CN104487734A - 滑动免震装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具备实现60MPa的表面压力的滑动体的高性能的滑动免震装置。滑动免震装置(10)包括：具备具有曲率的滑动面(1a、2a)的上瓦状物(1)及下瓦状物(2)、在上瓦状物(1)和下瓦状物(2)之间与各瓦状物相接且具备具有曲率的上面(4a)及下面(4b)的柱状且钢制的滑动体(7)，滑动体(7)的上面(4a)和下面(4b)以PTFE纤维配设于上瓦状物(1)及下瓦状物(2)的滑动面(1a、2a)侧的方式具备由PTFE纤维和比PTFE纤维抗拉强度高的纤维构成的双层织物层(5、6)。

Description

滑动免震装置
技术领域
本发明涉及由上下瓦状物(上下沓)和介于它们之间的滑动体构成的滑动免震装置。
背景技术
在作为地震国的我国，对于大楼或桥梁、高架道路、家庭的住宅之类的各种结构物，开发了抗击地震力的技术、减小进入结构物的地震力的技术等各种抗震技术、免震技术、制震技术，且正在被应用于各种结构物。
其中，免震技术是减小进入结构物的地震力本身的技术，因此，地震时的结构物的振动被有效地减小。对该免震技术进行概述时归结为，使免震装置介于作为下部结构物的地基和上部结构物之间，减少地震造成的地基的振动向上部结构物的传递，减小上部结构物的振动，保证结构稳定性。此外，该免震装置不仅在地震时，而且对减小总是对于结构物进行作用的交通振动向上部结构物的影响也发挥效果。
免震装置中，存在含铅塞层叠橡胶支承装置(鉛プラグ入り積積ゴム支承装置)或高衰减层叠橡胶支承装置、将层叠橡胶支承和缓冲器组合成的装置、滑动免震装置等各种方式的装置。采纳其中的滑动免震装置，对其一般的构成进行说明时，由具备具有曲率的滑动面的上瓦状物及下瓦状物、在上瓦状物和下瓦状物之间并且具备与分别的瓦状物相接且具有相同曲率的上面及下面的柱状的滑动体构成，有时也称为上下球面滑动式的免震装置或者双凹式的免震装置等。
在这种免震装置中，上下瓦状物的动作性能受到与介于它们之间的滑动体之间的摩擦系数或摩擦系数乘以重量所得的摩擦力支配。
但是，现有滑动免震装置中滑动体的基准表面压力为20MPa以下，因此，在因结构物的高层化等重量变重的情况下，为了形成与该负荷平衡的平面尺寸的滑动免震装置，装置不得不大规模化，与层叠橡胶免震装置等异种的免震装置相比，成本竞争力就会降低，作为结果，现状是使用频率降低。
另外，应用由钢材形成的滑动体的情况，虽然因为机械加工其加工精度较高，但是其摩擦系数的偏差大，表面压力依存或速度依存较大，因此其摩擦系数的上下限的幅度变大，具有地震响应容易产生偏差的问题。因此，即使能够防止建筑物的倒塌，也难以成为使PML(可能的最大损失)接近零、使日常用具等的受害达到零的高性能免震装置的构成部件。
在此，在专利文献1中公开了一种滑动免震装置，其具备由纤维织布强化热固化性合成树脂的层叠体构成的基体、由与基体的上面及下面分别一体接合的表层材料构成的滑动体。
该滑动体是将平织的PTFE纤维重合、或者将平织的PTFE纤维、织布和平织的棉布重合而形成，通过制成这种构成的滑动体，可期待源于PTFE的低摩擦性。
但是，在专利文献1中公开的实验条件下也明确地显示，在此处公开的滑动体中，其表面压力也在20MPa以下，即19.6N/mm2(19.6MPa)，因此达不到解决源于上述的滑动体为低表面压力这一问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)专利第4848889号说明书
发明概述
发明要解决的问题
本发明是鉴于上述的问题而开发的，目的在于提供一种具备实现60MPa的表面压力的滑动体的高性能的滑动免震装置。
用于解决问题的技术方案
为了达成所述目的，本发明的滑动免震装置包括：具备具有曲率的滑动面的上瓦状物及下瓦状物、在上瓦状物和下瓦状物之间并且具备与各瓦状物相接、具有曲率的上面及下面的柱状钢制的滑动体，所述滑动体的所述上面和所述下面以PTFE纤维配设于所述上瓦状物及下瓦状物的滑动面侧的方式具备由PTFE纤维和比该PTFE纤维抗拉强度高的纤维构成的双层织物层。
本发明的滑动免震装置，通过设定钢制的滑动体而确保其高的表面压力，同时通过在与上下瓦状物的滑动面相接的滑动体的上下面配设双层织物层，更具体地说，以PTFE纤维配设于滑动面侧的方式将由PTFE纤维和比PTFE纤维抗拉强度高的纤维构成的双层织物层固定于滑动体的本体上，成为确保60MPa的表面压力同时具备高的免震性能的滑动免震装置。
通过在滑动体的上下面中的上下瓦状物滑动面侧配置PTFE纤维，实现在60MPa左右的高表面压力下的滑动性是良好的。
并且，通过应用含有PTFE纤维的双层织物层，抗拉强度比较低，因此，承受负荷时的耐压碎性低的PTFE纤维承受在加压状态下的反复振动(加压滑动力)时容易压坏。但是，压坏的PTFE纤维留在比其抗拉强度高、因此耐压碎性高的纤维内，从而至少其一部分能够面对上下瓦状物的滑动面，因此能够享受PTFE纤维的良好的滑动性。这样的情况关系到具有所要求的免震性能的滑动免震装置的耐久性的提高。
另外，所谓“比PTFE纤维抗拉强度高的纤维”，可举出尼龙6或聚对苯二甲酸乙酯(PET)等多种多样的树脂纤维。其中，理想的是耐药性、耐加水分解性优异、抗拉强度非常高的PPS纤维。
钢制的滑动体的本体和双层织物层用粘接剂粘接固定。例如，比PTFE纤维抗拉强度高的纤维应用PPS纤维的情况，由于其与钢制的滑动体的本体表面的粘接性明显比PTFE纤维好，因此也具有应用双层织物层、将PTFE纤维配设于瓦状物的滑动面侧、将PPS纤维等配设于滑动体的本体侧的构成的优点。
根据本发明者等的验证，证实在60MPa的表面压力下、动摩擦系数μ为4～6％左右(μ＝0.04～0.06)的范围，具有反复数为100次以上的反复耐久性。由此，通过应用本发明的滑动免震装置，能够实现建筑物最上层的响应加速度为100gal以下的高性能免震。
还证实，滑动体在滑动面上滑动时的固有周期T处于4.5秒～8秒的范围，且滑动面和滑动体的动摩擦系数μ处于0.03～0.07的范围的情况下，可以使对二级地震运动(L2)的响应剪切系数CB为0.2以下，且，可使对于三级地震运动(L3，比二级大1.5倍的地震运动)的响应位移δ不足80cm。此外，所谓响应位移δ超过80cm，虽然意味着免震性能非常高，但是，由于发挥这种免震性能的装置成为装置制作成本非常高昂的装置，从制作成本的观点来看，可以说60cm左右的响应位移量的装置较妥当，制作充其量不足80cm的装置比较好。
更优选的是，在固有周期T处于4.5秒时的动摩擦系数μ处于0.04～0.05的范围的情况下，能够将响应位移δ控制在60cm前后，在固有周期T为6秒时的动摩擦系数μ处于0.03～0.05的范围的情况下，可以使响应剪切系数CB不足0.15、响应位移δ不足70cm，在固有周期T为8秒时的动摩擦系数μ处于0.04～0.05的范围的情况下，可以使响应剪切系数CB不足0.15、响应位移δ不足70cm，因此，可以说都是更优选的范围。
发明效果
从以上的说明可以理解，根据本发明的滑动免震装置，通过在钢制的滑动体中的与上下瓦状物的滑动面相接的上下面，以PTFE纤维配设于滑动面侧的方式形成由PTFE纤维和比PTFE纤维抗拉强度高的纤维构成的双层织物层，能够提供实现60MPa的表面压力，同时具备高的免震性能的滑动免震装置。
附图说明
图1是本发明的滑动免震装置的实施方式的纵剖视图。
图2是拆掉滑动免震装置的上瓦状物并从斜上方看的立体图。
图3是说明双层织物层的结构的示意图。
图4(a)是表示双层织物层承受负荷前的状态的示意图，(b)是表示双层织物层正在承受加压滑动力的状态的示意图。
图5是表示验证双层织物层的反复耐久性能的实验结果的图。
图6是表示在固有周期不同的滑动免震装置中，验证每种动摩擦系数的剪切力系数和响应位移的实验结果的图。
实施发明的方式
下面，参照附图，说明本发明的滑动免震装置的实施方式。
(滑动免震装置的实施方式)
图1是本发明的滑动免震装置的实施方式的纵剖视图，图2是拆掉滑动免震装置的上瓦状物从斜上方看的立体图。
图示的滑动免震装置10的大体构成包括：具备具有曲率的SUS制的滑动面1a的钢制上瓦状物1、同样地具备具有曲率的SUS制的滑动面2a的钢制下瓦状物2、在上瓦状物1和下瓦状物2之间的滑动体7，滑动体7由具备与上瓦状物和下瓦状物1、2相接且具有与各滑动面1a、2a相同曲率的上面4a、下面4b的钢制柱状的本体4构成。
如图2所示，在下瓦状物2的滑动面2a的周围固定有环状的限制器3，在图2中未表示的上瓦状物1的滑动体1a的周围，也同样地固定有环状的限制器3。
上下的瓦状物1、2和滑动体7的本体4均由焊接钢材用轧制钢材(SM490A、B、C、或SN490B、C、或S45C)形成，具有表面压力60MPa的耐负荷强度。
在滑动体7的本体4的上面4a和下面4b分别粘接固定有双层织物层5、6。
在此，图3是说明双层织物层的结构的示意图。图示的双层织物层5、6是由PTFE纤维和比PTFE纤维抗拉强度高的纤维构成的双层织物层，以PTFE纤维配设于上瓦状物及下瓦状物的滑动面1a、2a侧的方式形成，使各双层织物层5、6固定于本体4上。
作为“比PTFE纤维抗拉强度高的纤维”，能够举出：尼龙6·6、尼龙6、尼龙4·6等聚酰胺或聚对苯二甲酸乙酯(PET)、聚对苯二甲酸丙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸丁二酯(ポリエチレンナフタレート)等聚酯或对位芳族聚酰胺、间位芳族聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、玻璃、碳、聚苯硫醚(PPS)、LCP、聚酰亚胺、PEEK等纤维。另外，还可以应用热熔接纤维或棉、羊毛等纤维。
其中，理想的是，抗药性、耐加水分解性优异、抗拉强度非常高的PPS纤维。于是，下面，以双层织物层5、6由PTFE纤维和PPS纤维形成的方式为代表例进行说明。
图3所示的双层织物层5、6的构成是，PPS纤维的纬纱9a配设在滑动体7的本体4侧，以将其卷入的方式织入PPS纤维的经纱9b，在它们的上方(瓦状物侧的位置)配设PTFE纤维的纬纱8a，以将PTFE纤维的纬纱8a卷入的方式织入PTFE纤维的经纱8b，同时，进一步也以将下方的PPS纤维的纬纱9a卷入的方式织入PTFE纤维的经纱8b，以PTFE纤维配设于上瓦状物及下瓦状物的滑动面1a、2a侧的方式形成双层织物层5、6。
这些双层织物层5、6经由本体4和粘接剂B粘接固定。该粘接剂可使用环氧树脂系粘接剂。PPS纤维与钢制的本体4的表面的粘接性明显比PTFE纤维良好，因此，有使用双层织物层5、6将PTFE纤维配置于瓦状物的滑动面1a、2a侧，并且将PPS纤维配置于滑动体7的本体4侧的优点。
另外，因PTFE纤维的抗拉强度比较低，双层织物层5、6在承受加压状态下的反复振动(加压滑动力)时容易压坏。但是，通过压坏的PTFE纤维留在比其抗拉强度高、因而耐压碎性高的PPS纤维内，从而至少其一部分能够面对上下瓦状物1、2的滑动面1a、2a，因此能够享受PTFE纤维的良好的滑动性。参照图4a、b对这种情况进行说明。
图4a是表示双层织物层承受负荷前的状态的示意图，图4b是表示双层织物层正在承受加压滑动力的状态的示意图。
在图4a的状态下，成为仅PTFE纤维的纬纱8a或经纱8b面对上下瓦状物1、2的滑动面1a、2a的状态。
在对该双层织物层5、6赋予以负载加压力Q的状态作用反复振动Z的加压滑动力时，在某程度的反复次数下，PTFE纤维的纬纱8a或经纱8b被压坏。而且，如图4b所示，压坏后的PTFE纤维的纬纱8a’或压坏后的PTFE纤维的经纱8b’进入抗拉强度高、因而耐压碎性良好的PPS纤维的纬纱9a或PPS纤维的经纱9b内。
从图4b也可明白，对于进入了PPS纤维的纬纱9a或经纱9b内的压坏后的PTFE纤维的纬纱8a’或经纱8b’来说，它们的一部分面对上下瓦状物1、2的滑动面1a、2a侧，因此，在图4b的状态下，也能够享受PTFE纤维具有的良好的滑动性。即，通过滑动体7具备图示方式的双层织物层5、6，从而能够提高具有所要求的免震性能的滑动免震装置的耐久性。
在此，将有关双层织物层的构成原材料或其规格、物性管理值的一个例子示于以下的表1。
[表1]
另外，滑动免震装置的固有周期由滑动体7的上下面的曲率半径(及上下瓦状物的滑动面的曲率半径)来决定，曲率半径为2500mm时的滑动免震装置的固有周期T为4.5秒，曲率半径为4500mm时的固有周期T为6秒。
根据图示的滑动免震装置10，利用钢制的滑动体7实现表面压力60MPa，同时通过具备滑动体7在其上下面以PTFE纤维毗邻上下瓦状物1、2的滑动面1a、2a侧的方式配设由PTFE纤维和比PTFE纤维抗拉强度高的PPS纤维构成的双层织物层5、6的构成，因优异的滑动性而成为免震效果高并且耐久性高的滑动免震装置。
[验证双层织物层的反复耐久性能的实验和其结果]
本发明者等制作了本发明的滑动免震装置(动摩擦系数μ的基准值为0.045～0.05)，并且在负载60MPa的负荷的状态下，在20℃以400mm/sec的速度对该滑动免震装置实施反复耐久试验。将作为试验结果的、直至反复次数120次的各循环数和动摩擦系数的变动(测定值)示于以下的表2和图5。
[表2]
由表2和图5可知，成为温度按照反复次数因摩擦热而上升且摩擦系数按照温度上升而降低的趋势，但经过某程度的时间后，温度上升终止，因反复造成的劣化，摩擦系数相反处于若干上升的趋势。在本实验中，结果是，温度上升大到40℃左右，摩擦系数变小，因此劣化少。
[在固有周期不同的滑动免震装置中，验证每种动摩擦系数的剪切力系数和响应位移的解析和其结果]
本发明者等进一步将固有周期不同的各种滑动免震装置在计算机内模型化，对各滑动免震装置进行了验证每种动摩擦系数的剪切力系数和响应位移的实验。将实验结果示于图6。
在同图中，L2意味着二级地震运动，剪切力系数CB表示多层结构物模型的第1层的剪切力系数。另外，L3意味着三级地震运动，是二级地震运动的1.5倍的大小的地震运动(响应位移成为相对于该L3的值加上富裕度的值)。响应位移量作为该L3地震时的响应位移量。另外，在本解析中，地震波使用了1995年兵库县南部地震JMA记录波形。
由图6可知，在固有周期T＝3.0秒的滑动免震装置中，不论是哪个动摩擦系数μ的情况，剪切力系数CB均超过0.2，免震效果低。
另一方面，在固有周期T＝4.5秒、6.0秒、8.0秒的各滑动免震装置中，动摩擦系数μ为0.02以下的情况下，响应位移达到80cm以上，而从制作成本的观点来看，非优选。另外，不论是哪个固有周期的情况，在动摩擦系数μ处于0.03～0.07的范围的情况下，剪切力系数CB不足0.2，响应位移不足80cm，由此，可以说，在固有周期T＝4.5秒、6.0秒、8.0秒的滑动免震装置中，动摩擦系数μ优选0.03～0.07的范围。
根据更详细的分析可知，在固有周期T为4.5秒时的动摩擦系数μ处于0.04～0.05的范围的情况下，能够将响应位移δ控制在60cm左右，在固有周期T为6秒时的动摩擦系数μ处于0.03～0.05的范围的情况下，可以使响应剪切系数CB不足0.15、响应位移δ不足70cm，在固有周期T为8秒时的动摩擦系数μ处于0.04～0.05的范围的情况下，可以使响应剪切系数CB不足0.15、响应位移δ不足70cm，因此，均为更优选的范围。
以上，使用附图对本发明的实施方式作了详述，但具体的构成不限定于该实施方式，即使存在不脱离本发明的要旨的范围内的设计变更等，这些设计变更也包含在本发明内。
符号说明
1：上瓦状物、1a：滑动面、2：下瓦状物、2a：滑动面、3：限制器、4：本体(滑动体本体)、4a：上面、4b：下面、5、6：双层织物层、7：滑动体、8a：PTFE纤维的纬纱、8a’：压坏后的PTFE纤维的纬纱、8b：PTFE纤维的经纱、8b’：压坏后的PPS纤维的经纱、9a：PPS纤维的纬纱、9b：PPS纤维的经纱、10：滑动免震装置。

Claims (6)

1.一种滑动免震装置，包括具备具有曲率的滑动面的上瓦状物及下瓦状物、和在上瓦状物和下瓦状物之间的柱状且钢制的滑动体，所述滑动体具备与分别的瓦状物相接且具有曲率的上面及下面，其中
所述滑动体的所述上面和所述下面以PTFE纤维配设于所述上瓦状物及下瓦状物的滑动面侧的方式具有由PTFE纤维和比该PTFE纤维抗拉强度高的纤维构成的双层织物层。
2.根据权利要求1所述的滑动免震装置，其中，比所述PTFE纤维抗拉强度高的纤维为PPS纤维。
3.根据权利要求2所述的滑动免震装置，其中，滑动体在滑动面上滑动时的固有周期T处于4.5秒～8秒的范围，且滑动面和滑动体的动摩擦系数μ处于0.03～0.07的范围。
4.根据权利要求3所述的滑动免震装置，其中，固有周期T为4.5秒时的动摩擦系数μ处于0.04～0.05的范围。
5.根据权利要求3所述的滑动免震装置，其中，固有周期T为6秒时的动摩擦系数μ处于0.03～0.05的范围。
6.根据权利要求3所述的滑动免震装置，其中，固有周期T为8秒时的动摩擦系数μ处于0.04～0.05的范围。
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