CN115821733B - 一种减隔震桥梁支座 - Google Patents

Abstract

本发明属于桥梁减震技术领域，具体公开了一种减隔震桥梁支座，包括相对设置的上连接板和下连接板，所述上连接板和所述下连接板之间连接有橡胶阻尼柱和铅芯，所述橡胶阻尼柱包括橡胶保护柱和支撑板，所述铅芯位于上连接板和下连接板之间，所述支撑板设有多层，多层所述支撑板依次嵌设在橡胶保护柱内，所述铅芯贯穿多层支撑板；所述橡胶阻尼柱的外周设有多个记忆合金弹簧，所述记忆合金弹簧的两端分别与上连接板和下连接板连接。本发明经过地震作用后，通过加热记忆合金进行修复，恢复到震前正常使用状态，以抵抗二次地震产生的损害，具有震后无须更换的优势。

Description

一种减隔震桥梁支座

技术领域

本发明涉及桥梁减震技术领域，具体涉及一种减隔震桥梁支座。

背景技术

目前在国内外使用的隔震装置主要有铅芯橡胶支座、摩擦滑移支座以及其组合产生的隔振系统，桥梁用的抗震支座一般采用刚性弹簧或高模量橡胶的弹性来起到减震的作用，但是这些技术目前存在以下的问题：

(1)目前的桥梁支座经地震作用后，其震后可恢复性差，难以评估损伤状况，失效后更换困难且更换成本较高。

(2)难以根据不同的桥梁支座设防烈度区，而实现不同抗震等级等抗震要求的调控，且设计成本高。

(3)目前的桥梁用的抗震支座功能形式单一，现阶段并没有针对桥上行车荷载微震与地震的联合控制技术措施。

发明内容

本发明提供了一种减隔震桥梁支座，目的在于提高震后的恢复性，降低更换成本。

本发明通过下述技术方案实现：一种减隔震桥梁支座，包括相对设置的上连接板和下连接板，所述上连接板和所述下连接板之间连接有橡胶阻尼柱和铅芯，所述橡胶阻尼柱包括橡胶保护柱和支撑板，所述铅芯位于上连接板和下连接板之间，所述支撑板设有多层，多层所述支撑板依次嵌设在橡胶保护柱内，所述铅芯贯穿多层支撑板；所述橡胶阻尼柱的外周设有多个记忆合金弹簧，所述记忆合金弹簧的两端分别与上连接板和下连接板连接。

进一步，每一个所述记忆合金弹簧均由多根记忆合金丝组成柱状结构，每一根记忆合金丝螺旋设置，且相邻记忆合金丝之间首部和尾部分别相互连接。

进一步，所述记忆合金丝的螺旋圈数为1.5～3.5圈。

进一步，记忆合金丝的螺旋圈数为3圈。

进一步，所述记忆合金丝采用镍钛记忆合金，其镍原子质量占比为50.2％～51.2％，除余量元素钛外，其它微量杂质元素的总占比不超过0.1％。

进一步，多个所述记忆合金弹簧均匀分布在橡胶阻尼柱外周，且相互围合成一圈。

进一步，所述上连接板和下连接板相互正对的一侧分别连接有上封板和下封板，所述橡胶保护柱围合且固定在上封板和下封板外侧。

进一步，所述支撑板为钢板。

进一步，所述橡胶保护柱内侧设有多层空腔，多个所述支撑板依次插入多个所述空腔内。

进一步，所述橡胶保护柱为高阻尼橡胶制成。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

(1)本发明中当桥梁等建筑物经过地震作用后，记忆合金弹簧将受到压缩变形，以起到缓冲和减震的目的。然后，通过加热记忆合金弹簧进行修复，使记忆合金弹簧恢复到震前正常使用状态，以抵抗二次地震产生的损害，具有震后无须更换的优势，进而有效的降低了更换成本。

(2)本发明中橡胶保护柱采用高阻尼橡胶材质制成以及形状记忆合金的高阻尼及超弹性特性，可以达到协同抗震耗能的目的，且可以根据不同的抗震需求，改变桥梁不同的抗震能力需求，其中螺旋式形状记忆合金弹簧由多根记忆合金丝共同组合成阻尼器结构，实施设计过程中根据不同的减震、隔震需求通过增大橡胶阻尼柱的直径及高度，或调节记忆合金丝直径、旋转圈数及数量，从而提高抗震能力，使得本发明的减隔震桥梁支座具有灵活可调的优势。

(3)本发明中支撑板为钢板，其结构强度更强，且钢板和铅芯作为主要传/受力结构，可以提高整体支座的刚度和稳定性；高阻尼橡胶、铅芯和形状记忆合金弹簧作为次要传力结构及耗能结构，可以均匀的传递竖向力。通过对铅芯—高阻尼橡胶保护柱—钢板—形状记忆合金弹簧之间进行合理调配，控制支座达到不同刚度，具有调节方便快捷的优点，可以保证桥梁构件的均匀受力的前提下，有效的提高桥梁的抗震能力。

(4)能够实现振震联控，高阻尼橡胶的橡胶保护柱与螺旋状形状记忆合金丝弹簧组成的阻尼器结构的适用加载频率范围较宽，整体部件在低频至高频荷载中均具有较高的耗能能力，铅芯及钢板刚性支撑和高阻尼橡胶保护柱及形状记忆合金联合控制，可抑制地震和路面的微振的双向传递路径传播。

(5)本发明中的螺旋式记忆合金弹簧阻尼器位于支座主要受力结构的外围，便于进行后续无损检修、维护保养、更换安装。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明一种减隔震桥梁支座实施例的立体图；

图2为本发明一种减隔震桥梁支座实施例中剖四分之一的立体图；

图3为本发明一种减隔震桥梁支座实施例中剖四分之一的主视图；

图4为本发明一种减隔震桥梁支座实施例中记忆合金弹簧压缩性能仿真示意图；

图5为本发明一种减隔震桥梁支座实施例中记忆合金弹簧压缩性能仿真结果；

图6为本发明实施例中记忆合金弹簧的减隔震桥梁支座的滞回曲线。

附图中标记及对应的零部件名称：

记忆合金弹簧1、铅芯2、橡胶保护柱3、支撑板4、上封板5、下封板6、上连接板7、下连接板8。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1-图3所示，本实施例1提供了一种减隔震桥梁支座，包括上下相对设置的上连接板7和下连接板8，上连接板7和下连接板8均为钢板。

上连接板7和下连接板8之间连接有橡胶阻尼柱和铅芯2，橡胶阻尼柱包括橡胶保护柱3和支撑板4，铅芯2位于上连接板7和下连接板8之间，本实施例中在上连接板7和下连接板8相互正对的一内侧壁分别胶结有上封板5和下封板6，上封板5和下封板6均为圆形板状结构，橡胶保护柱3围合且固定在上封板5和下封板6的外侧，本实施例中橡胶保护柱3的内侧且位于其上部和下部分别与上封板5和下封板6通过胶结固定。

本实施例中橡胶保护柱3采用高阻尼橡胶材质制成而形成高阻尼橡胶保护柱3，这样能够提高整个支座的减隔震效果。

支撑板4设有多层，多层支撑板4一次嵌设在橡胶保护柱3内，支撑板4呈圆形板状结构，且支撑板4也为钢板，本实施例中橡胶保护柱3内开设有多层环形空腔，多层支撑板4依次插入橡胶保护柱3内的各层环形空腔中。

多层支撑板4的中央开设有通孔，铅芯2贯穿于多层支撑板4，从而与橡胶保护柱3整体同轴设置，且多层支撑板4的通孔内壁与铅芯2相互胶结固定。

本实施例中在橡胶阻尼柱的外周设有多个记忆合金弹簧1，记忆合金弹簧1的两端分别与上连接板7和下连接板8焊接。多个记忆合金弹簧1均匀分布在橡胶阻尼柱外周，且相互围合成一圈，这样能够提高整个桥梁支座的强度和稳固性。

本实施例中每一个记忆合金弹簧1均由多根记忆合金丝组成柱状结构，且每一根记忆合金丝螺旋设置，相邻记忆合金丝之间首部和尾部分别相互连接，即每一个记忆合金弹簧1中的多个记忆合金丝的首部相互焊接固定，每一个记忆合金弹簧1中的多个记忆合金丝的尾部相互焊接固定。

本实施例中多根记忆合金丝之间螺旋互相缠绕，多根根记忆合金丝首部和尾部分别相互固定在一起，形成类似于DNA的三维多螺旋状空间结构，且本实施例中记忆合金丝的螺旋圈数为1.5-3.5圈，本实施例优选的记忆合金丝的螺旋圈数为3圈。

本实施例中的记忆合金丝采用镍钛记忆合金，镍原子质量占比增加会导致记忆合金丝抗拉强度提高，但是会使伸长率下降，降低了合金丝的塑性，而且当镍原子质量占比不低于50.2％时，冷却过程会发生两阶段相变，即产生介于奥氏体和马氏体之间的过度相(R相位)，因此本实施例中镍原子质量占比为50.2％～51.2％，除余量元素钛外，其它微量杂质元素的总占比不超过0.1％。

受到地震产生的外界荷载作用时，每一个记忆合金弹簧1中的每一根记忆合金丝之间发生分离、扭转、滑移等复杂的相互作用，产生一定的形变和内摩擦，从而耗散由地震作用产生的大量能量，从而达到隔震的目的。加热处理后，记忆合金弹簧1的形状可以恢复80％以上，达到预定使用寿命。

而传统的记忆合金弹簧1为单根结构，且传统的记忆合金弹簧1直接外缠绕套在橡胶保护柱3外侧与橡胶保护柱3同轴配合，这样的设计会导致记忆合金弹簧1外围丝材点接触部位存在较大的挤压和摩擦作用，从而导致其疲劳性能较差，而本发明中的高阻尼橡胶保护柱3和多螺旋状记忆合金丝可以有效的克服上述问题，可以有效的保证其减震效果及桥梁支座基本性能。

如图4所示，相比于外缠的合金丝弹簧，螺旋状记忆合金丝弹簧作为耗能缓冲结构时，吸振性能可以驱动更大的位移和变形，使结构更加稳定，保证了充足的承载能力以及更好的延性。相较于普通记忆合金弹簧1其压缩性能更优，且采用记忆合金弹簧1后由于其加热后可恢复，因此不需要频繁更换桥梁支座。

本实施例中采用冷拉拔和退火相结合的方法制备直径为6～12mm的镍钛合金丝，多根记忆合金丝组成的记忆合金丝束即为记忆合金弹簧1整体，记忆合金丝束半径可达到80mm～100mm，螺旋记忆合金弹簧1的圈数越多吸能量多，但是刚度和稳定性越差，因此本实施例中螺旋记忆合金弹簧1的有效圈数取1.5～3.5圈，在制备螺旋形状的记忆合金丝时使用了简单的台式车床。

本发明的记忆合金弹簧1是一组金属合金，通过加热(形状记忆效应)或消除载荷(超弹性效应)，能够承受较大变形，同时恢复到其原始未变形形状。螺旋式记忆合金丝可以实现震后桥梁支座的功能性复原。记忆合金弹簧1是采取“以柔克刚”的手段，对工程结构减震体系进行动力作用调整。支座的内部结构中加铅芯2可以最大程度的保证结构自身的安全的同时，达到抗震要求。

高阻尼橡胶保护柱3具有良好的回弹能力，其变形能力可以有效的吸收上部结构传递的微振以及下部结构传递的地震作用，是一种理想的阻震材料。铅芯2可以保证支座整体的刚度和稳定性，在地震作用中不会损坏。因此，对记忆合金弹簧1、高阻尼橡胶保护柱3和铅芯2三种材料的合理结合使用，可以有效的实现结构抗震要求。

采用两种实测地震波对本发明所述的结构进行研究，地震记录资料如表1。

表1

本发明将记忆合金丝、高阻尼橡胶保护柱3和铅芯2三种材料配合适用，可以在达到良好的抗震性能的同时满足震后可恢复特性，如图5所示。对支座进行剪压试验(加载频率为0.5Hz、加载幅值为300mm)，得到了如图5所示的耗能量变化情况，根据结果可以得出，有形状记忆合金弹簧1的支座单个循环的耗能量(EDC)显著降低，可以提高抗震支座整体耗能能力，并且恢复后形状记忆合金弹簧1可以恢复至原有的支座抗震水平。

计算支座及混凝土桩的滞回曲线，如图6所示，表明了形状记忆合金弹簧1可以有效的增强支座的耗能能力，并且一定程度上提高了支座的整体刚度。提高记忆合金弹簧1的数量可显著提高减震支座的竖向弹性模量，在记忆合金丝直径相同的情况下，随着数量的增加其轴向刚度逐渐增大，因此该新型减震支座具有刚度灵活可控，安装方便的工程特点。建成了集减隔震于一体的桥梁支座设计。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种减隔震桥梁支座，其特征在于，包括相对设置的上连接板和下连接板，所述上连接板和所述下连接板之间连接有橡胶阻尼柱和铅芯，所述橡胶阻尼柱包括橡胶保护柱和支撑板，所述铅芯位于上连接板和下连接板之间，所述支撑板设有多层，多层所述支撑板依次嵌设在橡胶保护柱内，所述铅芯贯穿多层支撑板；所述橡胶阻尼柱的外周设有多个记忆合金弹簧，所述记忆合金弹簧的两端分别与上连接板和下连接板连接；每一个所述记忆合金弹簧均由多根记忆合金丝组成柱状结构，每一根记忆合金丝螺旋设置，且相邻记忆合金丝之间首部和尾部分别相互连接。

2.根据权利要求1所述的一种减隔震桥梁支座，其特征在于，所述记忆合金丝的螺旋圈数为1.5～3.5圈。

3.根据权利要求2所述的一种减隔震桥梁支座，其特征在于，记忆合金丝的螺旋圈数为3圈。

4.根据权利要求1所述的一种减隔震桥梁支座，其特征在于，所述记忆合金丝采用镍钛记忆合金，其镍原子质量占比为50.2％～51.2％，除余量元素钛外，其它微量杂质元素的总占比不超过0.1％。

5.根据权利要求1所述的一种减隔震桥梁支座，其特征在于，多个所述记忆合金弹簧均匀分布在橡胶阻尼柱外周，且相互围合成一圈。

6.根据权利要求1所述的一种减隔震桥梁支座，其特征在于，所述上连接板和下连接板相互正对的一侧分别连接有上封板和下封板，所述橡胶保护柱围合且固定在上封板和下封板外侧。

7.根据权利要求1所述的一种减隔震桥梁支座，其特征在于，所述支撑板为钢板。

8.根据权利要求1所述的一种减隔震桥梁支座，其特征在于，所述橡胶保护柱内侧设有多层空腔，多个所述支撑板依次插入多个所述空腔内。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种减隔震桥梁支座，其特征在于，所述橡胶保护柱为高阻尼橡胶制成。