可变刚度-震后免损伤的低预应力自复位减震装置 |
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| 申请号 | CN202311793621.5 | 申请日 | 2023-12-25 | 公开(公告)号 | CN117779974A | 公开(公告)日 | 2024-03-29 |
| 申请人 | 北京交通大学; 中国铁路经济规划研究院有限公司; 中国国家铁路集团有限公司; | 发明人 | 江辉; 李新; 陈良江; 周勇政; 卢文良; 孙宗磊; 张程; 任阳; 王岚; 蔡欣爽; 王若昕; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种可变 刚度 ‑震后免损伤的低预应 力 自复位减震装置，属于减震装置技术领域，外管、以及一端可活动的伸入外管的内管；外管的内部依次设有四个 挡板 ，相邻的两个挡板之间为一个腔体；位于两端的腔体内设弹性复位件，内管可活动的穿过挡板、弹性复位件；位于中间的腔体的两个挡板分别连接有一位移放大机构，两个位移放大机构分别连接有一铅 挤压 阻尼机构。本发明实现了可变刚度与位移放大功能，可实现震后无损伤、抗疲劳性、长耐久性、抗 腐蚀 性的优良特性；降低了装置的初始预 应力 水 平；减小了安装空间需求；增强了铅挤压阻尼机构的耗能能力，弥补复位系统位移能力不足的缺点，提高装置的灵活性，增强装置的抗震性能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种可变刚度‑震后免损伤的低预应力自复位减震装置，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 可变刚度‑震后免损伤的低预应力自复位减震装置技术领域背景技术[0002] 延性抗震体系与减隔震体系广泛应用于建筑、桥梁的抗震设计中，其设防目标为“小震不坏、中震可修、大震不倒”，但上述两种设计方法存在无法充分考虑结构震后功能可恢复性的不足。为此，自复位体系出现并引起了广泛重视，其实现路径主要有摇摆自复位体系和附加自复位减震装置体系，后者因在新建和既有结构中均可应用而备受瞩目。该体系 的核心构件为自复位减震装置，其通过阻尼部件耗散地震输入能量，复位部件加快震后正 常使用功能恢复，可显著减小桥梁损伤，缩短震后修复时间。 [0003] 既有自复位减震装置的复位方式主要分为3类：形状记忆合金、预应力筋、预压弹簧。形状记忆合金的可恢复应变可达10％，显著大于普通钢材(2％)，且具有一定的耗能能力，可作为自复位核心元件。基于预应力筋的自复位减震装置采用施加初始张拉力的高强 钢绞线作为复位元件。基于弹簧的自复位减震装置类似，采用施加预压力的高强钢碟簧作 为复位元件。三者均是利用材料的弹性恢复力提供自复位能力。 [0004] 既有自复位减震装置的耗能方式主要分为2类：速度型阻尼器和位移型阻尼器，前者通过黏滞液体或黏弹性材料耗散地震能量，其耗能能力与速度、位移均相关；后者通过金属剪切或屈曲变形、摩擦作用耗能，其耗能能力主要与位移相关。复位部件与耗能部件连 接，即可组成具有旗帜形滞回曲线的复位减震装置。 [0006] 既有金属屈曲、剪切耗能部件的屈后刚度为一恒定值，难以实现中小震作用下充分耗能、大震限位的理想工作机制，且其复位后内力重分布、抗疲劳性能较差，难以发挥原有功能、易损伤破坏，需及时更换；摩擦阻尼器长时间使用后的摩擦面老化和预紧螺栓松动难以避免，导致其耗能能力不稳定。黏滞阻尼器、粘弹性阻尼器因其价格昂贵、维护成本较高，较少作为耗能部件。 [0007] 为实现结构震后完全自复位，当前常用技术需确保自复位部件提供的弹性恢复力大于耗能部件屈服力，导致既有装置需具有较高水平的初始预应力，该特性严重限制了自 复位减震装置的推广应用，原因在于：1)长时间使用后预应力损失严重；2)装置各部位之间内力较大，导致连接件难以设计，成本较高；3)初始预应力施加困难。 发明内容[0008] 本发明的目的在于提供一种可显著降低装置的初始预应力水平、减小安装空间需求，实现了装置的刚度可变特性，增强了铅挤压阻尼机构的耗能与限位能力的可变刚度‑震后免损伤的低预应力自复位减震装置，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。 [0009] 为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案： [0010] 一种可变刚度‑震后免损伤的低预应力自复位减震装置，包括： [0012] 位于两端的两个所述腔体内均设有一弹性复位件，所述弹性复位件的两端分别连接有第一卡板、第二卡板，所述第一卡板设于靠近所述内管端板的一端； [0013] 所述内管可活动的穿过所述挡板、所述弹性复位件、所述第二卡板，所述第一卡板与所述内管的外壁固定连接； [0014] 位于中间的所述腔体的两个挡板分别连接有一位移放大机构，两个所述位移放大机构分别连接有一铅挤压阻尼机构，所述铅挤压阻尼机构连接在所述外管上。 [0015] 可选的，所述铅挤压阻尼机构包括可拆卸的连接在外管的外壁上的套筒，所述套筒内设有挤压腔，挤压腔内部灌铅；所述挤压腔内设有挤压圆盘，所述挤压圆盘连接有传力轴，所述传力轴可活动的穿过所述套筒后与所述位移放大机构连接。 [0017] 可选的，所述第一连杆的另一端连接所述传力轴，所述第三连杆的另一端固定连接所述挡板。 [0018] 可选的，所述挤压圆盘通过第一固定螺栓连接在所述传力轴上，传力轴的另一端可活动的穿过套筒以及所述外管，伸入所述位于中间的腔体内连接第一连杆；挤压腔的内 部对称布置两个挤压挡块；套筒通过第二固定螺栓连接于外管。 [0019] 可选的，所述第一连杆的另一端通过第三固定螺栓连接所述传力轴。 [0020] 可选的，所述第一连杆通过第一铰接螺栓连接第二连杆；所述第二连杆通过第二铰接螺栓‑连接第三连杆。 [0021] 可选的，所述弹性复位件为碟形弹簧。 [0022] 本发明有益效果：铅挤压耗能机制与自复位系统结合使用的复位减震装置，该组合可实现装置具有震后无损伤、抗疲劳性、长耐久性、抗腐蚀性的优良特性；将铅挤压阻尼器的速率相关特性用于自复位装置中，该应用可显著降低装置的初始预应力水平；圆盘式 铅挤压阻尼器，可显著减小安装空间需求；将位移放大机构作为复位系统与铅挤压阻尼机 构的连接方式，实现了装置的刚度可变特性，可增强铅挤压阻尼机构的耗能与限位能力。 [0024] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的 附图。 [0025] 图1为本发明实施例所述的可变刚度‑震后免损伤的低预应力自复位减震装置内部结构图。 [0026] 图2为本发明实施例所述的可变刚度‑震后免损伤的低预应力自复位减震装置结构爆炸图。 [0027] 图3为本发明实施例所述的所包含位移放大机构结构图。 [0028] 图4为本发明实施例所述的所包含铅挤压阻尼器的速率相关性试验结果图。 [0029] 图5为本发明实施例所述的轴力‑位移关系曲线示意图(不考虑装置变刚度特性)。 [0030] 图6为本发明实施例所述的开始变形后装置力‑位移关系曲线图(考虑装置变刚度特性)。 [0032] 图8为本发明实施例所述的可变刚度‑震后免损伤的低预应力自复位减震装置在桥梁结构中的安装示意图。 [0033] 其中：1‑外管；2‑内管；3‑外管端板；4‑内管端板；5‑挡板；6‑第一卡板；7‑第二卡板；8‑位移放大机构；9‑铅挤压阻尼机构；10‑套筒；11‑挤压腔；12‑挤压圆盘；13‑传力轴；14‑第一连杆；15‑第二连杆；16‑第三连杆；17‑第一固定螺栓；18‑挤压挡块；19‑第二固定螺栓；20‑第三固定螺栓；21‑第一铰接螺栓；22‑第二铰接螺栓；23‑弹性复位件；24‑肋板；25‑框架梁；26‑框架柱；27‑可变刚度‑震后免损伤的低预应力自复位减震装置；28‑主梁；29‑桥墩；30‑支座。 具体实施方式[0034] 下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附 图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。 [0035] 本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。 [0037] 本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。 [0038] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。 [0039] 在本说明书的描述中，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”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。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。 [0040] 在本说明书的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。 [0041] 除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。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技术中的具体含义。 [0042] 为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。 [0043] 本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。 [0044] 为了解决既有技术存在的屈后刚度恒定、震后需更换、耐久性与抗疲劳性能不足、难以充分发挥阻尼器耗能能力、预应力水平高的问题，增强既有技术抗震性能与工程应用价值，本实施例提出一种可变刚度‑震后免损伤的低预应力自复位减震装置。 [0045] 鉴于已有技术的不足，本实施例中的可变刚度‑震后免损伤的低预应力自复位减震装置，采用位移放大机构连接自复位部件与耗能部件，通过合理的构造设计实现中小地 震下充分耗能、大震下限位的变刚度特性；耗能部件采用铅挤压阻尼器，其可在较小的预应力水平下实现震后自复位与免损伤特性，且具有抗疲劳与耐久性能好的特点；铅挤压阻尼 器设计为圆盘式，其可显著减小装置尺寸，增强安装空间不足时的设计灵活性。可广泛推广应用于建筑结构、公路与铁路桥梁的新建与抗震加固中。 [0046] 如图1至图3所示，本实施例中，提供了一种可变刚度‑震后免损伤的低预应力自复位减震装置。可变刚度‑震后免损伤的低预应力自复位减震装置，包括：外管1、以及一端可活动的伸入所述外管1的内管2；所述外管1的一端设有外管端板3，所述内管2的另一端设有内管端板4；所述外管1的内部依次设有四个挡板5，相邻的两个挡板5之间为一个腔体；位于两端的两个所述腔体内均设有一弹性复位件23，所述弹性复位件23的两端分别连接有第一卡板6、第二卡板7，所述第一卡板6设于靠近所述内管端板4的一端；所述内管2可活动的穿过所述挡板5、所述弹性复位件23、所述第二卡板7，所述第一卡板6与所述内管2的外壁固定连接；位于中间的所述腔体的两个挡板5分别连接有一位移放大机构8，两个所述位移放大 机构8分别连接有一铅挤压阻尼机构9，所述铅挤压阻尼机构9连接在所述外管1上。 [0047] 所述铅挤压阻尼机构9包括可拆卸的连接在外管的外壁上的套筒10，所述套筒10内设有挤压腔11，挤压腔11内部灌铅；所述挤压腔11内设有挤压圆盘12，所述挤压圆盘12连接有传力轴13，所述传力轴13可活动的穿过所述套筒10后与所述位移放大机构8连接。 [0048] 所述位移放大机构8包括第一连杆14、与所述第一连杆14的一端铰接的第二连杆15、与所述第二连杆15的另一端铰接的第三连杆16。所述第一连杆14的另一端连接所述传 力轴13，所述第三连杆16的另一端固定连接所述挡板5。 [0049] 所述挤压圆盘12通过第一固定螺栓17连接在所述传力轴13上，传力轴13的另一端可活动的穿过套筒10以及所述外管1，伸入所述位于中间的腔体内连接第一连杆14；挤压腔 11的内部对称布置两个挤压挡块18；套筒10通过第二固定螺栓19连接于外管1。所述第一连杆14的另一端通过第三固定螺栓20连接所述传力轴13。 [0050] 所述第一连杆14通过第一铰接螺栓21连接第二连杆15；所述第二连杆15通过第二铰接螺栓22连接第三连杆16。 [0051] 所述弹性复位件23为碟形弹簧。 [0052] 该装置主要包括有自复位系统、铅挤压阻尼机构和位移放大机构，三者协同变形，共同承担外力。自复位系统包含碟形弹簧、自由活动挡板(不与内管固定连接的第二卡板7)、内管2、内管挡块(如图1中与第一卡板靠近的挡板)、外管1、外管挡块(如图1中与第二卡板靠近的挡板)、内管端板4、外管端板3。碟形弹簧两两对合放置，分为两组；内管2的左端焊接内管端板3，为防止装置整体失稳，在内管端板3与内管2之间增设肋板24，将内管2穿过碟形弹簧、自由活动挡板、内管挡块的中间圆孔，使用液压机施加初始预应力至目标水平，焊接内管挡块，即可组成自复位系统。 [0053] 铅挤压阻尼机构包含挤压圆盘12、挤压腔11、挤压挡块18、传力轴13、第一固定螺栓17、套筒10、第二固定螺栓19。通过第一固定螺栓17将传力轴13与挤压圆盘12连接，置于套筒10中；内部灌铅采用工厂预制铅块，以铅挤压降低孔隙率，使其提供稳定的耗能能力；将铅块置于挤压腔11中，通过第二固定螺栓19将套筒10固定，即可组成铅挤压阻尼机构。 [0054] 位移放大机构包括第一连杆14、第二连杆15、第三连杆16、第三固定螺栓20、第一铰接螺栓21、第二铰接螺栓22。将铅挤压耗能装置2通过第二固定螺栓27连接于外管13后，用第三固定螺栓20将传力轴13与第一连杆14连接；用第一铰接螺栓21将第一连杆14与第二连杆15连接，用第二铰接螺栓22将第二连杆15与第三连杆16连接，然后将第三连杆16焊接 于内管挡块上。最后将外管两侧板焊接即可组成可变刚度‑震后免损伤的低预应力复位减 震装置。 [0055] 可变刚度‑震后免损伤的低预应力自复位减震装置可安装于墩梁之间减震，考虑到实际安装的空间限制，外管高度不应大于墩、梁之间的高度(600mm)；长度、宽度根据墩顶截面尺寸设计，通常在1000mm～3000mm之间。自由活动挡板、内管、内管挡块、外管、外管挡块、内管端板、外管端板、第一连杆、第二连杆、第三连杆，由于需要传递装置受力，推荐采用强度较高的Q345钢；碟形弹簧、套筒由于在拉、压过程中，受摩擦作用强烈，应分别作二硫化钼、聚四氟乙烯润滑处理；为防止铅挤压阻尼机构在挤压过程中，铅发生渗漏，应在挤压圆盘、挤压挡块与套筒设置聚四氟乙烯板用于动态密封。为保证装置具有良好的自复位能力 与耗能能力，碟形弹簧初始预应力应在铅挤压阻尼机构总变形力的105％～150％之间。为 使装置整体空间需求更小、碟簧摩擦作用减小，建议采用大直径、有支撑面碟簧，因此推荐采购成品A型碟簧片，推荐其直径为200mm～500mm，单片碟簧的承载力为183kN～875kN。 [0056] 综上所述，本发明相比于现有技术，采用了轴向拉压自复位系统和圆盘式阻尼器(铅挤压阻尼机构)相连的协同变形机制。通过这一设计实现地震发生时，自复位系统产生 轴向变形，圆盘式阻尼器转动，导致第二连杆倾斜，从而使轴向力分解，铅挤压阻尼器的轴向力需求显著增加，进而实现变刚度特性。该特性可使装置在中、小地震作用下，具有较低的刚度，以减小桥墩内力响应，大震作用下刚度显著增大，以防止产生过大位移，尤其可降低桥梁的落梁震害，具有理想的工作机制，起到相比于现有技术更好的减隔震与限位效果。 本发明相比于现有技术，采用铅塑性流动作为耗能机制，由于铅具有良好的耐久性、抗腐蚀性，使该装置可长期使用；由于铅具有动态回复和再结晶特性，使该装置具有良好的抗疲劳特性，通过将其与自复位系统组合使用，震后装置可完全无损伤。本发明利用铅挤压阻尼器变形力需求的速率相关特性，使其在地震作用下可提供稳定的耗能能力，震后复位所需初 始预应力水平相比于现有技术显著降低，在稳定耗能的基础上，极大地降低了装置成本。不同于既有的复位减震装置，本发明将位移放大机构作为复位系统与铅挤压阻尼机构的连接 方式，其可在复位系统位移能力有限的情况下，充分发挥铅挤压阻尼机构的耗能能力，提高装置的设计灵活性，增强装置的抗震性能。不同于既有的直筒式铅挤压阻尼器，本发明将其设计为圆盘式，可显著缩小装置尺寸，并且在往复地震作用下具有位移放大作用，增强装置耗能能力。 [0057] 本发明作为普通阻尼器与既有自复位减震装置的替代品，无需对结构本身进行较大改变，可广泛应用于新建结构抗震设计和既有结构抗震加固，图7给出了其在框架结构中使用的一种布置形式，其中，可变刚度‑震后免损伤的低预应力自复位减震装置27的两端连接在框架梁25和框架柱26之间。如图8所示，给出了其在桥梁结构中使用的一种布置形式，其中，可变刚度‑震后免损伤的低预应力自复位减震装置27连接在主梁28和支座30之间，支座30设在桥墩29上。 [0058] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之 内。 |
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