CN112199744B - 一种基于水平极限位移的双曲面球型减隔震支座设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于水平极限位移的双曲面球型减隔震支座设计方法，包括确定设计参数、确定支座水平滑动到组合设计位移D3的运动状态、初步完成支座设计、确定支座水平极限位移D41、支座迭代设计，减隔震支座位移设计输入参数以往通常为D4（按照支座正常位移D和罕遇地震下的桥梁相对位移D2按照一定规则叠加后的组合罕遇位移），本发明则修改成D3（按照支座正常位移D和设计地震下的桥梁相对位移D1按照一定规则叠加后的组合设计位移），比较而言显著减小了支座位移输入量，即减少了支座结构尺寸，便于桥梁设计和安装，同时大范围减轻成本。满足不同地震等级下的位移和减隔震性能要求，有效降低支座平面尺寸和成本，提高经济性。
Description
技术领域
本发明属于支座技术领域，具体说的是一种基于水平极限位移的双曲面球型减隔震支座设计方法。
背景技术
无论铁路还是公路桥梁抗震规范中，桥梁减隔震装置在地震中均可允许发生较大变形和耗能损坏，且减隔震装置应具有可更换性，以保护桥梁、墩台在地震下的安全性。
目前减隔震支座地震位移由桥梁抗震计算结果给出，设计位移的取值为罕遇地震下桥墩相对位移量与正常温升位移按一定规则叠加后的组合位移。支座设计中，当摩擦副运行到边界时即不锈钢滑板边界和非金属滑板边界重合时，此时支座对应的位移即支座的设计位移，也是支座允许的最大位移量。支座往复运动过程中，支座的摩擦副即不锈钢滑板均能够完全覆盖非金属滑板。
减隔震支座的耗能能力有限，主要通过摩擦副摩擦耗能，在高烈度地震区，桥梁震后位移较大，往往超过梁缝宽度，且按照通常减隔震支座设计方法，支座平面尺寸较大，对梁体和墩台的设计带来难度。同时，减隔震支座设计位移大部分由罕遇地震位移组成，而在寿命期内桥梁发生罕遇地震的概率较低，造成支座一定程度上的成本增加，成本和功能发挥的匹配性不佳。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于水平极限位移的双曲面球型减隔震支座设计方法，满足不同地震等级下的位移和减隔震性能要求，有效降低支座平面尺寸和成本，提高经济性。
为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种基于水平极限位移的双曲面球型减隔震支座设计方法，包括以下步骤：
S1:确定设计参数
将支座正常位移D和设计地震下的桥梁相对位移D1叠加后的位移记为组合设计位移D3，D3=a*D+D1，0≤a≤1；按照支座正常位移D和罕遇地震下的桥梁相对位移D2叠加后的位移记为组合罕遇位移D4，D4= a*D+D2，0≤a≤1；
S2：完成支座非金属滑板竖向承压排布
支座的竖向承压摩擦副包括滑动曲面摩擦副和转动曲面摩擦副，滑动曲面摩擦副和转动曲面摩擦副均包括曲面不锈钢滑板和非金属滑板，非金属滑板排布采用外部多圈标准圆Φ1均布分片镶嵌和内部中心整圆板Φ2镶嵌组合方式，组合后的非金属滑板均布压应力控制在材料安全使用应力内；
S3：确定支座水平滑动到组合设计位移D3的运动状态
当支座水平滑动到组合设计位移D3时，滑动曲面摩擦副中的不锈钢滑板Φ3边界正好与最外圈标准圆非金属滑板Φ1边界呈首次接触状态；
S4：初步完成支座设计
按照支座组合设计位移D3设计参数、S2中的非金属滑板竖向承压排布以及S3中的D3组合设计位移运动状态定义，并会同支座的其他设计参数初步完成支座设计；
S5：确定支座水平极限位移D41
按照S4初步完成设计的支座，将滑动曲面摩擦副中的不锈钢滑板Φ3边界与非金属滑板中心整板Φ2边界首次接触时的位移记为支座水平极限位移D41，当D4≤D41＜D5时，其中，D5为倒塌位移，支座位移符合条件，完成支座设计，当D41＜D4时，进行S6；
S6：支座迭代设计
当D41＜D4时，组合设计位移D3需增加位移d，使D3=a*D+D1+d，D4= a*D+D2，重复S2至S5，使得到的D41=D4，计算出需增加位移d,完成支座设计。
步骤S2所述过程中，内部中心整板Φ2的均压需控制在滑板材料安全使用应力的1～3倍之间进行校核，按实际工程而定。
滑动曲面摩擦副的曲率半径要大于或等于转动曲面摩擦副的曲率半径。
按竖向方向，滑动曲面摩擦副位于转动曲面摩擦副上方，滑动曲面摩擦副中的不锈钢滑板在焊接时，焊缝要做光滑处理。
本发明有益效果是：
1）减隔震支座位移设计输入参数以往通常为D4（按照支座正常位移D和罕遇地震下的桥梁相对位移D2按照一定规则叠加后的组合罕遇位移），本发明则修改成D3（按照支座正常位移D和设计地震下的桥梁相对位移D1按照一定规则叠加后的组合设计位移），比较而言显著减小了支座位移输入量，即减少了支座结构尺寸，便于桥梁设计和安装，同时大范围减轻成本。
2）罕遇地震下，支座可以滑动到D4位移，满足罕遇地震位移要求；同时，即使在外部几圈分片镶嵌非金属滑板局部损坏下，支座竖向承压部分至少包括中心非金属整板部分，相比设计地震支座在罕遇地震下的减隔震性能基本保持一致。
3）基于设计地震支座完好性和罕遇地震下局部破坏的设计原则，符合规范规定的大震下允许减隔震装置耗能破坏和可更换的设计要求，也与设计地震相比罕遇地震发生的概率高的特征相契合，充分挖掘支座的减隔震性能。
附图说明
图1为本发明实施例1支座活动方向结构示意图；
图2为本发明实施例1支座非金属滑板布置结构示意图；
图3为本发明实施例1支座滑动到组合设计位移D3时的结构示意图；
图4为本发明实施例1支座滑动到支座水平极限位移D41时的结构示意图；
图中，1、上座板，2、滑动摩擦副曲面不锈钢滑板，3、滑动摩擦副非金属标准滑板，4、滑动摩擦副曲面非金属中心整板，5、中座板，6、转动摩擦副曲面不锈钢滑板，7、转动摩擦副非金属标准滑板，8、转动摩擦副曲面非金属中心整板，9、下座板。
具体实施方式
一种基于水平极限位移的双曲面球型减隔震支座设计方法，包括以下步骤：
S1:确定设计参数
将支座正常位移D和设计地震下的桥梁相对位移D1叠加后的位移记为组合设计位移D3，D3=a*D+D1，0≤a≤1，a值具体可按实际工程而定；按照支座正常位移D和罕遇地震下的桥梁相对位移D2叠加后的位移记为组合罕遇位移D4，D4= a*D+D2，0≤a≤1；
S2：完成支座非金属滑板竖向承压排布
支座的竖向承压摩擦副包括滑动曲面摩擦副和转动曲面摩擦副，滑动曲面摩擦副和转动曲面摩擦副均包括曲面不锈钢滑板和非金属滑板，非金属滑板排布采用外部多圈标准圆Φ1均布分片镶嵌和内部中心整圆板Φ2镶嵌组合方式，组合后的非金属滑板均布压应力控制在材料安全使用应力内；
S3：确定支座水平滑动到组合设计位移D3的运动状态
当支座水平滑动到组合设计位移D3时，滑动曲面摩擦副中的不锈钢滑板Φ3边界正好与最外圈标准圆非金属滑板Φ1边界呈首次接触状态；
S4：初步完成支座设计
按照支座组合设计位移D3设计参数、S2中的非金属滑板竖向承压排布以及S3中的D3组合设计位移运动状态定义，并会同支座的其他设计参数（如竖向承载力N、水平剪断力F、等效曲率半径R、转角θ等）初步完成支座设计；
S5：确定支座水平极限位移D41
按照S4初步完成设计的支座，将滑动曲面摩擦副中的不锈钢滑板Φ3边界与非金属滑板中心整板Φ2边界首次接触时的位移记为支座水平极限位移D41，当D4≤D41＜D5时，其中，D5为倒塌位移，支座位移符合条件，完成支座设计，当D41＜D4时，进行S6。
S6：支座迭代设计
当D41＜D4时，组合设计位移D3需增加位移d，使D3=a*D+D1+d，D4= a*D+D2，重复S2至S5，使得到的D41=D4，计算出需增加位移d,完成支座设计。
步骤S2所述过程中，内部中心整板Φ2的均压需控制在滑板材料安全使用应力的1～3倍之间进行校核，按实际工程而定。
滑动曲面摩擦副的曲率半径要大于或等于转动曲面摩擦副的曲率半径。
按竖向方向，滑动曲面摩擦副位于转动曲面摩擦副上方，滑动曲面摩擦副中的不锈钢滑板在焊接时，焊缝要做光滑处理。
实施例1
给出的双向活动双曲面球型减隔震支座的设计方法，支座包括上座板1、滑动摩擦副曲面不锈钢滑板2，滑动摩擦副非金属标准滑板3，滑动摩擦副曲面非金属中心整板4，中座板5，转动摩擦副曲面不锈钢滑板6，转动摩擦副非金属标准滑板7，转动摩擦副曲面非金属中心整板8和下座板9，如图1所示。按照基于水平极限位移的双曲面球型减隔震支座设计步骤如下:
S1:确定设计参数。将支座正常位移D和设计地震下的桥梁相对位移D1叠加后的位移记为组合设计位移D3=a*D+D1，a=1；将支座正常位移D和罕遇地震下的桥梁相对位移D2叠加后的位移记为组合罕遇位移D4= a*D+D2，a=1。并且确定支座的其他设计参数，如竖向承载力N、水平剪断力F、等效曲率半径R、转角θ等。
S2：完成支座非金属滑板竖向承压排布设计。支座的竖向承压摩擦副包括滑动曲面摩擦副和转动曲面摩擦副，滑动曲面摩擦副和转动曲面摩擦副均包括曲面不锈钢滑板和非金属滑板，支座的滑动摩擦副中的非金属滑板排布采用外部2圈滑动摩擦副非金属标准滑板3（直径Φ1）均布分片镶嵌和滑动摩擦副曲面非金属中心整板4（直径Φ2）镶嵌组合方式，材料的许用应力[σ]，分片镶嵌第1、2圈标准滑板个数分别为n1和n2，组合后的滑动、转动曲面非金属滑板均布压应力均为：
转动曲面摩擦副的非金属滑板和滑动曲面摩擦副的非金属滑板排布一致，非金属滑板的排布方式见图2。
S3：确定支座水平滑动到组合设计位移D3的运动状态。支座水平滑动到组合设计位移D3时，滑动摩擦副曲面不锈钢滑板2边界正好与最外圈滑动摩擦副非金属标准滑板3边界呈首次接触状态，见图3。
S4：初步完成支座设计。按照支座组合设计位移D3设计参数、S2中的非金属滑板布置以及S3中的D3组合设计位移运动状态定义，并会同支座的其他设计参数（如竖向承载力N、水平剪断力F、等效曲率半径R、转角θ等）初步完成支座设计。
S5：确定支座水平极限位移D41。按照S4完成设计的支座，将滑动摩擦副曲面不锈钢滑板2边界与滑动摩擦副曲面非金属中心整板4边界首次接触时的位移记为支座水平极限位移D41，当D4≤D41＜D5时，支座位移符合条件，完成支座设计。其中，D5为倒塌位移，即四个支座（按S4设计）支撑梁体时，梁体滑动发生倒塌时支座的位移量，默认D5大于或远大于D4，当D41＜D4时，进行S6。
S6：支座迭代设计。当D41＜D4时，支座组合设计位移D3需增加位移d，使D3=D+D1+d（a=1），重复S1至S5，使D41=D4。
滑动摩擦副曲面非金属中心整板4的均压（支座设计竖向荷载N除以滑动摩擦副曲面非金属中心整板4的面积）需控制在滑板材料许用应力的1.5倍：
按照水平极限位移设计方法的双向活动双曲面球型减隔震支座，支座滑动曲面摩擦副的曲率半径通常要大于（或等于）转动曲面摩擦副曲率半径；支座每个曲面摩擦副均包括曲面不锈钢滑板和非金属滑板；滑动摩擦副曲面不锈钢滑板2与上座板1焊接时，焊缝要做光滑处理，尽量减小对地震往复运动过程中对滑动摩擦副非金属标准滑板3的破坏。
双曲面球型减隔震支座在正常情况下，可正常水平滑动；在设计地震或罕遇地震下，通过双曲面的高摩擦阻力耗散地震能量，并延长结构自振周期，达到减隔震效果。地震过后，支座借助地震末期的低水平激励和上部结构沿曲面切线方向的自重分力共同形成恢复力，使支座复位。
Claims (4)
1.一种基于水平极限位移的双曲面球型减隔震支座设计方法，支座包括上座板（1）、滑动摩擦副曲面不锈钢滑板（2）、滑动摩擦副非金属标准滑板（3）、滑动摩擦副曲面非金属中心整板（4）、中座板（5）、转动摩擦副曲面不锈钢滑板（6）、转动摩擦副非金属标准滑板（7）、转动摩擦副曲面非金属中心整板（8）和下座板（9）, 中座板（5）的顶面和底面为凸曲面，上座板（1）的底面和中座板（5）的顶面为相配合的曲面，上座板（1）和中座板（5）之间设有滑动曲面摩擦副，滑动曲面摩擦副由设置在上座板（1）上的滑动摩擦副曲面不锈钢滑板（2）和设置在中座板（5）顶面上的滑动摩擦副非金属标准滑板（3）组成，中座板（5）的底面和下座板（9）的顶面为相配合的曲面，中座板（5）和下座板（9）之间设有转动曲面摩擦副，转动曲面摩擦副由设置在中座板（5）底面上的转动摩擦副曲面不锈钢滑板（6）、设置在下座板（9）中心的转动摩擦副曲面非金属中心整板（8）和设置下座板（9）顶面外围的转动摩擦副非金属标准滑板（7）组成，其特征在于：设计方法包括以下步骤：
S1:确定设计参数
将支座正常位移D和设计地震下的桥梁相对位移D1叠加后的位移记为组合设计位移D3，D3=a*D+D1，0≤a≤1；按照支座正常位移D和罕遇地震下的桥梁相对位移D2叠加后的位移记为组合罕遇位移D4，D4= a*D+D2，0≤a≤1；
S2：完成支座非金属滑板竖向承压排布
支座的竖向承压摩擦副包括滑动曲面摩擦副和转动曲面摩擦副，滑动曲面摩擦副和转动曲面摩擦副均包括曲面不锈钢滑板和非金属滑板，非金属滑板排布采用外部多圈标准圆Φ1均布分片镶嵌和内部中心整圆板Φ2镶嵌组合方式，组合后的非金属滑板均布压应力控制在材料安全使用应力内；
S3：确定支座水平滑动到组合设计位移D3的运动状态
当支座水平滑动到组合设计位移D3时，滑动曲面摩擦副中的不锈钢滑板Φ3边界正好与最外圈标准圆非金属滑板Φ1边界呈首次接触状态；
S4：初步完成支座设计
按照支座组合设计位移D3设计参数、S2中的非金属滑板竖向承压排布以及S3中的D3组合设计位移运动状态定义，并会同支座的其他设计参数初步完成支座设计；
S5：确定支座水平极限位移D41
按照S4初步完成设计的支座，将滑动曲面摩擦副中的不锈钢滑板Φ3边界与非金属滑板中心整板Φ2边界首次接触时的位移记为支座水平极限位移D41，当D4≤D41＜D5时，其中，D5为倒塌位移，支座位移符合条件，完成支座设计，当D41＜D4时，进行S6；
S6：支座迭代设计
当D41＜D4时，组合设计位移D3需增加位移d，使D3=a*D+D1+d，D4= a*D+D2，重复S2至S5，使得到的D41=D4，计算出需增加位移d,完成支座设计。
2.根据权利要求1所述的一种基于水平极限位移的双曲面球型减隔震支座设计方法，其特征在于：步骤S2所述过程中，内部中心整板Φ2的均压需控制在滑板材料安全使用应力的1～3倍之间进行校核，按实际工程而定。
3.根据权利要求1所述的一种基于水平极限位移的双曲面球型减隔震支座设计方法，其特征在于：滑动曲面摩擦副的曲率半径要大于或等于转动曲面摩擦副的曲率半径。
4.根据权利要求1所述的一种基于水平极限位移的双曲面球型减隔震支座设计方法，其特征在于：按竖向方向，滑动曲面摩擦副位于转动曲面摩擦副上方，滑动曲面摩擦副中的不锈钢滑板在焊接时，焊缝要做光滑处理。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: No.88, Binhe North Road, hi tech Zone, Luoyang City, Henan Province Applicant after: CSSC Shuangrui (Luoyang) special equipment Co.,Ltd. Address before: No.88, Binhe North Road, hi tech Zone, Luoyang City, Henan Province Applicant before: LUOYANG SUNRUI SPECIAL EQUIPMENT Co.,Ltd. |
|
| GR01 | Patent grant | ||
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