CN114232464A - 高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高阻尼橡胶‑沙漏型钢支撑组合式耗能构造，包括连接座、支撑机构和耗能机构；连接座包括左连接座和右连接座；支撑机构和耗能机构安装于左连接座和右连接座之间；支撑机构的两侧分别通过左连接座和右连接座与墩柱和系梁固定连接。本发明在地震作用下系梁与桥墩的相互错动带动连接座相互错动，耗能机构够吸收横向载荷耗能和纵向载荷耗能；进而减小整桥的地震响应，保护系梁不受破坏并将破坏集中于耗能构造，耗能构造破坏后可以进行更换，保证带系梁与桥墩的可持续工作性能，进而克服传统桥墩‑系梁体系中系梁容易受剪破坏以及桥墩耗能能力不足的弊端，并且可以实现耗能构件的快速更换，有利于日常养护及震后抢险工作。

Description

高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造及方法

技术领域

本发明涉及桥梁工程领域，特别涉及高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造及施工方法。

背景技术

由于中国多山区丘陵地貌，公路铁路线路常常跨越深山峡谷，这些地区的桥梁大多具有墩身高、带系梁的特点，通过采用带系梁的方式提高双柱式桥墩的侧向刚度，改善其稳定性，提高双柱墩的承载力。同时，我国处于多个地震断裂带之间，极易遭受到地震的影响，尤其是西南地区属于高烈度地区，地势起伏较大，一旦遭受到地震荷载，对于桥梁结构的破坏是毁灭性的。由之前我国发生的几次地震可知，双柱墩一旦遭受到地震荷载，极易使系梁与墩柱连接位置发生剪切破坏，一旦系梁发生破坏，会改变双柱墩受力形式，加速双柱墩的破坏，进而导致整个桥梁发生破坏，因此如何有效保持系梁持续服役能力是双柱墩抗震性能的重点之一。在之前的双柱墩系梁设计中，一般仍采用施工现场浇筑混凝土形成现浇钢筋混凝土结构，但系梁端部在强震作用下容易发生损伤累积，最终发生系梁破坏，且一旦系梁产生破坏，需要在震后花费大量人力、物力和财力进行修复和加固。

随着我国经济实力及桥梁施工技术水平的提高，预制装配技术被广泛应用到高烈度地区桥梁结构中，尽管预制装配技术在桥梁上部结构中相对更加成熟，下部结构(桥墩)的预制装配技术及方法仍在快速发展阶段，但已形成几种常规的墩柱-系梁连接方式：

第一种是金属阻尼器，在系梁与墩柱连接位置填加金属阻尼器，将损伤破坏集中于金属阻尼器位置，有效的保护系梁使之不发生损伤，这种方式连接简单，拆卸方便，但是需要在墩柱-系梁位置产生较大变形，才能充分发挥金属阻尼器屈服变形耗能的特点；

第二种是摩擦式阻尼器，如：橡胶、钢板等等，利用不同材料间的相互挤压、摩擦产生耗能，将相对滑移转化为热能释放，从而达到耗能、减轻结构损伤的目的，这种连接构造力学模型简单，成本较低，但后期变形较大、热量较高时易出现摩擦接触面减小、摩擦力不容易控制等问题；

第三种是设置辅助防屈曲支撑，在墩柱-系梁连接位置仍采用现浇构造，在墩柱-系梁周围斜向布置防屈曲支撑，利用防屈曲支撑变形产生耗能，保护墩柱-系梁不发生较大破坏，这种连接方式抗震性能稳定，但是构造相对复杂，且应布置在相对位移较大的地方，所需布置空间较大。

为解决墩柱-系梁连接构造的抗震性能、保持系梁持续工作的问题，急需提出一种适用于高烈度地区双柱墩的墩柱-系梁连接耗能构造，既可以将损伤集中于耗能构造上，避免系梁过早的发生破坏，影响双柱墩整体安全性，又可以在发生损伤后便于拆卸耗能构造，实现可更换、再装配的能力，维持系梁长期稳定服役性能。

发明内容

为有效解决背景技术中提到的高烈度区墩柱-系梁连接构造的抗震问题，本发明提出一种高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造及设计、施工方法。该高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造在满足高烈度地区预制拼装墩柱-系梁连接节点的抗震、质量需求的同时，也能够极大地加快施工速度，保证良好的耗能能力及震后可更换性能。为高烈度地区预制拼装墩柱-系梁连接构造提供一种新的连接方案，促进预制装配技术的进一步发展。

本发明采用的技术方案为：

一种高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造，该高阻尼橡胶- 沙漏型钢支撑组合式耗能构造包括连接座、支撑机构和耗能机构；所述连接座包括左连接座和右连接座，左连接座和右连接座对称设置；所述支撑机构和耗能机构安装于左连接座和右连接座之间；所述支撑机构的两侧分别通过左连接座和右连接座与墩柱和系梁固定连接；该高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造布置于墩柱和系梁的连接位置处，遭受地震荷载时，所述耗能机构通过材料形变能够吸横向载荷耗能，其通过自身相对摩擦吸收纵向载荷耗能。

进一步，所述左连接座和右连接座的结构相同，均包括连接钢板和预埋连接钢筋；所述预埋连接钢筋为若干根，预埋连接钢筋预埋于墩柱或系梁内，且端头处露于墩柱或系梁外；所述连接钢板为矩形钢板，其一侧能够与支撑机构连接，其另一侧与预埋连接钢筋露于墩柱或系梁外的端头固定连接。

进一步，所述支撑机构包括沙漏型钢支撑组件、大连接螺栓、左垫板和右垫板；所述左垫板通过大连接螺栓与左连接座的一侧固定连接，且左垫板与左连接座紧密贴合；所述右垫板通过大连接螺栓与右连接座的一侧固定连接，且右垫板与右连接座紧密贴合；所述左垫板和右垫板之间通过沙漏型钢支撑组件连接，且沙漏型钢支撑组件位于左垫板和右垫板之间的四角处；所述左垫板和右垫板之间的中间处与耗能机构连接。

进一步，所述沙漏型钢支撑组件包括沙漏状钢棒、连接板和小连接螺栓；所述沙漏状钢棒的外形为两头粗中间细，其两端均固定连接有连接板；所述连接板上对称设有通孔；所述小连接螺栓穿过连接板上的通孔与左垫板或右垫板螺纹连接，使连接板与左垫板或右垫板紧密贴合。

进一步，所述耗能机构包括第一剪切钢板、第二剪切钢板和高阻尼橡胶块；所述第一剪切钢板和第二剪切钢板的截面均为n形，第一剪切钢板的n形开口向下，第二剪切钢板的n形开口向上；所述第一剪切钢板的一侧与左垫板固定连接，其另一端插入第二剪切钢板的n 形开口内；所述第二剪切钢板的一侧与右垫板固定连接，其另一端插入第一剪切钢板的n形开口内；所述高阻尼橡胶块嵌入式安装在第一剪切钢板与第二剪切钢板之间的间隙处。

进一步，所述耗能机构还包括C型拉压钢条；所述第一剪切钢板插入第二剪切钢板n形开口内的另一端的端头处通过C型拉压钢条与第二剪切钢板固定连接；所述第二剪切钢板插入第一剪切钢板n 形开口内的另一端的端头处通过C型拉压钢条与第一剪切钢板固定连接。

高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造设计方法，包括以下步骤：

步骤1，根据已知墩柱与系梁的尺寸确定使用的材料类型；

步骤2，根据确定的材料类型计算系梁抗弯承载力M与抗剪承载力V；

步骤3，确定耗能构造的合理内力需求M_T、Q_T；

其中，M_T＝β×M；Q_T＝β×V；

式中，β为内力折减系数，M、V分别表示混凝土系梁的抗弯承载力与抗剪承载力；由于耗能构造优先于系梁普通混凝土段屈服，因此可取小于1的数，具体根据实际工程的要求确定；

步骤4，拟定沙漏状钢棒、高阻尼橡胶块、C型拉压钢条的尺寸；

其中，单个沙漏状钢棒可承受的极限塑性弯矩为：

单个沙漏状钢棒承受的竖向剪力为：

单块高阻尼橡胶块的剪力需求与总剪力为：

Q_r＝GθA；

C型拉压钢条承受的最大拉伸荷载为：

式中，R(cosα+α)＝θL_link，R为拟定的C型拉压钢条的曲率半径；θ为组合式耗能构造的转动位移；

C型拉压钢条承受的最大压缩荷载为：

式中，R(1+sinγ-cosγ)＝θL_link；

根据弯矩与剪力平衡关系

n_sQ_s+n_cmin{F_c,F_t}+2GθA＝Q_T；

式中，Q_s为单个沙漏状钢棒承受的剪力,且需满足

式中，Q_lu为沙漏状钢棒材料抗剪强度与截面抗剪承载力；

通过拟定橡胶层厚度t，可确定沙漏状钢棒与C型拉压钢条的数量n_s、n_c；

步骤4，校核组合式耗能构造的合理刚度需求；

具体的，组合式耗能构造的最大转动位移需求按式θ_T＝β×θ_c确定；式中，θ_c为混凝土系梁发生屈服时系梁-墩柱节点最大转角；

根据虚功原理，可得组合式耗能构造的最大转动位移θ：

式中，L_link为混凝土系梁悬臂长度；t为橡胶块的厚度；I(x)为沙漏状钢棒的塑性惯性矩；

若θ≤θ_T则组合耗能构造刚度满足需求；若组合耗能构造刚度不满足需求则重新计算。

高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造施工方法，施工方法包括以下步骤：

S1、在工厂将预埋连接钢筋与系梁构造钢筋或墩柱构造钢筋绑扎，预埋连接钢筋和底座钢板之间焊接，并支护模板，浇筑混凝土，完成预制系梁和预制墩柱的制作，并保证预埋连接钢筋的端头处露于墩柱或系梁外；

S2、建筑完成后，将连接钢板与预埋连接钢筋露于墩柱或系梁外的端头焊接，然后将左垫板和右垫板通过大连接螺栓与连接钢板的一侧栓接在一起；

S3、将第一剪切钢板和第二剪切钢板分别与左垫板和右垫板固定连接，保证第一剪切钢板和第二剪切钢板位于左垫板和右垫板之间的中间位置；

S4、在第一剪切钢板与第二剪切钢板的上下间隙处布置C型拉压钢条，并将C型拉压钢条与第一剪切钢板和第二剪切钢板焊接；

S5、在第一剪切钢板与第二剪切钢板之间的间隙处嵌入高阻尼橡胶块；

S6、将沙漏型钢支撑组件通过小连接螺栓分别栓接在左垫板和右垫板之间的四角处；

S7、当高阻尼橡胶块或沙漏型钢支撑在地震作用下发生变形损坏时能够对其进行更换，重新通过大连接螺栓连接新的支撑机构和耗能机构，使高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造保持持续工作的能力。

本发明的有益效果是：

该高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造包括连接座、支撑机构和耗能机构；连接座包括左连接座和右连接座；支撑机构和耗能机构安装于左连接座和右连接座之间；支撑机构的两侧分别通过左连接座和右连接座与墩柱和系梁固定连接；该高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构在地震作用下系梁与桥墩的相互错动带动连接座相互错动，耗能机构够吸收横向载荷耗能和纵向载荷耗能；进而减小整桥的地震响应，保护系梁不受破坏并将破坏集中于耗能构造位置，避免系梁发生较大破坏，耗能构造破坏后可以进行更换，使双柱墩体系可持续工作，避免由于系梁破坏而导致的受力体系改变，引起整个桥墩的破坏。

该高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造可以充分发挥系梁处的耗能能力，使整桥在地震作用下保持良好的性能；进而克服传统桥墩-系梁体系中系梁容易受剪破坏以及桥墩耗能能力不足的弊端，并且可以实现快速拼装及震后更换，有利于日常养护及震后抢险工作。

附图说明

图1为本发明的安装示意图；

图2为本发明连接座的结构示意图；

图3为本发明支撑机构和耗能机构的结构示意图；

图4为本发明的拆分结构示意图；

图5为本发明沙漏型钢支撑组件的结构示意图；

图6为本发的设计流程图；

图1—5中，1—连接座，2—支撑机构，3—耗能机构，4—左连接座， 5—右连接座，6—墩柱，7—系梁，8—连接钢板，9—预埋连接钢筋， 10—沙漏型钢支撑组件，11—大连接螺栓，12—左垫板，13—右垫板， 14—沙漏状钢棒，15—连接板，16—小连接螺栓，17—第一剪切钢板， 18—第二剪切钢板，19—高阻尼橡胶块，20—C型拉压钢条。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是需要说明的是，本发明并不限于此实施例。在下文对本发明的细节描述中，详细描述了一些特定的细节部分。然而，对于没有详细描述的部分，本领域技术人员也可以完全理解本发明。

此外，本领域普通技术人员应当理解，所提供的附图仅为了说明本发明的目的、特征以及优点，附图并不是完全按照实际比例绘制的。

同时，除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等相似词语应当解释为包含的含义而非排他或穷举的意思；也就是说，是“包含但不限于”的意思。

实例参考如图1—5所示，本发明提出了一种高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造，该高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造包括连接座1、支撑机构2和耗能机构3；

具体的，所述连接座1包括左连接座4和右连接座5，左连接座 4和右连接座5对称设置；所述支撑机构2和耗能机构3安装于左连接座4和右连接座5之间；所述支撑机构2的两侧分别通过左连接座 4和右连接座5与墩柱6和系梁7固定连接；该高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造布置于墩柱6和系梁7的连接位置处，通过连接座1实现支撑机构2和耗能机构3与主体结构的连接，遭受地震荷载时，所述耗能机构3通过材料形变能够吸横向载荷耗能，述耗能机构 3通过自身相对摩擦吸收纵向载荷耗能。需要指出的是，墩柱6与系梁7连接位置的系梁7端部只是为说明本方案而选取的最佳布置位置，实际工程应用中也可布置于其他位置。

本实施例中还给出了连接座1、支撑机构2和耗能机构3的具体结构：

如图2所示，所述左连接座4和右连接座5的结构相同，均包括连接钢板8和预埋连接钢筋9；

具体的，所述预埋连接钢筋9为若干根，预埋连接钢筋9预埋于墩柱6或系梁7内，且预埋连接钢筋9的端头处露于墩柱6或系梁7 外；所述连接钢板8为矩形钢板，连接钢板8的厚度尺寸等根据抗弯承载力要求确定即可，连接钢板8一侧能够与支撑机构2连接，连接钢板8的另一侧与预埋连接钢筋9露于墩柱6或系梁7外的端头固定连接。预埋连接钢筋9埋入段长度满足规范规定的锚固长度要求即可。

所述连接钢板8的端头与预埋连接钢筋9固定连接后，连接钢板 8的一侧与墩柱6或系梁7紧密贴合，进而在地震作用下系梁7与桥墩的相互错动能够带动左连接座4和右连接座5相互错动。

如图3—4所示，所述支撑机构2包括沙漏型钢支撑组件10、大连接螺栓11、左垫板12和右垫板13；

具体的，所述左垫板12通过大连接螺栓11与左连接座4的一侧固定连接，且左垫板12与左连接座4紧密贴合；所述右垫板13通过大连接螺栓11与右连接座5的一侧固定连接，且右垫板13与右连接座5紧密贴合；所述左垫板12和右垫板13之间通过沙漏型钢支撑组件10连接，且沙漏型钢支撑组件10位于左垫板12和右垫板13之间的四角处；所述左垫板12和右垫板13之间的中间处与耗能机构3连接。

支撑机构2采用上述构造具体有两种作用，一、通过左垫板12 和右垫板13与左连接座4和右连接座5螺栓连接，实现耗能构造与墩柱、系梁的装配式连接，为山区带系梁双柱墩全预制技术提供解决思路。同时，当发生地震下破坏时，将支撑机构进行更换，实现可更换性能，进一步达到作为灾害下临时恢复救援桥梁的目标。二、采用上述支撑机构，并采用沙漏型钢板支撑组件可以为整个耗能构造提供基本的抗弯刚度和强度，保证整个构造能够发挥变形能力。

进一步的，如图5所示，所述沙漏型钢支撑组件10包括沙漏状钢棒14、连接板15和小连接螺栓16；所述沙漏状钢棒14的外形为两头粗中间细，沙漏状钢棒14两端均固定连接有连接板15；所述连接板15上对称设有通孔；所述小连接螺栓16穿过连接板15上的通孔与左垫板12或右垫板13螺纹连接，使连接板15与左垫板12或右垫板13紧密贴合。

沙漏型钢支撑组件10包括沙漏状钢棒14、连接板15以及小连接螺栓16。沙漏状钢棒14主要作用主要是为整个构造提供抗弯刚度，其沙漏形状主要为在受到荷载作用时，钢棒端部弯矩较大，需要较大截面积的钢棒提供抗弯矩能力，而中间弯矩较小不需要较大面积的钢棒提供弯矩，因此整个形状为沙漏状，即两端宽，中间细的形式，目的在于根据受力形式，合力利用材料，使荷载作用下钢棒全截面屈服，即弯曲变形，并且提供一定的耗能能力，而连接板15和小连接螺栓的作用是实现沙漏状钢棒14的预制装配，并保证在沙漏状钢棒14发生屈曲变形耗能后，便于拆卸更换新的沙漏状钢棒14，实现可更换性能。

如图3—4所示，所述耗能机构3包括第一剪切钢板17、第二剪切钢板18和高阻尼橡胶块19；所述第一剪切钢板17和第二剪切钢板18的截面均为n形，第一剪切钢板17的n形开口向下，第二剪切钢板18的n形开口向上；所述第一剪切钢板17的一侧与左垫板12 固定连接，第一剪切钢板17的另一端插入第二剪切钢板18的n形开口内；所述第二剪切钢板18的一侧与右垫板13固定连接，第二剪切钢板18的另一端插入第一剪切钢板17的n形开口内；所述高阻尼橡胶块19嵌入式安装在第一剪切钢板17与第二剪切钢板18之间的间隙处。

传统混凝土系梁-墩柱位置无耗能构造时，此位置受弯矩和剪力的共同作用，但由于系梁中点位置距桥墩的长度比值较小，即剪跨比较小，不论从地震后实际双柱墩系梁位置的破坏情况还是从理论分析可知，该位置通常表现为剪切破坏，而剪切破坏又属于脆性破坏，脆性破坏常常发生的很突然，是工程中需要避免的破坏类型。而在此位置安装耗能机构3与支撑机构2时，将地震荷载作用下的变形集中于耗能构造3与支撑机构2位置，使得耗能构造3与支撑机构2发生塑性变形进而形成耗能，而由于沙漏状钢棒14与C型拉压钢条20以及高阻尼橡胶19均发生延性变形，将破坏模式由脆性突然破坏转变为延性缓慢破坏形式，并在金属钢棒、钢条以及高阻尼橡胶等变形作用下产生耗能。

进一步的，所述耗能机构3还包括C型拉压钢条20；所述第一剪切钢板17插入第二剪切钢板18n形开口内的另一端的端头处通过 C型拉压钢条20与第二剪切钢板18固定连接；所述第二剪切钢板 18插入第一剪切钢板17n形开口内的另一端的端头处通过C型拉压钢条20与第一剪切钢板17固定连接。

从耗能机构3的构造可知，其主要的变形的方式为竖向变形，当地震作用下系梁7与桥墩的相互错动带动左连接座4和右连接座5相互错动，进而导致第一剪切钢板17与第二剪切钢板18产生相对竖向位移，内置于剪切钢板间的高阻尼橡胶发挥其大变形的能力，出现剪切变形从而耗能，同时为了增加构件的耗能能力，在两个剪切钢板间布置C型拉压钢条20，通过C型钢拉压钢条20限制剪切钢板的位移，协助高阻尼橡胶共同通过变形产生耗能。具体的，当第一剪切钢板 17向上运动时，第二剪切钢板18向下运动，部分C型拉压钢条被压缩，另一部分则被拉伸，反之，同样如此。C型拉压钢条的拉伸和压缩会产生塑性变形，进而耗能。

该高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造可作为预制拼装墩柱-系梁节点的系梁连接构造。预制构件施工只需现场作业拼装，施工清晰、简便、快速。该高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造涉及的支撑机构2和耗能机构3可以方便更换，保证了墩柱-系梁节点的耐久性和震后可恢复性能，是对传统现浇墩柱-系梁节点的技术延伸。该高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造能很好的解决传统墩柱-系梁节点在地震荷载过后系梁易发生破坏，导致结构体系改变而影响结构安全性、抗震性、承载力及耗能等的问题，以及系梁可持续工作能力差的问题。

为确定高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造的技术参数，本发明提出设计流程如图6所示，包括以下步骤：

步骤1，根据已知墩柱与系梁的尺寸确定使用的材料类型；

步骤2，根据确定的材料类型计算系梁抗弯承载力M与抗剪承载力V；

步骤3，确定组合式耗能构造的合理内力需求M_T、Q_T

M_T＝β×M (1)

Q_T＝β×V (2)

式中，β为内力折减系数，M、V分别表示混凝土系梁的抗弯承载力与抗剪承载力；由于耗能构造优先于系梁普通混凝土段屈服，因此可取小于1的数，具体根据实际工程的要求确定。

步骤4，拟定沙漏状钢棒、高阻尼橡胶块、C型拉压钢条的尺寸单个沙漏状钢棒可承受的极限塑性弯矩为：

式中，a，l分别为沙漏型阻尼器的形状系数与二分之一长度；σ_y为沙漏阻尼器材料屈服强度。

单个沙漏状钢棒承受的竖向剪力为：

单块高阻尼橡胶块的剪力需求与总剪力为：

Q_r＝GθA (5)

式中，G为橡胶材料的剪切模量；A为橡胶材料的平面面积；θ为橡胶块的剪切位移角，与组合型构造的转动位移相同。

C型拉压钢条承受的最大拉伸荷载为：

式中，R(cosα+α)＝θL_link，α为拉伸变位角，L_link为混凝土系梁段悬臂长度；R为拟定的C型拉压钢条的曲率半径；θ为组合式耗能构造的转动位移。

C型拉压钢条承受的最大压缩荷载为：

式中，R(1+sinγ-cosγ)＝θL_link,γ为压缩变位角。

根据弯矩与剪力平衡关系

n_sQ_s+n_cmin{F_c,F_t}+2GθA＝Q_T (10)

式中，Q_s为单个沙漏型阻尼器承受的剪力,n_s为沙漏型阻尼器的数量； n_c为C型拉压钢条的数量；t为橡胶层厚度。,且需满足

式中，τ_u,Q_lu分别为沙漏型阻尼器材料抗剪强度与截面抗剪承载力。

通过拟定橡胶层厚度t，可确定沙漏型阻尼器与C型拉压钢条的数量n_s、n_c

步骤5，校核组合式耗能构造的合理刚度需求；

为避免混凝土系梁发生破坏，组合式耗能构造的最大允许转动位移需求按式(14)确定；

θ_T＝β×θ_c (14)

式中，θ_c为混凝土系梁发生屈服时系梁-墩柱节点最大转角。

根据虚功原理，可得组合式耗能构造的最大转动位移

式中，E表示沙漏型阻尼器的材料弹性模量，I(x)为沙漏型阻尼器的塑性惯性矩；M(x)为沙漏型阻尼器的截面弯矩。最大转动位移θ可根据式(15)确定。

组合耗能器刚度需满足：

θ≤θ_T (16)

上述高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造可通过以下施工方法进行施工，具体的，施工方法包括以下步骤：

S1、在工厂将预埋连接钢筋与系梁构造钢筋或墩柱构造钢筋绑扎，预埋连接钢筋和底座钢板之间焊接，并支护模板，浇筑混凝土，完成预制系梁和预制墩柱的制作，并保证预埋连接钢筋的端头处露于墩柱或系梁外；

S2、建筑完成后，将连接钢板与预埋连接钢筋露于墩柱或系梁外的端头焊接，然后将左垫板和右垫板通过大连接螺栓与连接钢板的一侧栓接在一起；

S3、将第一剪切钢板和第二剪切钢板分别与左垫板和右垫板固定连接，保证第一剪切钢板和第二剪切钢板位于左垫板和右垫板之间的中间位置；

S4、在第一剪切钢板与第二剪切钢板的上下间隙处布置C型拉压钢条，并将C型拉压钢条与第一剪切钢板和第二剪切钢板焊接；

S5、在第一剪切钢板与第二剪切钢板之间的间隙处嵌入高阻尼橡胶块；

S6、将沙漏型钢支撑组件通过小连接螺栓分别栓接在左垫板和右垫板之间的四角处；

S7、当高阻尼橡胶块或沙漏型钢支撑在地震作用下发生变形损坏时能够对其进行更换，重新通过大连接螺栓连接新的支撑机构和耗能机构，使高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造保持持续工作的能力。

同时，应该指出的是，以上所述仅为本发明较为典型实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的思想和技术实质对以上实施例所作任何改动均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造，其特征在于：该高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造包括连接座、支撑机构和耗能机构；所述连接座包括左连接座和右连接座，左连接座和右连接座对称设置；所述支撑机构和耗能机构安装于左连接座和右连接座之间；所述支撑机构的两侧分别通过左连接座和右连接座与墩柱和系梁固定连接；该高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造布置于墩柱和系梁的连接位置处，遭受地震荷载时，所述耗能机构通过材料形变能够吸横向载荷耗能，其通过自身相对摩擦吸收纵向载荷耗能。

2.根据权利要求1所述的高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造，其特征在于：所述左连接座和右连接座的结构相同，均包括连接钢板和预埋连接钢筋；所述预埋连接钢筋为若干根，预埋连接钢筋预埋于墩柱或系梁内，且端头处露于墩柱或系梁外；所述连接钢板为矩形钢板，其一侧能够与支撑机构连接，其另一侧与预埋连接钢筋露于墩柱或系梁外的端头固定连接。

3.根据权利要求1所述的高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造，其特征在于：所述支撑机构包括沙漏型钢支撑组件、大连接螺栓、左垫板和右垫板；所述左垫板通过大连接螺栓与左连接座的一侧固定连接，且左垫板与左连接座紧密贴合；所述右垫板通过大连接螺栓与右连接座的一侧固定连接，且右垫板与右连接座紧密贴合；所述左垫板和右垫板之间通过沙漏型钢支撑组件连接，且沙漏型钢支撑组件位于左垫板和右垫板之间的四角处；所述左垫板和右垫板之间的中间处与耗能机构连接。

4.根据权利要求3所述的高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造，其特征在于：所述沙漏型钢支撑组件包括沙漏状钢棒、连接板和小连接螺栓；所述沙漏状钢棒的外形为两头粗中间细，其两端均固定连接有连接板；所述连接板上对称设有通孔；所述小连接螺栓穿过连接板上的通孔与左垫板或右垫板螺纹连接，使连接板与左垫板或右垫板紧密贴合。

5.根据权利要求1所述的高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造，其特征在于：所述耗能机构包括第一剪切钢板、第二剪切钢板和高阻尼橡胶块；所述第一剪切钢板和第二剪切钢板的截面均为n形，第一剪切钢板的n形开口向下，第二剪切钢板的n形开口向上；所述第一剪切钢板的一侧与左垫板固定连接，其另一端插入第二剪切钢板的n形开口内；所述第二剪切钢板的一侧与右垫板固定连接，其另一端插入第一剪切钢板的n形开口内；所述高阻尼橡胶块嵌入式安装在第一剪切钢板与第二剪切钢板之间的间隙处。

6.根据权利要求5所述的高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造，其特征在于：所述耗能机构还包括C型拉压钢条；所述第一剪切钢板插入第二剪切钢板n形开口内的另一端的端头处通过C型拉压钢条与第二剪切钢板固定连接；所述第二剪切钢板插入第一剪切钢板n形开口内的另一端的端头处通过C型拉压钢条与第一剪切钢板固定连接。

7.高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，根据已知墩柱与系梁的尺寸确定使用的材料类型；

步骤2，根据确定的材料类型计算系梁抗弯承载力M与抗剪承载力V；

步骤3，确定耗能构造的合理内力需求M_T、Q_T；

其中，M_T＝β×M；Q_T＝β×V；

式中，β为内力折减系数，M、V分别表示混凝土系梁的抗弯承载力与抗剪承载力；由于耗能构造优先于系梁普通混凝土段屈服，因此可取小于1的数，具体根据实际工程的要求确定；

步骤4，拟定沙漏状钢棒、高阻尼橡胶块、C型拉压钢条的尺寸；

其中，单个沙漏状钢棒可承受的极限塑性弯矩为：

单个沙漏状钢棒承受的竖向剪力为：

单块高阻尼橡胶块的剪力需求与总剪力为：

Q_r＝GθA；

C型拉压钢条承受的最大拉伸荷载为：

式中，R(cosα+α)＝θL_link，R为拟定的C型拉压钢条的曲率半径；θ为组合式耗能构造的转动位移；

C型拉压钢条承受的最大压缩荷载为：

式中，R(1+sinγ-cosγ)＝θL_link；

根据弯矩与剪力平衡关系

n_sQ_s+n_cmin{F_c,F_t}+2GθA＝Q_T；

式中，Q_s为单个沙漏状钢棒承受的剪力,且需满足

式中，Q_lu为沙漏状钢棒材料抗剪强度与截面抗剪承载力；

通过拟定橡胶层厚度t，可确定沙漏状钢棒与C型拉压钢条的数量n_s、n_c；

步骤4，校核组合式耗能构造的合理刚度需求；

具体的，组合式耗能构造的最大转动位移需求按式θ_T＝β×θ_c确定；式中，θ_c为混凝土系梁发生屈服时系梁-墩柱节点最大转角；

根据虚功原理，可得组合式耗能构造的最大转动位移θ：

式中，L_link为混凝土系梁悬臂长度；t为橡胶块的厚度；I(x)为沙漏状钢棒的塑性惯性矩；

若θ≤θ_T则组合耗能构造刚度满足需求；若组合耗能构造刚度不满足需求则重新计算。

8.高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造施工方法，其特征在于：施工方法包括以下步骤：

S1、在工厂将预埋连接钢筋与系梁构造钢筋或墩柱构造钢筋绑扎，预埋连接钢筋和底座钢板之间焊接，并支护模板，浇筑混凝土，完成预制系梁和预制墩柱的制作，并保证预埋连接钢筋的端头处露于墩柱或系梁外；

S2、建筑完成后，将连接钢板与预埋连接钢筋露于墩柱或系梁外的端头焊接，然后将左垫板和右垫板通过大连接螺栓与连接钢板的一侧栓接在一起；

S3、将第一剪切钢板和第二剪切钢板分别与左垫板和右垫板固定连接，保证第一剪切钢板和第二剪切钢板位于左垫板和右垫板之间的中间位置；

S4、在第一剪切钢板与第二剪切钢板的上下间隙处布置C型拉压钢条，并将C型拉压钢条与第一剪切钢板和第二剪切钢板焊接；

S5、在第一剪切钢板与第二剪切钢板之间的间隙处嵌入高阻尼橡胶块；

S6、将沙漏型钢支撑组件通过小连接螺栓分别栓接在左垫板和右垫板之间的四角处；

S7、当高阻尼橡胶块或沙漏型钢支撑在地震作用下发生变形损坏时能够对其进行更换，重新通过大连接螺栓连接新的支撑机构和耗能机构，使高阻尼橡胶-沙漏型钢支撑组合式耗能构造保持持续工作的能力。

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