阻尼元件、摩擦摆支座及其阻尼方法
【专利摘要】阻尼元件，包括阻尼钢棒，其特征在于所述的阻尼钢棒为螺旋形状，阻尼钢棒的上端和下端均具有安装块，所述的安装块与阻尼钢棒之间的连接强度大于阻尼钢棒的抗拉强度。本发明的阻尼元件中的阻尼钢棒为螺旋形状，将阻尼元件应用到支座中，阻尼元件增加支座的水平刚度和垂向刚度，既减小支座受到的水平荷载，还能抵抗支座受到的竖向荷载，阻尼钢棒受到支座横向和纵向的水平荷载时，两种荷载使阻尼元件产生的滞回曲线都比较饱满，且基本一致，滞回耗能特性更显著，阻尼元件的塑性变形能力强，具有良好的抗震性能和耗能能力。本发明还提供一种摩擦摆支座及其阻尼方法。
【专利说明】
阻尼元件、摩擦摆支座及其阻尼方法
技术领域
[0001 ]本发明属于桥梁工程减振技术领域，主要涉及一种阻尼元件，可应用于摩擦摆支 座中消耗地震能量，达到减震目的。本发明还涉及一种摩擦摆支座及其阻尼方法。
[0002]
【背景技术】
[0003] 在正常工作或常遇地震(E1地震)发生时，普通摩擦摆支座依靠本身的阻尼能满足 上部结构的使用要求，但在大风、强地震(E2地震)等极限状况下，普通摩擦摆支座承受的水 平荷载较大，会产生过大水平位移，造成上部结构发生破坏，如桥梁上部结构易产生落梁危 害。
[0004] 现有技术中具有阻尼功能的摩擦摆支座包括以下几种： 1、E型钢阻尼支座 如授权公告号为CN201261859Y的实用新型专利，通过E型钢阻尼元件的弹塑性变形为 摩擦摆支座主体部分提供附加阻尼，并耗散部分地震能量，E型钢阻尼元件的主要作用是 减小支座受到的水平荷载，而不能抵抗支座受到的竖向荷载。
[0005] 2、拉索型摩擦摆减隔震支座 如授权公告号为CN203320402U的实用新型专利，拉索型主要起到限位和抗拉功能，其 几乎不具备通过阻尼元件的弹塑性变形来耗散地震能量的功能。
[0006] 3、装有环形钢板的摩擦摆支座 如申请号为201410247967. X的发明专利申请，通过环形钢板的弹塑性变形为摩擦摆 支座主体提供附加阻尼。环形钢板受到支座横向和纵向的水平荷载时，环形钢板的滞 回曲线不一致，即横向水平荷载使环形钢板产生的滞回曲线比较饱满，而纵向水平荷载使 环形钢板产生的滞回曲线不饱满，环形钢板的滞回耗能特性并不显著。
【发明内容】
[0007] 本发明提供一种阻尼元件，应用于摩擦摆支座中，增加支座的水平刚度和垂向刚 度，滞回耗能特性更显著，具有良好的抗震性能和耗能能力。本发明还提供一种摩擦摆支座 及其阻尼方法。
[0008] 为达到上述目的本发明采用的技术方案是:阻尼元件，包括阻尼钢棒，其特征在于 所述的阻尼钢棒为螺旋形状，阻尼钢棒的上端和下端均具有安装块，所述的安装块与阻尼 钢棒之间的连接强度大于阻尼钢棒的抗拉强度。
[0009] 优选的，所述的阻尼钢棒为右螺旋阻尼钢棒或左螺旋阻尼钢棒。
[0010] 优选的，所述的阻尼钢棒的横截面为圆形，两个安装块垂直对齐，阻尼钢棒在两个 安装块之间的旋转角度为360度。
[0011] 优选的，所述的阻尼钢棒的直径d为50~100mm，旋转半径r为300~500mm，安装块的 厚度t大于等于阻尼钢棒的直径d，并且旋转半径r与直径d的比值为3.7±0.2。
[0012] 优选的，所述的阻尼钢棒为软钢材质，所述的安装块为加强钢板，阻尼钢棒与安装 块通过铸造工艺连接成一体。
[0013] 摩擦摆支座，包括上座板和下座板，其特征在于在摩擦摆支座的四周或对称的两 侧布置有以上所述的阻尼元件，安装块固定在上座板底面或下座板顶面，使阻尼元件设置 于上座板和下座板之间，并且安装块与上座板底面和下座板顶面的连接强度均大于阻尼元 件中的安装块与阻尼钢棒之间的连接强度。
[0014] 优选的，布置在摩擦摆支座同一侧的阻尼元件由相同数量的具有右螺旋阻尼钢棒 的阻尼元件和具有左螺旋阻尼钢棒的阻尼元件组成，具有右螺旋钢棒的阻尼元件互相间隔 排列，具有左螺旋钢棒的阻尼元件互相间隔排列，并且具有右螺旋钢棒的阻尼元件与具有 左螺旋钢棒的阻尼元件对称布置。
[0015] 优选的，所述的阻尼元件中的阻尼钢棒在两个安装块之间的旋转角度为360度，阻 尼钢棒的螺距小于等于上座板与下座板之间的距离。
[0016] 摩擦摆支座的阻尼方法，其特征在于所述的摩擦摆支座为以上所述的摩擦摆支 座，通过摩擦摆支座四周或两侧布置的阻尼元件，在非正常状态下，对支座的变形提供阻尼 作用，达到减震的目的。
[0017] 优选的，根据摩擦摆支座的减振需求设计阻尼元件的数量及阻尼元件中阻尼钢棒 的直径d和旋转半径r，所述的阻尼钢棒的直径d为50~100mm，旋转半径r为300~500mm，并且 旋转半径r与直径d的比值为3.7±0.2使单个阻尼元件在发生疲劳破坏时的总滞回耗能达 到最大值，当发生较强地震时，阻尼元件的耗能效率最高。
[0018] 本发明的有益效果： 1、本发明的阻尼元件中的阻尼钢棒为螺旋形状，将阻尼元件应用到支座中，阻尼元件 增加支座的水平刚度和垂向刚度，既减小支座受到的水平荷载，还能抵抗支座受到的竖向 荷载，阻尼钢棒受到支座横向和纵向的水平荷载时，两种荷载使阻尼元件产生的滞回曲线 都比较饱满，且基本一致，滞回耗能特性更显著，阻尼元件的塑性变形能力强，具有良好的 抗震性能和耗能能力。
[0019] 2、本发明的阻尼元件具有较大的弹性位移，应用于摩擦摆支座中，在常遇地震作 用下，可以通过摩擦摆支座的恢复力和阻尼元件的弹性力抵抗地震力，此时阻尼元件受到 的拉力较小，仅产生弹性变形，无需更换。在较强地震作用下，利用摩擦摆支座的滑移消耗 的地震能量比较有限，剩余部分地震能量无法耗散，可以通过阻尼元件的弹塑性变形耗散。 阻尼元件具有良好的抗疲劳性能，在支座反复滑动的过程中，不容易断裂，当阻尼元件从弹 性阶段进入塑性阶段以后，可大量的耗散地震能量，起到阻尼减振的作用。
[0020] 3、本发明的摩擦摆支座，在支座正常工作或常遇地震条件下，通过附加的阻尼元 件与摩擦摆支座主体能够完成竖向承载和水平承载；当发生较强地震时，在地震产生的巨 大水平力作用下，摩擦摆支座主体产生摩擦力引起的水平刚度有限，不足以提供所需的抗 力来限制上部结构的水平位移，此时，附加的阻尼元件由于受到较大的水平荷载而发生弹 塑性变形，抵抗支座的水平变形，并消耗地震能量，达到减震的目的。
[0021] 4、本发明的摩擦摆支座的阻尼方法，将阻尼元件布置在摩擦摆支座的四周或对称 两侧，阻尼元件的空间占用率小，安装方便，不增加支座的空间占用率，利用阻尼元件良好 的抗震性能和耗能能力，达到减振的目的。
[0022]
【附图说明】
[0023] 图1为【具体实施方式】中阻尼元件的立体结构示意图。
[0024] 图2为【具体实施方式】中阻尼元件的主视图。
[0025] 图3为【具体实施方式】中阻尼元件的俯视图。
[0026] 图4为【具体实施方式】中的摩擦摆支座的主视图。
[0027]
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图对本发明的实施例做详细说明。
[0029] 如图1至图3所示，阻尼元件1，包括阻尼钢棒11，所述的阻尼钢棒11为螺旋形状，阻 尼钢棒11的上端和下端均具有安装块12,所述的安装块12与阻尼钢棒12之间的连接强度大 于阻尼钢棒11的抗拉强度，保证阻尼钢棒在发生弹塑性变形时，安装块11与阻尼钢棒12之 间不发生断裂。
[0030] 所述的阻尼钢棒11为右螺旋阻尼钢棒或左螺旋阻尼钢棒。所述的阻尼钢棒11的横 截面为圆形，两个安装块12垂直对齐，阻尼钢棒11在两个安装块12之间的旋转角度为360 度，使阻尼钢棒11的中心段受力最大，最先发生塑性变形，阻尼钢棒在水平承载和垂向承载 时的滞回曲线都非常饱满，且基本一致，滞回耗能特性更显著，阻尼元件的塑性变形能力 强，具有良好的抗震性能和耗能能力。
[0031] 其中，阻尼钢棒11的直径d过小时初始刚度较小，难以起到限位、复位作用，过大时 不易成形;阻尼钢棒的旋转半径r过小不易成形，过大则占用空间大，对安装空间要求高，通 过试验得出，所述的阻尼钢棒11的直径d为50~100mm，旋转半径r为300~500mm，其初始刚度 及限位、复位功能最佳。安装块12的厚度t大于等于阻尼钢棒的直径d，保证阻尼元件的安装 强度，并且旋转半径r与直径d的比值为3.7 ± 0.2。
[0032] 当阻尼钢棒11的材质与安装块的材质相同时，阻尼元件的滞回耗能性能大致由阻 尼钢棒11的直径d和旋转半径r决定。经过多次试验发现，阻尼钢棒11的直径d相同时，旋转 半径r越大阻尼钢棒11的屈服力越低，单次循环加载中的滞回耗能越小；阻尼钢棒11的旋 转半径r相同时，阻尼钢棒11直径d越大，屈服力越大，单次循环加载的滞回耗能越大，因此 在考虑阻尼元件1的滞回耗能时，需要考虑单次循环中阻尼钢棒11的滞回耗能以及阻尼钢 棒11发生疲劳破坏时总的滞回耗能，即平衡旋转半径r与钢棒直径d的比例关系，经过多次 试验得出，所述的阻尼钢棒11的直径d为50~100mm，旋转半径r为300~500mm，并且旋转半径 r与直径d的比值为3.7±0.2时，单个阻尼元件1在发生疲劳破坏时的总滞回耗能达到最大 值。
[0033] 所述的阻尼钢棒11为软钢材质，所述的安装块12为加强钢板，阻尼钢棒11与安装 块12通过铸造工艺连接成一体，增大安装块12与阻尼钢棒11之间的抗拉强度。
[0034] 如图4所示，摩擦摆支座，包括上座板2和下座板3，在摩擦摆支座的四周或对称的 两侧布置有以上所述的阻尼元件1，安装块12固定在上座板2底面或下座板3顶面，使阻尼元 件1设置于上座板2和下座板3之间，并且安装块12与上座板底面和下座板顶面的连接强度 均大于阻尼元件1中的安装块12与阻尼钢棒11之间的连接强度，阻尼元件1在发生弹塑性变 形时，阻尼元件1不会与上座板2或下座板3发生脱落。
[0035] 布置在摩擦摆支座同一侧的阻尼元件1由相同数量的具有右螺旋阻尼钢棒的阻尼 元件1和具有左螺旋阻尼钢棒的阻尼元件1组成，具有右螺旋钢棒的阻尼元件1互相间隔排 列，具有左螺旋钢棒的阻尼元件1互相间隔排列，并且具有右螺旋钢棒的阻尼元件1与具有 左螺旋钢棒的阻尼元件1对称布置，通过两种旋向的阻尼元件联合作用，增大了了阻尼元件 1的变形阻力，使阻尼元件1所受水平承载反方向的阻力增加，阻尼元件1对水平载荷的抵抗 力更大，阻尼效率更佳。
[0036] 所述的阻尼元件1中的阻尼钢棒11在两个安装块之间的旋转角度为360度，阻尼钢 棒11的螺距小于等于上座板2与下座板3之间的距离。由于阻尼钢棒11在两个安装块之间的 旋转角度为360度，使得阻尼元件1中的阻尼钢棒11在两个安装块12之间高度正好为一个螺 距，当阻尼钢棒11的螺距等于上座板2与下座板3之间的距离时，安装块12的厚度等于阻尼 钢棒11的厚度，当阻尼钢棒11横截面为圆形时，安装块12的厚度等于阻尼钢棒11的直径。当 阻尼钢棒11的螺距小于上座板2与下座板3之间的距离时，安装块12的厚度大于阻尼钢棒11 的厚度，当阻尼钢棒11横截面为圆形时，安装块12的厚度大于阻尼钢棒11的直径，使阻尼元 件1的高度始终于上座板2和下座板3之间的距离相等，方便阻尼元件1的拆装。
[0037] 摩擦摆支座的阻尼方法，所述的摩擦摆支座为以上所述的摩擦摆支座，通过摩擦 摆支座四周或两侧布置的阻尼元件1，在非正常状态下，对支座的变形提供阻尼作用，达到 减震的目的。实际应用过程中，在支座正常工作或常遇地震条件下，通过附加的阻尼元件1 与摩擦摆支座主体能够完成竖向承载和水平承载；当发生较强地震时，在地震产生的巨大 水平力作用下，摩擦摆支座主体产生摩擦力引起的水平刚度有限，不足以提供所需的抗力 来限制上部结构的水平位移，此时，附加的阻尼元件1由于受到较大的水平荷载而发生弹塑 性变形，抵抗支座的水平变形，并消耗地震能量，达到减震的目的。
[0038]根据摩擦摆支座的减振需求设计阻尼元件1的数量及阻尼元件1中阻尼钢棒11的 直径d和旋转半径r，所述的阻尼钢棒11的直径d为50~100mm，旋转半径r为300~500mm，并且 旋转半径r与直径d的比值为3.7±0.2使单个阻尼元件在发生疲劳破坏时的总滞回耗能达 到最大值，当发生较强地震时，阻尼元件的耗能效率最高。
[0039] 从试验中发现，阻尼钢棒11的直径d相同时，旋转半径r越大阻尼钢棒11的屈服力 越低，单次循环加载中的滞回耗能越小;阻尼钢棒11的旋转半径r相同时，阻尼钢棒11直径d 越大，屈服力越大，单次循环加载的滞回耗能越大。因此在考虑阻尼元件1的滞回耗能时，需 要考虑单次循环中阻尼钢棒11的滞回耗能以及阻尼钢棒11发生疲劳破坏时总的滞回耗能， 即平衡旋转半径r与钢棒直径d的比例关系，经过多次试验得出，所述的阻尼钢棒11的直径d 为50~100mm，旋转半径r为300~500mm，并且旋转半径r与直径d的比值为3.7 ±0.2时，单个 阻尼元件1在发生疲劳破坏时的总滞回耗能达到最大值。如表1所示，当阻尼钢棒11的直径d 为90mm，旋转半径r分别为325mm、380mm、450mm，对应阻尼钢棒11的r/d比值分别为3.6、4.2、 5.0,而阻尼钢棒11单次循环加载的滞回耗能值分别为64kJ、50 kj、43kj，而阻尼钢棒11发 生疲劳破坏的循环次数为12次，此时单个阻尼元件1在r/d比值为3.6时发生疲劳破坏时的 总滞回耗能值最大。
[0040] 表1为阻尼钢棒直径d为90mm时，阻尼钢棒11的旋转半径不同的情况下阻尼元件 的滞回耗能表。
[0041] 本发明的优点在于： 1.本发明的阻尼元件中的阻尼钢棒为螺旋形状，将阻尼元件应用到支座中，阻尼元件 增加支座的水平刚度和垂向刚度，既减小支座受到的水平荷载，还能抵抗支座受到的竖向 荷载，阻尼钢棒受到支座横向和纵向的水平荷载时，两种荷载使阻尼元件产生的滞回曲线 都比较饱满，且基本一致，滞回耗能特性更显著，阻尼元件的塑性变形能力强，具有良好的 抗震性能和耗能能力。
[0042] 2.本发明的阻尼元件具有较大的弹性位移，应用于摩擦摆支座中，在常遇地震作 用下，可以通过摩擦摆支座的恢复力和阻尼元件的弹性力抵抗地震力，此时阻尼元件受到 的拉力较小，仅产生弹性变形，无需更换。在较强地震作用下，利用摩擦摆支座的滑移消耗 的地震能量比较有限，剩余部分地震能量无法耗散，可以通过阻尼元件的弹塑性变形耗散。 阻尼元件具有良好的抗疲劳性能，在支座反复滑动的过程中，不容易断裂，当阻尼元件从弹 性阶段进入塑性阶段以后，可大量的耗散地震能量，起到阻尼减振的作用。
[0043] 3.本发明的摩擦摆支座，在支座正常工作或常遇地震条件下，通过附加阻尼元件 与摩擦摆支座主体能够完成竖向承载和水平承载；当发生较强地震时，在地震产生的巨大 水平力作用下，摩擦摆支座主体产生摩擦力引起的水平刚度有限，不足以提供所需的抗力 来限制上部结构的水平位移，此时，附加的阻尼元件由于受到较大的水平荷载而发生弹塑 性变形，抵抗支座的水平变形，并消耗地震能量，达到减震的目的。
[0044] 4.本发明的摩擦摆支座的阻尼方法，将阻尼元件布置在摩擦摆支座的四周或对称 两侧，阻尼元件的空间占用率小，安装方便，不增加支座的空间占用率，利用阻尼元件良好 的抗震性能和耗能能力，达到减振的目的。
[0045]以上结合附图对本发明的实施例的技术方案进行完整描述，需要说明的是所描述 的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在 没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
【主权项】
1. 阻尼元件，包括阻尼钢棒，其特征在于所述的阻尼钢棒为螺旋形状，阻尼钢棒的上端 和下端均具有安装块，所述的安装块与阻尼钢棒之间的连接强度大于阻尼钢棒的抗拉强 度。2. 根据权利要求1所述的阻尼元件，其特征在于所述的阻尼钢棒为右螺旋阻尼钢棒或 左螺旋阻尼钢棒。3. 根据权利要求1或权利要求2所述的阻尼元件，其特征在于所述的阻尼钢棒的横截面 为圆形，两个安装块垂直对齐，阻尼钢棒在两个安装块之间的旋转角度为360度。4. 根据权利要求3所的阻尼元件，其特征在于所述的阻尼钢棒的直径d为50~100mm，旋 转半径r为300~500mm，安装块的厚度t大于等于阻尼钢棒的直径d，并且旋转半径r与直径d 的比值为3.7±0.2。5. 根据权利要求1所述的阻尼元件，其特征在于所述的阻尼钢棒为软钢材质，所述的安 装块为加强钢板，阻尼钢棒与安装块通过铸造工艺连接成一体。6. 摩擦摆支座，包括上座板和下座板，其特征在于在摩擦摆支座的四周或对称的两侧 布置有权利要求1至权利要求5任一项所述的阻尼元件，安装块固定在上座板底面或下座板 顶面，使阻尼元件设置于上座板和下座板之间，并且安装块与上座板底面和下座板顶面的 连接强度均大于阻尼元件中的安装块与阻尼钢棒之间的连接强度。7. 根据权利要求6所述的摩擦摆支座，其特征在于布置在摩擦摆支座同一侧的阻尼元 件由相同数量的具有右螺旋阻尼钢棒的阻尼元件和具有左螺旋阻尼钢棒的阻尼元件组成， 具有右螺旋钢棒的阻尼元件互相间隔排列，具有左螺旋钢棒的阻尼元件互相间隔排列，并 且具有右螺旋钢棒的阻尼元件与具有左螺旋钢棒的阻尼元件对称布置。8. 根据权利要求6所述的摩擦摆支座，其特征在于所述的阻尼元件中的阻尼钢棒在两 个安装块之间的旋转角度为360度，阻尼钢棒的螺距小于等于上座板与下座板之间的距离。9. 摩擦摆支座的阻尼方法，其特征在于所述的摩擦摆支座为权利要求6至权利要求8任 一项所述的摩擦摆支座，通过摩擦摆支座四周或两侧布置的阻尼元件，在非正常状态下，对 支座的变形提供阻尼作用，达到减震的目的。10. 根据权利要求9所述的阻尼方法，其特征在于根据摩擦摆支座的减振需求设计阻尼 元件的数量及阻尼元件中阻尼钢棒的直径d和旋转半径r，所述的阻尼钢棒的直径d为50~ 100mm，旋转半径r为300~500mm，并且旋转半径r与直径d的比值为3.7±0.2使单个阻尼元 件在发生疲劳破坏时的总滞回耗能达到最大值，当发生较强地震时，阻尼元件的耗能效率 最尚。
【文档编号】E01D19/04GK105926431SQ201610529781
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】王伟强, 张银喜, 孔令俊, 曹志峰, 卜继玲, 姜其斌
【申请人】株洲时代新材料科技股份有限公司