CN102979215A - 一种减震装置 - Google Patents

Abstract

一种减震装置，包括上板（1）、下板（2）、周围侧壁（3）及其所围合成的空腔（4）、空腔（4）内设置有至少一个可移动的减震体（5），其特征在于所述的空腔（4）的底面是弧形的，且有至少一个回落点（6）。本发明所述的减震装置可应用于工业与民用建筑及公共设施、市政桥梁、水利工程等，其好处在于无需在工程实体中集中单独设置阻尼器，不影响工程实体功能的使用，亦可灵活内置或外设于工程实体；同时还具有造价低廉、施工容易、免维护等优点。本发明对于远震、近震即令处于震中的建筑物或构筑物皆能发挥较好的减震作用。

Description

一种减震装置

技术领域

本发明属于工程结构技术领域，具体为一种适用于工业与民用建筑及公共设施、市政桥梁、水利工程使用的减震装置。

背景技术

近年来，地震频发，造成巨大的人员伤亡和财产损失。在2008年的汶川地震中，确认有69197人遇难，而直接经济损失达8451亿人民币。在大多数地震中，造成大规模伤亡的并非地震本身，而是由地震引起的房屋和市政工程、水利工程倒塌。因此，加强工程本身的抗震性能和采取适当的隔震、减震措施，

对减少地震带来的损失具有非常重要的意义。

传统抗震设计通过适当选择塑性铰位置和设计细部构造确保结构抗震性能，其本质是通过增强结构本身的抗震性能(强度，刚度，延性)来抵御地震作用。但是，传统抗震设计不仅因为材料用量过大而导致经济性较差，也由于其利用结构本身进行抗震，很可能导致结构破坏，故安全性和适应性都不能得到有效地保证。因此，相对于传统抗震手段，利用结构减振控制的方法增加工程结构的阻尼、耗散结构的能量来达到减少结构地震反应的方法有相对低廉的成本、性能也较好，有更好的应用价值。如在1994年发生的加州北岭地震中，一些利用橡胶支座隔震的房屋就因此经受住了地震的破坏，这是结构减振控制方法的一次成功的应用。

结构减振控制分为被动控制、主动控制和半主动控制等方法。相对而言，被动控制以其成本低，施工技术方便，可靠性强、无需外加能源以及易于维护等特点而得到了相当广泛的应用。而被动控制又可分为基础隔震、耗能减震和吸能减震三类。2003年1月21日，墨西哥沿海地区发生7.6级大地震，超过13000幢居民建筑以及600幢商业建筑受到破坏。其中，超过2700个建筑被完全毁坏，然而，高达31层的Torre Mayor大楼却由于大量液体阻尼器的应用而使得大楼的结构反应控制在弹性范围之内，保护了大楼主体未遭受地震的破坏。这是被动控制方法在建筑抗震中的相当成功的一次应用。

结构被动控制方法是指在外加控制装置后无需再外加能源进行控制，及控制力是因为控制装置随结构一起运动而被动产生的。其通过减震、隔震装置来阻隔和消耗结构的振动能量。

耗能减震技术是把结构物中的支撑、剪力墙等构件设计成耗能部件或在结构物的节点或连接处装设阻尼器。在风载或小震作用下，耗能杆件和阻尼器处于弹性状态，在强烈地震作用下，耗能杆件或阻尼器率先进入非弹性状态，大量耗散输入结构的地震能量，使主体结构避免进入明显非弹性状态，从而保护主体结构在强震中免遭损坏。常用的耗能阻尼装置包括粘弹性阻尼器、摩擦耗能阻尼器、金属阻尼器、调谐质量阻尼器和调谐液动阻尼器等。

调谐质量阻尼器（TMD）和调谐液动阻尼器（TLD）是利用二次系统吸引主体结构的振动能量而使主体结构减振的方法。例如在TLD系统中，在阻尼器内部液体的固有晃动频率与结构固有频率相一致时，便可以通过阻尼器内部液体的晃动耗散结构震动的能量，达到减震的效果；在TMD系统中，是依靠附加活动质量与结构之间的非完全弹性碰撞达到交换动量耗散动能，进而减少结构地震反应的技术。例如台北101大厦，位于88-92层的直径达5.5米、重达730吨的巨形球状物就是一个超级TMD。它既保证了这栋超高层建筑在日常风载作用下居住者的舒适性，也是一个超级减震装置。

不过，单一的被动控制方法在处理强震、高层建筑和大跨结构等问题上的效果仍然有很多的不足，因此基于振动控制装置本身性能的抗震设计方法，提高被动控制方法在不同环境下的适应性问题仍然有待于进行进一步地深入研究。

无论是TMD还是TLD，都是体量硕大，施工困难，维护困难，造价昂贵，且这类阻尼器的设置都比较集中，影响工程实体的使用功能。它是能减少或缓解远震水平冲击力带来的结构破坏，却很难减少或缓解对近震或震中由下而上的冲击力带来的结构破坏。

因此，发明一种不需集中设置，也不影响工程实体使用功能，可灵活装卸或设置在工程实体不同部位中，施工安装方便，免维护的新型阻尼器成为急需，且这种阻尼器无论是发生远震、近震或者即令位于震中也都能起到减震作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种增强工程结构抗震、减震功能的减震装置。

本发明是通过以下方法实现发明目的的：

一种减震装置，包括上板、下板、周围侧壁及其所围合成的空腔、空腔内设置有至少一个可移动的减震体，所述空腔的底面是弧形的，且有至少一个回落点。空腔内设置减震体，以实现在地震来临时减震体与工程实体之间产生相对位移而不与工程实体发生共振，既耗散了一部分地震的能量，又减少了地震对工程实体的破坏作用，从而实现了不需要在工程实体之外特别附加影响工程实体使用功能的附加减震装置来减震的目的。空腔底面设置成弧形、并有至少一个回落点，能使减震体在地震作用下发生偏移后再次回到原点，即回到工程实体的原始重心。也就是说本装置既能消耗地震能同时又能够在地震中稳固工程实体重心。

本发明所述的减震装置中，所述的空腔内设置有至少1个分隔片，将空腔分隔成2个或2个以上的子空腔；或所述子空腔内设置有至少一个减震体；或所述子空腔至少一个内不设置减震体；或所述的子空腔的底面是弧形的，且有至少一个回落点。将空腔内分隔成多个子空腔，在各个子空腔内或设置或不设置减震体，或设置不同质量、不同材质的减震体，从而将整体减震装置配置成具有不同性能、不同功能的阻尼器，以适应不同工程实体、不同震区的特点和抗震减震要求。

本发明所述的减震装置中，所述的上板和周围侧壁的交接处或所述周围侧壁和下板的交接处至少有一条边为折边或弧边；或所述上板与周围侧壁组合为半球面；或所述上板、周围侧壁和下板组合成球形面。周围侧壁与上板或下板的连接方式会带来减震装置外形及减震性能的变化，这样可针对不同工程实体的特点或工程实体不同部位的特点，或采用内置在工程实体结构内，或外置于工程实体结构以外，以灵活应用。

本发明所述的减震装置中，所述的周围侧壁为闭合的圆筒或至少两片圆弧板或至少三片平板独立围合而成；或所述的周围侧壁由至少一片弧形板和至少一片平板围合而成。周围侧壁多种变化及板形组合根据工程实体特点及不同部位的需要灵活选用。

本发明所述的减震装置中，所述的上板、下板和周围侧壁的材质中至少两者是相同的或至少两者是不同的；或所述的上板、下板或周围侧壁的材质是水泥砂浆制品、混凝土制品、塑料制品、木制品、金属制品、高注合金制品中的一种或者至少两种的组合。根据预达到的性能指标选用减震装置的材质，或为就地规模化生产而就近取材；而是否选择同一材料材质或不同材料材质或选择何种材料材质则以方便取材、方便生产、降低成本以及满足性能指标来选定。

本发明所述的减震装置中，所述的减震体为球形、纺锤形、多菱形或上方下圆形；或所述的减震体由两个或两个以上块状结构或层状结构拼合或叠合而成；或所述的减震体材质为素混凝土、加劲混凝土、金属、塑料、木材、石墨、陶瓷中的一种或至少两种的组合。减震体的形状、材质可根据地震区域特点、工程实体抗震减震要求及减震装置预达到的减震性能指标、以及方便生产而就近取材等等因素来选定。

本发明所述的减震装置中，所述的减震体上设置有连接件与上板、下板或周围侧壁中至少一面相连接；或所述连接件为可伸缩的弹性物、带状物或链状物。所述连接件的作用是在地震发生时避免减震体位移过大、或撞击空腔内壁而造成减震装置损毁，同时可强制减震体复位。不同的连接件视减震体的质量及工程实体的抗震要求而灵活选用。

本发明所述的减震装置中，所述的空腔或子空腔的至少一个内侧壁上设置有至少一个回弹装置；或所述回弹装置由弹性支座、可伸缩的弹性物和回弹板组成，弹性支座固定在空腔或子空腔的内侧壁上，可伸缩的弹性物一端与弹性支座连接，另一端与回弹板连接。设置回弹装置，是在地震发生初始，促使减震体由沿地震波冲击方向被迅速回弹而成逆向运动，从而快速耗散地震能量；而在地震持续过程中，快速的往复弹射运动可迅速遏制工程实体的共振效应，从而减轻工程实体的损毁程度，或延后工程实体的毁坏而为人们逃生争取时间。

本发明所述的减震装置中，所述的减震体上设置有感应器。设置感应器可实时监测减震体的状态，可用于楼宇形变的研究、地震的先期预测、地震临近发生时的预警及地震中工程实体损毁过程的研究。所述感应器可以是有源设备，也可以是无源设备，外部可通过特殊设备对感应器进行探测、监测或控制。

本发明所述的减震装置中，所述的分隔片是正交或斜交设置的；或所述分隔片之间或分隔片与下板或/和周围侧壁之间是固定连接的；所述的分隔片的材质为混凝土、金属、塑料、木板、复合板中的一种或至少两种的组合。

本发明所述的减震装置中，所述的上板、下板或周围侧壁上至少一面设置有洞口，所述洞口上设置有可以开启的封口板，封口板和洞口的边缘之间或设置有活页。设置洞口可方便检修及增减或替换不同大小、不同材质的减震体。

本发明改变了现有技术在工程中设置减震阻尼器的方法，提出了一套全新的工程减震思路，与现有技术相比，显见的有益效果在于：一是不影响工程实体功能使用。比较现有技术中采用集中设置、体量硕大的阻尼器，本发明不需集中设置阻尼器，在设计工程时就无须规划专门区域，因而不影响工程实体功能的使用；二是可内置建筑体的墙板、楼板、梁、柱中，或外置、外挂于建筑体的特定部位，或设置于桥梁、隧道的面板内、水库、水坝体内等，使用灵活方便。三是易于施工。传统方法由于阻尼器体量大而造成施工困难，而本发明中阻尼器体量小，可在现场分散设置、同步施工，或者直接在生产预制空腔件时预设其中，施工安装方便快捷；四是经济成本低。集中式阻尼器造价高、施工成本高、后期维护费用高，而本发明造价低、施工成本低、无需维护。五是减震效能更优。现有技术中阻尼器质量集中，而本发明中阻尼器质量分散，无论是远震还是近震或处于震中都能发挥较好的减震作用。

附图说明

图1为本发明减震装置的结构示意图；

图2为本发明减震装置实施例，图中：分隔片将空腔分隔成两个子空腔，两个子空腔内均设置有减震体；

图3为本发明减震装置实施例，图中：分隔片将空腔分隔成两个子空腔，一个子空腔内设置有减震体，另一个不设置减震体；

图4为本发明减震装置实施例，图中：上板与周围侧壁的交接处为弧边设置；

图5为本发明减震装置实施例，图中：上板与周围侧壁的交接处为折边设置；

图6为本发明减震装置实施例，图中：上板与周围侧壁组合为半球面；

图7为本发明减震装置实施例，图中：上板、周围侧壁和下板组合成球形面；

图8为本发明减震装置实施例，图中：周围侧壁为闭合的圆筒；

图9为本发明减震装置实施例，图中：周围侧壁由两片圆弧板围合而成；

图10为本发明减震装置实施例，图中：周围侧壁由三片平板围合而成；

图11为本发明减震装置实施例，图中：周围侧壁由一片弧形板和一片平板围合而成；

图12为本发明中所述减震体实施例，图中：减震体为纺锤形；

图13为本发明中所述减震体实施例，图中：减震体为多菱形；

图14为本发明中所述减震体实施例，图中：减震体为上方下圆形；

图15为本发明中所述减震体实施例，图中：减震体为块状结构拼合而成；

图16为本发明中所述减震体实施例，图中：减震体为层状结构叠合而成；

图17为本发明减震装置实施例，图中：减震体通过连接件与空腔相连接，所示连接件为可伸缩的弹性物；

图18为本发明减震装置实施例，图中：减震体通过连接件与空腔相连接，所示连接件为带状物；

图19为本发明减震装置实施例，图中：减震体通过连接件与空腔相连接，所示连接件为链状物；

图20为本发明减震装置实施例，图中：空腔内侧四壁设置有四个回弹装置；

图21为本发明减震装置实施例，图中：减震体设置有感应器；

图22为本发明减震装置实施例，图中：分隔片是正交设置的；

图23为本发明减震装置实施例，图中：分隔片是斜交设置的。

图24为本发明减震装置实施例，图中：空腔的上板设置了洞口，洞口上设置了带活页的封口板。

各附图中：1—上板，2—下板，3—周围侧壁，4—空腔，5—减震体，6—回落点，7—分隔片，8—子空腔，9—折边，10—弧边，11—块状结构，12—层状结构，13—连接件，14—弹性物，15—带状物，16—链状物，17—回弹装置，18—弹性支座，19—回弹板，20—感应器，21—洞口，22—封口板，23—活页。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：在各附图中，编号相同的，其说明相同。图中1为上板，2为下板，3为周围侧壁，4为空腔，5为减震体，6为回落点，7为分隔片，8为子空腔，9为折边，10为弧边，11为块状结构，12为层状结构，13为连接件，14为弹性物，15为带状物，16为链状物，17为回弹装置，18为弹性支座，19为回弹板，20为感应器，21为洞口，22为封口板，23为活页。

如图1所示减震装置，包括上板1、下板2、周围侧壁3及其所围合成的空腔4、空腔4内设置有至少一个可移动的减震体5，其特征在于所述的空腔4的底面是弧形的，且有至少一个回落点6。图1为本发明所述减震装置的基本结构示意图，本装置的基本原理是：在地震发生时，工程实体晃动，减震体5在空腔4内滞后移动，从而形成阻尼效应。从图1中可以看到，空腔4的底面成弧形，回落点6位于圆弧底，减震体5原始位置处在回落点6上，形成工程实体的原始重心。当地震开始冲击工程实体时，减震体5滞后偏离原始位置，移动过程中形成的阻尼作用将工程实体的动态重心“拉回”到原始重心，遏制工程实体的摆幅；在地震持续过程中，工程实体来回晃动。随着晃动，减震体5滞后往复移动，其往复的阻尼作用在稳住工程实体重心的同时，也在大大消耗作用在工程实体上的冲击能，并遏制工程实体产生共振效应，以减轻工程实体的损毁程度；而在地震末期，地震冲击减弱的情况下，减震体5滑回到回落点6，从而使工程实体快速稳定到原始重心位置。要说明的是，作为弧形的特例，本发明中所述减震装置中空腔4的底面也可以是一个平面。

如图2、图3所示减震装置，其特征在于所述的空腔4内设置有至少1个分隔片7，将空腔4分隔成2个或2个以上的子空腔8；或所述子空腔8内设置有至少一个减震体5；或所述子空腔8至少一个内不设置减震体5；或所述的子空腔8的底面是弧形的，且有至少一个回落点6。图2实施例中，空腔4被分隔成2个子空腔8，2个子空腔8中分别设置有一个减震体5；图3实施例中，空腔4被分隔成2个子空腔8，其中1个子空腔8中设置有一个减震体5,而另一个子空腔8没有设置减震体5。将空腔4分隔成多个子空腔8，子空腔8内或设置或不设置减震体5，可将整体减震装置配置成不同性能、不同功能的阻尼器，以适应不同工程实体、不同震区的特点以及抗震、减震的性能要求。

如图4、图5、图6、图7所示减震装置，其特征在于所述的上板1和周围侧壁3的交接处或所述周围侧壁3和下板2的交接处至少有一条边为折边9或弧边10；或所述上板1与周围侧壁3组合为半球面；或所述上板1、周围侧壁3和下板2组合成球形面。图4实施例中，上板1和周围侧壁3的交接处为弧边10设置；图5实施例中，上板1和周围侧壁3的交接处为折边9设置；图6实施例中，上板1与周围侧壁3组合为半球面；图7实施例中，上板1、周围侧壁3和下板2组合成球形面。不同的外形用于不同的工程实体或工程实体不同部位，可内置于工程实体之内，也可外置、外挂工程实体之外，应用灵活。

如图8、图9、图10、图11所示减震装置，其特征在于所述的周围侧壁3为闭合的圆筒或至少两片圆弧板或至少三片平板独立围合而成；或所述的周围侧壁3由至少一片弧形板和至少一片平板围合而成。图8实施例中，周围侧壁3为闭合的圆筒；图9实施例中，周围侧壁3为两片圆弧板围合而成；图10实施例中，周围侧壁3为三片平板围合而成；图11实施例中，周围侧壁3由一片弧形板和一片平板围合而成。周围侧壁3的多种变化及板形组合可灵活应用于不同特点的工程实体及工程实体的不同部位。

如图12、图13、图14、图15、图16所示减震装置，其特征在于所述的减震体5为球形、纺锤形、多菱形或上方下圆形；或所述的减震体5由两个或两个以上块状结构11或层状结构12拼合或叠合而成；或所述的减震体5材质为素混凝土、加劲混凝土、金属、塑料、木材、石墨、陶瓷中的一种或至少两种的组合。图12实施例中，所述的减震体5为纺锤形；图13实施例中，所述的减震体5为多菱形；图14实施例中，所述的减震体5为上方下圆形；图15实施例中，所述的减震体5由多个块状结构11拼合而成；图16实施例中，由多个层状结构12叠合而成。不同外形、材质的减震体5可装配成不同性能的减震装置，根据需要来选用。

如图17、图18、图19所示减震装置，其特征在于所述的减震体5上设置有连接件13与上板1、下板2或周围侧壁3中至少一面相连接；或所述连接件13为可伸缩的弹性物14、带状物15或链状物16。图17实施例中，连接件13与周围侧壁3连接，连接件13为可伸缩的弹性物14；图18实施例中，连接件13与周围侧壁3连接，连接件13为带状物15；图19实施例中，连接件13与周围侧壁3连接，连接件13为链状物16。连接件13的作用是控制减震体5位移过大、或撞击空腔内壁而致使减震装置损毁，强制减震体5复位。

如图20所示减震装置，其特征在于所述的空腔4或子空腔8的至少一个内侧壁上设置有至少一个回弹装置17；或所述回弹装置17由弹性支座18、可伸缩的弹性物14和回弹板19组成，弹性支座18固定在空腔4或子空腔8的内侧壁上，可伸缩的弹性物14一端与弹性支座18连接，另一端与回弹板19连接。图20所示实施例中，空腔4的四个内侧壁均设置有一个回弹装置17，四个回弹装置17的回弹板19对向减震体5。在地震发生初始，减震体5沿地震波冲击方向运动，被回弹装置17迅速回弹而转成逆向运动，过程中可快速耗散作用在工程实体上的冲击能量；而在地震持续过程中，快速的往复弹射运动可迅速遏制工程实体的共振效应，从而减轻工程实体的损毁程度，或延后工程实体的毁坏而为人们逃生争取时间。

如图21所示减震装置，其特征在于所述的减震体5上设置有感应器20。图21所示实施例中，减震体5内部设置有感应器20。感应器20可与外部的设备配合使用，以实时掌握减震体5的动态情况，同时可藉由反馈的数据来分析工程实体的整体状况，或在台风、地震中研究工程实体的形变或损毁过程，或作为地震前的预报、预警机制。感应器20可以是无源式或有源式的感应装置，比如带磁性的减震体5可被视为一种简单的无源感应器，可被外部的磁感应控制设备探知或控制移动。

如图22、图23所示减震装置，其特征在于所述的分隔片7是正交或斜交设置的；或所述分隔片7之间或分隔片7与下板2或/和周围侧壁3之间是固定连接的；所述的分隔片7的材质为混凝土、金属、塑料、木板、复合板中的一种或至少两种的组合。图22所示实施例，分隔片7是正交设置的；图23所示实施例，分隔片7是斜交设置的。

如图24所示减震装置，其特征在于所述的上板1、下板2或周围侧壁3上至少一面设置有洞口21，所述洞口21上设置有可以开启的封口板22，封口板22和洞口21的边缘之间或设置有活页23。图22所示实施例中，上板1上设置有洞口21，封口板22通过活页23连接在洞口21的边缘。设置洞口21可方便检修及增减或替换不同大小、不同材质的减震体5，或为减震体5中设置的有源感应器20更换电池。

以上列举的实施例为讲述所用，具体实施中不受列举示例所限。

Claims (11)

1.一种减震装置，包括上板（1）、下板（2）、周围侧壁（3）及其所围合成的空腔（4）、空腔（4）内设置有至少一个可移动的减震体（5），其特征在于所述的空腔（4）的底面是弧形的，且有至少一个回落点（6）。

2.根据权利要求1所述的一种减震装置，其特征在于所述的空腔（4）内设置有至少1个分隔片（7），将空腔（4）分隔成2个或2个以上的子空腔（8）；或所述子空腔（8）内设置有至少一个减震体（5）；或所述子空腔（8）至少一个内不设置减震体（5）；或所述的子空腔（8）的底面是弧形的，且有至少一个回落点（6）。

3.根据权利要求1所述的一种减震装置，其特征在于所述的上板（1）和周围侧壁（3）的交接处或所述周围侧壁（3）和下板（2）的交接处至少有一条边为折边（9）或弧边（10）；或所述上板（1）与周围侧壁（3）组合为半球面；或所述上板（1）、周围侧壁（3）和下板（2）组合成球形面。

4.根据权利要求1所述的一种减震装置，其特征在于所述的周围侧壁（3）为闭合的圆筒或至少两片圆弧板或至少三片平板独立围合而成；或所述的周围侧壁（3）由至少一片弧形板和至少一片平板围合而成。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种减震装置，其特征在于所述的上板（1）、下板（2）和周围侧壁（3）的材质中至少两者是相同的或至少两者是不同的；或所述的上板（1）、下板（2）或周围侧壁（3）的材质是水泥砂浆制品、混凝土制品、塑料制品、木制品、金属制品、高注合金制品中的一种或者至少两种的组合。

6.根据权利要求1或2所述的一种减震装置，其特征在于所述的减震体（5）为球形、纺锤形、多菱形或上方下圆形；或所述的减震体（5）由两个或两个以上块状结构（11）或层状结构（12）拼合或叠合而成；或所述的减震体（5）材质为素混凝土、加劲混凝土、金属、塑料、木材、石墨、陶瓷中的一种或至少两种的组合。

7.根据权利要求1或2所述的一种减震装置，其特征在于所述的减震体（5）上设置有连接件（13）与上板（1）、下板（2）或周围侧壁（3）中至少一面相连接；或所述连接件（13）为可伸缩的弹性物（14）、带状物（15）或链状物（16）。

8.根据权利要求1或2所述的一种减震装置，其特征在于所述的空腔（4）或子空腔（8）的至少一个内侧壁上设置有至少一个回弹装置（17）；或所述回弹装置（17）由弹性支座（18）、可伸缩的弹性物（14）和回弹板（19）组成，弹性支座（18）固定在空腔（4）或子空腔（8）的内侧壁上，可伸缩的弹性物（14）一端与弹性支座（18）连接，另一端与回弹板（19）连接。

9.根据权利要求1或2所述的一种减震装置，其特征在于所述的减震体（5）上设置有感应器（20）。

10.根据权利要求2所述的一种减震装置，其特征在于所述的分隔片（7）是正交或斜交设置的；或所述分隔片（7）之间或分隔片（7）与下板（2）或/和周围侧壁（3）之间是固定连接的；所述的分隔片（7）的材质为混凝土、金属、塑料、木板、复合板中的一种或至少两种的组合。

11.根据权利要求1所述的一种减震装置，其特征在于所述的上板（1）、下板（2）或周围侧壁（3）上至少一面设置有洞口（21），所述洞口（21）上设置有可以开启的封口板（22），封口板（22）和洞口（21）的边缘之间或设置有活页（23）。

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