CN113374107B - 一种变刚度摩擦摆支座 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变刚度摩擦摆支座，包括上钢板、滑块、下钢板和SMA索，所述下钢板包括第一钢板和第二钢板，所述第一钢板与第二钢板连接，所述第二钢板设有曲面部，所述曲面部包括小半径球面部和重力井曲面部，所述小半径球面部位于重力井曲面部的中心，所述滑块的上端安装于上钢板，所述滑块的下端安装于小半径球面部，所述上钢板通过SMA索与第一钢板连接。本发明赋予该支座自复位能力，赋予该支座变刚度的优点和可抵御极罕遇地震动。

Description

一种变刚度摩擦摆支座
技术领域
本发明涉及土木工程中抗震设计的技术领域,尤其涉及一种变刚度摩擦摆支座。
背景技术
《中国第五代地震动参数区划图》GB18306-2015提出了极罕遇地震动，对结构的抗震性能提出了更高的要求。在此背景下，急需开发强震抵御能力强、震后可自恢复的隔震支座。
通过设置多项式的曲面，曾经有人提出了6次多项式变曲面的摩擦摆隔震支座，可以满足不同水准下的性能目标。但是他们指出，这种设计没考虑极罕遇地震动，强震下会造成加速度响应急剧增加，如果考虑极罕遇地震动，设计曲面应进行修正。通过依次张紧的三批SMA（ShapeMmemory Alloy，超弹性形状记忆合金）索，另外有人提出了多级设防SMA铅芯支座，中小震时可以提高支座的隔震效率，强震时可以有效限制强震作用下的支座位移，但是会造成结构内力的增大。通过早期摩擦支座滑动和后期松弛SMA索张紧，还有人提出了分级设防的隔震支座。现有技术中也提出过三阶段设计的变曲率摩擦摆隔震支座，第一和第二阶段的恢复力分别由呈抛物线和指数曲线的摩擦面提供，第三阶段的恢复力由摩擦面和张紧的SMA丝提供。有研究表明，负刚度装置有主动控制的效果，可以有效减小结构的内力。综合SMA构件和负刚度装置的优点，现有技术中存在有SMA负刚度减震装置，该隔震装置由反向双球面提供负刚度，由环形SMA索提供自复位能力。理论及试验研究表明，该装置可有效减小强震下结构的内力响应。但是，现有的变刚度自复位隔震装置，设计时未考虑极罕遇地震动。在极罕遇地震动发生时，采用这些装置的结构内力和位移响应过大，极有可能发生破坏。
发明内容
本发明的目的是为了克服隔震装置在设计时并没有考虑到极罕遇地震动的情况，提供了一种变刚度摩擦摆支座。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种变刚度摩擦摆支座，包括上钢板、滑块、下钢板和SMA索，所述下钢板包括第一钢板和第二钢板，所述第一钢板与第二钢板连接，所述第二钢板设有曲面部，所述曲面部包括小半径球面部和重力井曲面部，所述小半径球面部位于重力井曲面部的中心，所述滑块的上端安装于上钢板，所述滑块的下端安装于小半径球面部，所述上钢板通过SMA索与第一钢板连接。
更优的选择，所述上钢板包括依次连接的第三钢板、第四钢板和限位块，所述限位块设有球形凹槽，所述滑块的上端安装于球形凹槽，所述第三钢板通过SMA索与第一钢板连接。
更优的选择，所述滑块包括依次连接的第一半球部、连接部和第二半球部，所述第一半球部安装于上钢板，所述第二半球部安装于小半径球面部。
更优的选择，所述小半径球面部的半径为1-3m。
更优的选择，所述SMA索的一端通过U形箍与上钢板连接。
更优的选择，所述SMA索的另一端通过U形箍与第二钢板连接。
本发明相对现有技术具有以下优点及有益效果：
1、本发明通过上钢板、滑块、下钢板和SMA索，赋予该支座自复位能力，小半径球面部可以在中小震下较好的自复位能力，超弹性SMA索可以提供强震下较好的自复位能力；在强震作用下，重力井曲面可以将竖向变形路径（经线方向）转化为水平面内的轨道运行路径（纬线方向），不仅可以减小传递至下部结构的内力，还可减小位移响应（因为它将一维位移转化为二维位移），此外，沿轨道的运行距离要大于竖向的变形长度，滑块将摩擦耗散更多的能量；可抵御极罕遇地震动，极罕遇地震下，SMA索张紧，可有效限制减隔震支座的最大位移，使得墩梁间位移减小，有效防止落梁震害的发生。
附图说明
图1是本发明一种变刚度摩擦摆支座的示意图；
图2是本发明一种变刚度摩擦摆支座的上钢板示意图；
图3是本发明一种变刚度摩擦摆支座的滑块示意图；
图4是本发明一种变刚度摩擦摆支座的下钢板示意图；
图5是本发明一种变刚度摩擦摆支座的受力分析图；
附图中各部件的标记：1、上钢板；11、第三钢板；12、第四钢板；13、限位块；131、球形凹槽；2、滑块；21、第一半球部；22、连接部；23、第二半球部；3、下钢板；31、第一钢板；32、第二钢板；33、曲面部；331、小半径球面部；332、重力井曲面部；4、SMA索；5、U形箍。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述,实施例不能在此一一赘述,但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
如图1所示，一种变刚度摩擦摆支座，包括上钢板1、滑块2、下钢板3和SMA索4，上钢板1通过滑块2与下钢板3连接，上钢板1的边缘和下钢板3的边缘均设有多个螺孔，U形箍5安装在螺孔上，SMA索4的一端通过U形箍5与上钢板1连接，SMA索4的另一端通过U形箍5与下钢板3连接。本实施例中的支座适应不同地震动水准下，不同设防目标的要求。在中小震作用下，其刚度与小半径球形摩擦摆支座一致自复位能力强；在强震作用下，重力井曲面部332可以将竖向变形路径（经线方向）转化为水平面内的轨道运行路径（纬线方向），不仅可以减小传递至下部结构的内力，还可减小位移响应（因为它将一维位移转化为二维位移）。此外，沿轨道的运行距离要大于竖向的变形长度，滑块2将摩擦耗散更多的能量。
上钢板1用于承载重力，也用于缓冲地震。滑块2起到缓冲作用，上钢板1可以相对于下钢板3不同角度倾斜，缓冲地震产生的影响。下钢板3起到支撑作用，可以提供恢复力和减少结构内力和位移影响。SMA索4（形状记忆合金索）作为一种新型智能材料，具有大应变、变形可恢复、额外耗能、抗疲劳、抗腐蚀性能好等优点。在本实施例中SMA索4可以限制上钢板1在强震下的位移，可以提供强震下较好的自复位能力。极罕遇地震下，SMA索4张紧，可有效限制减隔震支座的最大位移，使得墩梁间位移减小，有效防止落梁震害的发生。U形箍5用于将SMA索4固定在上钢板1和下钢板3，可以避免SMA索4由于拉力而滑动。
如图2所示，上钢板1包括第三钢板11、第四钢板12和限位块13，第四钢板12安装在第三钢板11的中部，限位块13安装在第四钢板12的中部，限位块13设有球形凹槽131，滑块2的上端安装在球形凹槽131内，第三钢板11的边缘设有多个均匀分布的螺孔，多个U形箍5安装在螺孔上，SMA索4的一端固定在U形箍5上。
第三钢板11用于固定SMA索4；第四钢板12用于连接第三钢板11和限位块13；限位块13通过球形凹槽131与滑块2的第一半球部21相匹配，让上钢板1可以相对于第一半球部21作不同角度转动。
如图3所示，滑块2包括第一半球部21、连接部22和第二半球部23，连接部22的上端与第一半球部21连接，连接部22的下端与第二半球部23连接。第一半球部21安装在上钢板1的球形凹槽131，第二半球部23安装在下钢板3的小半径球面部331。
第一半球部21与上钢板1的限位块13可以作相对转动；连接部22控制上钢板1与下钢板3之间的距离；第二半球部23为与下钢板3的小半径球面部331可以作相对于转动。
如图4所示，下钢板3包括第一钢板31和第二钢板32，第一钢板31的顶部与第二钢板32的底部连接，第二钢板32的顶部设有曲面部33，该曲面部33包括小半径球面部331和重力井曲面部332，小半径球面部331位于重力井曲面部332的中心位置，该小半径球面部331的半径为1-3m，滑块2的第二半球部23安装在小半径球面部331内，第一钢板31的边缘设有多个对称的螺孔，U形箍5通过螺母安装在螺孔上，SMA索4的另一端固定在U形箍5上。
第一钢板31用于固定连接SMA索4；第二钢板32上设有小半径球面部331和重力井曲面部332，小半径球面部331在中小震下具有较好的自复位能力，重力井曲面部332将滑块2运行轨迹从一维竖向转化为水平二维的轨道运行，减少结构内力和位移响应。
如图5所示，曲面轮廓线及滑块受力分析图，R是小半径球面部331的半径，F是水平力，P是竖向力，N是小半径球面部331对滑块的反作用力，Ff是小半径球面部331和滑块2的摩擦力，θ是小半径球面部331和重力井曲面部332的交汇处，小半径球面部331的切线和水平线的夹角。小半径球面部331与重力井曲面部332的变坡点距重力井轴心的距离x0和松弛SMA索的参数需要根据结构在不同地震动水准下的位移确定。变坡点处需满足轮廓线一阶导数连续。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。。

Claims (6)

1.一种变刚度摩擦摆支座，其特征在于，包括上钢板、滑块、下钢板和SMA索，所述下钢板包括第一钢板和第二钢板，所述第一钢板与第二钢板连接，所述第二钢板设有曲面部，所述曲面部包括小半径球面部和重力井曲面部，所述小半径球面部位于重力井曲面部的中心，所述滑块的上端安装于上钢板，所述滑块的下端安装于小半径球面部，所述上钢板通过SMA索与第一钢板连接；
在强震作用下，所述重力井曲面部将竖向变形路径转化为水平面内的轨道运行路径，从而减少传递至下部结构的内力和减少位移响应，所述滑块沿轨道的运行距离大于竖向的变形长度，所述滑块能够摩擦耗散更多能量。
2.根据权利要求1所述一种变刚度摩擦摆支座，其特征在于，所述上钢板包括依次连接的第三钢板、第四钢板和限位块，所述限位块设有球形凹槽，所述滑块的上端安装于球形凹槽，所述第三钢板通过SMA索与第一钢板连接。
3.根据权利要求1所述一种变刚度摩擦摆支座，其特征在于，所述滑块包括依次连接的第一半球部、连接部和第二半球部，所述第一半球部安装于上钢板，所述第二半球部安装于小半径球面部。
4.根据权利要求1所述一种变刚度摩擦摆支座，其特征在于，所述小半径球面部的半径为1-3m。
5.根据权利要求1所述一种变刚度摩擦摆支座，其特征在于，所述SMA索的一端通过U形箍与上钢板连接。
6.根据权利要求1所述一种变刚度摩擦摆支座，其特征在于，所述SMA索的另一端通过U形箍与第二钢板连接。
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