球型-铅芯阻尼钢支座 【技术领域】
本发明涉及一种球型-铅芯阻尼钢支座，它是一种减隔震大吨位支座，属于桥梁、建筑等土木工程领域。
背景技术
目前，大跨度和高承载的桥梁不断出现，这使得大吨位支座得到了广泛的应用。球型钢支座由于竖向承载力较大、特别是其转动能力大大超过其他的大吨位支座，而且外观高度相对较小，因此逐渐得到广泛的应用。例如庄军生、张士臣等人在《球型支座的试验研究》一文中，介绍了球型支座(Sphericalbearing)的基本性能：(1)通过球冠衬板与球面四氟板之间的滑动来满足支座转角的需要，(2)球型支座的转动力矩大小与球面和平面摩擦阻尼有关。从而指出与盆式橡胶支座相比较，球型支座具有转角更大、承载能力更高的特点。该文献是我国较早对球型支座进行研究的文献之一。(中国土木工程学会第五届年会以及第二次全国城市桥梁学术会议论文集，1990，天津)
然而，该文献中设计的球型支座不具有减震能力，是在我国低烈度区中常用的球型支座，也是一些组合型支座常采用的核心部分。
又如，徐国彬，崔玲等人在《万向承载、万向转动、抗震、减振球型钢支座的研制》中，(第九届全国空间结构学术会议，2000，杭州萧山)提出了采用多弹簧板组作为阻尼器的一种组合型的万向承载、万向转动、抗震、减振的球型钢支座。作者对该组合支座进行了力学、运动学的分析，并进行了振动台试验，证明它具有一定的抗震、减振能力。
该文献中所涉及的抗震减振球型支座采用的多弹簧板是一种常用于机械方面的阻尼器，该阻尼器利用钢材在拟动力作用下，滞回曲线能形成梭形，具有一定地耗能作用。并且钢材的弹性模量比较大，可以提供一定的水平刚度，因此具有一定的优点。但是，该阻尼器也有不利的一面。它的滞回曲线包络面面积比较小，因此耗能小；并且由于多弹簧板组的刚度很大，容许支座核心区的位移也较小，从而比较适合于固定支座。
第三，C.W Render，J.F.Stanton and T.I.Campbell，等人(Rotation of HighLoad Multi-rotational Bridge Bearings，Journal of Structural Engineering Vol.121，No.4，1995)指出：
在桥梁工程中，支座的弯矩-转动关系是设计中应该重点关注的方面之一。在该文献中，作者对各种大吨位支座进行了转动试验，指出球型支座所承受的弯矩于转角关系不大，而同滑移偶合面的摩擦系数关系密切。该文是为配合美国规范所作的试验，为球型支座的采用和设计指出了方向：(1)可以应用在需要大转角的桥梁中，(2)滑移偶合面采用较小的摩擦系数以满足弯矩的要求。
从所报道的文献中可清楚常用的球型钢支座本身并无耗能特性，这阻碍了其在抗震设防烈度较高的地区应用。
【发明内容】
为了充分发挥球型钢支座的自身优势，并且将该类型支座推广到广大抗震设防烈度较高的地区，本发明提供了一种具有消能减震作用的球型-铅芯阻尼钢支座。该支座不仅具有一般球型钢支座的所有优点，而且其耗能机制明确，各项动力指标优良，并在地震后可以实现部分构件的替换。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是：(1)在常见的球型钢支座下方设置底板，两者在水平向可以相对滑动，(2)增设铅芯阻尼器，铅芯阻尼器置于底板上方，利用铅本身屈服强度低、滞回曲线近矩形等特点，作为材料阻尼。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是：球型支座主要由上支座板、球冠衬板、下支座板等构件组成，球冠衬板和下支座板以球形曲面接触，两者之间可以相互转动；上支座板和球冠衬板之间可以滑动。各接触面采用PTFE聚四氟乙烯板和镜面不锈钢板作为偶合板，其摩擦系数相当小。在球型支座主要部件(也称核心区)下方设置底板，两者在水平向可以相对滑动。增设铅芯阻尼器，利用铅本身屈服强度低、滞回曲线近似矩形等特点，作为阻尼材料。它具有很大的衰减性能。它在塑性变形时产生的晶格缺陷，在常温下由于再结晶而恢复，具有良好的延性，适用于大变形的范围。
具体地说，本发明在现有球型支座上作了以下三方面改进：
(1)在球型支座下方设置一底平面聚四氟乙烯板，通过粘结剂与球型支座主要部件(核心区)连接，不锈钢滑板和底板焊接，不锈钢滑板介于底平面聚四氟乙烯板和底板之间可以相互滑动，使钢支座产生水平位移；
(2)在钢支座的二侧设计了铅芯阻尼器结构，它是由定位板、加劲板、挡条、铅芯阻尼器与底板间相互焊接构成。铅芯阻尼器是由铅芯、限位杆和顶板构成的；其中铅芯阻尼器限位杆与铅芯阻尼顶板焊接，其作用是使铅芯不脱离铅芯阻尼顶板。加劲板呈三角形或梯形，与挡条和定位板焊在一起，并与底焊接，定位板与底板和铅芯阻尼器焊接；呈三角形的加劲板则在挡条外侧，一个面与挡条相焊接，另一面则与底板焊接，此时定位板、阻尼器相互焊接，定位板与最上面小的梯形加劲板焊接固定，加劲板另一面与挡条相焊。
铅芯阻尼器是一种滞回型阻尼器，其设计恢复力模型特性为双线性模型。主要的指标有：屈服荷载Qy，屈服位移δy，弹性刚度Ks1，第二刚度Ks2。
根据球型钢支座的竖向承载力不同，确定对应的阻尼器所承受的剪力，初步确定阻尼器的尺寸，而后根据该阻尼器的恢复力模型，计算支座的水平刚度和水平等效阻尼系数。如果不满足要求，则反复进行上述过程。
铅芯的强度和弹性模量都很低，在地震力的反复作用下，很容易变形、断裂。阻尼器的上下端板由钢板焊接而成或铸造成，可以承受由阻尼器拉板或核心区传递的集中作用，并进行分散，使得铅芯的应力较小。阻尼器的限位杆由钢筋制成，和上下端板相互焊接，并在铅芯浇铸时，与铅芯相互接触。当铅芯受到剪力时，根据力的平衡原理，有脱离端板的趋势，铅芯限位杆则挤压铅芯，保证铅芯仍在端板内。
(3)为了防止雨水或灰尘进入，本发明设计的球型铅芯阻尼钢支座，将钢板用螺栓固定在挡条上，且用粘结剂与钢板连接，起缓冲作用且防止钢板长期使用的锈蚀。
本发明提供的球型-铅芯阻尼钢支座有两种结构。一种为剪切型，另一种为挤压型。剪切型的铅芯阻尼结构虽放在底板上，但它离球型支座的距离大于挤压型，球型钢支座通过铅芯阻尼器拉板螺栓连接的铅芯阻尼器拉板，发生较小的水平位移。
所述的球型支座的核心区由上支座板、不锈钢圆板、平面聚四氟乙烯板、球冠衬板、球面聚四氟乙烯板、下支座板等构件组成。其工作原理是：(1)球面聚四氟乙烯板(凸板，和球冠衬板通过粘接剂相互结合)和下支座板(凹板，表面采用镀铬或和不锈钢镜面凹板焊接)形成第一组滑移偶合面；(2)不锈钢圆板(平板，和上支座板焊接)和平面聚四氟乙烯板(平板，和球冠衬板粘结)形成第二组滑移偶合面；(3)第一组滑移偶合面之间相互滑动，形成转角；第二组滑移偶合面之间相互滑动，调整上部传递的竖向荷载的偏心距。
根据支座水平位移大小的不同，可以将球型-铅芯阻尼钢支座分为固定、单向移动和双向移动支座三种类型。固定支座是球型钢支座与铅芯阻尼器的直接积压作用，使铅芯变形，产生消能效应。单向活动和双向活动支座中，铅芯阻尼器通过连接板与球型钢支座相互作用，在风荷载等可变荷载作用下，球型钢支座的水平位移较小，阻尼器和连接板不接触，支座可以自由滑动。在地震等偶然荷载作用下，球型钢支座的水平位移较大，连接板挤压铅芯阻尼器，使铅芯变形，产生消能效应。
本发明的有益效果是显而易见的：不但保存了球型钢支座承载力大、转动性能优良、高度小等优点，并且具有消能减震的效用，且可以在地震后可以替换部分构件，以满足设防烈度较高地区的桥梁、建筑等对支座的要求。
【附图说明】
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是使用剪切型球型铅芯阻尼钢支座结构示意图；剪头表示横桥向或纵桥向移动。
图2是使用挤压型球型铅芯阻尼结构支座结构示意图；剪头表示横桥向或纵桥向移动。
图3是新设计的铅芯阻尼器，(1)为平面图，(2)为A-A剖面图，(3)为左视图；
图4为图3所示的铅芯阻尼器的示意图；
图5为图1和图2中所述的球型钢支座核心区的结构示意图。
图中：1.球型钢支座核心区，2.橡胶密封板，3.钢板，4.铅芯阻尼器拉板螺栓，5.铅芯阻尼拉板，6.铅芯阻尼器，7.定位板，8.加劲板，9.挡条，10.底板，11.不锈钢滑板，12.底平面聚四氟乙烯板，13.铅芯，14.铅芯阻尼器限位杆，15.铅芯阻尼顶板，16.上支座板(含不锈钢圆板)，17.平面聚四氟乙烯板，18.球冠衬板，19.球面聚四氟乙烯板。
【具体实施方式】
下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步。
实施例1
剪切型球型一铅芯阻尼钢支座的结构(参见图1)示意图。本实例解决其技术问题采取的技术方案是：球型支座主要由上支座板、球冠衬板、下支座板等构件组成，球冠衬板和下支座板以球形曲面接触，两者之间可以相互转动；上支座板和球冠衬板之间可以滑动。各接触面采用PTFE板和镜面不锈钢板作为偶合板，其摩擦系数相当小。在球型支座1的下方设置底板，两者在水平向可以相对滑动。增设铅芯阻尼器，利用铅本身屈服强度低和滞回曲线近矩形等特点，作为材料阻尼。
底平面聚四氟乙烯板12通过粘接剂与球型钢支座核心区1连接，不锈钢滑板11位于平面聚四氟乙烯板12和底板10之间，且与底板焊接，底平面聚四氟乙烯板12和不锈钢滑板11之间可以相互滑动，使支座可发生水平位移。
在本实施例中铅芯阻尼器6是由铅芯、限位杆和顶板构成的，铅芯13为铸造而成，铅芯阻尼器限位杆14和铅芯阻尼顶板15焊接，铅芯阻尼限位杆14作用是使铅芯13不脱离铅芯阻尼顶板15(图3)。
铅芯阻尼器6置于底板10的上方，定位板7、加劲板8、挡条9和铅芯阻器6与底板10相互焊接组成。从而构成铅芯阻尼结构。当发生较小水平位移时，球型钢支座1通过铅芯阻尼器拉板螺栓4连接的铅芯阻尼器拉板5也发生较小水平位移，但并未同铅芯阻尼器6发生挤压，铅芯阻尼器6不发生作用；当球型钢支座1发生较大水平位移时，铅芯阻尼器拉板5与铅芯阻尼器6相碰，铅芯发生剪切变形，消耗能量。
为了防止雨水和灰尘进入铅芯阻尼结构，用挡条螺栓将钢板3固定在挡条9上，在钢板3上用粘接方法放置一橡胶出封板，以增加缓冲力。
实施例2挤压型钢支座一铅芯阻尼结构(参见图2)
本实例中构成铅阻尼结构中用的加劲板位于挡条9的外侧，同样起支撑作用，以加挡条9的水平承受力。本实例中加劲板呈三角形，当然也可为梯形。
挤压型铅芯阻尼器定位板(7)、加劲板(8)、挡条(9)彼此和铅芯阻尼器(6)并同底板(10)焊接组成。当球型钢支座(1)发生较小的水平位移时，由于球型钢支座(1)和铅芯阻尼器(6)之间存在间距，铅芯阻尼器(6)不发生作用；当球型钢支座(1)的水平位移较大时，铅芯阻尼器(6)受挤压而产生变形，消耗能量。
本实施例其余均与实施例1相同。
实施例3
双向活动支座其横桥向和纵桥向布置均采用如图1所示的构造；单向活动支座其纵桥向采用如图1所示的结构，横桥向采用如图2所示的构造；固定支座其横桥向和纵桥向布置均采用如图2所示的结构。其余均同实施例1。