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

具有碟形弹簧的并联型负刚度结构隔震减振支座 Download PDF

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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

具有碟形弹黃的并联型负刚度结构隔震减振支座
技术领域
[0001] 本发明设及一种具有碟形弹黃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
[0002] 在地震区修建建筑、桥梁、W及其他大型建筑时,为了减轻潜在地震威胁,必须对 运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, 运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。
[0003] 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 的方法来减小运种损失。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。
[0004] 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W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 此运些支座在减震隔震效果上均有不足之处。
[0005] 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,并联正负刚度弹黃可W增加结构的阻尼,提高隔震系统产生驻波效应 的频率,可W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。
[0006] 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W更全面地降低结构的动力响应。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于提出了一种具有碟形弹黃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。
[0008] 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黃的并联型负刚度 结构隔震减振支座,该支座包括上部预压缩碟形弹黃组、刚性防护筒、刚性圆筒、长方体滑 动质量块、水平滚动万向较、圆形滑板、碟形弹黃组、限位挡块、聚四氣乙締滑板、支墳;橡胶 支座与桥墳为所需隔震的建筑结构连接构件。
[0009] 上部预压缩碟形弹黃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W为焊接;刚性圆筒开有沿高度中屯、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氣乙締滑板,限位挡块与聚四 氣乙締滑板相互接触,并且可W相对滑动;所述限位挡块与支墳固定连接;长方体滑动质 量块与刚性圆筒之间通过水平滚动万向较连接;所述水平滚动万向较为球较,可W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,两组碟形弹黃组分别置于T形 槽两端;其中,碟形弹黃组一端与圆形滑板较接,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。
[0010] 本发明提供了一种具有碟形弹黃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,固接于支墳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黃组,由于碟形弹黃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,固接于支墳上的限位挡块和刚性圆筒之间发生较大相 对滑动,挤压碟形弹黃组,使其与长方体滑动质量块接触并产生负刚度,负刚度弹黃在平衡 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.由竖向碟形弹黃作为正刚度 弹黃,负刚度弹黃在平衡点局部区域减小正刚度弹黃的刚度,并联的总体刚度K=r+K可 知,K一 0,此时隔震系统固有频率为
Figure CN103790106BD00051
,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溫度变形也无法传到下部基础。同时利用弹 黃的变形耗散地震能量,从而达到隔震的目的。
[0011] 本发明利用负刚度碟形弹黃和正刚度碟形弹黃并联来改变体系的固有频率,上部 碟形弹黃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W支撑上部结构的 较大重量,同时选择较大的直径比C=D/d值为碟形弹黃外径,d为碟形弹黃内径)维持上 部碟形弹黃在承受较大荷载下仍保持在正刚度范围内,下部水平向碟形弹黃采用串联形式 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,与正刚度弹黃匹配,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 度碟形弹黃可增大系统的结构阻尼.其解释如下:假设并联负刚度弹黃后,隔震支座的刚 度由Κι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W得到关系式:
Figure CN103790106BD00052
式中ni, η2分别为并联负刚度弹黃前后隔震支座的结构损耗因子;fi。,f2。分别为并联负刚度弹黃 前后隔震支座的固有频率.因此可W看出结构并联负刚度碟形弹黃后损耗因子增大,可W 更好地消耗地震作用产生的能量。限制了上部结构的运动。
[0012] 与现有技术相比,本发明具有如下有益效果。
[0013] 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
[0014] 图1是本发明具有碟形弹黃的并联型负刚度结构隔震减振支座结构示意图。
[0015] 图2是本发明碟形弹黃结构示意图。
[0016] 图3是本发明整体结构俯视图。 阳017] 图4是本发明刚性圆筒结构示意图。
[0018] 图中:1、上部预压缩正刚度碟形弹黃组,2、刚性防护筒,3、刚性圆筒,4、长方体滑 动质量块,5、水平滚动万向较,6、圆形滑板,7、碟形弹黃组,8、限位挡块,9、聚四氣乙締滑 板,10、支墳,11、橡胶支座,12、桥墳。
具体实施方式
[0019] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0020] 如图1图4所示,一种具有碟形弹黃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黃组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 较5、圆形滑板6、碟形弹黃组7、限位挡块8、聚四氣乙締滑板9、支墳10 ;橡胶支座11与桥 墳12为所需隔震的建筑结构连接构件。
[0021] 上部预压缩碟形弹黃组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W为焊接;刚性圆筒3开有沿高度中屯、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氣乙締滑板 9,限位挡块8与聚四氣乙締滑板9相互接触,并且可W相对滑动;所述限位挡块8与支墳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较5连接;所述水平 滚动万向较5为球较,可W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,两组碟形弹黃组7分别置于T形槽两端;其中,碟形弹黃组7 -端与圆形滑板6较 接,另一端与限位挡块8接触巧组圆形滑板6分别与刚性圆筒3的T形槽内壁相接触。
[0022] 上部预压缩碟形弹黃组1与橡胶支座11固定连接;支墳10与桥墳12固定连接。
[0023] 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。
[0024] 所述上部竖向碟形弹黃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,采用多个碟形弹黃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 平向碟形弹黃7采用多个碟形弹黃相互对接组合的方式。
[00巧]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 屯、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 接触面镶嵌有聚四氣乙締滑板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较5,水平滚动万向较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 碟形弹黃7的运动,防止其变形破坏。
[00%] 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 凝上固定支墳10上,固定支墳10固接在桥梁桥墳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。
[0027] 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,固定支墳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 于碟形弹黃组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 黃组7变形和滑动与长方体滑动质量块4接触并挤压,使碟形弹黃组7产生负刚度,碟形弹 黃组1在负荷下具有一定的正刚度,此时负刚度碟形弹黃组7同正刚度碟形弹黃组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溫度变形产生的滑动对基础也没有影 响。并联负刚度碟形弹黃组不但可W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。 阳0測 实施例
[0029] 本实例中,上部竖向碟形弹黃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,下部水平向碟形弹黃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,采用多个碟黃对合的方式,对合后总高度为 84mm,阻尼系数C= 0. 4N·s/m。
[0030] 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中屯、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接触面镶嵌有聚四氣乙締滑板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较5,万向较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用来限制碟形弹黃7的运动,防止其变形 破坏。
[0031] 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±固定支墳10上,固定支墳10固接在桥梁桥墳或者其他建筑物 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。
[0032] 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,固定支墳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,但由于碟形弹黃组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,碟形弹黃组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,挤压碟形弹黃组7变形和滑动与长方体滑动质量 块4接触并挤压,使碟形弹黃组7产生负刚度,碟形弹黃组1在负荷下具有一定的正刚度, 此时负刚度碟形弹黃组7同正刚度弹黃组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 由于徐变和溫度变形产生的滑动对下部基础也没有影响。并联负刚度碟形弹黃组不但可W 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。
[0033] W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⑶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⑶与支墩(10)固定连接;长方体滑动质量块⑷与刚性圆筒⑶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) -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
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