CN113944097A - 一种摩擦耗能-自复位防落梁装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有摩擦耗能和自复位功能的防落梁装置，包括金属外壳、高强螺栓、复位弹簧、变摩擦高阻尼橡胶垫、U形耗能反力板、限位预应力装置、导向滑轮装置、预紧螺栓、限位锚具。复位弹簧的一端与U形耗能反力板焊接，另一端与金属外壳焊接形成一整体；限位预应力装置一端通过孔道穿过金属外壳与U形耗能反力板，并通过限位锚具与U形耗能反力板连接；导向滑轮装置通过高强螺栓与桥台相连，限位预应力装置通过导向滑轮装置转向并通过限位锚具与桥梁上部主梁连接，并施加一定的预紧力平衡复位弹簧。本发明具有施工方便、结构简单、受力清晰、造价低廉、检查维修方便等优点，且在地震中发生损伤后可实现快速更换的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有摩擦耗能和自复位功能的防落梁装置及其安装方法，属于桥梁抗震技术领域。
背景技术
我国是一个地震多发的国家，地震频率高，强度大，并且分布范围广。近些年发生的几次特大地震灾害都造成了重大的生命财产损失。桥梁结构作为重要的生命保障通道，在震后救灾、震后重建等都起着至关重要的作用。我国现有公路桥梁中绝大多数为中、小跨径梁式桥，而地震中中小跨径梁桥的损伤、破坏、倒塌也是最常见的桥梁震害模式。现阶段我国逐步建立健全了公路桥梁抗震设计规范和标准，为地震中高烈度区的中小跨径梁桥的抗震设计、施工和维护提供了保障。
对于中小跨径桥梁而言，依据现有设计标准在非罕遇地震作用下中小跨径桥梁的安全性是基本可以保证的，即设防地震作用下中小跨径桥梁基本不会发生破坏、倒塌等不利情况。然而由于设计经费、维护费用、施工费用的限制，中、小跨径梁桥出现非强度破坏条件下的损伤失效(支座变形超限、碰撞、落梁等)却时有发生，如在汶川地震中的落梁震害就极为严重。主梁发生落梁时撞击桥墩和桥台，会对下部结构产生二次破坏，可能造成更大的震害。为了避免桥梁的非强度破坏，减隔震装置在桥梁中的推广应用渐渐受到学者和人们的关注。然而由于中小跨径梁桥设计、施工和养护费用的限制，传统减隔震装置在中小跨径梁桥中的应用受到了严格的限制。
防落梁装置作为一种避免落梁的限位装置逐渐受到关注。美国、日本等国在桥梁规范中对防落梁装置都有所规定，我国也对桥梁的限位装置提出了一定的要求。然而我国目前运用的防落梁限位装置一般应用于新建桥梁中，对于广泛存在的既有中小跨径梁桥的限位装置设计与应用仍处于探索阶段。且目前较为常用的防落梁装置均存在无耗能能力、限位能力有限、震后残余变形大、震后可恢复功能差、不易拆卸、施工复杂等缺点。因此提出一种兼具优异耗能能力、一定自复位功能、可装配、易拆卸等优点的摩擦耗能-自复位防落梁装置具有显著的工程实用价值和理论意义。
发明内容
为了解决背景技术中现有桥梁防落梁装置中存在的问题，本发明提出了一种摩擦耗能-自复位防落梁装置，其具有构造简单，安装简便，兼具摩擦耗能和一定自复位功能，并且震后可以及时更换等优点。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种摩擦耗能-自复位防落梁装置，其特征在于：包括金属外壳(1)、高强螺栓(2)、复位弹簧(3)、变摩擦高阻尼橡胶垫(4)、U形耗能反力板 (5)、限位预应力装置(6)、导向滑轮装置(7)、预紧螺栓(8)和限位锚具(9)；复位弹簧(3)的一端与U形耗能反力板(5)焊接，另一端与金属外壳(1)焊接形成一整体；设有复位弹簧(3)和U形耗能反力板(5)的金属外壳(1)通过高强螺栓与梁桥的桥台或盖梁相连；限位预应力装置(6)一端通过孔道穿过金属外壳(1)与U形耗能反力板(5)，并通过限位锚具(9) 与U形耗能反力板(5)连接；U型耗能反力板(5)的侧面通过预紧螺栓(8) 穿过变摩擦高阻尼橡胶垫(4)与金属外壳(1)侧面的滑移限位孔槽(1b)连接；导向滑轮装置(7)通过高强螺栓(2)与桥台(11)相连，限位预应力装置(6)通过导向滑轮装置(7)转向并通过限位锚具(9)与桥梁上部主梁 (10)连接，并施加一定的预紧力平衡复位弹簧(3)。地震荷载作用下，当梁桥的主梁与桥台之间发生的相对位移较小时，限位预应力装置(6)通过复位弹簧(3)提供一定的复位能力，并通过预紧螺栓(8)、变摩擦高阻尼橡胶垫(4)与金属外壳(1)之间的预紧摩擦力提供一定的摩擦耗能能力；当梁桥的主梁与桥台之间发生的相对位移达到滑移限位孔槽(1b)的极限位移时，预紧螺栓(8)与金属外壳(1)之间会卡死，进而达到限位防落梁的功能。
所述的金属外壳(1)为高强或超高强钢一体成型构件，整体呈“几”字型，板厚为20mm～80mm；顶部强度和变形应满足复位弹簧(4)的复位需求，侧板强度和变形应满足摩擦耗能需求，侧板内侧制作成波纹型截面，并开设有 6～20个滑移限位孔槽(1b)；滑移限位孔槽(1b)的极限位移为±30mm～± 200mm，极限位移根据复位变形需求确定；底板预留出10～20个螺栓孔，；金属外壳(1)外表面整体做防锈处理。
所述的复位弹簧(3)的刚度根据防落梁复位功能设计需求调整；对于 10m～40m的梁式桥其复位能力选为设防烈度)下的主梁顺桥向的惯性力的30％～80％；然后依据主梁与墩台之间空间确定设置N组摩擦耗能-自复位防落梁装置，每个摩擦耗能-自复位防落梁装置承担的恢复力即为上述惯性力的1/N，复位弹簧的刚度即可获得。
所述的U形耗能反力板(5)为高强或超高强钢板一体成型构件，板厚为 20mm～60mm；底部强度和变形应满足限位预应力装置(6)的锚固需求，侧板强度和变形应满足摩擦耗能需求，侧板开设有6～20个滑移限位孔槽(1b)；滑移限位孔槽(1b)的极限位移为±30mm～±200mm，极限位移应根据复位变形需求确定。
所述的预紧螺栓(8)的抗拉/压强度和抗剪强度需要分别满足提供摩擦所需的抗拉和限位所需的抗剪两方面要求，数量根据所需提供的预紧力和抗剪力设计；高强螺栓的材料为高强钢、形状记忆合金。
所述的变摩擦高阻尼橡胶垫(4)通过与金属外壳(1)侧面的变截面摩擦获得变摩擦力，极限摩擦力由变截面的角度、正压力、摩擦系数参数控制。根据不同摩擦系数的要求，变摩擦高阻尼橡胶垫(4)选用普通橡胶垫、高阻尼橡胶垫或铅芯橡胶垫。
所述的限位预应力装置(6)一端移动锚固(，另一端固定锚固；预应力装置(6)的极限抗拉强度为金属外壳(1)、复位弹簧(3)和U形耗能反力板(5)极限承载力的1.2倍～2.0倍；预应力筋材质可为钢绞线，平行钢丝，或者为CFRP、FRP。
所述的导向滑轮装置(7)根据限位预应力装置(6)来布置，以调整限位预应力装置(6)的方向和高度；导向滑轮装置(7)的极限承载力满足限位预应力装置(6)的摩擦、压紧需求。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明可以在正常车辆制动荷载以及温度荷载作用下，两块钢板之间高阻尼橡胶垫的静摩擦力限制墩梁间的相对位移，能够满足正常使用需求。
(2)本发明在地震荷载作用下，当梁桥的主梁与桥台之间发生的相对位移较小时，限位预应力装置可以通过复位弹簧提供一定的复位能力，并通过预紧螺栓、变摩擦高阻尼橡胶垫与金属外壳之间的预紧摩擦力提供一定的摩擦耗能能力；当梁桥的主梁与桥台之间发生的相对位移达到滑移限位孔槽的极限位移时，预紧螺栓与金属外壳之间会卡死，进而达到限位防落梁的功能。
(3)本发明装置具有施工方便、结构简单、受力清晰、造价低廉、检查维修方便等优点，且在地震中发生损伤后可实现快速更换的功能。
附图说明
图1为一种摩擦耗能-自复位防落梁装置在纵桥向使用状态参考图；
图2为一种摩擦耗能-自复位防落梁装置在横桥向使用状态参考图；
图3为一种摩擦耗能-自复位防落梁装置正视图；
图4为一种摩擦耗能-自复位防落梁装置侧视图；
图5为一种摩擦耗能-自复位防落梁装置俯视图；
图6为变摩擦高阻尼橡胶垫和U形耗能反力板粘连图；
图7为一种摩擦耗能-自复位防落梁装置的金属外壳正视图；
图中，1-金属外壳，1a-螺栓孔，1b-限位孔槽，1c-预留限位孔，2-高强螺栓，3-复位弹簧，4-变摩擦高阻尼橡胶垫，5-U形耗能反力板，6-限位预应力装置，7-导向滑轮装置，8-预紧螺栓，9-限位锚具，10-上部主梁，11-桥台。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、2所示，本实例提供了用于桥梁结构主梁摩擦耗能-自复位防落梁装置，由金属外壳(1)、高强螺栓(2)、复位弹簧(3)、变摩擦高阻尼橡胶垫(4)、U形耗能反力板(5)、限位预应力装置(6)、导向滑轮装置 (7)、预紧螺栓(8)、限位锚具(9)组成。
金属外壳(1)采用Q550超高强钢，在工厂提前制作成为厚度40mm的一体“几”字型构件(图7)，在底板留出10个螺栓孔(1a)，用来固定整体结构，侧板内侧制作成波纹型截面，两个侧面板分别留出长度100mm的7个滑移限位孔槽(1b)，顶部预留限位孔(1c),并将内外表面做好防锈蚀处理；高强螺栓(2)采用10.9级高强螺栓；选择主梁顺桥向的惯性力的50％，采用6 个复位弹簧(3)，复位弹簧(3)的总刚度按上述惯性力的1/6设计；变摩擦高阻尼橡胶垫(4)采用变弧度高阻尼橡胶垫(见图6)，橡胶垫与变弧度U 型耗能反力板(5)之间的动摩擦系数大于0.3；U形耗能反力板(5)也采用 Q550超高强钢，厚度为20mm，在工厂制作好，两侧留出7个螺栓孔；限位预应力装置(6)采用φ15.241860预应力钢绞线，张拉端和锚固段锚具均采用对应的M15－N锚具；导向滑轮装置(7)通过10.9级高强螺栓与桥台连接，调整预应力钢绞线的水平夹角为30°。
拼装流程如下：
1)将金属外壳(1)外表面做好防锈处理，将复位弹簧(3)一端焊接在其内表面，将复位弹簧(3)的另一侧焊接在U形耗能反力板(5)上。
2)将变弧度(变摩擦)高阻尼橡胶垫(4)粘在)U形耗能反力板(5) 表面的两侧。
3)将限位预应力装置(6)的锚固端固定在U形耗能反力板(5)中心位置。
4)将带有变弧度(变摩擦)高阻尼橡胶垫(4)的U形耗能反力板(5) 和金属外壳(1)采用预紧螺栓(8)预连接，限位预应力装置(6)的预应力钢绞线从内穿过金属外壳的小孔，并穿过限位预应力装置(6) 主梁上的张拉端限位锚具(9)。
5)将以上装配好的金属外壳(1)组合体用高强螺栓(2)固定在桥台 (11)顶部，在桥台顶部放置好导向滑轮装置(7)，调整好高度和距离，并将导向滑轮装置(7)通过高强螺栓(2)固定在桥台(11)顶部。
6)将带有变弧度(变摩擦)高阻尼橡胶垫(4)的U形耗能反力板(5) 和金属外壳(1)连接的预紧螺栓(8)拧紧，进而张拉预应力以给复位弹簧(3)设计初压力，最后进行张拉端锚固限位预应力装置(6)，形成一种摩擦耗能-自复位防落梁装置。
以上所述仅是本发明专利的优选实施方式，但本发明专利的实施不限于此。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种摩擦耗能-自复位防落梁装置，其特征在于：包括金属外壳(1)、高强螺栓(2)、复位弹簧(3)、变摩擦高阻尼橡胶垫(4)、U形耗能反力板(5)、限位预应力装置(6)、导向滑轮装置(7)、预紧螺栓(8)和限位锚具(9)；复位弹簧(3)的一端与U形耗能反力板(5)焊接，另一端与金属外壳(1)焊接形成一整体；设有复位弹簧(3)和U形耗能反力板(5)的金属外壳(1)通过高强螺栓与梁桥的桥台或盖梁相连；限位预应力装置(6)一端通过孔道穿过金属外壳(1)与U形耗能反力板(5)，并通过限位锚具(9)与U形耗能反力板(5)连接；U型耗能反力板(5)的侧面通过预紧螺栓(8)穿过变摩擦高阻尼橡胶垫(4)与金属外壳(1)侧面的滑移限位孔槽(1b)连接；导向滑轮装置(7)通过高强螺栓(2)与桥台(11)相连，限位预应力装置(6)通过导向滑轮装置(7)转向并通过限位锚具(9)与桥梁上部主梁(10)连接，并施加预紧力平衡复位弹簧(3)。
2.根据权利要求1所述的一种摩擦耗能-自复位防落梁装置，其特征在于：地震荷载作用下，当梁桥的主梁与桥台之间发生的相对位移较小时，限位预应力装置(6)通过复位弹簧(3)提供一定的复位能力，并通过预紧螺栓(8)、变摩擦高阻尼橡胶垫(4)与金属外壳(1)之间的预紧摩擦力提供摩擦耗能能力；当梁桥的主梁与桥台之间发生的相对位移达到滑移限位孔槽(1b)的极限位移时，预紧螺栓(8)与金属外壳(1)之间会卡死，进而达到限位防落梁的功能。
3.根据权利要求1所述的一种摩擦耗能-自复位防落梁装置，其特征在于：所述的金属外壳(1)为高强或超高强钢一体成型构件，厚度为20mm～80mm；侧板内侧制作成波纹型截面，并开设有6～20个滑移限位孔槽(1b)；滑移限位孔槽(1b)的极限位移为±30mm～±200mm，极限位移根据复位变形需求确定；顶板设预留限位孔(1c)；底板预留出10～20个螺栓孔；金属外壳(1)的外表面整体做防锈处理。
4.根据权利要求1所述的一种摩擦耗能-自复位防落梁装置，其特征在于：所述的复位弹簧(3)的刚度根据防落梁复位功能设计需求调整；对于10m～40m的梁式桥其复位能力选为设防烈度下的主梁顺桥向的惯性力的30％～80％；然后依据主梁与墩台之间空间确定设置N组摩擦耗能-自复位防落梁装置，每个摩擦耗能-自复位防落梁装置承担的恢复力即为上述惯性力的1/N，复位弹簧的刚度即可获得。
5.根据权利要求1所述的一种摩擦耗能-自复位防落梁装置，其特征在于：所述的U形耗能反力板(5)为高强或超高强钢板一体成型构件，板厚为20mm～60mm；侧板开设有6～20个滑移限位孔槽(1b)；滑移限位孔槽(1b)的极限位移为±30mm～±200mm，极限位移应根据复位变形需求确定。
6.根据权利要求1所述的一种摩擦耗能-自复位防落梁装置，其特征在于：预紧螺栓(8)的抗拉/压强度和抗剪强度需要分别满足提供摩擦所需的抗拉和限位所需的抗剪两方面要求，数量根据所需提供的预紧力和抗剪力设计；高强螺栓的材料为高强钢、形状记忆合金。
7.根据权利要求1所述的一种摩擦耗能-自复位防落梁装置，其特征在于：所述的变摩擦高阻尼橡胶垫(4)通过与金属外壳(1)侧面的变截面摩擦获得变摩擦力，极限摩擦力由变截面的角度、正压力、摩擦系数参数控制；根据不同摩擦系数的要求，变摩擦高阻尼橡胶垫(4)选用普通橡胶垫、高阻尼橡胶垫或铅芯橡胶垫。
8.根据权利要求1所述的一种摩擦耗能-自复位防落梁装置，其特征在于：所述的限位预应力装置(6)一端移动锚固，另一端固定锚固；预应力装置(6)的极限抗拉强度为金属外壳(1)、复位弹簧(3)和U形耗能反力板(5)极限承载力的1.2倍～2.0倍；预应力筋材质为钢绞线或平行钢丝，或者为CFRP、FRP。
9.根据权利要求1所述的一种摩擦耗能-自复位防落梁装置，其特征在于：所述的导向滑轮装置(7)根据限位预应力装置(6)来布置，以调整限位预应力装置(6)的方向和高度；导向滑轮装置(7)的极限承载力满足限位预应力装置(6)的摩擦、压紧需求。
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