用于梁桥隔震系统的自复位摩擦阻尼器

摘要

本发明提供了一种用于梁桥隔震系统的自复位摩擦阻尼器，包括阻尼器缸、摩擦装置、第一弹性装置、第二弹性装置、活塞和导向杆；导向杆贯穿整个阻尼器缸，活塞沿导向杆左右活动并且分别通过第一弹性装置和第二弹性装置与阻尼器缸的左右壁连接；摩擦装置和阻尼器缸的上下壁活动连接，而活塞通过连接斜杆与摩擦装置连接，连接斜杆与活塞之间设有限位装置。本发明的目的在于提供一种兼具耗能能力和自复位功能的阻尼器，该装置能够使上部结构偏离平衡位置时具有摩擦力实现耗能，而在恢复到平衡位置的过程中不具有摩擦力，减小复位阻力，并且整个过程中阻尼器的各个构件均处于弹性范围内，从而有效克服了现有技术存在的一系列问题。

说明书

技术领域

本发明涉及梁桥防震技术领域，具体涉及一种用于梁桥隔震系统的自复位摩擦阻尼器。

背景技术

目前国内外关于梁桥隔震系统的研究已经证明隔震能够有效的降低桥墩受到的水平惯性力，从而减小其截面弯矩和剪力，避免了其弯曲或剪切破坏。但目前的梁桥隔震系统一般存在以下几个问题：

（1）隔震系统在小震时不发挥作用，当遇到中、大震时才能启用隔震系统，隔震系统一般是待剪力销钉的剪断或防震挡块破坏后才开始发挥作用，震后需更换隔震系统的相关部件，这就造成了震后修复费用的增加。

（2）目前梁桥隔震系统的耗能一般采用摩擦力耗能，为增大其耗能能力一般将摩擦力设计的较大，但该摩擦力在地震结束后需要复位时仍然存在，阻止了上部结构的复位。

（3）部分隔震装置利用软钢进入塑性状态后在反复荷载作用下具有的耗能能力实现耗能，但这种材料的耗能装置不具有自复位功能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的缺陷而提供一种兼具耗能能力和自复位功能的阻尼器，该装置能够使上部结构偏离平衡位置时具有摩擦力实现耗能，而在恢复到平衡位置的过程中不具有摩擦力，减小复位阻力，并且整个过程中阻尼器的各个构件均处于弹性范围内，从而有效克服了现有技术存在的一系列问题。

本发明所采用的技术方案如下：

用于梁桥隔震系统的自复位摩擦阻尼器，包括阻尼器缸、摩擦装置、第一弹性装置、第二弹性装置、活塞和导向杆；导向杆贯穿整个阻尼器缸，活塞沿导向杆左右活动并且分别通过第一弹性装置和第二弹性装置与阻尼器缸的左右壁连接；摩擦装置和阻尼器缸的上下壁活动连接，而活塞通过连接斜杆与摩擦装置连接，连接斜杆与活塞之间设有限位装置。

为了方便安装，便于使用，所述摩擦装置为摩擦片，所述限位装置为限位螺杆。

为便于梁桥隔震系统使用自复位摩擦阻尼器，所述阻尼器缸通过拉杆与梁桥的混凝土盖梁连接；所述活塞通过拉杆与梁桥的混凝土主梁连接。

为了更好的实现阻尼器的自复位功能，所述第一弹性装置为受压弹簧，所述受压弹簧围绕导向杆设置并且与阻尼器缸的右壁连接；所述第二弹性装置为受拉弹簧，所述受拉弹簧围绕导向杆设置并且与阻尼器缸的左壁连接；所述导向杆至少设有两个，对应每个导向杆，活塞的左右都设有受拉弹簧和受压弹簧；所述阻尼器缸的上下壁对称设有多个摩擦装置，对应每个摩擦装置的连接斜杆和限位装置都需要等长设置。

为了便于活塞活动时增大摩擦力，所述连接斜杆与摩擦装置及活塞的连接处可自由转动。

为了便于本发明应用到梁桥隔震系统，所述拉杆与梁桥主体连接时，两者之间还要设置钢绞线，所述拉杆只承受拉力。

当阻尼器的活塞在外力作用下发生向右的位移时，连接斜杆与活塞的夹角变大，则推动摩擦片向阻尼器缸壁靠近，当摩擦片与缸壁之间的接触压力达到设计压力时，限位螺杆阻止夹角的进一步增加，使得摩擦片与缸壁之间的接触压力达到最大值，此时摩擦片与缸壁之间产生静摩擦力，当外力大于该静摩擦力时，摩擦片与缸壁之间的摩擦力转变为滑动摩擦力，当活塞达到右侧最大位移时，活塞不再移动，外力全部由缸壁承担。此时如果外力撤除，则活塞在受拉弹簧和受压弹簧的共同作用下有向左移动的趋势，且此时连接斜杆与活塞之间的夹角变小，摩擦片与缸壁脱离，摩擦力消失，则活塞向左移动。直到活塞达到左侧位移最大值，这一过程中从平衡位置向左移动再返回到平衡位置的拉力位移曲线如图3所示，其中：

OA段：此时外力小于最大静摩擦力，活塞无相对缸壁的位移，这一阶段的位移是由阻尼器左侧的拉杆由于受力伸长引起的，线段OA的斜率等于阻尼器左侧拉杆的抗拉截面模量EA。

AB段：A点的拉力等于阻尼器的最大静摩擦力，当外力继续增加时，摩擦力变为滑动摩擦力并保持为恒定值，此时活塞受到的力有两部分，一部分为滑动摩擦力，一部分为拉压弹簧对活塞的力，且线段AB段的斜率等于拉压弹簧的弹性系数k₁+k₂，且k₁+k₂远小于阻尼器左侧拉杆的抗拉截面模量EA。这一阶段的位移主要为活塞相对缸壁的位移。

BC段：当活塞位移达到左侧做大位移时，外力逐渐撤除，此时活塞无相对缸壁的位移，这一阶段的位移为阻尼器左侧的拉杆拉力变小产生的恢复位移。

CO段：C点的力等于活塞由左侧最大位移移动到右侧最大位移时弹簧产生的力，当外力继续撤除时，活塞在弹簧的恢复力作用下向左移动，直到左侧最大位移。

通过上述过程可见，虽然AB段也有斜率，但该斜率远小于OA段的斜率，可以忽略不计，则这一装置类似于一个理想的弹塑性装置，且具有自复位功能，并且工作阶段装置的各个部分均处于弹性范围，因此图3的F—S曲线具有可重复性，不会像弹塑性材料那样具有残余位移。总之，该阻尼器具有“当活塞向右移动时具有摩擦力，当活塞向左移动时无摩擦力”的功能。

本发明相对于现有技术具有如下优点或有益的效果：

1、本发明的结构简单实用，兼具耗能能力和自复位功能，能够使上部结构偏离平衡位置时产生摩擦力实现耗能，而恢复到平衡位置的过程中不产生摩擦力，减小复位阻力，并且整个过程中阻尼器的各个构件均处于弹性范围内，不容易损坏，减少的维修成本，提高了使用年限。

2、本发明的活塞两头分别连接受拉弹簧和受压弹簧，提高了结构本身的自复位能力。

3、本发明的活塞与连接斜杆之间设置了限位螺杆，保证了活塞偏移时产生较大的摩擦力耗能，复位时不产生摩擦力，结构简单，功能强大。

4、本发明的阻尼器缸中部设有多个导向杆，保证了活塞运动只发生水平方向的偏移和复位，提高了梁桥的抗震性能。

5、本发明在实际使用当中能够左右对称设置，无论左右那个方向受到外力产生偏移后都能够轻松的复位，大大提高了梁桥的防震，减震性能，结构设计简单，实用性较高。

附图说明

图1为本发明的阻尼器结构示意图；

图2为本发明在梁桥隔震系统中的应用示意图；

图3为本发明工作时的拉力位移曲线图；

图4为自复位摩擦阻尼器的梁桥隔震系统简化图；

图5为简化的梁桥隔震系统各状态F-S曲线图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的用于梁桥隔震系统的自复位摩擦阻尼器做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的用于梁桥隔震系统的自复位摩擦阻尼器，包括阻尼器缸1、多组上下对称设置的摩擦装置2、第一弹性装置3、第二弹性装置4、活塞7和两个导向杆8。两个导向杆8贯穿整个阻尼器缸1，活塞7沿导向杆8左右活动并且分别通过第一弹性装置3和第二弹性装置4与阻尼器缸1的左右壁连接；摩擦装置2和阻尼器缸1的上下壁活动连接，活塞7通过连接斜杆5与摩擦装置2连接，其中，摩擦装置2优选摩擦片，并且连接斜杆5与活塞7之间设有限位装置6，限位装置6优选限位螺杆；连接斜杆5与摩擦装置2及活塞7的连接处可自由转动；第一弹性装置3使用受压弹簧，受压弹簧围绕导向杆8设置并且与阻尼器缸1的右壁连接；第二弹性装置4使用受拉弹簧，受拉弹簧围绕导向杆8设置并且与阻尼器缸1的左壁连接。

本发明在用于梁桥防震系统时，阻尼器缸1通过拉杆9与梁桥的混凝土盖梁连接；活塞7通过拉杆9与梁桥的混凝土主梁连接；拉杆9与梁桥主体连接时，两者之间还要设置钢绞线，拉杆9只承受拉力。

如图2所示，具自复位摩擦阻尼器的梁桥隔震系统主要由钢绞线27、自复位摩擦阻尼器25和聚四氟乙烯滑板支座26组成，还包括混凝土主梁21，混凝土盖梁22，混凝土桥墩23，锚固块24，。该系统能够在小震时保证桥墩与上部结构无相对位移，对梁桥的后续使用不造成任何影响，在中震或大震作用下发生可人为控制的相对位移，从而减少下部结构传至上部结构的地震力，有效防止桥墩发生剪切或弯曲破坏及上部结构的横向落梁。当地震停止时上下部结构的相对位移在该系统的作用下又可以恢复，以此降低震后梁桥的修复费用。

对图2所示的具自复位摩擦阻尼器的梁桥隔震系统，如果将上部结构简化为一个集中质量，盖梁用一固定装置代替，则该系统可简化为如图4所示的单自由度振动结构体系。

1、平衡状态

图4所示状态即为结构的平衡状态，此时两侧钢绞线的拉力等于零。且此时阻尼器A活塞位于左侧最大位移处，阻尼器B活塞位于右侧最大位移处。

2、集中质量由平衡位置发生向左的位移

此时钢绞线Ⅱ拉力仍然为零，而钢绞线Ⅲ的拉力逐渐大于零，则阻尼器B摩擦片与缸壁之间有静摩擦力，因此当钢绞线Ⅲ的拉力小于阻尼器B摩擦片与缸壁之间的静摩擦力时，活塞不动，当该位移继续增大时，活塞开始滑动，静摩擦力变为滑动摩擦力，此时钢绞线Ⅲ的拉力保持不变。

3、集中质量由左侧最大位移处向平衡位置发生位移

此时钢绞线Ⅲ的拉力逐渐减小，且阻尼器B摩擦片与缸壁之间有静摩擦力，当集中质量达到平衡位置时，钢绞线Ⅲ拉力为零，此时阻尼器B摩擦片与缸壁之间无摩擦力，阻尼器B活塞在受拉和受压弹簧的作用下与集中质量同步向右移动达到该阻尼器右侧最大位移。并且在这一过程中阻尼器A无变化。

4、集中质量由平衡位置向右侧最大位移处移动

此时钢绞线Ⅲ拉力仍然为零，而钢绞线Ⅱ的拉力逐渐大于零，则阻尼器A摩擦片与缸壁之间有静摩擦力，因此当钢绞线Ⅱ的拉力小于阻尼器A摩擦片与缸壁之间的静摩擦力时，活塞不动，当该位移继续增大时，活塞开始滑动，静摩擦力变为滑动摩擦力，此时钢绞线Ⅱ的拉力保持不变。

5、集中质量由右侧最大位移处向平衡位置发生位移

此时钢绞线Ⅱ的拉力逐渐减小，且阻尼器A摩擦片与缸壁之间有静摩擦力，当集中质量达到平衡位置时，钢绞线Ⅱ拉力为零，此时阻尼器A摩擦片与缸壁之间无摩擦力，阻尼器A活塞在受拉和受压弹簧的作用下与集中质量同步向右移动达到该阻尼器右侧最大位移。并且在这一过程中阻尼器B无变化。

上述第2、3、4、5步骤的F-S曲线如图5所示。

6、集中质量在任意位置处地震停止

此时相当于集中质量在平衡位置的左侧或右侧突然停止，假定停在平衡位置左侧，此时阻尼器A的活塞位于其左侧最大位置处且钢绞线Ⅱ及受拉、受压弹簧的力为零，阻尼器B活塞位于其右侧最大位移的左侧，且受拉、受压弹簧对活塞有向右的恢复力，钢绞线Ⅲ拉力等于阻尼器B静摩擦力。则集中质量会在钢绞线Ⅲ拉力作用下向右发生微小位移，使得钢绞线Ⅲ的拉力逐渐减小，当该拉力小于阻尼器B拉压弹簧恢复力时，活塞及集中质量在弹簧恢复力作用下向右移动，直到集中质量达到平衡位置，即集中质量具有自复位功能。

总之，当梁桥结构遭遇小震作用时，墩顶水平位移较小，对上部结构的水平力也较小，可以通过调整阻尼器中限位螺杆来调整阻尼器的静摩擦力，使得小震作用下上部结构与墩顶无相对位移，当遇到中震或大震时，墩顶水平位移较大，此时该装置可以使墩顶与上部结构之间发生相对位移，及墩顶有水平位移，而上部结构不随墩顶发生位移，从而减小上部结构的水平加速度，减小墩顶受到的水平惯性力使其处于弹性范围，并且在墩顶与上部结构发生相对位移的过程中通过摩擦力实现耗能，从而避免或减小桥墩的破坏。当地震停止时，该装置又可以将上部结构与墩顶的相对位移减小至零，达到自复位功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。