CN103850359A - 一种斜面摩擦隔震系统 - Google Patents

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Abstract

一种斜面摩擦隔震系统，包括挡板、圆锥形滑动凹面以及能在挡板与圆锥形滑动凹面之间移动的中心柱；所述中心柱由上翼缘、下翼缘和圆锥形滑动凸面组成；所述圆锥形滑动凸面的倾斜角度与圆锥形滑动凹面中心的倾斜角度吻合接触；所述圆锥形滑动凹面的边缘垂直延伸出一围壁；所述围壁的上端与下翼缘的下表面接触；所述挡板的上端面嵌插于上翼缘与下翼缘之间，挡板的下端与圆锥形滑动凹面连接。采用本发明，在近场大脉冲地震下结构的复位更易于实现，可有效防止中心柱的竖向脱离，降低隔震系统倾覆破坏的风险，避免水平位移过大时中心柱与围壁碰撞的破坏危险，该发明在地震工程、结构工程及其它土木工程中具有广泛的推广应用价值。

Description

一种斜面摩擦隔震系统
技术领域
本发明涉及一种地震工程、结构工程及其它土木工程中的隔震系统，特别是涉及一种斜面摩擦隔震系统。
背景技术
隔震结构是通过隔震层将地震动隔离，从而保护上部结构的一种被动减震结构形式。隔震结构主要是通过延长结构的基本周期而使得进入上部结构的地震能量大大降低，减轻结构的地震反应，以达到隔离地震的目的。在隔震建筑中，被动基础隔震的比重较大。所谓的基础隔震是指通过在上部结构和地基之间安装水平柔性的隔震系统使其与地基解耦。开发和研究较多的隔震系统包括以下几种隔震支座：铅芯橡胶支座、摩擦滑移支座和滚轴支座等。其中摩擦滑移隔震系统因不与特定周期地震波共振而更具优越性，并且可通过限制摩擦力来满足不同的隔震需要。
常见的摩擦隔震系统是由美国加州大学伯克利分校的Zayas提出的摩擦滑摆隔震系统(Friction Pendulum System, FPS)，FPS由上部装置、中心滑块和下部滑动球形凹面三部分组成。地震发生时，中心滑块可在球形凹面内滑动，从而隔离地震能量。在FPS的基础上，Constantinou又提出了三重摩擦滑摆隔震系统(Triple Friction Pendulum System, TFPS)，TFPS包括中心滑块和两对滑动面，对小震、中震和大震均有不同的调谐适应能力。但是，由于FPS和TFPS中摩擦滑摆支座构造的特殊性，一方面，在大脉冲地震作用下结构的复位较为困难，隔震支座与其原有状态相比将产生一定的残余位移，成为工程应用中的障碍；另一方面，由于近场地震竖向反应过大，剧烈的地震力易将支座中的滑块与上部装置的凹滑动面“甩开”脱离，造成整个摩擦滑摆支座破坏，从而使上部装置陷入危险。并且，在位移过大时，FPS和TFPS的中心滑块可能碰撞到滑动凹面边缘的围壁，使隔震支座有破坏的危险。参照图1所示的FPS（上）和TFPS（下）的破坏结构示意图。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的上述不足，提供一种带自复位功能的斜面摩擦隔震系统，可有效防止中心柱的竖向脱离，降低隔震系统倾覆破坏，以及中心柱与围壁水平碰撞破坏的风险。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种斜面摩擦隔震系统，包括挡板、圆锥形滑动凹面以及能在挡板与圆锥形滑动凹面之间移动的中心柱；所述中心柱由上翼缘、下翼缘和圆锥形滑动凸面组成，圆锥形滑动凸面与中心柱整合成一体；所述圆锥形滑动凸面的倾斜角度与圆锥形滑动凹面中心的倾斜角度吻合接触；所述圆锥形滑动凹面的边缘垂直延伸出一围壁；所述围壁的上端与下翼缘的下表面接触；所述挡板的上端面嵌插于上翼缘与下翼缘之间，挡板的下端与圆锥形滑动凹面连接。挡板的作用是增加隔震系统竖向约束，地震竖向分量较大、结构较为高耸时可有效防止中心柱的竖向脱离。
进一步，所述中心柱由上翼缘和下翼缘分割成两层，中心柱的中心截面呈“干”字形布置。 
进一步，所述围壁的内壁包覆有橡胶保护层，形成围壁的边界保护，在大震下，水平位移过大时，若中心柱与围壁内壁碰撞，橡胶边界可吸收碰撞能量。
进一步，所述圆锥形滑动凹面与围壁组合成为底面为锥形面的柱体结构，使得中心柱的水平位移允许范围大，且避免中心柱移动时从圆锥形滑动凹面内滑出。
本发明提供的斜面摩擦隔震系统，在地震前，中心柱的圆锥形滑动凸面位于圆锥形滑动凹面的中心部分，圆锥形滑动凸面与圆锥形滑动凹面全接触，提供初始静摩擦力；在地震时，斜面摩擦隔震系统将承载物（如房屋等）上部载荷均匀地传递到下部结构，通过中心柱的圆锥形滑动凸面偏离圆锥形滑动凹面中心的移动以及圆锥形滑动凸面与圆锥形滑动凹面之间较小的摩擦力，来适应上部结构因地震引起的移动。中心柱的圆锥形滑动凸面与圆锥形滑动凹面形成自复位系统，在大、中地震时，圆锥形滑动凸面离圆锥形滑动凹面中心越远，其与圆锥形滑动凹面接触越小，则摩擦力越小，易于复位。
由于中心柱的中心截面呈“干”字形布置，且与圆锥形滑动凸面组合成一体，当近场地震竖向震动过大、圆锥形滑动凸面出现提离时，可降低圆锥形滑动凸面脱离甩出的现象，有效解决了传统滑块脱离上部凹槽，导致隔震系统倾覆破坏的问题。
另外，圆锥形滑动凹面由传统FPS的等曲率凹面变成了一定倾角的圆锥形凹面，圆锥形凹面相对于球形凹面易于施工制造，下部底板可直接用高强混凝土浇筑后上覆不锈钢板，节约成本；圆锥形凹面角度不变，与传统FPS相比更易于进行定量研究。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：1）可有效降低隔震系统倾覆破坏的风险；2）可有效防止中心柱的竖向脱离；3）圆锥形滑动凹面的底板易于施工制造；4）带自复位系统；5）围壁内壁设有橡胶边界，可吸收碰撞能量，且由于隔震系统内部封闭，橡胶不易老化；6）隔震系统使用寿命长，可覆盖结构的服役期。
附图说明
图1为传统的FPS（上）和TFPS（下）的破坏结构示意图；
图2为本发明实施例的圆锥形滑动凸面位于圆锥形滑动凹面中心的立体结构中心截面示意图；
图3为图2所示实施例的平面结构示意图；
图4为本发明实施例的圆锥形滑动凸面远离圆锥形滑动凹面中心的立体结构中心截面示意图；
图5为图4所示实施例的平面结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
参照图1和图2，本实施例提供的斜面摩擦隔震系统，包括挡板1、圆锥形滑动凹面2以及能在挡板1与圆锥形滑动凹面2之间移动的中心柱3。
中心柱3由上翼缘31、下翼缘32和圆锥形滑动凸面33组成。中心柱3被上翼缘31和下翼缘32分割成两层，其中心截面呈“干”字形布置，且与圆锥形滑动凸面33组合成一体，当近场地震竖向震动过大、圆锥形滑动凸面33出现提离时，可降低圆锥形滑动凸面33脱离甩出的现象，有效解决了传统滑块脱离上部凹槽，导致整个隔震系统破坏的问题。
圆锥形滑动凹面2和圆锥形滑动凸面33均呈圆锥状，圆锥形滑动凸面33的倾斜角度与圆锥形滑动凹面2中心的倾斜角度吻合接触。将圆锥形滑动凹面2由传统FPS的等曲率凹面替换成带有一定倾角的圆锥状斜坡凹面，是由于圆锥状斜坡凹面易于施工制造，下部底板可直接用高强混凝土浇筑后上覆不锈钢板，节约成本；且圆锥状斜坡凹面曲率不变，与传统FPS相比更易于进行定量研究。
圆锥形滑动凹面2的边缘垂直延伸出一围壁21，围壁21的上端与下翼缘31的下表面接触；圆锥形滑动凹面2与围壁21组合成为底面为锥形面的柱体结构，使得中心柱3的水平位移允许范围大，且避免中心柱3移动时从圆锥形滑动凹面2内滑出；围壁21的内壁包覆有橡胶保护层，形成围壁21的边界保护，在大震下，水平位移过大时，若中心柱3与围壁21内壁碰撞，橡胶边界可吸收碰撞能量；由于围壁21内部密闭性好，橡胶不易老化；即使老化，也易于更换。
挡板1的上端面嵌插于上翼缘31与下翼缘32中间，挡板1的下端与圆锥形滑动凹面2相连。由于挡板1的上端面嵌插于上翼缘31与下翼缘32之间，从而增加了隔震系统的竖向约束，当地震竖向分量较大、结构较为高耸时，可有效防止中心柱3的竖向脱离。
中心柱3的圆锥形滑动凸面33与圆锥形滑动凹面2形成自复位系统，在地震前，圆锥形滑动凸面33位于圆锥形滑动凹面2的中心部分，使得圆锥形滑动凸面33与圆锥形滑动凹面2全接触，提供初始静摩擦力；在地震时，圆锥形滑动凸面33离圆锥形滑动凹面2中心越远，其与圆锥形滑动凹面2接触越小，则摩擦力越小；尤其是大震时，若圆锥形滑动凸面33位于离圆锥形滑动凹面2中心最远端，此时圆锥形滑动凸面33与圆锥形滑动凹面2的接触达到最小，则摩擦力也为最小值，易于复位。随着圆锥形滑动凸面33偏离圆锥形滑动凹面2中心时，中心柱3的下翼缘32两端至少有一端被挡板约束，从而有效防止中心柱3的竖向脱离。
总之，本实施例结构简单，有效解决了传统滑块脱离上部凹槽，导致隔震系统倾覆破坏、在大脉冲地震下结构的复位困难、水平位移过大时滑块与围壁碰撞破坏问题，竖向承载力强、耐久性好、隔震效果明显，在地震工程、结构工程及其它土木工程中具有广泛的推广应用价值。

Claims (5)

1.一种斜面摩擦隔震系统，其特征在于，包括挡板、圆锥形滑动凹面以及能在挡板与圆锥形滑动凹面之间移动的中心柱；所述中心柱由上翼缘、下翼缘和圆锥形滑动凸面组成，圆锥形滑动凸面与中心柱整合成一体；所述圆锥形滑动凸面的倾斜角度与圆锥形滑动凹面中心的倾斜角度吻合接触；所述圆锥形滑动凹面的边缘垂直延伸出一围壁；所述围壁的上端与下翼缘的下表面接触；所述挡板的上端面嵌插于上翼缘与下翼缘之间，挡板的下端与圆锥形滑动凹面连接。
2.如权利要求1所述的斜面摩擦隔震系统，其特征在于，所述中心柱由上翼缘和下翼缘分割成两层，中心柱的中心截面呈“干”字形布置。
3.如权利要求1或2所述的斜面摩擦隔震系统，其特征在于，所述围壁的内壁包覆有橡胶保护层。
4.如权利要求1或2所述的斜面摩擦隔震系统，其特征在于，所述圆锥形滑动凹面与围壁组合成为底面为锥形面的柱体结构。
5.如权利要求3所述的斜面摩擦隔震系统，其特征在于，所述圆锥形滑动凹面与围壁组合成为底面为锥形面的柱体结构。
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