CN114922050B - 一种环形阻尼件、多向环形钢阻尼装置及减隔震桥梁结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及桥梁工程技术领域，具体涉及一种环形阻尼件、多向环形钢阻尼装置及减隔震桥梁结构，包括上连接板、外钢筒、下连接板、内钢筒以及环形阻尼件；上连接板与主梁连接，下连接板与桥墩连接；上连接板的底面上固定连接有外钢筒，下连接板的顶面上固定连接有内钢筒，内钢筒至少部分伸至外钢筒中，内钢筒的外壁上固定连接有环形阻尼件，环形阻尼件的外边缘与外钢筒的内壁之间具有间隙。本发明能够满足正常运营情况下温度作用下桥梁变形要求，同时在地震情况下具有环向减隔震、限制梁端位移以及防止落梁的功能，满足高烈度地震区桥梁多方向抗震要求，同时可以实现阻尼装置刚度无级变化，且具有经济耐久、安装方便的优点。

Description

一种环形阻尼件、多向环形钢阻尼装置及减隔震桥梁结构

技术领域

本发明涉及桥梁工程技术领域，具体涉及一种环形阻尼件、多向环形钢阻尼装置及减隔震桥梁结构。

背景技术

对于中小跨度简支梁、连续梁桥墩，由于桥墩配筋率较低，延性较低，为提高在罕遇地震作用下的抗震性能，需要采用减隔震技术。目前比较成熟的常用减隔震装置有：双曲面球型减隔震支座、金属耗能装置（包括异形钢耗能、减震榫）及液体粘滞阻尼器，低烈度区还可采用硬抗式普通球型钢支座。

（1）双曲面球型减隔震支座

双曲面球型减隔震支座是在成熟的球型支座基础上，借鉴了摩擦摆支座的工作原理而开发的一种新型减隔震支座。采用大半径的球面摩擦副，并设限位装置，集合了球型支座与摩擦摆支座的优点。

非地震工况正常工作状态下，通过顶座板的滑动和球面的转动来实现正常工作。地震力小时剪力销不剪断，其作用类似于普通支座，较大地震力下，剪力销剪断，通过摩擦耗能及延长自振周期来实现减隔震的功能，从而降低桥梁加速度响应，并通过桥身自重提供所需的自复位能力，帮助桥梁上部结构回到原来的位置附近。

在普通双曲面球型减隔震支座的基础上，增加了一个平面摩擦副，使支座在正常运行时不发生梁体抬高，地震时具备减隔震功能，同时地震后又具备自复位功能，对保护震区桥梁具有积极作用。采用双曲面球型减隔震支座，可改变原有桥梁硬抗式设计为减隔震设计，减小支墩与基础的结构尺寸，降低工程造价，节约成本。

（2）减震榫或榫形防落梁

减震榫属于金属耗能装置的一种，通过金属材料的变形耗能达到减隔震的效果。在简支梁桥上与支座配合使用，安装在墩顶与梁底之间，在地震工况下产生变形，提供吸收地震能量、延长结构自振周期等功能。该产品具有减隔震效果良好、结构简单、性能可靠等特点。减震榫的力学性能与结构的高度有关，对梁底高度有一定的要求，可根据抗震设防要求配置不同数量的减震榫。

非地震工况正常工作时，榫形防落梁依靠钢榫与预埋钢桶之间的间隙约20-30mm实现正常位移，地震力较大时普通支座剪坏，钢榫发生塑形变形来耗能减震。减震榫与预埋钢筒之间没有间隙，由于减震榫高度较大，依靠弹性变形实现正常位移。

（3）钢阻尼减隔震支座

钢阻尼减隔震支座是指通过在球形钢支座上加装软钢屈服器的减震支座，即将普通球形钢支座和减震榫组合在一起的支座结构。地震时减震支座的阻尼力由两部分提供，一是中间座板与下支座板之间设置的内外榫变形，二是不锈钢与新型耐磨滑板形成的高摩擦系数的摩擦副。

（4）液体粘滞阻尼器

粘滞阻尼器是根据流体运动的特性，当介质通过活塞上的小孔或活塞与油缸间的间隙时会产生粘滞阻尼力的原理而制成的，是一种速度相关型的耗能装置。粘滞阻尼器尺寸大、成本高，使用寿命短。

（5）水平钢阻尼支座

钢耗能支座由一系列沿圆周排列的波浪形、C形（或E形）钢耗能单元组成。在横向力作用下，通过波浪形、C形（或E形）钢本身的挠曲变形提供运动位移和阻尼。其设计时需注意所有截面在运动方向的应力相同，才能够获得较好的耗能效果，因此设计及加工难度较大。为达到一定的减震效果，钢耗能装置的平面尺寸较大。

目前已有减隔震装置主要有液体粘滞阻尼器、钢阻尼，液体粘滞阻尼器仅提供单方向减隔震，且建设和维养成本高、使用寿命短，多用在大跨桥梁中；钢阻尼多采用与支座组合成一体的结构，平面及高度方向增加了支座的尺寸，钢阻尼在使用过程中发生病害，将影响到整体支座的使用周期，且钢阻尼多为C形或E形，通过阻尼件本身的变形提供运动位移和阻尼，但均具有显著的方向性。减震榫根据抗震设防要求常需设置多个减震榫，对安装空间要求较高，对连接结构抗冲击性能要求高，成本较高。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种环形阻尼件、多向环形钢阻尼装置及减隔震桥梁结构，能够满足正常运营情况下温度作用下桥梁变形要求，同时在地震情况下具有环向减隔震、限制梁端位移以及防止落梁的功能，同时可以实现阻尼装置刚度无级变化，且具有经济耐久、安装方便的优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案为一种环形阻尼件，包括外钢环、内钢环和连接钢环；所述内钢环设置于所述外钢环内，所述内钢环与所述外钢环同心；所述内钢环与所述外钢环之间通过多个所述连接钢环连接，且多个所述连接钢环沿所述内钢环的周向等间距布置。

进一步地，多个所述连接钢环之间互不连接，或者多个所述连接钢环依次连接成一体。

更进一步地，所述内钢环由多段弧形板拼接而成，所述连接钢环与对应的所述弧形板固定连接或一体成型；或者所述内钢环为一体成型，所述连接钢环与所述内钢环固定连接或一体成型。

更进一步地，所述连接钢环与所述内钢环固定连接或者一体成型，所述连接钢环与所述外钢环固定连接。

本发明还提供一种多向环形钢阻尼装置，包括上连接板、外钢筒、下连接板、内钢筒以及上述的环形阻尼件；所述上连接板用于连接主梁，所述下连接板用于连接桥墩；所述上连接板的底面上固定连接有外钢筒，所述下连接板的顶面上固定连接有内钢筒，所述内钢筒至少部分伸至所述外钢筒中，所述内钢筒的外壁上固定连接有环形阻尼件，所述环形阻尼件的外边缘与所述外钢筒的内壁之间具有间隙。

进一步地，所述环形阻尼件有多个，并且多个所述环形阻尼件沿竖直方向间隔布置。

更进一步地，多个所述环形阻尼件自上而下呈阶梯状分布，或者多个所述环形阻尼件的尺寸相同。

进一步地，所述外钢筒的外壁通过多个上竖向加劲肋与所述上连接板连接，且多个所述上竖向加劲肋沿所述外钢筒的周向间隔布置。

进一步地，所述内钢筒的外壁通过多个下竖向加劲肋与所述下连接板连接，且多个所述下竖向加劲肋沿所述内钢筒的周向间隔布置。

本发明还提供一种减隔震桥梁结构，包括主梁、桥墩和支座，所述主梁与所述桥墩之间通过所述支座连接；还包括上述的多向环形钢阻尼装置，所述上连接板与所述主梁连接，所述下连接板与所述桥墩连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明中主梁横桥向的两侧分别通过两支座与桥墩连接，并在横桥向的两支座之间设置多向环形钢阻尼装置，满足正常运营情况下温度作用下桥梁变形要求，同时在地震情况下具有环向减隔震、限制梁端位移以及防止落梁的功能；

（2）本发明的多向环形钢阻尼装置采用环形阻尼件与外钢筒和内钢筒搭配使用，在地震作用下，外钢筒可在任一方向挤压环形阻尼件变形耗能，从而达到环向减隔震的目的；且多向环形钢阻尼装置刚度随位移增大逐渐增加，实现阻尼装置刚度无级变化；

（3）本发明的环形阻尼件采用多环嵌套结构，内钢环与外钢环同心布置，并且内钢环与外钢环之间通过多个连接钢环连接，通过连接钢环与外钢环共同变形耗能，提高环形阻尼件的耗能能力，且在各个方向均具有良好的减隔震效果，满足桥梁或建筑工程等的环向减隔震需求；

（4）本发明的多向环形钢阻尼装置在使用过程中，如有某个环形阻尼件失效，只需要单个更换失效的环形阻尼件即可，降低使用成本；

（5）本发明的环形阻尼件及多向环形钢阻尼装置经济耐久，且加工制造简单、安装方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例三提供的减隔震桥梁结构的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的多向环形钢阻尼装置的结构示意图；

图3为本发明实施例二提供的多向环形钢阻尼装置的立体图；

图4为本发明实施例二提供的多向环形钢阻尼装置的局部示意图；

图5为本发明实施例一提供的环形阻尼件的立体图（连接钢环互不连接）；

图6为本发明实施例一提供的环形阻尼件的结构示意图（连接钢环互不连接）；

图7为本发明实施例一提供的环形阻尼件的剖视图（连接钢环互不连接）；

图8为本发明实施例一提供的环形阻尼件的剖视图（连接钢环依次连接为一体）；

图中：1、主梁；2、桥墩；3、支座；4、多向环形钢阻尼装置；5、上连接板；6、外钢筒；7、下连接板；8、内钢筒；9、环形阻尼件；9-1、外钢环；9-2、内钢环；9-3、连接钢环；9-4、螺栓；10、上锚栓；11、下锚栓；12、上竖向加劲肋；13、下竖向加劲肋。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

实施例一

如图5和图6所示，本实施例提供一种环形阻尼件，包括外钢环9-1、内钢环9-2和连接钢环9-3，所述内钢环9-2设置于所述外钢环9-1内，所述内钢环9-2与所述外钢环9-1同心；所述内钢环9-2与所述外钢环9-1之间通过多个所述连接钢环9-3连接，且多个所述连接钢环9-3沿所述内钢环9-2的周向等间距布置；所述内钢环9-2固定安装于所述内钢筒8上。如图5和图6所示，环形阻尼件9采用多个连接钢环9-3将外钢环9-1和内钢环9-2嵌套连接，通过连接钢环9-3与外钢环9-1共同塑性变形耗散地震能量，提高环形阻尼件9环向的耗能能力，从而提高多向环形钢阻尼装置4在各个方向的减隔震效果，可用于桥梁或建筑工程等的减隔震中，实现桥梁或建筑等的环向减隔震，解决高烈度地震区桥梁或建筑多方向减隔震的难题

其中，外钢环9-1的尺寸、内钢环9-2的尺寸以及连接钢环9-3的个数需要根据减隔震设计参数确定。

连接钢环9-3之间的间距和连接关系可以根据实际情况确定。作为一种实施方式，多个所述连接钢环9-3之间互不连接，如图5-图7所示，多个连接钢环9-3可以等距间隔布置。作为另一种实施方式，多个所述连接钢环9-3依次连接成一体，如图8所示，具体地，相邻的连接钢环9-3之间可以采用焊接的方式连接，相邻的连接钢环9-3也可以采用螺栓连接形成一体。

内钢环9-2可以采用一体成型或拼接成型。作为一种实施方式，内钢环9-2采用一体成型，多个连接钢环9-3与内钢环9-2可以采用焊接连接，也可以采用螺栓将各个连接钢环9-3与内刚环2进行连接，多个连接钢环9-3还可以与内钢环9-2一体成型；内钢环9-2可以采用螺纹与内钢筒8连接。作为另一种实施方式，内钢环9-2由多段弧形钢板沿周向拼接而成，连接钢环9-3与对应的弧形钢板固定连接或一体成型，如图5和图6所示，优选地，弧形钢板的段数可以与连接钢环9-3的个数一致，每个连接钢环9-3可以先与对应的弧形钢板连接，然后再进行内钢环9-2拼接，每段弧形钢板的两端可以采用螺栓9-4与内钢筒8连接，方便拆装单个环形阻尼件9。其中，连接钢环9-3与对应的弧形钢板可以采用螺栓或焊接连接，优化地，连接钢环9-3与对应的弧形钢板为一体成型，减少组装工序。

更进一步地，所述连接钢环9-3与所述内钢环9-2固定连接或者一体成型，所述连接钢环9-3与所述外钢环9-1固定连接；其中，固定连接可选择焊接、栓接等方式。

实施例二

如图2和图3所示，本实施例提供一种多向环形钢阻尼装置4，包括上连接板5、外钢筒6、下连接板7、内钢筒8以及环形阻尼件9；所述上连接板5用于连接主梁1，所述下连接板7用于连接桥墩2；所述上连接板5的底面上固定连接有外钢筒6，所述下连接板7的顶面上固定连接有内钢筒8，所述内钢筒8至少部分伸至所述外钢筒6中，所述内钢筒8的外壁上固定连接有环形阻尼件9，所述环形阻尼件9的外边缘与所述外钢筒6的内壁之间具有间隙。本发明的多向环形钢阻尼装置4通过环形阻尼件9与外钢筒6、内钢筒8搭配使用，在地震作用下，外钢筒6可在任一方向挤压环形阻尼件9变形耗散地震能量，从而达到环向减隔震的作用，满足高烈度地震区桥梁多方向抗震要求，在地震作用下还具有限制梁端位移、防止落梁的功能，且具有经济耐久、安装方便的优点。

具体地，外钢筒6可以采用焊接的方式与上连接板5连接，内钢筒8可以采用焊接的方式与下连接板7连接，便于组装；内钢筒8的顶面与上连接板5的底面之间也具有一定的间隙以及环形阻尼件9的外边缘与外钢筒6的内壁之间具有一定的间隙，满足正常运营情况下的桥梁结构温度变形要求。

内钢环9-2可以通过螺栓或螺纹与内钢筒8连接。作为一种实施方式，在内钢环9-2的内侧壁设置内螺纹，在内钢筒8的外侧壁设置外螺纹，通过内螺纹与外螺纹配合实现内钢环9-2与内钢筒8螺纹连接；作为另一种实施方式，在内钢环9-2和内钢筒8上沿环向间隔设置一一对应的若干螺栓孔，并将内钢环9-2和内钢筒8上对应的螺栓孔采用螺栓9-4连接；以上两种方式均具有结构简单、连接可靠、装拆方便等优点。

进一步地，所述环形阻尼件9有多个，并且多个所述环形阻尼件9沿竖直方向间隔布置。根据桥梁结构减隔震要求，沿竖直方向间隔设置多个环形阻尼件9与内钢筒8连接，在使用过程中，如有个别环形阻尼件9失效，只需要更换失效的环形阻尼件9即可，能够有效地降低维养成本。

优化地，多个所述环形阻尼件9自上而下呈阶梯状分布，如图2和图4所示，多个环形阻尼件9的外钢环9-1尺寸自上至下依次递减，随着主梁1水平位移的逐渐增大，环形阻尼件9自上至下依次受力发生变形耗能，实现阻尼装置刚度无级变化。多个所述环形阻尼件9的尺寸也可以相同。

进一步地，所述外钢筒6的外壁通过多个上竖向加劲肋12与所述上连接板5连接，且多个所述上竖向加劲肋12沿所述外钢筒6的周向间隔布置。为了增加外钢筒6的承载能力，在外钢筒6的外侧沿环向设置一定数量的上竖向加劲肋12；优化地，上竖向加劲肋12整体呈矩形，且底部靠近外侧设切角。

进一步地，所述内钢筒8的外壁通过多个下竖向加劲肋13与所述下连接板7连接，且多个所述下竖向加劲肋13沿所述内钢筒8的周向间隔布置。为了增加内钢筒8的承载能力，在内钢筒8的外侧沿环向设置一定数量的下竖向加劲肋13；优化地，下竖向加劲肋13整体呈矩形，且顶靠近外侧设切角。

实施例三

本实施例提供一种减隔震桥梁结构，包括主梁1、桥墩2和支座3，所述主梁1与所述桥墩2之间通过所述支座3连接；还包括实施例二提供的多向环形钢阻尼装置4，所述上连接板5与所述主梁1连接，所述下连接板7与所述桥墩2连接。如图1所示，主梁1横桥向的两侧分别通过支座3与所述桥墩2连接，满足正常运营情况下主梁1的竖向支承、转动、平面变形功能；横桥向的两支座3之间设置有至少一个多向环形钢阻尼装置4，当设置多个多向环形钢阻尼装置4时可以沿横桥向间隔布置，通过多向环形钢阻尼装置4可以起到桥梁环向的减隔震，从而解决高烈度地震区桥梁减隔震难题，提升桥梁结构抗震性能，同时具有限制梁端位移以及防止落梁的功能，取消设置防落梁，节约工程建设成本。

具体的，上连接板5可以通过沿周向间隔布置的多个上锚栓10与主梁1连接，下连接板7可以通过沿周向间隔布置的多个通过下锚栓11与桥墩2连接；上连接板5和下连接板7为矩形时，可以在上连接板5的四个角部设置上锚栓10，在下连接板7的四个角部设置下锚栓11。优化地，上锚栓10的螺杆可以预埋于主梁1中，上连接板5上对应上锚栓10的位置预设锚孔，安装时直接将上锚栓10的螺杆插入上连接板5上对应的锚孔中并通过螺母固定即可；下锚栓11的螺杆可以预埋于桥墩2中，下连接板7上对应下锚栓11的的位置预设锚孔，安装时直接将下锚栓11的螺杆插入下连接板7上对应的锚孔中并通过螺母固定即可。

本实施例中的多向环形钢阻尼装置4可以采用实施例一中的环形阻尼件9，当主梁1发生任一方向的水平滑动时，都会带动与上连接板5连接的外钢筒6挤压环形阻尼件9，环形阻尼件9的对应方向处都会发生塑性形变产生阻尼，从而实现在各个方向上对桥梁结构的减隔震作用。

本实施例的减隔震桥梁结构及多向环形钢阻尼装置4适用于高烈度地震区中小跨度简支梁、连续梁，能够实现多方向减隔震功能，同时兼顾防落梁功能。与常用的减震榫方案相比，具有所需安装空间小、适应桥梁结构温度变形、安装方便等优点。

以上仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制或限定本发明。对于本领域的研究或技术人员来说，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，均应包含在本发明所声明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多向环形钢阻尼装置，其特征在于：包括上连接板、外钢筒、下连接板、内钢筒以及环形阻尼件；所述上连接板用于连接主梁，所述下连接板用于连接桥墩；所述上连接板的底面上固定连接有外钢筒，所述下连接板的顶面上固定连接有内钢筒，所述内钢筒至少部分伸至所述外钢筒中，所述内钢筒的外壁上固定连接有所述环形阻尼件，所述环形阻尼件的外边缘与所述外钢筒的内壁之间具有间隙；所述环形阻尼件包括外钢环、内钢环和连接钢环；所述内钢环设置于所述外钢环内，所述内钢环与所述外钢环同心；所述内钢环与所述外钢环之间通过多个所述连接钢环连接，且多个所述连接钢环沿所述内钢环的周向等间距布置。

2.如权利要求1所述的多向环形钢阻尼装置，其特征在于：多个所述连接钢环之间互不连接，或者多个所述连接钢环依次连接成一体。

3.如权利要求1或2所述的多向环形钢阻尼装置，其特征在于：所述内钢环由多段弧形板拼接而成，所述连接钢环与对应的所述弧形板固定连接或一体成型；或者所述内钢环为一体成型，所述连接钢环与所述内钢环固定连接或一体成型。

4.如权利要求3所述的多向环形钢阻尼装置，其特征在于：所述连接钢环与所述内钢环固定连接或者一体成型，所述连接钢环与所述外钢环固定连接。

5.如权利要求1所述的多向环形钢阻尼装置，其特征在于：所述环形阻尼件有多个，并且多个所述环形阻尼件沿竖直方向间隔布置。

6.如权利要求5所述的多向环形钢阻尼装置，其特征在于：多个所述环形阻尼件自上而下呈阶梯状分布，或者多个所述环形阻尼件的尺寸相同。

7.如权利要求1所述的多向环形钢阻尼装置，其特征在于：所述外钢筒的外壁通过多个上竖向加劲肋与所述上连接板连接，且多个所述上竖向加劲肋沿所述外钢筒的周向间隔布置。

8.如权利要求1所述的多向环形钢阻尼装置，其特征在于：所述内钢筒的外壁通过多个下竖向加劲肋与所述下连接板连接，且多个所述下竖向加劲肋沿所述内钢筒的周向间隔布置。

9.一种减隔震桥梁结构，包括主梁、桥墩和支座，所述主梁与所述桥墩之间通过所述支座连接；其特征在于：还包括权利要求1-8任一项所述的多向环形钢阻尼装置，所述上连接板与所述主梁连接，所述下连接板与所述桥墩连接。