蝶形彈簧減震支座的減震原理綜述

李陽 繆騫 謝寶玲 董家承 王正醇

摘 要：文章從減震裝置的實際需要出發(fā)，對國內(nèi)外現(xiàn)有的減震裝置進行分析比較，研發(fā)出了的蝶形彈簧減震支座，蝶型彈簧作為主要減震元件，綜合鉛芯、橡膠和彈簧完成減震的功能，該套減震裝置在結(jié)構(gòu)上有創(chuàng)新，在力學分析過程中滿足工作要求。

關(guān)鍵詞：蝶形彈簧減震支座；減震；創(chuàng)新

中圖分類號：TH135；TH933.202 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）15-0065-02

減隔震裝置是高層建筑、橋梁、隧道、地鐵、高鐵、城際城市高架等工程中廣泛應用的重要承力和功能構(gòu)件，減隔震裝置這類工程構(gòu)件的創(chuàng)新與發(fā)展成引起了國家高度的重視。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)研究比較成型的減震制作有四種[1]。

1.1 橡膠隔震支座

屬于隔震產(chǎn)品，可起到一定的隔震效果。橡膠隔震支座在國內(nèi)外均已得到大量的使用，尤其是日本對震區(qū)的建筑或橋梁大部分都設(shè)置鉛芯橡膠支座。在我國此支座在20世紀90年代起開始應用，現(xiàn)已形成國家標準。

其不適用于軟土地的橋梁或建筑，同時產(chǎn)品的質(zhì)量與橡膠性能有密切的關(guān)系，因此必須嚴格控制橡膠質(zhì)量，同時橡膠存在老化問題。隔震裝置適用于Ⅰ、Ⅱ場地，對于軟土地Ⅲ、Ⅳ類場地具有一定的局限性。

1.2 鐘擺式隔震支座

屬于隔震產(chǎn)品，可起到很好的隔震效果，同時可以根據(jù)需要選不同的摩擦系數(shù)對于不同的耗能能力，適用于高震區(qū)任何橋梁或建筑，同時具有很好的經(jīng)濟性，維護成本也低。

1.3 彈塑性阻尼裝置

屬于減震產(chǎn)品，具有很強耗能能力，適用于高震區(qū)任何橋梁或建筑，同時具有很好的經(jīng)濟性，維護成本也低，國內(nèi)外均有實際工程應用。歐美地區(qū)已大量應用彈塑性鋼耗能裝置來解決地震問題，國內(nèi)也已有7個橋梁工程應用。彈塑性鋼耗能裝置適用于7、8、9度及更高震區(qū)。產(chǎn)品特點有阻尼比高、耗能能力強、減震效果明顯、耐久性、經(jīng)濟性優(yōu)，但其在豎直高度上難以控制。

1.4 液壓阻尼裝置

屬于減震產(chǎn)品，具有很強耗能能力，通常是結(jié)構(gòu)增設(shè)的耗能體系，特別是維護加固增設(shè)的最佳選擇，國內(nèi)外有大量工程應用。液壓阻尼裝置對于已有工程加固很方便，不需要增設(shè)其它結(jié)構(gòu)，同時不影響原有的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

速度鎖定器可以將活動墩在地震時轉(zhuǎn)化成固定墩，分擔地震力，有效的利用已有墩進行抗震，具有較高的經(jīng)濟性，但其生產(chǎn)、維護成本較高[2]。

目前國內(nèi)外支座存在生產(chǎn)、維護成本較高，支座在豎直高度上難以控制，支座材料的抗腐蝕、抗老化性不夠，支座在橋梁壽命期內(nèi)失效等缺陷。

2 蝶形彈簧減震支座的減震原理及其特點

利用蝶形彈簧、橡膠、鉛芯設(shè)計一種蝶形彈簧組合式減震支座，蝶形彈簧的選用大大增加了結(jié)構(gòu)耗能能力，結(jié)構(gòu)耗能恰是減小結(jié)構(gòu)地震響應重要途徑之一；相當數(shù)量碟簧疊加形成碟形彈簧組，在地震所產(chǎn)生的動荷載作用下，碟形彈簧一定加載頻率以上能夠保持較好的耗能能力。隨著預壓量的增大，組合碟形彈簧件耗能能力增強。在偏心壓力作用下水平滯回耗能、水平運動與豎向運動解耦方面均優(yōu)于同類型支座。碟簧用橡膠包裹，利用橡膠的不均勻彈性壓縮實現(xiàn)轉(zhuǎn)角，利用其剪切變形實現(xiàn)水平位移，適用于任何土地結(jié)構(gòu)的橋梁和建筑，同時避免了橡膠因硫化時間、硫化溫度和硫化壓力造成的橡膠支座的制造缺陷；同時彈簧的中間嵌入鉛芯，鉛具有屈服能力應力較低、滯回曲線豐滿的特點，保證支座在變形停頓期間能夠恢復其原有特性。通過研究支座結(jié)構(gòu)，采用橡膠蝶形彈簧作為減震元件，來隔離地震對上部結(jié)構(gòu)的影響， 使建筑物在地震時只產(chǎn)生很小的振動， 不致造成結(jié)構(gòu)和設(shè)施的破壞， 并能保證結(jié)構(gòu)物上的重要設(shè)備和儀表正常運行。合理安排蝶形彈簧的組合狀態(tài)，可以達到減震的功能，且能夠降低支座的結(jié)構(gòu)高度，從而承受大載荷。

3 減震支座的設(shè)計模型簡化

一單跨的簡支梁，如圖1所示。一端為碟形彈簧減震支座，另一端為滑動支座，由于滑動支座的摩擦系數(shù)很小，不會約束梁與墩臺的相對錯動，并假定橋臺剛都很大，不產(chǎn)生變形，則可將圖1a所示的單跨簡支梁化為圖1b所示的計算模型。

其自由震動方程可寫成：

作用于橋梁結(jié)構(gòu)上的地震力，是與動力放大系數(shù)β有關(guān)的，動力放大系數(shù)β的大小又取決于場地土和結(jié)構(gòu)物的固有周期，因此通過減小支座的剛度，加大支座的阻尼可延長系統(tǒng)的固有周期，與場地土的卓越周期相隔離，從而減小動力放大系數(shù)β。

支座的剛度和阻尼同時也會影響到系統(tǒng)的位移和相位，因此，通過調(diào)節(jié)支座的剛度和阻尼也可達到控制位移的目的。

4 結(jié) 語

蝶形彈簧減震支座的研發(fā)，不僅解決了現(xiàn)有減震裝置存在生產(chǎn)、維護成本較高，支座在豎直高度上難以控制，支座材料的抗腐蝕、抗老化性不夠，支座在橋梁壽命期內(nèi)失效的問題，也滿足國家對減震支座的需求。

參考文獻：

[1] 丁攀攀.國內(nèi)建筑隔震橡膠支座的研究現(xiàn)狀與進展[J].橡膠工業(yè)，2009，

（56）.

[2] 穆祥純.論新型橋梁支座在城市橋梁建設(shè)中的創(chuàng)新發(fā)展[J].特種結(jié)構(gòu)，

2012，（3）.