一种大跨拱桥分级减震机构及分级减震方法

本发明涉及桥梁工程，具体涉及一种大跨拱桥分级减震机构及分级减震方法。

背景技术：

1、在地震作用下固定支座剪切破坏及活动支座拉脱是常见的一类桥梁震害。为保证支座自身及桥梁结构在地震作用下的安全性，可采用耗能减震技术进行地震能量的耗散。耗能减震技术是通过引入耗能装置来增加结构的阻尼，当受控结构振动时，耗能装置吸收结构的动能，并通过摩擦、材料的塑性变形等方式将吸收的能量耗散掉。耗能装置可安装在主梁与桥墩(台、塔)之间，当地震发生时，大部分的地震能量将由耗能装置吸收并耗散，减少了传递给上部结构的地震能，不仅能减小梁体惯性力，避免下部结构的严重损伤，还能降低梁体的位移，将位移控制在允许的范围内。

2、目前桥梁结构中常用的耗能装置主要为各种阻尼装置，包括位移相关型阻尼器和速度相关型耗能器。但是这些阻尼装置往往只能针对单一震级或小区间变化的震级进行减震，针对单次震动时的较大跨度的震级变化或者多次震动时的震级差别，不具备适配性的减震办法，容易出现在较小震级下，阻尼装置过早耗散部分能量，使其留有较少的耗能能力储备，不利于后续余震或大震的桥梁抗震；

3、另外，现有技术中的阻尼装置往往难以拆卸和更换，若出现阻尼装置自身结构损坏的情况时，已经受损的阻尼装置难以对后续可能出现的震动起到减震作用，那么就容易造成此部分的减震措施失效的问题；

4、另外，大跨拱桥隔震体系在地震中存在支座滑移易出现主梁脱落现象，对阻尼装置的延性要求比较高，但现有阻尼装置延性尚不能满足要求，且通过增加阻尼装置数量来满足延性要求也会带来阻尼装置安装工作面不足的问题。

5、那么针对以上技术问题，需要对桥梁适用的阻尼装置进行改进，使阻尼装置能够实现分级减震的功能，能够同时应对较低震级或较高震级，同时，面对结构损坏的情况能够容易更换。同时实现小震后易于维护且耗能能力储备不减少，大震后损坏后易于更换的目的。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种大跨拱桥分级减震机构及分级减震方法，以解决现有技术中的阻尼装置往往只能针对单一震级或小区间变化的震级进行减震，针对单次震动时的较大跨度的震级变化或者多次震动时的震级差别，不具备适配性的减震办法，容易出现在较小震级下，阻尼装置过早耗散部分能量，使得小震后阻尼装置不易维护且耗能能力储备减少，或者大震后阻尼装置自身结构损坏，使得阻尼装置难以反复利用、拆卸和更换的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

3、第一方面，基于上述解决的技术问题，本发明公开了一种大跨拱桥分级减震机构，用于可拆卸的安装于主梁和桥墩之间，所述主梁和桥墩之间安装有支座，使得主梁和桥墩之间具有间隙，所述大跨拱桥分级减震机构位于间隙中，且两端分别可拆卸安装于主梁底部和桥墩顶部；

4、所述大跨拱桥分级减震机构包括阻尼器和阻尼材料，所述阻尼材料放置于容器中；

5、所述容器为一端具有开口的桶状结构，所述容器的桶状结构底部可拆卸安装于主梁底部或桥墩顶部，对应的，所述开口朝向桥墩顶部或主梁底部；

6、所述阻尼器与所述容器对置设置，且所述阻尼器的一端对应可拆卸安装于桥墩顶部或主梁底部；

7、所述阻尼器的另一端通过所述开口伸入阻尼材料中；未发生震动时，所述阻尼器伸入阻尼材料的端部与所述容器的桶状结构底部之间有间隙；

8、发生震动时，所述大跨拱桥分级减震机构实现对桥梁的分级减震的功能。

9、具体的，所述分级减震功能通过以下过程实现，当发生震动且震级较小时，产生第一级减震耗能过程，此时阻尼器能够与容器中的阻尼材料之间产生挤压和摩擦，此时阻尼器未与容器的桶状结构底部接触，阻尼器未发生屈服，第一级减震过程主要由阻尼器与阻尼材料挤压及摩擦进行耗能；随着震级的增大，阻尼器与容器的桶状结构底部接触，并进入屈服及破坏阶段，此时主要由阻尼器塑性耗能，即为第二级减震耗能过程；随着震级的进一步增大，阻尼器发生结构损伤导致自身结构破坏，此时主要由阻尼材料之间的摩擦与挤压作用消耗系统振动能量，即为第三级减震耗能过程；本发明通过三级减震耗能过程，使得在震动时，对桥梁实现分级减震功能。

10、作为阻尼器的优选方案，所述阻尼器具有空心柱形的柱身，所述柱身沿中心轴向的一端封闭，所述柱身沿中心轴向的另一端固定有底座，所述底座用于可拆卸安装于桥墩顶部或主梁底部；

11、所述底座中心开设有贯通口，所述贯通口与所述柱身的内部空心相连通，且所述贯通口的中心点位于所述柱身的中心轴的延长线上；所述柱身的顶部固定有传力球，所述传力球为实心结构，所述传力球远离柱身的一端具有平面。

12、作为阻尼器安装于桥墩顶部或主梁底部的其中一种实现方式，所述底座上开设有多个安装孔，所述安装孔内用于穿入螺栓，所述螺栓用于固定于对应的桥墩顶部或主梁底部。

13、作为阻尼器的优选方案，所述柱身的内部空心截面均为圆形，这样设计是为了满足阻尼器在各方面实现限位和具备相同的阻尼性能。

14、作为阻尼器的优选方案，所述柱身为空心变截面圆锥柱结构，且自传力球至底座方向的内部空心截面直径以及柱身外周截面直径逐步增大。

15、针对现有技术中的位移相关型阻尼器和速度相关型耗能器还存在的技术问题，即位移相关型阻尼器在震动发生后，对桥梁支座中更换金属阻尼器存在更换困难的问题；速度相关型耗能器在震动发生后，对装置内添加的粘滞液体制作工艺要求高且难以更换，以及在桥梁支座处的更换困难的技术问题。作为大跨拱桥分级减震机构安装方式的优选方案，所述容器的桶状结构底部可拆卸安装于桥墩顶部，所述容器的开口处设置有盖体，所述盖体能够覆盖所述开口，所述盖体能够打开或关闭，用于对容器中的阻尼材料进行更换或补充；所述阻尼器与所述容器对置设置，所述盖体上开设有第一通孔，所述阻尼器穿过第一通孔伸入容器内部，所述阻尼器的底座留置于容器外部且安装于主梁底部。

16、当震动结束之后，如果阻尼材料出现了洒漏、损坏等现象，那么就可以将盖体打开，对容器中的阻尼材料进行更换或补充，从而解决了上述的阻尼材料更换困难的技术问题。

17、作为阻尼材料的优选方案，所述容器内填的阻尼材料为非牛顿流体材料。

18、作为大跨拱桥分级减震机构安装方式的另一个优选方案，所述容器的桶状结构底部可拆卸安装于主梁底部，所述容器的开口处设置有活动板，所述活动板能够覆盖所述开口，且活动板的面积大于开口的面积；

19、所述主梁底部开设有第一加料孔，对应于所述第一加料孔，所述容器的桶状结构底部开设有第二加料孔，第一加料孔和第二加料孔中放置有塞子，所述塞子的外周与所述第一加料孔和第二加料孔的内壁过盈配合，所述塞子能够拔出，用于对容器中的阻尼材料进行更换或补充；

20、所述阻尼器与所述容器对置设置，所述活动板上开设有第二通孔，所述阻尼器穿过第二通孔伸入容器内部，所述阻尼器的底座留置于容器外部且安装于桥墩顶部；

21、所述阻尼材料为固体颗粒状材料，所述固体颗粒状材料的粒径不大于2～4目。

22、作为容器的优选方案，所述容器的桶状结构底部内周固定有挡块，用于在震动时，阻尼器与挡块碰撞发生塑形耗能。

23、第二方面，本发明还公开了一种大跨拱桥分级减震方法，利用如上所述的大跨拱桥分级减震机构，实现三级减震耗能过程，包括：

24、第一级减震耗能过程，阻尼器与阻尼材料之间产生挤压和摩擦，此时阻尼器未与容器的桶状结构底部接触，阻尼器未发生屈服；

25、第二级减震耗能过程，阻尼器与容器的桶状结构底部接触，并进入屈服及破坏阶段，此时利用阻尼器的塑性进行耗能；

26、第三级减震耗能过程，阻尼器发生结构损伤导致自身结构破坏，此时利用阻尼材料之间的摩擦与挤压作用进行耗能。

27、本发明具有以下有益效果：本发明公开的大跨拱桥分级减震机构利用阻尼器与阻尼材料之间产生挤压和摩擦、阻尼器与容器的桶状结构底部接触，并进入屈服及破坏阶段、阻尼器发生结构损伤导致自身结构破坏后利用阻尼材料之间的摩擦与挤压作用，实现三级减震耗能的功能，以减小地震造成的危害，进而提高桥梁整体的减震性能；同时，本发明公开的大跨拱桥分级减震机构均为可拆卸的连接于主梁底部或桥墩顶部，而且结构简单，安装简便，能够实现小震后减震机构易于修复且可重复使用，大震后减震机构易于拆卸和更换，实现大跨拱桥分级减震机构的反复利用和及时修复，以维持桥梁原有设计的减震功能模块持续工作。