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拉索减震支座

拉索减震支座是由技术总顾问、同济大学土木工程防灾国家重点实验室袁万城教授研发,我公司全程支持

及参与的一种新型减隔震支座。其由剪切销、拉索等与普通球型钢支座(或盆式支座)有效组合而成的一系列高性能减震支座产品,其

主要适用于公路桥梁、铁路桥梁、城市高架桥梁以及各种具有大型悬架结构的建筑物。

  拉索减震支座是一种依靠摩擦有效地消耗地震发生时地震波对桥梁结构产生的作用能量和利用拉索限制墩梁过大相对位移的减震

支座。以固定型拉索减震支座为例,拉索减震支座的优点在于:由于采用了剪切销和拉索,使支座在正常使用时表现为固定支座的结

构形式,此时拉索不起作用;在地震发生时,当支座传递的水平力大于剪切销的剪切强度时,剪切销在剪切口位置处发生断裂,一方

面消耗部分地震能量而保护上部结构,另一方面使支座由固定支座变为活动支座,当支座上、下座板移位超过一定限度时拉索起到限

位缓冲作用,并保证震后上、下座板可靠复位。滑动型拉索减震支座与固定型拉索减震支座相比,结构上不设有剪切销,因此在主要

使用时表现为滑动支座形式,此时拉索同样不发挥作用;在地震中与固定型拉索减震支座类似,只有当上、下座板移位超过一定限

度时拉索才发挥其限位缓冲作用,并保证震后上、下座板可靠复位。

2.产品设计理念
  拉索减震支座通过将传统球钢支座或盆式支座与拉索和剪切销的有效组合,改进了传统抗震支座隔震频带窄、限位能力不足等

特点,并首次在减震支座产品中实现了以下设计理念(以固定型拉索减震支座为例):在小震及中震作用下,保持固定支座正常使

用功能,但在罕遇地震作用下,通过剪坏剪切销的方法将固定支座变为活动支座,并用拉索限制因此引起的过大墩梁相对位移。通

过合理地设计拉索的参数,使支座不仅能够满足静力作用下的使用性能,而且在强震作用下能够有效地减小固定墩的受力,限制墩

梁间的相对位移。


易更换的拉索减震支座

3.产品性能目标
基于上述的设计理念,拉索减震支座必须达到以下三个性能目标。
(1)正常使用状态时,在不超过正常行程的范围内,拉索不起限位作用,拉索减震支座与球型钢支座或盆式橡胶支座等相同;
(2)在遭遇小震及中等烈度地震的情况下,固定支座剪切销原则上不允许剪断,以避免震后更换支座;
(3)在桥梁结构遭遇罕遇地震时,固定支座剪切销剪断,变成滑动支座利用滑动摩擦耗散能量隔离上下部结构,减少地震力传递;

同时由拉索限制地震造成的过大动位移,并提供充足的恢复力来有效限位。
4.产品结构形式
拉索减震支座主要由球型钢支座(或盆式支座)、拉索和剪切销组成,分为滑动和固定两种类型。其中,滑动支座属滑动摩擦型减

隔震支座;固定支座在强震作用下,允许剪切销剪断形成滑动支座。该支座对输入地震波的频率不敏感,隔震范围较广泛。通过上

部结构在摩擦面处产生滑动耗能减震,并利用弹性拉索、或辅助挡块单独或联合控制梁墩相对位移,从而在整体上有效降低结构地

震响应。固定型拉索减震支座结构形式如下所示,滑动型拉索减震支座结构形式与之类似,只是不具备剪切销及相关组件等。

图号:
1:上支座板组件? 2:上夹板组件? 3:拉索组件? 4:平面四氟滑板? 5:球冠衬板
6:球面四氟滑板? 7:下夹板组件? 8:下支座板? 9:锚固螺栓组件? 10:剪切销
11:夹板固定螺栓

5.产品设计参数
固定型拉索减震支座主要由球型钢支座/盆式支座、拉索和剪切销组成。球型钢支座/盆式支座技术已经成熟,并且有规范依

据,本文对其参数的设计不加以赘述。以下对拉索减震支座的两个重要组成构件——拉索和剪切销的设计参数进行介绍。
5.1拉索长度
由几何关系,可以推导出拉索长度L的计算公式如下:


式中:为拉索在水平面的投影长度,H为支座的总高度,A、B分别为顶板的长和宽,C、D分别为底板的长和宽,

别为支座在纵向和横向的设计水平位移。
5.2 拉索刚度
根据材料力学知识,拉索的刚度按下式计算:

式中:E为拉索的弹性模量,A为拉索截面积,L为拉索长度。
5.3 拉索水平向极限强度
固定支座剪切销剪断后,上、下部结构之间通过拉索传递地震力,如果拉索的强度设计的过大,有可能对下部结构不利,起不到

减震的作用。因此,通常情况下,拉索的水平向极限强度取支座设计承载力的30%~50%。
5.4 剪切销剪切强度
一般来讲,固定球型钢支座/盆式支座的水平承载力为竖向承载力的10%,这通常能够满足制动力等使用荷载的要求。因此,在进

行剪切销设计时,要求其剪切强度应大于竖向承载力的10%。但为了保证在地震荷载作用下,剪切销能够顺利剪断,要求其剪切

强度不能太大,因此,剪切销的剪切强度取5%~10%的竖向承载力,这样既能保证正常使用状态和中小地震作用下,支座保持稳

定,又能在遭遇强烈地震时剪切销顺利剪断变成滑动支座,保护桥墩不被破坏。
6.产品试验结果
6.1试验研究
采用2000吨动、静电液伺服加载系统对拉索减震支座进行了拟静力试验,系统研究了不同竖向力工况情况下拉索减震支座滞回

耗能性能、摩擦性能以及剪切销剪切性能等。试验结果(滞回曲线)表明:拉索减震支座滞回曲线线形饱满,随着支座所受竖

向力的逐步增加,支座摩擦系数有减小趋势,摩擦耗能性能基本处于稳定;拉索减震支座在设计自由行程内拉索基本不起作用

,当超越自由行程时抗力迅速增强,表明拉索减震支座限位能力强,能够很好控制上、下座板相对移位。由以上分析可知,拉

索减震支座具有良好的抗震性能。


滞回曲线

6.2数值模拟
通过采用大型通用有限元软件ANSYS对薄弱部件——剪切销及拉索夹板进行应力、应变分析(结果如下图所示),从理论上验证

该结构的可行性。


剪切销应力-应变云图

拉索夹板应力-应变云图

7.产品优势
在罕遇地震作用下,桥梁墩、塔及其基础抗震能力不足以及支座水平抗剪强度不足是经常遇到的情况,此时,如果仅靠提高构

件能力的方法(如增加截面尺寸、增大配筋率)来强行保证桥梁的抗震安全性,将是十分不经济的。而且一般情况下支座的

水平抗剪强度不高于竖向承载力的20%,很难保证在罕遇地震作用下不被剪坏。支座剪断后,对减小墩顶的绝对位移和墩底的弯

矩有明显的效果,但梁体与桥墩的相对位移迅速增大,必须采取措施进行限制。目前使用较多的是阻尼器、弹性索以及挡块,

但这些措施要么造价太高,要么需要在桥墩响应位置设置复杂的细部构造,给设计造成一定的困难。
相比其他减震支座产品,拉索减震支座主要具有以下优势:
(1)理念先进,力学特征明确
桥梁结构具有“头重脚轻”的特点,地震力主要集中在上部结构质量中心。
拉索减震支座在小震及中震作用下,保持固定支座的正常使用功能,但在罕遇地震作用下,通过剪坏剪切销的方法将固定支座变

为活动支座,并且拉索限制过大墩梁相对位移。拉索减震支座保留了球型钢支座/盆式支座竖向承载力大、水平位移量大的优点,

并将其摩擦隔震功能和拉索限位功能巧妙地结合在一个支座内,安装简便。通过合理的设计拉索的参数,使支座不仅能够满足静力

作用下的使用性能,而且在强震作用下能够有效地减小固定墩的受力,限制墩梁间的相对位移。因此,使桥梁体系正常使用条件下

明确地采用了固定支座与活动支座受力清晰,且拉索减震支座在小震及大震作用下有效精确的本构力学模型,有利于基于性能的抗

震设计准则的应用。

(2)技术成熟,性能稳定
拉索减震支座将球型钢支座/盆式支座的竖向承载力大、水平位移量大以及在地震中有效地隔震、耗能的优越特性与拉索的限位

能力巧妙地整合在支座中。球型钢支座/盆式支座属于摩擦滑移体系,对输入地震波的频率不敏感,隔震范围较广泛,同时拉索能

够有效地限制墩(台)与主梁之间的水平相对位移,限位能力的大小与拉索的刚度有关,可以根据计算确定,由于球型钢支座/盆

式支座和拉索的技术已经非常成熟、且性能稳定,因此由此二者组合而成的拉索减震支座性能是稳定的。
(3)造价低廉,性价比高
根据已经应用的情况看,拉索减震支座的价格仅会比普通球型钢支座/盆式支座略高,远低于其他减隔震支座、阻尼器等产品,

性价比高,有很广阔的应用前景。
(4)全方位减震限位,应用前景广阔
适当设计拉索减震支座可以做到在水平面的减震效果没有方向性限制,也可以避免由于竖向地震造成减震失效的问题。因此,拉

索减震支座可以适用于公路桥梁、铁路桥梁、城市高架桥梁中的直线、弯曲、斜桥等桥型;而且,对于脉冲型近场地震,由于脉

冲时间短,延性耗能装置都没有表现耗能的机会,拉索减震支座更能显示其独特的减震优势。
8.成功应用的工程实例


jiubao

杭州九堡大桥

泉州机场连接线工程

南昌朝阳桥

太原市快速路网南、北中环高架桥工程