CN102605865B - 一种刚度与阻尼可调型特高压电气设备隔震支座 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种刚度与阻尼可调型特高压电气设备隔震支座，包括三个平放的齿形钢制装置和橡胶单元。齿形钢制装置平放于支架和设备之间，由端板和竖向钢板齿构成，端板四周布置有螺栓孔，用螺栓分别与支架和设备相连，竖向钢板齿相对交错相扣。交错相扣的钢板齿之间留有空隙，可变阻尼的橡胶单元填于齿缝之中。应用中通过调节钢板齿的数量和间距可调整体系的刚度；通过调整橡胶的阻尼率和厚度可调整体系阻尼，在地震作用下能够实现双向隔震。本发明具有较好的抗剪压能力和一定的抗弯能力，具有刚度和阻尼双可控可调、适用范围广、制造工艺简单、运输方便和应用灵活的优点，适合工厂标准化大批量生产和按使用方的需求调节安装，可适用于超高压及特高压电力设备的抗震、减震和隔震。

Description

一种刚度与阻尼可调型特高压电气设备隔震支座

技术领域

本发明涉及一种刚度与阻尼可调型特高压电气设备隔震支座，适用于超高压及特高压电力设备的抗震、减震和隔震。

背景技术

地震给各种建筑结构及设备带来严重破坏，将导致整个社会生活陷入瘫痪。隔震技术是近三十年来抗震领域发展较快的且不断完善的一门技术，目前主要应用于建筑结构领域。在震级较大或某些原因下结构“硬抗”已经难以满足预期的防震要求时，采用隔震技术减小结构的输入地震能量，能够达到很好的效果。隔震的本质作用是使结构或部件与可能引起破坏的地震地面运动或支座运动分离开来，隔断地震能量的传播途径，使输入上部结构的地震力和能量减少，从而减小上部结构的地震反应，达到预期的设防要求。这种分离或解耦是通过在工程结构的特定部位设置隔震层，设置隔震器、阻尼器或其他附属装置，以以延长整个结构体系的自振周期，增大结构阻尼，从而使结构在地震作用下的动力反应（加速度、速度、位移）得到合理控制，确保结构本身及结构中的人、仪器、设备、装修等地安全和处于正常的使用环境。

按耗能减震原理的不同，隔震类型包括叠层橡胶支座隔震、铅芯橡胶支座隔震、滚珠(或滚轴) 隔震、悬挂基础隔震、摇摆支座隔震、滑动支座隔震等，其中橡胶支座隔震技术是隔震技术中应用最广、技术最成熟的一种，包括叠层橡胶支座，铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座。叠层橡胶支座（见图1）由钢板与橡胶交替叠合而成，橡胶具有弹性低、变形能力大的特点，而钢板的弹性较高，变形能力较小。将两者配合使用时，当支座竖向受压时，钢板和橡胶均发生径向变形，但由于钢板的变形较小，它将约束橡胶的变形，从而使橡胶处于三向受压状态，竖向承载能力提高，再加上钢板本身具有的竖向承载力，因此支座有较高的竖向承载力，且竖向压缩较小。另一方面，当支座受水平作用时，钢板无法约束橡胶的剪切变形，支座的剪切变形近似为各橡胶片水平变形的叠加，因此支座的水平变形很大。此外，橡胶支座也可在大地震位移时提供适当的隔震器复位力。但由于橡胶和钢板基本不具有耗能能力，因此叠层橡胶支座的阻尼较小，水平恢复力模型近似于直线，在隔震系统中必须配合阻尼器使用，一个简便有效的方法是将能够通过塑性变形消耗能量的铅芯插入叠层橡胶支座中间的圆孔中，变成铅芯橡胶支座。铅芯橡胶支座能在竖向支承结构的同时，提供水平向柔性和恢复力，并能提供所需的滞变阻尼，因此被广泛应用于桥梁和房屋的隔震中。与叠层橡胶支座相比，铅芯橡胶支座的恢复力模型可近似为双线型模型，具有良好的滞回耗能能力。另一种具有耗能能力的橡胶支座是高阻尼叠层橡胶支座，它是在普通橡胶材料里面掺入一定量的石墨，从而使橡胶本身具有良好的阻尼性能。高阻尼叠层橡胶支座通过控制石墨添加量来调整阻尼的大小，其恢复力模型近似梭形，具有良好的耗能能力。橡胶支座隔震技术具有减震机理明确、减震效果显著、施工与安装方便等特点，而且已有多项工程在实际地震中经受考验，正受到越来越多国家的重视。

世界上首座使用铅芯橡胶支座的建筑是1971年在新西兰建造的惠灵顿William Clayton 大楼，这是一座四层高的钢筋混凝土结构办公楼，紧靠惠灵顿断层。1972 年日本建成第一座现代隔震建筑，是一座两层民宅。1975年，美国建成的加州圣丁司法事物中心是美国的第一座隔震建筑，也是世界上第一座采用高阻尼橡胶隔震支座的建筑。进入20世纪70年代，隔震研究逐渐在我国得到重视。1993年在河南安阳用自主开发的铅芯橡胶支座建造的一座底框住宅楼。1994 年，四川冕宁建成一座八层框架隔震综合楼。1995 年～1996 年又陆续在广东、云南、四川、陕西等地兴建了一批隔震建筑，并取得了较好的效果。GB 5001122001 建筑抗震设计规范的第十二章对隔震结构做了较为详尽的规定。

对于变电站中的超高压及特高压电气设备，由于其本身“头重脚轻”又细又长的结构特性、设备电气绝缘的功能要求及制造材料安装场地的限制，常常不能有效地增加易损部分的强度，特别是在罕遇地震下，即使按照现有标准设计和安装，也会因为强烈的振动而损坏。因此，采用目前比较成熟的隔震技术对超高压及特高压电气设备进行隔震设计，是电气设备抗震领域发展的新方向。采用隔震技术可以在不改变设备制造材料、外形尺寸、母线连接方式等的情况下，仅靠微调母线的松弛度就能达到预期的防震要求，有效地减小设备的动力响应，使其在强烈地震作用下依然可以正常运行。此外，采用隔震技术也便于现有设备的加固，同时也便于震后现有设备的修复与恢复，因此开展变电站特高压及超高压电气设备的隔震减震应有研究具有比较重要的意义。

如前所述，对于超高压及特高压电气设备而言，由于其自身质量轻、重心高的特点，地震作用下的地震响应计算需要适时考虑竖向地震作用，设备的支架设计时也需考虑倾覆力的作用，避免设备在大震作用下发生倾覆。因此，在电气设备的隔震支座设计上，必须要考虑倾覆力的作用，即隔震支座必须能够承受一定的拉力，以保证大震作用下支座能够正常工作，达到减震的效果。而由于民用建筑体量大，重量大的特点，在进行其地震响应的计算时无需考虑竖向地震作用，所以相应的隔震支座也不能承受拉力，如附图1所示与本发明相近的叠层橡胶支座。故虽然隔震减震技术在民用建筑上的应用已经非常成熟，但由于电力设备的结构特殊性，现有的隔震支座并不能直接应用于设备隔震中。此外，现有的隔震支座的刚度和阻尼在出厂的时候就已经确定好，不能根据实际情况进行单独的调整，体系刚度和阻尼的调整只能通过改变支座的数量和安装位置完成。对于体量较小的电气设备而言，一般情况下不具备通过调整支座数量和安装位置来调整体系刚度和阻尼的可行性，因此有必要提出一种成本低，能批量生产，而且可以针对不同的设备进行刚度及阻尼双参数可调节的隔震支座。

发明内容

本发明的目的在于提出一种刚度与阻尼可调型特高压电气设备隔震支座。本发明制作标准化，连接方式简单，可以根据被隔震的结构或设备的不同调整其水平刚度和阻尼，并可以起到很好的减震效果。

本发明提出的刚度与阻尼可调型特高压电气设备隔震支座，包括上端板1、下端板2、中间板3、钢板齿和橡胶单元5，上端板1的底部焊有第一钢板齿4，下端板2的顶部焊有第二钢板齿10，中间板3的顶部和底部均焊有第三钢板齿11，位于上端板1上的第一钢板齿4插入中间板3顶部的第二钢板齿11之间，位于下端板2上的第二钢板齿10插入中间板3底部的第三钢板齿11之间，形成齿形钢制装置，竖向交错相扣，提供本支座的刚度；相邻的第一钢板齿4和第三钢板齿11之间的间隙之间填充有橡胶单元5，提供本支座所需的阻尼；相邻的第一钢板齿4之间的齿距为单个第三钢板齿11厚度与橡胶单元4厚度之和，相邻的第二钢板齿10之间的齿距为单个第三钢板齿11厚度与橡胶单元4厚度之和，上端板1和下端板2的四周均布置有螺栓孔，上端板1采用螺栓与支座上部设备连接，下端板2采用螺栓与支座下部支架相连接。

本发明中，位于中间板3顶部的第三钢板齿11和位于中间板3底部的第三钢板齿11在水平方向上正交，夹角为90度。

本发明中，可根据超特高压电力设备的实际情况，通过调节钢板齿的数量和间距来调整体系的刚度，通过调整橡胶单元5的阻尼率和厚度来改变体系的阻尼，达到要求的减震效果。

与现有技术相比，本发明的优势和创新点在于当支座在地震作用下发生较大的水平变形时，由于其竖向荷载由端板和钢板齿承担，受荷面积变化不大，因此支座本身不容易压屈，仍能承担上部结构的荷载，维持正常工作。普通的叠层橡胶支座的轴向压力由相间的钢板和橡胶板共同承担，发生水平位移时其受荷面积比轴压时减小很多，因此在同样的荷载作用下，剪压时支座的应力会远大于轴压的情况，若在设计时不加注意，会造成支座压屈，退出工作。本发明的另外一个优势在于能够承受一定的弯矩。超、特高压电气设备由于“头重脚轻”，在设计时必须要考虑水平地震作用造成的设备根部弯矩，若要进行此类设备的隔震设计，就要求隔震支座两端必须能够承受一定的拉力，以保证大震作用下支座能够正常工作，达到减震的效果。普通的叠层橡胶支座由钢板与橡胶交替叠合而成，支座受拉时钢板与橡胶之间产生空孔或发生剥离，对支座性能有较大的影响。本支座创新性地将钢板齿与橡胶单元竖向布置，支座受拉时拉力可通过钢板齿与橡胶单元间的黏结或摩擦进行传递，因此本隔震支座有较好的抗弯能力。除了以上两个优势外，本隔震支座可根据设备的实际情况调节和控制支座的刚度和阻尼，起到隔震减震的效果。同时，本隔震支座的所有组件可进行标准化生产，成本低，对于结构相似的各电力设备可采用同样的支座，无需对每个设备特殊定制隔震支座，有利于推广。

附图说明

图1是现有的叠层橡胶支座示意图。

图2是本隔震支座上部齿形装置的平面图及侧面图。其中：(a)为平面图，(b)为侧面图。6为螺栓孔。

图3是本隔震支座下部齿形装置的平面图及侧面图。其中：(a)为平面图，(b)为侧面图。6为螺栓孔。

图4是由中间板和钢板齿焊接而成的中间齿形钢制装置侧面图。

图5是装配好的阻尼及刚度可调节隔震装置的整体侧面图。

图6是装配好的阻尼及刚度可调节隔震支座的立体图。

图7是阻尼及刚度可调节隔震支座的应用示意图。

图中标号：1为上端板，2为下端板，3为中端板，4为第一钢板齿，5为橡胶单元，6为螺栓孔，7为预留空隙，8为橡胶片，9为钢板，10为第二钢板齿，11为第三钢板齿。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：如图2及图3所示，本隔震支座的上端板1和下端板2呈矩形结构，四个角上开有贯穿的螺栓孔6，用来和下部支架及上部设备进行锚固；第一钢板齿4竖向焊接于上端板1的底部，形成上部齿形钢制装置；第二钢板齿10竖向焊接于下端板2的顶部，形成下部齿形钢制装置。第一钢板齿4、第二钢板齿10及第三钢板齿11均为矩形结构，厚度和大小相同，钢板齿数量和间距根据实际设备的减震要求确定。上端板1、下端板2和中间板3的大小及厚度也相同。如图4所示，中间齿形钢制装置中，位于中间板3顶部的第三钢板齿11和位于中间板3底部的第三钢板齿11在水平方向上正交，夹角为90度，以保证此隔震支座在水平两个方向上都能达到减震效果。

如图5及图6所示，进行支座的整体装配时，首先根据实际设备的减震要求确定第一钢板齿4、第二钢板齿10及第三钢板齿11的大小、厚度，橡胶单元5的厚度和阻尼率，然后进行端板和钢板齿的焊接，并将橡胶单元5固定在钢板齿上，最后将三个齿形钢制装置相对交错相扣，装配后的隔震支座其上端板1、下端板2和中间板3的中心应尽量在一条直线上，进行一系列的性能及安全检测后，便可通过锚栓将隔震支座与设备及支架相连，投入使用，如图7所示。本支座通过改变钢板齿的数量和厚度实现刚度的调整，通过改变橡胶单元5的厚度和阻尼率实现阻尼的调整，从而达到刚度和阻尼可控可调的目的。

Claims (3)

1.一种刚度与阻尼可调型特高压电气设备隔震支座，包括上端板(1)、下端板(2)、中间板(3)、钢板齿和橡胶单元(5)，其特征在于上端板(1)的底部焊有第一钢板齿(4)，下端板(2)的顶部焊有第二钢板齿(10)，中间板(3)的顶部和底部均焊有第三钢板齿(11)；位于上端板(1)上的第一钢板齿(4)插入中间板(3)顶部的第三钢板齿(11)之间，位于下端板(2)上的第二钢板齿(10)插入中间板(3)底部的第三钢板齿(11)之间，形成齿形钢制装置，竖向交错相扣；相邻的第一钢板齿(4)和第三钢板齿(11)之间的间隙之间填充有橡胶单元(5)；相邻的第一钢板齿(4)之间的齿距为单个第三钢板齿(11)厚度与橡胶单元(5)厚度之和，相邻的第二钢板齿(10)之间的齿距为单个第三钢板齿(11)厚度与橡胶单元(5)厚度之和，上端板(1)和下端板(2)的四周均布置有螺栓孔，上端板(1)采用螺栓与支座上部设备连接，下端板(2)采用螺栓与支座下部支架相连接；通过调节钢板齿的数量和间距来调整体系的刚度，通过调整橡胶单元(5)的阻尼率和厚度来改变体系的阻尼，达到要求的减震效果。

2.根据权利要求1所述的刚度与阻尼可调型特高压电气设备隔震支座，其特征在于上端板(1)、下端板(2)、中间板(3)、钢板齿和橡胶单元(5)均为矩形结构。

3.根据权利要求1所述的刚度与阻尼可调型特高压电气设备隔震支座，其特征在于位于中间板(3)顶部的第三钢板齿(11)和位于中间板(3)底部的第三钢板齿(11)在水平方向上正交，夹角为90度。

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