CN1016882B - 一种隔绝地震动能之建筑物免震结构 - Google Patents

Abstract

本发明有关于一种建筑物免震结构，此种免震结构构筑于建筑物及地基之间，其包括上下表面设置有数个球座的支撑隔绝层，及对应该球座的数个滚球，这些滚球放置并压触于前述球座之间，而可作摩擦系数极小的滚动运动，使得地震引起的水平振动力几乎无法施加于支撑隔绝层及其上的建筑物。

Description

本发明有关于一种建筑物免震结构。此种免震结构筑设于建筑物及地基之间，其包括上下表面设置有数个球座的支撑隔绝层，及对应该球座的数个滚球，这些滚球放置并压触于前述球座之间，而可作摩擦系数极小的滚动运动，使得地震引起的水平振动力几乎无法施加于支撑隔绝层及其上的建筑物，另外，在支撑隔绝层及建筑物之间又筑设有数个连杆避震器，藉着连杆作用，即可将地震传来的垂直振动能量转换成滑块的水平运动能量，再经过杠杆装置的杠杆作用，即可以缓冲弹簧吸收巨大的滑块动能，藉此而保障建筑物的安全。

根据我们所知，人们所居住之地壳，其厚度仅有薄薄的几十公里，其下则为炽热之液态岩浆，由于地壳板块之漂移运动，或互相挤压，造成激烈磨擦，或互相错动，产生断层现象，皆会释出庞大之能量，传至地表，即造成地震现象。此种大自然灾害对建筑物所带来之巨大摧毁力量，自古以来，即深为我们所畏惧，而其造成之惨重灾害，更是史不绝书。（如日本关东大地震、墨西哥大地震、中国大陆唐山大地震…等）。时至今日，尽管建筑技术与建筑材料已极为发达进步，然而建筑物在对抗地震方法上，却仍仅停留于耐震阶段，鲜能于建筑设计思想上，作一革命性之创新突破。按目前一般传统性之建筑，无论是高楼大厦或是普通房屋，均是将建筑物固定于地盘上，其间如有对抗地震之考虑时，再于设计或施工上加强其结构，期能于地震时，由建筑物接受地震动能后，再由建筑物把这些动能吸收起来。发明人认为，以此种传统建筑方法对抗地震，实为一不高明之办法。 依据牛顿运动力学之惯性定律一（一物体如不受外力影响，其动者恒动，静者恒静），吾人可由此理论得知以下之情况：一个固定于地盘上之建筑物，如无外力影响（指地震所加之动能）绝不会自行由静变动，再如无外力影响（指地震停止，动能来源断绝）亦绝不会由动变静，此种建筑物由静而动，再由动而静，全随地壳之摆布支配，其主要原因，乃是建筑物本来就固定于地壳上，其势不得不然！而如果地震威力强大，地面摆动剧烈，建筑物本身抗震结构不足以吸收其动能时，则倒塌倾颓亦是必然之结局，此亦为地震对建筑物造成破坏之主要原因。由以上之论述，吾人可得知欲使建筑物免于受地震之破坏，其最有效之方法乃是使建筑物不直接受地盘之影响，并设法断绝地震加诸建筑物之动能，亦即设法使建筑物处于恒静或接近恒静之状态。至于如何来达成此即为本发明之目的。

美国专利US-4517778公开了一种筑设于建筑物底部和地基之间的建筑物免震结构，特别由其附图3和6及其相应说明可知，这种免震结构包括有由滚球27和弹簧23等组成的多层支撑隔绝层，滚球的上下也有球座（15、22），这些滚球布设并压触于这些上下球座表面中，并能作摩擦很小的滚动，用来减小地震传来之水平振动动能对上面建筑物的影响。但是这种免震结构较为复杂而且还不能有效地将地震传来的垂直振动能量转换成构件的水平运动能量。因此，对上述类型的建筑物免震结构作进一步的改进就是本发明之目的。

首先请参阅图1，本发明中之建筑物免震结构系筑设在建筑物（4）及地盘（1）上的建筑地基（2）之间。在地基（2）上铺设有数个滚球轴承（3），各个滚球轴承（3）上又设置有一滚球（6）。滚球（6）的上面则再铺设一层上下表面皆具有凹曲面球座（5）的支撑隔绝层（S₁），使 该滚球（6）压触于其下表面之凹曲面球座（5）内。同理，在其上表面之凹曲面球座（5）内，再置入滚球（6），然后可按同样方法依序铺设支撑隔绝层（S₂），（S₃）。支撑隔绝层（S₃）与建筑物底部之间则固设有数具连杆避震器（L），藉此，支撑隔绝层（S₃）及其上面之建筑物（4）与隔绝层（S₂），（S₁）和地基（2）之间即可全部处于可滑动之接触状态，而可作水平方向的相对位移。

另外，地基（2）系筑设于地基线（7）以下的凹坑（8）内，并与凹坑（8）之侧壁（9）保持适当的间隔。在侧壁（9）上装设有缓冲橡胶（10）（或其它弹性缓冲装置，如弹簧或轮胎等），以作为建筑物（4）与地基（2）之间相对位移过大时之缓冲安全装置。

同时，为了防止雨水流入凹坑（8）而污染锈蚀滚球轴承（3）等设施，在凹坑（8）之周围及内部分别设有排水渠（12）及（11），以充分排除大量之雨水。

至于位处台风或飓风带之较轻型建筑采用本免震结构时，为了防止遭受强风风袭而摇晃过度，可在建筑物（4）附近之地盘或地基上筑设若干地锚，并以缆索或铁链将建筑物与地锚相连接，但须能容许建筑物与地基作安全限度内的相对位移。又，建筑物（4）与地盘（1）间所设之管路（如电线、水管等）均可采用具有伸缩性之软管或S形之弹性管，以避免地震时，因建筑物与地基之相对位移所造成的管路断裂。

请参阅图3及图4，前述滚球轴承（3）及滚球（6）以及凹曲面球座（5）皆由极具刚性材料制成，而其表面弧度极为精密、平滑，因此其彼此间的滚动摩擦系数趋近于零，也就是说，纵使在地震时地基（2）产生水平振动，透过此种趋近零摩擦的滚动作用，支撑隔绝层（S₁） （S₂）及（S₃）几乎完全不受地基（2）水平振动之影响，而即使存在些微影响，其程度亦由下而上逐层依等比级数衰减，因此，传至建筑物之震动能量已微乎其微而可以忽略，藉此即达免震的效果。

如第二图所示，在建筑物下方可以平均布设多组滚球轴承（3）或滚球（6），藉以平均承载建筑物的重量。

请再参阅图3，其为图1中滚球轴承（3）之放大剖面图。其包含一滚球座（13）及设于座中的小滚球（14）。滚球（6）则置于小滚球（14）上而受小滚球（14）之支承，其间之摩擦系数极小。球座（5）具有内凹之曲面，当平时无地震作用时，滚球（6）之顶点必然与曲面之中央点（M）接触，使得其上的建筑物（4）位于最低、最稳定的位置。同样的，图4显示的是夹压于上下两内凹曲面球座（5a）及（5b）间的滚球（6）。在平时，滚球（6）之最高点及最低点必然分别与上球座（5a）之曲面最高点（M1）及下球座（5b）之曲面最低点（M2）接触。而发生地震时，若地盘发生水平运动，图3及图4中的接触情形会有所改变。滚球（6）将沿着球座（5），（5a）及（5b）的曲面作趋近零摩擦的滚动而滚向曲面侧旁，此时支撑隔绝层由于几乎未遭受任何水平摩擦推力，因此对地球球心而言，其水平相对位置亦几乎保持不动状态，即使其位置有移动，但在地震结束后，滚球（6）又会回到原中心接触点而形成自动归位作用。

图5所示为另一种自动归位之设计。两球座（5a）及（5b）为平面形状，但滚球（6）则呈椭圆体，其长轴为（a），短轴为（b），当地震结束后，滚球（6）之短轴（b）上下两端点（N1）及（N2）必然分别与球座（5a）及（5b）接触。

以上的三种自动归位设计均能使建筑物在地震结束后自动回归至最低及最稳定的位置。当球座（5），（5a）及（5b）等之曲面曲率越大时， 其对滚球（6）之滚动阻力也愈大，但其自动归位及定位的作用亦愈有效及正确。吾人可在设计时视实际需要作适当的选择。如图5所示，当a与b之差愈小时，阻力愈小，但归位也愈不准确。反之，a与b之差愈大时，则阻力亦愈大，但归位愈准确。

请进一步参阅图6图6-1，及图7。本发明中的连杆避震器（L）包括上下两组四连杆，此两组四连杆各包括四条相同且互相垂直的连杆臂（15），（16）及分别枢接该连杆臂（15），（16）的枢接座（20）及枢接板（20′）。上连杆臂（15）较下连杆臂（16）为长，而每一上连杆臂（15）及下连杆臂（16）之另一端均枢接在滑块（17）上，每两个相对滑块（17）又各穿设在一支滑杆（21）的两端，并以可滑动的方式与一条固设在支撑隔绝层（S）上而与滑杆（21）呈平行的滑轨（24）相接合，藉此，滑块（17）即可受滑杆（21）及滑轨（24）的引导而在其上滑动。滑块（17）之前端（22）系抵住于杠杆（18）接近支点处，该杠杆（18）之两端则分别抵住两缓冲弓形弹簧（23），同时杠杆（18）后方适当处设有止档块（19），藉以防止杠杆（18）遭受太大的推力而导致弓形弹簧（23）在超过其安全负荷时遭到破坏。

依以上的安排，当支撑隔绝层（S₃）与建筑物（4）之间发生垂直方向的相对位移时（不论是因地震或其它因素而引起），该连杆避震器（L）将经由连杆作用使相对滑块（17）顺着滑杆（21）及滑轨（24）向外推挤杠杆（18）而压迫缓冲弹簧（23），藉着弹簧（23）对支点之力臂大于滑块（17）对支点之力臂，即可运用杠杆原理使缓冲弹簧（23）以一定倍数比率吸收由滑块（17）传来的巨大推力。

如图1及图8所示，当地震造成地基（2）对支撑隔绝层（S₁），（S₂）及（S₃）以及建筑物（4）的水平相对位移时，地震传向建筑物之动能（水平振动动能）将透过每一层滚球轴承或滚球之低摩擦滚动作用，作 由下而上的逐层衰减，其最后所能传至建筑物之水平振动动能将微乎其微，因此上层之建筑物（4）即可受到最佳，最可靠的免震保护。该支撑隔绝层层数越多，其免震效果愈佳。另外由于滚球轴承（3）或滚球（6）在凹曲面球座（5）上滚动，所以原水平运动会转换出垂直方向的运动，此垂直方向的运动能量亦会由连杆避震器（L）转换成滑块（17）之水平动能，再藉由杠杆作用，而由缓冲弹簧（23）吸收此动能并转变成其弹性位能，如此，建筑物即不会承受巨大动能的冲击而摇晃或塌裂，因而得以保障建筑的安全。

Claims (8)

1、一种隔绝地震动能的建筑物免震结构，该结构筑设于建筑物底部及地基之间，包括：

数层支撑隔绝层，隔绝层之上下表面设置有数个球座，

数个滚球，该滚球布设并压触于前述隔绝层之上下表面球座中，而能作趋近零摩擦的滚动，使地震传来之水平振动动能无法传递至支撑隔绝层及建筑物，其特征在于，

多数设置于支撑隔绝层及建筑物底部之间的连杆避震器，该连杆避震器具有连杆臂及枢接该连杆臂的枢接座及滑块，以及引导该滑块滑动的装置，滑块进一步抵住一种杠杆装置，该杠杆两端又连接着缓冲弹簧，藉着连杆臂的连杆作用可将垂直方向的振动动能转换成滑块的水平动能，再藉由杠杆作用，由缓冲弹簧以一定倍数比率吸收此滑块之水平动能并转变成其弹性位能，以上建筑物免震结构均可容许地基对其上的每一支撑隔绝层及最上层之建筑物作水平方向及垂直方向的相对位移。

2、一种如权利要求1所述的建筑物免震结构，其特征在于，滚球轴承上可置入滚球，然后将其连同滚球布设在地基上而使滚球压触在支撑隔绝层之球座内，或布设在支撑隔绝层与支承隔绝层之间，利用滚球与滚球轴承及球座间的极低滚动摩擦力的特性，即可隔绝由地基传来的地震水平振动动能，使支撑隔绝层及建筑物保持几乎静止不动。

3、一种如权利要求1或2所述之建筑物免震结构，其特征在于，滚球为高度精确之圆球形，而球座则为极光滑之内凹曲面，而滚球轴承，滚球及球座皆由极具刚性之材料制成，因此其彼此间的滚动摩擦系数趋近于零，也就是说，纵使在地震时，地基产生水平振动，透过此种趋近零摩擦的滚动作用，支撑隔绝层以及其上面之建筑物可几乎不受地基水平振动的影响。

4、一种如权利要求1所述的建筑物免震结构，其特征在于，滚球设计成椭圆体形，而球座设计成平面形。

5、一种如权利要求1所述的建筑物免震结构，其特征在于，该滚球设计成椭圆体形，而球座设计成内凹曲面。

6、一种如权利要求1所述的建筑物免震结构，其特征在于，该连杆避震器包括上下两组四连杆，此两组四连杆各包括四条相同且互相垂直的连杆臂及分别枢接该连杆臂的枢接座及枢接板，每一上连杆臂及下连杆臂之另一端均枢接在滑块上，每两个相对滑块又各穿设在一支滑杆的两端，并以可滑动的方式与一条设在支撑隔绝层上的滑轨相接合，藉此，滑块即可受滑杆及滑轨的引导而在其上滑动，滑块之前端系抵于杠杆接近支点处，该杠杆的两端则分别抵住两缓冲弹簧，藉此，由地基传来的地震垂直振动动能可经由连杆作用转换成滑块在滑杆及滑轨上的水平滑动动能，再藉着杠杆作用，即可由该缓冲弹簧吸收巨大的滑块滑动动能，并将之转变成弹性位能。

7、一种如权利要求6所述的建筑物免震结构，其特征在于，缓冲弹簧与杠杆支点的力臂长度远大于滑块与杠杆支点的距离，所以依据杠杆定律，缓冲弹簧可以吸收远大于其负荷限度的滑块滑动力。

8、一种如权利要求1所述的建筑物免震结构，其特征在于，该缓冲弹簧系一种弓形弹簧。

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