CN102535670B - 一种复合叠层橡胶-环状钢棒隔震装置 - Google Patents

Abstract

一种复合叠层橡胶-环状钢棒隔震装置，该隔震装置由叠层橡胶垫和环状钢棒这两部分并联组成。叠层橡胶垫放置在隔震装置的中心位置，环状钢棒围绕着叠层橡胶垫布置，这两部分相配合使用，可提供较大的竖向承载能力和较好的水平向隔震耗能能力，且在某些极端情况下，隔震装置可能受拉力作用，而普通的叠层橡胶垫受拉较容易破坏，此时环状钢棒可以提供一定的竖向受拉刚度，并在一定程度上消耗竖向地震能量，起到保护隔震装置、减小结构损伤的作用。随着世界范围内对工程结构抗震设防的重视以及经济水平的不断发展，本发明为建筑工程抗震设计提供了诸多便利，因此具有广泛的工程应用前景。

Description

一种复合叠层橡胶-环状钢棒隔震装置

技术领域

本发明涉及一种新型复合叠层橡胶－环状钢棒隔震装置，特别适用于处在地震多发区的建筑工程结构中采用，以有效降低建筑结构在遭受地震作用时所发生的破坏。

背景技术

地震是一种严重威胁人类生存和发展的自然灾害，它的突发性和毁灭性可以使一个地区在瞬间沦为一片废墟。全世界每年要发生成千上万次的地震，这其中有破坏性的强地震也有几十次。近年来，全球发生了许多次大地震，包括中国汶川大地震、印尼大地震、中国青海玉树地震、海地大地震、智利大地震以及年日本大地震等，给人类造成了非常惨重的生命财产损失。地震的发生具有突然性，其持续时间往往也较短，一般都在十几到几十秒以内，但地震所造成的破坏力是其他自然灾害所无法相比的。因为地震的突发性，且至今也没有寻找到有效的地震预报手段，每次大地震所造成的人员伤亡及财产损失都是惊人的。随着社会的进步，城市化正在快速发展，一旦发生破坏性的大地震，必将造成非常严重的后果。人类在与地震作斗争的过程中，逐渐发展出一条合理有效的抗震途径—工程结构减震控制。

结构减震控制可以这样理解：通过在结构中设置减震耗能装置，以达到调整结构的自振频率或自振周期或增大结构的阻尼的效果，从而有效控制结构的地震响应，使结构在外界作用下的各项反应值被控制在允许范围内。减震的原理可以认为减震装置比结构率先进入塑性阶段，利用自身消耗大量的能量，从而减小结构自身的耗能与塑性耗能，减轻结构的损伤破坏。

目前，减隔震技术是建筑结构抗震的研究热点之一。为此国内外技术人员已研制并开发了许多类型的减隔震装置，用于建筑工程结构抗震领域的主要有叠层橡胶支座、铅芯橡胶支座、滑动摩擦型减隔震支座、弹塑性减震耗能钢阻尼器、粘滞流体阻尼器、粘弹性阻尼器以及磁流变阻尼器等。将现有的两种或多种减隔震方法组合应用，扬长避短以充分发挥不同减隔震装置的功能，是结构减隔震装置的发展趋势。

叠层橡胶支座由薄橡胶板与薄钢板交替叠合而成。由于薄钢板对橡胶板横向变形的约束作用，使叠层橡胶支座具有较大的竖向刚度。同时，叠层橡胶支座中的夹层橡胶提供了较大的水平向变形能力，从而使支座具有较好的隔震能力。但同时，该支座只具有弹性性质，本身并没有显著的阻尼性能，故而其耗散地震能量的能力较小，需与其他阻尼装置协同使用。现在常用的增加普通叠层橡胶支座耗能能力的方式为在支座中插入铅芯，形成铅芯橡胶支座。这种构造方式充分利用了铅芯良好的力学特性，包括较低的屈服剪力和较高的初始剪切刚度，使铅芯橡胶支座具有良好的滞回特性，实际工程结构隔震设计中已大量采用此种支座。但在铅芯橡胶支座生产加工、使用的过程中，也发现铅芯的加工、成形的质量受到加工原材料、生产企业的加工水平的影响，且其铅芯材料的有害性也对生产人员的健康产生着莫大的危害，以及人们对铅芯使用安全性的担忧，促使人们寻找好的解决方法。近年来抗震工程师积极寻找替代材料，譬如钢铅组合芯、软钢芯等，可以在一定程度上解决以上问题。但替代材料屈服点较铅材料要高，不容易与叠层橡胶支座协同变形，以及替代材料性能的不稳定等因素也给其的推广使用带来很多困难。

弹塑性钢阻尼器是一种利用钢材在受地震作用时发生弹塑性变形而吸收能量的特性，配合以相应的构造加工而成的耗能减震装置。此类阻尼器减震机理明确，效果显著，构造相对简单，经济耐用，且通常只是作为结构的附属构件使用，在地震作用来临时，可有效保护主体结构免受破坏。弹塑性钢阻尼器的使用不受建筑结构高度和平面形式的限制，取材简单安全，新旧建筑物均可使用，近年来得到推广应用。

在很多时候，建筑结构设计人员希望建筑物在多个受力方向均有隔震减震措施，且所采用的隔震减震措施应该可靠有效。铅芯橡胶隔震支座可以在水平向多个方向实现隔离地震做作用的效果，但其不能实现竖向隔震作用，且不能承受竖向拉力。并且其内部铅芯的使用也不符合环保安全可靠的要求。这时，采用已有的阻尼器和隔震装置联合使用，在满足结构隔震减震的前提下，可以发挥各自的长处，避免各自的短处。我国当前正处于大型土木、交通工程建设的蓬勃发展阶段，又地处地震多发国家，结合建筑结构抗震的工程实际需求，研制新型隔震装置，工程意义和社会意义重大。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种复合叠层橡胶-环状钢棒隔震装置，该隔震装置能提供任意水平方向的隔震耗能作用，且能提供一定的竖向减震耗能作用，以满足地震区建筑工程结构隔震减震的需求。

技术方案：本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该装置包括：上连接板、薄钢板、橡胶、环状钢棒、下连接板、连接螺栓、沉头螺栓、叠层橡胶垫、上端头、下端头；其中，薄钢板和橡胶通过一层橡胶、一层钢板叠层组合的方式形成叠层橡胶垫；叠层橡胶垫与上连接板、下连接板之间采用沉头螺栓连接，连接螺栓的数量应保证水平向剪切力的可靠传递；叠层橡胶垫放置在隔震装置的中心位置，环状钢棒分布在叠层橡胶垫的四周，其两端与上连接板、下连接板采用连接螺栓连接；环状钢棒的变形部分采用圆形横截面，以有利于构件的加工锻造；环状钢棒的上端头和下端头采用方形截面，以利于连接螺栓与上连接板、下连接板连接，每端均采用两个连接螺栓，以防止环状钢棒端部在受扭转力矩作用时发生转动而失效。

   该装置由叠层橡胶垫和环状钢棒这两个部分并联组成。叠层橡胶垫放置在隔震装置的中心位置，环状钢棒围绕着叠层橡胶垫布置，这两部分相配合使用，可提供较大的竖向承载能力和较好的水平向隔震耗能能力，且在某些极端情况下可以提供一定的竖向受拉刚度，可在一定程度上消耗竖向地震能量，起到保护隔震装置、减小结构损伤的作用。

该隔震装置的主要部件均在工厂里预制完成，并经检验合格才能在实际工程中使用。环状钢棒4的形状应该使用专业加工装置制作，并保证其环半径的误差在可以接受的范围内。叠层橡胶垫与环状钢棒之间根据预期的地震响应位移而留有合适的距离，以两者在极限剪切位移下不发生接触为标准，以防止隔震装置在发生水平向位移时，上述两者之间发生碰撞。

叠层橡胶垫里面的橡胶因为受夹层薄钢板的约束，其竖向承载力较高，可以满足结构竖向轴力传递的需要，但其水平向初始刚度较小，导致其水平向变形较容易。环状钢棒的加入，一方面可以提供一定的初始刚度，以保证支座在风等常规荷载作用下的水平向位移符合要求；另一方面，当结构受地震等非常规荷载的作用时，环状钢棒和内部叠层橡胶垫一起发挥隔震作用，即环状钢棒提供较好的滞回耗能能力、叠层橡胶垫提供较大的水平向位移，以此来增大结构的振动周期、耗散地震能量，进而保护主体结构免受或少受地震破坏；再者，在某些极端情况下，隔震装置可能受拉力作用，而普通的叠层橡胶垫受拉较容易破坏，此时环状钢棒可以提供一定的竖向受拉刚度，并在一定程度上消耗竖向地震能量，起到保护隔震装置、减小结构损伤的作用。

有益效果：通过对现有叠层橡胶垫和耗能钢棒的组合和改进，使得该新型复合叠层橡胶-环状钢棒隔震装置可以很好的满足建筑工程结构在竖直方向有较大承载能力、在水平方向有较好的隔震耗能能力的功能需求，不仅解决了叠层橡胶支座耗能能力小、铅芯材料安全性的问题，也解决了环状钢棒竖直向承载能力低的问题。随着全世界内对采用隔减震技术的建筑结构的重视，该新型隔震装置以其可靠的性能给抗震设计人员带来了更多的选择，为建筑工程抗震设计提供了诸多便利，因此具有广泛的工程应用前景，社会经济效益重大。

附图说明

图1是本发明隔震装置的整体正视图；

图2是图1中A-A剖面图。

图中有：上连接板1、薄钢板2、橡胶3、环状钢棒4、下连接板5、连接螺栓6、沉头螺栓7、叠层橡胶垫8、上端头9、下端头10。

具体实施方式

本发明的新型复合叠层橡胶-环状钢棒隔震装置包括：上连接板1、薄钢板2、橡胶3、环状钢棒4、下连接板5、连接螺栓6、沉头螺栓7、叠层橡胶垫8、环状钢棒与上连接板连接的上头9、环状钢棒与下连接板连接的下头10。其中，薄钢板2和橡胶3通过一层橡胶、一层钢板叠层组合的方式形成叠层橡胶垫；叠层橡胶垫与上连接板1、下连接板5之间采用高强度沉头螺栓7连接，连接螺栓6的数量应保证水平向剪切力的可靠传递；环状钢棒4分布在叠层橡胶垫的四周，其两端与上连接板1、下连接板5采用高强度螺栓6连接，具体见图2所示。环状钢棒4的变形部分采用圆形横截面，以有利于构件的加工锻造。钢棒4的上端头9和下端头10采用方形截面，以利于螺栓6与上连接板1、下连接板5的连接，每端均采用两个连接螺栓6，以防止钢棒4端部在受扭转力矩作用时发生转动而失效；环状钢棒4的截面直径、环半径均可依实际需要而做出调整；环状钢棒4的外表面涂刷防腐材料，以提高其耐久性。本发明的隔震装置的整体正视图见图1所示。

叠层橡胶垫8里面的橡胶3因为受夹层薄钢板2的约束，其竖向承载力较高，可以满足结构竖向轴力传递的需要，但其水平向初始刚度较小，导致其水平向变形较容易。环状钢棒4的加入，一方面可以提供一定的初始刚度，以保证支座在风等常规荷载作用下的水平向位移符合要求；另一方面，当结构受地震等非常规荷载的作用时，环状钢棒4和内部叠层橡胶垫8一起发挥隔震作用，即环状钢棒4提供较好的滞回耗能能力、叠层橡胶垫8提供较大的水平向位移，以此来增大结构的振动周期、耗散地震能量，进而保护主体结构免受或少受地震破坏；再者，在某些极端情况下，隔震装置可能受拉力作用，而普通的叠层橡胶垫8受拉较容易破坏，此时环状钢棒4可以提供一定的竖向受拉刚度，并在一定程度上消耗竖向地震能量，起到保护隔震装置、减小结构损伤的作用。

本发明所述的隔震装置，其主要部件均在工厂里预制完成，并经检验合格才能在实际工程中使用。环状钢棒4的形状应该使用专业加工装置制作，并保证其环半径的误差在可以接受的范围内。叠层橡胶垫8与环状钢棒4之间应当根据预期的地震响应位移而留有合适的距离，以防止隔震装置在发生水平向位移时，上述两者之间发生碰撞。

Claims (2)

1.一种复合叠层橡胶-环状钢棒隔震装置，其特征是该装置包括：上连接板（1）、薄钢板（2）、橡胶（3）、环状钢棒（4）、下连接板（5）、连接螺栓（6）、沉头螺栓（7）、叠层橡胶垫（8）、上端头（9）、下端头（10）；其中，薄钢板（2）和橡胶（3）通过交替叠层组合的方式形成叠层橡胶垫（8）；叠层橡胶垫（8）与上连接板（1）、下连接板（5）之间采用沉头螺栓（7）连接，连接螺栓（6）的数量应保证水平向剪切力的可靠传递；环状钢棒（4）的变形部分采用圆形横截面，以有利于构件的加工锻造；环状钢棒（4）的上端头（9）和下端头（10）采用方形截面，以利于连接螺栓（6）与上连接板（1）和下连接板（5）连接，每端均采用两个连接螺栓（6），以防止环状钢棒（4）端部在受扭转力矩作用时发生转动而失效； 

叠层橡胶垫（8）与环状钢棒（4）之间应当根据预期的地震响应位移而留有合适的距离，以两者在极限剪切位移下不发生接触为标准。 

2.根据权利要求1所述的复合叠层橡胶-环状钢棒隔震装置，其特征是：该装置由叠层橡胶垫（8）和环状钢棒（4）这两个部分并联组成，叠层橡胶垫（8）放置在隔震装置的中心位置，环状钢棒（4）围绕着叠层橡胶垫（8）布置，其两端与上连接板（1）、下连接板（5）采用连接螺栓（6）连接。 

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