一种用于桥梁结构减震控制的锁定装置

摘要

一种用于桥梁结构减震控制的锁定装置，它是利用三个外层粘有橡胶片的扇叶形活塞片叠合成该装置的活塞，并将其固定在拉杆上，置于填充满硅油的油缸内，油缸因此被左、右活塞片分为三部分，拉杆带动活塞发生纵向以及扭转位移。拉杆的移动受硅油流过节流孔产生的粘滞力控制，左、右活塞片同时锁定，增强了该装置的锁定强度。同时本装置在左、右活塞片内部均设有孔径自动调节系统，它由引流孔、节流孔、两个弹簧以及梯形钢块组成，活塞移动时，利用梯形钢块两侧的液体流速不同而造成的压强差，加快本装置的纵向锁定速度。此外，在发生扭转位移时该装置的扇叶形活塞搅动硅油使其流动，利用其粘滞性耗散部分地震产生的能量，减轻地震作用在桥梁结构上的力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种桥梁结构位移控制装置，其特点在于允许桥梁结构主要构件之间发 生由温度膨胀、收缩、徐变等引起的缓慢变形，但是在地震等极端荷载作用下却能对构 件进行锁定，限定构件之间发生相对位移。

背景技术

地震是主要自然灾害之一，给人类造成了巨大的人员伤亡与财产损失。近年来，我 国地震活动较为频繁，2013年4月20日，四川雅安发生7.0级地震，造成196人死亡， 11470人受伤。2010年4月14日青海玉树7.1级地震，2698人遇难，造成的经济损失 超过800亿；2009年06月30日云南姚安6.0级地震造成楚雄、大理、丽江等3个州市 共205.9万人受灾，经济损失达21亿；2008年05月12日8.0级汶川大地震遇难人数 及失踪人数总和超过87000人，造成直接经济损失达8451亿。随着社会经济和文明的 发展，现代城市一旦遭遇破坏性地震，遭遇的经济损失和人员伤亡将会越来越严重。

近年来随着我国桥梁建设事业的迅速发展，学术界与工程界对桥梁结构的抗震性能 也相应地给予了高度的关注，并且已经展开了大量的科学研究工作。其中，通过引入结 构控制技术来提高桥梁工程的抗震性能已成为桥梁工程抗震研究和应用领域的一个热 点，在桥梁的适当部位加入铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座等隔震装置和粘滞流体阻尼 器、lock-up装置（一种速度激发型锁定装置）等就是结构控制技术的一种典型应用。

传统的桥梁结构利用其构件自身的变形或破坏来耗散地震输入的能量，其往往造成 承重构件桥台、墩柱的损伤和破坏，而震后对其进行加固通常是较为麻烦且费用较高。 结构控制技术的应用，可以避免或减小承重构件的损伤，尽管震后仍需要对其进行测试 和更换结构中发生损伤的耗能装置，但无需替换承重构件，相比于传统加固模式要便利 很多。因此，结构减震控制技术正逐渐成为提高桥梁结构抗震性能的一种优选方案。

结构控制技术的应用必须满足桥梁正常使用功能和地震作用下结构安全这两方面 的要求。也就是在由温度变形、收缩、徐变等引起主梁蠕变的情况下，主梁可以自由变 形，尽可能产生较小的抗力乃至不产生抗力；在地震作用下，结构控制技术则通过阻尼 耗能或改变结构体系的传力途径等措施来减小桥梁构件的地震响应。

粘滞流体阻尼器和lock-up是结构控制技术中两类比较典型的装置。在静力、蠕变 荷载条件下，两者都基本不改变桥梁结构的原有功能。而粘滞流体阻尼器主要利用其内 硅油的耗能作用来减小地震作用的响应，其已在卢浦大桥、Seohae桥（韩国）等大型 工程中实现应用；lock-up装置在动力荷载作用下，提供一种锁定功能，使得该装置连 接的相邻构件可共同承担地震力。由于硅油的粘度和温度以及压力的关系不大且润滑性 较好、压缩性较强，所以两者液压缸内均采用硅油作为传递介质。

作为近年来发展起来的新型结构保护装置，lock-up是一种速度激发型的液压缓冲 装置，该装置在结构受到冲击荷载时能够依靠其活塞上的节流孔实现迅速锁定，进而改 变荷载的传递路径，使整个桥梁结构各构件能共同发挥作用，从而有效提高结构的整体 抗震性能，很好地发挥保护结构的作用。但是该装置在桥梁工程应用中尚有一定的局限 性，如它在地震作用下没有耗能作用以至于不能减少桥墩的受力、对构件的扭转效应没 有限制作用等问题。

从lock-up装置的发展历程可知，对其双出杆液压装置的活塞进行改进是前人常用 的改进方法。在此，为了研发更为优良的锁定装置以应用于桥梁结构的减震领域，对 lock-up活塞的形式以及内部构造进行改进，增强其纵向锁定功能并增加其扭转耗能功 能是改进现有lock-up装置的有效方法之一。在原有lock-up装置的基础上加快其纵向 锁定的速度与增强其锁定强度可以更好地使整个桥梁结构各构件共同发挥作用，有效提 高结构的整体抗震性能。而桥梁构件在地震作用下的扭转效应不是特别突出，因此只需 在限制纵向位移的同时增设一些扭转阻尼，以降低构件在地震作用下的扭转响应。集以 上两点优势，该新型锁定装置在桥梁抗震中的应用前景较大。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种用于桥梁结构减震控制的锁定装置，该装置允 许桥梁结构主要构件之间发生缓慢变形，但在地震作用下，该锁定装置它能对桥梁结构 进行锁定，且其锁定速度和锁定强度均较传统lock-up装置大大提升。该装置同时能够 通过阻尼耗能的形式大量耗散地震能量，提升结构抗震性能。

技术方案：本发明解决技术问题所采用的技术方案是：该锁定装置包括拉杆、右 活塞片、中活塞片、左活塞片、左盖、缸体、前盖、橡胶片、螺栓；其中，左盖安装在 缸体左侧，由螺栓固定；左活塞片、中活塞片、右活塞片并列于拉杆上且缸体内，左活 塞片、中活塞片、右活塞片的外层粘有橡胶片；其中，左活塞片和右活塞片内部均设有 孔径自调节系统；在缸体内填充满硅油；前盖位于缸体的右端，拉杆的右端穿过前盖与 外部链接，拉杆的左端穿过缸体的左端位于左盖内。

左活塞片、中活塞片、右活塞片的截面形状呈扇叶形，且从左向右按扇叶交错的 形式紧密排列固定在拉杆上，当节流孔中梯形钢块挡住节流孔时，中活塞片与缸体构成 的若干缺口被左活塞片、右活塞片封闭成若干个密闭的小箱室，而在纵向它们的流动形 式以及作用效果相同，从而可将这若干个小箱室可视为一个整体的储液空间，它与活塞 左右两侧的两个储液空间共构成三个互通的储液空间，即“三箱双锁定”。

所述的孔径自调节系统，包括节流孔、与节流孔相通的引流孔、位于引流孔中的 梯形钢块和弹簧；将梯形钢块置于节流孔与引流孔的交接处，避免两者的联通；弹簧顶 住梯形钢块。

有益效果：在拉杆运动时，节流孔中液体流速大于引流孔中液体流速，造成节流孔 一侧液体压强较另一侧偏小，梯形钢块便向节流孔一侧移动，节流孔的过流面积因此减 小，这样又使节流孔与引流孔相交位置处液体流速进一步增大，如此反复，节流孔过流 面积越来越小，从而加快了本锁定装置的锁定速度。本装置的缸内液体被左活塞、右活 塞分为三个小箱室，当拉杆运动时，缸内硅油可流过设置在左、右活塞上的节流孔，从 而保证构件收缩、徐变等蠕变的正常进行，同时在地震引起的瞬时速度下，左右活塞片 同时进行锁定，加大了锁定的强度。另外，本发明采用的组合式扇叶状活塞在拉杆发生 转动的时候，搅动硅油致使其流动，利用其粘滞性吸收部分扭转能量，减小地震作用下 桥梁结构的动力响应。

附图说明

图1是本发明整体构造正视图；

图2是本发明整体构造俯视图；

图3是本发明整体构造正视图Ⅰ-Ⅰ处剖面图；

图4是本发明整体构造正视图Ⅱ-Ⅱ处剖面图；

图5是本发明整体构造正视图Ⅲ-Ⅲ处剖面图；

图6是本发明自调节系统的细部构造图。

图中有：拉杆1；右活塞2；中活塞片3；左活塞片4；左盖5；缸体6；硅油7； 前盖8；橡胶片9；螺栓10；引流孔11；梯形钢块12；弹簧13；节流孔14；孔径自调 节系统15。

具体实施方式

本发明的用于桥梁结构减震控制的新型锁定装置包括拉杆1、右活塞片2、中活塞 片3、左活塞片4、左盖5、缸体6、硅油7、前盖8、橡胶片9、螺栓10、孔径自调节 系统15；其中孔径自调节系统15包括引流孔11、梯形钢块12、弹簧13、节流孔14。 其中，三个活塞片形似扇叶，厚度相同，从左往右将三者按扇叶交替的形式直接制作在 拉杆上，保证活塞在节流孔封闭情况下的密封性；本装置的缸体内充满硅油，硅油被左 活塞、右活塞分为三大部分，活塞圆周上粘有橡胶片；当拉杆左右移动时，硅油通过活 塞上的节流孔在缸内流动；在左、右活塞片内部均设有孔径自调节系统，它由两根弹簧、 引流孔以及梯形钢块组成，其中弹簧起固定梯形钢块的作用；缸体左侧有一个筒状左盖， 通过螺栓固定，右盖由两个半圆形盖板组成，通过螺栓固定在缸体右侧。

首先，将左盖5按图1安装在缸体6左侧，并用螺栓拧紧；然后将拉杆1从右侧 至于缸体6内；紧接着，在缸体6内填充满硅油7；最后将前盖8盖上，并用螺栓10 拧紧。

图3、图4、图5分别显示了左活塞片4、中活塞片3、右活塞2的扇叶形截面形 状，左活塞片4、中活塞片3、右活塞2从左向右按扇叶交错的形式紧密排列，预制固 定在拉杆1上，同时将橡胶片9粘在活塞2、3、4的扇叶外层，当节流孔14中梯形钢 块12挡住节流孔14时，中活塞片3与缸体6构成的若干缺口被左活塞片4、右活塞片 2封闭成若干个密闭的小箱室，而在纵向它们的流动形式以及作用效果相同，从而可将 这若干个小箱室可视为一个整体的储液空间，它与活塞左右两侧的两个储液空间共构成 三个互通的储液空间。

在活塞的左活塞片4与右活塞片2内部均设有孔径自调节系统15，细部构造如图 6所示。弹簧13将梯形钢块12固定在的左活塞片4与右活塞片2上，保证拉杆1在静 止以及缓慢运动下节流孔14的畅通。