专利名称：可置换式限位锁定减震耗能装置的制作方法
技术领域：
本发明属于桥梁工程抗震与减震技术领域，涉及到一种削弱工字钢翼缘和腹板的原有钢材并置换为金属复合材料耗能板，同时工字钢端部与自锁定装置连接，从而形成地震作用下可置换式限位锁定减震耗能装置。该发明成本低廉、抗震性能突出、有效防止落梁、施工方便，具有良好的发展前景。
背景技术：
在2008年汶)11地震和2011年日本大地震中，数百座梁桥在地震中发生落梁破坏，作为灾后救援的生命线工程的道路桥梁工程遭到严重破坏，使救援人员不能按时到达灾区第一线，给国家、社会和人民的生命财产带来了巨大损失。简支梁和连续梁桥延桥梁纵向自由度通常不约束，在地震作用下，当桥墩延桥梁纵向的位移过大时，很容易发生桥梁落梁。在梁端设置限位挡块的传统构造措施，并未达到预期的抗震设计要求。因此有必要开发一种桥梁用防止落梁抗震耗能装置。目前的桥梁用抗震耗能阻尼器通常直接与墩梁固定连接，不仅改变了简直梁桥和连续梁桥体系的受力，使梁纵向变形得不到释放而导致梁体开裂，又不便于阻尼装置的维修和保养，传统阻尼器在地震作用下容易破坏通常不能重复使用，这将增加桥梁养护成本。而传统的防止落梁的构造措施是在桥墩上设置限位挡块，虽然起到防止落梁的作用，但是该措施并未减少地震能量对桥梁的破坏。同时在地震作用下梁体极易与挡块发生碰撞引起梁体破坏，为灾后重建带来不便。目前尚无一种有效防止落梁的多次抗震耗能装置。借鉴机械工程领域的技术手段，采用新型金属复合耗能材料和卡扣锁定装置，综合利用各种措施的特点，开发桥梁用可置换式限位锁定减震耗能装置，可以克服上述桥梁抗震措施的不足，为桥梁抗震提供更多样性的技术支持，具有重大的工程意义。
发明内容
本发明给出了一种桥梁用可置换式限位锁定减震耗能装置，发明目的在于地震作用下当桥墩位移达到限值后，自锁定装置将桥墩与主梁通过抗震耗能装置锁定，有效防止落梁；同时，通过削弱工字梁端部翼缘和腹板的原有钢材并置换为屈服强度小于120MPa并且耗能能力强的金属复合材料，使地震下锁定后的抗震耗能装置在金属复合耗能材料处形成塑性铰进行耗能减震易于施工和维护，成本低廉，性价比高。为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案:可置换式限位锁定减震耗能装置，包括焊接工字钢1、金属复合材料耗能板2、横隔板3、高强度螺栓4、橡胶防护垫5、自锁卡扣板6、卡槽箱7、卡槽箱盖板8、互锁卡扣板9、预埋钢板10 ;焊接工字钢I的腹板和翼缘切割置换为金属复合耗能板2，在焊接工字钢I的两端分别连接有间隔放置的两个横隔板3，一端的最外侧的横隔板3上连接有卡槽箱7，卡槽箱7的一侧侧壁上设置有凸起的互锁卡扣板9，与设置有互锁卡扣板9相对的侧壁上开槽，从所述的槽中深伸入了自锁卡扣板6，自锁扣卡板6为端部渐变突起、中间开口的钢板，自锁扣卡板6凸起的端部位于卡槽箱7内且尺寸大于卡槽箱7上的开槽大小，自锁扣卡板6不能从卡槽箱7上的开槽处滑出，自锁扣卡板6的开口恰好与互锁卡扣板9的凸起相对，当自锁卡扣板6在地震作用下位移超过限值时，自锁卡扣板6端部在卡槽箱7的作用下发生挤压变形，自锁卡扣板6滑入卡槽箱7的互锁卡扣板9 一侧，随着位移的继续增大，自锁卡扣板6与互锁卡扣板9接触，在挤压力作用下，突出的互锁卡扣板9将伸进自锁卡扣板6的开口内，实现锁定；自锁扣卡板6端部连接有用于与桥墩和柱连接的预埋钢板10，在卡槽箱7的内部和预埋钢板10靠近卡槽箱7的侧面均设置有用于减少装置碰撞的橡胶防护垫5 ;在卡槽箱7的侧壁位置还设置有用于保护卡槽箱7内部件的卡槽箱盖板8 ;横隔板3与卡槽箱7之间通过高强度螺栓4连接；未连接有卡槽箱7的一侧横隔板3通过高强度螺栓4与梁体等部件连接。当地震下的结构变形超过预期值后，互锁卡扣板9与自锁卡扣板6可以相互锁定，改变连接形式，使金属复合材料耗能板2产生较大的往复变形同时减小主体结构变形，实现金属复合材料的耗能减震，地震作用后将破坏的金属复合材料耗能板2置换为新的耗能板，将自锁卡扣板6和互锁卡扣板9复位从而达到在多次地震作用下耗能的目的。金属复合材料耗能板2可以替换，其材料为铝合金板或软钢与铅的粘结板。自锁卡扣板6和卡槽箱盖板8钢材屈服强度大于等于235MPa，互锁卡扣板9和卡槽箱7钢材屈服强度大于等于345MPa。互锁卡扣板9与卡槽箱7和自锁卡扣板6与预埋钢板10之间均通过机械焊接方式连接，焊缝等级为一级；橡胶防护垫5与卡槽箱7侧壁和桥墩预埋钢板10之间均通过高强度粘合剂粘结。自锁卡扣板6和互锁卡扣板9卡头斜面倾斜角度为25°至30°。卡槽箱7内侧定位件及自锁卡扣板6前端内侧斜面倾斜角度为25。至30°。卡槽箱7内灌入润滑油对自锁定装置起到保护和润滑作用。卡槽箱7距桥墩侧壁距离为35mm至50mm之间。在焊接工字钢I的翼缘板上对称切割，翼缘板两侧切割部分曲线形状为对称的圆弧线，且圆弧线顶点与相依翼缘边缘的垂直距离C为翼缘板厚度的20%至25%，一侧翼缘切割部分的最大宽度b为工字梁高度h的65%至85%，翼缘最靠近端横隔板的切割点距端板距离a为翼缘板宽度的50%至70%，翼缘板切割部分厚度与翼缘板厚度相同；腹板切割部分为圆形，延腹板长度方向圆心与翼缘板切割部分圆曲线顶点位于同一工字钢I横截面内；腹板切割形状为圆形，圆半径r为腹板高度的20%至25%，腹板切割厚度与腹板厚度相同；内横隔板距端横隔板的距离d为翼缘最靠近端横隔板的切割点距端板距离a的40%至50%。橡胶防护垫5材料为耐候橡胶；金属复合材料耗能板2为屈服强度小于120MPa的软钢、铝合金板、金属复合粘结板。本发明的可置换式限位锁定减震耗能装置至少布置在桥墩的一侧，且应保证每一片梁体至少布置一个可置换式限位锁定减震耗能装置，并应保证自可置换式限位锁定减震耗能装置两端分别与梁体和桥墩可靠连接。本发明将减震耗能装置和自锁定装置组合使用，充分利用两种装置的特点，达到地震作用下自锁定和耗能减震的目的。在地震荷载作用下，如果金属复合材料耗能板2耗能破坏，可将破坏的金属复合材料耗能板2切割掉，焊接上新的耗能板；在地震作用下，如果焊接工字钢I严重变形破坏，可将焊接工字钢I拆除，置换新的焊接工字钢I ;如果在地震作用下，高强度螺栓4发生破坏，可将破坏的螺栓4拆除，置换新的高强度螺栓4 ;在地震作用后，自锁卡扣板6和互锁卡扣板9锁定,将卡槽箱7拆下,将自锁卡扣板6和互锁卡扣板9复位。从而使可置换式限位锁定减震耗能装置在多次地震下使用。实际安装过程中，首先将耗能装置与主梁通过螺栓连接，然后将卡槽箱与耗能装置通过螺栓连接，最后调节自锁卡扣板的位置将卡扣板与预埋钢板焊接。与现有技术相比，本发明的优点是:(I)在正常使用情况下，本装置未改变简支梁桥和连续梁桥的受力体系。(2)在地震发生时，当结构变形超过预期值后自锁定装置将桥墩和梁体锁定改变连接形式，减小主体结构变形防止桥梁发生落梁破坏。(3)在地震发生时，在置换原有钢材的钢梁翼缘和腹板处，金属复合耗能材料率先屈服，形成塑性铰进入耗能阶段，并具有较好的延性。(4)在地震发生后，只需要更换金属复合耗能材料及将自锁定卡扣板和互锁定卡扣板复位即可实现结构的加固维修和再利用。(5)所用材料成本低廉，构造简单，有效防止落梁，抗震效果良好。
图1为可置换式限位锁定减震耗能装置侧面示意图。图2为可置换式限位锁定减震耗能装置沿图1A-A截面的下剖视图。图3为可置换式限位锁定减震耗能装置图1B-B截面的下剖视图。图4为可置换式限位锁定减震耗能装置三维侧视图。图5为可置换式限位锁定减震耗能装置图1C-C截面的下剖视图。图6为可置换式限位锁定减震耗能装置图1D-D截面的右剖视图。图7为可置换式限位锁定减震耗能装置及周边环境整体侧面示意图。图8为可置换式限位锁定减震耗能装置布置在桥梁结构的侧面示意图。图中:1_焊接工字钢、2-金属复合材料耗能板、3-横隔板、4-高强度螺栓、5-橡胶防护垫、6-自锁卡扣板、7-卡槽箱、8-卡槽箱盖板、9-互锁卡扣板、10-预埋钢板、11-桥墩、12-梁体、13-支座、14-可置换式限位锁定减震耗能装置。
具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式
。 如图1至图6所示为本发明的结构图，可置换式限位锁定减震耗能装置，包括焊接工字钢1、金属复合材料耗能板2、横隔板3、高强度螺栓4、橡胶防护垫5、自锁卡扣板6、卡槽箱7、卡槽箱盖板8、互锁卡扣板9、预埋钢板10 ;焊接工字钢I的腹板和翼缘切割置换为金属复合耗能板2，在焊接工字钢I的两端分别连接有间隔放置的两个横隔板3，一端的最外侧的横隔板3上连接有卡槽箱7，卡槽箱7的一侧侧壁上设置有凸起的互锁卡扣板9，与设置有互锁卡扣板9相对的侧壁上开槽，从所述的槽中深伸入了自锁卡扣板6，自锁扣卡板6为端部渐变突起、中间开口的钢板，自锁扣卡板6凸起的端部位于卡槽箱7内且尺寸大于卡槽箱7上的开槽大小，自锁扣卡板6不能从卡槽箱7上的开槽处滑出，自锁扣卡板6的开口恰好与互锁卡扣板9的凸起相对，当自锁卡扣板6在地震作用下位移超过限值时，自锁卡扣板6端部在卡槽箱7的作用下发生挤压变形，自锁卡扣板6滑入卡槽箱7的互锁卡扣板9 一侧，随着位移的继续增大，自锁卡扣板6与互锁卡扣板9接触，在挤压力作用下，突出的互锁卡扣板9将伸进自锁卡扣板6的开口内，实现锁定；自锁扣卡板6端部连接有用于与桥墩和柱连接的预埋钢板10，在卡槽箱7的内部和预埋钢板10靠近卡槽箱7的侧面均设置有用于减少装置碰撞的橡胶防护垫5 ;在卡槽箱7的侧壁位置还设置有用于保护卡槽箱7内部件的卡槽箱盖板8 ;横隔板3与卡槽箱7之间通过高强度螺栓4连接；未连接有卡槽箱7的一侧横隔板3通过高强度螺栓4与梁体等部件连接。当地震下的结构变形超过预期值后，互锁卡扣板9与自锁卡扣板6可以相互锁定,改变连接形式，使金属复合材料耗能板2产生较大的往复变形同时减小主体结构变形，实现金属复合材料的耗能减震，地震作用后将破坏的金属复合材料耗能板2置换为新的耗能板，将自锁卡扣板6和互锁卡扣板9复位从而达到在多次地震作用下耗能的目的。金属复合材料耗能板2可以替换，其材料为为铝合金板或软钢与铅的粘结板。自锁卡扣板6和卡槽箱盖板8钢材屈服强度大于等于235MPa，互锁卡扣板9和卡槽箱7钢材屈服强度大于等于345MPa。互锁卡扣板9与卡槽箱7和自锁卡扣板6与预埋钢板10之间均通过机械焊接方式连接，焊缝等级为一级；橡胶防护垫5与卡槽箱7侧壁和桥墩预埋钢板10之间均通过高强度粘合剂粘结。自锁卡扣板6和互锁卡扣板9卡头斜面倾斜角度为25°至30°。卡槽箱7内侧定位件及自锁卡扣板6前端内侧斜面倾斜角度为25。至30°。卡槽箱7内灌入润滑油对自锁定装置起到保护和润滑作用。卡槽箱7距桥墩侧壁距离为35mm至50mm之间。在焊接工字钢I的翼缘板上对称切割，翼缘板两侧切割部分曲线形状为对称的圆弧线，且圆弧线顶点与相依翼缘边缘的垂直距离c为翼缘板厚度的20%至25%，一侧翼缘切割部分的最大宽度b为工字梁高度h的65%至85%，翼缘最靠近端横隔板的切割点距端板距离a为翼缘板宽度的50%至70%，翼缘板切割部分厚度与翼缘板厚度相同；腹板切割部分为圆形，延腹板长度方向圆心与翼缘板切割部分圆曲线顶点位于同一工字钢I横截面内；腹板切割形状为圆形，圆半径r为腹板高度的20%至25%，腹板切割厚度与腹板厚度相同；内横隔板距端横隔板的距离d为翼缘最靠近端横隔板的切割点距端板距离a的40%至50% ；所述金属复合耗能板2由金属阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器。橡胶防护垫5材料为耐候橡胶；金属复合材料耗能板2为屈服强度小于120MPa的软钢、铝合金板、金属复合粘结板。本发明的可置换式限位锁定减震耗能装置至少布置在桥墩的一侧，且应保证每一片梁体至少布置一个可置换式限位锁定减震耗能装置，并应保证自可置换式限位锁定减震耗能装置两端分别与梁体和桥墩可靠连接。本发明将将减震耗能装置和自锁定装置组合使用，充分利用两种装置的特点，达到地震作用下自锁定和耗能减震的目的。在地震荷载作用下，如果金属复合材料耗能板2耗能破坏，可将破坏的金属复合材料耗能板2切割掉，焊接上新的耗能板；在地震作用下，如果焊接工字钢I严重变形破坏，可将焊接工字钢I拆除，置换新的焊接工字钢I ;如果在地震作用下，高强度螺栓4发生破坏，可将破坏的螺栓4拆除，置换新的高强度螺栓4 ;在地震作用后，自锁卡扣板6和互锁卡扣板9锁定,将卡槽箱7拆下,将自锁卡扣板6和互锁卡扣板9复位。从而使可置换式限位锁定减震耗能装置在多次地震下使用。如图7和图8所示，某简支梁高架桥位于城市环路主干线，处于8度抗震设防区。为了防止桥梁在地震作用下发生落梁破坏，采用本发明的可置换式限位锁定减震耗能装置进行抗震构造。首先，在桥梁施工阶段将预埋钢板10布置在桥墩侧壁距桥墩顶面1.0m位置处，在梁体底板距桥墩侧壁0.Sm处钻取螺栓孔。其次，在加工厂将钢板切割成焊接工字钢I的腹板、翼缘板和横隔板；焊接工字钢I高350臟，宽350臟，腹板厚8臟，翼缘板厚12臟，横隔板厚12mm。将焊接工字钢I腹板、翼缘板切割置换成金属复合耗能板2，翼缘板切割圆弧线顶点与相依翼缘边缘的垂直距离88mm，一侧翼缘切割部分的最大宽度为366mm，翼缘最靠近端横隔板的切割点距端板距离为210mm，腹板切割圆直径88mm。将腹板、翼缘板和横隔板焊接成工字钢，内横隔板与相应侧端横隔板距离为100mm。然后,在精密机床加工卡槽箱7、自锁卡扣板6和互锁卡扣板9，卡槽箱7长和高均为350mm，宽度为344mm，自锁卡扣板6和互锁卡扣板7宽度与卡槽箱8宽度相同，卡槽箱盖板8厚度8mm，宽度和高度与卡槽箱7相同。卡槽箱7壁厚60mm,开口高度140mm。自锁卡扣板6厚130mm,互锁卡扣板9厚30mm。将互锁卡扣板9与卡槽箱7焊接为整体。卡槽箱7距桥梁侧壁35mm。橡胶防护垫5厚度为30mm，通过高强度粘合剂将橡胶防护5垫粘贴于卡槽箱7侧壁。螺栓4采用8.8级M20高强度螺栓。最后，将焊接工字钢I和卡槽箱7通过螺栓4连接，将工字钢I通过螺栓4与梁体连接，调节自锁卡扣板6位置将卡扣板焊接在预埋钢板10，在卡槽箱7内注入润滑剂，装上卡槽箱盖板
8。通过布置本发明的可置换式限位锁定减震耗能装置，在地震作用下可有效的耗散地震能量和防止桥梁发生落梁破坏。以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。
权利要求
1.置换式限位锁定减震耗能装置，包括焊接工字钢(I)、金属复合材料耗能板(2)、横隔板(3)、高强度螺栓(4)、橡胶防护垫(5)、自锁卡扣板(6)、卡槽箱(7)、卡槽箱盖板(8)、互锁卡扣板(9)、预埋钢板(10);其特征在于:焊接工字钢(I)的腹板和翼缘切割置换为金属复合耗能板(2)，在焊接工字钢(I)的两端分别连接有间隔放置的两个横隔板(3)，一端的最外侧的横隔板(3)上连接有卡槽箱(7)，卡槽箱(7)的一侧侧壁上设置有凸起的互锁卡扣板(9)，与设置有互锁卡扣板(9)相对的侧壁上开槽，从所述的槽中伸入了自锁卡扣板(6)，自锁扣卡板(6)为端部渐变突起、中间开口的钢板，自锁扣卡板(6)凸起的端部位于卡槽箱(7)内且尺寸大于卡槽箱(7)上的开槽大小，自锁扣卡板(6)不能从卡槽箱(7)上的开槽处滑出，自锁扣卡板(6)的开口恰好与互锁卡扣板(9)的凸起相对；自锁扣卡板(6)端部连接有用于与桥墩和柱连接的预埋钢板(10)，在卡槽箱(7)的内部和预埋钢板(10)靠近卡槽箱(7)的侧面均设置有用于减少装置碰撞的橡胶防护垫(5);在卡槽箱(7)的侧壁位置还设置有用于保护卡槽箱(7)内部件的卡槽箱盖板(8);横隔板(3)与卡槽箱(7)之间通过高强度螺栓(4)连接；未连接有卡槽箱(7)的一侧横隔板(3)通过高强度螺栓(4)与梁体等部件连接。
2.根据权利要求1所述的可置换式限位锁定减震耗能装置，其特征在于:金属复合材料耗能板(2)可以替换，所述金属复合材料耗能板(2)的材料为铝合金板或软钢与铅的粘结板。
3.根据专利要求I所述的可置换式限位锁定减震耗能装置，其特征在于:自锁卡扣板(6)和卡槽箱盖板(8)钢材屈服强度大于等于235MPa，互锁卡扣板(9)和卡槽箱(7)钢材屈服强度大于等于345MPa ;互锁卡扣板(9)与卡槽箱(7)和自锁卡扣板(6)与预埋钢板(10)之间均通过机械焊接方式连接，焊缝等级为一级；橡胶防护垫(5)与卡槽箱(7)侧壁和桥墩预埋钢板(10)之间均通过高强度粘合剂粘结；自锁卡扣板(6)和互锁卡扣板(9)卡头斜面倾斜角度为25°至30° ;卡槽箱(7)内侧定位件及自锁卡扣板(6)前端内侧斜面倾斜角度为25。至30° ;卡槽箱(7)内灌入润滑油对自锁定装置起到保护和润滑作用；卡槽箱(7)距桥墩侧壁距离为35mm至50mm之间。
4.根据专利要求I所述的可置换式限位锁定减震耗能装置，其特征在于:在焊接工字钢(I)的翼缘板上对称切割，翼缘板两侧切割部分曲线形状为对称的圆弧线，且圆弧线顶点与相依翼缘边缘的垂直距离c为翼缘板厚度的20%至25%，一侧翼缘切割部分的最大宽度b为工字梁高度h的65%至85%，翼缘最靠近端横隔板的切割点距端板距离a为翼缘板宽度的50%至70%，翼缘板切割部分厚度与翼缘板厚度相同；腹板切割部分为圆形，延腹板长度方向圆心与翼缘板切割部分圆曲线顶点位于同一工字钢(I)横截面内；腹板切割形状为圆形，圆半径r为腹板高度的20%至25%，腹板切割厚度与腹板厚度相同；内横隔板距端横隔板的距离d为翼缘最靠近端横隔板的切割点距端板距离a的40%至50%。
5.根据专利要求1、2或3任一权利要求所述的可置换式限位锁定减震耗能装置，其特征在于:橡胶防护垫(5)材料为耐候橡胶；金属复合材料耗能板(2)为屈服强度小于120MPa的软钢、铝合金板、金属粘结板。
全文摘要
一种可置换式限位锁定减震耗能装置，属于土木工程和机械工程领域。焊接工字钢(1)的腹板和翼缘切割置换为金属复合耗能板(2)，在焊接工字钢(1)的两端连接横隔板(3)，一端横隔板(3)上连接有卡槽箱(7)，卡槽箱(7)的一侧侧壁上设置有凸起的互锁卡扣板(9)，与设置有互锁卡扣板(9)相对的侧壁上开槽，伸入了自锁卡扣板(6)，自锁扣卡板(6)为端部渐变突起、中间开口的钢板，自锁扣卡板(6)的开口与互锁卡扣板(9)的凸起相对。本发明在地震发生时，当结构变形超过预期值后自锁定装置将桥墩和梁体锁定改变连接形式，减小主体结构变形防止桥梁发生落梁破坏，本发明构造简单，可有效防止落梁，具有良好的耗能能力。
文档编号E01D19/00GK103088751SQ201210444608
公开日2013年5月8日 申请日期2012年11月8日 优先权日2012年11月8日
发明者闫维明, 石鲁宁, 何浩祥, 马裕超 申请人:北京工业大学