CN113152256B - 一种装配式预压球铰型减震装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种装配式预压球铰型减震装置，包括减震榫和传力筒，所述减震榫包括橡胶层、榫身和法兰球窝，所述榫身的一端设有球头，所述球头的外表面固定包裹有橡胶层，所述法兰球窝上设有用于容纳球头及橡胶层的球形腔体，所述橡胶层与球形腔体的内壁接触构成球面摩擦副，所述传力筒活动套设于所述法兰球窝上。本发明的装配式预压球铰型减震装置便捷的实现了竖向和水平向减震功能的解耦，根据球头受到的弯矩大小能够由两端固结的超静定结构变成一端固结一端铰接的静定结构，提高了金属软钢减震榫的水平向刚度和滞回耗能能力。

Description

一种装配式预压球铰型减震装置

技术领域

本发明涉及减震技术领域，具体涉及一种装配式预压球铰型减震装置。

背景技术

在全球公共基础设施体系中，大跨桥梁承担着越来越重要的作用。尤其是在地貌复杂的高山峡谷地带，如中国的西南地区，设计人员通常采用大跨斜拉梁桥、悬索梁桥、拱桥等来实现对复杂地貌的跨越。

减隔震技术一直被公认为是提高桥梁抗震性能的理想措施。其中金属软钢阻尼器能够通过快速进入屈服状态，产生塑性变形吸收地震能量，从而减小地震响应。由于其加工便捷，耗能机理明确、耗能性能优越，既能单独用作耗能限位装置，又能与其他隔震系统配合使用，受到广泛的青睐。

短刚臂阻尼元件，又称减震榫，是一种等弯矩悬臂梁的金属减震装置。通常减震榫与活动支座组合使用，由活动支座承受竖向荷载，减震榫承受水平力。正常使用时由减震榫的挠曲变形来满足梁部的位移需要，此时减震榫处于弹性工作状态。地震时减震榫发生较大挠曲变形，处于弹塑性工作状态，消耗地震能量。

然而在目前所存在的减震榫中，通常采用单悬臂减震榫或者是两端固结的减震榫(如申请号为201620385905.X中国专利公开了一种分离式软钢减震榫)。单悬臂减震榫因为本身构造原因，相较于两端固结减震榫刚度较低，难以满足大跨桥梁或者铁路桥梁正常使用状态下刚度和承载能力需求。为了提高软钢阻尼器刚度，一方面会极大的提高造价，二则在构造上会不美观，或者难以在实际工程中进行安装。而若应用两端固结的分离式软钢减震榫，在近断层竖向地震作用下，减震榫在对桥梁上部结构进行水平向限位的同时往往会受到较大的轴向力作用，不利于减震榫发挥抗震作用。

综上所述，急需一种装配式预压球铰型减震装置以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种装配式预压球铰型减震装置，旨在解决现有减震榫存在难以满足高烈度地区大跨桥梁或者铁路桥梁正常使用和抗震需求的问题；本发明的装配式预压球铰型减震装置便捷的实现了竖向和水平向减震功能的解耦，并且提高了金属软钢减震榫的水平向刚度和滞回耗能能力，具体技术方案如下：

一种装配式预压球铰型减震装置，包括减震榫和传力筒，所述减震榫包括橡胶层、榫身和法兰球窝，所述榫身的一端设有球头，所述球头的外表面固定包裹有橡胶层，所述法兰球窝上设有用于容纳球头及橡胶层的球形腔体，所述橡胶层与球形腔体的内壁接触构成球面摩擦副，所述传力筒活动套设于所述法兰球窝上。

以上技术方案中优选的，所述橡胶层与球形腔体内壁之间的起滑摩擦弯矩小于榫身与头球连接截面的屈服强度。

以上技术方案中优选的，所述球形腔体的内壁经过喷丸或喷砂处理。

以上技术方案中优选的，所述法兰球窝包括对称设置的第一球窝和第二球窝，所述第一球窝和第二球窝上均设有内凹球面，两个内凹球面配合构成球形腔体，第一球窝和第二球窝对球头及橡胶层提供径向预压力；所述第一球窝和第二球窝之间通过高强度螺栓连接。

以上技术方案中优选的，通过调整球形腔体的内径和橡胶层的厚度控制径向预压力。

以上技术方案中优选的，所述内凹球面的边缘进行圆角化处理；所述第一球窝和第二球窝外表面均进行镀锌处理；所述球头与榫身之间采用圆弧过渡连接。

以上技术方案中优选的，所述传力筒与法兰球窝之间留有间隙。

以上技术方案中优选的，所述榫身的另一端设有底盘法兰，通过底盘法兰固定于桥梁的下部结构上，所述传力筒固定于桥梁的上部结构上。

以上技术方案中优选的，所述榫身与底盘法兰之间采用螺纹连接。

以上技术方案中优选的，所述榫身垂直于轴向的截面为圆形，由上至下，榫身的周向直径逐渐增大，榫身的几何变形符合等强度梁理论；所述榫身采用低碳钢；所述法兰球窝、底盘法兰和传力筒均采用45#钢。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

本发明的减震装置可以根据减震榫受到的弯矩大小实现多级抗震。本发明的减震装置在正常使用工况下，球铰处于固结状态，减震榫能够提供更高的刚度较好地控制桥梁上部结构的位移，弥补了现有的悬臂软钢金属阻尼器刚度低的不足；当地震来临时，球铰由固结状态变成铰接，此时减震榫未发生屈服，通过球铰的摩擦和活动支座进行桥梁结构减隔震，控制桥梁的地震响应；随着地震力的增大，减震装置榫身开始发生屈服耗能，能够提供较高的等效阻尼比，较好控制桥梁各个部位的地震响应，取得良好的减震效果。

传力筒活动套设于法兰球窝上，法兰球窝在传力筒内可以沿着竖向运动且法兰球窝与传力筒之间留有间隙，实现了减震榫竖向和水平向的解耦，并且能允许温度和徐变带来的主梁变形。

球形腔体的内壁经过喷丸或喷砂处理，可以控制内壁表面的摩擦系数，而通过调整球形腔体的内径和橡胶层的厚度可以控制径向预压力，因此可以实现控制橡胶层与球形腔体内壁之间的起滑摩擦弯矩，从而可以实现根据实际使用工况设计本发明的减震装置，满足不同工况的需求。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是减震装置中减震榫的结构示意图；

图2是减震装置中传力筒的结构示意图；

图3是减震装置的应用示意图；

其中，1、橡胶层，2、第一球窝，3、第二球窝，4、球头，5、高强度螺栓，6、榫身，7、底盘法兰，8、传力筒。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例1：

参见图1-3，一种装配式预压球铰型减震装置，具体是一种用于桥梁上的减震装置，包括减震榫和传力筒8，所述减震榫包括橡胶层1、榫身6和法兰球窝，所述榫身6的一端设有球头4，所述球头4的外表面固定包裹有橡胶层1，所述法兰球窝上设有用于容纳球头4及橡胶层1的球形腔体，所述橡胶层1与球形腔体的内壁接触构成球面摩擦副，所述球头4、橡胶层1以及法兰球窝构成球铰结构，所述橡胶层1优选为耐磨硫化橡胶，所述传力筒8活动套设于所述法兰球窝上，传力筒8和法兰球窝之间能相对滑动，从而释放了减震榫顶部竖向自由度，实现了减震榫水平向和竖向的解耦，优化了减震榫的水平方向抗震性能。

参见图2和图3，所述榫身6的另一端设有底盘法兰7，通过底盘法兰7固定于桥梁的下部结构上，所述传力筒8固定于桥梁的上部结构上。具体地，所述底盘法兰7和传力筒8上均设有安装孔，所述底盘法兰7通过高强度螺栓固定连接在桥墩中的预埋钢板上，所述传力筒8通过高强度螺栓连接在梁体上。

优选的，所述传力筒8与法兰球窝之间留有间隙，具体是传力筒8与法兰球窝之间在水平方向上留有间隙，用以实现上部结构在温度变化、混凝土收缩和徐变时不产生额外的附加内力，并能保证桥梁行车平顺。

优选的，所述橡胶层1与球形腔体内壁之间的起滑摩擦弯矩小于榫身6与球头4连接截面的屈服强度；进一步优选的，当减震榫受到的弯矩小于起滑摩擦弯矩时，利用球头4与球形腔体内壁之间的摩擦力实现球头4与法兰球窝之间固定连接，从而提高了减震榫的刚度；当减震榫受到的弯矩大于起滑摩擦弯矩时，球头4与法兰球窝之间转为铰接，并实现多级抗震。所述起滑摩擦弯矩指的是：橡胶层1与球形腔体内壁间开始滑动时的弯矩内力。减震榫通过法兰球窝和橡胶层1之间的摩擦力实现固结作用，从而有效克服现有技术中单悬臂金属软钢刚度不够的缺点，拥有高初始刚度和高耗能能力的优点，并实现了多级抗震的功能。

优选的，所述球形腔体的内壁经过喷丸或喷砂处理，通过喷丸或喷砂处理控制内壁摩擦系数在0.3-0.45。

参见图1，所述法兰球窝包括对称设置的第一球窝2和第二球窝3，所述第一球窝2和第二球窝3上均设有内凹球面，两个内凹球面配合构成球形腔体，第一球窝2和第二球窝3对球头4及橡胶层1提供径向预压力；所述第一球窝2和第二球窝3之间通过高强度螺栓5连接，优选高强度螺栓采用8.8级或10.9级。设置法兰球窝球型包裹球头4，一方面满足球铰预压和转动的构造需求，另一方面梁体发生位移触及减震榫后，水平反力能以面面接触的方式实现始终指向球心位置进行稳定传力。

通过调整球形腔体的内径和橡胶层1的厚度控制径向预压力，进而可以调整起滑摩擦弯矩的大小，实现本实施例的减震装置适应不同地震工况的使用要求。

进一步优选的，所述内凹球面的边缘进行圆角化处理，以避免应力集中；第一球窝2和第二球窝3外表面均进行镀锌处理，以增加抗腐蚀能力；所述球头4与榫身6之间采用圆弧过渡连接，以避免应力集中。

所述榫身垂直于轴向的截面为圆形，由上至下(本实施例中榫身的下端指的是靠近底盘法兰的一端，上端指的是靠近球头的一端)，榫身的周向直径逐渐增大，榫身的几何变形符合等强度梁理论；采用圆形截面的榫身6在水平面上可以双向限制上部结构的位移，双向减震耗能。优选的，所述榫身6采用低碳钢，所述法兰球窝、底盘法兰7和传力筒8均采用45#钢。

所述榫身6与底盘法兰7之间采用螺纹连接，由于减震榫一般不受竖向扭矩，故采用螺纹连接的方式能满足安全需求。

本实施例中减震装置的具体组装与安装步骤为：首先将第二球窝3套入榫身6，随后底盘法兰7与榫身6通过螺纹固结，然后再将第一球窝2与第二球窝3之间采用高强度螺栓连接，从而完成减震榫的组装。法兰球窝在与球头4组装的过程中，确保法兰球窝与底盘法兰7对齐和平行，以确保减震榫顶部的法兰球窝可以成功套入传力筒8内，实现对主梁水平方向的限位作用。

在现场安装过程中，减震榫的法兰球窝套入传力筒8内，传力筒8通过高强度螺栓与梁体中的预埋钢板固结，底盘法兰7通过高强度螺栓与预埋在桥墩顶部的钢板固结在一起，则安装完成。当需要更换减震榫时，首先将底盘法兰7与传力筒8中的高强度螺栓取出，然后即可将需要更换的减震榫移除。

本实施例的减震装置应用于桥梁减隔震设计时，根据施工的现场条件和桥梁的具体要求，设计减震装置的具体尺寸和所需要的数量，检算桥梁在正常使用状态和多遇地震作用下的最大位移，以满足行车的安全性和舒适性，确保所设计的减震装置能正常工作；检算在罕遇地震作用下的最大位移和最大地震作用力，以满足抗震需求。

本实施例中减震装置的工作原理是：

在正常使用工况下，通过传力筒8和法兰球窝之间的间隙，用以实现上部结构在温度变化、混凝土收缩和徐变时不产生额外的附加内力，并能保证桥梁行车平顺。当传力筒8与法兰球窝开始发生接触时，减震榫受到的弯矩小于起滑摩擦弯矩和榫身6的屈服强度，球铰处于固结状态，橡胶层1和球形腔体内壁之间无滑移，减震榫两端均为固结状态，桥梁的整体刚度较高，能有效控制桥梁上部结构位移。

在小地震力作用下，减震榫受到的弯矩(该弯矩来自地震力的作用)大于起滑摩擦弯矩，球铰处于铰接状态，榫身6未发生屈服；此时主要通过球铰的摩擦以及活动支座进行减隔震。

随着地震力的增大，榫身6在横向地震力的作用下发生屈服，通过橡胶层1和法兰球窝间的摩擦和榫身的屈服滞回消耗地震能量，利用榫身6低强度、高延性的特点，满足上部结构大位移的需求，减震榫能在滞回耗能的同时，既不会给桥墩带来过大的内力，又可以实现良好稳定的减震限位。

本实施例中减震装置的效果是：

本实施例的减震装置可以根据减震榫受到的弯矩大小实现多级抗震，正常使用工况下，减震榫两端均为固结状态，能够提供更高的刚度较好地控制桥梁上部结构的位移，弥补了现有的悬臂软钢金属阻尼器刚度低的不足；在地震力较小时，球铰处于铰接状态，榫身未发生屈服，此时主要通过球铰的摩擦以及活动支座进行减隔震，控制上部结构产生的位移和桥墩内力；随着地震力增大，减震榫发生屈服，通过球铰摩擦和榫身屈服满足减震耗能和梁体位移需求，提供较高的等效阻尼比，较好控制上部结构的位移，取得良好的减震效果。

本实施例的装配式预压球铰型减震装置便捷的实现了竖向和水平向减震功能的解耦，根据球头受到的弯矩大小能够由两端固结的超静定结构变成一端固结一端铰接的静定结构，提高了金属软钢减震榫的水平向刚度和滞回耗能能力。

传力筒8活动套设于法兰球窝上，法兰球窝在传力筒8内可以沿着竖向运动且法兰球窝与传力筒8之间留有间隙，实现了减震榫竖向和水平向的解耦，并且能允许温度和徐变带来的主梁变形。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种装配式预压球铰型减震装置，其特征在于，包括减震榫和传力筒(8)，所述减震榫包括橡胶层(1)、榫身(6)和法兰球窝，所述榫身(6)的一端设有球头(4)，所述球头(4)的外表面固定包裹有橡胶层(1)，所述法兰球窝上设有用于容纳球头(4)及橡胶层(1)的球形腔体，所述橡胶层(1)与球形腔体的内壁接触构成球面摩擦副，所述传力筒(8)活动套设于所述法兰球窝上；

所述橡胶层(1)与球形腔体内壁之间的起滑摩擦弯矩小于榫身(6)与球头(4)连接截面的屈服弯矩。

2.根据权利要求1所述的装配式预压球铰型减震装置，其特征在于，所述球形腔体的内壁经过喷丸或喷砂处理。

3.根据权利要求2所述的装配式预压球铰型减震装置，其特征在于，所述法兰球窝包括对称设置的第一球窝(2)和第二球窝(3)，所述第一球窝(2)和第二球窝(3)上均设有内凹球面，两个内凹球面配合构成球形腔体，第一球窝(2)和第二球窝(3)对球头(4)及橡胶层(1)提供径向预压力；所述第一球窝(2)和第二球窝(3)之间通过高强度螺栓(5)连接。

4.根据权利要求3所述的装配式预压球铰型减震装置，其特征在于，通过调整球形腔体的内径和橡胶层(1)的厚度控制径向预压力。

5.根据权利要求4所述的装配式预压球铰型减震装置，其特征在于，所述内凹球面的边缘进行圆角化处理；所述第一球窝(2)和第二球窝(3)外表面均进行镀锌处理；所述球头(4)与榫身(6)之间采用圆弧过渡连接。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的装配式预压球铰型减震装置，其特征在于，所述传力筒(8)与法兰球窝之间留有间隙。

7.根据权利要求6所述的装配式预压球铰型减震装置，其特征在于，所述榫身(6)的另一端设有底盘法兰(7)，通过底盘法兰(7)固定于桥梁的下部结构上，所述传力筒(8)固定于桥梁的上部结构上。

8.根据权利要求7所述的装配式预压球铰型减震装置，其特征在于，所述榫身(6)与底盘法兰(7)之间采用螺纹连接。

9.根据权利要求7所述的装配式预压球铰型减震装置，其特征在于，所述榫身(6)垂直于轴向的截面为圆形，由上至下，榫身(6)的周向直径逐渐增大，榫身(6)的几何变形符合等强度梁理论。

10.根据权利要求7所述的装配式预压球铰型减震装置，其特征在于，所述榫身(6)采用低碳钢；所述法兰球窝、底盘法兰(7)和传力筒(8)均采用45#钢。

Images