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拉索摩擦摆减隔震支座

1.产品概述
  拉索摩擦摆减隔震支座是在我公司技术总顾问、同济大学土木工程防灾国家重点实验室袁万城教授的带领下,研发、设计、生产的一种新型减隔震支座。由拉索组件及普通摩擦摆支座组合而成,是一种实用型、高性能的减隔震支座产品,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。


  拉索摩擦摆减隔震支座是在充分发挥普通摩擦摆减隔震支座摩擦耗能性能优越、恢复能力强等诸多优越性能的同时,通过合理的设计,将易于调节自由程,可更换的拉索组件固定于支座的上、下支座板上。以确保普通摩擦摆支座在地震作用下的可靠复位,防止强震作用下落梁事故的发生。其工作原理为(以固定支座为例):在正常工作状态下,由于抗剪销的作用,将限位卡环分别与上、下支座板连接为一体,此时,拉索摩擦摆减隔震支座表现为固定支座的形式。在地震发生时,当水平力大于抗剪销的抗剪强度后,抗剪销被剪断,此时支座的性质由固定支座形式变为多向活动支座的形式。当活动支座的位移超过一定值时,两侧拉索开始承受拉力,起到缓冲限位的作用。

2.产品设计理念
  拉索摩擦摆减隔震支座通过将普通摩擦摆支座与拉索组件的有效结合,改进了普通摩擦摆支座在强震作用下位移过大,易发生落梁事故等缺点。其采用的设计理念为:在地震发生之前的正常工作状态下,保持固定支座的正常使用功能,在地震发生时,通过剪断抗剪销的方法使固定支座变为活动支座,并通过安装于上、下支座板间的拉索来限制因此而引起的过大墩梁相对位移,拉索自由程的可调节,以及拉索组件的可更换使得拉索限位摩擦摆减隔震支座不仅能满足静力作用下的正常使用功能,而且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。


3.产品性能目标
  基于上述的设计理念,拉索摩擦摆减隔震支座必须达到以下两个性能目标。
(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,拉索摩擦摆减隔震支座与普通摩擦摆支座性能相同;
(2)在遭遇地震时,固定支座抗剪销被剪断,变成滑动支座并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,防止落梁事故的发生。


易更换的拉索摩擦摆减隔震支座
4.产品结构形式
  拉索摩擦摆减隔震支座主要由摩擦摆支座、抗剪销及拉索组成,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,并利用弹性拉索限制梁墩相对位移,从而在整体上有效降低结构地震响应。固定支座的

结构形式如下图所示:


5.产品设计参数
拉索摩擦摆减隔震支座的设计主要包括拉索组件及摩擦摆支座两方面的内容,以下分别对拉索组件及摩擦摆支座的相关设计参数进行介绍。
5.1 拉索
5.1.1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,分别为

支座在纵向和横向的设计水平位移。
5.1.2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。
5.1.3拉索水平向极限强度
固定支座限位卡环被剪断后,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%。
5.2摩擦摆支座
摩擦摆支座设计需要的主要技术参数:1、支座设计载荷;2、设计转角;3、摩擦系数;4、预设隔震周期;5、支座位移;6、安装

方式及结构尺寸(如有需要时)。
5.2.1支座隔震周期
摩擦摆支座的设计采用单摆的工作原理,其设计隔震周期如下所示:

式中:R为第一滑动面的曲率半径,通常情况下取2~4m;T为隔震周期,一般为2.5~4s。
5.2.2支座刚度
根据材料力学知识,支座的刚度按下式计算:
支座屈服后刚度:
支座的等效刚度为:
式中:V为上部结构的竖向荷载;d为支座的水平位移;R为第一滑动面的曲率半径;μ为滑动面的摩擦系数。
5.2.3支座阻尼比
根据相关结构力学知识,支座等效阻尼比按下式计算:

式中:d为支座的水平位移;R为第一滑动面的曲率半径;μ为滑动面的摩擦系数。
6.产品试验结果
6.1试验研究
  通过采用大吨位静电液伺服加载系统对拉索摩擦摆减隔震支座进行静力试验,试验结果(滞回曲线)如下,结果表明:拉索摩

擦摆减隔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;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,表明拉索摩擦摆减隔震支座限位能力强,能够很好控制上、

下座板相对移位。由以上分析可知,拉索摩擦摆减隔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——拉索固定板进行应力、应变分析(结果如下图所示),从理论上验证该结构

的可行性。


拉索固定板应力-应变云图

7.产品优势
在地震作用下,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,但这些措施要么需要在桥

墩相应位置设置复杂的细部构造,给设计造成一定的困难;要么其减隔震效果以及防落梁能力存在不足。
相比其他减震支座产品,拉索摩擦摆减隔震支座主要具有以下优势:
(1)理念先进,工作原理明确
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。
拉索摩擦摆减隔震支座在小震作用下,保持固定支座的正常使用功能,当经历强震作用时,通过剪坏抗剪销的方法将固定支座变为活

动支座,且由拉索限制过大墩梁相对位移。拉索摩擦摆减隔震支座保留了普通摩擦摆支座承载力大、水平位移量大的优点,并将其

优越的减隔震性能与拉索的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,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。
(2)技术成熟,性能稳定
拉索摩擦摆减隔震支座将普通摩擦摆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。摩擦摆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,由于摩擦摆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摩擦摆减隔震支座性能是稳定的。
(3)全方位减震限位,应用前景广阔
适当设计拉索摩擦摆减隔震支座可以做到在水平面的减震效果没有方向性限制,同时,拉索的限位功能可以有效地防止落梁事故的发

生。因此,拉索摩擦摆减隔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,尤其适用于高频、

强震区的各种桥梁工程,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,拉索限位摩擦摆减隔

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

上海市青浦区盈港路油墩港大桥