CN117364953B - 一种变刚度三重摩擦摆支座 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变刚度三重摩擦摆支座，该变刚度三重摩擦摆支座包括相对设置的变曲面外侧上滑动板、变曲面外侧下滑动板，所述变曲面外侧上滑动板、变曲面外侧下滑动板的内侧分别设置有内侧上滑动块、内侧下滑动块，所述内侧上滑动块和内侧下滑动块之间设置有中间滑块；所述内侧上滑动块和内侧下滑动块的外侧分别固定连接有外摩擦垫，所述中间滑块的两个摩擦面上分别固定连接有内摩擦垫。本发明可以提高结构在多水准地震动作用下的抗震性能,该装置适用于桥梁结构和建筑结构等。

Description

一种变刚度三重摩擦摆支座

技术领域

本发明涉及于土木工程中抗震设计技术领域，具体而言，涉及一种变刚度三重摩擦摆支座。

背景技术

摩擦摆支座通过滑动摩擦耗散能量，通过钟摆原理延长结构自振周期，具有较好的隔震性能。相比于传统普通橡胶支座和钢阻尼支座，摩擦摆支座具有承载能力高、阻尼比大、重量轻、自复位能力强等优点，因此摩擦摆支座在桥梁和建筑等结构中得到广泛的研究与应用。

从摩擦面的摩擦系数来说，目前有常摩擦面和摩擦系数逐渐变化的摩擦面。变摩擦支座通过逐渐增加的摩擦系数增大支座在大位移时的摩擦耗能。从摩擦面的形状来说，目前有常规的球形摩擦摆支座和变曲面摩擦摆支座。变曲面摩擦摆支座的刚度随地震动强度而发生变化，从而使得结构在各个地震动水平下能达到不同的设防目标。从摩擦面的个数来说，目前的摩擦摆支座有双摩擦摆、三重摩擦摆和四重摩擦摆支座。三重摩擦摆支座和多重摩擦摆支座的刚度随支座位移的增大而逐渐增加，限位能力不断增强。

试验表明，变摩擦支座的缺点是支座刚度不能随位移的增大而增大。变曲面支座的缺点是支座曲面空间有限，难以在较小的空间内实现三阶段的变刚度设计。虽然小半径球面加Ln(x)的变曲面可以增大结构耗能能力，减小地震力，但是其在大震下的限位过多依赖于支座边缘的钢板。三重和四重摩擦摆支座的缺点是其刚度只能随位移增大，变刚度的范围非常有限。

发明内容

本发明旨在解决上述现有技术存在的缺陷，提出一种变刚度三重摩擦摆支座。可以提高支座在不同地震动水准下的适应能力,该装置适用于桥梁结构和建筑结构等。可推广应用于其他结构。

为了实现上述目标，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种变刚度三重摩擦摆支座，包括相对设置的变曲面外侧上滑动板、变曲面外侧下滑动板，所述变曲面外侧上滑动板、变曲面外侧下滑动板的内侧分别设置有内侧上滑动块、内侧下滑动块，所述内侧上滑动块和内侧下滑动块之间设置有中间滑块；所述内侧上滑动块和内侧下滑动块的外侧分别固定连接有外摩擦垫，所述中间滑块的两个摩擦面上分别固定连接有内摩擦垫。

进一步地，所述变曲面外侧上滑动板、变曲面外侧下滑动板、内侧上滑动块、内侧下滑动块的端部均设置有限位钢板。

进一步地，所述变曲面外侧下滑动板的内侧由位于正中心的内球面和位于内球面外侧的外变刚度曲面组成，以变曲面外侧下滑动板的滑动面中心作为原点建立坐标系，则变曲面外侧下滑动板的内球面的截面轮廓曲线表达式y₁：

式中：R₁为外侧下滑动板的内球面的曲率半径，d_s为内球面宽度，x₁为外侧下滑动板的内球面的截面上的一个点在x轴的位置；

变曲面外侧下滑动板的外变刚度曲面的截面轮廓曲线表达式y₂：

式中：d₀为外变刚度曲面宽度，x₂为外侧下滑动板的外变刚度曲面的截面上的一个点在x轴的位置，a、b分别为确定外变刚度曲面的截面轮廓曲线的参数，x₀为变曲面外侧下滑动板的内球面曲线与外变刚度轮廓曲线相交处在x轴的位置；

所述变曲面外侧上滑动板和所述变曲面外侧下滑动板的结构完全相同且上下对称布置；

所述内侧下滑动块的外侧面的截面轮廓曲线表达式的与所述变曲面外侧下滑动板的内球面的截面轮廓曲线表达式相同；

所述内侧下滑动块的内侧面的截面轮廓曲线表达式y₃：

式中：R₂为内侧下滑动块的内侧面的曲率半径，h₁为外侧摩擦垫厚度，h₂为内侧下滑动块的中心厚度，d₁为内侧下滑动块的内侧面在水平面上的投影宽度，x₃为侧下滑动块的内侧面的截面上的一个点在x轴的位置；

所述内侧上滑动块与所述内侧下滑动块的结构完全相同且上下对称布置；

所述中间滑块的下摩擦面与所述内侧下滑动块的内侧面的截面轮廓曲线表达式相同，所述中间滑块的上摩擦面与所述中间滑块的下摩擦面上下对称。

进一步地，所述外摩擦垫与所述变曲面外侧上/下滑动板的滑动面之间的摩擦系数μ₁以及所述内摩擦垫与所述内侧上/下滑动块之间的摩擦系数μ₂须满足如下关系：

有益效果：

1、本发明采用三重摩擦的设计结构，在中小震时，中间滑块与内侧上/下滑块之间的摩擦面不滑动，中间滑块与内侧上/下滑块组成的整体在变曲面外侧上/下滑动板之间的内部球面滑动，支座具有较好的自复位能力；大震时，中间滑块与内侧上/下滑块之间的摩擦面不滑动，中间滑块与内侧上/下滑块组成的整体在变曲面外侧上/下滑动板之间的内球面与外变刚度曲面上滑动，可减小结构内力，支座的阻尼比增大；超设防地震时，中间滑块与内侧上/下滑块组成的整体接触外部钢板边缘，外摩擦面停止滑动，而中间滑块在内侧上/下滑块内部滑动，支座刚度有明显的增大，从而限制过大的支座位移，防止结构倒塌。

2、本发明设置有外摩擦垫和内摩擦垫提供稳定的摩擦并使得压力均匀分布，避免出现应力集中的问题。

3、本发明通过摩擦面的不同曲面结构设计和摩擦面之间的不同摩擦系数的设置，控制三重摩擦摆支座两个滑动面的滑动过程，使得外部滑动面先滑动，内部滑动面在巨震时才滑动，更好地适用于结构在不同的震动强度下的减震。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明在工作过程中第一阶段支座运动机理图；

图3是本发明在工作过程中第二阶段支座运动机理图

图4是本发明在工作过程中第二阶段支座内侧滑动块极限位移图

图5是本发明在工作过程中第三阶段支座运动机理

图6是本发明在工作过程中第三阶段支座中间滑块极限位移图；

图7是本发明工作过程中初始位置支座的自由体力分布图；

图8是本发明在工作过程中第一阶段支座的自由体力分布图

图9是本发明在工作过程中第二阶段支座的自由体力分布图

图10是本发明在工作过程中第三阶段支座的自由体力分布图

图11是本发明在工作过程中控制中间滑块与内侧上/下滑块组成的整体先滑动的自由体力分布图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式及其功效仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，

参照图1，本发明的一种变刚度三重摩擦摆支座，包括相对设置的变曲面外侧上滑动板1、变曲面外侧下滑动板2，所述变曲面外侧上滑动板1、变曲面外侧下滑动板2的内侧分别设置有内侧上滑动块3、内侧下滑动块4，所述内侧上滑动块3和内侧下滑动块4之间设置有中间滑块5；所述内侧上滑动块和内侧下滑动块的外侧分别固定连接有外摩擦垫6，所述中间滑块的两个摩擦面上分别固定连接有内摩擦垫7。

本实施例中所述变曲面外侧上滑动板、变曲面外侧下滑动板、内侧上滑动块、内侧下滑动块的端部均设置有限位钢板8。

本实施例中所述变曲面外侧下滑动板的内侧由位于正中心的内球面9和位于内球面外侧的外变刚度曲面10组成，以变曲面外侧下滑动板的滑动面中心作为原点建立坐标系，则变曲面外侧下滑动板的内球面的截面轮廓曲线表达式y₁：

式中：R₁为外侧下滑动板的内球面的曲率半径，d_s为内球面宽度，x₁为外侧下滑动板的内球面的截面上的一个点在x轴的位置；

变曲面外侧下滑动板的外变刚度曲面的截面轮廓曲线表达式y₂：

式中：d₀为外变刚度曲面宽度，x₂为外侧下滑动板的外变刚度曲面的截面上的一个点在x轴的位置，a、b分别为确定外变刚度曲面的截面轮廓曲线的参数，x₀为变曲面外侧下滑动板的内球面曲线与外变刚度轮廓曲线相交处在x轴的位置；

所述变曲面外侧上滑动板和所述变曲面外侧下滑动板的结构完全相同且上下对称布置；

所述内侧下滑动块的外侧面的截面轮廓曲线表达式的与所述变曲面外侧下滑动板的内球面的截面轮廓曲线表达式相同；

所述内侧下滑动块的内侧面的截面轮廓曲线表达式y₃：

式中：R₂为内侧下滑动块的内侧面的曲率半径，h₁为外侧摩擦垫厚度，h₂为内侧下滑动块的中心厚度，d₁为内侧下滑动块的内侧面在水平面上的投影宽度，x₃为侧下滑动块的内侧面的截面上的一个点在x轴的位置；

所述内侧上滑动块与所述内侧下滑动块的结构完全相同且上下对称布置；

所述中间滑块的下摩擦面与所述内侧下滑动块的内侧面的截面轮廓曲线表达式相同，所述中间滑块的上摩擦面与所述中间滑块的下摩擦面上下对称。

采用上述方案，本发明的变刚度三重摩擦摆支座的工作过程分为三个阶段：

第一阶段，如图2所示，在中小震时，中间滑块与内侧上/下滑块之间的摩擦面不滑动，中间滑块与内侧上/下滑块组成的整体在变曲面外侧上/下滑动板之间的内部球面滑动，支座具有较好的自复位能力。

第二阶段，如图3、图4所示，在大震时，中间滑块与内侧上/下滑块之间的摩擦面不滑动，中间滑块与内侧上/下滑块组成的整体在变曲面外侧上/下滑动板之间的内球面与外变刚度曲面上滑动，可减小结构内力，支座的阻尼比增大。

第三阶段，如图5、图6所示，在超设防地震时，中间滑块与内侧上/下滑块组成的整体接触外部钢板边缘，外摩擦面停止滑动，而中间滑块在内侧上/下滑块内部滑动，支座刚度有明显的增大，从而限制过大的支座位移，防止结构倒塌。

为了使得本发明的变刚度三重摩擦摆支座按照上述的过程工作过程进行，即使得中间滑块与内侧上/下滑块组成的整体在变曲面外侧上/下滑动板之间先滑动，中间滑块与内侧上/下滑块之间的摩擦面在巨震时才滑动，所述外摩擦垫与所述变曲面外侧上/下滑动板的滑动面之间的摩擦系数μ₁以及所述内摩擦垫与所述内侧上/下滑动块之间的摩擦系数μ₂须满足如下关系：

上述关系的推理过程如下：

变刚度支座初始位置自由体力分布图如图7所示，其中，G是上部结构传来的力，N是指滑动板与内/外摩擦垫之间的法向接触力，f₁是指外侧滑动板与外摩擦垫之间的摩擦力，f₂是指内侧滑动块与内摩擦垫之间的摩擦力，μ₁是指变曲面外侧上/下滑动板与外摩擦垫之间的摩擦系数，μ₂是指内测上/下滑动块与内摩擦垫之间的摩擦系数。通过设置摩擦材料，使μ₁＜μ₂。

初始位置时，支座恢复力仅由摩擦力提供，此时中间滑块的滑动距离x＝0。

外侧滑动板与外摩擦垫之间的摩擦力f₁：

f₁＝μ₁N (5)

内侧滑动块与内摩擦垫之间的摩擦力f₂：

f₂＝μ₂N (6)

变刚度三重摩擦摆支座在第一阶段的自由体力分布如图8所示。第一阶段时，内侧上滑动块、内侧下滑动块与中间滑块在外侧滑动板的内球面产生整体滑动，此时中间滑块的滑动距离(d_s为内球面宽度)。

第一阶段外侧滑动板与外摩擦垫之间的摩擦力f₁：

注：为速度的符号函数。

第一阶段支座的恢复力

式中：R₁为外侧滑动板的内球面的曲率半径。

变刚度三重摩擦摆支座在第二阶段的自由体力分布如图9所示。第二阶段时，内侧上滑动块、内侧下滑动块与中间滑块组成的整体在外侧滑动板的外变刚度曲面产生整体滑动，此时中间滑块的滑动距离(d_s为内球面宽度，d₀为外变刚度曲面宽度)。

假设外侧滑动板曲面轮廓函数y₂＝f₂(x)。

摩擦力f₁与水平线之间的夹角α：

α＝arctany′₂ (9)

支座的运动方程可以写成：

注：G是上部结构传来的力，g是指重力加速度，是指第二阶段支座提供的恢复力，/>是指地震动的水平加速度。

第二阶段外侧滑动板与外摩擦垫之间的摩擦力f₁：

注：为速度的符号函数。

如图9所示，竖直方向的平衡方程可写成：

∑F_y＝0,G+f₁sinα-Ncosα＝0 (13)

将式(12)、(13)代入式(11)可得恢复力公式

变刚度三重摩擦摆支座在第三阶段的自由体力分布如图10所示。第三阶段时，由于内侧上滑动块、内侧下滑动块与中间滑块组成的整体到达外侧滑动板的最大位移，中间滑块在内侧上/下滑动块产生滑动，此时中间滑块的滑动距离(d_s为内球面宽度，d₀为外变刚度曲面宽度)。

中间滑块在支座内侧滑动面的滑动距离x₀：

第三阶段内侧滑动块与内摩擦垫之间的摩擦力f₂：

注：为速度的符号函数。

支座的恢复力

注：R₂为内侧滑动块的曲率半径。

如图11所示，为控制滑动面的滑动顺序，使得本发明支座按照上述三阶段设计理论的顺序进行滑动，需满足以下条件：

f₂cosθ＞f₁cosθ+Nsinθ (18)

由于f₁＝μ₁N,f₂＝μ₂N,θ＝arctany′₂

则

由式(19)可知当时，不等式右侧有最大值。

故式(19)可简化为：

因此本发明支座在满足式(20)时可控制支座使得中间滑块与内侧上/下滑块组成的整体在变曲面外侧上/下滑动板之间先滑动，中间滑块与内侧上/下滑块之间的摩擦面在巨震时才滑动。

上述实施例为本发明节点较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种变刚度三重摩擦摆支座，其特征在于，该变刚度三重摩擦摆支座包括相对设置的变曲面外侧上滑动板、变曲面外侧下滑动板，所述变曲面外侧上滑动板、变曲面外侧下滑动板的内侧分别设置有内侧上滑动块、内侧下滑动块，所述内侧上滑动块和内侧下滑动块之间设置有中间滑块；所述内侧上滑动块和内侧下滑动块的外侧分别固定连接有外摩擦垫，所述中间滑块的两个摩擦面上分别固定连接有内摩擦垫；

所述外摩擦垫与所述变曲面外侧上/下滑动板的滑动面之间的摩擦系数μ₁以及所述内摩擦垫与所述内侧上/下滑动块之间的摩擦系数μ₂须满足如下关系：

2.根据权利要求1所述的一种变刚度三重摩擦摆支座，其特征在于，所述变曲面外侧上滑动板、变曲面外侧下滑动板、内侧上滑动块、内侧下滑动块的端部均设置有限位钢板。

3.根据权利要求1或2所述的一种变刚度三重摩擦摆支座，其特征在于，所述变曲面外侧下滑动板的内侧由位于正中心的内球面和位于内球面外侧的外变刚度曲面组成，以变曲面外侧下滑动板的滑动面中心作为原点建立坐标系，则变曲面外侧下滑动板的内球面的截面轮廓曲线表达式y₁：

式中：R₁为外侧下滑动板的内球面的曲率半径，d_s为内球面宽度，x₁为外侧下滑动板的内球面的截面上的一个点在x轴的位置；

变曲面外侧下滑动板的外变刚度曲面的截面轮廓曲线表达式y₂：

式中：d₀为外变刚度曲面宽度，x₂为外侧下滑动板的外变刚度曲面的截面上的一个点在x轴的位置，a、b分别为确定外变刚度曲面的截面轮廓曲线的参数，x₀为变曲面外侧下滑动板的内球面曲线与外变刚度轮廓曲线相交处在x轴的位置；

所述变曲面外侧上滑动板和所述变曲面外侧下滑动板的结构完全相同且上下对称布置；

所述内侧下滑动块的外侧面的截面轮廓曲线表达式的与所述变曲面外侧下滑动板的内球面的截面轮廓曲线表达式相同；

所述内侧下滑动块的内侧面的截面轮廓曲线表达式y₃：

式中：R₂为内侧下滑动块的内侧面的曲率半径，h₁为外侧摩擦垫厚度，h₂为内侧下滑动块的中心厚度，d₁为内侧下滑动块的内侧面在水平面上的投影宽度，x₃为侧下滑动块的内侧面的截面上的一个点在x轴的位置；

所述内侧上滑动块与所述内侧下滑动块的结构完全相同且上下对称布置；

所述中间滑块的下摩擦面与所述内侧下滑动块的内侧面的截面轮廓曲线表达式相同，所述中间滑块的上摩擦面与所述中间滑块的下摩擦面上下对称。