等刚臂速度锁定减隔震支座的制作方法

本发明涉及桥梁及其它建筑工程的支撑装置技术领域，涉及一种等刚臂速度锁定减隔震支座。

背景技术：

支座是桥梁及建筑工程中的重要组成部件之一，其作用是将桥梁及建筑结构的上部载荷通过支座传递到墩台上，同时保证结构所要求的受力、位移和转动的需要。

2008年汶川特大地震以来，减隔震支座犹如雨后春笋得到了广泛运用和实践。现有减隔震装置按工作原理主要分为橡胶隔震型、位移相关型和速度相关型。橡胶隔震型可在地震瞬间同时发生作用，常规状态下由于温度位移，支座受到水平剪切，结构承受支座在水平方向的反作用力，且橡胶类产品始终存在老化问题；位移相关型主要有弹塑性钢减震和摩擦隔震，在温度位移的作用下，结构同样受到减隔震装置水平或竖向(含水平分力)的反作用力；速度相关型主要有速度锁定器和阻尼器，前者在地震时将结构由活动锁定为固结状态，结构整体受力较大，后者应用效果较好，但存在易漏油和超预期作用时整体易失效等风险。在众多减隔震项目应用中，尤其是对于长联大跨桥梁进行减隔震应用时，一直难以找到一款合适的产品，即长联大跨桥梁的支座温度位移和减隔震功能不统一的矛盾始终得不到很好的解决。同时，现有机构还普遍存在着体积庞大的问题，这样对于空间以及安装都提出了较高的要求。因此，亟待开发出一种既能适应温度位移，又能在地震来临时，不管支座温度位移后在哪个位置，都能瞬间启动减隔震功能的产品，同时解决其体积庞大的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种等刚臂速度锁定减隔震支座，以提供一种将温度位移和减隔震功能进行完美的统一，且在保证隔震效果的前提下实现其小型化的要求。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种等刚臂速度锁定减隔震支座，包括上座板、钢盆、球冠衬板、球凹衬板和下座板，所述的上支座设置于钢盆上，之间设置有滑动板和纵向导轨，所述的球凹衬板焊接设置于下座板上，其特征在于：还包括减隔震构件，所述的减隔震构件包括等刚臂、速度锁定器和连接座，所述的连接座设置于上座板直角内侧，速度锁定器包括外壳，所述的速度锁定器的外壳设置于上座板上，其两端伸出的活塞杆的端部设置有连接块，连接块上设置有梯形牙，连接块上的梯形牙与连接座上的梯形牙相互咬合，所述的等刚臂的一端通过转动铰与下座板铰接，另一端通过转动铰与速度锁定器的外壳铰接，所述的连接座至少设置有一对且对称设置于上底板的底面，速度锁定器至少设置有一个设置于上座板的一侧。

所述的减隔震构件还包括限位块，所述的限位块纵向设置于中钢板的外侧，通过限位耗能螺栓与上座板连接，所述的限位块设置有若干个，对称设置于钢盆的外侧。

所述的减隔震构件还包括限位块，所述的限位块纵向设置于钢盆的外侧，通过限位耗能螺栓与上座板连接，所述的限位块设置有若干个，对称设置于钢盆的外侧，所述的下座板顶面中间设置有横向凹槽，下座板的横向凹槽内设置有横向导轨，横向导轨通过凸出台阶在下座板的横向凹槽内横向滑动，纵向限位，球凹衬板与下座板之间设置有滑动板。

所述的下座板顶面中间设置有横向凹槽，下座板的横向凹槽内设置有横向导轨，横向导轨通过凸出台阶在下座板的横向凹槽内横向滑动，纵向限位，球凹衬板与下座板之间设置有滑动板。

所述的等刚臂的金属板结构外部为弧形，内部为等刚度非线性曲线构成的弓形结构，金属板的两端设有圆环状连接结构；

所述的等刚臂的弓形结构设计包括以下步骤：

第一步：求解等刚臂内、外轮廓曲线；

(a)根据安装尺寸的要求确定等刚臂椭圆中心线的长轴a、短轴b，椭圆弧起点、终点对应于椭圆参数方程中的圆心角θS、θE；

(b)根据等刚性设计方法，建立等刚臂力学模型，得出等刚臂截面宽度Hθ随圆心角θ的变化关系，具体如下：

其中：B为等刚臂设计厚度；σy为材料屈服强度；Fy为设计屈服力；

(c)根据固定螺栓或销钉的材料强度、加工水平及设计需求等确定连接耳板处的开孔及外形尺寸；

第二步：求解等刚臂设计刚度

(a)根据能量法原理，建立等刚臂变性能计算模型，得出弹性变形极限Ux计算公式如下：

其中：εy为材料的屈服应变；

Δ_θ＝|a·tanα·cosθ-b·sinθ+b·sinθ₀-a·tanα·cosθ₀| (7)

Δ_θm＝|a·tanα·cosθ_m-b·sinθ_m+b·sinθ₀-a·tanα·cosθ₀| (8)

(b)求出等刚臂的一次刚度计算公式：

所述的球凹衬板与钢盆的盆环内壁接凸缘处设置有衬套。

所述的转动铰转动球铰。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明中等刚臂的的一端与下座板铰接，另一端与速度锁定器铰接，这样在发生地震时，速度锁定器锁定，等刚臂在上下滑动面相对位移时被拉伸压缩，实现本发明的减震耗能功能；

2)本发明的适用范围广：由于等刚臂适应的结构参数变化多端，设置的联接两端按自由转动设计，其设置的方式可多样化，并根据安装空间设计最合理的设置方式，既能保证其减震耗能效果，又可实现结构的小型化，因此占据空间小，组装简便，安装效率高；

3)本发明速度锁定器活塞杆的两端采用梯形牙与连接座连接，该连接结构更紧凑，联接性能更为可靠；

4)本发明增加了限位块、等刚臂、连接座、速度锁定器等减隔震构件，使得在作用水平力或发生地震时，通过限位耗能螺栓消能、往复位移摩擦和等刚臂的弹塑性变形(阻尼)等方式来消耗能量，延长结构震动周期，从而减小或隔离地震对结构的影响，实现两状态及时分离和双水准精准设防。其中：a、限位块通过限位耗能螺栓与下座板连接，通过调整限位耗能螺栓直径的大小可精确控制支座承受的水平力大小；b、通过增减限位块和增减横向导轨可满足支座的正常使用位移要求，亦可以改变支座的使用功能，使之分别为固定型支座、横向活动型支座、纵向活动型支座、双向活动型支座；c、通过设置限位滑槽(指上座板和下座板上的凹槽)可满足支座的正常使用位移要求，其位移量与限位板的固定位置相对应，亦可改变支座的使用功能；d、通过改变等刚臂的刚度和速度锁定器的直径大小，以承受地震作用下分级设防的不同水平力；e、通过改变速度锁定器内部尺寸可以调整其锁定时的速度阈值，从而改变支座减隔震功能启动的时间。

5)材料使用率高：金属等刚臂主要通过材料塑性变形吸收并消耗能量，本发明所述等刚臂采用等刚性设计方法，可保证各截面同步发生塑性变形，有效增大进入塑性工作阶段的材料占比，解决普通等刚臂塑性工作区域小，材料使用率低的问题。

6)变形能力强：本发明所提出设计方法，可将结构变形均匀的分散到等刚臂的不同截面处，有效提高结构承受大变形的能力；同时，通过结构参数的调整，可进一步对阻尼位移大小进行定制化的设计。

7)阻尼效果好：本发明提供的设计方法，可以根据所需的等刚臂及基本限定尺寸分别对等刚臂的外形曲线及刚度等参数进行精确设计，保证其力学性能符合使用要求；同时，提高的了材料使用率，也在一定程度上增大了阻尼比，有效提高了等刚臂的使用效果。

8)结构灵活多变，可适用于不同的场合：本发明提出的方法中，金属板可以为对称或非对称结构，可根据产品的要求选择不同的弧线段，这样可以适用于不同体积的产品，也便于安装，所以对于场地施工的要求大大降低。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是图1的左视图；

图3是图1的仰视图；

图4是本发明实施例2的结构示意图；

图5是图4的左视图；

图6是图4的仰视图；

图7是本发明实施例3的结构示意图；

图8是图7的左视图；

图9是图7的仰视图；

图10是本发明实施例4的结构示意图；

图11是图10的左视图；

图12是图10的仰视图；

图13为等刚臂外形示意图；

附图标记说明如下：1－上座板，2－钢盆，3－连接块，4－纵向导轨，5－球冠衬板，6－球凹衬板，7－横向导轨，8－下座板，9－等刚臂，10－转动铰，11－连接栓，12－衬套，13－速度锁定器，14－连接座，15－限位块，16—外壳。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做详细地描述。

实施例一(图1—图3)实现纵向限位，形成双向活动型支座：

一种等刚臂速度锁定减隔震支座，包括上座板1、钢盆2、球冠衬板5、球凹衬板6和下座板8，还包括减隔震构件，所述的减隔震构件包括等刚臂9、速度锁定器13和连接座14，所述的连接座14设置于上座板1直角内侧，速度锁定器13包括外壳16，所述的速度锁定器13的外壳设置于上座板1上，其两端伸出的活塞杆的端部设置有连接块3，连接块3上设置有梯形牙，连接块3上的梯形牙与连接座14上的梯形牙相互咬合，所述的等刚臂9的一端通过转动铰10与下座板8铰接，另一端通过转动铰10与速度锁定器13的外壳铰接，所述的连接座14设置于上底板1的底面，速度锁定器13设置有两个，连接座14设置有4个，所述的上支座1设置于钢盆2上，之间设置有滑动板，纵向导轨4与钢盆2采用螺栓连接，所述的球凹衬板6焊接设置于下座板8上，所述的下座板8顶面中间设置有横向凹槽，横向凹槽内设置有横向导轨7，横向导轨7通过凸出台阶在下座板8的横向凹槽内横向滑动，纵向限位，球凹衬板6与下座板8之间设置有滑动板，所述上座板1底面中间设置纵向凹槽，纵向导轨4突出台阶在上座板1的纵向凹槽内纵向滑动，横向限位；横向导轨7与球凹衬板6用螺栓连接，横向导轨7凸出台阶在下座板的横向凹槽内横向滑动，纵向限位，形成双向活动型支座。

所述的等刚臂9的结构包括外部为弧形，内部为等刚度非线性曲线构成的弓形结构，弓形结构的两端设有圆环状连接结构。

所述的球凹衬板6与钢盆的盆环内壁接凸缘处设置有衬套12。

所述的转动铰10转动球铰。

图中，支座的左右方向为顺桥方向。在正常状态下，支座通过支座本体实现常规的承载和转动功能，并通过纵向导轨4和横向导轨7在纵向凹槽和横向凹槽内分别实现支座的纵向和横向位移功能，全部结构均处于较低的弹性工作阶段。地震时，速度锁定器13锁定，由于等刚臂9的一端与速度锁定器13的外壳连接，外壳锁定后，等刚臂与外壳连接端也锁定，只能另一端拉伸或者压缩，支座瞬间进入减隔震功能状态，发挥减隔震作用。

实施例二：(参见图4-图6)形成纵向活动型支座：

一种等刚臂速度锁定减隔震支座，包括上座板1、钢盆2、球冠衬板5、球凹衬板6和下座板8，还包括减隔震构件，所述的减隔震构件包括等刚臂9、速度锁定器13和连接座14，所述的连接座14设置于上座板1直角内侧，速度锁定器13包括外壳16，所述的速度锁定器13的外壳设置于上座板1上，其两端伸出的活塞杆的端部设置有连接块3，连接块3上设置有梯形牙，连接块3上的梯形牙与连接座14上的梯形牙相互咬合，所述的等刚臂9的一端通过转动铰10与下座板8铰接，另一端通过转动铰10与速度锁定器13的外壳铰接，所述的连接座14设置于上底板1的底面，速度锁定器13设置有两个，连接座14设置有4个；所述的上支座1设置于钢盆2上，之间设置有滑动板和纵向导轨4，所述的球凹衬板6焊接设置于下座板8上，所述上座板1底面中间设置纵向凹槽，纵向导轨4突出台阶在上座板1的纵向凹槽内纵向滑动，横向限位；所述下座板8与球凹衬板6焊接连接，形成纵向活动型支座。

所述的等刚臂9的结构包括外部为弧形，内部为等刚度非线性曲线构成的弓形结构，弓形结构的两端设有圆环状连接结构。

所述的球凹衬板6与钢盆的盆环内壁接凸缘处设置有衬套12。

所述的转动铰10转动球铰。

在正常状态下，支座通过支座本体实现常规的承载和转动功能，并通过纵向导轨4在纵向凹槽内实现支座的纵向位移功能，全部结构均处于较低的弹性工作阶段。地震时，速度锁定器13锁定，由于等刚臂9的一端与速度锁定器13的外壳连接，外壳锁定后，等刚臂与外壳连接端也锁定，只能另一端拉伸或者压缩，支座瞬间进入减隔震功能状态，发挥减隔震作用。

实施例三：(图7—图9)实现纵向限位，形成横向活动型支座：

一种等刚臂速度锁定减隔震支座，包括上座板1、钢盆2、球冠衬板5、球凹衬板6和下座板8，还包括减隔震构件，所述的减隔震构件包括等刚臂9、速度锁定器13、连接座14和限位块15，所述的连接座14设置于上座板1直角内侧，速度锁定器13包括外壳16，所述的速度锁定器13的外壳设置于上座板1上，其两端伸出的活塞杆的端部设置有连接块3，连接块3上设置有梯形牙，连接块3上的梯形牙与连接座14上的梯形牙相互咬合，所述的等刚臂9的一端通过转动铰10与下座板8铰接，另一端通过转动铰10与速度锁定器13的外壳铰接，所述的连接座14设置于上座板1的底面，速度锁定器13设置有两个，连接座14设置有4个；所述的限位块15纵向设置于钢盆2的外侧，通过限位耗能螺栓与上座板1连接，所述的限位块15设置有若干个，限位块15与中钢板2贴合紧密，所述的上座板1设置于钢盆2上，之间设置有滑动板，上座板1底面中间设置纵向凹槽，纵向导轨4突出台阶在上座板1的纵向凹槽内纵向滑动，横向限位；所述的球凹衬板6焊接设置于下座板8上，所述的下座板8顶面中间设置有横向凹槽，下座板8的横向凹槽内设置有横向导轨7，球凹衬板4与下座板8之间设置有滑动板，下座板8与球凹衬板之间设置滑动板，横向导轨7与球凹衬板8用螺栓连接，横向导轨7通过凸出台阶在下座板8的横向凹槽内横向滑动，纵向限位，形成横向活动型支座。

所述的等刚臂9的结构包括外部为弧形，内部为等刚度非线性曲线构成的弓形结构，弓形结构的两端设有圆环状连接结构。

所述的球凹衬板6与钢盆的盆环内壁接凸缘处设置有衬套12。

所述的转动铰10转动球铰。

在正常状态下，支座通过支座本体实现常规的承载和转动功能，并通过横向导轨7在横向凹槽内实现支座的横向位移功能，在纵向支座本体的钢盆2与限位块15贴合紧密，并通过限位块15来实现水平力的传递，全部结构均处于较低的弹性工作阶段。地震时，速度锁定器13锁定，由于等刚臂9的一端与速度锁定器13的外壳连接，外壳锁定后，等刚臂与外壳连接端也锁定，只能另一端拉伸或者压缩，支座瞬间进入减隔震功能状态，发挥减隔震作用。

地震时，速度锁定器13锁定，纵向滑动时等刚臂9被拉伸或压缩，支座瞬间进入减隔震功能状态，发挥减隔震作用。

实施例四：(参见图10—图12)形成固定性支座：

一种等刚臂速度锁定减隔震支座，包括上座板1、钢盆2、球冠衬板5、球凹衬板6和下座板8，还包括减隔震构件，所述的减隔震构件包括等刚臂9、速度锁定器13、连接座14和限位块15，所述的连接座14设置于上座板1直角内侧，速度锁定器13包括外壳16，所述的速度锁定器13的外壳设置于上座板1上，其两端伸出的活塞杆的端部设置有连接块3，连接块3上设置有梯形牙，连接块3上的梯形牙与连接座14上的梯形牙相互咬合，所述的等刚臂9的一端通过转动铰10与下座板8铰接，另一端通过转动铰10与速度锁定器13的外壳铰接，所述的连接座14设置于上座板1的底面，速度锁定器13设置有两个，连接座14设置有4个；所述的限位块15纵向设置于中钢板2的外侧，限位块15通过限位耗能螺栓与上座板1连接，限位块15与中钢板2贴合紧密，限制支座本体纵向滑动；所述的球凹衬板6焊接设置于下座板8上，所述的限位块5设置有若干个，对称设置于钢盆2的外侧。所述的上座板1设置于钢盆2上，之间设置有滑动板，上座板1底面中间设置纵向凹槽，纵向导轨4突出台阶在上座板1的纵向凹槽内纵向滑动，横向限位，形成固定型支座。

所述的等刚臂9的结构包括外部为弧形，内部为等刚度非线性曲线构成的弓形结构，弓形结构的两端设有圆环状连接结构。

所述的球凹衬板6与钢盆的盆环内壁接凸缘处设置有衬套12。

所述的转动铰10转动球铰。

在正常状态下，支座通过支座本体实现常规的承载和转动功能，在纵向支座本体的中钢板2与限位块15贴合紧密，并通过限位块15来实现水平力的传递，全部结构均处于较低的弹性工作阶段。地震时，限位块15被剪断，速度锁定器13锁定，由于等刚臂9的一端与速度锁定器13的外壳连接，外壳锁定后，等刚臂与外壳连接端也锁定，只能另一端拉伸或者压缩，支座瞬间进入减隔震功能状态，发挥减隔震作用。

本发明四个实施例中的速度锁定器可设置有两个，对称设置于上座板1上，相应连接座设置有四个，等刚臂可设置若干个均可；

本发明四个实施例中的速度锁定器可设置有三个，分别设置于上座板1的三侧，相应连接座设置有六个，等刚臂可设置若干个均可；

本发明四个实施例中的速度锁定器可设置有四个，对称设置于上座板1上，相应连接座设置有八个，等刚臂可设置若干个均可；

本发明中等刚臂由中部的一段或若干段连续的以C型结构为单元主体的金属板及两端的连接耳板组成，金属板与连接耳板为一次成型结构。金属板结构是外部为弧形，内部为等刚度非线性曲线构成的弓形结构。本发明中以采用一段金属板的为宜，既可达到设定的效果，同时结构最为简洁经济。

所述的等刚臂弓形结构的设计包括以下步骤：

第一步：求解等刚臂内、外轮廓曲线；

(a)根据安装尺寸的要求确定等刚臂椭圆中心线的长轴a、短轴b，椭圆弧起点、终点对应于椭圆参数方程中的圆心角θS、θE；

(b)根据等刚性设计方法，建立等刚臂力学模型，得出等刚臂截面宽度Hθ随圆心角θ的变化关系，具体如下：

其中：B为等刚臂设计厚度；σy为材料屈服强度；Fy为设计屈服力；

(c)根据固定螺栓或销钉的材料强度、加工水平及设计需求等确定连接耳板处的开孔及外形尺寸；

第二步：求解等刚臂设计刚度

(a)根据能量法原理，建立等刚臂变性能计算模型，得出弹性变形极限Ux计算公式如下：

其中：εy为材料的屈服应变；

Δ_θ＝|a·tanα·cosθ-b·sinθ+b·sinθ₀-a·tanα·cosθ₀| (7)

Δ_θm＝|a·tanα·cosθ_m-b·sinθ_m+b·sinθ₀-a·tanα·cosθ₀| (8)

(b)求出等刚臂的一次刚度计算公式：

上述方法的设计原理如下：

等刚臂(如图13)，包括C形金属板，其中心线取自一段非对称的椭圆弧。利用等刚性设计方法，使各截面最大正应力相等，并均达到材料的屈服应力，当等刚臂发生大变形时，各截面可同时进入塑性工作状态，产生阻尼效应，达到耗能的目的。采用等刚性设计，使等刚臂在压缩或拉伸时，可保证整体变形的均匀性，避免出现应变的局部积累，导致元件破坏失效。

等刚臂设计过程中，中心线参数及所取弧线段可根据安装要求确定，其余技术参数由设计屈服力及等刚臂设计厚度进行计算。等刚臂主要设计参数有：截面宽度H，弹性变形极限U及一次刚度K₁，具体方法如下：

步骤(一):

(a)根据安装要求确定等刚臂中心线长轴、短轴尺寸a、b及所取弧线段起点、终点对应于椭圆参数方程中的圆心角θ_S、θ_E。

(b)根据结构要求，确定等刚臂的设计屈服力Fy；根据材料类型确定材料的屈服强度σ_y与屈服应变εy；将步骤(a)、(b)、(c)中选定的参数带入方程(1)，求得等刚臂截面宽度H和截面对应圆心角θ的对应关系：

其中：B为等刚臂设计厚度；σy为材料屈服强度；Fy为设计屈服力；

(c)根据设计需求确定连接耳板处的开孔及外形尺寸；

第二步：求解等刚臂设计刚度

(d)将步骤(a)、(b)、(c)中选定的参数带入方程(5)，得出弹性变形极限Ux：

其中：εy为材料的屈服应变；

Δ_θ＝|a·tanα·cosθ-b·sinθ+b·sinθ_S-a·tanα·cosθ_S|

Δ_θm＝|a·tanα·cosθ_m-b·sinθ_m+b·sinθ_S-a·tanα·cosθ_S|

(b)求得一次刚度：

本发明在使用，将支座上座板或下座板分别锚固于工程结构的上、下部(主梁或墩台)，且本结构无论正反均可使用。

本发明通过下述减隔震原理来实现“两状态及时分离、双水准精准设防”的设计理念：

1)工作状态(对应正常运营阶段)：支座通过横向导轨或纵向导轨来实现力的传递，设置速度锁定器启动速率实现正常运营工作状态和地震状态的开启；

2)地震状态——常遇地震(对应抗震设防水准Ⅰ，即E1地震作用)：支座处于弹性工作阶段，等刚臂阻尼元件在设计地震位移内工作，与摩擦面共同作用隔离耗散地震能量；

3)地震状态——罕遇地震(对应抗震设防水准Ⅱ，即E2地震作用)：支座处于弹性工作阶段，等刚臂阻尼元件在罕遇地震位移内工作，与摩擦面共同作用隔离耗散地震能量；罕遇地震下，支座具备1.5倍的安全储备位移，燕可通过往复位移摩擦和阻尼来耗散地震能量，极限情况下等刚臂拉伸可以防止梁体滑落，确保超预期地震时交通不中断。

因此，上述结构可根据桥型结构特点及当地的地质构造进行定制设计或选择。

本发明内容不限于实施例所列举，本领域技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。