CN117364616B - 一种锚索式耗能装置及桥梁 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锚索式耗能装置及桥梁，涉及桥梁领域，区别于现有技术中耗能部件变形能力差，在抵抗地震作用时容易导致剪断的问题，利用锚索建立桥梁上部结构和下部结构之间连接，并提供阻尼作用，能够利用锚索的柔性抵抗地震不确定方向的振动，锚索牵拉卷筒驱动内部耗能轴转动，以太阳齿轮啮合行星齿轮实现多根耗能轴的协同耗能，增加耗能过程中的位移量，满足较大位移耗能需求。

Description

一种锚索式耗能装置及桥梁

技术领域

本发明涉及桥梁领域，具体涉及一种锚索式耗能装置及桥梁。

背景技术

桥梁的耗能部件是桥梁结构安全性和耐久性的重要保障，其发展情况与桥梁工程领域的技术进步密切相关。随着地震、风灾等自然灾害的频繁发生，以及对桥梁安全性能要求的提高，桥梁耗能部件相关技术也得到长足发展。耗能部件能够吸收地震、风等自然灾害产生的能量，从而有效减轻桥梁结构的振动和损伤。目前，阻尼型耗能部件已发展出多种类型，如黏性阻尼器、摩擦阻尼器、金属屈服阻尼器等。其中，黏性阻尼器具有较大的耗能能力，但容易受到温度和频率的影响；摩擦阻尼器具有简单可靠的优点，但容易磨损；金属屈服阻尼器具有较大的能量吸收能力，但需要精确控制加载条件。

现有技术中的桥梁耗能部件，在应对因地震作用产生的位置、变形时，仍存在一些不足。地震会对桥梁产生不同方向的作用，导致桥梁上部结构横梁与桥梁下部结构的盖梁之间产生较大移位，传统的铅芯橡胶支座通过在普通叠层橡胶支座的中心插入铅芯来改善橡胶支座的阻尼性能，通过铅芯产生的滞后阻尼的塑性变形吸收地震能量，并通过橡胶提供水平恢复力，但其变形能力有限，在应对地震产生的较大位移时会导致铅芯橡胶支座的剪断，只依靠铅芯橡胶支座难以满足耗能和限位需求；另外，地震作用还存在不可预知性，固定方向的耗能部件难以适应多变地震作用的场景。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种锚索式耗能装置及桥梁，利用锚索建立桥梁上部结构和下部结构之间连接，并提供阻尼作用，能够利用锚索的柔性抵抗地震不确定方向的振动，锚索牵拉卷筒驱动内部耗能轴转动，以太阳齿轮啮合行星齿轮实现多根耗能轴的协同耗能，增加耗能过程中的位移量，满足较大位移耗能需求。

本发明的第一目的是提供一种锚索式耗能装置，采用以下方案：

钢箱，外部滑动套设有底座箱，该钢箱内填充阻尼液；

卷筒，通过卷筒轴安装于所述钢箱内，该卷筒轴配合有太阳齿轮；

耗能轴，具有螺旋叶片，多根耗能轴绕卷筒环向分布，并分别安装于所述钢箱内，耗能轴配合有行星齿轮，行星齿轮与太阳齿轮啮合传动；

锚索，卷绕于卷筒；于钢箱的滑动方向，锚索一端延伸至底座箱外，并连接盖梁锚。

进一步地，所述卷筒和卷筒轴之间配合有棘轮机构，以单向传动，卷筒和卷筒轴之间另配合有扭簧，压缩扭簧时卷筒的转动方向与卷筒单向传动的方向相同。

进一步地，所述钢箱的底板和底座箱的底板上分别设有供锚索穿过的开孔，开孔位于钢箱竖向中心线和底座箱的竖向中心线上，底座箱的开孔作为导向出口，朝向外侧的一端作平滑倒圆角。

进一步地，所述卷筒轴具有第一轴段和第二轴段，第一轴段和第二轴段为在卷筒轴的轴向上以卷筒为界的两个轴段，第一轴段和第二轴段上分别配合有太阳齿轮，耗能轴上设有与卷筒轴上太阳齿轮相应配合的行星齿轮。

进一步地，所述卷筒轴两端、耗能轴两端分别通过轴承安装于钢箱内壁，耗能轴有四根，对应钢箱竖向矩形截面的四个角位置分布，螺旋叶片能够接受从钢箱内壁方向回流的阻尼液的阻尼作用。

进一步地，所述钢箱的底板和底座箱的底板之间具有液气弹簧，为滑动配合的活塞壳和活塞块，活塞壳与活塞块之间形成填充阻尼液的第一液腔，活塞块具有活塞腔，活塞腔内滑动配合内隔板并将活塞腔分隔为气腔和第二液腔，第二液腔通过活塞壳上开设的阻尼液孔连通第一液腔。

进一步地，所述活塞壳接受钢箱的挤压作用，使活塞壳能够沿钢箱的运动方向上运动；阻尼液孔内安装有桨叶。

进一步地，所述钢箱与底座箱的滑动面具有单向阻尼机构，钢箱顶板与底座箱顶板之间连接有复位弹簧，于钢箱的移动方向上，复位弹簧对钢箱施加复位作用。

本发明的第二目的是提供一种桥梁，利用如第一目的所述的锚索式耗能装置。

进一步的，所述桥梁的上部结构端横隔梁与下部结构的盖梁之间连接有若干锚索式耗能装置，其中，底座箱布置在上部结构端横隔梁内，盖梁锚布置在盖梁内。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

（1）区别于现有技术中耗能部件变形能力差，在抵抗地震作用时容易导致剪断的问题，利用锚索建立桥梁上部结构和下部结构之间连接，并提供阻尼作用，能够利用锚索的柔性抵抗地震不确定方向的振动，锚索牵拉卷筒驱动内部耗能轴转动，以太阳齿轮啮合行星齿轮实现多根耗能轴的协同耗能，增加耗能过程中的位移量，满足较大位移耗能需求。

（2）将传统的刚性和半刚性的耗能、限位部件替换成柔性的锚索，避免了钢筋锚栓杆、铅芯橡胶支座等在往复的地震作用下沿盖梁上截面被剪断的常见问题，提高了整个装置限位功能的可靠性。

（3）卷筒和卷筒轴之间采用单向传动的棘轮机构，在锚索回卷复位时，扭簧直接驱动卷筒转动，而无需驱动耗能轴回转，降低复位难度；同时，在钢箱和底座箱之间采用单向摩擦板配合摩擦齿作为单向阻尼机构，在钢箱移动耗能时提供摩擦阻尼作用辅助耗能，在钢箱复位时，复位弹簧驱动钢箱回移而无需再次克服单向摩擦板作用，降低复位难度，便于耗能装置的复位循环使用。

（4）特殊配置耗能轴和卷筒轴的分布位置，使其形成环绕式结构，耗能轴位于钢箱竖向截面的角位置，使其在受到原位置阻尼液作用时，还会受到扰动后阻尼液冲击钢箱内壁回流的阻尼液作用，从而提高耗能轴的阻尼作用效果。

（5）在底座箱内设计液气弹簧，在钢箱运动耗能过程中阻碍钢箱的移动，形成耗能作用，锚索牵拉卷筒驱动耗能轴作为一级耗能作用，钢箱与底座箱之间单向摩擦作为二级耗能作用，液气弹簧压缩过程中作为三级耗能作用，协同实现锚索伸长过程中的阻尼作用，实现限制桥梁移位，形成锚索式多级耗能装置。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1和2中锚索式耗能装置的结构示意图。

图2为图1中B-B处的截面示意图。

图3为图1中A-A处的截面示意图。

图4为图1中C-C处的截面示意图。

图5为本发明实施例1和2中液气弹簧的示意图。

图6为本发明实施例1和2中卷筒配合卷筒轴的示意图。

图7为本发明实施例1和2中卷筒轴配合棘轮机构的示意图。

图8为本发明实施例1和2中锚索式耗能装置安装于上部结构端横隔梁和盖梁的示意图。

其中，1-底座箱；2-钢箱；3-复位弹簧；4-单向摩擦板；5-摩擦齿；6-液气弹簧；61-活塞壳；62-活塞块；63-内隔板；64-导杆；65-气腔；66-第一液腔；67-第二液腔；68-阻尼液孔；69-桨叶；7-导向出口；8-锚索；9-盖梁锚；10-卷筒；101-第三轴承；102-棘轮机构；1021-棘轮；1022-棘爪；1023-棘爪弹簧；103-扭簧；11-卷筒轴；12-第一轴承；13-耗能轴；14-第二轴承；15-传动齿轮组；151-太阳齿轮；152-行星齿轮；16-阻尼液；17-上部结构端横隔梁；18-盖梁；19-板式橡胶支座；20支座垫石。

具体实施方式

实施例1

本发明的一个典型实施例中，如图1-图8所示，给出一种锚索式耗能装置。

下面，结合附图对锚索式耗能装置进行详细说明。

参见图1，锚索式耗能装置主要包括底座箱1、钢箱2、卷筒10、耗能轴13、锚索8和液气弹簧6，钢箱2滑动布置在底座箱1内，卷筒10通过卷筒轴11安装在钢箱2内，耗能轴13也安装在钢箱2内，卷筒轴11、耗能轴13能够分别绕其轴线回转，耗能轴13上设置螺旋叶片；卷筒轴11和耗能轴13之间通过传动齿轮组15进行联动，钢箱2内填充阻尼液16，在卷筒10转动时，能够驱动螺旋叶片扰动阻尼液16形成阻尼作用，从而抵抗卷筒10的回转；锚索8一端卷绕在卷筒10上，另一端引出至底座箱1外，在锚索8受到牵拉作用时，传递至卷筒10驱动卷筒10转动，进而实现耗能；液气弹簧6也布置在底座箱1内，结合钢箱2实现耗能。为了利于说明，将锚索式耗能装置处于工作状态时，即锚索8受到外力牵拉而驱动卷筒10转动而耗能的状态称为卷筒10的正转状态，反之称为逆转状态。锚索8卷绕于卷筒10；于钢箱2的滑动方向，锚索8一端延伸至底座箱1外，并连接盖梁锚9。

其中，如图8所示，底座箱1布置在上部结构端横隔梁17内，盖梁锚9布置在盖梁18内。

如图2所示，传动齿轮组15包括相啮合的太阳齿轮151和行星齿轮152，多根耗能轴13绕卷筒10环向分布，并分别安装于钢箱2内，卷筒轴11配合太阳齿轮151，作为主动齿轮，耗能轴13配合行星齿轮152，作为从动齿轮，行星齿轮152与太阳齿轮151啮合传动。

对耗能轴13和卷筒轴11的分布位置进行配置，如图3所示，卷筒轴11通过第三轴承101与卷筒10转动连接，卷筒轴11两端、耗能轴13两端分别通过轴承安装于钢箱2内壁，卷筒轴11两端配合有第一轴承12，第一轴承12安装在钢箱2内壁开设的盲孔上；耗能轴13两端配合有第二轴承14，第二轴承14安装在钢箱2内壁开设的盲孔上。

耗能轴13与卷筒轴11间隔布置，为了保证其传动的稳定性，可以将耗能轴13与卷筒轴11的轴线平行分布。同一高度的两根耗能轴13的螺旋叶片的旋向应相反，使阻尼液16的流动相反，冲击作用相互抵消，提高耗能效果。

如图2所示，耗能轴13有四根，对应钢箱2竖向矩形截面的四个角位置分布，保持螺旋叶片和钢箱2内壁之间的间隙，避免发生碰撞干涉，并且螺旋叶片能够接受从钢箱2内壁方向回流的阻尼液16的阻尼作用。

另外，钢箱2整体采用长方箱体结构，竖直方向的截面呈矩形，太阳齿轮151的直径要大于行星齿轮152的直径，使得太阳齿轮151和行星齿轮152的传动比大于1，形成耗能减速器。同时，将小直径的行星齿轮152布置在钢箱2的角位置，能够充分利用钢箱2内的空间，避让锚索8的分布位置。

如图6和图7所示，卷筒轴11具有第一轴段和第二轴段，第一轴段和第二轴段为在卷筒轴11轴向上以卷筒10为界的两个轴段，第一轴段和第二轴段上分别配合有太阳齿轮151，使卷筒轴11上的扭矩能够均匀传递至两端；耗能轴13上设有与卷筒轴11上太阳齿轮151相应配合的行星齿轮152，使卷筒轴11两端受力均匀，提高耗能传递过程中结构运动的平稳性。

在卷筒10正转释放其上卷绕的锚索8实现耗能后，复位过程中，需要将卷筒10逆转以将锚索8重新卷绕，传统复位方式中，复位过程与耗能过程完全相反，导致在复位过程中仍需要较大的作用力，复位时间长、复位难度大，还存在复位效果差影响后续耗能效果的问题。

基于此，本实施例中筒和卷筒轴11之间配合有棘轮机构102，以单向传动，卷筒10和卷筒轴11之间另配合有扭簧103，压缩扭簧103时卷筒10的转动方向与卷筒10单向传动的方向相同。

对于棘轮机构102，如图7所示，棘轮1021安装于卷筒轴11，棘轮1021外圈设有棘齿，棘爪1022连接于卷筒10，棘爪1022与棘齿相啮合，同时，棘爪1022连接有棘爪弹簧1023，使棘爪1022能够抵接于棘齿。

在处于耗能状态时，卷筒10正转，棘爪1022在棘爪弹簧1023作用下与棘齿啮合，从而使卷筒10驱动卷筒轴11一同转动；当处于复位状态时，卷筒10在扭簧103作用下逆转，棘齿跟随卷筒10逆转而不与棘齿啮合传动，卷筒轴11不再跟随卷筒10的逆转而转动，大大减小了复位时卷筒10收卷锚索8的阻力。

在卷筒10正转释放锚索8时，棘轮机构102单向传动，压缩扭簧103进行蓄能，直至卷筒10完全释放；在复位时，蓄能后的扭簧103驱动卷筒10逆转，由于棘轮机构102的作用，此时卷筒轴11本身不发生转动，从而避免重复驱动旋转叶片，降低复位阻力，提高复位效果。

如图1和图2所示，钢箱2的底板和底座箱1的底板上分别设有供锚索8穿过的开孔，开孔位于钢箱2竖向中心线和底座箱1的竖向中心线上，底座箱1的开孔作为导向出口7，朝向外侧的一端作平滑倒圆角，减少尖锐棱线对锚索8的划伤问题，同时能够减少卡滞问题。

如图1所示，钢箱2与底座箱1的滑动面具有单向阻尼机构，钢箱2顶板与底座箱1顶板之间连接有复位弹簧3，于钢箱2的移动方向上，复位弹簧3对钢箱2施加复位作用。

相对应的，底座箱1和钢箱2之间为滑动配合，在卷筒10上卷绕的锚索8完全释放后，牵拉作用达到第一特定值，锚索8与卷筒10之间形成固连，随着外力继续作用锚索8，牵拉钢箱2整体相对于底座箱1滑动；底座箱1和钢箱2其之间设置的单向阻尼机构应具适配该第一特定值的耗能能力，换言之，单向阻尼结构应当具有相对比较大的初始摩擦力，在卷筒10上的锚索8完全释放前，保持钢箱2和底座箱1之间不产生相对滑动。

具体的，单向阻尼机构包括设置在底座箱1内壁上的单向摩擦板4和设置在钢箱2外壁上的摩擦齿5，摩擦齿5和单向摩擦板4之间相接触，在底座箱1顶板和钢箱2顶板间距变大时提供阻尼作用，在二者间距变小时不提供阻尼作用。

在卷筒10上的锚索8完全释放后，钢箱2将向下运动，钢箱2顶部的复位弹簧3受拉积蓄弹性势能，与此同时，钢箱2外壁上的摩擦齿5与底座箱1内壁的单向摩擦板4产生摩擦，从而实现二级耗能；上部结构端横隔梁17与盖梁18相对位移减少时，复位弹簧3工作，驱动钢箱2相对于底座箱1上移复位。如图4和图5所示，底座箱1内安装的液气弹簧6作为三级耗能结构。钢箱2的底板和底座箱1的底板之间具有液气弹簧6，为滑动配合的活塞壳61和活塞块62。

活塞壳61与活塞块62之间形成填充阻尼液16的第一液腔66，活塞块62具有活塞腔，活塞腔内滑动配合内隔板63并将活塞腔分隔为气腔65和第二液腔67，第二液腔67通过活塞壳61上开设的阻尼液16孔68连通第一液腔66。

为了实现内隔板63的稳定滑动，在活塞腔内设置有沿内隔板63目标滑动方向布置的导杆64，导杆64穿设于内隔板63上的导向孔。

活塞壳61接受钢箱2的挤压作用，使活塞壳61能够沿钢箱2的运动方向上运动；阻尼液16孔68内安装有桨叶69。

在二级耗能完成后，若锚索8在外力作用下进一步牵拉，钢箱2将进一步向下运动与液气弹簧6接触。活塞块62在钢箱2的作用下向下按压，与活塞壳61形成相对运动，使第一液腔66内的阻尼液16通过阻尼液16孔68流向第二液腔67，带动阻尼液16孔68内的桨叶69转动耗能，从而实现三级耗能。还可以配置相应的限位块，以避免其超出最大位移位置而损坏。

与此同时，内隔板63沿导杆64向上运动，挤压气腔65，产生回复力，当上部结构端横隔梁17与盖梁18相对位移减少时，驱动活塞块62向上复位。

本实施例中的阻尼液16可以采用粘滞阻尼液体。

需要指出的是，本实施例中，盖梁锚9采用爪型锚具，提高其锚固能力，钢箱2内部充填粘滞阻尼液16，底座箱1和钢箱2的端面形状均呈方形，底座箱1、钢箱2的壁厚可以选择为3mm-5mm；可以理解的是，在其他实施方式中，底座箱1、钢箱2的壁厚也可以根据需求进行调整，满足实际应用需求即可。

实施例2

本发明的另一典型实施方式中，如图1-图8所示，给出一种桥梁。

利用如实施例1中的锚索式耗能装置，桥梁的上部结构端横隔梁17与下部结构的盖梁18之间连接有若干锚索式耗能装置，其中，底座箱1布置在上部结构端横隔梁17内，盖梁锚9布置在盖梁18内。

如图8所示，上部结构端横隔梁17与下部结构的盖梁18之间还设有板式橡胶支座19，板式橡胶支座19一端连接上部结构端横隔梁17，另一端布置在盖梁18的支座垫石20上。

利用锚索8建立桥梁上部结构和下部结构之间连接，并提供阻尼作用，能够利用锚索8的柔性抵抗地震不确定方向的振动，锚索8牵拉卷筒10驱动内部耗能轴13转动，以太阳齿轮151啮合行星齿轮152实现多根耗能轴13的协同耗能，增加耗能过程中的位移量，满足较大位移耗能需求。在底座箱1内设计液气弹簧6，在钢箱2运动耗能过程中阻碍钢箱2的移动，形成耗能作用，锚索8牵拉卷筒10驱动耗能轴13作为一级耗能作用，钢箱2与底座箱1之间单向摩擦作为二级耗能作用，液气弹簧6压缩过程中作为三级耗能作用，协同实现锚索8伸长过程中的阻尼作用，实现限制桥梁移位，形成锚索式多级耗能装置。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种锚索式耗能装置，其特征在于，包括：

钢箱，外部滑动套设有底座箱，该钢箱内填充阻尼液；

卷筒，通过卷筒轴安装于所述钢箱内，该卷筒轴配合有太阳齿轮；

耗能轴，具有螺旋叶片，多根耗能轴绕卷筒环向分布，并分别安装于所述钢箱内，耗能轴配合有行星齿轮，行星齿轮与太阳齿轮啮合传动；

锚索，卷绕于卷筒；于钢箱的滑动方向，锚索一端延伸至底座箱外，并连接盖梁锚；

所述卷筒轴具有第一轴段和第二轴段，第一轴段和第二轴段为在卷筒轴的轴向上以卷筒为界的两个轴段，第一轴段和第二轴段上分别配合有太阳齿轮，耗能轴上设有与卷筒轴上太阳齿轮相应配合的行星齿轮；太阳齿轮的直径要大于行星齿轮的直径，使得太阳齿轮和行星齿轮的传动比大于1，形成耗能减速器；

所述钢箱的底板和底座箱的底板之间具有液气弹簧，为滑动配合的活塞壳和活塞块，活塞壳与活塞块之间形成填充阻尼液的第一液腔，活塞块具有活塞腔，活塞腔内滑动配合内隔板并将活塞腔分隔为气腔和第二液腔，第二液腔通过活塞壳上开设的阻尼液孔连通第一液腔。

2.如权利要求1所述的锚索式耗能装置，其特征在于，所述卷筒和卷筒轴之间配合有棘轮机构，以单向传动，卷筒和卷筒轴之间另配合有扭簧，压缩扭簧时卷筒的转动方向与卷筒单向传动的方向相同。

3.如权利要求2所述的锚索式耗能装置，其特征在于，所述钢箱的底板和底座箱的底板上分别设有供锚索穿过的开孔，开孔位于钢箱竖向中心线和底座箱的竖向中心线上，底座箱的开孔作为导向出口，朝向外侧的一端作平滑倒圆角。

4.如权利要求1所述的锚索式耗能装置，其特征在于，所述卷筒轴两端、耗能轴两端分别通过轴承安装于钢箱内壁，耗能轴有四根，对应钢箱竖向矩形截面的四个角位置分布，螺旋叶片能够接受从钢箱内壁方向回流的阻尼液的阻尼作用。

5.如权利要求1所述的锚索式耗能装置，其特征在于，所述活塞壳接受钢箱的挤压作用，使活塞壳能够沿钢箱的运动方向上运动；阻尼液孔内安装有桨叶。

6.如权利要求1所述的锚索式耗能装置，其特征在于，所述钢箱与底座箱的滑动面具有单向阻尼机构，钢箱顶板与底座箱顶板之间连接有复位弹簧，于钢箱的移动方向上，复位弹簧对钢箱施加复位作用。

7.一种桥梁，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一项所述锚索式耗能装置。

8.如权利要求7所述的桥梁，其特征在于，所述桥梁的上部结构端横隔梁与下部结构的盖梁之间连接有若干锚索式耗能装置，其中，底座箱布置在上部结构端横隔梁内，盖梁锚布置在盖梁内。