CN116145538A - 一种限定位移复位的桥梁减震装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种限定位移复位的桥梁减震装置,其技术方案要点是通过在左球铰座与外缸套接长段之间设置可滑动连接及限位机构，实现在设计限定位移内减震装置与桥梁主梁之间纵向可自由滑动，减震装置的弹簧不发生变形，从而释放温度、静风等缓变载荷作用下减震装置对主梁的弹性约束，有效减小桥梁结构的约束次内力；当地震或持续纵向风等工况迫使桥梁主梁位移超过设计限定位移时，弹簧刚度才发挥弹性复位功能，控制主梁纵向位移，改善斜拉索和梁端伸缩缝及支座的受力状态。本发明减震装置，在满足大跨度悬索桥及斜拉桥结构耗能减震和主梁位移控制的同时，使得桥梁结构体系受力更加合理，也有利于桥梁耗能减震装置的使用耐久性。

Description

一种限定位移复位的桥梁减震装置

技术领域

本发明涉及一种阻尼减震装置，具体涉及一种限定位移复位的桥梁减震装置。

背景技术

阻尼器作为耗能减震装置，在机械、土木工程实践中均得到充分验证，传统最基础的粘滞阻尼器阻尼力大小是结构物运动速度的函数，理论上阻尼器的力学本构关系可表达为，

F＝CV^α……(1)

式中，F——阻尼力(kN)，V——阻尼器连接两端相对速度(m/s)，

α——速度指数，C——阻尼系数(kN/(m/s)^α)

我国在上世纪90年代末国内已建大跨度悬索桥和斜拉桥多采用粘滞阻尼器作为桥梁结构的减震装置，而这种传统的阻尼器减震装置不能约束温度、静风等缓变荷载下大跨度悬索桥和斜拉桥主梁变位，且没有自复位功能，由于伸缩缝、支座摩阻力的存在，往往导致梁端累积变位过大。中国专利CN201610135494.3公开了一种大吨位弹性—阻尼复合减震装置，在阻尼油缸外侧设置蝶形弹簧，实现了阻尼器的自复位功能，该发明减震装置力学本构关系可表达为，

F＝K₀X+CV^α……(2)

式中，K₀——弹簧刚度(kN/m)，

X——阻尼器连接两端相对位移(m)，其它符号意义同公式(1)

从公式(2)可以发现，即使桥梁无纵向振动(V＝0)，只要与阻尼器减震装置连接的桥梁主梁发生纵向位移(X≠0)，阻尼器减震装置就处于受力状态(F≠0)。由于特大跨度斜拉桥或悬索桥常采用双索塔甚至三索塔形式，抗震要求往往需要每个索塔均设置阻尼器减震装置，而体系温度变化必定引起特大跨桥梁主梁较大的纵向变形，两塔间这种复合减震装置将约束主梁温度变形，因而使主梁产生相应的附加温度约束次内力，阻尼器减震装置承受相等的反力，对桥梁主体结构及阻尼器减震装置受力均不利。

发明内容

本发明目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种既适用于单塔也适用于双塔或多塔大跨度悬索桥及斜拉桥的限定位移复位的桥梁减震装置。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种限定位移复位的桥梁减震装置，包括阻尼缸体、外缸套、活塞杆、左球铰座、右球铰座及接长套，阻尼缸体右端通过接长套与右球铰座连接，接长套左端设在外缸套内，外缸套套设在阻尼缸体与接长套的外侧，阻尼缸体内腔为装设有阻尼介质的阻尼腔体，活塞杆贯穿阻尼腔体，并与左球铰座连接，阻尼缸体和接长套的外侧以及外缸套的内侧构成弹簧腔体，弹簧腔体的两端分别设有阻力环，弹簧腔体内设有弹簧装置；其中，减震装置还包括外缸套接长段、左球铰座连接筒、限位环和挡圈，外缸套的左端与外缸套接长段的右端法兰连接，外缸套接长段的左端与左球铰座连接筒可滑动连接，左球铰座连接筒上设有限位环，外缸套接长段上设有挡圈，左球铰座连接筒外侧的限位环及外缸套接长段和左端挡圈共同构成限位机构。

可选的，外缸套右端与接长套外侧设置为可滑动连接，可滑动连接通过滑动块与两端的阻力环或圆螺母抵接。

可选的，阻力环共设有两个，弹簧腔体右端的阻力环通过螺纹旋入外缸套右端内并固定，弹簧腔体左端的阻力环通过螺纹旋入外缸套左端内并固定。

可选的，弹簧腔体内设有滑动块，滑动块将弹簧腔体内部分为多个腔室，每个腔室内分别设有一段蝶形弹簧，每段碟形弹簧的两端均受滑动块或阻力环挤压而呈压缩状态。

可选的，挡圈与左球铰座的连接筒之间设衬套，衬套设计为成对的上下半环结构，衬套采用不锈钢背自润滑复合材料。

可选的，弹簧装置为碟形弹簧，蝶形弹簧的两端通过圆螺母固定在阻尼缸体或接长套径向外部，且圆螺母保证蝶形弹簧为压缩状态。

可选的，阻尼腔体为密封腔体，阻尼腔体内部的活塞杆上设有活塞，活塞上设有用于阻尼通过的间隙或孔隙，阻尼介质为粘滞阻尼液。

可选的，活塞杆采用双出杆形式。

可选的，左球铰座连接筒和活塞杆的螺孔整体加工成型，右球铰座与接长套整体加工成型。

可选的，左球铰座连接筒与外缸套相对滑动位移增大到设计限制值时，连接筒右端的限位环带动外缸套轴向压缩弹簧腔体。

可选的，限位环与左球铰座连接筒采用螺纹及销钉固定，限位环在左球铰座连接筒的位置可调。

本发明的技术效果和优点：

本发明设计的减震装置的左球铰座与外缸套接长段之间增加了可滑动连接筒，在连接筒上设置了限位环，能释放桥梁体系温差工况下阻尼器减震装置对主梁的约束，使得桥梁结构及减震装置受力更加合理。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为本发明的减震装置结构示意图；

图2为本发明的限位机构结构示意图；

图3为本发明的左球铰座与右球铰座间的负位移向右自由滑动位移极限状态示意图。

图中：1、阻尼缸体；2、外缸套；3、活塞杆；4、左球铰座；5、右球铰座；6、滑动块；7、蝶形弹簧；8、阻力环；9、接长套；10、圆螺母；11、阻尼腔体；12、弹簧腔体；13、活塞；14、外缸套接长段；15、左球铰座连接筒；16、限位环；17、挡圈；18、衬套。

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他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种限定位移复位的桥梁减震装置，包括阻尼缸体1、外缸套2、活塞杆3、左球铰座4、左球铰座连接筒15、限位环16、挡圈17、衬套18、右球铰座5及接长套9；阻尼缸体1右端通过接长套9与右球铰座5连接，接长套9左端设在外缸套2内；外缸套2套设在阻尼缸体1与接长套9的外侧，外缸套2的左端与左球铰座连接筒15可滑动连接；左球铰座连接筒15与左球铰座4固定连接，外缸套2右端与接长套9外侧可滑动连接；阻尼缸体1内腔为装设有阻尼介质的阻尼腔体11；其中，活塞杆3贯穿阻尼腔体11、外缸套接长段14及左球铰座连接筒15与左球铰座4螺纹固定连接；阻尼缸体1和接长套9的外侧以及外缸套2的内侧构成弹簧腔体12，在弹簧腔体12的两端分别设阻力环8，在弹簧腔体12内密排蝶形弹簧7，蝶形弹簧7呈压缩状态，且通过滑动块6与两端的阻力环8抵接。

在本实施例中，蝶形弹簧7的两端通过圆螺母10固定在阻尼缸体1或接长套9径向外部，且圆螺母10保证蝶形弹簧为压缩状态。弹簧腔体12内可以设有滑动块6，滑动块6将弹簧腔体12内部分为两个腔室，每个腔室内分别设有一段蝶形弹簧，每段碟形弹簧的两端均受滑动块6或阻力环8挤压而呈压缩状态。

在本实施例中，阻尼腔体11为密封腔体。位于阻尼腔体11内部的活塞杆3上设有活塞13，活塞13上设有用于阻尼液通过的间隙或孔隙。活塞杆3采用双出杆形式。阻尼介质被迫通过活塞13上的孔隙或间隙，产生摩擦、节流、阻尼效应，从而将阻尼器受到的外力所做的功转化为阻尼介质的内能，将外力所做的功消耗掉，保护桥梁结构不受振动破坏。

阻力环8共设有两个，弹簧腔体12右端的阻力环8通过螺纹旋入外缸套2右端内并焊接固定，弹簧腔体12左端的阻力环8通过螺纹旋入外缸套2左端内并焊接固定。外缸套2通过法兰盘与外缸套接长段14右端螺栓连接固定，外缸套接长段14左端螺纹旋入开孔挡圈17并螺钉固定。挡圈17开孔内侧与左球铰座连接筒15之间设自润滑衬套18，左球铰座连接筒15穿过衬套18实现滑动连接。左球铰座连接筒15与左球铰座4整体加工成型。接长套9左端通过螺纹旋入阻尼缸体1右端内并焊接固定，接长套9与右球铰座5整体加工成型。

工作时，左球铰座4带动活塞杆3在阻尼腔体11内往复运动。当减震装置两端球铰座相对位移不大于设计限定位移时，左球铰座连接筒15相对外缸套接长段14滑动；当两端球铰座相对位移大于设计限定位移时，左球铰座连接筒15上的限位环16带动挡圈17，挡圈17带动外缸套接长段14和外缸套2一起运动，弹簧腔体12上的阻力环8与圆螺母10发生相对位移，由蝶形弹簧7构成的弹簧装置受到压缩，产生反力，迫使减震装置复位。当活塞杆3位移大于设计限定位移时，无论减震装置被拉伸还是压缩，该弹簧装置均被压缩，在活塞杆3达到弹簧行程极限时弹簧装置达到额定最大出力。

本发明的减震装置在使用时，左球铰座4带动活塞杆3在阻尼腔体11内往复运动，当左、右球铰座相对位移不大于设计限制位移时，左球铰座连接筒15与外缸套接长段14之间处于可滑动状态，外缸套及外缸套接长段14与阻尼腔体11之间不发生相对运动，弹簧装置不变形，即不增加弹簧力；当左、右球铰座相对位移大于设计限制位移时，通过左球铰座连接筒15带动外缸套一起运动，弹簧腔体12往复运动使弹簧装置压缩，无论减震装置被拉伸还是压缩，该弹簧装置均被压缩。

具体地，如图2所示，当左球铰座4位移X小于等于挡圈17左右限位环16的间距，即小于等于设计最大体系温差位移Xt，左球铰座连接筒15与外缸套接长段14之间通过挡圈17及自润滑衬套18可自由滑动，否则，当桥梁遭遇持续纵向风时，迫使桥梁主梁位移超过设计限定位移时，限位环16带动挡圈17及外缸套接长段14运动，从而触发蝶形弹簧7压缩变形，弹簧刚度发挥弹性复位功能，控制主梁纵向位移。

本发明减震装置的力学本构关系可表达为，

式中，K0——弹簧刚度(kN/m)，X——阻尼器连接两端相对位移(m)，Xt——设计最大体系温差位移(m)，其它符号意义同公式(1)。

同时，本发明在中国专利ZL 2016 1 0135494.3一种大吨位弹性--阻尼复合减震装置的基础上，在左球铰座4与外缸套接长段14之间增加了可滑动连接筒，在连接筒上设置了限位环16，限位环16在连接筒上的位置可根据桥梁结构设计最大体系温差变形确定，还可在桥梁建成后根据实际运营情况适当调整限位环16的位置。

当桥梁结构经受脉动风、刹车和地震等的动力激励作用时，活塞杆3带动活塞13在阻尼腔体11中运动(V≠0)，本发明减震装置耗能减震；经受温度、静风等荷载作用时，在减震装置连接两端球铰座相对位移不大于设计最大体系温差位移(X≤Xt)时，减震装置无轴向刚度，桥梁主梁可自由伸缩，当两端球铰座累积相对位移大于设计最大体系温差位移(X>Xt)时，可立即提供一个恒定刚度K₀的弹性回复力，迫使减震装置复位。

该减震装置在全部额定行程内具有动力阻尼耗能的功能，在超过额定静载(温度、静风)行程并小于最大额定行程范围内具有静力弹簧刚度的功能，主梁在温度、静风等缓变荷载引起纵向缓慢移动时阻尼器基本不产生阻尼力，但在脉动风、刹车和地震等的动力激励作用下时阻尼器具有耗能作用；在超过额定缓变荷载行程并小于最大额定行程内静力弹簧提供一个恒定刚度的纵桥向弹性约束；当出现意外情况使得塔梁间相对位移超过阻尼器最大额定行程时减震装置提供刚性限位约束功能。

该减震装置应用于大跨度悬索桥和斜拉桥，继承了传统阻尼器的耗能减震功能，保留了在温度、静风等缓变载荷下梁端的累积变位过大时装置的自复位功能，与中国专利ZL 2016 1 0135494.3公开的一种大吨位弹性--阻尼复合减震装置显著改变是释放了温度、静风等缓变载荷下减震装置对桥梁结构的约束次内力，使得桥梁结构及减震装置受力更加合理。

本发明减震装置蝶形弹簧工作原理，具体参考图3所示，

a、成桥安装初始状态：弹簧紧密排列，但未压缩变形，左球铰座连接筒15与外缸套接长段14之间通过挡圈17及自润滑衬套18可自由滑动。

b、向右自由滑动位移极限状态：左球铰座4与右球铰座5间的负位移刚刚达到设计限定位移，左侧限位环16限制挡圈17在左球铰座连接筒15进一步向左自由滑动，弹簧还未压缩变形，仍未触发弹簧刚度输出弹性力。

c、向右位移超过设计限定位移状态：左球铰座4与右球铰座5间的负位移已大于设计限定位移，左侧限位环16带动挡圈17进一步向右运动，推动外缸套接长段14、外缸套2和左侧阻力环8、滑动块6，迫使蝶形弹簧7整体向右移动，但蝶形弹簧7右端受右侧固定圆螺母10限制，弹簧发生压缩变形，触发弹簧刚度发挥弹性复位功能。

d、向左自由滑动位移极限状态：左球铰座4与右球铰座5间的正位移刚刚达到设计限定位移，右侧限位环16限制挡圈17在左球铰座连接筒15进一步向右自由滑动，弹簧还未压缩变形,仍未触发弹簧刚度输出弹性力。

e、向左位移超过设计限定位移状态：左球铰座4与右球铰座5间的正位移已大于设计限定位移，右侧限位环16带动挡圈17进一步向左运动，拉动外缸套接长段14、外缸套2和右侧阻力环8、滑动块6，迫使蝶形弹簧7整体向左移动，但蝶形弹簧7左端受左侧固定圆螺母10限制，弹簧发生压缩变形，触发弹簧刚度发挥弹性复位功能。

综上，本发明涉及一种大跨度桥梁结构的限定位移复位的桥梁减震装置，具有传统阻尼器的耗能减震功能，当桥梁主梁位移超过设计限定位移时具有弹性复位功能，设计限定位移根据桥梁设计最大体系温差计算确定。相较于现有技术，通过在左球铰座与外缸套接长段14之间设置可滑动连接及限位构件。一方面，在工程设计温度、静风等缓变荷载变幅范围内，减震装置与桥梁主梁之间纵向可自由滑动，减震装置的弹簧不发生变形，从而释放温度、静风等缓变载荷作用下减震装置对主梁的弹性约束，能够有效减小桥梁结构的约束次内力，大大改善桥梁结构及减震装置各部组件、连接件的长期受力状态；另一方面，当地震或持续纵向风等工况迫使桥梁主梁位移超过设计限定位移时，弹簧刚度才发挥弹性复位功能，控制主梁纵向位移，改善斜拉索和梁端伸缩缝及支座的受力状态。本发明减震装置，在满足大跨度悬索桥及斜拉桥结构耗能减震和主梁位移控制的同时，使得桥梁结构体系受力更加合理，也有利于桥梁耗能减震装置的使用耐久性。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种限定位移复位的桥梁减震装置，包括阻尼缸体(1)、外缸套(2)、活塞杆(3)、左球铰座(4)、右球铰座(5)及接长套(9)；所述阻尼缸体(1)右端通过接长套(9)与右球铰座(5)连接，所述接长套(9)左端设在外缸套(2)内，所述外缸套(2)套设在阻尼缸体(1)与接长套(9)的外侧，所述阻尼缸体(1)内腔为装设有阻尼介质的阻尼腔体(11)，所述活塞杆(3)贯穿阻尼腔体(11)，并与左球铰座(4)连接，所述阻尼缸体(1)和接长套(9)的外侧以及外缸套(2)的内侧构成弹簧腔体(12)，所述弹簧腔体(12)的两端分别设有阻力环(8)，所述弹簧腔体(12)内设有弹簧装置(7)，其特征在于：所述减震装置还包括外缸套接长段(14)、左球铰座连接筒(15)、限位环(16)和挡圈(17)，所述外缸套(2)的左端与外缸套接长段(14)的右端法兰连接，所述外缸套接长段(14)的左端与左球铰座连接筒(15)可滑动连接，所述左球铰座连接筒(15)上设有限位环(16)，所述外缸套接长段(14)上设有挡圈(17)，所述左球铰座连接筒(15)外侧的限位环(16)及外缸套接长段(14)和左端挡圈(17)共同构成限位机构。

2.根据权利要求1所述一种限定位移复位的桥梁减震装置，其特征在于：所述外缸套(2)右端与接长套(9)外侧设置为可滑动连接，所述滑动连接通过滑动块(6)与两端的阻力环(8)或圆螺母(10)抵接。

3.根据权利要求2所述一种限定位移复位的桥梁减震装置，其特征在于：所述阻力环(8)共设有两个，所述弹簧腔体(12)右端的阻力环(8)通过螺纹旋入外缸套(2)右端内并固定，弹簧腔体(12)左端的阻力环(8)通过螺纹旋入外缸套(2)左端内并固定。

4.根据权利要求3所述一种限定位移复位的桥梁减震装置，其特征在于：所述弹簧腔体(12)内设有滑动块(6)，所述滑动块(6)将弹簧腔体(12)内部分为多个腔室，每个腔室内分别设有一段蝶形弹簧，每段碟形弹簧的两端均受滑动块(6)或阻力环(8)挤压而呈压缩状态。

5.根据权利要求1所述一种限定位移复位的桥梁减震装置，其特征在于：所述挡圈(17)与左球铰座连接筒(15)之间设衬套(18)，所述衬套(18)设计为成对的上下半环结构，所述衬套(18)采用不锈钢背自润滑复合材料。

6.根据权利要求1所述一种限定位移复位的桥梁减震装置，其特征在于：所述弹簧装置为碟形弹簧，蝶形弹簧(7)的两端通过圆螺母(10)固定在阻尼缸体(1)或接长套(9)径向外部，且圆螺母(10)保证蝶形弹簧(7)为压缩状态。

7.根据权利要求1所述一种限定位移复位的桥梁减震装置，其特征在于：所述阻尼腔体(11)为密封腔体，所述阻尼腔体(11)内部的活塞杆(3)上设有活塞(13)，所述活塞(13)上设有用于阻尼通过的间隙或孔隙，所述阻尼介质为粘滞阻尼液。

8.根据权利要求7所述一种限定位移复位的桥梁减震装置，其特征在于：所述活塞杆(3)采用双出杆形式。

9.根据权利要求1所述一种限定位移复位的桥梁减震装置，其特征在于：所述左球铰座连接筒(15)和活塞杆(3)的螺孔整体加工成型，右球铰座(5)与接长套(9)整体加工成型。

10.根据权利要求1所述一种限定位移复位的桥梁减震装置，其特征在于：所述左球铰座连接筒(15)与外缸套(2)相对滑动位移增大到设计限制值时，左球绞座连接筒(15)右端的限位环(16)带动外缸套(2)轴向压缩弹簧腔体(12)。

11.根据权利要求10所述一种限定位移复位的桥梁减震装置，其特征在于：所述限位环(16)与左球铰座连接筒(15)采用螺纹及销钉固定，所述限位环(16)在左球铰座连接筒(15)的位置可调。

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