CN114875781A - 一种功能可控多状态切换型摩擦摆式减隔震支座 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功能可控多状态切换型摩擦摆式减隔震支座。包括上支座板、中间衬板、下支座板、凸形滑板、球冠衬板、粘滞阻尼器、S型软钢阻尼器、一二级剪力键。所述上支座板与所述凸形滑板间设有第一平动摩擦面和粘滞阻尼器；所述球冠衬板设有弧面扇形凹槽，所述凸形滑板在弧面扇形凹槽内运动；所述球冠衬板与所述中间衬板设有第一弧形摩擦面；所述中间衬板与所述下支座板设有第二平动摩擦面和S型软钢阻尼器，所述第二平动摩擦面两侧设有一级和二级剪力键。所述装置垂直于线路方向布置，包括普通、小震和大震三种工作状态，具有功能可控、多状态切换、自复位和防落梁等特点，可显著降低高速铁路桥梁‑轨道系统震致响应，有效保护高速列车运行安全。

Description

一种功能可控多状态切换型摩擦摆式减隔震支座

技术领域

本发明属于高速铁路桥梁减隔震控制技术领域，具体涉及一种功能可控多状态切换型摩擦摆式减隔震支座。

背景技术

截止2020年底，我国高速铁路里程已达3.79万公里，高居世界第一，“八纵八横”高速铁路网主骨架基本建设完成。此外，我国地处欧亚板块的东南部，受环太平洋地震带和欧亚地震带的影响，是个地震多发国家。据统计，我国大陆7级以上的地震占全球大陆7级以上地震的1/3，因地震死亡人数占全球的1/2；我国有41％的国土、一半以上的城市位于地震基本烈度7度及7度以上地区，6度及6度以上地区占国土面积的79％。因此，我国高速铁路面临震致破坏的严重威胁，确保地震作用下高速铁路在桥上的行车安全值得深入研究和意义重大。目前，国内外在建筑结构及公路桥梁中，通常设置阻尼设备和减隔震支座消减地震作用，常用的减隔震支座有高阻尼橡胶支座、摩擦摆式减隔震支座、铅芯橡胶支座和液压阻尼型支座等，但由于高速铁路的特殊性，高平顺性、安全性和舒适性，以及巨大的列车活荷载对高速铁路桥梁支座的性能提出严格要求，一般的减隔震装置难以满足。

发明内容

本发明目的是提供一种功能可控多状态切换型摩擦摆式减隔震支座，本发明在正常及小震、大震工作状态下仍能保持轨道结构高平顺性，其具有明确而合理的传力路径及机理，能够实现多状态下功能可控与可切换，并具有多频隔震、位移转换、耗能及防落梁等功能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种功能可控多状态切换型摩擦摆式减隔震支座，包括上支座板、中间衬板、下支座板、凸形滑板、环形刚性压板、球冠衬板、粘滞阻尼器、S型软钢阻尼器；其特征在于，所述中间衬板安装在所述下支座板上，中间衬板上部设有球罐形凹槽，所述球冠衬板的开口端通过环形刚性压板压装在所述球罐形凹槽中，所述球冠衬板设有弧面扇形凹槽；所述凸形滑板压装在环形刚性压板上，其一侧设有的滑块延伸至所述弧面扇形凹槽中，所述凸形滑板的滑块在弧面扇形凹槽内运动；另一侧安装有上支座板；粘滞阻尼器安装在上支座板与凸形滑板之间；S型软钢阻尼器两端分别与中间衬板及下支座板连接；粘滞阻尼器为速度锁定型阻尼器。

本发明中，在凸形滑板与上支座板之间设有第一平动摩擦面。

本发明中，在所述中间衬板与所述下支座板之间设有第二平动摩擦面。

本发明中，所述球冠衬板与所述中间衬板之间设有第一弧形摩擦面；所述弧面扇形凹槽底面设有第二弧形摩擦面，所述第一弧形摩擦面的摩擦系数小于第二弧形摩擦面的摩擦系数。

本发明中，所述滑块端部为半圆球，半圆球的曲率半径与弧面扇形凹槽弧度契合。

本发明中，所述滑块在弧面扇形凹槽中滑动时，被弧面扇形凹槽导向并转换位移，将上部结构横向位移通过导向分解为减小的横向位移和对桥梁-轨道结构影响较小的纵向位移，降低桥梁-轨道结构破坏以及轨道不平顺，弧面扇形凹槽的张开角度θ在0°～180°之间。

本发明中，在下支座板与中间衬板之间设有第二平动摩擦面；所述第二平动摩擦面两侧设有一级剪力键与二级剪力键。

本发明中，所述一级剪力键与二级剪力键之间设有条形橡胶垫，条形橡胶垫侧面设有L形刚性压板。

本发明中，所述的第一平动摩擦面、第二平动摩擦面，第一弧形摩擦面、第二弧形摩擦面均由改性超高分子量聚四氟乙烯与镜面不锈钢板组成，摩擦系数在0.03～0.10之间。

本发明的装置为单向活动支座，扇形凹槽两篇扇叶从左至右沿着桥梁纵向摆放，垂直于线路方向布置，包括普通、小震和大震三种工作状态。

普通工作状态下，结构变形速率低，所设粘滞阻尼器不工作，上支座板与凸形滑板可自由滑动，实现支座平动；球冠衬板可在中间衬板内转动，释放上部结构转动变形，实现支座转动；一级二级剪力键不剪断，中间衬板与下支座板整体工作。普通工作状态下，支座平动传力路径为：上部结构水平荷载上支座板第一平动摩擦面球冠衬板中间衬板下支座板下部结构；支座转动传力路径为：上部结构水平荷载球冠衬板第一弧形摩擦面中间衬板下支座板下部结构。

小震工作状态下，结构变形速率大，粘滞阻尼器发生速度锁定，上支座板与凸形滑板整体工作，且由于地震下结构变形较大，球冠衬板与中间衬板间的转动变形受环形刚性压板约束，第一弧形摩擦面失效，第二弧形摩擦面开始工作，发生状态切换，实现支座转动；一级剪力键在小震下剪断，中间衬板与下支座板可适量滑动，第二平动摩擦面开始工作，实现支座平动。小震工作状态下，支座平动传力路径为：地震荷载下支座板一级剪力键剪断第二平动摩擦面中间衬板球冠衬板与上支座板整体工作上部结构；支座转动传力路径为：地震荷载下支座板一级剪力键剪断中间衬板第二弧形摩擦面球冠衬板与上支座板整体工作上部结构。

大震工作状态下，地震水平力继续增大，所述支座装置在小震工作状态基础上，二级剪力键进一步剪断，中间衬板与下支座板可自由滑动；此时S型软钢阻尼器开始工作，在中间衬板左右滑动过程中其被反复拉直耗能，且拉直状态下等同于限位拉索，可限制支座因位移过大而落梁。大震工作状态下，支座平动与转动的传力路径及机理不变，设置的S型软钢阻尼器具起增加耗能和防止落梁的功能。

所述球冠衬板与中间衬板间设有第一弧形摩擦面，所述凸形滑板与球冠衬板间设有第二弧形摩擦面，所述第一弧形摩擦面的摩擦系数小于第二弧形摩擦面，在正常工作状态下，只有第一弧形摩擦面工作。

所述球冠衬板上方设有圆环形橡胶垫；圆环形橡胶垫上方设有环形刚性压板，具有限位作用，使得圆环形橡胶垫处于三向受压工作状态。普通工作状态下，支座为小转角转动，圆环形橡胶垫有缓冲与耗能作用，不限制球冠衬板转动；地震工作状态下，支座为大转角转动，球冠衬板在环形刚性压板作用下转动受限，第一弧形摩擦面失效。

所述一级二级剪力键之间设有条形橡胶垫，条形橡胶垫侧面设有L形刚性压板，因此条形橡胶垫处于三向受压工作状态。普通工作状态下，一级二级剪力键完整，中间衬板与下支座板整体工作；小震工作状态下，一级剪力键剪断，条形橡胶垫起缓冲与耗能作用，中间衬板可在下支座板上适当平动；大震工作状态下，一级二级剪力键全部剪断，中间衬板可在下支座板上自由平动。

大震工作状态下，中间衬板可自由平动，此时S型软钢阻尼器开始工作，其随着中间衬板滑动而变形耗能；变形过大时S型软钢阻尼器被拉直，等同于限位拉索，限制支座因位移过大而落梁。

本发明专利针对高速铁路特殊要求，提出功能可控多状态切换型摩擦摆式减隔震支座，其能够满足高速铁路正常及小震、大震工作状态下轨道的高平顺性要求；由于高速铁路对轨道不平顺要求高，且高速铁路轨道-桥梁系统横桥向刚度通常小于纵桥向刚度，横桥向为更不利方向，因而减小横桥向运动量，增大纵桥向位移，对整个高速铁路轨道-桥梁系统有利，支座通过设置扇形导向槽，能将地震下危害大的横桥向位移响应分解转化为对轨道-桥梁系统不敏感的纵桥向位移。

本发明的有益效果：所发明的减隔震支座能够满足高速铁路因轨道高平顺对支座提出的苛刻要求；本发明通过弧面扇形凹槽设计，可将不利于高速列车安全行驶的横桥向位移响应分解转化为对轨道-桥梁系统不敏感的纵桥向位移响应；通过设置S型软钢阻尼器，兼顾耗能与防落梁功能。通过上述技术手段的应用，实现多状态切换和功能可控，能够同时满足普通、小震、大震等多种工作状态需求。本发明的减隔震支座具有功能可控、多状态切换、自复位和防落梁等特点，可显著降低高速铁路桥梁-轨道系统震致响应，有效保护高速列车运行安全。

附图说明

图1为本发明支座二维剖切图；

图2为附图1中A部局部放大图；

图3为本发明中球冠衬板、环形刚性压板、凸形滑板组装结构示意图；

图4为本发明中球冠衬板的俯视图；

图5为本发明支座三维分解图；

图6为本发明滑块在球冠衬板中位移转换原理图；

图7为本发明支座普通工作状态传力机理图。

图8为本发明支座小震工作状态传力机理图。

图9为本发明支座大震工作状态传力机理图。

附图标记：

1-上支座板；2-中间衬板；3-下支座板；4-粘滞阻尼器；5-第一平动摩擦面；6-凸形滑板；7-滑块；8-弧面扇形凹槽；9-球冠衬板；10-圆环形橡胶垫；11-环形刚性压板；12-连接销栓；；14-S型软钢阻尼器；15-二级剪力键；16-L型刚性压板；17-条形橡胶垫；18-一级剪力键；19-第二弧形摩擦面；20-第一弧形摩擦面；21-第二平动摩擦面；。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1、2、3、4、5，本发明一种功能可控多状态切换型摩擦摆式减隔震支座，包括上支座板1、中间衬板2、下支座板3、粘滞阻尼器4、凸形滑板6、环形刚性压板11、球冠衬板9、S型软钢阻尼器14；所述中间衬板2安装在所述下支座板3上，中间衬板2上部设有球罐形凹槽，所述球冠衬板9的开口端通过环形刚性压板11压装在所述球罐形凹槽中，所述球冠衬板9设有弧面扇形凹槽8；所述凸形滑板6压装在环形刚性压板11上，其一侧设有的滑块7延伸至所述弧面扇形凹槽8中，所述凸形滑板6的滑块7在弧面扇形凹槽8内运动；另一侧安装有上支座板1；粘滞阻尼器4安装在上支座板1与凸形滑板6之间；S型软钢阻尼器14两端分别与中间衬板2及下支座板3连接；滑块7为带球冠的圆柱体；

在凸形滑板6与上支座板1之间设有第一平动摩擦面5；在所述中间衬板2与所述下支座板3之间设有第二平动摩擦面21；

所述球冠衬板9与所述中间衬板2之间设有第一弧形摩擦面20；所述弧面扇形凹槽8底面设有第二弧形摩擦面19，所述第一弧形摩擦面20的摩擦系数小于第二弧形摩擦面19的摩擦系数；

所述滑块7端部为半圆球，半圆球的曲率半径与弧面扇形凹槽8弧度契合；

所述滑块7在弧面扇形凹槽8中滑动时，被弧面扇形凹槽8导向并转换位移，将上部结构横向位移通过导向分解为减小的横向位移和对桥梁-轨道结构影响较小的纵向位移，降低桥梁-轨道结构破坏以及轨道不平顺，弧面扇形凹槽的张开角度θ在30°到150°之间；

在所述环形刚性压板11与所述球冠衬板9之间设有圆环形橡胶垫10；

所述第二平动摩擦面21两侧设有一级剪力键18和二级剪力键15；

所述一级剪力键18与二级剪力键15之间设有条形橡胶垫17，条形橡胶垫17侧面设有L形刚性压板16；

所述的第一平动摩擦面5、第二平动摩擦面21，第一弧形摩擦面20、第二弧形摩擦面19均由改性超高分子量聚四氟乙烯与镜面不锈钢板组成，摩擦系数为0.03-0.10之间；

粘滞阻尼器4为速度锁定型装置，即速度超过限值时，粘滞阻尼器来不及反应而等同于不变形刚体，起到变形锁定作用；而速度小于限值时，粘滞阻尼器可自由变形。

本发明的工作原理简述于下：

参见附图1-9，本发明使用时，扇形凹槽两篇扇叶从左至右沿着桥梁纵向摆放，利用连接销栓(12)与高铁线路连接将本发明装置垂直于高铁线路方向布置，在正常工作状态下，支座受车辆活载以及温度等影响的变形很慢，粘滞阻尼器4不限制上支座板1滑动；而当地震发生时，结构强烈摇晃，支座变形速度较大，粘滞阻尼器4发生速度锁定，此时球冠衬板9和上支座板1刚性连接成整体而一起运动；球冠衬板9上部设有圆环形橡胶垫10，圆环形橡胶垫10上设有环形刚性压板11，环形刚性压板11为外方内圆构型，其通过螺栓固定在中间衬板2上，使得圆环形橡胶垫10处于三向受压状态。由于橡胶垫的变形缓冲作用，普通工作状态下，球冠衬板9可在中间衬板2中沿第一弧形摩擦面20自由运动，而在地震工作状态下，由于变形过大，圆环形橡胶垫10变形被环形刚性压板11限制而转动受限，此时球冠衬板9与中间衬板2整体工作。通过巧妙的设置，使第一弧形摩擦面20的摩擦系数小于第二弧形摩擦面19的摩擦系数，确保正常工作状态下，只有第一弧形摩擦面20工作，而在地震工作状态下，第一弧形摩擦面20受刚性压板11限制而失效，此时第二弧形摩擦面19开始工作。中间衬板2与下支座板3设有S型软钢阻尼器14、第二平动摩擦面21、一级剪力键18和二级剪力键15。一级剪力键18外侧设有条形橡胶垫17，条形橡胶垫17外侧设有L型刚性压板16，L型刚性压板16通过二级剪力键15固定在下支座板3上。条形橡胶垫17处于三向受压工作状态。在正常工作状态下，一级剪力键18和二级剪力键15均完整，此时中间衬板2与下支座板3整体一起运动；在小震工作状态下，一级剪力键18剪断，此时第二平动摩擦面21可以适量滑动，条形橡胶垫17变形耗能；在大震工作状态下，一级剪力键18和二级剪力键15全部剪断，此时中间衬板2可在下支座板3上自由滑动，S型软钢阻尼器14开始工作，其随中间衬板2的运动而反复被拉直和变形，在拉直状态下，S型软钢阻尼器14等同于限位拉索，可限制中间衬板2变形过大而落梁，起到耗能和防落梁作用。整个装置的三维分解图和整体外形图可见图4和图5。图6为支座位移转换原理图，支座应横桥向布置，由于球冠衬板9上设有弧面扇形凹槽8，在横向地震作用下，滑块7由原来的横桥向运动变成沿弧面扇形凹槽8的壁面运动，参见附图6，假设运动相同的距离d，由弧面扇形凹槽8导向时，滑块7的运动可分解为本体坐标下的横桥向运动d cosθ和纵桥向运动d sinθ，由于高速铁路对轨道不平顺要求高，且高速铁路轨道-桥梁系统横桥向刚度通常小于纵桥向刚度，横桥向为更不利方向，因而减小横桥向运动量，增大纵桥向位移，对整个高速铁路轨道-桥梁系统有利。

图7、8、9给出了支座三种工作状态的传力路径与机理。

普通工作状态下，由于结构变形速率低，此时粘滞阻尼器4不工作，上支座板1与凸形滑板6可自由滑动，实现支座平动，球冠衬板9可在中间衬板2内转动，释放上部结构转动变形，一级剪力键、二级剪力键不剪断，中间衬板2与下支座板3整体工作；在预期地震中牺牲支座中的剪力键是实现桥梁“抗小震，减大震”性能目标的重要手段之一。

普通工作状态下，支座平动传力路径为：上部结构水平荷载→上支座板1→第一平动摩擦面5→球冠衬板9→中间衬板2→下支座板3→下部结构；支座转动传力路径为：上部结构水平荷载→球冠衬板9→第一弧形摩擦面20→中间衬板2→下支座板3→下部结构。

小震工作状态下，粘滞阻尼器4锁定，上支座板1与凸形滑板6整体工作，且由于地震下结构变形较大，球冠衬板9与中间衬板2转动被环形刚压板11约束，第一弧形摩擦面20失效，第二弧形摩擦面19工作，实现支座转动变形；在支座底部，一级剪力键18剪断，中间衬板2与下支座板3可适当滑动，第二平动摩擦面21工作，实现平动变形；

小震工作状态下，支座平动传力路径为：地震荷载→下支座板3→一级剪力键剪断18→第二平动摩擦面21→中间衬板2→球冠衬板9与上支座板1整体工作→上部结构；支座转动传力路径为：地震荷载→下支座板3→一级剪力键剪断18→中间衬板2→第二弧形摩擦面19→球冠衬板9与上支座板1整体工作→上部结构。

大震工作状态下，地震水平力继续增大，所述支座装置在小震工作状态基础上，二级剪力键15进一步剪断，中间衬板2与下支座板3可任意滑动，此时S型软钢阻尼器14开始工作，在中间衬板2左右滑动过程中其被反复拉直耗能，且拉直状态下等同于限位拉索，可限制支座因位移过大而落梁。

大震工作状态下，支座平动与转动的传力路径及机理不变，设置的S型软钢阻尼器具起增加耗能和防止落梁的功能。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种功能可控多状态切换型摩擦摆式减隔震支座，包括上支座板、中间衬板、下支座板、凸形滑板、环形刚性压板、球冠衬板、粘滞阻尼器、S型软钢阻尼器；其特征在于，所述中间衬板安装在所述下支座板上，中间衬板上部设有球罐形凹槽，所述球冠衬板的开口端通过环形刚性压板压装在所述球罐形凹槽中，所述球冠衬板设有弧面扇形凹槽；所述凸形滑板压装在环形刚性压板上，其一侧设有的滑块延伸至所述弧面扇形凹槽中，所述凸形滑板的滑块在弧面扇形凹槽内运动；另一侧安装有上支座板；粘滞阻尼器安装在上支座板与凸形滑板之间；S型软钢阻尼器两端分别与中间衬板及下支座板连接。

2.根据权利要求1所述的一种功能可控多状态切换型摩擦摆式减隔震支座，其特征在于：在凸形滑板与上支座板之间设有第一平动摩擦面。

3.根据权利要求1所述的一种功能可控多状态切换型摩擦摆式减隔震支座，其特征在于：在所述中间衬板与所述下支座板之间设有第二平动摩擦面。

4.根据权利要求1所述的一种功能可控多状态切换型摩擦摆式减隔震支座，其特征在于：所述球冠衬板与所述中间衬板之间设有第一弧形摩擦面；所述弧面扇形凹槽底面设有第二弧形摩擦面，所述第一弧形摩擦面的摩擦系数小于第二弧形摩擦面的摩擦系数。

5.根据权利要求4所述的一种功能可控多状态切换型摩擦摆式减隔震支座，其特征在于，所述滑块端部为半圆球，半圆球的曲率半径与弧面扇形凹槽弧度契合。

6.根据权利要求5所述的一种功能可控多状态切换型摩擦摆式减隔震支座，其特征在于，所述滑块在弧面扇形凹槽中滑动时，被弧面扇形凹槽导向并转换位移，将上部结构横向位移通过导向分解为减小的横向位移和对桥梁-轨道结构影响较小的纵向位移，降低桥梁-轨道结构破坏以及轨道不平顺，弧面扇形凹槽的张开角度θ在0°～180°之间。

7.根据权利要求3所述的一种功能可控多状态切换型摩擦摆式减隔震支座，其特征在于，所述第二平动摩擦面两侧设有一级剪力键与二级剪力键。

8.根据权利要求7所述的一种功能可控多状态切换型摩擦摆式减隔震支座，其特征在于，所述一级剪力键与二级剪力键之间设有条形橡胶垫，条形橡胶垫侧面设有L形刚性压板。

9.根据权利要求1所述的一种功能可控多状态切换型摩擦摆式减隔震支座，其特征在于，在所述环形刚性压板与所述球冠衬板之间设有圆环形橡胶垫。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种功能可控多状态切换型摩擦摆式减隔震支座，其特征在于，所述的第一平动摩擦面、第二平动摩擦面，第一弧形摩擦面、第二弧形摩擦面均由改性超高分子量聚四氟乙烯与镜面不锈钢板组成，摩擦系数在0.03～0.10之间。

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