專利名稱：適用于橋梁結(jié)構(gòu)具有自恢復(fù)力的x形金屬減震裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于土木工程、地震工程技術(shù)領(lǐng)域，具體為設(shè)置在沒有自恢復(fù)力體系的橋梁結(jié)構(gòu)中，如梁橋，拱橋等。具體設(shè)置的位置主要是在支座處，在一個(gè)方向(順橋向或橫橋向)提供滯回耗能，在與其正交的另一方向是采用固定支座，限制其運(yùn)動。以此來減少提供滯回耗能方向的下部結(jié)構(gòu)的力和墩梁相對位移，以此提高橋梁結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。
背景技術(shù)：
近年來，全球地震頻發(fā)，從日本海嘯、青海玉樹、汶川、海地、智利一直到近期各種地震報(bào)道在連續(xù)發(fā)生。據(jù)我國地震臺網(wǎng)中心專家預(yù)測，全球目前處于地震活躍期，這一活躍期可能還要持續(xù)10年，而我國恰恰處于一個(gè)地震活躍區(qū)。因此，防震減災(zāi)形勢非常嚴(yán)峻。自從改革開放以來，國家加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，全國范圍內(nèi)修建了大量的橋梁結(jié)構(gòu)。但由于之前國內(nèi)對橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)認(rèn)識不足，導(dǎo)致許多橋梁目前無法滿足抗震性能要求。同時(shí)自從《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》頒布以來，許多新設(shè)計(jì)的橋梁的位移過大，采用常規(guī)的橋梁結(jié)構(gòu)形式無法滿足抗震要求。目前常規(guī)的橋梁抗震體系有兩種:一種是固定型支座，要求支座在地震作用下不發(fā)生破壞；二是滑動型支座，即支座在正常使用狀態(tài)下是固定的，在地震作用下受剪破壞，可以在地震作用下發(fā)生滑動。固定型支座在地震作用下要求橋墩和基礎(chǔ)硬抗地震荷載，對橋墩和基礎(chǔ)的抗震能力要求高；滑動型支座在地震作用下剪斷瞬間的地震力很大，而通常在抗震驗(yàn)算中也不去考慮這種不可預(yù)測的不利因素，是不可靠的，同時(shí)滑動型支座可能在地震荷載作用下產(chǎn)生很大的位移，從而無法滿足橋梁結(jié)構(gòu)抗震需要。因此減隔震設(shè)計(jì)成為了橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選。減隔震設(shè)計(jì)是通過在支座處采用減隔震支座或被動阻尼裝置，利用減隔震支座在地震作用下的屈服耗能從而減少下部結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力和位移。目前常用的減隔震支座有FPS(摩擦擺錘體系)、鉛芯橡膠支座和盆式橡膠支座。采用的阻尼器裝置也有粘滯液壓阻尼器、粘彈性阻尼器、摩擦形阻尼器和金屬阻尼器。但金屬阻尼器相對于這些裝置而言，制作安裝方便，成本更低廉。金屬阻尼器是通過鋼材提前于結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)，利用其穩(wěn)定的滯回耗能性能來提供結(jié)構(gòu)的附加阻尼。但是金屬阻尼器進(jìn)入塑性后的屈后剛度很小，即不能提供自恢復(fù)力，在具有自恢復(fù)力的結(jié)構(gòu)中是可以使用的，如房屋結(jié)構(gòu)、斜拉橋和懸索橋。但是在梁橋和拱橋中其必須與具有恢復(fù)力的支座協(xié)同作用(如板式橡膠支座)，由于板式橡膠支座在地震作用下的位移有限，使其運(yùn)用范圍受到限制。目前國內(nèi)外在橋梁工程中較常用的被動減隔震裝置和阻尼器有:粘滯液體阻尼器、FPS (摩擦擺錘體系)、鉛芯橡膠支座和盆式橡膠支座等。這些支座均在國內(nèi)外橋梁結(jié)構(gòu)中有所運(yùn)用，但都存在不足。如:盆式橡膠支座在遭遇地震或重大的振動性沖擊時(shí)，上、下座板之間的水平位移得不到有效的緩沖。鉛芯橡膠支座耗能能力強(qiáng)，溫度、徐變等蠕變變形引起的支座次內(nèi)力較小，但支座的剪切性能受豎向荷載的影響較大，且隨著鉛芯的增加，支座自恢復(fù)能力逐漸減弱，不能在具有多頻譜效應(yīng)的地震動中發(fā)揮其有效的減震性能。FPS (摩擦擺錘體系)的自恢復(fù)能力強(qiáng)、摩擦耗能性能穩(wěn)定，但是在摩擦耗能的過程中會導(dǎo)致梁端的豎向位移而產(chǎn)生次內(nèi)力，并且其摩擦耗能取決于豎向支座反力，豎向恒載較小的支座位置，其摩擦耗能能力有限。粘滯液體阻尼器是速度型阻尼器，由于與位移相位剛好相反，使其具有很好的減震耗能效果，但粘滯液體阻尼器的成本高昂、制作安裝不方便、鋼圈要求在地震來臨之前密封好并保證不漏油，同時(shí)如果需要在橋梁結(jié)構(gòu)雙向同時(shí)使用時(shí)，需要經(jīng)過精心的設(shè)計(jì)。鑒于上述不同類型被動阻尼器和減隔震裝置存在的種種不足，設(shè)計(jì)一種具有自恢復(fù)力的X形金屬阻尼器構(gòu)件能夠完美的考慮橋梁結(jié)構(gòu)的抗震要求。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種在橋梁結(jié)構(gòu)上使用的具有自恢復(fù)力的X形金屬減震裝置，該裝置能夠提供橋梁結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)下所需要的剛度，使其能夠與滑動支座協(xié)同使用，并使其在橋梁結(jié)構(gòu)上的運(yùn)用范圍更加廣泛。同時(shí)在地震作用下利用X形金屬阻尼器沿高度范圍內(nèi)全截面同時(shí)屈服，使其在地震作用下的截面屈服耗能利用率達(dá)到最大，從而減少橋墩下部結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力和墩梁之間的相對位移。通過在上頂板和下底板之間設(shè)置彈簧，使其在地震作用下提供X形金屬阻尼器自恢復(fù)力，從而減少結(jié)構(gòu)震后的殘余位移。同時(shí)彈簧能夠提供X形金屬阻尼器初始剛度，使其能夠滿足正常使用荷載作用下的剛度需求以及減少結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的位移需求。為達(dá)到以上目的，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)思路是:該金屬阻尼器裝置中的X形鋼板采用高強(qiáng)軟鋼，高強(qiáng)度的鋼材能夠提出更大的初始剛度，軟鋼能夠提供穩(wěn)定的塑性變形性能，可選用橋梁結(jié)構(gòu)中常用的二級鋼，鋼材等級為C或D級，使其具有很好的塑性變形能力。該裝置利用X形鋼構(gòu)件沿高度全截面同時(shí)達(dá)到屈服耗能的特點(diǎn)，使X形基本鋼構(gòu)件的耗能利用率達(dá)到最大化。同時(shí)在上頂板和下底板之間設(shè)置滿足剛度需要的彈簧，使其在X形金屬阻尼器位于地震作用下的變形過程中提供結(jié)構(gòu)所需要的屈后剛度，從而提供該裝置所需要的自恢復(fù)力，以減少其震后的殘余位移。據(jù)此，本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):一種適用于橋梁結(jié)構(gòu)具有自恢復(fù)力的X形金屬阻尼器減震裝置，其特征在于，該裝置通過上頂板和下底板分別與橋梁結(jié)構(gòu)的主梁和橋墩固定連接，該裝置包括上頂板、下底板、金屬阻尼器和彈簧裝置，其中:所述上頂板和下底板均為矩形大尺寸金屬板，且均為水平放置，它們將阻尼器裝置牢固得固著于主梁和橋墩之間；所述金屬阻尼器包括若干X形鋼板，X形鋼板為豎向放置的高強(qiáng)軟鋼板，各X形鋼板間隔的平行布置，每片X形鋼板的下底座焊接在所述下底板平面上，X形鋼板的上頂座也同樣焊接在所述上頂板平面上，所述彈簧裝置包括若干彈簧，各個(gè)彈簧安裝在各相鄰的X形板之間，彈簧的兩端也分別與上頂板和下底板焊接，單個(gè)彈簧的彈性常數(shù)和所需要總彈簧的數(shù)量由預(yù)設(shè)定的屈后剛度確定。基于上述結(jié)構(gòu)，本實(shí)用新型減震裝置通過X形鋼板來提高滯回耗能能力，消散地震能量，減少橋墩及基礎(chǔ)的地震內(nèi)力以及與墩梁相對位移；同時(shí)通過彈簧提供屈后剛度，供應(yīng)金屬阻尼器的自恢復(fù)力，使結(jié)構(gòu)的震后殘余位移在可控制和接受范圍以內(nèi)。同時(shí)彈簧裝置能夠提供X形金屬阻尼器初始剛度，使其能夠滿足正常使用荷載作用下的剛度需求以及減少結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的位移需求。所述X形鋼板之間的距離必須考慮鋼板在反復(fù)荷載作用下的受力性能不受殘余應(yīng)力和影響，并沿著提供滯回耗能方向平行布置。對上述技術(shù)方案的進(jìn)一步說明，所述上頂板與主梁之間具體可以采用錨栓連接方式以實(shí)現(xiàn)其固著；所述下底板可以預(yù)埋在橋墩上，同時(shí)通過錨栓與橋墩連接。金屬阻尼器的安裝應(yīng)保證各局部部件的連接可靠，這是阻尼器正常工作的前提，為此，上頂板與主梁之間的錨栓連接要牢固，下底板與橋墩上的預(yù)埋件之間的錨栓連接也要牢固。進(jìn)一步具體說明，所述X形鋼板與上頂板、下底板之間采用角焊縫方式的焊接，焊條采用能夠承受動力荷載的低氫型焊條，焊條的類型根據(jù)構(gòu)件采用鋼材的類型并參考相應(yīng)的國家規(guī)范確定，并保證焊接質(zhì)量。保證上頂板和下底板下底面的平整度，從而使上頂板與主梁之間、下底板與橋墩之間連接牢靠。進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)方案，所述彈簧裝置的各個(gè)彈簧安裝在X形鋼板之間，彈簧兩端分別與上頂板、下底板之間的連接采用焊接，但要保證端頭連接在地震荷載作用下不發(fā)生破壞，從而充分發(fā)揮彈簧的剛度。進(jìn)一步具體說明，所述彈簧裝置的彈性常數(shù)和總數(shù)量，需要根據(jù)業(yè)主確定的可接受的結(jié)構(gòu)殘余位移來決定，必須保證整個(gè)裝置在計(jì)算過程中的最大位移和殘余位移在業(yè)主可接受的范圍以內(nèi)。本實(shí)用新型是一種具有自恢復(fù)力的X形金屬阻尼器裝置。將X形鋼構(gòu)件作為金屬阻尼器，而彈簧作為提供金屬阻尼器在地震作用下滯回耗能的恢復(fù)力。本實(shí)用新型裝置具有較高的初始剛度，同時(shí)能夠提供X形金屬阻尼器自恢復(fù)力，減少其在地震作用下的殘余位移和地震過程中的最大位移。同時(shí)可以不限制其一定要與可恢復(fù)性支座配合的要求，可以直接與普通滑動支座配合，正常使用荷載作用下的剛度可以通過X形金屬阻尼器本身和彈簧共同提供，使其在橋梁結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用更廣泛。建議作為一種減隔震產(chǎn)品，在沒有自恢復(fù)力功能的橋梁結(jié)構(gòu)中(如梁橋和拱橋)使用。
圖1本實(shí)用新型金屬阻尼器減震裝置橫向圖。圖2本實(shí)用新型金屬阻尼器減震裝置縱向圖。圖3本實(shí)用新型金屬阻尼器減震裝置頂(底)板圖構(gòu)造。圖4本實(shí)用新型在橋梁安裝位置示意圖。圖中標(biāo)號:11上頂板，111上頂板錨栓，112上頂板螺栓孔，2 X形鋼板，3彈簧，41下底板，411下底板錨栓，412下底板螺栓孔，5主梁，6滑動支座，7橋墩。
具體實(shí)施方式
如圖1、圖2、圖3所示，本實(shí)用新型適用于橋梁結(jié)構(gòu)具有自恢復(fù)力的X形金屬阻尼器減震裝置包括若干X形鋼板2、若干彈簧3、上頂板11和下底板41。各X形鋼板2和各彈簧3都設(shè)置于上頂板11與下底板41之間，其頂部通過焊接與上頂板11連接，其底部通過焊接與下底板41連接。X形鋼板2和彈簧3的數(shù)量可以根據(jù)具體情況視需要而定。[0027]適用于橋梁結(jié)構(gòu)具有自恢復(fù)力的X形金屬阻尼器減震裝置的安裝方法:上頂板11與橋梁主梁5固定，為此在上頂板四側(cè)周邊開設(shè)螺栓孔112，通過上頂板錨栓111與橋梁主梁底固定。下底板41與橋墩7固定，為此在下底板四周開設(shè)螺栓孔412，通過下底板錨栓411與橋墩上的預(yù)埋構(gòu)件固定。安裝結(jié)束。下底板41在X形鋼板2相應(yīng)位置處開了與X形鋼板底邊相同大小的矩形槽，即預(yù)留槽，預(yù)留槽在下底板41上為貫穿的。將X形鋼板2嵌入到下底板41的相應(yīng)預(yù)留槽中的規(guī)定位置。X形鋼板2和下底板41使用同一種強(qiáng)度的鋼材，并采用適用于該種強(qiáng)度下并能有效承受動力荷載的低氫型焊條通過角焊縫的方式來連接。X形鋼板2與下底板41的上下面兩側(cè)都要用角焊縫焊接。為保證下底板41與橋墩7的預(yù)埋件平整連接，X形鋼板2嵌入下底板41預(yù)留槽中時(shí)需預(yù)留焊接下底面時(shí)的角焊縫高度。X形鋼板2與上頂板11連接時(shí)同樣于其與下底板41的連接。從而，上頂板11可以帶動X形鋼板2和主梁5 —起發(fā)生側(cè)向運(yùn)動。本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn):I)提供金屬阻尼器所需的自恢復(fù)力，減少地震殘余位移:本實(shí)用新型裝置在上頂板、下底板之間設(shè)置了能夠提供彈性力的彈簧裝置。彈簧裝置的彈性位移大于X形鋼阻尼器的位移能力，從而保證彈簧在地震作用下都在彈性限度范圍以內(nèi)。在地震作用下，X形鋼阻尼器發(fā)揮滯回耗能的同時(shí)，上頂板和下底板之間會產(chǎn)生相對位移，因此彈簧就能在此過程中提供X形鋼阻尼器所需的恢復(fù)力，減少裝置在地震結(jié)束后的殘余位移。2)增加X形阻尼器的初始剛度:對于彈塑性鋼阻尼器而言，截面塑性利用率在地震作用中如果能夠達(dá)到利用的最大化，它能夠提供橋梁結(jié)構(gòu)所需的位移能力也就越大。但是此時(shí)，單片彈塑性鋼構(gòu)件能夠提供的初始剛度是比較小的，要使橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移在允許范圍內(nèi)，所需要提供的彈塑性鋼阻尼器的塊數(shù)需要很多。這樣一來增加了彈塑性阻尼器的自重和造價(jià)，同時(shí)也可能在墩梁的有限空間中無法設(shè)置如此數(shù)量的彈塑性鋼阻尼器。通過在X形鋼阻尼器之間設(shè)置彈簧，可以增加X形鋼阻尼器的初始剛度，從而減少鋼阻尼器在強(qiáng)震作用下的墩頂和墩梁相對位移需求，對橋梁抗震有利。3)可利用的滯回耗能能力最大化:本實(shí)用新型裝置以X形金屬板為基本構(gòu)件，采用具有很好塑性變形能力的高強(qiáng)軟鋼作為該基本構(gòu)件的材料，在面外水平地震荷載作用下，沿X形構(gòu)件高度范圍內(nèi)，每個(gè)高度截面內(nèi)的曲率基本保持一致，使整個(gè)X形鋼板在地震荷載作用下都同時(shí)進(jìn)入塑性狀態(tài)，從而使材料的屈服耗能利用率達(dá)到最大化。利用本實(shí)用新型X形金屬阻尼器裝置的高效耗能能力，不僅可以有效減少橋墩及其基礎(chǔ)在強(qiáng)震作用下的地震內(nèi)力，同時(shí)使墩梁之間的相對位移控制在允許范圍之內(nèi)，以保證整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下滿足抗震性能要求。4)如圖4所示，可與滑動支座6配合，兼顧橋梁正常使用功能，滿足各類橋梁的抗震需求。橋梁結(jié)構(gòu)的抗震體系(不考慮減隔震)有兩種。一種是支座為固定型支座，要求支座在地震作用下不發(fā)生破壞；二是滑動型支座，即支座在正常使用狀態(tài)下是固定的，在地震作用下受剪破壞，變成滑動支座。固定型支座在地震作用下要求橋墩和基礎(chǔ)硬抗地震荷載，對橋墩和基礎(chǔ)的抗震能力要求高；滑動型支座在地震作用剪壞瞬間的地震力很大，而通常在抗震驗(yàn)算中也不去考慮這種不可預(yù)測的不利因素，是不可靠的，同時(shí)滑動型支座可能在地震荷載作用下產(chǎn)生很大的位移，從而無法滿足抗震需要。采用本實(shí)用新型阻尼器裝置后，X形鋼阻尼器和彈簧裝置能夠提供初始剛度，從而滿足橋梁正常使用功能下的剛度需求。同時(shí)與滑動型支座6配合(主要提供豎向剛度和水平滑動)，既可以減少橋墩和基礎(chǔ)的地震內(nèi)力，同時(shí)可以有效減少橋梁結(jié)構(gòu)地震位移需求，使其運(yùn)用范圍更廣。5)安裝方便、震后修復(fù)快捷:由于橋梁結(jié)構(gòu)具有“頭重腳輕”的特點(diǎn)，質(zhì)量基本集中在上部結(jié)構(gòu)，因此需要支座具有一定的剛度才能使耗能更有效，所以建議橋梁上適用的鋼阻尼器材料應(yīng)為高強(qiáng)軟鋼材料。采用橋梁上常使用的二級軟鋼，成本低廉，制作工藝簡便，工廠制作現(xiàn)場安裝即可。而地震作用后，如果阻尼器裝置發(fā)生破壞，也能夠迅速對該裝置的基本構(gòu)件進(jìn)行更換，為抗震救災(zāi)贏得寶貴時(shí)間。作為本阻尼器減震系統(tǒng)裝置的X形鋼板的具體尺寸和設(shè)置板數(shù)、材料強(qiáng)度等均可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。本實(shí)用新型裝置可知根據(jù)橋墩構(gòu)造，設(shè)置在蓋梁(或者墩頂橫系梁)與主梁之間，但不局限于在墩梁之間。
權(quán)利要求1.一種適用于橋梁結(jié)構(gòu)具有自恢復(fù)力的X形金屬減震裝置，其特征在于，該裝置通過上頂板和下底板分別與橋梁結(jié)構(gòu)的主梁和橋墩固定連接，該裝置包括上頂板、下底板、金屬阻尼器和彈簧裝置，其中: 所述上頂板和下底板均為矩形大尺寸金屬板，且均為水平放置，它們將阻尼器裝置牢固得固著于主梁和橋墩之間； 所述金屬阻尼器包括若干X形鋼板，X形鋼板為豎向放置的高強(qiáng)軟鋼板，各X形鋼板間隔的平行布置，每片X形鋼板的下底座焊接在所述下底板平面上，X形鋼板的上頂座也同樣焊接在所述上頂板平面上， 所述彈簧裝置包括若干彈簧，各個(gè)彈簧安裝在各相鄰的X形板之間，彈簧的兩端也分別與上頂板和下底板焊接，單個(gè)彈簧的彈性常數(shù)和所需要總彈簧的數(shù)量由預(yù)設(shè)定的屈后剛度確定。
專利摘要本實(shí)用新型的目的在于提供一種適用于橋梁結(jié)構(gòu)具有自恢復(fù)力的X形金屬減震裝置，該裝置能夠提供橋梁結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)下所需要的剛度，使其能夠與滑動支座協(xié)同使用，并使其在橋梁結(jié)構(gòu)上的運(yùn)用范圍更加廣泛。同時(shí)在地震作用下利用X形金屬阻尼器沿高度范圍內(nèi)全截面同時(shí)屈服，使其在地震作用下的截面屈服耗能利用率達(dá)到最大，從而減少橋墩下部結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力和墩梁之間的相對位移。通過在上頂板和下底板之間設(shè)置彈簧，使其在地震作用下提供X形金屬阻尼器自恢復(fù)力，從而減少結(jié)構(gòu)震后的殘余位移。同時(shí)彈簧能夠提供X形金屬阻尼器初始剛度，使其能夠滿足正常使用荷載作用下的剛度需求以及減少結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的位移需求。
文檔編號E01D19/00GK203021906SQ20122068560
公開日2013年6月26日 申請日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者沈星, 倪曉博, 王曉偉, 葉愛君, 赫中營, 李闖 申請人:同濟(jì)大學(xué)