CN104763056A - 一种环形摩擦转动隔震支座 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环形摩擦转动隔震支座，包括上盖板、转动刚体，环形摩擦墙，缓冲弹簧，悬吊钢块，底座；上盖板下部具有凸出半球体，转动刚体上部设置凹槽，凸出半球体与凹槽咬合接触；转动刚体下部中心设置球面凹槽，球面凹槽与半球体支撑连接形成各向转动接触；转动刚体整体侧面设置球面并与环形摩擦墙之间形成摩擦接触，转动刚体转动时与环形摩擦墙发生摩擦耗散地震能量；在转动刚体的底部一圈设置竖直的缓冲弹簧，缓冲弹簧另一端连接悬吊钢片，悬吊钢片放置于底座的卡口中，悬吊钢片的厚度小于卡口的高度；当转动刚体转动到一定位置时，可使缓冲弹簧向上抬升从而带动悬吊钢片向上移动，当与卡口接触时，缓冲弹簧拉伸限制转动刚体的运动。

Description

一种环形摩擦转动隔震支座

技术领域

本发明涉及一种隔震支座，尤其涉及一种环形摩擦转动隔震支座，属于隔震支座技术领域。

背景技术

地震引起的传统建筑或桥梁等工程结构的局部损伤是造成其倒塌的主要原因，振动控制技术通过耗散地震输入能量和延长结构周期避免共振是有效的减震策略之一。

目前国内外已研发出来的比较成熟隔震支座产品主要有：(1)叠层橡胶支座；(2)铅芯橡胶支座；(3)摩擦摆隔震支座。这三类支座的主要缺点在于：叠层橡胶支座能承受较大竖向荷载，水平向具有类似弹簧的柔性刚度特性，但其无法耗散地震能量。铅芯橡胶支座在叠层橡胶支座基础上附加了铅芯阻尼器从而起到耗能的作用，但该支座不足在于铅芯材料不够环保；另外叠层橡胶支座和铅芯橡胶支座均无法提供位移限制作用，因此在位移较大时支座容易破坏。摩擦摆隔震支座依靠摩擦力耗散地震能量，但是摩擦力与支座竖向受力相关，而某些支座在地震作用下竖向受力大小不一致，因此会造成摩擦耗能不稳定甚至无法提供足够的摩擦力。

现有的减震技术主要是依靠能量耗散和地震隔离来减小支座上部结构的地震响应，已经过实践检验在中等及较大地震作用下能收到较好效果；大震作用下虽然可采用减震技术减小地震响应，但当地震作用过大时或近断层地震引起的支座位移过大时，支座可能会由于超过其承载能力或由于重力二阶效应等不利影响而失效，反而成为结构倒塌的诱因；现有限位技术如在橡胶类支座附近增设限位器并不能较好解决隔震支座万向限位问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于建筑及桥梁结构减震及抵抗特大地震作用的环形摩擦转动隔震装置，满足正常使用状态下的使用功能，达到地震作用下所设计的减震功能，解决大震、特大地震及长周期不利地震作用下隔震问题。

本发明采取以下技术方案：

一种环形摩擦转动隔震支座，包括上盖板1、转动刚体2，与转动刚体2侧向曲面接触的环形摩擦墙3，与转动刚体2下部连接的缓冲弹簧4，缓冲弹簧下部连接的悬吊钢块5，与转动刚体2依靠凹凸球面咬合接触的底座6；所述上盖板1下部具有凸出半球体1a，转动刚体2上部设置凹槽，所述凸出半球体1a与凹槽咬合接触；转动刚体2上部四周切削位球面倒角，转动刚体2下部中心设置球面凹槽，所述球面凹槽与底座6凸出的半球体支撑6a连接形成各向转动接触；所述环形摩擦墙3为均布的若干部分组成；转动刚体2整体侧面设置球面并与环形摩擦墙3之间形成摩擦接触，转动刚体2转动时与环形摩擦墙3发生摩擦耗散地震能量；环形摩擦墙3无约束地安装于底座6上；在转动刚体2的底部一圈设置竖直的缓冲弹簧4，缓冲弹簧4另一端连接悬吊钢片5，悬吊钢片5放置于底座6的卡口8中，悬吊钢片5的厚度小于卡口8的高度；当转动刚体2转动到一定位置时，可使缓冲弹簧4向上抬升从而带动悬吊钢片5向上移动，当与卡口8接触时，缓冲弹簧4拉伸限制转动刚体2的运动。

支座本身由钢、混凝土作为主要承载构件，结构材料性能稳定，能保证正常使用状态下的正常工作。支座可以完全形成一个封闭的腔体不受外界影响，尤其受温度影响较小。

支座由于受到水平地震作用，使得上盖板1带动转动刚体运动。依靠自重沿着环形摩擦墙面轨道来回往复运动，此时，可依靠摩擦副的摩擦做功消耗地震输入的能量。支座的水平刚度随着变形增加而减小，从而使结构周期延长，达到隔离地震减小上部结构地震响应的目的。支座摩擦力由环形夹具10附加预紧螺栓提供。由于支座刚度与自重、摩擦力、转动刚体上部四周滚动半径、转动刚体的高度有关，与水平变形为非线性关系，因此隔震周期为随变形改变而不断变化，属于变频隔震支座可以实现长周期地震作用下所设计的减震功能。

转动刚体2的转动变形可以分解为竖向和水平变形，竖向变形可以使重力势能得到合理利用，水平变形可以提供变频率隔震。当变形引起的转动过大可能导致实体失稳或支座失稳时，在转动刚体下部实施缓冲弹簧4以及依靠环形摩擦墙进行转动限位，以消除支座的不稳定性。这样便可以解决震、特大地震作用下支座变形能力不足的失稳倒塌问题。

本技术方案的特点在于：满足正常使用状态下的预定功能，在非震时状态与一般承载构件无异，能支承上部结构，也能传递轴力；在中大地震下具有一定减震功能，主要依靠延长结构周期，避开共振频率，以及依靠摩擦和自重耗散能量，为非固定隔震周期型的隔震支座，依靠自重充当恢复力，具有自复位功能；在特大地震作用下，可以依靠变频隔震和柔性限位防止变形过大及重力二阶效应引起的支座失效及结构失稳倒塌；卡口的高度设置为高于悬吊钢片的厚度，在转动刚体轻微移动时，复位弹簧不起作用，可以降低隔震支座的刚度，只有转动刚体移动达到一定程度时，缓冲弹簧才起到复位作用。

进一步的，所述环形摩擦墙3外形呈圆柱体，安装时通过在周围一圈设置侧面夹具10约束使若干部分形成一个整体，侧面夹具10为环形状，通过螺栓提供预紧力。

进一步的，转动刚体2内部设置成空腔，以削弱实体自重。

进一步的，在底座6四周布置软性橡胶缓冲。

进一步的，所述缓冲弹簧4为具有一定弹性刚度的只受拉不受压的构件。

进一步的，将环形摩擦墙3与转动刚体2的摩擦轨道设置为变曲率的轨道。

本发明的有益效果在于：

1)能设置提供水平和竖向变形吸收地震能量，依靠摩擦进行地震能量耗散。

2)能保证体系的稳定性。鉴于地震发生及地震波震动具有随机性，其频谱特性较为复杂，也难以预计。一旦支座变形过大，或支座剪切失效，则本来作为减震的元件可能会成为结构倒塌的导火索。因此，本设计在考虑支座稳定性上通过采用变频隔震和缓冲弹簧及环形摩擦体系万向限位实现优越的减震能力。

3)复位功能较好。滑移支座虽能极大延长隔震周期，且其周期具有较广的范围，但是残余变形过大可能会对震后修复带来不利的影响，本发明在设计上充分考虑了支座来回往复运动的可行性，恢复力主要是自重，基于单摆复位原理实现。支座复位所需要的能量一般要能克服回到稳定位置的摩擦做功，本发明的重力势能要大于一般支座的重力势能，复位能力要优于其他支座。

4)可隔震的频率较广，变形适应强，设计时可根据地震性能水准确定支座设计尺寸，既可以根据隔震周期来确定，也可以根据减震性能目标确定。

5)本发明的支座不受结构主体影响，设计或工作时也不会带来上部结构的不利影响。

6)支座设计简单可行，按组装示意图按从下至上的顺序叠合而成。所需材料大部分为混凝土，对于主要承重如转动刚体也可以空腔钢结构制作而成，因此所需材料较少，占据空间小，适合安装。成本低，效果显著，特别适合农村、偏远及不发达地区工程结构抗震减震采用。

附图说明

图1是环形摩擦转动隔震支座示意图；

图2是环形摩擦转动隔震支座的三维视图；

图3是图1核心部件的三维视图；

图4是图1的俯视图；

图5是图1的侧视图。

图中1.上盖板，2.转动刚体，3.环形摩擦墙，4.缓冲弹簧，5.悬吊钢块，6.底座，8.卡扣，10.侧面夹具，1a.半球体，6a.半球体支撑。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。

本发明旨在提供一种环形摩擦转动隔震支座，通过转动变形提供环形摩擦，设置变频隔震系统以及缓冲弹簧来提高隔震支座的变形能力、实现特大地震及长周期地震下个向限位的抗震性能目标。具体实施方式如下：

如图1所示，一种可用于建筑及桥梁减震的环形摩擦转动隔震装置，由上盖板1、与上盖板1咬合接触的转动刚体2、与转动刚体2侧向曲面接触的环形摩擦墙3、与转动刚体2下部连接的缓冲弹簧4、缓冲弹簧4下部连接悬吊钢块5、与转动刚体2依靠凹凸球面咬合接触的底座6组成。其特征在于，上盖板1的一面凸出半球体1a，转动刚体2位于上盖板1的下方，转动刚体2上部设置凹槽，使其与上盖板1咬合接触；转动刚体2上部为四周切削为球面倒角，转动刚体2下部设置球面凹槽与底座6凸出半球体支撑7连接形成各向转动接触；环形摩擦墙3为对称的4个部分组成，外形为圆柱体，安装时通过在周围一圈设置侧面夹具10约束使4个部分形成一个整体，侧面夹具10为环形状，通过螺栓提供预紧力，转动刚体2整体侧面设置球面并与环形摩擦墙3之间形成摩擦接触，转动刚体2转动时可与环形摩擦墙3发生摩擦耗散地震能量；环形摩擦墙3无约束地安装于底座6上；在转动刚体2的底部一圈设置矩形凹槽，在凹槽内安装缓冲弹簧4，缓冲弹簧4另一端连接悬吊钢片5，悬吊钢片5放置于底座6的卡口8，卡口8处安装垫片和螺栓进行加强；当转动刚体2转动到一定位置时可使缓冲弹簧4向上抬升从而带动悬吊钢片5向上移动，当与卡口8接触时由于悬吊钢片5尺寸小于卡口8尺寸会自动锁死产生反作用力给缓冲弹簧4，缓冲弹簧4则限制转动刚体2的运动。

支承的转动刚体2内部可以设置实心或者空腔，以削弱实体自重，但要保证转动刚体2与上盖板1接触面具有足够的竖向刚度和承载力，此作为实施例的一种变换。

为保证限位能力，在转动刚体2底部设置缓冲弹簧4、以及依靠转动摩擦球面与环形摩擦墙产生摩擦力限制支座滑块继续运行。如果冲击过大，可在底座四周布置软性橡胶缓冲，此作为实施例的一种变换。

缓冲弹簧4可以采用具有一定弹性刚度的只受拉不受压的构件代替，此作为实施例的一种变换。

转动刚体2转动时使上盖板1产生竖向和水平位移，竖向位移产生时可由自重吸收一定能量。此时水平恢复力可由结构自重、摩擦力、转角变形、转动刚体尺寸综合确定，支座水平切线刚度也与水平变形相关，且为非线性关系，因此转动刚体2转动时该支座为变频率隔震支座，对避免低频共振的地震需求将有一定改善。

转动刚体2外形为圆柱体凸出与下部开孔圆锥体组成，上底面中心开孔，空洞形式为半球体，球体半径可根据上盖板设置的凸出半球体1a确定，凸出半球体1a在工作时主要承受为了限制支座运动的水平挤压力，凸出球体1a的尺寸可由应力分布确定。转动刚体2的设计高度、上底面滚动半径可根据转动变形需求确定。

将环形摩擦墙3与转动刚体2的摩擦轨道由圆形设置为变曲率的轨道同样可以实现限位，此作为实施例的一种变换。

Claims (6)

1.一种环形摩擦转动隔震支座，其特征在于：

包括上盖板(1)、转动刚体(2)，与转动刚体(2)侧向曲面接触的环形摩擦墙(3)，与转动刚体(2)下部连接的缓冲弹簧(4)，缓冲弹簧下部连接的悬吊钢块(5)，与转动刚体(2)依靠凹凸球面咬合接触的底座(6)；

所述上盖板(1)下部具有凸出半球体(1a)，转动刚体(2)上部设置凹槽，所述凸出半球体(1a)与凹槽咬合接触；转动刚体(2)上部四周切削位球面倒角，转动刚体(2)下部中心设置球面凹槽，所述球面凹槽与底座(6)凸出的半球体支撑(6a)连接形成各向转动接触；所述环形摩擦墙(3)为均布的若干部分组成；

转动刚体(2)整体侧面设置球面并与环形摩擦墙(3)之间形成摩擦接触，转动刚体(2)转动时与环形摩擦墙(3)发生摩擦耗散地震能量；环形摩擦墙(3)无约束地安装于底座(6)上；在转动刚体(2)的底部一圈设置竖直的缓冲弹簧(4)，缓冲弹簧(4)另一端连接悬吊钢片(5)，悬吊钢片(5)放置于底座(6)的卡口(8)中，悬吊钢片(5)的厚度小于卡口(8)的高度；

当转动刚体(2)转动到一定位置时，可使缓冲弹簧(4)向上抬升从而带动悬吊钢片(5)向上移动，当与卡口(8)接触时，缓冲弹簧(4)拉伸限制转动刚体(2)的运动。

2.如权利要求1所述的环形摩擦转动隔震支座，其特征在于：所述环形摩擦墙(3)外形呈圆柱体，安装时通过在周围一圈设置侧面夹具(10)约束使若干部分形成一个整体，侧面夹具(10)为环形状，通过螺栓提供预紧力。

3.如权利要求1所述的环形摩擦转动隔震支座，其特征在于：转动刚体(2)内部设置成空腔，以削弱实体自重。

4.如权利要求1所述的环形摩擦转动隔震支座，其特征在于：在底座(6)四周布置软性橡胶缓冲。

5.如权利要求1所述的环形摩擦转动隔震支座，其特征在于：所述缓冲弹簧(4)为具有一定弹性刚度的只受拉不受压的构件。

6.如权利要求1所述的环形摩擦转动隔震支座，其特征在于：将环形摩擦墙(3)与转动刚体(2)的摩擦轨道设置为变曲率的轨道。