱3用于提供该触发式有限负刚度高强弹簧减震支座的负刚度，SMA钢丝用于提供该触发式有限负刚度高强弹簧减震支座的自由变形力，同时用于消耗震动的能量，提高该触发式有限负刚度高强弹簧减震支座的耗能能力。SMA钢丝在没有震动时，处于松弛状态。所述弹簧组合4两端垂直锚固于上连接钢板1和下连接钢板7，如图3所示，弹簧组合4由2个弹簧41和2个杆件42组成，通过销轴6，2个弹簧41和2个杆件42的一端共同铰接在一起，且这2个弹簧41的一端竖直连接在一起，销轴6位于这2个竖直弹簧的中央位置，2个弹簧的另一端分别铰接于上连接钢板1和下连接钢板7，2个杆件的另一端也各自以一定的角度铰接于上连接钢板1和下连接钢板7，形成“K”字型组合构件。所述弹簧组合4沿桥梁行车方向对称安装在橡胶支座层5的两侧，“K”字型组合构件的“K”型口对着同一方向。
如图4所示，该销轴6呈“凸”字型，包括凸起部分62和其他部分61，其中突起部分62采用如Q235等抗剪强度较低的钢，其他部分61为圆形状，采用如Q355、Q390或Q420等满足桥梁承载力要求的钢。
橡胶支座层5顶端的可根据设计需要进行选择是否安装聚四氟乙烯板8，聚四氟乙烯板8用来降低橡胶支座层5与上连接钢板1的摩擦系数，当安装聚四氟乙烯板8时，所述聚四氟乙烯板8安装在所述橡胶支座层5的顶端，该聚四氟乙烯板8顶端与所述上连接钢板1底端间隔有一定的距离；当不安装聚四氟乙烯板8时，橡胶支座层5顶端与所述上连接钢板1底端间隔有一定的距离；在保证负刚度能够触发的情况下，该一定的距离应尽量小。
支座上层结构2是由纯橡胶制成的球形状物体，由于纯橡胶制成的球形状物体的传力均匀，因此通过支座上层结构2使得支撑柱3受力均匀；又由于纯橡胶制成的球形状物体与桥梁的主梁的接触面积小，所以支座上层结构2与桥梁的主梁的接触摩擦力小，使得支座上层结构2为SMA钢丝传递该触发式有限负刚度高强弹簧减震支座的水平力制造了有利的条件。
该触发式有限负刚度高强弹簧减震支座的竖向承载力实际由4根支撑柱3承担，相对于橡胶支座层5具有更大的竖向承载力；所述支座上层结构2为该触发式有限负刚度高强弹簧减震支座提供了良好的自由变形能力；由于SMA是具有形状记忆效应和伪弹性的材质，因此，在外力作用下，SMA钢丝9具有比一般金属大的多的变形恢复能力，利用SMA钢丝9的变形恢复能力，可以为该触发式有限负刚度高强弹簧减震支座提供良好的自由变形及恢复的能力，同时当地震发生时，SMA钢丝9传递地震力至支撑柱3；销轴6可以保证支撑柱3的稳定性，当SMA钢丝9传递较大的地震力时，才会使销轴6突出部分断裂，使之可以转动即触发了该触发式有限负刚度高强弹簧减震支座的负刚度；当负刚度触发后，负刚度与橡胶支座层5的正刚度结合，总滞回曲线较饱满，使隔震层具有较大的阻尼比，侧向刚度降低，实现结构更长的自振周期；弹簧组合4限制该触发式有限负刚度高强弹簧减震支座的负刚度阶段的较大位移，降低了桥梁结构隔震层的位移响应，获得较为理想的隔震效果。
本发明适用于有抗震需求的并安装有橡胶支座的城市高架桥、公路桥、铁路桥等，能够起到良好的隔震效果。
本发明的有益效果是：
(1)支撑柱具有比橡胶支座层更高的竖向承载力，支座上层结构和形状记忆合金保证了支座适应变形的能力，因此该支座满足正常使用的要求，并且极大的提高了支座的竖向承载力。
(2)当震级较大时，SMA钢丝绷紧，传递较大的水平地震力，销轴将会触发负刚度。负刚度的支撑柱弱化了结构，使隔震层具有更低的刚度和更高的阻尼比，实现结构更长的自振周期，使结构振动的位移响应有效减小，获得较为理想的隔震效果。
(3)该支座采用高强弹簧组合限制支座负刚度阶段的较大位移，降低桥梁结构隔震层的位移响应。
(4)在较小地震情况下，触发式有限负刚度高强弹簧减震支座能够发挥其良好的正常使用能力；在强震作用下，触发支座的负刚度结构具有更高的阻尼比，得到理想的隔震效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种触发式有限负刚度高强弹簧减震支座，应用于桥梁结构，所述桥梁结构中安装有隔震层；其特征在于：包括上连接钢板(1)、支座上层结构(2)、支撑柱(3)、弹簧组合(4)、橡胶支座层(5)、下连接钢板(7)和由SMA材质组成的SMA钢丝(9)；
在上连接钢板(1)顶端设置有支座上层结构(2)，若干支撑柱(3)垂直铰接于上连接钢板(1)和下连接钢板(7)，所述支撑柱(3)沿高度方向的中间位置开有一孔，SMA钢丝(9)的一端通过该孔锚固于所述支撑柱(3)，SMA钢丝(9)的另一端连接至桥梁的主梁；若干支撑柱(3)用于提供该触发式有限负刚度高强弹簧减震支座的负刚度，SMA钢丝(9)用于提供该触发式有限负刚度高强弹簧减震支座的自由变形力，同时用于消耗震动的能量，提高该触发式有限负刚度高强弹簧减震支座的耗能能力；在上连接钢板(1)和下连接钢板(7)之间安装有橡胶支座层(5)，弹簧组合(4)垂直锚固于上连接钢板(1)和下连接钢板(7)，并通过2个杆件铰接于上连接钢板(1)和下连接钢板(7)，弹簧组合(4)和2个杆件形成“K”字型组合构件，用来减小该触发式有限负刚度高强弹簧减震支座的移动位移，降低桥梁结构中隔震层的位移响应。
2.如权利要求1所述的一种触发式有限负刚度高强弹簧减震支座，其特征在于：所述若干支撑柱(3)沿垂直于桥梁行车方向对称安装在橡胶支座层(5)的两侧；每个支撑柱配有三根SMA钢丝(9)，SMA钢丝(9)一端通过螺栓集中锚固于支撑柱(3)上的孔处，SMA钢丝(9)另一端通过铆钉分散锚固于桥梁的主梁上。
3.如权利要求1所述的一种触发式有限负刚度高强弹簧减震支座，其特征在于：还包括销轴(6)，该销轴(6)呈“凸”字型，其中突起部分采用满足桥梁抗剪强度的钢，其他部分采用满足桥梁承载力要求的钢；通过销轴(6)将支撑柱(3)垂直铰接于上连接钢板(1)和下连接钢板(7)上。
4.如权利要求3所述的一种触发式有限负刚度高强弹簧减震支座，其特征在于：所述支撑柱(3)通过销轴(6)铰接于上连接钢板(1)和下连接钢板(7)，一起作为负刚度的触发装置。
5.如权利要求4所述的一种触发式有限负刚度高强弹簧减震支座，其特征在于：所述弹簧组合(4)包括2个弹簧和2个杆件，这2个弹簧在竖直方向通过销轴(6)相邻连接，最外端的2个弹簧通过销轴(6)竖直锚固于上连接钢板(1)和下连接钢板(7)；所述2个杆件的一端通过销轴(6)铰接于所述弹簧组合(4)上，所述2个杆件的另一端各自以一定的角度通过销轴(6)分别铰接于上连接钢板(1)和下连接钢板(7)。
6.如权利要求1所述的一种触发式有限负刚度高强弹簧减震支座，其特征在于：所述弹簧组合(4)沿桥梁行车方向对称安装在橡胶支座层(5)的两侧，“K”字型组合构件的“K”型口对着同一方向。
7.如权利要求1所述的一种触发式有限负刚度高强弹簧减震支座，其特征在于：还包括聚四氟乙烯板(8)，所述聚四氟乙烯板(8)安装在所述橡胶支座层(5)的顶端，该聚四氟乙烯板(8)顶端与所述上连接钢板(1)底端间隔有一定的距离。
8.如权利要求1所述的一种触发式有限负刚度高强弹簧减震支座，其特征在于：所述支座上层结构(2)是由纯橡胶制成的球形状物体。
9.如权利要求1所述的一种触发式有限负刚度高强弹簧减震支座，其特征在于：没有震动发生时，所述SMA钢丝(9)处于松弛状态。
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