一种锚索式耗能装置及桥梁

本发明涉及桥梁领域，具体涉及一种锚索式耗能装置及桥梁。

背景技术：

1、桥梁的耗能部件是桥梁结构安全性和耐久性的重要保障，其发展情况与桥梁工程领域的技术进步密切相关。随着地震、风灾等自然灾害的频繁发生，以及对桥梁安全性能要求的提高，桥梁耗能部件相关技术也得到长足发展。耗能部件能够吸收地震、风等自然灾害产生的能量，从而有效减轻桥梁结构的振动和损伤。目前，阻尼型耗能部件已发展出多种类型，如黏性阻尼器、摩擦阻尼器、金属屈服阻尼器等。其中，黏性阻尼器具有较大的耗能能力，但容易受到温度和频率的影响；摩擦阻尼器具有简单可靠的优点，但容易磨损；金属屈服阻尼器具有较大的能量吸收能力，但需要精确控制加载条件。

2、现有技术中的桥梁耗能部件，在应对因地震作用产生的位置、变形时，仍存在一些不足。地震会对桥梁产生不同方向的作用，导致桥梁上部结构横梁与桥梁下部结构的盖梁之间产生较大移位，传统的铅芯橡胶支座通过在普通叠层橡胶支座的中心插入铅芯来改善橡胶支座的阻尼性能，通过铅芯产生的滞后阻尼的塑性变形吸收地震能量，并通过橡胶提供水平恢复力，但其变形能力有限，在应对地震产生的较大位移时会导致铅芯橡胶支座的剪断，只依靠铅芯橡胶支座难以满足耗能和限位需求；另外，地震作用还存在不可预知性，固定方向的耗能部件难以适应多变地震作用的场景。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种锚索式耗能装置及桥梁，利用锚索建立桥梁上部结构和下部结构之间连接，并提供阻尼作用，能够利用锚索的柔性抵抗地震不确定方向的振动，锚索牵拉卷筒驱动内部耗能轴转动，以太阳齿轮啮合行星齿轮实现多根耗能轴的协同耗能，增加耗能过程中的位移量，满足较大位移耗能需求。

2、本发明的第一目的是提供一种锚索式耗能装置，采用以下方案：

3、钢箱，外部滑动套设有底座箱，该钢箱内填充阻尼液；

4、卷筒，通过卷筒轴安装于所述钢箱内，该卷筒轴配合有太阳齿轮；

5、耗能轴，具有螺旋叶片，多根耗能轴绕卷筒环向分布，并分别安装于所述钢箱内，耗能轴配合有行星齿轮，行星齿轮与太阳齿轮啮合传动；

6、锚索，卷绕于卷筒；于钢箱的滑动方向，锚索一端延伸至底座箱外，并连接盖梁锚。

7、进一步地，所述卷筒和卷筒轴之间配合有棘轮机构，以单向传动，卷筒和卷筒轴之间另配合有扭簧，压缩扭簧时卷筒的转动方向与卷筒单向传动的方向相同。

8、进一步地，所述钢箱的底板和底座箱的底板上分别设有供锚索穿过的开孔，开孔位于钢箱竖向中心线和底座箱的竖向中心线上，底座箱的开孔作为导向出口，朝向外侧的一端作平滑倒圆角。

9、进一步地，所述卷筒轴具有第一轴段和第二轴段，第一轴段和第二轴段为在卷筒轴的轴向上以卷筒为界的两个轴段，第一轴段和第二轴段上分别配合有太阳齿轮，耗能轴上设有与卷筒轴上太阳齿轮相应配合的行星齿轮。

10、进一步地，所述卷筒轴两端、耗能轴两端分别通过轴承安装于钢箱内壁，耗能轴有四根，对应钢箱竖向矩形截面的四个角位置分布，螺旋叶片能够接受从钢箱内壁方向回流的阻尼液的阻尼作用。

11、进一步地，所述钢箱的底板和底座箱的底板之间具有液气弹簧，为滑动配合的活塞壳和活塞块，活塞壳与活塞块之间形成填充阻尼液的第一液腔，活塞块具有活塞腔，活塞腔内滑动配合内隔板并将活塞腔分隔为气腔和第二液腔，第二液腔通过活塞壳上开设的阻尼液孔连通第一液腔。

12、进一步地，所述活塞壳接受钢箱的挤压作用，使活塞壳能够沿钢箱的运动方向上运动；阻尼液孔内安装有桨叶。

13、进一步地，所述钢箱与底座箱的滑动面具有单向阻尼机构，钢箱顶板与底座箱顶板之间连接有复位弹簧，于钢箱的移动方向上，复位弹簧对钢箱施加复位作用。

14、本发明的第二目的是提供一种桥梁，利用如第一目的所述的锚索式耗能装置。

15、进一步的，所述桥梁的上部结构端横隔梁与下部结构的盖梁之间连接有若干锚索式耗能装置，其中，底座箱布置在上部结构端横隔梁内，盖梁锚布置在盖梁内。

16、与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

17、（1）区别于现有技术中耗能部件变形能力差，在抵抗地震作用时容易导致剪断的问题，利用锚索建立桥梁上部结构和下部结构之间连接，并提供阻尼作用，能够利用锚索的柔性抵抗地震不确定方向的振动，锚索牵拉卷筒驱动内部耗能轴转动，以太阳齿轮啮合行星齿轮实现多根耗能轴的协同耗能，增加耗能过程中的位移量，满足较大位移耗能需求。

18、（2）将传统的刚性和半刚性的耗能、限位部件替换成柔性的锚索，避免了钢筋锚栓杆、铅芯橡胶支座等在往复的地震作用下沿盖梁上截面被剪断的常见问题，提高了整个装置限位功能的可靠性。

19、（3）卷筒和卷筒轴之间采用单向传动的棘轮机构，在锚索回卷复位时，扭簧直接驱动卷筒转动，而无需驱动耗能轴回转，降低复位难度；同时，在钢箱和底座箱之间采用单向摩擦板配合摩擦齿作为单向阻尼机构，在钢箱移动耗能时提供摩擦阻尼作用辅助耗能，在钢箱复位时，复位弹簧驱动钢箱回移而无需再次克服单向摩擦板作用，降低复位难度，便于耗能装置的复位循环使用。

20、（4）特殊配置耗能轴和卷筒轴的分布位置，使其形成环绕式结构，耗能轴位于钢箱竖向截面的角位置，使其在受到原位置阻尼液作用时，还会受到扰动后阻尼液冲击钢箱内壁回流的阻尼液作用，从而提高耗能轴的阻尼作用效果。

21、（5）在底座箱内设计液气弹簧，在钢箱运动耗能过程中阻碍钢箱的移动，形成耗能作用，锚索牵拉卷筒驱动耗能轴作为一级耗能作用，钢箱与底座箱之间单向摩擦作为二级耗能作用，液气弹簧压缩过程中作为三级耗能作用，协同实现锚索伸长过程中的阻尼作用，实现限制桥梁移位，形成锚索式多级耗能装置。

技术特征：

1.一种锚索式耗能装置，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的锚索式耗能装置，其特征在于，所述卷筒和卷筒轴之间配合有棘轮机构，以单向传动，卷筒和卷筒轴之间另配合有扭簧，压缩扭簧时卷筒的转动方向与卷筒单向传动的方向相同。

3.如权利要求2所述的锚索式耗能装置，其特征在于，所述钢箱的底板和底座箱的底板上分别设有供锚索穿过的开孔，开孔位于钢箱竖向中心线和底座箱的竖向中心线上，底座箱的开孔作为导向出口，朝向外侧的一端作平滑倒圆角。

4.如权利要求1所述的锚索式耗能装置，其特征在于，所述卷筒轴具有第一轴段和第二轴段，第一轴段和第二轴段为在卷筒轴的轴向上以卷筒为界的两个轴段，第一轴段和第二轴段上分别配合有太阳齿轮，耗能轴上设有与卷筒轴上太阳齿轮相应配合的行星齿轮。

5.如权利要求4所述的锚索式耗能装置，其特征在于，所述卷筒轴两端、耗能轴两端分别通过轴承安装于钢箱内壁，耗能轴有四根，对应钢箱竖向矩形截面的四个角位置分布，螺旋叶片能够接受从钢箱内壁方向回流的阻尼液的阻尼作用。

6.如权利要求1所述的锚索式耗能装置，其特征在于，所述钢箱的底板和底座箱的底板之间具有液气弹簧，为滑动配合的活塞壳和活塞块，活塞壳与活塞块之间形成填充阻尼液的第一液腔，活塞块具有活塞腔，活塞腔内滑动配合内隔板并将活塞腔分隔为气腔和第二液腔，第二液腔通过活塞壳上开设的阻尼液孔连通第一液腔。

7.如权利要求6所述的锚索式耗能装置，其特征在于，所述活塞壳接受钢箱的挤压作用，使活塞壳能够沿钢箱的运动方向上运动；阻尼液孔内安装有桨叶。

8.如权利要求1所述的锚索式耗能装置，其特征在于，所述钢箱与底座箱的滑动面具有单向阻尼机构，钢箱顶板与底座箱顶板之间连接有复位弹簧，于钢箱的移动方向上，复位弹簧对钢箱施加复位作用。

9.一种桥梁，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述锚索式耗能装置。

10.如权利要求9所述的桥梁，其特征在于，所述桥梁的上部结构端横隔梁与下部结构的盖梁之间连接有若干锚索式耗能装置，其中，底座箱布置在上部结构端横隔梁内，盖梁锚布置在盖梁内。

技术总结
本发明提供一种锚索式耗能装置及桥梁，涉及桥梁领域，区别于现有技术中耗能部件变形能力差，在抵抗地震作用时容易导致剪断的问题，利用锚索建立桥梁上部结构和下部结构之间连接，并提供阻尼作用，能够利用锚索的柔性抵抗地震不确定方向的振动，锚索牵拉卷筒驱动内部耗能轴转动，以太阳齿轮啮合行星齿轮实现多根耗能轴的协同耗能，增加耗能过程中的位移量，满足较大位移耗能需求。

技术研发人员：张宇,刘晨,张军圣,周传辉,李承克,石学良,庞博文,孟杰,陈石磊
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15