本發明涉及橋梁，特別涉及一種耗能抗震橋梁支座。

背景技術：

橋梁支座連接橋墩與梁體，在地震中，可以起到延長結構周期、消耗大量地震能量的作用，在橋梁工程中得到了廣泛的應用。傳統的鉛芯橡膠支座對于消除垂向振動作用明顯，但其對于水平方向的振動耗能作用有限。摩擦擺支座可以消耗部分橫向振動，但水平剛度過低，對于軟弱地基或者較柔的橋墩，會降低其減振效果。粘滯阻尼器為一種桿式結構，具有方向性，而地震作用方向事先是無法預知的，同時它不具備回位功能，需要依靠外力作用回位。

在申請號為201310556310.7的發明專利申請說明書中公開了一種環向橡膠阻尼支座，支座承重體的外圈設置有環形橡膠圈，并且環形橡膠圈在密封受約束的條件下工作，能提供水平面內各個方面的剛度和阻尼，但僅采用橡膠圈的阻尼效應來達到抗震耗能的效果。

近年來，動力吸振器是發展得比較成熟的一種被動控制裝置，在建筑結構上應用較多。譬如，在申請號為201420319835.9的實用新型專利說明書中公開了一種被動式動力吸振橋墩，利用動力吸振器的原理，在鐵路空心高墩橋梁中安裝附加質量塊，通過質量塊的位移耗能。但由于安裝空間有限，附加質量塊相對于橋墩的質量較小，抗震性能有待提升，且這種抗震方式，必須在墩體上引入一個外部的質量塊，通常質量在幾十上百噸，其安裝施工難度很大。

因此，如何能夠保證橋梁支座最大限度地消耗地震能量，同時保證支座結構簡化，是目前亟待解決的問題。

傳遞至橋梁建設場地的主要地震動頻率在0.5-10Hz左右，而大多數橋梁高墩的主要共振頻率均在這個范圍內，在地震激勵下，橋墩的主要振動模態將被激起，如果能將橋墩的主要參振模態進行約束或限制，則橋墩的振動位移和應力均會得到削弱。

動力吸振器就是抑制結構共振的裝置，于1928年由Ormondroyd與Den Hartog提出，并在機械及土木結構中得到大量應用，也廣泛應用于橋梁拉索及梁體的振動控制中。近年來，也有學者(如蘭州交通大學陳興沖教授、同濟大學余錢華博士等)提出應用動力吸振器來抑制墩體在地震作用下的振動。眾所周知，影響動力吸振器減振效果的主要因素就是附加質量塊與結構本體之間的質量比，質量比越大，減振效果越好。由于受墩身安裝空間的限制，附加質量較小，抗震效果一直得不到提升。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種耗能抗震橋梁支座，以有效地消除橋墩在固有頻段的有害振動，減小高墩墩頂位移、墩身彎矩和應力，從而有效提高橋梁的整體抗震性能。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案如下：

本發明的一種耗能減震橋梁支座，支座包括上支座板、下支座板和位于兩者之間的垂向支座結構，上支座板、下支座板分別與梁體、墩體墊石固定連接，其特征是：所述上支座板、下支座板的外緣分別具有豎向延伸的上擋板、下擋板結構，上擋板、下擋板之間于水平面上設置彈性連接件，彈性連接件的遠端、近端分別與上擋板、下擋板固定連接，梁體與支座之間的連接剛度k_i和連接阻尼c_i為：

式中：M_i為橋墩等效模態質量，m_i為梁體(10)的一半質量，K_i為橋墩模態剛度，K_i＝M_i(2πf_i)²，f_i為墩體的自振頻率。

本發明的有益效果是，彈性連接件具有最優的連接剛度和連接阻尼值，使梁體和支座形成一個附加在墩頂的動力吸振器，能夠有效耗散地震能量，減小高墩墩頂位移、墩身彎矩和應力，可有效提高橋梁的整體抗震性能；彈性連接件可根據具體情況和需要方便的設置，使之可以消除橫橋向或順橋向、橫橋向或順橋向的振動，以及消除整個在水平面內的振動；垂向支座結構可以沿用現有橡膠支座、鉛芯橡膠支座、摩擦擺支座、型鋼支座等的主體，僅僅改變其上支座板、下支座板，使之具有檔板結構用于安裝附加的彈性連接件，因此可有效降低橋梁抗震支座的生產成本。

附圖說明

本說明書包括如下六幅附圖。

圖1是本發明一種耗能減震橋梁支座的結構示意圖；

圖2是本發明一種耗能減震橋梁支座實施例1的仰視圖；

圖3是本發明一種耗能減震橋梁支座的結構示意圖；

圖4是本發明一種耗能減震橋梁支座實施例2的仰視圖；

圖5是本發明一種耗能減震橋梁支座實施例3的仰視圖；

圖6是本發明一種耗能減震橋梁支座實施例2的仰視圖；

圖中示出構件和對應的標記：梁體10，垂向支座結構20，上支座板21，上擋板211，下支座板22，下擋板221，墩體墊石30，彈性連接件40。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

參照圖1，本發明的一種耗能減震橋梁支座，支座包括上支座板21、下支座板22和位于兩者之間的垂向支座結構20，上支座板21、下支座板22分別與梁體10、墩體墊石30固定連接。所述上支座板21、下支座板22的外緣分別具有豎向延伸的上擋板211、下擋板221結構，上擋板211、下擋板221之間于水平面上設置彈性連接件40，彈性連接件40的遠端、近端分別與上擋板211、下擋板221固定連接。彈性連接件40由橡膠材料或者高彈阻尼材料制成。

梁體10與支座之間的連接連接剛度k_i和連接阻尼c_i為：

式中：M_i為等效模態質量，m_i為梁體(10)的一半質量，K_i為模態剛度，K_i＝M_i(2πf_i)²，f_i為墩體的自振頻率。

模態剛度K_i可以通過如下兩種方式確定：

對于尚未開始建設的橋墩，首先建立橋墩的有限元模型，進行模態分析，獲得橋墩在縱向和橫向的自振頻率f_i及對應模態，利用“等效質量法”獲得不同模態對應的參振質量，即等效模態質量M_i，該階模態對應的模態剛度利用公式K_i＝M_i(2πf_i)²獲得；

對于已經建設完成的橋墩，可以通過試驗模態測試，獲得橋墩的自振頻率f_i、對應模態及等效模態質量M_i。模態剛度利用公式K_i＝M_i(2πf_i)²獲得。

由于彈性連接件具有最優的連接剛度和連接阻尼值，使梁體和支座形成一個附加在墩頂的動力吸振器，能夠有效耗散地震能量，減小高墩墩頂位移、墩身彎矩和應力，可有效提高橋梁的整體抗震性能。

參照圖1和圖3，垂向支座結構20可以沿用現有橡膠支座、鉛芯橡膠支座、摩擦擺支座、型鋼支座等的主體，僅僅改變其上支座板21、下支座板22，使之具有檔板結構用于安裝附加的彈性連接件，因此可有效降低橋梁抗震支座的生產成本。

相對于傳統減隔震支座，本發明在梁體與墩體之間的水平面內的連接剛度和連接阻尼均存在一個最優值，縱向剛度和阻尼的最優值跟橋梁梁體的縱向參振質量及橋墩的縱向自振頻率有關，橫向剛度和阻尼的最優值跟橋梁梁體的橫向參振質量及橋墩橫向自振頻率有關，過大或過小，其抗震效果都會受到影響。根據減隔震支座的設計原理，其在水平方向的阻尼越大，對地震的耗散作用越大；其水平方向的剛度越小，其隔震性能越高，但是過小的水平支座剛度，將會引起很大的梁體和墩頂位移，對行車安全造成威脅，這是不被容許的。因此，減隔震支座在水平面內的剛度和阻尼不存在一個最優值。

在實現形式上，本發明可以將梁體與墩體之間的最優連接剛度和連接阻尼與現有支座相結合來實現，即對支座的縱向、橫向連接剛度和連接阻尼提出要求，使其符合最優值的需求。在原理上，本發明與減隔震支座有著本質的區別，減隔震支座是通過低剛度隔震和高阻尼吸振的原理，提高橋梁的抗震性能，本發明是利用動力吸振的原理來提高橋墩抗震性能，即通過合理設置梁體與墩體之間的縱向、橫向連接剛度和連接阻尼，利用大質量梁體的振動，吸收并儲存部分地震能量，進而通過梁體和墩體之間的阻尼消耗掉此部分能量，實現在橋墩自振頻率段上梁體的振動相位與墩體振動相位相反，進而提高橋墩承受的彎矩及應力，減小地震對墩體的破壞。

彈性連接件40可根據具體情況和需要方便的設置，使之可以消除橫橋向或順橋向、橫橋向或順橋向的振動，以及消除整個在水平面內的振動。

參照圖2，所述上擋板211、下擋板221、彈性連接件40的水平面投影均呈環形，用于消除整個在水平面內的振動。

參照圖4，所述上擋板211、下擋板221設置于上支座板21、下支座板22橫橋向兩側，彈性連接件40設置于橫橋向同側上擋板211、下擋板221之間，用于消除橫橋向的振動。

參照圖5，所述上擋板211、下擋板221設置于上支座板21、下支座板22順橋向兩側，彈性連接件40設置于順橋向同側上擋板211、下擋板221之間，用于消除順橋向的振動。

參照圖6，所述上擋板211、下擋板221設置于上支座板21、下支座板22橫橋向兩側和縱橋向兩側，彈性連接件40設置于橫橋向和順橋向同側上擋板211、下擋板221之間，用于消除橫橋向和順橋向的振動。

以上所述只是用圖解說明本發明一種耗能減震橋梁支座的一些原理，并非是要將本發明局限在所示和所述的具體結構和適用范圍內，故凡是所有可能被利用的相應修改以及等同物，均屬于本發明所申請的專利范圍。