基于V支撑的多层次抗震设防挡块制造技术

本发明专利技术涉及建筑桥梁施工和结构抗震抗冲击安全保护领域，公开了一类基于V支撑的多层次抗震设防挡块，包括新型抗震V支撑和包含V支撑的钢筋混凝土挡块。V支撑是根据本发明专利技术提出“均匀塑性分布模型”所导出的控制微分方程设计，钢筋混凝土挡块内部包含特殊设计可以与V支撑的组合实现多层次抗震设防的钢筋网络。以我国抗震规范为设计基准，V挡块保证在地震载荷小于E1设防标准时所保护结构系统处于完全可自恢复的弹性状态，载荷水平在E1和E2设防标准直接时仅V支撑内部出现在结构可以持续运行条件下修复的残余变形，载荷水平高于E2设防标准时造成的损伤局限在“V挡块”之内，实现“小震不用修，中震可运行，大震不垮塌”的三层次抗震设防功能。设防功能。设防功能。

【技术实现步骤摘要】
基于V支撑的多层次抗震设防挡块


[0001]本专利技术涉及桥梁和类似结构抗震和抗冲击
，具体地涉及一类抵抗水平和垂直地震波的多层次防止结构脱落装置及设计方法。

技术介绍

[0002]挡块是在桥梁墩顶或盖梁上的附加凸起结构，主要作用是在地震或其它类似水平外力冲击下限制梁件位移，保护支座，防止梁落座和整梁脱落。由于概念简单，易于设计和低造价等优点，其作为我国中小跨径桥梁抗震的基本措施得到广泛应用。但工程实践表明：较强地震冲击下许多桥梁结构中挡块的抗震功能有限，原因大致如下：
[0003]1.与所阻挡梁件间隙难确定；简单的讲，挡块是限制两构件相对位移的装置；但如何确定限位功能生效的初始位移，即两构件之间间隙，仍是一个工程难题；间隙过小沿挡块方向两构件类似固结，温差和微小震动可能在结构体内造成较高应力；间隙过大时可能在许多地震工况下无功效，同时强震作用下间隙为相对位移提供加速滑动的余地，对应的高速冲击惯性力导致挡块易破坏。
[0004]2.缺乏减隔震功效，一次性破坏：在挡块与被限位构件接触前没有减隔震作用，接触后挡块一旦在某一地震波段冲击下破坏，便失去对结构的保护作用。
[0005]3.限位方向局限：一般挡块只限制梁件一个水平方向位移，实践中主要应用于限制梁件横桥向位移；但实际情况表明顺桥向落梁是地震造成桥梁破坏的最常见形式，例如在2021年5月22日中国青海玛多7.4级地震后破坏的野马滩1号和2号高速公路桥，图1；和1989年美国加州龙曼
‑
布雷塔7.0级地震造成的海湾大桥落梁事故。如果增加顺桥向挡块，势必需要加大墩顶或盖梁承载面积，导致桥墩尺寸增加和对应的附加施工成本。虽然应用中有将挡块设计成插入梁底部开孔的凸隼，但前述问题1，即如何确定与孔壁间隙，或如何同时保证适当的限位功能和开孔构件及挡块强度，仍未有标准。另外，近几十年世界各地高烈度或造成较大损伤地震的记录，包括2009年智利圣地亚哥(9级)，2011年日本仙台(8.9级)，2021年中国青海玛多(7.4 级)都表明，垂直地震波的影响不可忽视；在这类工况下，一般挡块的限位功能有限。
[0006]以2008年汶川地震为例，据统计，震后毁坏的桥梁高达5560座，其中大多数中小跨径桥梁破坏是在挡块失效后支座严重破损后发生的。
[0007]为了保证桥梁和类似结构的抗震安全，避免上述常规限位挡块的不足之处，本方面公开了一类以V支撑减隔震概念为基础可以实现多向多层次抗震设防的V概念防脱落装置，以下简称“V型缓冲和可自复位挡块”或“V挡块”。我国目前的结构抗震规范规定两水准抗震设防设计：E1级别抗震设防，要求在发生频率较高的中低烈度等级地震后结构可以照常运行，不需修理；E2级别抗震设防，要求保证结构在发生频率相对较低的高烈度地震后不垮塌。V型缓冲和可自复位挡块的设计目标是实现基于两水准设计的多层次设防，即在E1工况下结构无变化，E2工况下仍可以重复使用，在超过 E2的超高烈度地震工况下保证结构不垮塌。

技术实现思路

[0008]V型缓冲和可自复位挡块与常规挡块在结构形式上的核心区别在于前者对被保护构件的限位功能从零位移开始，即在地震波冲击下被保护构件有开始位移的趋势时V挡块就开始提供阻挡这一位移的阻力；类似于弹簧，阻力幅度随着位移增大而增大。因此，V挡块避免了常规挡块与被保护构件距离(间隙)设置的难题。这一功能是通过两端分别插入或固定在被限制相对位移的构件1和V挡块体积块3内的稳定销4和环绕稳定销的V形空腔5 二者组合来实现，见图2，3。如果没有V形空腔5，稳定销4类似于常规的抗剪销；由于其不允许相对位移，微小地震的冲击或环境温度变化都可以引起抗剪销在两构件接触面位置的高剪切力集中，导致剪断。V形空腔5的功用是避免这类局部应力集中，允许稳定销4在空腔内弯曲变形，避免剪断；并通过特殊设计的空腔沿轴线截面直接变化来逐步增加稳定销侧面与空腔壁接触面积，由此缩短稳定销4可弯曲变形的长度，增加抵抗位移的阻力。同时，通过被保护构件环绕V形空腔5的内部设计以实现多向多层次抗震设防。插入V形空腔5内稳定销4对结构在垂直震动工况下构件对不脱离。
[0009]传统观点认为，一个结构系统主要构件强度越高，系统抵抗载荷能力越高。对于地震载荷这一观点并非完全正确；因为地震力是由地震波造成地表突然运动在结构中产生的惯性力，如图4系统I：地表突然运动带着桥墩一起运动，墩顶梁部的惯性力在墩柱中产生与运动方向相反的剪力V和对应的弯矩M＝H*V。对于高强度接近刚性系统的结构，在地表位移u作用下对应的剪力V与位移u成正比，见图4(c)。图2，3中V挡块的作用类似于图 4系统II的V支撑连接，其中V空腔内稳定销的变形迟滞了墩拖拽梁的运动加速度，导致惯性力减小。这一作用可以用特殊设计的V空腔和稳定销组合使得系统刚度降低；如图4(c)所示，对应的系统刚度一般记作Keff，又称“结构等效刚度”。
[0010]因此，本专利技术的一个核心创新点是V形空腔5和稳定销4组合的特殊设计以保证下列功能：(1)稳定销4承担限位作用时受力弯曲后不出现塑性铰类似局部应力应变集中而失稳，(2)稳定销4弯曲变形后逐渐增大与V 空腔5内壁接触面积以借助V挡块3强度限制特定方向位移，(3)设计保持稳定销4内部有沿轴线方向分布连续的弹性区域，所储存的弹性势能提供复位驱动力，(4)稳定销4和V形空腔5的组合降低结构系统沿限位方向变形的刚度，衰减结构部件中对应的惯性力。下面为此进一步解释：
[0011]因为稳定销4是本装置限位的核心部件之一，采用耐久抗腐蚀的高强度合金或高强度复合材料制作，例如：钛铝合金，中高强度不锈钢，特氟龙等。对这类材料的大多数，其应力
‑
应变曲线可以用Ramburg
‑
Osgood关系来描述：
[0012][0013]式中σ，ε分别代表应力和应变；σ
Y
，ε
Y
为屈服应力和屈服应变；K 和n分别代表应力硬化常数和应变硬化指数。实用中公式(1)略繁琐；为了便于解释，本说明书后续推导中采用对金属材料较适用的下列线弹性
‑
幂硬化关系表达：
[0014][0015]式中k代表应变硬化常数，塑性应变ε
p
，弹性模量E按下公式定义：
[0016]ε
p
＝ε
‑
ε
Y
，
[0017]图5给出不同应变硬化指数时应力
‑
应变曲线。
[0018]考虑本申请公开装置，例如图2，当需要限位的构件1和构件2之间发生相互错动时，造成稳定销4弯曲变形的力是所述装置限制位移的第一层阻力。可以定义稳定销的屈服强度P
Y
，即造成稳定销中任何一点应力达到屈服应力的作用力。在常规情况下作用力增加时稳定销呈现如图6(a)，(b) 两种状态：当作用力P小于P
Y
时，稳定销处于弹性状态，如图6(a)。当 P大于P
Y
时，随着载荷增加稳定销中塑性应变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一类基于V支撑的多层次抗震设防挡块，其特征在于，用以限制结构系统中两个相邻结构件发生相对位移的一类装置；所述结构系统包括建筑物，桥梁，和其它类似土木工程结构，两结构件是所述土木工程结构中一对相邻并传递载荷的主要结构部件，包括桥的梁体和承担梁体的盖梁，所述载荷包括重力造成的结构自身恒载，常规动载，地震和其它类似冲击载荷；所述两结构件又称作“构件对”；当所述构件对在所述载荷作用下开始沿某一方向发生相对位移时，所述装置在所述结构系统内部产生抵抗所述相对位移的阻力和确定所述相对位移的极限，或者限定所述相对位移的方向；或者同时产生所述阻力，确定所述极限，和限制所述方向；所述装置包括一个体积块，由下列材料之一或它们的组合制成；所述材料包括但不局限于钢筋混凝土，金属，高强度复合材料；所述装置包括至少一个由金属或高强度复合材料制成的稳定销，所述稳定销一端插入或固定在所述体积块内部，另一端插入或固定在所述构件对中一个构件内限制其与所述体积块的相对位移和位移方向；所述体积块置于阻挡所述构件对中第二个构件沿特定方向运动的位置，限制了所述构件对沿所述特定方向的相对位移；所述装置还包括至少一个在所述体积块内或在第一个构件内预制并环绕所述插入的稳定销的V形空腔，所述V形空腔包含两部分：其中第一部分内部几何和尺寸同所述插入的稳定销一端外部几何尺寸一致，所述稳定销插入后只能沿插入的轴线方向滑动和自身径向弯曲；所述V形空腔的第二部分是口径逐渐增大的开口；所述V形空腔内壁设计曲率和所述开口的设计直径允许所述稳定销插入后不产生塑性铰的径向非弹性弯曲变形，所述塑性铰指的是塑性应变集中在所述稳定销任一截面的变形状态。2.根据权利要求1所述的基于V支撑的多层次抗震设防挡块，其特征在于，所述结构系统包括建筑物，桥梁，和其它类似土木工程结构，所述两结构件是所述土木工程结构中一对相邻并传递载荷的主要结构部件，包括桥的梁体和承担梁体的盖梁，所述载荷包括重力造成的结构自身恒载，常规动载，地震和其它类似冲击载荷；所述两结构件又称作“构件对”；当所述构件对在所述载荷作用下开始沿某一方向发生相对位移时，所述装置在所述结构系统内部产生抵抗所述相对位移的阻力和确定所述相对位移的极限，或...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝苏，秦大航，潘有明，鹿红雷，张宇宁，陈翼军，邓永星，
申请(专利权)人：郝苏，
类型：发明
国别省市：