專利名稱：適用于橋梁結構的橫向減震阻尼器的制作方法
技術領域：
本發明屬于土木工程、地震工程技術領域，具體為設置在各種橋梁結構的橋墩頂(或斜拉橋的主塔下橫梁處)的一種被動阻尼裝置，用于在強地震下減小主梁傳遞到橋墩(橋塔)的橫向慣性力、控制橋墩(塔)和主梁之間的橫向相對位移，同時又能適應橋梁在正常使用荷載和地震下的縱向變形。
背景技術：
近年來，全球地震頻發，從汶川、海地、智利一直到玉樹大地震，在連續發生。據我國地震臺網中心專家預測，全球目前處于地震活躍期，這一活躍期可能還要持續10年，而 我國恰恰處于一個地震活躍區。因此，防震減災形勢非常嚴峻。上世紀九十年代以后，我國進入了大跨度橋梁建設的高潮。以斜拉橋為例，據不完全統計，我國已修建各類斜拉橋300余座，均采用混凝土橋塔，是世界上修建斜拉橋最多的國家。并且一部分斜拉橋已經在縱橋向采用了被動阻尼器裝置來減少斜拉橋縱橋向在地震作用下的地震響應。而對于斜拉橋橫橋向阻尼器的研究和實際工程運用則很少，都是利用橋塔和橋墩結構本身去抵抗強震作用下的地震響應，這樣對于橋塔或橋墩的橫橋向抗震十分不利。目前國內外在橋梁工程中較常用的被動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。這些支座均在斜拉橋或其他類型大跨度橋梁縱橋向有所運用，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，上、下座板之間的水平位移得不到有效的緩沖。如鉛芯橡膠支座耗能能力強，溫度、徐變等蠕變變形引起的支座次內力較小，但支座的剪切性能受豎向荷載的影響較大，且隨著鉛芯的增力口，支座自恢復能力逐漸減弱，不能在具有多頻譜效應的地震動中發揮其有效的減震性能。如FPS (摩擦擺錘體系)的自恢復能力強、摩擦耗能性能穩定，但是在摩擦耗能的過程中會導致梁端的豎向位移而產生次內力，并且其摩擦耗能取決于豎向支座反力，對于斜拉橋的邊墩，豎向支座反力相對較小，因此其摩擦耗能能力有限。如粘滯液體阻尼器雖在縱橋向具有很好的減隔震性能，但如果在橫橋向和縱橋向同時設置粘滯液體阻尼器的情況下，其縱橫向阻尼器在地震作用下的受力十分復雜，抗震計算概念不明確，因此如果不對其構造進行特殊設計的情況下，不適于在橫橋向設置粘滯液體阻尼器。鑒于上述不同類型被動阻尼器存在的種種不足，通過一種以改進三角形板為基本構件，以塑性變形性能好的鋼材為基本材料，并通過在改進三角形板頂部安裝球形傳力鍵在不同構件之間傳遞水平地震力并適應橋梁縱向位移需求的一種橫向被動金屬阻尼器孕育而生
發明內容
本發明的目的在于提供一種設置在橋梁結構(如斜拉橋主塔處或輔助墩和過渡墩處)中主梁與墩柱之間或主塔與下橫梁之間的一種能夠滿足橋梁結構縱向滑動要求，并具有明顯橫向減震功能的被動阻尼器裝置。為達到以上目的，本發明設計思路是阻尼器裝置中的三角形鋼板采用塑性性能良好的軟鋼，利用三角形板件全截面同時達到屈服耗能的特點，使三角形鋼板基本構件的耗能利用率達到最大化。整個阻尼器裝置中的三角形鋼板構件之間采用球體球冠面與平滑面相間設置的橫向結構來傳遞水平橫向地震力，且，球冠面與平滑面接觸作用點可以自由滑動，如此，本發明裝置這種橫向結構既能夠明確橫向的三角形鋼板的受力作用點，又能適應主梁的縱向位移需求。據此，本發明通過以下技術方案來實現
一種適用于橋梁結構的阻尼器裝置，其特征在于，該裝置由上下相對安置的兩個半裝置組合而成，上半裝置包括上頂板、若干金屬擋塊，下半裝置包括下底板、若干三角形鋼板和若干球形體，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 分別將上下半裝置牢固得固著于主梁和橋墩上；所述若干金屬擋塊為豎向放置的矩形金屬塊，各金屬擋塊依次間隔布置，每金屬擋塊的上水平端側焊接固定在所述上頂板平面上；所述若干三角形鋼板為豎向放置的軟鋼板，各三角形鋼板同樣也依次間隔布置，每三角形鋼板的下底座焊接在所述下底板平面上，所述各個球體固定在三角形鋼板頂部，且各個球體依次間隔置入所述上半裝置的相鄰金屬擋塊之間并與金屬擋塊有效接觸。基于上述結構，本發明阻尼器安裝適用于橋梁結構可以實現將水平地震力在阻尼器的上下半裝置內完成橫橋向的傳遞，其中所述的三角形鋼板作為整個阻尼裝置屈服耗能的主體結構，傳遞過程中消耗水平的地震波能量。對上述技術方案的進一步說明，所述上半裝置通過上頂板與主梁之間具體可以采用錨栓連接方式以實現其固著；所述下半裝置的下底板可以預埋在橋墩(或斜拉橋下橫梁)上，同時通過錨栓與橋墩(或下橫梁)連接。阻尼器安裝應保證局部部件連接可靠，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(或斜拉橋下橫梁)上的預埋件之間的錨栓連接也要牢固。進一步公開說明，技術方案中所述球體與三角形鋼板之間的固定方式，以如下結構實現三角形鋼板頂端設計呈圓角，并開設圓孔，所述球體由兩個實心的半球體組裝而成，且半球體內都開設半個條形長孔，連接螺桿與所述兩半球體拼合后的條形長孔總長度相匹配，條形長孔方向與橫橋向平行，一連接螺桿穿過三角形鋼板頂端的圓孔且分別擰入所述的兩個半球條形長孔內，通過該連接螺桿將球體固定在三角形鋼板頂端圓孔上。進一步限定，所述球體的硬度要大，避免其在地震作用下發生變形，各球體分別與相鄰的滑板之間要緊密接觸。進一步優化技術方案，為了金屬擋塊與球體之間傳遞力的作用點能自由的滑動調整，在滑動過程中能很好的協調變形，在所述金屬檔塊工作面(即矩形側面)上黏貼滑板。進一步說明，所述滑板可以選擇聚四氟乙烯材料，并具有一定厚度。進一步具體說明，所述金屬擋塊與上頂板之間采用角焊縫，焊條采用能夠承受動力荷載的低氫型焊條，焊條的類型根據構件采用鋼材的類型并參考相應的國家規范確定，并保證焊接質量。
進一步具體說明，所述三角形鋼板與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，焊條的類型根據構件采用鋼材的類型并參考相應的國家規范確定，并保證焊接質量。保證下底板下底面的平整度，從而其下底板與橋墩和斜拉橋下橫梁之間連接牢靠。本發明具有如下優點
I)具有理想的減震耗能能力本發明阻尼裝置以改進后的三角形金屬板為基本
構件，采用具有很好屈服耗能特性的鋼材為材料，在面外水平地震水平荷載作用下，沿基本構件高度范圍內，每個高度截面內的曲率基本保持一致，使整個構件在地震荷載作用下都進入塑性變形狀態，從而使材料的屈服耗能利用率達到最大化。利用本阻尼器裝置的高效耗能能力，不僅可以有效減少橋塔或橋墩及其基礎在強震作用下的地震內力，還能將橋墩 (或橋塔)與主梁之間的橫橋向的相對位移控制在允許范圍內，以保證整個橋梁結構在強震作用下滿足抗震性能要求。2)具有復雜接觸條件下的適應能力在地震時,橋梁主梁和橋墩之間可能會發生復雜的相對變位，本發明金屬阻尼器裝置在三角形鋼板基本構件頂部兩側采用螺桿與球冠形傳力“鍵”構造連接，可以在不利接觸條件下仍然能將水平地震力有效地傳遞給三角形鋼板，且作用點更明確。3)具有良好的縱向變形適應能力本發明阻尼器設置滑板，利用球冠形接觸傳力并與滑板之間的相對滑動來適應橋梁在正常使用荷載和縱向地震下產生的縱向大變形，因而不會影響橋梁的正常使用性能以及縱橋向的抗震性能。4)兼顧橋梁正常使用功能和縱向抗震要求，滿足各類橋梁的橫向抗震需求可根據橋梁在地震和其它正常使用荷載作用下的性能要求，制定阻尼器的橫向性能指標，包括橫向初始剛度、屈服荷載、位移能力，通過用鋼量最少的優化原則，確定改進三角形鋼板基本構件的尺寸以及數量等設計參數，同時，根據橋梁結構在地震作用和正常使用荷載下的縱向位移需求，確定阻尼器頂板的縱向尺寸。5)具有震后可更換性本裝置采用橋梁結構上常用的一級鋼或二級鋼，成本低廉，制作工藝簡便，工廠制作現場安裝即可，而地震作用后，能夠簡便地對該裝置的改進三角形鋼板耗能構件進行更換。本發明是一種性能穩定、功能全面、價格低廉的新型減震耗能金屬阻尼裝置，該裝置不僅在正常適用狀態下滿足橋梁結構橫向靜力荷載和風荷載的要求，同時還能夠與縱向阻尼器相互協調，提供縱向所需的位移需求，從而在橋梁結構的橫橋向進行減震耗能。本發明金屬阻尼器首先在強震作用下具有很好的滯回耗能性能，從而減少橋梁結構的地震反應由上部結構傳遞給主塔、橋墩及基礎慣性力，以保證橋梁主體結構在地震作用下不發生損傷；其次它能適應主梁縱橋向在地震作用下的位移需求；除此之外，它還能滿足橋梁結構正常使用狀態下抵抗靜力荷載和風荷載所需的橫向剛度需求。本發明阻尼器適用于斜拉橋或其他類型大跨度橋梁橫橋向的減隔震。


圖I本發明金屬阻尼器的橫向結構圖。
圖2本發明金屬阻尼器的縱向結構圖。圖3本發明金屬阻尼器的頂板圖。圖4本發明金屬阻尼器的底板圖。圖5是本發明三維圖(圖5a、圖5b)。圖6為本發明在橋梁橫向安裝位置示意圖。圖7為圖6的局部放大圖。圖中標號11上頂板，111上頂板錨栓，112螺栓孔，12金屬擋塊，13滑板，21下底板，211下底板錨栓，212螺栓孔，22三角形鋼板，23連接螺桿，24球體，3本發明鋼阻尼器，4支座,5橋墩，6主梁。
具體實施例方式實施例I
如圖I、圖2、圖5 (圖5a、圖5b)所示，一矩形的上頂板11，在使用狀態下與橋梁的主梁6固定，為此在上頂板四側周邊開設螺栓孔112，并通過上頂板錨栓111與橋梁主梁底面固定。邊側的金屬擋塊12和中間的金屬擋塊12按照規定的間距與上頂板進行焊接，為保證焊接質量，上頂板與金屬擋塊采用同一種強度的鋼材，并采用適用于該種強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分別連接上頂板和金屬擋塊。在邊側的金屬擋塊內側面和各中間金屬擋塊的兩側面都分別設置一定厚度的滑板13，本實施例滑板采用聚四氟乙烯材料。上半裝置的安裝步驟為先將金屬擋塊采用角焊縫的形式焊接在上頂板各預設間隔規定位置處，然后在金屬擋塊側面貼上聚四氟乙烯滑板，最后將上半裝置構造通過上頂板錨栓與橋梁主梁進行固定。一矩形下底板21，在使用狀態下與橋梁的橋墩5 (或斜拉橋主塔下橫梁)固定，為此在下底板的四側開設下底板螺栓孔212，并通過下底板錨栓211與橋墩上的預埋構件進行固定連接。三角形鋼板22頂部圓弧中心開了一個與連接螺桿23大小的孔洞，每個球體24通過連接螺桿23安裝在三角形鋼板22的頂圓弧中心的兩側。球體、三角形鋼板為同一種強度的鋼材，但是球體硬度比三角形鋼板更高，避免球體在地震作用產生變形從而影響其與聚四氟乙烯滑板相對自由滑動的功能。下底板8在三角形鋼板放置位置處開了與三角形鋼板底邊相同大小的矩形槽，稱為預留槽，該矩形槽在下底板8上時貫穿的。將三角形鋼板嵌入規定位置的下底板的相應預留槽中。三角形鋼板和下底板使用同一種強度的鋼材，并采用適用于該種強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三角形鋼板和下底板。三角形鋼板與下底板的上下面兩側都要用角焊縫焊接。為保證下底板與橋墩(斜拉橋下橫梁)的預埋件平整連接，因此三角形鋼板嵌入下底板預留槽中時需預留焊接下底面時的角焊縫高度。作為本發明的主要技術要點的在于三角形鋼板與下底板之間的焊接質量，要保證角焊縫在地震作用下不會發生破壞從而影響整個鋼阻尼器的耗能。球體24與連接螺桿23之間要固定緊，兩個半球形內預留的條形槽(圖中未示意)深度要大于連接螺桿23的長度，以保證球體冠面緊貼在三角形鋼板兩側。球體冠面與聚四氟乙烯滑板要緊貼，以保證在正常使用下能夠提供所需的彈性剛度和在地震作用下是三角形鋼板有效發生屈服耗能。如果因制作誤差使球體與聚四氟乙烯滑板之間有一定間隙，可通過在球體與三角形鋼板之間設置鋼墊板來調節。作為本發明實施例的又一種變換，作為本金屬阻尼器系統裝置的三角形鋼板的頂端設計呈矩形，并開設圓孔。作為本發明實施例的又一種變換，作為本金屬阻尼器系統裝置的三角形鋼板的具體尺寸和設置板數、材料強度等均可根據需要進行設計調整。
作為本發明實施例的又一種變換，可根據實際需要以及安裝便宜性和使用耐久性要求，確定是否采用其他材料代替本實施例中聚四氟乙烯滑板來保證整個阻尼器能夠在橋梁縱向相對自由滑動。
權利要求
1.一種適用于橋梁結構的橫向減震阻尼器，其特征在于，該裝置由上下相對安置的兩個半裝置組合而成，上半裝置包括上頂板、若干金屬擋塊，下半裝置包括下底板、若干三角形鋼板和若干球形體，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，它們分別將上下半裝置牢固得固著于主梁和橋墩上； 所述若干金屬擋塊為豎向放置的矩形金屬塊，各金屬擋塊依次間隔布置，每金屬擋塊的上水平端側焊接固定在所述上頂板平面上； 所述若干三角形鋼板為豎向放置的軟鋼板，各三角形鋼板同樣也依次間隔布置，每三角形鋼板的下底座焊接在所述下底板平面上，所述各個球體固定在三角形鋼板頂部，且各個球體依次間隔置入所述上半裝置的相鄰金屬擋塊之間并與金屬擋塊有效接觸。
2.如權利要求I所述的橫向減震阻尼器，其特征在于，所述上半裝置通過上頂板與主梁之間采用錨栓連接方式以實現其固著。
3.如權利要求I所述的橫向減震阻尼器，其特征在于，所述下半裝置的下底板預埋在橋墩或斜拉橋下橫梁上，同時通過錨栓與所述橋墩或下橫梁連接。
4.如權利要求I所述的橫向減震阻尼器，其特征在于，所述球體與三角形鋼板之間的固定方式，以如下結構實現三角形鋼板頂端設計呈圓角，并開設圓孔，所述球體由兩個實心的半球體組裝而成，且半球體內都開設半個條形長孔，連接螺桿與所述兩半球體拼合后的條形長孔總長度相匹配，條形長孔方向與橫橋向平行，一連接螺桿穿過三角形鋼板頂端的圓孔且分別擰入所述的兩個半球條形長孔內，通過該連接螺桿將球體固定在三角形鋼板頂端圓孔上。
5.如權利要求4所述的橫向減震阻尼器，其特征在于，所述三角形鋼板的頂端設計呈矩形，并開設圓孔。
6.如權利要求I所述的橫向減震阻尼器，其特征在于，所述金屬檔塊工作面上黏貼滑板。
7.如權利要求6所述的橫向減震阻尼器，其特征在于，所述滑板選擇聚四氟こ烯材料。
8.如權利要求I或者6所述的橫向減震阻尼器，其特征在于，所述金屬擋塊與上頂板之間采用角焊縫。
9.如權利要求I或者4或者5所述的橫向減震阻尼器，其特征在于，所述三角形鋼板與下底板之間采用角焊縫方式的焊接，焊條采用低氫型焊條。
全文摘要
本發明涉及一種適用于橋梁結構的橫向減震阻尼器。三角形鋼板采用塑性性能良好的軟鋼，利用三角形板件全截面同時達到屈服耗能的特點，使三角形鋼板基本構件的耗能利用率達到最大化。三角形鋼板構件之間采用球體球冠面與平滑面相間設置的橫向結構來傳遞水平橫向地震力，且球冠面與平滑面接觸作用點可以自由滑動，這種橫向結構既能夠明確橫向的三角形鋼板的受力作用點，又能適應主梁的縱向位移需求。本發明是一種性能穩定、功能全面、價格低廉的新型減震耗能金屬阻尼裝置，不僅在正常適用狀態下滿足橋梁結構橫向靜力荷載和風荷載的要求，同時還能夠與縱向阻尼器相互協調，提供縱向所需的位移需求，從而在橋梁結構的橫橋向進行減震耗能。
文檔編號E01D19/04GK102953327SQ201210459860
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月15日 優先權日2012年11月15日
發明者沈星, 葉愛君, 倪曉博, 赫中營, 王曉偉, 李闖 申請人:同濟大學