CN103790106B - 具有碟形弹簧的并联型负刚度结构隔震减振支座 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有碟形弹簧的并联型负刚度结构隔震减振支座，属于建筑结构工程抗震与减震及抗风技术领域；该支座包括上部预压缩碟形弹簧组、刚性防护筒、刚性圆筒、长方体滑动质量块、水平滚动万向铰、圆形滑板、碟形弹簧组、限位挡块、聚四氟乙烯滑板、支墩；橡胶支座与桥墩为所需隔震的建筑结构连接构件；该支座结构简单，竖向负荷重，所需空间小，水平向变形灵活，并且耐久性好，减隔震机理明确，对提高扁平型建筑物、桥梁等其他构筑物的抗震性能作用显著。

Description

具有碟形弹簧的并联型负刚度结构隔震减振支座

技术领域

本发明涉及一种具有碟形弹簧的并联型负刚度结构隔震减振支座，属于建筑结构工程抗震与减震及抗风技术领域。

背景技术

在地震区修建建筑、桥梁、以及其他大型建筑时，为了减轻潜在地震威胁，必须对这类建筑物进行抗震设计，其中，采取隔震设计是减小构筑物地震损伤破坏的有效途径之一。隔震技术就是通过在构筑物底部和基础顶面之间设置刚度较小的隔震层，来降低结构的基本频率，延长其振动周期，从而避开地震动的主要能量带，使上部结构与地震震动隔离开来，减少上部结构的反应，从而达到保护主体及其内部设施不受破坏的目的。近些年来，这种技术在国内外得到了广泛运用，研发出性能出色的隔震支座是建筑物隔震的关键问题。

强烈的地震给人类造成巨大损失。目前世界范围内都在努力寻求经济、有效、可靠的方法来减小这种损失。结构振动控制方法的出现，为解决传统的抗震结构体系中存在的问题提供了一条有效途径。

目前，常见的隔震支座有摩擦摆隔震支座，阻尼橡胶支座，叠层橡胶支座以及各种阻尼器等耗能装置，由于各种橡胶支座不能保证结构在较大位移下的稳定和隔震问题，因此这些支座在减震隔震效果上均有不足之处。

近年来迅速发展的正负刚度并联隔震控制技术由于其具有较高的支撑刚度和极低的运动刚度，同时，并联正负刚度弹簧可以增加结构的阻尼，提高隔震系统产生驻波效应的频率，可以满足结构体系在超低频下的稳定和隔震问题，正负刚度并联隔震控制技术由于其无须对结构采取传统的加强措施，且减震效果明显，易于实施，而日益受到广泛重视，并在国内外工程中得到应用。

属于被动隔震装置的正负刚度并联隔震系统目前存在一些不足，最明显的是，一般只适用于精密仪器的减震隔震，对于变形或者位移的控制范围较小，且刚度变化区间较大，承载能力较小，只能单向减振或者隔震，无法满足建筑物或者桥梁在地震作用下较大变形的抗震要求。因此，需要研发新型的减隔震装置以更全面地降低结构的动力响应。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种具有碟形弹簧的并联型负刚度结构隔震减振支座，该隔震支座具有低频隔震、制作简单、布置灵活、成本低廉等特点。在静止状态下有较大刚度；在地震作用下，运动时有很低的刚度从而达到隔震目的，保证建筑结构安全。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为一种具有碟形弹簧的并联型负刚度结构隔震减振支座，该支座包括上部预压缩碟形弹簧组、刚性防护筒、刚性圆筒、长方体滑动质量块、水平滚动万向铰、圆形滑板、碟形弹簧组、限位挡块、聚四氟乙烯滑板、支墩；橡胶支座与桥墩为所需隔震的建筑结构连接构件。

上部预压缩碟形弹簧组置于刚性防护筒中，刚性防护筒与长方体滑动质量块固定连接，所述连接方式可以为焊接；刚性圆筒开有沿高度中心线方向的T形槽，长方体滑动质量块置于该T形槽内；刚性圆筒内的T形槽两端均固定有聚四氟乙烯滑板，限位挡块与聚四氟乙烯滑板相互接触，并且可以相对滑动；所述限位挡块与支墩固定连接；长方体滑动质量块与刚性圆筒之间通过水平滚动万向铰连接；所述水平滚动万向铰为球铰，可以实现长方体滑动质量块在该T形槽内滑动；在刚性圆筒的T形槽内，两组碟形弹簧组分别置于T形槽两端；其中，碟形弹簧组一端与圆形滑板铰接，另一端与限位挡块接触；两组圆形滑板分别与刚性圆筒的T形槽内壁相接触。

本发明提供了一种具有碟形弹簧的并联型负刚度结构隔震减振支座，具体隔震原理如下，正常使用状态下，整个隔震系统可作为支撑结构使用，可承受上部结构荷载，当发生较小地震时，底部基础发生较小位移，固接于支墩上的限位挡块和刚性圆筒发生相对滑动，同时挤压刚性圆筒内碟形弹簧组，由于碟形弹簧组和长方体滑动质量块之间保持有一定距离，因此质量块不发生滑动，保证了结构在正常使用或者较小地震下的稳定。当发生较大地震时，底部基础产生较大位移，固接于支墩上的限位挡块和刚性圆筒之间发生较大相对滑动，挤压碟形弹簧组，使其与长方体滑动质量块接触并产生负刚度，负刚度弹簧在平衡状态时不具有承载能力,因此必须采取正负刚度并联的形式.由竖向碟形弹簧作为正刚度弹簧,负刚度弹簧在平衡点局部区域减小正刚度弹簧的刚度，并联的总体刚度K＝K⁺+K^-可知，K→0，此时隔震系统固有频率为自振频率处于零左右，使下部基础的运动无法传到上部结构，同时上部结构徐变和温度变形也无法传到下部基础。同时利用弹簧的变形耗散地震能量，从而达到隔震的目的。

本发明利用负刚度碟形弹簧和正刚度碟形弹簧并联来改变体系的固有频率，上部碟形弹簧选用多组叠合和较小高厚比h/t来增加变形量和负荷能力，用以支撑上部结构的较大重量，同时选择较大的直径比C＝D/d(D为碟形弹簧外径，d为碟形弹簧内径)维持上部碟形弹簧在承受较大荷载下仍保持在正刚度范围内，下部水平向碟形弹簧采用串联形式增加负刚度变化范围，选用较大高厚比h/t使其在地震作用下比较容易进入负刚度工作范围，同时选择较大直径比C＝D/d减缓负刚度变化速率，使其在地震作用下刚度变化近似线性，与正刚度弹簧匹配，降低了隔震系统的固有频率，延长了结构振动周期，并且，并联负刚度碟形弹簧可增大系统的结构阻尼.其解释如下:假设并联负刚度弹簧后,隔震支座的刚度由K₁减小为K₂,则系统在每一振动周期内存储于弹性元件中的最大弹性势能减小,但每一振动周期内耗散的能量并没有改变,可以得到关系式：式中η₁，η₂分别为并联负刚度弹簧前后隔震支座的结构损耗因子；f₁₀，f₂₀分别为并联负刚度弹簧前后隔震支座的固有频率.因此可以看出结构并联负刚度碟形弹簧后损耗因子增大，可以更好地消耗地震作用产生的能量。限制了上部结构的运动。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

该支座结构简单，竖向负荷重，所需空间小，水平向变形灵活，并且耐久性好，减隔震机理明确，对提高扁平型建筑物、桥梁等其他构筑物的抗震性能作用显著。

附图说明

图1是本发明具有碟形弹簧的并联型负刚度结构隔震减振支座结构示意图。

图2是本发明碟形弹簧结构示意图。

图3是本发明整体结构俯视图。

图4是本发明刚性圆筒结构示意图。

图中：1、上部预压缩正刚度碟形弹簧组，2、刚性防护筒，3、刚性圆筒，4、长方体滑动质量块，5、水平滚动万向铰，6、圆形滑板，7、碟形弹簧组，8、限位挡块，9、聚四氟乙烯滑板，10、支墩，11、橡胶支座，12、桥墩。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1图4所示，一种具有碟形弹簧的并联型负刚度结构隔震减振支座，该支座包括上部预压缩碟形弹簧组1、刚性防护筒2、刚性圆筒3、长方体滑动质量块4、水平滚动万向铰5、圆形滑板6、碟形弹簧组7、限位挡块8、聚四氟乙烯滑板9、支墩10；橡胶支座11与桥墩12为所需隔震的建筑结构连接构件。

上部预压缩碟形弹簧组1置于刚性防护筒2中，刚性防护筒2与长方体滑动质量块4固定连接，所述连接方式可以为焊接；刚性圆筒3开有沿高度中心线方向的T形槽，长方体滑动质量块4置于该T形槽内；刚性圆筒3内的T形槽两端均固定有聚四氟乙烯滑板9，限位挡块8与聚四氟乙烯滑板9相互接触，并且可以相对滑动；所述限位挡块8与支墩10固定连接；长方体滑动质量块4与刚性圆筒3之间通过水平滚动万向铰5连接；所述水平滚动万向铰5为球铰，可以实现长方体滑动质量块4在该T形槽内滑动；在刚性圆筒3的T形槽内，两组碟形弹簧组7分别置于T形槽两端；其中，碟形弹簧组7一端与圆形滑板6铰接，另一端与限位挡块8接触；两组圆形滑板6分别与刚性圆筒3的T形槽内壁相接触。

上部预压缩碟形弹簧组1与橡胶支座11固定连接；支墩10与桥墩12固定连接。

为了使隔震减振支座具有较高的刚度和承载能力，所述刚性防护筒2采用Q345低合金结构钢制作，所述长方体滑动质量块4采用Q345低合金结构钢材制作，所述刚性圆筒3采用Q390高强度钢材制作。

所述上部竖向碟形弹簧1和结构底部橡胶支座固接，为增加其承载能力和变形能力，采用多个碟形弹簧相互对接组合在一起的方式，为增大隔震支座负刚度变化区间,水平向碟形弹簧7采用多个碟形弹簧相互对接组合的方式。

刚性防护筒2采用高强度钢材制作，长方体滑动质量块4材料选用建筑钢材；刚性圆筒3选用高强钢材制作，刚性防护筒2和长方体滑动质量块4在长方体滑动质量块4的中心处通过焊缝连接，保证在地震作用下不发生相对滑动；长方体滑动质量块4和刚性圆筒3接触面镶嵌有聚四氟乙烯滑板9，减小相对滑动产生的摩擦和对结构的损耗。长方体滑动质量块4底部和刚性圆筒3内壁之间安装有水平滚动万向铰5，水平滚动万向铰5和刚性圆筒3接触面上涂有润滑剂，增加地震作用时长方体滑动质量块4滑动性；圆形滑板6用来限制碟形弹簧7的运动，防止其变形破坏。

所述限位挡块8材质为高强建筑钢材，一端内嵌于刚性圆筒3内另一端固定于混凝土固定支墩10上，固定支墩10固接在桥梁桥墩或者其它建筑物基础上，避免和下部结构发生相对滑移，并能够在地震作用下带动限位挡块8滑动。

初始状态下，隔震减振支座具有较大静刚度，相当于高强度支座支撑上部结构，当发生较小地震时，固定支墩10带动限位挡块8产生位移，与刚性圆筒3发生相对滑动，但由于碟形弹簧组7和长方体滑动质量块4之间存在间隙，此时质量块不发生滑动，上部结构仍能保持稳定；在较大地震作用下，限位挡块8和刚性圆筒3之间产生较大滑移，挤压碟形弹簧组7变形和滑动与长方体滑动质量块4接触并挤压，使碟形弹簧组7产生负刚度，碟形弹簧组1在负荷下具有一定的正刚度，此时负刚度碟形弹簧组7同正刚度碟形弹簧组1并联共同组成了零刚度体系，使结构在地震时处于超低频状态，并提高了结构共振频率，有效地限制了上部结构的运动，同时，上部结构由于徐变和温度变形产生的滑动对基础也没有影响。并联负刚度碟形弹簧组不但可以显著地增加系统的结构阻尼,有效地抑制系统的共振幅值，而且在高频区段其隔震效果优于相应的黏性阻尼隔震系统。

实施例

本实例中，上部竖向碟形弹簧1和结构底部支座固接，采用外径350mm，内径87.5mm,厚度5mm，高度7mm，为增加其承载能力和变形能力，采用多组叠合方式，叠合后高度为140mm，阻尼系数C＝0.5N·s/m，下部水平向碟形弹簧7采用外径250mm,内径100mm,厚度3mm,高度8.4mm，为增大其负刚度区间,采用多个碟簧对合的方式，对合后总高度为84mm,阻尼系数C＝0.4N·s/m。

刚性防护筒2采用高强度钢材制作，内径350mm，外径360mm，长度为130mm，长方体滑动质量块4材料选用建筑钢材，质量为20kg,长度为560mm。刚性圆筒3选用高强钢材制作，外径为400mm，内径为250mm,长度为1030mm，刚性圆筒3和长方体滑动质量块4在长方体滑动质量块4中心处通过焊缝连接，保证在地震作用下不发生相对滑动。长方体滑动质量块4和刚性圆筒3接触面镶嵌有聚四氟乙烯滑板9，减小相对滑动的产生的摩擦和对结构的损耗。下部安装有水平滚动的万向铰5，万向铰5和刚性圆筒3接触面上涂有润滑剂，增加地震作用时质量块滑动的可能性。圆形滑板6用来限制碟形弹簧7的运动，防止其变形破坏。

两端的限位挡块8材质为高强建筑钢材，直径为240mm，一端内嵌于刚性圆筒3内150mm，另一端固定于混凝土固定支墩10上，固定支墩10固接在桥梁桥墩或者其他建筑物基础上，避免和下部结构发生相对滑移，并能够在地震作用下带动限位挡块滑动。

本实例中，初始状态下，隔震减振支座具有较大静刚度，相当于高强度支座支撑上部结构，当发生较小地震时，固定支墩10带动限位挡块8产生位移，限位挡块8与刚性圆筒3发生相对滑动，但由于碟形弹簧组7和长方体滑动质量块4之间存在间隙，此时质量块不发生滑动，碟形弹簧组7不产生负刚度，上部结构仍能保持稳定。在较大地震作用下，限位挡块8和刚性圆筒3之间产生较大滑移，挤压碟形弹簧组7变形和滑动与长方体滑动质量块4接触并挤压，使碟形弹簧组7产生负刚度，碟形弹簧组1在负荷下具有一定的正刚度，此时负刚度碟形弹簧组7同正刚度弹簧组1并联共同组成了零刚度体系，使结构在地震时处于超低频状态，并提高了结构共振频率，有效地限制了上部结构的运动，同时，上部结构由于徐变和温度变形产生的滑动对下部基础也没有影响。并联负刚度碟形弹簧组不但可以显著地增加系统的结构阻尼,有效地抑制系统的共振幅值,而且在高频区段其隔震效果优于相应的黏性阻尼隔震系统。

以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。

Claims (6)

1.一种具有碟形弹簧的并联型负刚度结构隔震减振支座，其特征在于：该支座包括上部预压缩碟形弹簧组(1)、刚性防护筒(2)、刚性圆筒(3)、长方体滑动质量块(4)、水平滚动万向铰(5)、圆形滑板(6)、碟形弹簧组(7)、限位挡块(8)、聚四氟乙烯滑板(9)、支墩(10)；橡胶支座(11)与桥墩(12)为所需隔震的建筑结构连接构件；

上部预压缩碟形弹簧组(1)置于刚性防护筒(2)中，刚性防护筒(2)与长方体滑动质量块(4)固定连接，所述连接方式为焊接；刚性圆筒(3)开有沿高度中心线方向的T形槽，长方体滑动质量块(4)置于该T形槽内；刚性圆筒(3)内的T形槽两端均固定有聚四氟乙烯滑板(9)，限位挡块(8)与聚四氟乙烯滑板(9)相互接触，并且可以相对滑动；所述限位挡块(8)与支墩(10)固定连接；长方体滑动质量块(4)与刚性圆筒(3)之间通过水平滚动万向铰(5)连接；所述水平滚动万向铰(5)为球铰，可以实现长方体滑动质量块(4)在该T形槽内滑动；在刚性圆筒(3)的T形槽内，两组碟形弹簧组(7)分别置于T形槽两端；其中，碟形弹簧组(7)一端与圆形滑板(6)铰接，另一端与限位挡块(8)接触；两组圆形滑板(6)分别与刚性圆筒(3)的T形槽内壁相接触；

上部预压缩碟形弹簧组(1)与橡胶支座(11)固定连接；支墩(10)与桥墩(12)固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有碟形弹簧的并联型负刚度结构隔震减振支座，其特征在于：所述刚性防护筒(2)采用Q345低合金结构钢制作；所述长方体滑动质量块(4)采用Q345低合金结构钢材制作；所述刚性圆筒(3)采用Q390高强度钢材制作。

3.根据权利要求1所述的一种具有碟形弹簧的并联型负刚度结构隔震减振支座，其特征在于：上部预压缩碟形弹簧组(1)采用多个碟形弹簧相互对接组合在一起的方式；水平向碟形弹簧组(7)采用多个碟形弹簧相互对接组合的方式。

4.根据权利要求1所述的一种具有碟形弹簧的并联型负刚度结构隔震减振支座，其特征在于：刚性防护筒(2)采用高强度钢材制作，长方体滑动质量块(4)材料选用建筑钢材；刚性圆筒(3)选用高强钢材制作，刚性防护筒(2)和长方体滑动质量块(4)在长方体滑动质量块(4)的中心处通过焊缝连接，保证在地震作用下不发生相对滑动；长方体滑动质量块(4)和刚性圆筒(3)接触面镶嵌有聚四氟乙烯滑板(9)；长方体滑动质量块(4)底部和刚性圆筒(3)内壁之间安装有水平滚动万向铰(5)，水平滚动万向铰(5)和刚性圆筒(3)接触面上涂有润滑剂，增加地震作用时长方体滑动质量块(4)滑动性；圆形滑板(6)用来限制碟形弹簧组(7)的运动。

5.根据权利要求1所述的一种具有碟形弹簧的并联型负刚度结构隔震减振支座，其特征在于：所述限位挡块(8)材质为高强建筑钢材，一端内嵌于刚性圆筒(3)内，另一端固定于混凝土固定支墩(10)上，固定支墩(10)固接在桥梁桥墩或者其它建筑物基础上，并能够在地震作用下带动限位挡块(8)滑动。

6.根据权利要求1所述的一种具有碟形弹簧的并联型负刚度结构隔震减振支座，其特征在于：初始状态下，隔震减振支座具有较大静刚度，相当于高强度支座支撑上部结构，当发生较小地震时，固定支墩(10)带动限位挡块(8)产生位移，与刚性圆筒(3)发生相对滑动，但由于碟形弹簧组(7)和长方体滑动质量块(4)之间存在间隙，此时质量块不发生滑动，上部结构仍能保持稳定；在较大地震作用下，限位挡块(8)和刚性圆筒(3)之间产生较大滑移，挤压碟形弹簧组(7)变形和滑动与长方体滑动质量块(4)接触并挤压，使碟形弹簧组(7)产生负刚度，上部预压缩碟形弹簧组(1)在负荷下具有一定的正刚度，此时负刚度碟形弹簧组(7)同正刚度碟形弹簧组(1)并联共同组成了零刚度体系，使结构在地震时处于超低频状态，并提高了结构共振频率。