阻尼元件、摩擦擺支座及其阻尼方法
【專利摘要】阻尼元件，包括阻尼鋼棒，其特征在于所述的阻尼鋼棒為螺旋形狀，阻尼鋼棒的上端和下端均具有安裝塊，所述的安裝塊與阻尼鋼棒之間的連接強度大于阻尼鋼棒的抗拉強度。本發明的阻尼元件中的阻尼鋼棒為螺旋形狀，將阻尼元件應用到支座中，阻尼元件增加支座的水平剛度和垂向剛度，既減小支座受到的水平荷載，還能抵抗支座受到的豎向荷載，阻尼鋼棒受到支座橫向和縱向的水平荷載時，兩種荷載使阻尼元件產生的滯回曲線都比較飽滿，且基本一致，滯回耗能特性更顯著，阻尼元件的塑性變形能力強，具有良好的抗震性能和耗能能力。本發明還提供一種摩擦擺支座及其阻尼方法。
【專利說明】
阻尼元件、摩擦擺支座及其阻尼方法
技術領域
[0001 ]本發明屬于橋梁工程減振技術領域，主要涉及一種阻尼元件，可應用于摩擦擺支 座中消耗地震能量，達到減震目的。本發明還涉及一種摩擦擺支座及其阻尼方法。
[0002]
【背景技術】
[0003] 在正常工作或常遇地震(E1地震)發生時，普通摩擦擺支座依靠本身的阻尼能滿足 上部結構的使用要求，但在大風、強地震(E2地震)等極限狀況下，普通摩擦擺支座承受的水 平荷載較大，會產生過大水平位移，造成上部結構發生破壞，如橋梁上部結構易產生落梁危 害。
[0004] 現有技術中具有阻尼功能的摩擦擺支座包括以下幾種： 1、E型鋼阻尼支座 如授權公告號為CN201261859Y的實用新型專利，通過E型鋼阻尼元件的彈塑性變形為 摩擦擺支座主體部分提供附加阻尼，并耗散部分地震能量，E型鋼阻尼元件的主要作用是 減小支座受到的水平荷載，而不能抵抗支座受到的豎向荷載。
[0005] 2、拉索型摩擦擺減隔震支座 如授權公告號為CN203320402U的實用新型專利，拉索型主要起到限位和抗拉功能，其 幾乎不具備通過阻尼元件的彈塑性變形來耗散地震能量的功能。
[0006] 3、裝有環形鋼板的摩擦擺支座 如申請號為201410247967. X的發明專利申請，通過環形鋼板的彈塑性變形為摩擦擺 支座主體提供附加阻尼。環形鋼板受到支座橫向和縱向的水平荷載時，環形鋼板的滯 回曲線不一致，即橫向水平荷載使環形鋼板產生的滯回曲線比較飽滿，而縱向水平荷載使 環形鋼板產生的滯回曲線不飽滿，環形鋼板的滯回耗能特性并不顯著。
【發明內容】
[0007] 本發明提供一種阻尼元件，應用于摩擦擺支座中，增加支座的水平剛度和垂向剛 度，滯回耗能特性更顯著，具有良好的抗震性能和耗能能力。本發明還提供一種摩擦擺支座 及其阻尼方法。
[0008] 為達到上述目的本發明采用的技術方案是:阻尼元件，包括阻尼鋼棒，其特征在于 所述的阻尼鋼棒為螺旋形狀，阻尼鋼棒的上端和下端均具有安裝塊，所述的安裝塊與阻尼 鋼棒之間的連接強度大于阻尼鋼棒的抗拉強度。
[0009] 優選的，所述的阻尼鋼棒為右螺旋阻尼鋼棒或左螺旋阻尼鋼棒。
[0010] 優選的，所述的阻尼鋼棒的橫截面為圓形，兩個安裝塊垂直對齊，阻尼鋼棒在兩個 安裝塊之間的旋轉角度為360度。
[0011] 優選的，所述的阻尼鋼棒的直徑d為50~100mm，旋轉半徑r為300~500mm，安裝塊的 厚度t大于等于阻尼鋼棒的直徑d，并且旋轉半徑r與直徑d的比值為3.7±0.2。
[0012] 優選的，所述的阻尼鋼棒為軟鋼材質，所述的安裝塊為加強鋼板，阻尼鋼棒與安裝 塊通過鑄造工藝連接成一體。
[0013] 摩擦擺支座，包括上座板和下座板，其特征在于在摩擦擺支座的四周或對稱的兩 側布置有以上所述的阻尼元件，安裝塊固定在上座板底面或下座板頂面，使阻尼元件設置 于上座板和下座板之間，并且安裝塊與上座板底面和下座板頂面的連接強度均大于阻尼元 件中的安裝塊與阻尼鋼棒之間的連接強度。
[0014] 優選的，布置在摩擦擺支座同一側的阻尼元件由相同數量的具有右螺旋阻尼鋼棒 的阻尼元件和具有左螺旋阻尼鋼棒的阻尼元件組成，具有右螺旋鋼棒的阻尼元件互相間隔 排列，具有左螺旋鋼棒的阻尼元件互相間隔排列，并且具有右螺旋鋼棒的阻尼元件與具有 左螺旋鋼棒的阻尼元件對稱布置。
[0015] 優選的，所述的阻尼元件中的阻尼鋼棒在兩個安裝塊之間的旋轉角度為360度，阻 尼鋼棒的螺距小于等于上座板與下座板之間的距離。
[0016] 摩擦擺支座的阻尼方法，其特征在于所述的摩擦擺支座為以上所述的摩擦擺支 座，通過摩擦擺支座四周或兩側布置的阻尼元件，在非正常狀態下，對支座的變形提供阻尼 作用，達到減震的目的。
[0017] 優選的，根據摩擦擺支座的減振需求設計阻尼元件的數量及阻尼元件中阻尼鋼棒 的直徑d和旋轉半徑r，所述的阻尼鋼棒的直徑d為50~100mm，旋轉半徑r為300~500mm，并且 旋轉半徑r與直徑d的比值為3.7±0.2使單個阻尼元件在發生疲勞破壞時的總滯回耗能達 到最大值，當發生較強地震時，阻尼元件的耗能效率最高。
[0018] 本發明的有益效果： 1、本發明的阻尼元件中的阻尼鋼棒為螺旋形狀，將阻尼元件應用到支座中，阻尼元件 增加支座的水平剛度和垂向剛度，既減小支座受到的水平荷載，還能抵抗支座受到的豎向 荷載，阻尼鋼棒受到支座橫向和縱向的水平荷載時，兩種荷載使阻尼元件產生的滯回曲線 都比較飽滿，且基本一致，滯回耗能特性更顯著，阻尼元件的塑性變形能力強，具有良好的 抗震性能和耗能能力。
[0019] 2、本發明的阻尼元件具有較大的彈性位移，應用于摩擦擺支座中，在常遇地震作 用下，可以通過摩擦擺支座的恢復力和阻尼元件的彈性力抵抗地震力，此時阻尼元件受到 的拉力較小，僅產生彈性變形，無需更換。在較強地震作用下，利用摩擦擺支座的滑移消耗 的地震能量比較有限，剩余部分地震能量無法耗散，可以通過阻尼元件的彈塑性變形耗散。 阻尼元件具有良好的抗疲勞性能，在支座反復滑動的過程中，不容易斷裂，當阻尼元件從彈 性階段進入塑性階段以后，可大量的耗散地震能量，起到阻尼減振的作用。
[0020] 3、本發明的摩擦擺支座，在支座正常工作或常遇地震條件下，通過附加的阻尼元 件與摩擦擺支座主體能夠完成豎向承載和水平承載；當發生較強地震時，在地震產生的巨 大水平力作用下，摩擦擺支座主體產生摩擦力引起的水平剛度有限，不足以提供所需的抗 力來限制上部結構的水平位移，此時，附加的阻尼元件由于受到較大的水平荷載而發生彈 塑性變形，抵抗支座的水平變形，并消耗地震能量，達到減震的目的。
[0021] 4、本發明的摩擦擺支座的阻尼方法，將阻尼元件布置在摩擦擺支座的四周或對稱 兩側，阻尼元件的空間占用率小，安裝方便，不增加支座的空間占用率，利用阻尼元件良好 的抗震性能和耗能能力，達到減振的目的。
[0022]
【附圖說明】
[0023] 圖1為【具體實施方式】中阻尼元件的立體結構示意圖。
[0024] 圖2為【具體實施方式】中阻尼元件的主視圖。
[0025] 圖3為【具體實施方式】中阻尼元件的俯視圖。
[0026] 圖4為【具體實施方式】中的摩擦擺支座的主視圖。
[0027]
【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖對本發明的實施例做詳細說明。
[0029] 如圖1至圖3所示，阻尼元件1，包括阻尼鋼棒11，所述的阻尼鋼棒11為螺旋形狀，阻 尼鋼棒11的上端和下端均具有安裝塊12,所述的安裝塊12與阻尼鋼棒12之間的連接強度大 于阻尼鋼棒11的抗拉強度，保證阻尼鋼棒在發生彈塑性變形時，安裝塊11與阻尼鋼棒12之 間不發生斷裂。
[0030] 所述的阻尼鋼棒11為右螺旋阻尼鋼棒或左螺旋阻尼鋼棒。所述的阻尼鋼棒11的橫 截面為圓形，兩個安裝塊12垂直對齊，阻尼鋼棒11在兩個安裝塊12之間的旋轉角度為360 度，使阻尼鋼棒11的中心段受力最大，最先發生塑性變形，阻尼鋼棒在水平承載和垂向承載 時的滯回曲線都非常飽滿，且基本一致，滯回耗能特性更顯著，阻尼元件的塑性變形能力 強，具有良好的抗震性能和耗能能力。
[0031] 其中，阻尼鋼棒11的直徑d過小時初始剛度較小，難以起到限位、復位作用，過大時 不易成形;阻尼鋼棒的旋轉半徑r過小不易成形，過大則占用空間大，對安裝空間要求高，通 過試驗得出，所述的阻尼鋼棒11的直徑d為50~100mm，旋轉半徑r為300~500mm，其初始剛度 及限位、復位功能最佳。安裝塊12的厚度t大于等于阻尼鋼棒的直徑d，保證阻尼元件的安裝 強度，并且旋轉半徑r與直徑d的比值為3.7 ± 0.2。
[0032] 當阻尼鋼棒11的材質與安裝塊的材質相同時，阻尼元件的滯回耗能性能大致由阻 尼鋼棒11的直徑d和旋轉半徑r決定。經過多次試驗發現，阻尼鋼棒11的直徑d相同時，旋轉 半徑r越大阻尼鋼棒11的屈服力越低，單次循環加載中的滯回耗能越小；阻尼鋼棒11的旋 轉半徑r相同時，阻尼鋼棒11直徑d越大，屈服力越大，單次循環加載的滯回耗能越大，因此 在考慮阻尼元件1的滯回耗能時，需要考慮單次循環中阻尼鋼棒11的滯回耗能以及阻尼鋼 棒11發生疲勞破壞時總的滯回耗能，即平衡旋轉半徑r與鋼棒直徑d的比例關系，經過多次 試驗得出，所述的阻尼鋼棒11的直徑d為50~100mm，旋轉半徑r為300~500mm，并且旋轉半徑 r與直徑d的比值為3.7±0.2時，單個阻尼元件1在發生疲勞破壞時的總滯回耗能達到最大 值。
[0033] 所述的阻尼鋼棒11為軟鋼材質，所述的安裝塊12為加強鋼板，阻尼鋼棒11與安裝 塊12通過鑄造工藝連接成一體，增大安裝塊12與阻尼鋼棒11之間的抗拉強度。
[0034] 如圖4所示，摩擦擺支座，包括上座板2和下座板3，在摩擦擺支座的四周或對稱的 兩側布置有以上所述的阻尼元件1，安裝塊12固定在上座板2底面或下座板3頂面，使阻尼元 件1設置于上座板2和下座板3之間，并且安裝塊12與上座板底面和下座板頂面的連接強度 均大于阻尼元件1中的安裝塊12與阻尼鋼棒11之間的連接強度，阻尼元件1在發生彈塑性變 形時，阻尼元件1不會與上座板2或下座板3發生脫落。
[0035] 布置在摩擦擺支座同一側的阻尼元件1由相同數量的具有右螺旋阻尼鋼棒的阻尼 元件1和具有左螺旋阻尼鋼棒的阻尼元件1組成，具有右螺旋鋼棒的阻尼元件1互相間隔排 列，具有左螺旋鋼棒的阻尼元件1互相間隔排列，并且具有右螺旋鋼棒的阻尼元件1與具有 左螺旋鋼棒的阻尼元件1對稱布置，通過兩種旋向的阻尼元件聯合作用，增大了了阻尼元件 1的變形阻力，使阻尼元件1所受水平承載反方向的阻力增加，阻尼元件1對水平載荷的抵抗 力更大，阻尼效率更佳。
[0036] 所述的阻尼元件1中的阻尼鋼棒11在兩個安裝塊之間的旋轉角度為360度，阻尼鋼 棒11的螺距小于等于上座板2與下座板3之間的距離。由于阻尼鋼棒11在兩個安裝塊之間的 旋轉角度為360度，使得阻尼元件1中的阻尼鋼棒11在兩個安裝塊12之間高度正好為一個螺 距，當阻尼鋼棒11的螺距等于上座板2與下座板3之間的距離時，安裝塊12的厚度等于阻尼 鋼棒11的厚度，當阻尼鋼棒11橫截面為圓形時，安裝塊12的厚度等于阻尼鋼棒11的直徑。當 阻尼鋼棒11的螺距小于上座板2與下座板3之間的距離時，安裝塊12的厚度大于阻尼鋼棒11 的厚度，當阻尼鋼棒11橫截面為圓形時，安裝塊12的厚度大于阻尼鋼棒11的直徑，使阻尼元 件1的高度始終于上座板2和下座板3之間的距離相等，方便阻尼元件1的拆裝。
[0037] 摩擦擺支座的阻尼方法，所述的摩擦擺支座為以上所述的摩擦擺支座，通過摩擦 擺支座四周或兩側布置的阻尼元件1，在非正常狀態下，對支座的變形提供阻尼作用，達到 減震的目的。實際應用過程中，在支座正常工作或常遇地震條件下，通過附加的阻尼元件1 與摩擦擺支座主體能夠完成豎向承載和水平承載；當發生較強地震時，在地震產生的巨大 水平力作用下，摩擦擺支座主體產生摩擦力引起的水平剛度有限，不足以提供所需的抗力 來限制上部結構的水平位移，此時，附加的阻尼元件1由于受到較大的水平荷載而發生彈塑 性變形，抵抗支座的水平變形，并消耗地震能量，達到減震的目的。
[0038]根據摩擦擺支座的減振需求設計阻尼元件1的數量及阻尼元件1中阻尼鋼棒11的 直徑d和旋轉半徑r，所述的阻尼鋼棒11的直徑d為50~100mm，旋轉半徑r為300~500mm，并且 旋轉半徑r與直徑d的比值為3.7±0.2使單個阻尼元件在發生疲勞破壞時的總滯回耗能達 到最大值，當發生較強地震時，阻尼元件的耗能效率最高。
[0039] 從試驗中發現，阻尼鋼棒11的直徑d相同時，旋轉半徑r越大阻尼鋼棒11的屈服力 越低，單次循環加載中的滯回耗能越小;阻尼鋼棒11的旋轉半徑r相同時，阻尼鋼棒11直徑d 越大，屈服力越大，單次循環加載的滯回耗能越大。因此在考慮阻尼元件1的滯回耗能時，需 要考慮單次循環中阻尼鋼棒11的滯回耗能以及阻尼鋼棒11發生疲勞破壞時總的滯回耗能， 即平衡旋轉半徑r與鋼棒直徑d的比例關系，經過多次試驗得出，所述的阻尼鋼棒11的直徑d 為50~100mm，旋轉半徑r為300~500mm，并且旋轉半徑r與直徑d的比值為3.7 ±0.2時，單個 阻尼元件1在發生疲勞破壞時的總滯回耗能達到最大值。如表1所示，當阻尼鋼棒11的直徑d 為90mm，旋轉半徑r分別為325mm、380mm、450mm，對應阻尼鋼棒11的r/d比值分別為3.6、4.2、 5.0,而阻尼鋼棒11單次循環加載的滯回耗能值分別為64kJ、50 kj、43kj，而阻尼鋼棒11發 生疲勞破壞的循環次數為12次，此時單個阻尼元件1在r/d比值為3.6時發生疲勞破壞時的 總滯回耗能值最大。
[0040] 表1為阻尼鋼棒直徑d為90mm時，阻尼鋼棒11的旋轉半徑不同的情況下阻尼元件 的滯回耗能表。
[0041] 本發明的優點在于： 1.本發明的阻尼元件中的阻尼鋼棒為螺旋形狀，將阻尼元件應用到支座中，阻尼元件 增加支座的水平剛度和垂向剛度，既減小支座受到的水平荷載，還能抵抗支座受到的豎向 荷載，阻尼鋼棒受到支座橫向和縱向的水平荷載時，兩種荷載使阻尼元件產生的滯回曲線 都比較飽滿，且基本一致，滯回耗能特性更顯著，阻尼元件的塑性變形能力強，具有良好的 抗震性能和耗能能力。
[0042] 2.本發明的阻尼元件具有較大的彈性位移，應用于摩擦擺支座中，在常遇地震作 用下，可以通過摩擦擺支座的恢復力和阻尼元件的彈性力抵抗地震力，此時阻尼元件受到 的拉力較小，僅產生彈性變形，無需更換。在較強地震作用下，利用摩擦擺支座的滑移消耗 的地震能量比較有限，剩余部分地震能量無法耗散，可以通過阻尼元件的彈塑性變形耗散。 阻尼元件具有良好的抗疲勞性能，在支座反復滑動的過程中，不容易斷裂，當阻尼元件從彈 性階段進入塑性階段以后，可大量的耗散地震能量，起到阻尼減振的作用。
[0043] 3.本發明的摩擦擺支座，在支座正常工作或常遇地震條件下，通過附加阻尼元件 與摩擦擺支座主體能夠完成豎向承載和水平承載；當發生較強地震時，在地震產生的巨大 水平力作用下，摩擦擺支座主體產生摩擦力引起的水平剛度有限，不足以提供所需的抗力 來限制上部結構的水平位移，此時，附加的阻尼元件由于受到較大的水平荷載而發生彈塑 性變形，抵抗支座的水平變形，并消耗地震能量，達到減震的目的。
[0044] 4.本發明的摩擦擺支座的阻尼方法，將阻尼元件布置在摩擦擺支座的四周或對稱 兩側，阻尼元件的空間占用率小，安裝方便，不增加支座的空間占用率，利用阻尼元件良好 的抗震性能和耗能能力，達到減振的目的。
[0045]以上結合附圖對本發明的實施例的技術方案進行完整描述，需要說明的是所描述 的實施例僅僅是本發明的一部分實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在 沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
【主權項】
1. 阻尼元件，包括阻尼鋼棒，其特征在于所述的阻尼鋼棒為螺旋形狀，阻尼鋼棒的上端 和下端均具有安裝塊，所述的安裝塊與阻尼鋼棒之間的連接強度大于阻尼鋼棒的抗拉強 度。2. 根據權利要求1所述的阻尼元件，其特征在于所述的阻尼鋼棒為右螺旋阻尼鋼棒或 左螺旋阻尼鋼棒。3. 根據權利要求1或權利要求2所述的阻尼元件，其特征在于所述的阻尼鋼棒的橫截面 為圓形，兩個安裝塊垂直對齊，阻尼鋼棒在兩個安裝塊之間的旋轉角度為360度。4. 根據權利要求3所的阻尼元件，其特征在于所述的阻尼鋼棒的直徑d為50~100mm，旋 轉半徑r為300~500mm，安裝塊的厚度t大于等于阻尼鋼棒的直徑d，并且旋轉半徑r與直徑d 的比值為3.7±0.2。5. 根據權利要求1所述的阻尼元件，其特征在于所述的阻尼鋼棒為軟鋼材質，所述的安 裝塊為加強鋼板，阻尼鋼棒與安裝塊通過鑄造工藝連接成一體。6. 摩擦擺支座，包括上座板和下座板，其特征在于在摩擦擺支座的四周或對稱的兩側 布置有權利要求1至權利要求5任一項所述的阻尼元件，安裝塊固定在上座板底面或下座板 頂面，使阻尼元件設置于上座板和下座板之間，并且安裝塊與上座板底面和下座板頂面的 連接強度均大于阻尼元件中的安裝塊與阻尼鋼棒之間的連接強度。7. 根據權利要求6所述的摩擦擺支座，其特征在于布置在摩擦擺支座同一側的阻尼元 件由相同數量的具有右螺旋阻尼鋼棒的阻尼元件和具有左螺旋阻尼鋼棒的阻尼元件組成， 具有右螺旋鋼棒的阻尼元件互相間隔排列，具有左螺旋鋼棒的阻尼元件互相間隔排列，并 且具有右螺旋鋼棒的阻尼元件與具有左螺旋鋼棒的阻尼元件對稱布置。8. 根據權利要求6所述的摩擦擺支座，其特征在于所述的阻尼元件中的阻尼鋼棒在兩 個安裝塊之間的旋轉角度為360度，阻尼鋼棒的螺距小于等于上座板與下座板之間的距離。9. 摩擦擺支座的阻尼方法，其特征在于所述的摩擦擺支座為權利要求6至權利要求8任 一項所述的摩擦擺支座，通過摩擦擺支座四周或兩側布置的阻尼元件，在非正常狀態下，對 支座的變形提供阻尼作用，達到減震的目的。10. 根據權利要求9所述的阻尼方法，其特征在于根據摩擦擺支座的減振需求設計阻尼 元件的數量及阻尼元件中阻尼鋼棒的直徑d和旋轉半徑r，所述的阻尼鋼棒的直徑d為50~ 100mm，旋轉半徑r為300~500mm，并且旋轉半徑r與直徑d的比值為3.7±0.2使單個阻尼元 件在發生疲勞破壞時的總滯回耗能達到最大值，當發生較強地震時，阻尼元件的耗能效率 最尚。
【文檔編號】E01D19/04GK105926431SQ201610529781
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年7月7日
【發明人】王偉強, 張銀喜, 孔令俊, 曹志峰, 卜繼玲, 姜其斌
【申請人】株洲時代新材料科技股份有限公司