CN116720239B - 一种各向异性摩擦摆减隔震支座设计方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种各向异性摩擦摆减隔震支座设计方法及系统，方法包括根据支座横向等效曲率半径和球面滑板曲率半径，确定支座横向曲率半径；根据所述支座横向曲率半径和所述支座纵向等效曲率半径确定支座纵向曲率半径；根据支座横向滑动位移、支座横向曲率半径以及球面滑板曲率半径确定支座横向滑动空间；根据支座纵向滑动位移、支座横向滑动位移、球面滑板曲率半径以及支座纵向曲率半径确定支座纵向滑动空间；本发明通过对支座纵向和横向的曲率半径、滑动位移分别进行设计，实现了桥梁纵横向不同的隔震刚度和滑动位移，能够满足桥梁的各向异性减隔震性能需求。
Description
技术领域
本发明属于桥梁支座技术领域，更具体地，涉及一种各向异性摩擦摆减隔震支座设计方法及系统。
背景技术
地震会严重破坏桥梁、建筑等建设工程，使人民生命财产遭受巨大损失。作为交通运输枢纽的桥梁工程，一旦在地震中遭到严重破坏，不但会造成巨大的直接损失，而且给救灾工作带来极大的困难，并由此引起严重的次生灾害和环境破坏，对于特大型桥梁，还会引起极大的社会影响。因此，为了确保桥梁的安全性，尤其是位于地震较活跃地区的长大型桥梁的抗震性能，必须对桥梁结构进行抗震性能设计，以提高其安全性。
桥梁减隔震技术的基本原理是，通过减隔震装置将结构最大限度的与地震时的地面运动或支座运动分隔开，从而大幅减少传递到上部结构的地震作用。其中，减隔震支座是桥梁中减隔震设计中最常用装置之一；其通过采用隔震、减震和调整结构动力特性等方法，使桥梁结构在地震力作用下的动力反应能得到及时有效的控制，从而确保结构自身的安全。
长联大跨连续梁桥是跨江、跨海中非通航孔桥的常用结构型式，其由于结构自身的特征，纵横向的自振周期、地震响应、位移需求不同，需进行纵横各向异性减隔震设计。
目前的摩擦摆减隔震支座，分为摩擦摆单摆和双摆支座，其特点为支座的纵横向曲率半径相同，设计位移也相同，为纵横向同性摩擦摆支座，此种支座无法实现桥梁纵横向的异性减隔震需求，且无法同时满足正常工况温度位移的大曲率半径(主梁竖向抬升小，且支座滑动水平阻力小)和地震工况减隔震的小曲率半径需求。
因此，亟需提出一种能够实现桥梁的异性摩擦摆减隔震支座设计方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种各向异性摩擦摆减隔震支座及其设计方法及系统，通过对支座纵向和横向的曲率半径、纵向和横向滑动位移分别进行设计，实现了桥梁纵横向不同的隔震刚度和滑动位移；本发明根据桥梁的纵横向减隔震需求进行针对性特殊设计，能够满足桥梁的各向异性减隔震性能需求。
为了实现上述目的，本发明提供一种各向异性摩擦摆减隔震支座设计方法，包括如下步骤：
S1:确定支座承载力和支座设计位移；所述支座设计位移包括支座横向滑动位移和支座纵向滑动位移；
S2:根据支座自振周期确定支座横向等效曲率半径和支座纵向等效曲率半径；
S3:根据支座承载力确定球面滑板曲率半径；
S4:根据所述支座横向等效曲率半径和所述球面滑板曲率半径，确定支座横向曲率半径；
S5:根据所述支座横向曲率半径和所述支座纵向等效曲率半径确定支座纵向曲率半径；
S6:根据所述支座横向滑动位移、支座横向曲率半径以及球面滑板曲率半径确定支座横向滑动空间；
S7:根据支座纵向滑动位移、支座横向滑动位移、球面滑板曲率半径以及支座纵向曲率半径确定支座纵向滑动空间。
进一步地，所述各向异性摩擦摆减隔震支座包括：上座板、上滑板、球冠滑块、球面滑板、承板滑块、下滑板、下座板；其中，所述上座板、上滑板、下滑板、下座板由上而下依次布置；所述球冠滑块、球面滑板和承板滑块在上滑板和下滑板之间由上而下依次布置；所述上座板的顶面为平面，底面为凹球面，凹球面的周围设有第一侧挡；所述第一侧挡为环形；所述下座板的底面为平面，顶面为凹球面，凹球面的四周设有第二侧挡；所述第二侧挡为矩形；所述球冠滑块的顶面为凸球面，底面为凹球面；所述承板滑块的顶面为凸球面，底面亦为凸球面；
所述各向异性摩擦摆减隔震支座的纵向等效曲率半径与横向等效曲率半径不同；所述各向异性摩擦摆减隔震支座的纵向滑动位移和横向滑动位移不同，如此实现支座纵横各向异性减隔震性能。
进一步地，所述各向异性摩擦摆减隔震支座在纵向滑动时，支座实际纵向滑动位移包括支座第一阶段纵向滑动设计位移和支座第二阶段纵向滑动设计位移；
支座的实际纵向滑动位移小于等于支座第一阶段纵向滑动设计位移时，支座第一阶段纵向滑动设计位移由下座板与上座板共同完成；支座实际纵向滑动位移达到支座第一阶段纵向滑动设计位移后，承板滑块与下座板的第二侧挡端部接触，限制承板滑块继续滑动；
支座的实际纵向滑动位移大于支座第一阶段纵向滑动设计位移时，进入支座第二阶段纵向滑动，支座第二阶段纵向滑动设计位移由球冠滑块继续沿上座板底部的凹球面继续向前滑动完成，当球冠滑块继续沿上座板底部的凹球面继续向前滑移达到支座第二阶段纵向滑动设计位移后，球冠滑块与上座板的环形第一侧挡接触，限制球冠滑块继续滑动。
进一步地，所述各向异性摩擦摆减隔震支座在横向滑动时，支座横向滑动位移由上座板单独完成，球冠滑块沿上座板底部的凹球面滑动，当球冠滑块滑移达到支座横向滑动位移后，球冠滑块与上座板的环形侧挡接触，限制球冠滑块继续滑动。
进一步地，支座第一阶段纵向滑动设计位移L1通过式(19)表示：
其中，D2为支座纵向滑动空间，Rhe为支座横向等效曲率半径，Rh为支座横向曲率半径。
进一步地，步骤S3中球面滑板曲率半径r通过式(6)表示：
其中，r为球面滑板曲率半径；W为支座竖向承载力；σ为滑板设计面压强。
进一步地，步骤S2中支座横向等效曲率半径的计算通过式(2)表示：
式中，Rhe为支座横向等效曲率半径；Th为桥梁横向一阶自振周期；N为自然数；g为重力加速度；
支座纵向等效曲率半径的计算通过式(3)表示：
式中，Rze为支座纵向等效曲率半径；Tz为桥梁纵向一阶自振周期；N为自然数；g为重力加速度。
进一步地，步骤S4中支座横向曲率半径通过式(9)表示：
其中，Rh为支座横向曲率半径；r为球面滑板曲率半径；h1为球面滑板的顶部中心到上座板的凹底面中心的距离；
步骤S5中支座纵向曲率半径通过式(12)表示：
其中，Rz为支座纵向曲率半径；h2为上座板的凹底面中心到下座板的凹顶面中心的距离。
进一步地，步骤S6中支座横向滑动空间通过式(15)表示：
其中，D1为支座横向滑动空间；Dh为支座的横向滑动位移。
步骤S7中支座纵向滑动空间通过式(18)表示：
其中，D2为支座纵向滑动空间；Dz为支座纵向滑动位移。
本发明的另一个方面提供一种各向异性摩擦摆减隔震支座设计系统，包括:
第一确定模块，用于确定支座承载力和支座设计位移；
第二确定模块，用于根据支座自振周期确定支座横向等效曲率半径和支座纵向等效曲率半径；
第三确定模块，用于根据支座承载力确定球面滑板曲率半径；
第四确定模块，用于根据所述支座横向等效曲率半径和所述球面滑板曲率半径，确定支座横向曲率半径；
第五确定模块，根据所述支座横向曲率半径和所述支座纵向等效曲率半径确定支座纵向曲率半径；
第六确定模块，用于根据所述支座横向滑动位移、支座横向曲率半径以及球面滑板曲率半径确定支座横向滑动空间；
第七确定模块，用于根据支座纵向滑动位移、支座横向滑动位移、球面滑板曲率半径以及支座纵向曲率半径确定支座纵向滑动空间。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.本发明的一种各向异性摩擦摆减隔震支座设计方法及系统，通过对支座纵向和横向的曲率半径、纵向和横向滑动位移分别进行设计，实现了桥梁纵横向不同的隔震刚度和滑动位移；本发明根据桥梁的纵横向减隔震需求进行针对性特殊设计，能够满足桥梁的各向异性减隔震性能需求。
2.本发明的一种各向异性摩擦摆减隔震支座，将上座板、上滑板、球冠滑块、球面滑板、承板滑块、下滑板以及下座板依次由上而下布置，上座板的顶面设为平面，底面设为凹球面，在上座板凹球面的周围设环形侧挡，下座板的底面设为平面，顶面设为凹球面，在下座板凹球面的周围设矩形侧挡，通过环形侧挡限制球冠滑块的滑动，通过矩形侧挡限制限制承板滑块的滑动；上滑板的顶面与上座板的凹球面接触；上滑板的底面位于球冠滑块的顶面；球冠滑块的顶面为凸球面，底面为凹球面；承板滑块的顶面为凸球面；底面亦为凸球面；球面滑板设置在球冠滑块底面的凹球面上，并与承板滑块顶面的凸球面接触；下滑板设置在承板滑块底面的凸球面上，并与下座板顶面的凹球面接触；本发明的各向异性摩擦摆减隔震支座的纵向等效曲率半径与横向等效曲率半径不同；纵向滑动位移和横向滑动位移亦不同，能够实现支座纵横各向异性减隔震性能。
3.本发明的一种各向异性摩擦摆减隔震支座，在支座纵向滑动时，支座实际纵向滑动位移包括支座第一阶段纵向滑动设计位移和支座第二阶段纵向滑动设计位移；支座的实际纵向滑动位移小于等于支座第一阶段纵向滑动设计位移时，支座第一阶段纵向滑动设计位移由下座板与上座板共同完成，能够适应主梁温度位移和E1地震产生的位移；支座实际纵向滑动位移达到支座第一阶段纵向滑动设计位移后，承板滑块与下座板的第二侧挡接触，限制承板滑块继续滑动；支座的实际纵向滑动位移大于支座第一阶段纵向滑动设计位移时，进入支座第二阶段纵向滑动，支座第二阶段纵向滑动设计位移由球冠滑块继续沿上座板底部的凹球面继续向前滑动完成，当球冠滑块继续沿上座板底部的凹球面继续向前滑移达到支座第二阶段纵向滑动设计位移后，球冠滑块与上座板的环形第一侧挡接触，限制球冠滑块继续滑动，能够适应E2地震产生的位移；在支座横向滑动时，支座横向滑动位移由上座板单独完成，球冠滑块沿上座板底部的凹球面滑动，当滑移至支座横向滑动位移后，球冠滑块与上座板的环形侧挡接触，限制球冠滑块继续滑动；本发明的支座在桥梁发生纵向大位移时具有变刚度特性，支座纵向滑动为上座板和下座板曲率半径的叠加组合，在下座板滑动位移达到极限后，仅上座板单独滑动的曲率半径减小，使得支座刚度变大，如此能够满足桥梁抗震需求。
附图说明
图1为本发明实施例一种各向异性摩擦摆减隔震支座设计方法的流程示意图；
图2为本发明实施例一种各向异性摩擦摆减隔震支座的顺桥向结构示意图；
图3为本发明实施例一种各向异性摩擦摆减隔震支座的横桥向结构示意图；
图4为本发明实施例一种各向异性摩擦摆减隔震支座的支座横向曲率半径示意图；
图5为本发明实施例一种各向异性摩擦摆减隔震支座的支座纵向曲率半径示意图；
图6为本发明实施例一种各向异性摩擦摆减隔震支座的横向滑动示意图；
图7为本发明实施例一种各向异性摩擦摆减隔震支座的纵向滑动示意图；
图8为本发明实施例一种各向异性摩擦摆减隔震支座设计系统的结构示意图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-上座板、2-上滑板、3-球冠滑块、4-球面滑板、5-承板滑块、6-下滑板、7-下座板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，当元件被称为“固定于”、“设置于”或“设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上；术语“安装”、“相连”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”......仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
长联大跨连续梁桥是跨江、跨海中非通航孔桥的常用结构型式，其纵横向的自振周期、地震响应、位移需求不同，需进行纵横各向异性减隔震设计。而目前的摩擦摆减隔震支座多数为同性摩擦摆支座，此种支座无法实现桥梁的异性减隔震需求；而异性摩擦摆减隔震支座的设计与常规同性摩擦摆支座原理不同，纵横向在滑动方式中存在差异，给设计人员带来一定难度。
基于上述理由，如图1所示，本发明的一个方面提供一种各向异性摩擦摆减隔震支座设计方法，包括步骤S1～S5；其中，如图2和图3所示，所述各向异性摩擦摆减隔震支座包括上座板1、上滑板2、球冠滑块3、球面滑板4、承板滑块5、下滑板6、下座板7；其中，所述上座板1、上滑板2、下滑板6、下座板7由上而下依次布置；所述球冠滑块3、球面滑板4和承板滑块5在上滑板2和下滑板6之间由上而下依次布置。
进一步地，如图2和图3所示，所述上座板1的顶面为平面，底面中心为凹球面；所述上座板1的凹球面周围设有第一侧挡；所述第一侧挡为环形，其中心和所述上座板1的凹球面同心；所述第一侧挡用于限制球冠滑块3的滑动；所述下座板7的底面为平面，顶面为凹球面，所述所述下座板7的顶面凹球面的四周设有第二侧挡；所述第二侧挡为矩形；所述第二侧挡的中心和所述下座板7的顶面凹球面同心；所述第二侧挡用于限制所述承板滑块5的滑动。
进一步地，如图2和图3所示，所述上滑板2的顶面与所述上座板1凹球面接触；所述上滑板2的底面位于所述球冠滑块3的顶面；所述球冠滑块3的顶面为凸球面，底面为凹球面；所述承板滑块5的顶面为凸球面；所述承板滑块5的底面为凸球面；所述球面滑板4设置在所述球冠滑块3底面的凹球面上，并与承板滑块5顶面的凸球面接触；所述下滑板6设置在承板滑块5底面的凸球面上，并与下座板7顶面的凹球面接触。
进一步地，如图2和图3所示，所述上座板1的凹球面与所述上滑板2的顶面形成滑动摩擦副，能够实现所述各向异性摩擦摆减隔震支座的横向滑移；所述球冠滑块3底面凹球面上的所述球面滑板4与承板滑块5顶面的凸球面形成转动摩擦副，实现所述各向异性摩擦摆减隔震支座的水平转动和竖向转动；所述承板滑块5的底面凸球面上设置的所述下滑板6与下座板7顶面的凹球面形成滑动摩擦副，实现所述各向异性摩擦摆减隔震支座的纵向滑移。
进一步地，本发明的支座的纵向等效曲率半径与横向等效曲率半径不同；本发明的支座的纵向滑动位移和横向滑动位移不同，如此实现支座纵横各向异性减隔震性能。
本发明提供的所述各向异性摩擦摆减隔震支座的工作原理：在工作时，将该各向异性摩擦摆减隔震支座安装于主梁与垫石之间；使得上座板1的顶面与主梁接触；下座板7的底面和垫石接触；在支座纵向滑动时，支座实际纵向滑动位移包括支座第一阶段纵向滑动设计位移和支座第二阶段纵向滑动设计位移；
支座的实际纵向滑动位移小于等于支座第一阶段纵向滑动设计位移时，支座第一阶段纵向滑动设计位移由下座板7与上座板1共同完成；支座实际纵向滑动位移达到支座第一阶段纵向滑动设计位移后，承板滑块5与下座板7的第二侧挡接触，限制承板滑块5继续滑动；
支座的实际纵向滑动位移大于支座第一阶段纵向滑动设计位移时，进入支座第二阶段纵向滑动，支座第二阶段纵向滑动设计位移由球冠滑块3继续沿上座板1底部的凹球面继续向前滑动完成，当球冠滑块3继续沿上座板1底部的凹球面继续向前滑移达到支座第二阶段纵向滑动设计位移后，球冠滑块3与上座板1的环形第一侧挡接触，限制球冠滑块3继续滑动。在支座横向滑动时，支座横向滑动位移由上座板1单独完成，球冠滑块3沿上座板1底部的凹球面滑动，当滑移至支座横向滑动设计位移后，球冠滑块3与上座板1的第一侧挡接触，限制球冠滑块3继续滑动。
进一步地，支座第一阶段纵向滑动设计位移L1通过式(19)表示：
其中，D2为支座纵向滑动空间，Rhe为支座横向等效曲率半径，Rh为支座横向曲率半径。
进一步地，本发明的一种纵横各向异性摩擦摆减隔震支座设计方法，具体包括如下步骤：
步骤S1:确定支座承载力和支座设计位移；所述支座设计位移包括支座横向滑动位移和支座纵向滑动位移；
步骤S2:根据支座自振周期确定支座横向等效曲率半径和支座纵向等效曲率半径；
步骤S3:根据支座承载力确定球面滑板曲率半径；
步骤S4:根据支座横向等效曲率半径和球面滑板曲率半径，确定支座横向曲率半径；
步骤S5:根据所述支座横向曲率半径和所述支座纵向等效曲率半径确定支座纵向曲率半径；
步骤S6:根据所述支座横向滑动位移、支座横向曲率半径以及球面滑板曲率半径确定支座横向滑动空间；
步骤S7:根据支座纵向滑动位移、支座横向滑动位移、球面滑板曲率半径以及支座纵向曲率半径确定支座纵向滑动空间。
进一步地，在本发明的实施例中，步骤S1中所述支座承载力W根据桥梁按照标准组合设计时的支座承受的竖向荷载确定；
所述支座设计位移L为设计地震荷载作用下的支座位移与支座正常使用温度位移的组合；所述支座设计位移L的计算通过式(1)表示：
L＝Ddz+0.5Dwd (1)
其中，L为支座设计位移，包括支座纵向滑动位移Dz和支座横向滑动位移Dh；Ddz为设计地震荷载作用下的支座位移；Dwd为支座正常使用温度位移。
进一步地，在本发明的实施例中，步骤S2中支座纵向等效曲率半径、支座横向等效曲率半径由支座自振周期换算，支座自振周期为桥梁纵向一阶自振周期或横向一阶自振周期的N倍；
其中，支座横向等效曲率半径的计算通过式(2)表示：
式中，Rhe为支座横向等效曲率半径；Th为桥梁横向一阶自振周期；N为自然数；g为重力加速度，取9.81；
支座纵向等效曲率半径的计算通过式(3)表示：
式中，Rze为支座纵向等效曲率半径；Tz为桥梁纵向一阶自振周期；N为自然数；g为重力加速度，取9.81。
进一步地，在本发明的实施例中，步骤S3中考虑球冠滑块与承板滑块的水平传递剪力对球面滑板的影响，球面滑板曲率半径与球面滑板投影直径有关，球面滑板曲率半径通过式(4)表示：
r＝aD，0.8≤a≤1 (4)
其中，r为球面滑板曲率半径；D为球面滑板的投影直径；
球面滑板的投影直径通过式(5)表示：
其中，D为球面滑板的投影直径；W为支座承载力；σ为滑板设计面压强；
将式(5)代入式(4)可知，步骤S3中球面滑板曲率半径还可通过式(6)表示：
进一步地，在本发明的实施例中，支座横向滑动时，球冠滑块沿着其曲率半径球面滑动，因此，支座横向等效曲率半径为支座横向曲率半径和球冠滑块曲率半径的组合曲率半径；
如图4所示，支座横向等效曲率半径还可通过式(7)表示：
Rhe＝Rh-r-h1 (7)
其中，Rh为支座横向曲率半径；r为球面滑板曲率半径；h1为球面滑板的顶部中心到上座板的底面中心的距离；
进一步可知，步骤S4中支座横向曲率半径通过式(8)表示：
Rh＝Rhe+r+h1 (8)
将式(2)代入式(8)可知，步骤S4中支座横向曲率半径还可通过式(9)表示：
进一步地，在本发明的实施例中，支座纵向滑动时，上座板沿着支座横向曲率半径的曲面滑动，下座板沿着支座纵向曲率半径的曲面滑动，因此，支座纵向等效曲率半径为支座横向曲率半径和支座纵向曲率半径的组合曲率半径；
如图5所示，支座纵向等效曲率半径还可通过式(10)表示：
Rze＝Rz+Rh–h2(10)
其中，Rze为支座纵向等效曲率半径；Rz为支座纵向曲率半径；Rh为支座横向曲率半径；h2为上座板的凹底面中心到下座板的凹顶面中心的距离；
进一步可知，步骤S5中支座纵向曲率半径通过式(11)表示：
Rz＝Rze-Rh+h2 (11)
将式(3)代入式(11)可知，步骤S5中支座纵向曲率半径还可通过式(12)表示：
进一步地，如图6所示，在本发明的实施例中，在支座横向滑动时，支座横向滑动位移由上座板单独完成，支座横向滑动位移和球冠发生与支座同方向的转动位移的组合为支座横向滑动空间；因此，步骤S6中的支座横向滑动空间通过式(13)表示：
D1＝Dh+D球冠 (13)
其中，D1为支座横向滑动空间；Dh为支座的横向滑动位移；D球冠为球冠滑块发生与支座同方向的转动位移；
球冠滑块发生与支座同方向的转动位移D球冠通过式(14)表示：
其中，Rh为支座横向曲率半径；r为球面滑板曲率半径；
进一步地，步骤S6中支座横向滑动空间还可通过式(15)表示：
进一步地，如图7所示，在本发明的实施例中，在支座纵向滑动时，支座第一阶段纵向滑动设计位移由下座板与上座板共同完成，支座纵向滑动位移减去支座的横向滑动位移后，与承板滑块向支座相反方向滑动位移的组合为支座纵向滑动空间；因此，步骤S7中支座纵向滑动空间通过式(16)表示：
D2＝Dz-Dh-D承板 (16)
其中，D2为支座纵向滑动空间；Dz为支座纵向滑动位移；Dh为支座的横向滑动位移；D承板为承板滑块向支座相反方向滑动位移；
承板滑块向支座相反方向滑动位移D承板通过式(17)表示：
其中，Dz为支座纵向滑动位移；Dh为支座横向滑动位移；r为球面滑板曲率半径；Rz为支座纵向曲率半径；
进一步地，步骤S7中支座纵向滑动空间还可通过式(18)表示：
进一步地，在本发明的实施例中，支座的实际纵向滑动位移小于等于支座第一阶段纵向滑动设计位移时，上座板和下座板共同滑动，能够适应主梁温度位移和E1地震产生的位移；支座的实际纵向滑动位移大于支座第一阶段纵向滑动设计位移时，进入支座第二阶段纵向滑动，由上座板单独滑动，能够适应E2地震产生的位移。
本发明提供的一种各向异性摩擦摆减隔震支座设计方法，通过对支座纵向和横向的曲率半径、纵向和横向滑动位移分别进行设计，实现了桥梁纵横向不同的隔震刚度和滑动位移；本发明根据桥梁的纵横向减隔震需求进行针对性特殊设计，能够满足桥梁的各向异性减隔震性能需求。
如图8所示，本发明的另一个方面提供一种各向异性摩擦摆减隔震支座设计系统，包括第一确定模块、第二确定模块、第三确定模块、第四确定模块、第五确定模块、第六确定模块、第七确定模块。
第一确定模块，用于确定支座承载力和支座设计位移；
第二确定模块，用于根据支座自振周期确定支座横向等效曲率半径和支座纵向等效曲率半径；
第三确定模块，用于根据支座承载力确定球面滑板曲率半径；
第四确定模块，用于根据所述支座横向等效曲率半径和所述球面滑板曲率半径，确定支座横向曲率半径；
第五确定模块，根据所述支座横向曲率半径和所述支座纵向等效曲率半径确定支座纵向曲率半径；
第六确定模块，用于根据所述支座横向滑动位移、支座横向曲率半径以及球面滑板曲率半径确定支座横向滑动空间；
第七确定模块，用于根据支座纵向滑动位移、支座横向滑动位移、球面滑板曲率半径以及支座纵向曲率半径确定支座纵向滑动空间。
需要说明的是，本发明的实施例提供的各向异性摩擦摆减隔震支座设计系统可以是运行于计算机设备中的一个计算机程序，包括程序代码，例如该车轮滑移率的计算装置为一个应用软件；该各向异性摩擦摆减隔震支座设计系统可以用于执行本发明实施例提供的上述方法中的相应步骤。
在一些可行的实施方式中，本实施例提供的各向异性摩擦摆减隔震支座设计系统可以采用软硬件结合的方式实现，作为示例，本申请实施例各向异性摩擦摆减隔震支座设计系统可以是采用硬件译码处理器形式的处理器，其被编程以执行本申请实施例提供的车轮滑移率的计算方法，例如，硬件译码处理器形式的处理器可以采用一个或多个应用专用集成电路(ASIC，Application Specific Integrated Circuit)、数字信号处理器(digitalsignal processor，DSP)、可编程逻辑器件(PLD，Programmable Logic Device)、复杂可编程逻辑器件(CPLD，Complex Programmable Logic Device)、现场可编程门阵列(FPGA，Field-Programmable Gate Array)或其他电子元件。
在一些可行的实施方式中，本实施例提供的各向异性摩擦摆减隔震支座设计系统可以采用软件方式实现，其可以是程序和插件等形式的软件，并包括一系列的模块，以实现本发明实施例提供各向异性摩擦摆减隔震支座设计方法。
本实施例提供的各向异性摩擦摆减隔震支座设计系统，通过对支座纵向和横向的曲率半径、纵向和横向滑动位移分别进行设计，实现了桥梁纵横向不同的隔震刚度和滑动位移，能够满足桥梁的各向异性减隔震性能需求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种各向异性摩擦摆减隔震支座设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1:确定支座承载力和支座设计位移；所述支座设计位移包括支座横向滑动位移和支座纵向滑动位移；
S2:根据支座自振周期确定支座横向等效曲率半径和支座纵向等效曲率半径；
S3:根据支座承载力确定球面滑板曲率半径；
S4:根据所述支座横向等效曲率半径和所述球面滑板曲率半径，确定支座横向曲率半径；
S5:根据所述支座横向曲率半径和所述支座纵向等效曲率半径确定支座纵向曲率半径；
S6:根据所述支座横向滑动位移、支座横向曲率半径以及球面滑板曲率半径确定支座横向滑动空间；
S7:根据支座纵向滑动位移、支座横向滑动位移、球面滑板曲率半径以及支座纵向曲率半径确定支座纵向滑动空间；
所述各向异性摩擦摆减隔震支座包括：上座板(1)、上滑板(2)、球冠滑块(3)、球面滑板(4)、承板滑块(5)、下滑板(6)、下座板(7)；其中，所述上座板(1)、上滑板(2)、下滑板(6)、下座板(7)由上而下依次布置；所述球冠滑块(3)、球面滑板(4)和承板滑块(5)在上滑板(2)和下滑板(6)之间由上而下依次布置；
所述各向异性摩擦摆减隔震支座在纵向滑动时，支座实际纵向滑动位移包括支座第一阶段纵向滑动设计位移和支座第二阶段纵向滑动设计位移；
支座的实际纵向滑动位移小于等于支座第一阶段纵向滑动设计位移时，支座第一阶段纵向滑动设计位移由下座板(7)与上座板(1)共同完成；支座实际纵向滑动位移达到支座第一阶段纵向滑动设计位移后，承板滑块(5)与下座板(7)的第二侧挡端部接触，限制承板滑块(5)继续滑动；
支座的实际纵向滑动位移大于支座第一阶段纵向滑动设计位移时，进入支座第二阶段纵向滑动，支座第二阶段纵向滑动设计位移由球冠滑块(3)继续沿上座板(1)底部的凹球面继续向前滑动完成，当球冠滑块(3)继续沿上座板(1)底部的凹球面继续向前滑移达到支座第二阶段纵向滑动设计位移后，球冠滑块(3)与上座板(1)的环形第一侧挡接触，限制球冠滑块(3)继续滑动；
步骤S6中支座横向滑动空间通过式(15)表示：
其中，D1为支座横向滑动空间；Dh为支座的横向滑动位移；Rh为支座横向曲率半径；r为球面滑板曲率半径；
步骤S7中支座纵向滑动空间通过式(18)表示：
其中，D2为支座纵向滑动空间；Dz为支座纵向滑动位移；Rz为支座纵向曲率半径。
2.根据权利要求1所述的一种各向异性摩擦摆减隔震支座设计方法，其特征在于，所述上座板(1)的顶面为平面，底面为凹球面，凹球面的周围设有第一侧挡；所述第一侧挡为环形；所述下座板(7)的底面为平面，顶面为凹球面，凹球面的四周设有第二侧挡；所述第二侧挡为矩形；所述球冠滑块(3)的顶面为凸球面，底面为凹球面；所述承板滑块(5)的顶面为凸球面，底面亦为凸球面；
所述各向异性摩擦摆减隔震支座的纵向等效曲率半径与横向等效曲率半径不同；所述各向异性摩擦摆减隔震支座的纵向滑动位移和横向滑动位移不同，如此实现支座纵横各向异性减隔震性能。
3.根据权利要求2所述的一种各向异性摩擦摆减隔震支座设计方法，其特征在于，所述各向异性摩擦摆减隔震支座在横向滑动时，支座横向滑动位移由上座板(1)单独完成，球冠滑块(3)沿上座板(1)底部的凹球面滑动，当球冠滑块(3)滑移达到支座横向滑动位移后，球冠滑块(3)与上座板(1)的环形第一侧挡接触，限制球冠滑块(3)继续滑动。
4.根据权利要求3所述的一种各向异性摩擦摆减隔震支座设计方法，其特征在于，支座第一阶段纵向滑动设计位移L1通过式(19)表示：
其中，D2为支座纵向滑动空间，Rhe为支座横向等效曲率半径。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种各向异性摩擦摆减隔震支座设计方法，其特征在于，步骤S3中球面滑板曲率半径r通过式(6)表示：
其中，W为支座竖向承载力；σ为滑板设计面压强。
6.根据权利要求5所述的一种各向异性摩擦摆减隔震支座设计方法，其特征在于，步骤S2中支座横向等效曲率半径的计算通过式(2)表示：
式中，Rhe为支座横向等效曲率半径；Th为桥梁横向一阶自振周期；N为自然数；g为重力加速度；
支座纵向等效曲率半径的计算通过式(3)表示：
式中，Rze为支座纵向等效曲率半径；Tz为桥梁纵向一阶自振周期；N为自然数；g为重力加速度。
7.根据权利要求6所述的一种各向异性摩擦摆减隔震支座设计方法，其特征在于，步骤S4中支座横向曲率半径通过式(9)表示：
其中，Rh为支座横向曲率半径；r为球面滑板曲率半径；h1为球面滑板的顶部中心到上座板的凹底面中心的距离；
步骤S5中支座纵向曲率半径通过式(12)表示：
其中，h2为上座板的凹底面中心到下座板的凹顶面中心的距离。
8.一种各向异性摩擦摆减隔震支座设计系统，其特征在于，用于实现如权利要求1-7中任一项所述的一种各向异性摩擦摆减隔震支座设计方法，包括:
第一确定模块，用于确定支座承载力和支座设计位移；
第二确定模块，用于根据支座自振周期确定支座横向等效曲率半径和支座纵向等效曲率半径；
第三确定模块，用于根据支座承载力确定球面滑板曲率半径；
第四确定模块，用于根据所述支座横向等效曲率半径和所述球面滑板曲率半径，确定支座横向曲率半径；
第五确定模块，用于根据所述支座横向曲率半径和所述支座纵向等效曲率半径确定支座纵向曲率半径；
第六确定模块，用于根据所述支座横向滑动位移、支座横向曲率半径以及球面滑板曲率半径确定支座横向滑动空间；
第七确定模块，用于根据支座纵向滑动位移、支座横向滑动位移、球面滑板曲率半径以及支座纵向曲率半径确定支座纵向滑动空间。
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