多层次抗震设防结构支撑体系的制作方法

本发明涉及桥梁和类似结构抗震和抗冲击，具体地涉及一类抵抗水平和垂直地震波的多层次结构支撑体系及设计方法。

背景技术：

1、我国抗震设计规范规定桥梁等结构抗震设防目的是小震不坏，中震可修，大震不倒。在具体实施的步骤完成在e1和e2两水平抗震设防和对应的两阶段抗震设计。例如，对于单跨小于150米最常用的中小桥梁，e1阶段抗震设防目标是小震(e1地震作用，概率重现期约为50-100年)不坏，e2阶段抗震设防目标是设防大震(e2地震作用，重现期约为2000年)不倒。满足了这两个阶段的性能目标要求后，中震(重现期约为475年)可修的目标即认为已隐含满足中震(概率重现期约为475年)。如何在工程实践中保证中震可修仍是一个工程师经常需要认真考虑的问题。

2、例如，在e2抗震设防阶段对以弯矩内力为主的钢筋混凝土桥梁，国内外工程实践上多采用基于位移抗震设计设防和能力保护原则的延性设计，即在弯矩最大位置预设允许出现塑性应变和密集分布裂纹的“塑性铰”区域，其保证整体结构其它主要部不损害条件下有较大延性变形的能力，由此疏解地震载荷冲击的惯性力。这一方法显然也应用在属于较频繁出现事件的略低于e2地震载荷水平但远高于e1水平工况；为此如何保证“震后可修”是一个工程上的难题。极端的例子是许多强震经常伴随高频次高烈度的余震，可能没有留下抢修的时间和余地。

3、对我国单跨小于150米的中小桥梁中小跨径桥梁中，挡块是一个抗震的基本措施并得到广泛应应用。但工程实践表明：较强地震冲击下许多桥梁结构中挡块的抗震功能有限，原因大致如下：

4、1.与所阻挡梁件间隙难确定；简单的讲，挡块是限制两构件相对位移的装置；但如何确定限位功能生效的初始位移，即两构件之间间隙，仍是一个工程难题；间隙过小沿挡块方向两构件类似固结，温差和微小震动可能在结构体内造成较高应力；间隙过大时可能在许多地震工况下无功效，同时强震作用下间隙为相对位移提供加速滑动的余地，对应的高速冲击惯性力导致挡块易破坏。

5、2.缺乏减隔震功效，一次性破坏：在挡块与被限位构件接触前没有减隔震作用，接触后挡块一旦在某一地震波段冲击下破坏，便失去对结构的保护作用。

6、3.限位方向局限：一般挡块只限制梁件一个水平方向位移，实践中主要应用于限制梁件横桥向位移；但实际情况表明顺桥向落梁是地震造成桥梁破坏的最常见形式，例如2021年中国青海玛多地震，见图1；如果增加顺桥向挡块，势必需要加大墩顶或盖梁承载面积，导致桥墩尺寸增加和对应的附加施工成本。虽然应用中有将挡块设计成插入梁底部开孔的凸隼，但前述问题 1，即如何确定与孔壁间隙，或如何同时保证适当的限位功能和开孔构件及挡块强度，仍未有标准。另外，近几十年世界各地高烈度或造成较大损伤地震的记录，例如，2009年智利圣地亚哥(9级)，2011年日本仙台(8.9级)， 2021年中国青海玛多(7.4级)都表明，垂直地震波的影响不可忽视；在这类工况下，一般挡块的限位功能有限。

7、以2008年汶川地震为例，据统计，震后毁坏的桥梁高达5560座，其中大多数中小跨径桥梁破坏是在挡块失效后支座严重破损后发生的。2021年5 月22日青海玛多地震是主震(7.4级)后多次高烈度的有关例子(一周内发生4级以上余震15次；全部垮塌的野马滩1号高速公路桥距离主震，图1。

8、为了保证桥梁和类似结构的抗震安全和解决上述问题的一个选项，本发明公开了一类基于v支撑概念的多层次结构抗震设防支撑体系，简称“复合支撑体系”。这一体系的核心包括“新型v支撑”和“v基墩”；所述新型v支撑与在应用的常规v支撑不同之处在于创新的弹塑性结构抗震设防功能，简称”弹塑性v支撑”；v基墩内部包含弹塑性v支撑和特殊设计的配筋，是可以实现多水准抗震设防的钢筋混凝土承载体，可以用作矮桥墩，支座垫石，或抗震挡块。目标是实现基于两水准设计的多层次设防，即在 e1工况下结构无变化，e2工况下仍可以重复使用，在超过e2的超高烈度地震工况下保证结构不垮塌。

技术实现思路

1、传统观点认为，一个结构系统主要构件强度越高，系统抵抗载荷能力越高。对于地震载荷这一观点并非完全正确；因为地震力是由地震波造成地表突然运动在结构中产生的惯性力，如图3(a)系统i：地表突然运动带着桥墩一起运动，墩顶梁部的惯性力在墩柱中产生与运动方向相反的剪力v和对应的弯矩m＝h*v。对于高强度接近刚性系统的结构，在地表位移u作用下对应的剪力v与位移u成正比，见图3(c)。如图3(b)中的系统ii在墩和梁之间用的第一代v支撑连接[7，8]，其中v空腔内稳定销的变形迟滞了墩拖拽梁的运动加速度，导致惯性力减小。这一作用可以用特殊设计的v空腔和稳定销组合使得系统刚度降低；如图3(c)所示，对应的系统刚度一般记作keff，又称“结构等效刚度”。基于位移控制抗震结构延性设计和减隔震的核心是设计结构在所针对的地震载荷工况下具有较小的结构等效刚度。

2、如图3(b)中利用v支撑改善结构延性的原因如图4所示，利用在两个构件(图3中的梁和盖梁)预制的v形空腔5和插入的稳定销4来阻滞地震造成水平相对错动。如果没有v空腔5，稳定销4类似于常规的抗剪销；由于其不允许相对位移，微小地震的冲击或环境温度变化都可以引起抗剪销在两构件接触面位置的高剪切力集中，导致剪断。v空腔5的功用是避免这类局部应力集中，允许稳定销4在空腔内弯曲变形；并通过特殊设计的空腔沿轴线截面直径变化来逐步增加稳定销侧面与空腔壁接触面积，由此缩短稳定销4可弯曲变形的长度，增加抵抗位移的阻力。v空腔5的开口给予图4 中两构件相对滑动距离为r-r，这也是图4稳定销4中点弯曲变形的距离。第一代v支撑的设计要求稳定销4达到这一变形时保持弹性状态；这对或者稳定销4的半径r大小有限制，或v空腔5的开口部分较深，即图4中l1 必须达到特定数值。这些要求限制了第一代v支撑的应用。

3、考查图4中两构件在地震力作用下相对错动时在稳定销的变形过程，见图5。当作用力v小于vy时，稳定销处于弹性状态，如图5(a)。当v＝vy时，稳定销表面出现塑性应变，随着载荷增加塑性应变区域逐渐增加并从表面向销中心穿透，最后在稳定销整个截面进入塑性应变状态，形成如图5(b) 的局部塑性铰。常规情况下塑性铰出现后销杆梁类细长几何结构失去抵抗载荷能力。对v支撑，这意味着失去限位功能。对应于v＝vy时稳定销中最大弯矩是这一构件的“截面屈服弯矩”my，vy定义了工程上常用的“极限载荷”。

4、显然，如果能够让塑性应变产生但不出现如图5(b)的塑性应变集中和塑性铰，同时在构件内部保留适当的弹性区，即出现图5(c)所示的“均匀弹塑变形状态”，如此设计图4中稳定销4和v空腔5的v支撑组合可以做的更小同是产生图3(c)中较大的延性变形功效。

5、因此，本公开发明的一个核心是以图5(c)“均匀弹塑变形”模型为基础，是开发了创新的“v支撑-ii”其包含v形空腔5和稳定销4特殊设计组合的以保证下列功能：(1)稳定销4承担限位作用时受力弯曲后不出现塑性铰类似局部应力应变集中而失稳，(2)稳定销4弯曲变形后逐渐增大与 v空腔5内壁接触面积以借助环绕v空腔的材料基体强度限制位移，(3) 稳定销4内部有沿轴线方向分布连续的弹性区域，所储存的弹性势能提供复位驱动力，(4)稳定销4和v形空腔5的组合降低结构系统沿限位方向变形的刚度，衰减结构部件中对应的惯性力。下面为此进一步解释：

6、因为稳定销4是本装置限位的核心部件，采用耐久抗腐蚀的高强度合金或高强度复合材料制作，例如：钛铝合金，中高强度不锈钢，特氟龙等。对这类材料的大多数，其应力-应变曲线可以用ramburg-osgood关系来描述：

7、

8、式中σ，ε分别代表应力和应变；σy，εy为屈服应力和屈服应变；k 和n分别代表应力硬化常数和应变硬化指数。实用中公式(1)略繁琐；为了便于解释，本说明书后续推导中采用对金属材料较适用的下列线弹性-幂硬化关系表达：

9、

10、式中k代表应变硬化常数，塑性应变εp，弹性模量e按下公式定义：

11、εp＝ε-εy，

12、图6给出不同应变硬化指数时应力-应变曲线。

13、假设稳定销4遵循常规工程应用的欧拉-柏努利梁理论，其核心是梁中垂直于轴线的每个截面在梁弯曲后仍然是平面，即截面上每一质点的应变ε与到弯曲中性轴距离成正比，由此导出下列弯矩m与变形位移w曲率的关系如下：

14、

15、公式中i代表销杆的截面惯性矩，z是沿轴向坐标，w代表销杆偏离中轴线的横向位移。对于图5(c)所示受弯曲载荷的园销杆，横截面上弹性区应力对应的弯矩，记作me，可以用下式表达：

16、

17、应用本构关系式(2)，横截面上塑性区应力对应的弯矩，记作mp，可以用下式表达：

18、

19、式中，按照欧拉-柏努利梁理论，

20、

21、将(4)和(5)代入公式(3)，得到根据图5(c)“均匀弹塑变形状态”模型设计v空腔5内壁曲率的微分方程：

22、

23、和控制条件：

24、rp>0                                      (7)

25、在实际应用中，取：

26、rp≥0.3r             (8)

27、上式中r是稳定销半径。对于稳定销4半径不是常数情况，上述公式仍适用，但销杆的截面惯性矩i是轴线坐标z的函数。

28、以公式(6-8)为基础，本技术公开一类“多层次结构抗震设防支撑体系”，由于其植入了v支撑-ii，以下简称“v-ii体系”或“体系”。如图7 左侧构型所示：其中构件2的重力通过体系传递给下面的构件1。所述体系包括体积块3，其中预制的v空腔5和插入其中的稳定销4。稳定销4的另一端固定于上顶板8，后者通过预埋的螺栓9锚固在构件2下平面上。优选的，v空腔5内壁紧贴一层v套筒。优选的，v空腔内部填充阻尼材料颗粒或防水材料。体积块3的上平面预制或简单铺装v顶板6。在上顶板8和v 顶板6之间有一层起润滑作用的垫片7。体积块3通过内埋竖筋12与构件1 相连接，体积块3和构件1的接触面之间铺置一层起润滑作用的材料，例如，沥青。这一接触面竖筋12通过的位置分别在体积块3和构件1表面开v空腔12，又记作v空腔b。优选的，v空腔b环绕竖筋的抗剪加强套11。

29、当构件1和构件2在地震力冲击下开始水平错动时，体系中v空腔5 内壁曲率与稳定销4半径的几何尺寸组合按公式(6-8)设计，载荷等于或小于e1地震载荷水平时保证稳定销4处于弹性状态；当载荷继续增加时，稳定销4逐渐与v空腔贴合，利用v体积块3强度限制构件2的水平位移。当载荷达到e2地震载荷水平并继续增加时，体系允许体积块3沿与构件1的接触面滑动，利用竖筋12在v空腔b内变形继续阻挡水平错动。在设计中可以根据具体工况调整抗剪加强套11的几何尺寸来取得最佳的水平阻力与滑移位移。

30、因此，本公开发明的另一个关键是沿体积块3和构件1的接触面区域作为能力保护层，达到降低宏观系统整体刚度所需要延性。避免了常规延性设计在承载墩根部预设的塑性铰和对应的裂纹等不可修复永久损伤。

31、优选的，如图7右侧构型所示，稳定销4顶端用螺帽18固定一个铰球 15，再通过铰座16和铰盖17与上顶板8通铰接。

32、优选的，体积块3和构件1的接触面区域不再开置v空腔b；通过在体积块3上半部内埋附加的钢筋网络来形成其下半部分内的最小剪应力强度的能力保护层，见图7右侧构型。

33、优选的，稳定销4端通过稳定销4的抗剪加强套21同上顶板8固定连接，见图8。

34、优选的，竖筋12退化为两端分别插入体积块3和构件1之中v空腔b 的定位抗剪销，这一构型的优点是可快速搭建，见图8所公开构型。

35、图8实施例近一步描绘图7左侧系统的多层设防功能。

36、优选的，图7和图8介绍的构型不再承受构件2的重力，成为仅限位的体系，见图9。当两构件之一受到外力冲击时，两构件可以在沿与v挡块与构件1接触所定义水平面平行的方向相对滑动，同时v支撑-ii中稳定销4 弯曲变形，所对应的力抵抗这一滑动。当外载荷相当于e1抗震设防工况时，稳定销4处于弹性状态。所储存的弹性变形势能在震后驱动结构复原，从而实现“小震无碍”的要求。当外力继续增高解决或达到相当于e2抗震设防的工况时，v支撑-ii的设计保证稳定销4出现如图5(c)“均匀塑性分布模型”的塑性屈服模式。类似减隔震装置，被限位两构件的相对滑动衰减地震惯性力，滑动摩擦和稳定销的塑性变形耗散震动能量。虽然稳定销的塑性变形导致震后残余相对位移，但被限位两构件不脱离，可以实现“中震可运行”。定位抗剪销23，v空腔b10，和体积块3组合的破坏强度决定被限位结构系统“大震不倒”的极限载荷水平。