CN101761147B - 一种三维隔震装置 - Google Patents

Abstract

一种三维隔震装置，属于土木工程结构振动控制领域。其特征是主要由铅芯叠层橡胶隔震器、组合碟形弹簧及其导向轴、菱形钢板阻尼器等组成，铅芯叠层橡胶隔震器位于装置的下部，装置的下联结板和中间联结板上分别固定滑动导轨、滑块和交叉高强拉索。碟形弹簧导向轴下端的固定钢板通过螺栓固定在中间联结板上，复合组合碟形弹簧套在导向轴上，导向轴的顶端设置防拉挡板和抗拉螺栓。菱形钢板阻尼器水平放置，两端支承在钢板支承架上，钢板支承架固定在碟簧导向轴固定钢板上，菱形钢板中间通过螺杆和螺帽固定于三维隔震装置的上联结板。本发明具有足够的竖向承载力，提供适宜的竖向和水平向刚度和阻尼；关键部件具有可靠连接，具有水平限位和竖向抗拉措施。

Description

一种三维隔震装置

技术领域

本发明属于土木工程结构振动控制领域和隔震技术领域，涉及一种具有足够竖向承载力而且具有三维适宜刚度和阻尼的新型三维隔震装置，可同时实现土木工程结构或设备的三维隔震，适用于工业与民用建筑、桥梁、地铁工程以及重要设备等工程的隔震。

背景技术

隔震技术是目前世界上研究最成熟和应用最广泛的结构控制方案之一，各国的建筑抗震设计规范也纳入了隔震技术相关内容。但目前的绝大部分隔震技术都只能实现水平隔震效果，而对竖向地震作用基本没有效果。但地震动本身不仅仅具有水平方向分量，同时存在竖向分量甚至扭转分量，即具有三维特性，特别是在高烈度区域或近地震断层区域，地震动的三维特性更为显著。因此，三维隔震技术是非常有必要的和重要的，也是未来隔震技术发展趋势之一。

国内外部分研究者开始关注和研究三维隔震技术，但是目前为止仍没有太大的实质性进展。2005年1月5日国家知识产权局公开了一种三维隔震系统发明专利申请，公开号：CN1560395A，该专利申请所公开的技术方案是在普通的铅芯叠层橡胶隔震器上串联组合碟形弹簧和组合碟形弹簧导向轴中心孔内的粘弹性阻尼器材料完成三维隔震目的。该技术方案虽然考虑了同时隔离包括竖向在内的三维地震动，但是如果在突发的较大三维地震动作用下，上部联结板可能跳出组合碟形弹簧导向轴而直接导致三维隔震系统的失效，而且没有考虑到突发的较大竖向地震动以及高层建筑物的倾覆等情况下可能造成下部铅芯叠层橡胶隔震器的拉伸破坏。2005年11月30日国家知识产权局公开了一种变曲率自行复位保护三维减隔震耗能支座的发明专利，公开号：CN1702248A，该专利申请所公开的技术方案是采用变曲率摩擦滑移隔震进行水平隔震，组合碟形弹簧及其叠合件之间的阻尼材料和中心轴桶阻尼器进行竖向隔震，此技术方案同样存在着突发较大竖向跳动将导致整个支座失效的可能，而且竖向阻尼耗能能力可能不足。2007年5月30日国家知识产权局授权公告了一种水平竖向复合隔震装置实用新型专利，公告号：CN2905932Y，该专利所披露的技术方案是由普通的铅芯橡胶支座隔震器和主碟形弹簧组以及辅助碟形弹簧组组成的竖向隔震器组成，采用导向套筒传递组合碟簧所受的水平剪力。但该技术方案没有考虑到普通铅芯橡胶隔震器不具有自限位和和很强的抗拉能力，而且组合碟形弹簧片之间的摩擦能够提供的竖向耗能能力非常有限，同样，在较大突发竖向地震动作用是，压套可能会脱离组合碟形弹簧的导向筒而导致支座失效。

根据已有的技术研究背景，普通的铅芯叠层橡胶隔震器具有适宜的水平刚度和耗能能力，但不具备自身限位功能，而且竖向抗拉能力较差。碟形弹簧具有很小的结构构造空间，但能承受很大的轴向压力，合理的组合多片碟形弹簧能够获得适宜的轴向刚度，但组合碟形弹簧不具备抗拉能力，而且提供的阻尼非常有限。菱形钢板阻尼器是近年来提出的钢板弯曲耗能的一种新形式，已有的研究表明菱形钢板阻尼器可以具有较大的初始弹性刚度和适宜的耗能能力，在结构耗能减震技术中有很大的优势和应用前景。

发明内容

本发明提出了一种三维隔震装置，该装置具有足够的竖向承载能力，同时具有适宜的三维隔震刚度和阻尼耗能，具有合理的连接构造措施防止三维隔震装置发生较大的水平向和竖向位移，同时具有抗拉措施，保证三维隔震装置的整体稳定性和工作安全性。

本发明的技术方案如下：

该三维隔震装置包括抗拉螺栓、防拉挡板、上联结板、复合组合碟形弹簧、菱形钢板阻尼器、螺杆和螺帽、钢板支承架、碟形弹簧导向轴及其固定板、中联结板、铅芯叠层橡胶隔震器、高强拉索、滑动导轨和滑块和下联结板等部分。

6组复合组合碟形弹簧能够提供足够的竖向承载能力和适宜的竖向刚度，分别套在6个碟形弹簧导向轴上，顶部和低部放置垫板，保证碟形弹簧径向自由变形，碟簧导向轴顶端设置防拉挡板和抗拉螺栓，防止突发较大竖向位移时装置上联结板跳出碟簧导向轴造成装置的失效。

菱形钢板阻尼器在其中心位置通过螺杆和螺帽固定于装置上联结板，两端通过支承圆柱支承于钢板支承架，钢板支承架焊接在下部碟簧导向轴固定钢板上。菱形钢板阻尼器布置于周边6组复合组合碟簧的中间，上联结板和碟形弹簧导向轴固定板之间周边或两侧都可以布置6组组合碟形弹簧。

在装置中联结板和下联结板之间放置铅芯叠层橡胶隔震器，提供适宜的水平刚度和耗能能力。分别在装置中联结板下表面和下联结板上表面设置滑动导轨和滑块，采用4对高强拉索分别交叉连接上下各4个滑块，滑动导轨两端的固定钢板起到水平限位的作用，可以防止装置发生过大的水平剪切变形，同时可以防止铅芯叠层橡胶隔震器发生拉伸破坏。

本发明三维隔震装置具有以下优点：

1、水平隔震措施采用已有研究和应用都较为成熟的铅芯叠层橡胶隔震垫来满足水平隔震目的。适宜的水平刚度和铅芯阻尼性能可以有效地隔离和消耗水平地震作用，避免强烈水平地震作用下结构及设备等发生严重破坏。

2、采用组合碟形弹簧可以在满足足够承载能力的前提下，获得适宜的竖向隔震刚度，同时满足承载和隔震目的，是较为理想的竖向隔震元件。多组碟形弹簧承载可以采用较小直径的碟形弹簧，降低装置造价。

3、菱形钢板可以提供较大的初始刚度和适宜的阻尼，与组合碟形弹簧同时使用可以有效地隔离和消耗竖向地震动，提高结构和重要设备的抗震安全性和振动舒适性。

4、组合碟形弹簧导向轴即可以满足碟形弹簧变形导向的作用，6根导向轴可以有效地传递装置上部水平剪力至下部铅芯叠层橡胶隔震器，顶部的防拉板和抗拉螺栓又可以保证过大的竖向地震动时装置不至于失效。

5、水平滑动导轨、滑块以及8根高强拉索，可以避免铅芯叠层橡胶隔震器发生过大的水平剪切变形和拉伸破坏，提高了装置的整体工作安全性。

6、该三维隔震装置构造较为简单，制作加工方便，具有同时完成三维隔震效果，并且具有良好的整体稳定性和工作安全性。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图。

图2为本发明的上部水平隔震部件平面布置示意图。

图3(a)为本发明的下联结板上表面A-A剖面图。

图3(b)为本发明的中联结板下表面B-B剖面图。

图4(a)为本发明的钢板支承架结构布置示意图。

图4(b)为本发面的钢板支承架C-C剖面图。

图5为本发明的导向轴示意图。

图6为本发明的菱形钢板阻尼器和支承圆柱示意图。

图中：1抗拉螺栓；2防拉挡板；3上联结板；4碟形弹簧垫板；5螺杆；6复合组合碟形弹簧；7钢板支承架；8螺帽；9菱形钢板阻尼器；10菱形钢板端部支承圆柱；11碟形弹簧导向轴；12导向轴固定板；13中间联结板；14铅芯叠层橡胶隔震器；15滑动导轨两端固定钢板；16高强拉索；17滑动导轨；18滑块；19下联结板。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

本发明一种三维隔震装置由抗拉螺栓1、防拉挡板2、装置上联结板3、碟形弹簧垫板4、螺杆5和螺帽8、组合碟形弹簧6、钢板支承架7、菱形钢板阻尼器9及其两端支承圆柱10、碟形弹簧导向轴11及其固定板12、中间联结板13、铅芯叠层橡胶隔震器14、8根高强拉索16、滑动导轨17及其两端固定钢板15、滑块18和下联结板19组成。

所述的碟形弹簧导向轴11顶端安装抗拉螺栓1，抗拉螺栓下安装防拉挡板2，可以防止在突发较大竖向位移时装置上联结板3跳出碟形弹簧导向轴11，保证装置的工作安全性。碟形弹簧导向轴11表面需要进行特殊处理以满足相关规范对表面硬度和粗糙度的要求，其下端嵌固在导向轴固定板12内，导向轴固定板12用螺栓与装置中间联结板13紧固连接。碟形弹簧导向轴11与装置上联结板3之间动配合。

所述的上联结板3和碟形弹簧导向轴固定板12之间周边或两侧布置6组组合碟形弹簧6，其顶部和底部分别放置蝶形弹簧垫板4，碟形弹簧垫板4需要进行特殊处理以满足相关规范对硬度和粗糙度的要求。每组复合组合碟形弹簧6居中套在其导向轴11上。

所述的菱形钢板阻尼器9位于导向轴固定板12中心区域上方。菱形钢板阻尼器9中间位置通过螺杆5和螺帽8连接到上联结板3上，其两端支承圆柱10支承到钢板支承架7上，钢板支承架连接于碟形弹簧导向轴固定板12上。

所述的铅芯叠层橡胶隔震器14位于装置中联结板13和装置下联结板19之间，中联结板13下表面和下联结板19上表面分别通过固定钢板15设置滑动导轨17和滑块18，滑块18套在滑动导轨17上，并且可以沿水平方向自由滑动。中联结板13下表面的4个滑块分别和下联结板19上表面相垂直的两边上的滑块通过4对交叉的高强拉索16连接，滑动导轨17的长度可以根据铅芯橡胶隔震器14允许的设计最大水平剪切位移来确定，高强拉索16可以用于铅芯橡胶隔震器14水平限位和防止其拉伸破坏。滑块18以及高强拉索16的强度根据三维隔震支座的最大水平剪力和竖向拉力设计。

该三维隔震装置传递荷载的工作原理为：作用在上联结板3的水平作用力通过6跟碟形弹簧导向轴11传递给下部的导向轴固定板12，进而通过中联结板13传递给下部的铅芯叠层橡胶隔震器14，最后通过装置下联结板19传递给下部基础或结构。作用在上联结板3上的部分竖向荷载通过6组复合组合碟形弹簧6传递到导向轴固定板12和中联结板13上，另一部分竖向荷载通过螺杆5传递给菱形钢板阻尼器9及其两端支承圆柱10，然后再通过钢板支承架7传递到导向轴固定板12和中联结板13上，最后通过铅芯叠层橡胶隔震器14传递到装置下联结板19上。

所述的三维隔震装置的组装顺序自下而上为：

(1)将4对高强拉索的一端固定在4个滑块上，然后将其安装到固定于装置下联结板的4个滑动导轨上；安装铅芯叠层橡胶隔震器和装置中联结板，然后再将4对高强拉索的另一端交叉固定在装置中联结板上的4个滑块上。

(2)放置碟簧导向轴及其固定钢板，采用螺栓紧固碟簧导向轴固定钢板和装置中联结板。

(3)焊接钢板支承架到碟簧导向轴固定板上，然后将菱形钢板阻尼器水平放置于钢板支承架两端的开槽内，在菱形钢板中心孔中安装螺杆和螺栓。

(4)在每个碟簧导向轴上放置碟簧垫板，然后放置各组复合组合碟形弹簧，在顶部放置碟簧垫板。

(5)对应安装装置上联结板，然后放置每个碟簧导向轴顶端的防拉挡板，最后安装每个碟簧导向轴顶端的抗拉螺栓，完成整个装置的安装。

Claims (3)

1.一种三维隔震装置，该装置主要由上部的竖向隔震系统、下部的水平隔震系统及上下隔震系统的连接部件组成；该装置包括抗拉螺栓(1)、防拉挡板(2)、上联结板(3)、碟形弹簧垫板(4)、复合组合碟形弹簧(6)、组合碟形弹簧导向轴(11)及其固定板(12)、菱形钢板阻尼器(9)、钢板支承架(7)和阻尼器端部支承圆柱(10)、连接螺杆(5)和螺帽(8)、中间联结板(13)、铅芯叠层橡胶隔震器(14)、滑动导轨(17)、滑块(18)和高强拉索(16)、下联结板(19)等；上联结板(3)和导向轴固定板(12)之间设置6组复合组合碟形弹簧(6)；菱形钢板阻尼器(9)位于6组复合组合碟形弹簧(6)的中间；导向轴(11)顶端设置有防拉挡板(2)和抗拉螺栓(1)，底部内嵌于导向轴固定板(12)，导向轴固定板(12)通过螺栓固定于中间联结板(13)上，导向轴(11)上部与装置上联结板(3)之间动配合；中间联结板(13)和装置下联结板(19)之间设置铅芯叠层橡胶隔震器(14)，中间联结板(13)下表面和装置下联结板(19)上表面四周分别设置固定钢板(15)、两固定钢板(15)之间固定滑动导轨(17)，其上套滑块(18)，上下滑块之间分别交叉固定连接8根高强拉索(16)；滑块(18)与滑动导轨(17)之间动配合。

2.根据权利要求1所述的一种三维隔震装置，其特征在于：6组复合组合碟形弹簧(6)布置于导向轴固定板(12)的周边或两侧，而导向轴固定板(12)中心区域上方布置菱形钢板阻尼器(9)。

3.根据权利要求1所述的一种三维隔震装置，其特征在于：菱形钢板阻尼器(9)两端通过端部支承圆柱(10)支承于钢板支承架(7)上，中心开孔通过螺杆(5)和螺帽(8)固定于装置上联结板(3)，钢板支承架(7)连接于导向轴固定板(12)。

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