一种剪切型耗能防落梁装置 |
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| 申请号 | CN202010879516.3 | 申请日 | 2020-08-27 | 公开(公告)号 | CN111878538B | 公开(公告)日 | 2024-05-07 |
| 申请人 | 中铁二院工程集团有限责任公司; | 发明人 | 刘力维; 董俊; 曾永平; 宋晓东; 陈克坚; 郑晓龙; 庞林; 杨国静; 陶奇; 袁明; 游励晖; 苏延文; 徐昕宇; 周川江; 颜永逸; 陈星宇; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及 桥梁 防落梁耗能技术领域，特别涉及一种剪切型耗能防落梁装置，包含第一安装座和第二安装座，所述第一安装座和第二安装座之间设有屈服型金属耗能组件，所述第一安装座和第二安装座滑动连接，所述第一安装座连接有限位部件，所述第一安装座通过连接部件连接活动构件，所述活动构件能够带动所述第一安装座相对于所述第二安装座运动进而使所述屈服型金属耗能组件发生剪切型错动。采用本装置突破了现有剪切型错动的金属阻尼器难以满足桥梁工程减 隔震 设计位移需求的限制，有利于降低装置成本，提升耗能防落梁装置的 刚度 和承载 力 ，增加耗能能力与持续耗能的有效性，保护桥梁结构免遭 地震 破坏，益于震后修复。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种剪切型耗能防落梁装置，其特征在于，包含第一安装座(11)、第二安装座(12)和第三安装座(13)，所述第一安装座(11)和第二安装座(12)之间设有屈服型金属耗能组件(2)，所述第一安装座(11)和第二安装座(12)滑动连接，所述第一安装座(11)连接有限位部件(3)，所述第一安装座(11)通过连接部件(4)连接活动构件(5)，所述活动构件(5)能够带动所述第一安装座(11)相对于所述第二安装座(12)运动进而使所述屈服型金属耗能组件(2)发生剪切型错动；所述第二安装座(12)和第三安装座(13)滑动连接，所述第二安装座(12)和第三安装座(13)之间也设有若干个屈服型金属耗能组件(2)，所述第二安装座(12)连接有限位部件(3)，所述活动构件(5)能够带动所述第二安装座(12)相对于所述第三安装座(13)运动进而使所述第二安装座(12)和第三安装座(13)之间的所述屈服型金属耗能组件(2)发生剪切型错动；所述第一安装座(11)和第二安装座(12)之间的所述屈服型金属耗能组件(2)的屈服承载力小于或等于所述第二安装座(12)和第三安装座(13)之间的所述屈服型金属耗能组件(2)的屈服承载力，所述第一安装座(11)和第二安装座(12)之间的所述屈服型金属耗能组件(2)的极限承载力大于所述第二安装座(12)和第三安装座(13)之间的所述屈服型金属耗能组件(2)的屈服承载力。 |
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| 说明书全文 | 一种剪切型耗能防落梁装置技术领域背景技术[0003] 现有技术中我国公路桥梁防落梁装置普遍采用的是混凝土挡块、高强度钢拉杆、高强度钢索等，而铁路桥梁的防落梁装置普遍采用的是基于工字钢加工而成各类挡块形式，其缺乏缓冲能力，也无法通过自身变形来耗能，往往需要单独设置其它阻尼器等耗能装置来耗散地震能量，导致工程造价增加，且需要为耗能装置单独设计放置空间，在高烈度地震区的适应性差。而少数耗能与防落梁结合的耗能限位装置，也有采用波纹板作为耗能构件，但为了适应较小的安装空间，波纹板的波折幅度和波折数量有限，导致实际应用中变形位移有限、耗能能力有限，并且，当波纹板的波折幅度较大、波折数量较多时，其在变形过程中稳定性不佳，难以有效发挥设计耗能能力。 发明内容[0004] 本发明的目的在于克服现有的桥梁耗能限位装置采用波纹板作为耗能构件存在变形大小、耗能能力受波折幅度和波折数量的限制，但波折幅度较大、波折数量较多时变形稳定性又不佳的上述不足，提供一种剪切型耗能防落梁装置。 [0005] 为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案： [0006] 一种剪切型耗能防落梁装置，包含第一安装座和第二安装座，所述第一安装座和第二安装座之间设有屈服型金属耗能组件，所述第一安装座和第二安装座滑动连接，所述第一安装座连接有限位部件，所述第一安装座通过连接部件连接活动构件，所述活动构件能够带动所述第一安装座相对于所述第二安装座运动进而使所述屈服型金属耗能组件发生剪切型错动。 [0007] 使用时，所述活动构件用于连接梁体，所述第二安装座用于连接桥墩，或者所述活动构件用于连接桥墩，所述第二安装座用于连接梁体，能够在墩梁相对运动的过程中耗散能量，第二安装座本体能起到刚性限位的功能，在超过耗能行程后防止落梁的发生。 [0008] 所述屈服型金属耗能组件为现有技术中的耗能构件，相较于现有的悬臂梁式金属阻尼器，具有初始刚度大、材料利用率高、滞回曲线形态更接近理想弹塑性、耗能能力强的优点。所述剪切型错动是指所述屈服型金属耗能组件的两端发生的相对位移是剪切型的。 [0009] 采用本发明所述的一种剪切型耗能防落梁装置，通过在所述第一安装座和第二安装座之间设有的屈服型金属耗能组件，有利于刚度、承载力以及耗能能力叠加，所述第一安装座和第二安装座滑动连接，当梁体相对于桥墩运动时就能够带动活动构件相对于第二安装座运动，使得所述屈服型金属耗能组件的两端因发生剪切型错动而屈服，进而耗散地震能量，所述限位部件用于限制所述第一安装座和第二安装座之间的最大变形量，控制阻尼器的损伤程度，防止阻尼器性能退化与破坏后导致装置的耗能组件失效，有利于延长阻尼器的使用寿命，并且所述限位部件的力矩配合所述屈服型金属耗能组件的力矩能够有效约束所述屈服型金属耗能组件沿垂直于其活动方向的转动，所述限位部件的强度、位置以及数量根据所述阻尼器在最大设计变形量内的最大承载力进行设计，所述屈服型金属耗能组件的设计参数根据设计需求进行设计。 [0010] 本装置有效突破了现有剪切型错动的金属阻尼器难以满足桥梁工程减隔震设计位移需求的限制，能够发挥屈服型金属阻尼器的性能优势，结构设计科学简洁，加工便利，安装方便，采用屈服型金属耗能组件发生剪切错动来耗能，有利于降低装置成本，提高耗能能力，提升耗能防落梁装置的刚度和承载力，保证持续耗能的有效性，延长装置的使用寿命，显著提高防落梁对桥梁结构的抗震性能，保护桥梁结构免遭地震破坏，益于震后修复。 [0011] 优选的，所述第一安装座包含横隔板，所述第二安装座包含第一框架构件，所述横隔板设于所述第一框架构件中，所述横隔板两端均设有所述限位部件，所述第一框架构件两侧壁设有滑槽，所述限位部件滑动连接于所述滑槽，所述屈服型金属耗能组件一端连接于所述横隔板、另一端连接于所述第一框架构件内壁。 [0012] 即，使所述屈服型金属耗能组件固定于套设且两端限位的所述第一安装座和第二安装座之间，有效充分约束所述屈服型金属耗能组件沿垂直于其活动方向的平动以及沿其活动方向的转动，使所述第一安装座和第二安装座尽量发生平行的相对位移，进一步为所述屈服型金属耗能组件提供理想的变形耗能的变形条件，充分发挥所述屈服型金属耗能组件的耗能优势。 [0013] 进一步优选的，所述横隔板两侧均设有所述屈服型金属耗能组件。 [0014] 在有限的空间内进一步有效增大耗能能力，同时变形稳定性更好，有利于在地震作用下持续反复错动进行变形耗能，有利于保证地震作用下的持续耗能和桥梁结构安全性。 [0015] 进一步优选的，所述活动构件包含限位槽，所述连接部件的端部设有滑块，所述滑块滑动连接所述限位槽。 [0016] 通过设置所述限位槽，并使所述滑块能够与限位槽限位两侧均具有间隙，即可使得在桥梁正常使用阶段，温度、荷载等变形时能够使滑块能够相对于限位槽滑动，也能够沿限位槽的轴向滑动，采用上述设置方式能够使梁体在正常运营状态下实现双向活动，同时避免耗能构件在正常运营状态下参与工作而影响桥梁结构在正常运营状态下的结构内力。 [0018] 优选的，所述屈服型金属耗能组件包含若干个剪切型金属耗能片，所述剪切型金属耗能片的腹板沿所述第一安装座相对于所述第二安装座的运动方向设置，所述剪切型金属耗能片连接有防屈曲夹板，所述防屈曲夹板包含夹板加劲肋。 [0019] 采用所述剪切型金属耗能片，成本低廉，有利于降低工程造价及维保费用。在所述剪切型金属耗能片腹板外加装带有夹板加劲肋的所述防屈曲夹板，进一步防止腹板屈曲，所述防屈曲夹板与腹板间黏贴有聚四氟乙烯贴片，降低摩擦系数。 [0020] 优选的，所述屈服型金属耗能组件包含若干个双曲率式弯曲型金属耗能片，所述双曲率式弯曲型金属耗能片的腹板沿垂直于所述第一安装座相对于所述第二安装座的运动方向设置。 [0021] 弯曲型金属阻尼器同剪切型金属阻尼器一样主要靠金属的屈服耗散能量，同等用钢量情况下，双曲率式弯曲型金属阻尼器与悬臂式弯曲型金属阻尼器相比，初始刚度更大，材料利用率更高，滞回曲线形态更饱满，耗能能力更强。 [0022] 优选的，所述屈服型金属耗能组件采用装配式方式进行安装，方便震后替换。 [0023] 优选的，还包含第三安装座，所述第二安装座和第三安装座滑动连接，所述第二安装座和第三安装座之间也设有若干个屈服型金属耗能组件，所述第二安装座连接有限位部件，所述活动构件能够带动所述第二安装座相对于所述第三安装座运动进而使所述第二安装座和第三安装座之间的所述屈服型金属耗能组件发生剪切型错动。 [0024] 即增设一层屈服型金属耗能组件，将第一层屈服型金属耗能组件与第二层屈服型金属耗能组件形成串联，按刚度分配变形，各层屈服型金属耗能组件的最大变形能力叠加，形成多级耗能结构，实现多级抗震性能设计，有效增大装置的最大变形能力。当然，还可根据实际需要增设第四安装座、第五安装座…并对应设置屈服型金属耗能组件。 [0025] 进一步优选的，所述第三安装座包含第二框架构件，所述第二框架构件设于所述第二安装座外层，所述第一安装座和第二安装座之间的所述屈服型金属耗能组件与所述第二安装座和第三安装座之间的所述屈服型金属耗能组件相对设置。 [0026] 即形成第二层框架嵌套结构，第一层的阻尼器与第二层阻尼器分别位于对应安装板的内外两侧面对称设置，进一步保障为第二层级的所述屈服型金属耗能组件提供理想的变形耗能条件，在设计验证阶段，多层阻尼器便于按照串联模拟，结构设计方便，便于组装及现场安装。 [0027] 进一步优选的，所述第一安装座和第二安装座之间的所述屈服型金属耗能组件的屈服承载力小于或等于所述第二安装座和第三安装座之间的所述屈服型金属耗能组件的屈服承载力，所述第一安装座和第二安装座之间的所述屈服型金属耗能组件的极限承载力大于所述第二安装座和第三安装座之间的所述屈服型金属耗能组件的屈服承载力。 [0028] 每一层内的所有金属耗能片为并联体系，每个金属耗能片的位移相等，而各层之间为串联，每层的总受力相等，各层的位移按各层金属耗能片的刚度之和的比例进行分配，为实现多级耗能的功能目标，上一层的金属耗能组件的变形量应大于等于下一层的金属耗能组件变形量，当上一层的变形量达到设计最大变形后，继续向下一层传递变形，而上一层的变形不再继续增加。采用上述设置方式，可保证小震时，塑性变形主要集中在首层，即仅消耗布置在所述第一安装座和第二安装座之间的屈服型金属耗能组件的疲劳寿命，当发生更大地震时，其余各层能相继的参与工作。 [0029] 进一步优选的，所述第一安装座和第二安装座的接触面间设有聚四氟乙烯板，所述第二安装座和第三安装座的接触面间也设有聚四氟乙烯板。 [0030] 有利于减小摩擦阻力，避免各层发生相对位移时出现摩擦自锁，并有利于减小装置设计承载力的实际偏差。 [0031] 优选的，所述限位部件包含截面呈圆端型的销钉。 [0032] 所述滑槽的端部形状适配所述销钉的截面形状。 [0033] 综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果是： [0034] 1、采用本发明所述的一种剪切型耗能防落梁装置，有效突破了现有的剪切型错动的金属阻尼器难以满足桥梁工程减隔震设计位移需求的限制，满足了屈服型金属耗能组件的变形要求，能够发挥屈服型金属阻尼器的性能优势，结构设计科学简洁，加工便利，安装方便，采用屈服型金属耗能组件发生错动来耗能，有利于降低装置成本，提高耗能能力，提升耗能防落梁装置的刚度和承载力，保证持续耗能的有效性，延长装置的使用寿命，显著提高防落梁对桥梁结构的抗震性能，保护桥梁结构免遭地震破坏，益于震后修复。 [0035] 2、采用本发明所述的一种剪切型耗能防落梁装置，能够使梁体在正常运营状态下实现双向活动，同时避免耗能构件在正常运营状态下参与工作而影响桥梁结构在正常运营状态下的结构内力。 [0036] 3、采用本发明所述的一种剪切型耗能防落梁装置，实现多级抗震性能设计，有效增大装置的最大变形能力，为剪切型错动的金属阻尼器提供理想的变形耗能条件。 [0038] 图1为实施例1所述的一种剪切型耗能防落梁装置的结构示意图； [0039] 图2为实施例1所述的一种剪切型耗能防落梁装置的内部结构示意图； [0040] 图3为实施例1所述的防屈曲夹板的连接示意图； [0041] 图4为实施例1所述的剪切型金属耗能片的结构示意图一； [0042] 图5为实施例1所述的剪切型金属耗能片的结构示意图二； [0043] 图6为实施例2所述的一种剪切型耗能防落梁装置的结构示意图； [0044] 图7为实施例2所述的一种剪切型耗能防落梁装置的内部结构示意图； [0045] 图8为实施例3所述的一种剪切型耗能防落梁装置的结构示意图； [0046] 图9为实施例3所述的弯曲型金属耗能片的结构示意图一； [0047] 图10为实施例3所述的弯曲型金属耗能片的结构示意图二。 [0048] 图中标记：11‑第一安装座，12‑第二安装座，13‑第三安装座，2‑屈服型金属耗能组件，3‑限位部件，4‑连接部件，41‑滑块，5‑活动构件，61‑第一加劲肋，62‑第二加劲肋，71‑防屈曲夹板，72‑夹板加劲肋。 具体实施方式[0049] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。 [0050] 实施例1 [0051] 本发明所述的一种剪切型耗能防落梁装置，包含第一安装座11和第二安装座12，所述第一安装座11和第二安装座12之间设有屈服型金属耗能组件2，所述第一安装座11和第二安装座12滑动连接，所述第一安装座11连接有限位部件3，所述第一安装座11通过连接部件4连接活动构件5，所述活动构件5能够带动所述第一安装座11相对于所述第二安装座12运动进而使所述屈服型金属耗能组件2发生剪切型错动。使用时，所述活动构件5用于连接梁体，所述第二安装座12用于连接桥墩，或者所述活动构件5用于连接桥墩，所述第二安装座12用于连接梁体。 [0052] 具体的，如图1‑2所示，所述第一安装座11包含横隔板，所述第二安装座12包含第一框架构件，所述横隔板设于所述第一框架构件中，所述横隔板两端抵接所述第一框架构件内壁，有效避免发生非有效耗能方向的相对运动，有效充分约束所述屈服型金属耗能组件沿垂直于其活动方向的平动以及沿其活动方向的转动，所述限位部件3的力矩配合所述屈服型金属耗能组件2的力矩能够有效约束所述屈服型金属耗能组件2沿垂直于其活动方向的转动，即防止三轴方向的转动，为充分通过剪切型错动来耗能提供了理想的条件。所述横隔板和第一框架构件的接触面间设有聚四氟乙烯板，有利于减小摩擦阻力，减小装置设计承载力的实际偏差。所述横隔板左右两端均设有截面呈圆端型的销钉，所述第一框架构件两侧壁对应位置设有滑槽，所述滑槽的端部形状适配所述销钉的截面形状，所述销钉滑动连接于所述滑槽，用于对所述第一安装座11与第二安装座12之间的位移进行限位，所述横隔板的上下两侧均对称设有所述屈服型金属耗能组件2，所述屈服型金属耗能组件2一端连接于所述横隔板、另一端连接于所述第一框架构件内壁。所述屈服型金属耗能组件2为现有技术中的耗能构件，如所述屈服型金属耗能组件2包含若干个剪切型金属耗能片，所述剪切型金属耗能片的腹板沿所述限位部件3滑动方向设置，所述屈服型金属耗能组件2相较于现有的梁式金属阻尼器，具有初始刚度大、材料利用率高、滞回曲线形态更接近理想弹塑性、耗能能力强的优点。采用所述剪切型金属耗能片，成本低廉，有利于降低工程造价及维保费用。所述剪切型金属耗能片可采用装配式方式进行安装，方便震后替换。所述剪切型金属耗能片设计时，可通过改变腹板沿高度方向的厚度变化、腹板边缘的曲线类型等，对剪切型金属耗能片的耗能能力、抗屈曲性能以及最大变形能力进行优化设计，在确定腹板类型后，可根据腹板的尺寸对剪切型金属阻尼器的初始刚度、承载力、最大变形以及最大耗能能力进行设计。如本实施例中，所述剪切型金属耗能片沿所述横隔板横向设置若干列，每列包含三个，所述剪切型金属耗能片连接有防屈曲夹板71，所述防屈曲夹板71外侧有夹板加劲肋72，如图3所示，进一步防止所述剪切型金属耗能片的腹板屈曲，同一列的三个所述剪切型金属耗能片可通过一组防屈曲夹板71夹持，用紧固螺栓锁紧，所述剪切型金属耗能片与防屈曲夹板71之间也设有聚四氟乙烯板。 [0053] 所述剪切型金属耗能片除附图1‑2中的结构外，还可以替换为图4和图5中的结构，还可在图5的结构基础上增设横向的肋板，如采用图5中一类5肋的结构，可不设置防屈曲夹板71。 [0054] 所述连接部件4包含连接杆，所述连接杆一端连接于所述横隔板的中部，所述连接杆上下侧壁设有第二加劲肋62，所述横隔板也对应设有加强肋，所述连接杆另一端设有滑块41，所述活动构件5包含限位槽，所述滑块41滑动连接所述限位槽，所述限位槽沿所述限位部件3滑动方向具有限位，另一方向上可不作限制，所述滑槽外侧设有第一加劲肋61，通过设置所述限位槽，并使所述滑块能够与限位槽限位两侧均具有间隙，即可使得在桥梁正常使用阶段，温度、荷载等变形时能够使滑块能够相对于限位槽滑动，也能够沿限位槽的轴向滑动，采用上述设置方式能够使梁体在正常运营状态下实现双向活动，同时减少耗能构件在正常运营状态下参与耗能而影响桥梁结构在正常运营状态下的结构内力。 [0055] 在不考虑节省安装空间的情况下，所述第一安装座11也可以采用框架构件。 [0056] 本装置在刚性防落梁装置的基础上，增设屈服型金属阻尼器，突破了现有剪切型错动耗能的金属阻尼器难以满足桥梁工程减隔震设计位移需求的限制，有效满足其变形条件，并显著的增加耗能防落梁装置的变形能力，装置结构科学紧凑，有效提高相同安装空间下装置的耗能能力，有利于降低装置成本，预防屈服型金属阻尼器的提前失效，保证持续耗能的有效性，延长装置的使用寿命，保护桥梁结构免遭地震破坏，益于震后修复。 [0057] 实施例2 [0058] 本发明所述的一种剪切型耗能防落梁装置，其结构与实施例1大致相同，其不同之处在于，如图6‑7所示，还包含第三安装座13，所述第三安装座13包含第二框架构件，所述第二框架构件设于所述第一框架构件外层，所述第一框架构件宽度与所述第二框架构件宽度适配，即所述第一框架构件左右两端抵接所述第二框架构件内壁，有效避免发生非有效耗能方向的相对运动，所述第一框架构件高度与所述第二框架构件高度之间的间隔用于安装剪切型金属耗能片，使得两层阻尼器分别位于对应安装板的内外两侧面对称布置，受力变形明确。所述第一框架构件和第二框架构件的接触面间也设有聚四氟乙烯板，所述第一框架构件左右两端均设有结构相同的限位部件3，所述第二框架构件两侧壁对应位置设有滑槽，所述限位部件3滑动连接于所述滑槽使所述第一框架构件能够相对于所述第二框架构件滑动。位于内层的所有所述剪切型金属耗能片的屈服承载力之和小于或等于位于外层的所有所述剪切型金属耗能片的屈服承载力，位于内层的所有所述剪切型金属耗能片的极限承载力之和大于位于外层的所有所述剪切型金属耗能片的屈服承载力之和。 [0059] 第二层框架嵌套结构，进一步保障为第二层级的所述屈服型金属耗能组件2提供理想的变形耗能条件，每一层内的所有金属耗能片为并联体系，每个金属耗能片的位移相等，第一层金属耗能片与第二层金属耗能片形成串联，按刚度分配变形，各层耗能片的最大变形能力叠加，当第一层的变形量达到设计最大变形后，继续向第二层传递变形，而第一层的变形不再继续增加。采用上述设置方式，可保证小震时，塑性变形主要集中在首层，即仅消耗布置在所述第一安装座和第二安装座之间的屈服型金属耗能组件的疲劳寿命，当发生更大地震时，其余各层能相继的参与工作，有效增大装置的最大变形能力。 [0060] 在设计验证阶段，本申请的多层阻尼器设置结构，同层各个耗能片按照并联、各层之间便于按照串联进行数值模拟，结构设计方便，还能便于组装及现场安装。 [0061] 实施例3 [0062] 本发明所述的一种剪切型耗能防落梁装置，其结构与实施例2大致相同，其不同之处在于，所述剪切型金属耗能片替换为弯曲型金属耗能片，如双曲率式弯曲型金属耗能片，如图8所示，所述双曲率式弯曲型金属耗能片的腹板沿垂直于所述第一安装座11相对于所述第二安装座12的运动方向设置。同等用钢量情况下，双曲率式弯曲型金属阻尼器与悬臂式弯曲型金属阻尼器相比，初始刚度更大，材料利用率更高，滞回曲线形态更饱满，耗能能力更强。弯曲型金属耗能片的抗震性能的设计较为简单，通过控制剪跨比、板厚等参数可对其屈服点、极限变形等关键参数进行设计，如双曲率弯曲型金属阻尼器的两端曲率大，中间为反弯点，曲率为0，可适当的增加两端的宽度或厚度来增加单位质量的耗能能力。耗能片的高度约高，变形能力约大；随着厚度与宽度的增加，其屈服承载力与耗能能力增加。 [0063] 所述双曲率式弯曲型金属耗能片还可替换为图9和图10中的结构。 [0064] 实施例4 [0065] 本发明所述的一种剪切型耗能防落梁装置，其结构与实施例2或实施例3大致相同，其不同之处在于，还可根据实际需要增设第四安装座、第五安装座…，所述第四安装座包含设于所述第二框架构件外层的第三框架构件，所述第二框架构件与第三框架构件之间对应设置剪切型金属耗能片或双曲率弯曲型金属耗能片。第五安装座的设置依次类推。 |
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