一种梯度渐变式横向变刚度桥梁隔震支座

本发明属于防震减灾领域，尤其涉及一种基于力学超材料(负泊松比超材料)的梯度渐变式横向变刚度桥梁隔震支座。

背景技术：

1、地震是地壳快速释放能量过程中造成振动并产生地震波的一种自然现象，具有不确定性强、破坏力度大等特点，对人民的生命财产安全和社会稳定有非常不利的影响。传统抗震设计方法主要通过加强结构的刚度、强度和设计足够的延性来抵抗地震造成的冲击振动，但在地震作用下，这种“硬抗震”通常会导致结构振动放大2～4倍，建筑内部设施倒塌，结构功能瘫痪，引发次生灾害。为终止灾难，世界各国都在积极探索减震减灾的新理论和新技术，减隔震与控制技术成为主要的发展方向。高性能减隔震装置的研发作为减隔震技术发展与应用的前提，需要满足荷载不确定性高、服役时间久和力学性能高度稳定等要求

2、桥梁隔震支座目前广泛应用于桥梁减隔震设计中，其主要功能是将桥梁上部结构的反力可靠地传递给墩台，并在适应梁体结构所需要的变形(水平位移及转角)的同时，通过支座位移对地震能量进行耗散，减轻地震动等冲击振动作用下墩柱的受力负担，降低桥墩的受损概率。

3、在桥梁减隔震设计过程中，如果减隔震支座刚度过大，则其在中小型地震中的位移较小，无法对桥梁上部结构的惯性力起到很好的缓冲作用，则桥梁下部结构会承受较大冲击作用，桥墩受损率增大；如果减隔震支座刚度过小，则在强震下，主梁会产生过大的位移，桥梁有可能出现主梁移位、梁体碰撞或落梁等严重灾害。虽然桥梁抗震挡块或其它限位装置可以限制墩梁间产生的过大相对位移，但当上部结构与桥梁挡块发生碰撞时，瞬间产生的脉冲将使桥墩产生极大的地震力，造成桥墩的损伤，不利于震后修复。同时，遇中小地震时，挡块一般处于线弹性状态，梁体限位作用强，此时墩柱要承受较大的来自上部结构的惯性力作用，容易产生塑性铰并累计损伤；而在强震作用下，桥梁挡块力学性能容易退化至破坏状态，此时伴随着支座的大幅度滑移，上部结构极容易发生落梁危害。

4、因此，桥梁减隔震设计对于隔震支座提出了较高的性能要求，其主要性能诉求为：较大的竖向承载力，优秀的自复位性能及足够的耗能能力，同时能够实现不同等级设防地震作用下结构的多级隔震目标，而现役常用的几种桥梁隔震支座很难满足这个要求：铅芯橡胶支座在温度和低周疲劳荷载作用下铅芯会发生疲劳剪切破坏，大大降低支座的阻尼性能，此外铅芯的生产和使用会对环境造成较大的污染；高阻尼橡胶支座的蠕变性能较差，影响减震橡胶的阻尼特性和使用可靠性。引入形状记忆合金以及磁流变弹性体的新型智能功能型隔震支座结构较为复杂，虽然相对传统支座在减隔震效果上有明显优势，但是新型智能材料的引入导致其价格比较昂贵，且由于桥梁支座位置隐蔽，难以监测其性能状态，支座处的病害问题一般比较难以处理，故复杂结构支座在长期服役过程中的可靠性难以得到保证。

5、综上，现有桥梁隔震支座的类型及结构难以实现不同等级设防地震作用下结构的多级隔震目标。

技术实现思路

1、为克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种基于力学超材料(负泊松比超材料)的梯度渐变式横向变刚度桥梁隔震支座。

2、本发明是这样实现的，一种梯度渐变式横向变刚度桥梁隔震支座，其特征在于，在xyz坐标体系中，该桥梁隔震支座包括平行于水平z轴方向上的单胞体；

3、在xy坐标体系中，所述单胞体包括平行于水平x轴方向的顶壁、底壁，以及连接顶壁、底壁的两侧壁；所述侧壁中部朝向单胞体内部方向折弯；

4、在同行的水平x轴方向上，各单胞体的结构相同，且相邻单胞体之间通过连接壁对接在彼此的侧壁折弯点；

5、在同列的竖直y轴方向上，底部单胞体的顶壁由其相邻顶部单胞体的底壁构成，且各所述连接壁、以及各单胞体中底壁和侧壁的厚度由上至下梯度增长。

6、优选地，该桥梁隔震支座由力学超材料一体成型制备而成。

7、优选地，所述力学超材料为负泊松比超材料。

8、优选地，由上至下梯度增长厚度为0.2～0.5mm。

9、优选地，所述顶壁、底壁平行、等长，且同列的顶壁、底壁的中点位于相同的y轴线上。

10、优选地，在xy坐标体系中，所述单胞体的y轴方向上的高度h为顶壁与底壁中心线之间的距离，x轴方向上的长度l为单胞结构顶壁或底壁中心线的水平长度，其中，长度l与高度h的比值为0.875～1.25。

11、优选地，在xy坐标体系中，所述连接壁长度为所述单胞体中心线的长度，连接壁长度与所述长度l的比值为0.5。

12、优选地，在xy坐标体系中，各单胞体中顶壁或底壁与其侧壁对接处的夹角θ为60°。

13、本发明克服现有技术的不足，提供一种基于力学超材料(负泊松比超材料)的梯度渐变式横向变刚度桥梁隔震支座，在xyz坐标体系中，该桥梁隔震支座在水平x轴方向(横向力)作用下刚度呈现先缓后陡的连续增长趋势，并有足够的竖向承载能力，从而满足桥梁隔震支座的多级设防要求，即在水平荷载作用下，一定位移范围内该结构具有较小的刚度(中小地震下减隔震)，超过一定位移范围后其刚度急剧上升(强震下限位)。由于桥梁隔震支座中具有由单胞体按特定规律排布形成的蜂窝多孔结构构型且孔洞尺寸较大，因此桥梁隔震支座选择负泊松比超材料(热固型聚氨酯)，可以通过模具成型进行隔震支座样件的加工，从而提高隔震支座的制造效率并降低其成本，具有结构简单、可设计性好、可靠性高、成本低、减振隔震效果突出的优点。

14、相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：

15、(1)本发明桥梁隔震支座作为桥梁隔震支座在水平方向载荷作用下具有随横向位移增加而增加的非线性刚度，即在一定位移范围内具有较小的刚度(中小地震下减隔震)，超过一定位移范围后其刚度急剧上升(强震下限位)；

16、(2)本发明桥梁隔震支座兼具了隔震和自限位的功能，不仅可以针对不同等级设防地震实现多级隔震目标，还具有可以代替桥梁挡块的自限位功能，简化了桥梁隔震装置，方便对其进行病害监测和后期维护；

17、(3)本发明桥梁隔震支座中的单胞体采用对称结构设计，在吸收振动能量的过程中能够保证结构整体的稳定性；

18、(4)基于超材料设计技术，理论上在本发明中任意材料都可以作为超材料的基材，因此选材上更为灵活，同时还可以通过化学的手段对基材进行改性，有针对性的实现特定的性能，如提高材料的强度、耐高温、阻尼增强、阻燃、抗老化等。

技术特征：

1.一种梯度渐变式横向变刚度桥梁隔震支座，其特征在于，在xyz坐标体系中，该桥梁隔震支座包括平行于水平z轴方向上的单胞体；

2.如权利要求1所述的桥梁隔震支座，其特征在于，该桥梁隔震支座由力学超材料一体成型制备而成。

3.如权利要求2所述的桥梁隔震支座，其特征在于，所述力学超材料为负泊松比超材料。

4.如权利要求1所述的桥梁隔震支座，其特征在于，由上至下梯度增长厚度为0.2～0.5mm。

5.如权利要求1所述的桥梁隔震支座，其特征在于，所述顶壁、底壁平行、等长，且同列的顶壁、底壁的中点位于相同的y轴线上。

6.如权利要求5所述的桥梁隔震支座，其特征在于，在xy坐标体系中，所述单胞体的y轴方向上的高度h为顶壁与底壁中心线之间的距离，x轴方向上的长度l为单胞结构顶壁或底壁中心线的水平长度，其中，长度l与高度h的比值为0.875～1.25。

7.如权利要求6所述的桥梁隔震支座，其特征在于，在xy坐标体系中，所述连接壁长度为所述单胞体中心线的长度，连接壁长度与所述长度l的比值为0.5。

8.如权利要求1所述的桥梁隔震支座，其特征在于，在xy坐标体系中，各单胞体中顶壁或底壁与其侧壁对接处的夹角θ为60°。

技术总结本发明公开了一种梯度渐变式横向变刚度桥梁隔震支座，该桥梁隔震支座包括平行于水平Z轴方向上的单胞体；在XY坐标体系中，单胞体包括平行于水平X轴方向的顶壁、底壁，以及连接顶壁、底壁的两侧壁；所述侧壁中部朝向单胞体内部方向折弯；在同行的水平X轴方向上，各单胞体的结构相同，且相邻单胞体之间通过连接壁对接在彼此的侧壁折弯点；在同列的竖直Y轴方向上，底部单胞体的顶壁由其相邻顶部单胞体的底壁构成，且各连接壁、以及各单胞体中底壁和侧壁的厚度由上至下梯度增长。本发明兼具了隔震和自限位的功能，能针对不同等级设防地震实现多级隔震目标，可代替桥梁挡块的自限位功能，简化了桥梁隔震装置，利于病害监测和后期维护。技术研发人员：赵爱国,刘通,李鸿晶,朱珺晨受保护的技术使用者：南京工业大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14