电控摩擦阻尼减隔震球型支座

技术领域

本发明涉及一种减隔震球型支座。

背景技术

桥梁支座有多种类型，例如球型支座、板式橡胶支座、盆式橡胶支座等，桥梁支座的作用主要有两点，其一是将桥梁载荷（动载和静载）有效传递到桥墩，其二则是用以克服梁体因受制动力、环境温度、混凝土收缩或徐变以及载荷作用等引起的位移产生的梁体偏压。例如在桥体横向，如果因环境温度发生变化，导致梁体边长，而墩柱之间的间距不变，若梁体与墩柱之间是刚性的连接，则刚性连接的部分有可能会被剪断或者梁体对连接部分产生很大的剪切力。桥梁支座则使梁体尽可能正压在墩柱上。

因桥梁与墩柱之间的连接结构不仅需要面对水平方向的位移，还会因竖向压缩变形或者不同部分变形幅度不一致而产生转角变形，由此产生了既满足适应移动变形又适应转动变形的滚动球型支座。球型支座是当前应用最为广泛的桥梁支座，在于其既可以提供滑移，还能够提供转动，能够适应梁体与桥墩间位移的各种变化。

中国专利文献CN203021916U公开了一种球型钢支座，属于单球冠球型支座，具体是其包括底座，以及设置在底座上的下支座板和通过摩擦总成安装在下支座板上的上支座板，其中，下支座板的上表面设置有球型凹槽，并在球型凹槽内设置有球冠板，并且适配于球冠板还设有聚四氟乙烯滑板，以改善球型摩擦副的摩擦性能。球型摩擦副的摩擦性能与构成摩擦副的界面的表面粗糙度和材质有关，尽管也会受其他因素的影响，例如摩擦界面是否有润滑剂，现场温度如何等，不过就摩擦的响应性而言，球型摩擦副的摩擦系数是确定的，不可调的，因而不具有各种工况的响应性。

中国专利文献CN101705722A公开了一种双曲面减震抗拉支座，属于球型支座的一种变型，其具有两个曲面，即具有两个球面，在于其所配球冠衬板上下各有一个球面，双曲面减震支座设置的目的在于提高例如震动的响应性。相对于单曲面的球形支座，双曲面球型支座是一种更加有效的摩擦耗能减隔震装置。

双曲面球型减隔震支座的工作方式为：在常用荷载作用下，由于设置在球冠衬板外围的抗剪装置的作用，不允许有相对滑动，此时双曲面球型支座相当于固定支座；在地震荷载作用下，抗剪装置被剪断，支座滑动使桥面相对桥墩发生位移，水平运动将产生一个重力的竖向提升，因而可以产生恢复力。支座的滑动将使桥梁结构的基本周期延长，达到隔震的目的；滑动球面间的摩擦作用实现了耗能，从而达到减震的目的；

然而，双曲面球型减隔震支座依然存在工程应用限制，这是因为其摩擦系数和曲率半径均为恒定值，故阻尼不变，不能适应强度不同的地震输入，使隔震效果受到影响。如遇罕遇地震时，由于阻尼为定值，为耗散过大的地震能量，支座会增加水平滑移量，甚至超过支座的设计有效滑动位移，使支座破坏。作为结构中重要节点的摩擦支座一旦失效，就会导致结构的传力路径发生变化，从而对其它部位抗震性能产生不利的影响，进一步加重结构地震破坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对地震烈度响应性好的电控摩擦阻尼减隔震球型支座。

在本发明的实施例中，提供了一种电控摩擦阻尼减隔震球型支座，其包括：

下支座板；

上支座板，位于下支座板正上方；

摩擦总成，上支座板借由该摩擦总成支撑在下支座板上，该摩擦总成至少具有一个球型摩擦界面，摩擦总成的所有摩擦界面所适配润滑剂为具有电滞效应的润滑剂；

震动检测装置，安装在下支座板上；

控制器，输入连接所述震动检测装置，以输入震动强度；

主电路，配置在该主电路上的功率调整器件与所述控制器相连，以根据震动强度调整主电路的输出功率，且该主电路连接至形成摩擦界面的摩擦构件上；相应地，摩擦构件相对于摩擦界面的背侧具有绝缘层或为绝缘材质，若摩擦构件为绝缘材质时，该摩擦构件内嵌有与所述主电路连接的导电层。

可选地，所述下支座板具有下球窝，上支座板具有与下球窝对位的上球窝；

相应地，所述摩擦总成包括：

球冠衬板，具有与上球窝配合以形成上界面的上球面和与下球窝配合以形成下界面的下球面，而形成双球型摩擦界面。

可选地，球型摩擦界面由对磨的曲面钢板和曲面聚四氟乙烯板形成；

其中，曲面钢板至少背离球型摩擦界面的表面具有绝缘层，曲面聚四氟乙烯板则内嵌有导电层。

可选地，曲面聚四氟乙烯板与曲面钢板配合的表面开有沟槽，以容置部分润滑剂。

可选地，沟槽的开槽方向与球型摩擦界面的设计转动方向垂直。

可选地，适配于上球窝的上球型摩擦界面中的上曲面钢板固定在上球窝内；

适配于下球窝的下球型摩擦界面中的下曲面聚四氟乙烯板固定在下球窝内；

相应地，上球型摩擦界面中的上曲面聚四氟乙烯板和下球型摩擦界面中的下曲面钢板固定在球冠衬板上。

可选地，球冠衬板上开有孔道，所述主电路借由该孔道所穿设的电缆与相应的安装在球冠衬板上的摩擦构件连接；

相应球窝处则设有环形的电极，安装在球窝处的摩擦构件借由该电极与主电路连接，相应地，该电极与球窝共轴线。

可选地，围绕每个摩擦界面均设有密封圈。

可选地，还设有同时与上支座板和下支座板连接的抗剪装置，在该抗剪装置被剪断前，所述减隔震球形支座构成固定支座；

相应地，所述主电路配有开关电路，并相应配有检测抗剪装置是否被剪断的传感器，该传感器连接所述控制器，控制器则输出连接所述开关电路，以在抗剪装置被剪断前，主电路处于开路状态，抗剪装置被剪断时，主电路闭合。

可选地，还配有太阳能电池板，以及蓄电池，以向所述主电路、控制器，以及与控制器连接的元器件供电。

在本发明的实施例中，电控摩擦阻尼减隔震球型支座摩擦总成的摩擦界面所配润滑剂为具有电滞效应的润滑剂，在通电后，当加载在摩擦构件上的电压发生变化时，润滑剂的粘度会发生变化，从而导致摩擦界面的摩擦系数发生变化，适应不同的地震烈度，在地震烈度比较大时，增加润滑剂的粘度，避免桥梁倾覆，而在地震烈度比较小时，降低润滑剂的粘度，减轻上支座板所受到的应力，从而具有对地震比较好的响应性。

附图说明

图1为一实施例中电控摩擦阻尼减隔震球型支座立体结构示意图。

图2为一实施例中电控摩擦阻尼减隔震球型支座主剖结构示意图。

图3为图2的A部放大图。

图4为一实施例中下曲面聚四氟乙烯板剖视结构示意图。

图中：1.下锚栓，2.下支座板，3.螺钉，4.下剪切座，5.剪切螺栓，6.上剪切座，7.上锚栓，8.上支座板，9.加强板，10.摩擦总成，11.震动传感器，12.波纹管，13.控制盒，14.电池仓，15.悬臂，16.太阳能电池板，17.下球冠座，18.下曲面聚四氟乙烯板，19.下曲面钢板，20.上球冠座，21.上密封圈，22.上曲面钢板，23.上曲面聚四氟乙烯板，24.环形电极，25.下密封圈，26.电缆，27.电极，28.波纹管接头，29.沟槽，30.球冠衬板，31.聚四氟乙烯板本体，32.导电层。

具体实施方式

在本发明的实施例中，基于电滞效应（Electroviscous effect），据IUPAC定义，位于粒子表面的电荷影响流体的粘度。指在不外加电场时，由于液体中固体颗粒的表面电荷而导致液体静态粘滞系数的增加的现象。液体的动态粘滞系数的与外加电场梯度正相关，而外加电场梯度与构建摩擦界面的摩擦构件上的电压正相关。在本发明的实施例中，根据震动来调整摩擦界面的摩擦系数，从而具有更好的适应性。

另外，除非特别说明，对于桥梁支座，其具有确定的上和下，而具有基本的参考系，如此对应于例如本发明实施例中的下支座板2、上支座板8。对于桥梁支座中的球型支座而言，其配有球冠衬板30，在静定状态下，球冠衬板30的轴线与例如上支座板8的台面垂直，如图1中所示的上支座板8的上台面。

需知，球型支座并不是指其含有完整球体的结构体，而是配有球冠衬板30，球冠衬板30是球体的一部分，以此定义球型支座。

球冠衬板30可以具有一个球冠面，也可以有两个球冠面，在本发明的实施例中，这两种类型的球冠衬板30均可使用。

作为基本构成，电控摩擦阻尼减隔震球型支座包括下支座板2、上支座板8，以及安装在上支座板8与下支座板2之间的摩擦总成，其中上支座板8一般如例如桥梁的梁体连接，连接方式一般是通过上锚栓7进行连接，上锚栓7的数量通常不少于四个，不过在大多数的应用中，上锚栓7的数量通常也采用四个。

对于下支座板2，其通常与桥墩间固定连接，连接方式同上支座板与桥梁梁体的连接方式一样，连接件为图1中所示的下锚栓1。

一般而言，上支座板8位于下支座板2的正上方，原始状态下，上支座板8的支撑重心与下支座板2的支撑重心在同一个竖直线上。

而摩擦总成也是桥梁支座的固有配置，摩擦总成的行程决定了桥梁支座对例如桥梁因各种原因产生的位置最大变动量，上支座板8借由该摩擦总成支撑在下支座板2上。

如前所述，球冠衬板30可以具有一个球冠面，也可以有两个球冠面，因此，摩擦总成至少具有一个球型摩擦界面。

作为对现有技术的改进，摩擦总成的所有摩擦界面所适配润滑剂为具有电滞效应的润滑剂，当润滑剂所处的电场发生变化时，相应摩擦副的摩擦系数也就会发生变化。

关于润滑剂，除了例如固体润滑剂中的石墨外，绝大多数润滑剂都是绝缘材料，并且显而易见的是，满足本发明实施例的润滑剂为润滑脂或润滑油，且应采用绝缘性相对较好的润滑脂或者润滑油。

进一步地，在本发明的实施例中，进一步配置了震动检测装置，将震动检测装置安装在下支座板2上，适用于本发明的震动检测装置主要用来检测地震，因此所适配的是地震监测仪，地震监测仪是用于直接测量地震强度的仪器，或者说是在地震发生时，直接获得地震的强度，并且地震的强度是渐变的，因此，对于现在电子设备的响应速度通常在ms级，甚至有更高的响应速度，完全可以满足地震强度的响应速度。

加以对应的，提供一控制器，该控制器输入端口连接震动检测装置，以输入震动强度；惯用的地震监测仪具有多个感应器通道，一般为4或6个通道感应器，还可以增加到12通道，而输出通道和制式也相对较多，可以直接输出地震强度，从而跟预设的地震强度进行匹配，匹配出相应的控制量即可据此调整。

相应地，配置主电路，在该主电路上的功率调整器件与所述控制器相连，以根据震动强度调整主电路的输出功率，且该主电路连接至形成摩擦界面的摩擦构件上，从而改变摩擦界面的电场。

进而，摩擦构件相对于摩擦界面的背侧具有绝缘层或为绝缘材质，以与上支座板8或下支座板2间隔离，且若摩擦构件为绝缘材质时，如聚四氟乙烯板，该摩擦构件内嵌有与所述主电路连接的导电层32。

当摩擦构件对应的导电层32通电后，对应的用于确定出摩擦界面的两个构件中的导电层形成电极板，从而在两个导电层间形成电场，电场的电场强度与加载到电极板上电压正相关，与电极板的距离负相关，由于相应两导电层间的距离为固定值，因此，只需考虑加载在电极板上的电压即可。相应地，通过电场强度的调整，实现润滑剂的阻尼系数的改变，从而改变摩擦副的摩擦系数。

根据以上内容可以理解的是，当地震强度加强时，需要增加摩擦副的摩擦系数才能够避免桥梁倾覆，加以对应的，当地震强度减弱时，需要减小摩擦副的摩擦系数才能够提高桥梁支座的响应性，或者说加载在摩擦界面上的电场强度与地震强度正相关，而如前所述，电场强度直接由加载在构成电极板的导电层32上的电压决定，并与该电压正相关，因此，地震强度与主电路加载在例如图4中导电层32上的电压正相关。这种对应关系控制点只有一个，实现起来非常简单。

在优选的实施例中，采用双球冠的桥梁支座，并且对应的两个球冠面由同一个球冠衬板30提供，这样会大幅降低桥梁支座的高度，而使桥梁支座具有较好的稳定性。

具体地：所述下支座板2具有下球窝，上支座板8则具有与下球窝对位的上球窝；

相应地，如图2和3所示的结构中，所述摩擦总成包括：

球冠衬板30，在图2中可见，该球冠衬板30具有与上球窝配合以形成上界面的上球面和与下球窝配合以形成下界面的下球面，而形成双球型摩擦界面。从图2中可见，两个球冠面的相背，由于球冠的球心角相对较小，两个球冠面的整体高度不大，若向背设置时，整体高度相对较小，而降低了桥梁支座的整体高度。

在图2和图3所示的结构中，球型摩擦界面由对磨的曲面钢板和曲面聚四氟乙烯板形成；相应地，位于上面的上球型摩擦界面由对磨的上曲面钢板22和上曲面聚四氟乙烯板23形成，位于下面的下球型摩擦界面由对磨的下曲面钢板19和下曲面聚四氟乙烯板18形成。

加以对应的，曲面钢板至少背离球型摩擦界面的表面具有绝缘层，曲面聚四氟乙烯板则内嵌有导电层32。

举例而言，如图2所示，上曲面钢板22的下表面用于形成摩擦界面，上表面则与上球窝间固定连接，其上表面具有绝缘层而与上支座板8间绝缘。

关于上曲面钢板22，其下表面也可以具有绝缘层，绝缘层可以是喷涂的聚四氟乙烯涂料形成。

在优选的实施例中，例如上曲面钢板22的下表面不做绝缘层。

在优选的实施例中，曲面聚四氟乙烯板与曲面钢板配合的表面开有沟槽29，以容置部分润滑剂，可以确保润滑剂分布相对均匀。

沟槽29类似于油杯，可以持续的提供润滑。

具体地，如图4所示，为下曲面聚四氟乙烯板的剖视图，图中，其上表面开有沟槽29，其上表面与下曲面钢板22配合，沟槽29内容置有润滑剂，从而能够获得持续的润滑，并保持润滑膜的厚度相对稳定，从而降低对摩擦系数调整的影响。

优选地，沟槽29的开槽方向与球型摩擦界面的设计转动方向垂直，如图4所示，对应的摩擦方向对应于前述的设计转动方向相应，如图4中所示弧形方向，而沟槽29为垂直于纸面的方向。

这里的垂直满足经纬的垂直，即设计转动方向假定为纬度方向，则沟槽29为经度方向。

对于构造摩擦界面的摩擦构件的运动形式，在本发明的实施例中，两个球型摩擦界面的可动部分采用不同的材质，借以获得更佳的可控性，具体地，适配于上球窝的上球型摩擦界面中的上曲面钢板22固定在上球窝内；

适配于下球窝的下球型摩擦界面中的下曲面聚四氟乙烯板18固定在下球窝内；

相应地，上球型摩擦界面中的上曲面聚四氟乙烯板23和下球型摩擦界面中的下曲面钢板22固定在球冠衬板30上。

为方便连接，并且避免在滑动中扯断电缆，于球冠衬板30上开有孔道，所述主电路借由该孔道所穿设的电缆与相应的安装在球冠衬板30上的摩擦构件连接；

相应球窝处则设有环形的电极27，以保持较好的接触，即避免球冠衬板30活动量较大时，使导电层32或曲面钢板与电极脱离接触；安装在球窝处的摩擦构件借由该电极与主电路连接，相应地，该电极27与球窝共轴线。

在一些实施例中，围绕每个摩擦界面均设有密封圈，如图3中所示的下密封圈25和上密封圈21。

摩擦总成动作频繁时，易于损坏，而轻量的需要平衡的运动量对桥梁的正常使用影响不大，为此，在本发明的实施例中，还设有同时与上支座板8和下支座板2连接的抗剪装置，在该抗剪装置被剪断前，所述减隔震球形支座构成固定支座，而不去响应轻量的梁体变动。

相应地，所述主电路配有开关电路，并相应配有检测抗剪装置是否被剪断的传感器，该传感器连接所述控制器，控制器则输出连接所述开关电路，以在抗剪装置被剪断前，主电路处于开路状态，抗剪装置被剪断时，主电路闭合。

有鉴于例如地震时，可能因地震烈度大，而导致例如电缆被扯断，为此，在本发明的实施例中，还配有太阳能电池板16，以及蓄电池，如安装在电池仓14内的蓄电池，以提高自持力，以向所述主电路、控制器，以及与控制器连接的元器件供电。