CN104912201A - 一种变摩擦式球面-柱面摩擦型支座 - Google Patents

Abstract

一种变摩擦式球面-柱面摩擦型支座，它涉及一种摩擦型支座。本发明为解决现有的摩擦摆支座的刚度和阻尼恒定，导致结构产生共振、增大结构地震响应的问题。滑槽安装在连接钢板的上端面上，滑块位于滑槽内，滑块的上半部呈半球形，盖板的下端中心处加工有与滑块配合的半球形凹槽，盖板通过滑块支撑在滑槽的上端面上，滑槽的左半部的轮廓呈矩形，滑槽右半部的轮廓呈半圆形，滑槽的左半部加工有圆柱形凹槽，滑槽的右半部加工有球形凹槽，圆柱形凹槽的弧面半径与球形凹槽的弧面半径相同设置，圆柱形凹槽与球形凹槽平滑过渡连接形成完整的滑面；滑槽的上端面上由中心向外依次划分至少两个同心圆，由内至外的同心圆处的摩擦系数依次增加。本发明用于大跨度空间结构隔振。

Description

一种变摩擦式球面-柱面摩擦型支座

技术领域

本发明涉及一种摩擦型支座，具体涉及一种用于建筑结构隔振减震的变摩擦式球面-柱面摩擦型支座。

背景技术

目前桥梁、空间网格等大跨度结构上使用的减震和隔震支座主要包括铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座和滑动型摩擦支座等，这些支座具有高阻尼、低刚度、大变形、耐腐蚀等优点。1985年美国加州大学的学者Zayas等提出了一种高效的且完全被动的干摩擦滑移隔震设备，球面摩擦摆支座(Friction Pendulum Bearing，FPB)。此种支座具有平面滑移隔震支座的许多特性，如对地震激励的低敏感性和高稳定性，而且摩擦摆支座能利用其特有的球形滑面使其具有自复位功能，无需设置附加的向心设备。此外，FPB还具有造型简单、造价低廉、施工便利、具有良好的竖向承载能力等特点，是一种减震效果良好的摩擦型支座。

由于摩擦摆支座具有出色的隔震性能，已在国内外大量工程实践中得到关注，并编入了2010年《中国抗震设计规范》。目前美国、日本和欧洲等发达国家已建成数百座应用摩擦摆支座的建筑结构，如美国旧金山国际机场候机大厅、西雅图海鹰美式足球场和土耳其伊斯坦布尔阿塔图尔克国际机场屋盖等，其中西雅图海鹰美式足球场已经历的实际地震的考验，证明了FPB具有良好的隔震效果。此外，在中国，北京当代万国城也应用了此种隔震支座。

现有的摩擦摆支座构造如图9所示，主要由三部分组成：盖板1、连接盖板与滑槽的滑块2、以及下部滑槽3。其中盖板1上滑动面为不锈钢材料制作的下凹球形状表面，滑块2的底面粘有低摩擦系数复合摩擦材料，摩擦材料多采用聚四氟乙烯，滑块2的上部是一个关节，可以保证在滑块与滑面之间相互滑动时上部盖板保持水平。当摩擦摆支座安装在结构中时，可以通过两种方式减小上部结构在地震作用下的响应，一种是通过滑块2在滑槽3中滑动隔离部分能量；第二种是通过滑块2与滑槽3上的滑面之间相互摩擦耗散部分能量，从而减小地震能量向上部结构传输，进而减小摩擦摆支座上部结构的地震响应。

传统的球面摩擦摆支座制作完成后，由于曲率半径进而摩擦系数保持恒定，使其刚度、阻尼、和自振周期保持不变，大大限制了摩擦摆支座在结构中的应用，有时可能使结构产生共振，进而使结构地震响应增加。

综上，现有的摩擦摆支座的刚度和阻尼恒定，导致结构产生共振、增大结构地震响应。

发明内容

本发明为解决现有的摩擦摆支座的刚度和阻尼恒定，导致结构产生共振、增大结构地震响应的问题，进而提供一种变摩擦式球面-柱面摩擦型支座。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明的变摩擦式球面-柱面摩擦型支座包括盖板、滑块、滑槽和连接钢板，滑槽安装在连接钢板的上端面上，滑块位于滑槽内，滑块的上半部呈半球形，盖板的下端中心处加工有与滑块配合的半球形凹槽，盖板通过滑块支撑在滑槽的上端面上，滑槽的左半部的轮廓呈矩形，滑槽右半部的轮廓呈半圆形，滑槽的左半部加工有圆柱形凹槽，滑槽的右半部加工有球形凹槽，圆柱形凹槽的弧面半径与球形凹槽的弧面半径相同设置，圆柱形凹槽与球形凹槽平滑过渡连接形成完整的滑面；滑槽的上端面上由中心向外依次划分至少两个同心圆，由内至外的同心圆处的摩擦系数依次增加。

本发明与现有的摩擦摆支座相比具有以下有益效果：

本发明的变摩擦式球面-柱面摩擦型支座的滑面由两部分组成：球形滑面和柱形滑面，滑面6由内至外分成至少两个同心圆区域，滑块在球形滑面、柱形滑面9及同心圆区域间滑动时，支座的刚度和阻尼随之变化，使支座具有良好的自适应特性，扩大了支座的适用范围，确保了结构在不同地震作用下结构的安全性；

本发明还具有支座结构构造简单，便于制作与安装，实用性强的优点；

本发明能有效地隔离和耗散地震能量，从而更好地保护上部结构免受损坏；

本发明能进一步延长结构的自振周期，使结构避免共振现象的产生，从而达到减小结构振动响应的目的；

本发明支座的滑块与滑面之间能较好的接触，进而延长了支座的使用寿命；

本发明支座构造简单，且便于制作与安装，实用性强，能在各种大跨度结构，例如网壳、桥梁结构等中推广应用；

本发明所需各配件在工厂预制，施工现场仅用螺栓连接，不需焊接，降低了施工难度，便于施工质量控制。

附图说明

图1是本发明的变摩擦式球面-柱面摩擦型支座的俯视图，图2是图1的A-A的剖视图，图3是图1的B-B的剖视图，图4是图1的C-C的剖视图，图5是本发明的具体实施方式一中滑面划分两个同心圆区域的俯视图，图6是本发明的具体实施方式一中滑面划分多个同心圆区域的俯视图，图7是变摩擦式球面-柱面摩擦型支座在结构中对称安装时左支座示意图，图8是本发明的变摩擦式球面-柱面摩擦型支座在结构中对称安装时右支座示意图，图9为现有的摩擦摆支座结构主视图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～8所示，本实施方式的变摩擦式球面-柱面摩擦型支座包括盖板4、滑块5、滑槽6和连接钢板7，滑槽6安装在连接钢板7的上端面上，滑块5位于滑槽6内，滑块5的上半部呈半球形，盖板4的下端中心处加工有与滑块5配合的半球形凹槽，盖板4通过滑块5支撑在滑槽6的上端面上，滑槽6的左半部的轮廓呈矩形，滑槽右半部的轮廓呈半圆形，滑槽6的左半部加工有圆柱形凹槽9，滑槽6的右半部加工有球形凹槽8，圆柱形凹槽9的弧面半径与球形凹槽8的弧面半径相同设置，圆柱形凹槽9与球形凹槽8平滑过渡连接形成完整的滑面；滑槽6的上端面上由中心向外依次划分至少两个同心圆，由内至外的同心圆处的摩擦系数依次增加。

上部结构用螺丝与盖板4直接相连接，滑块5上半部的半球凸起与盖板4的球形凹槽相配合，滑块5在盖板4的带动下能够在滑槽6的滑面上任意滑动，本发明的球-柱面摩擦型支座对称安装在结构的对称的支撑点处，既能保证支座提供静载下的水平支撑力，又能在地震荷载作用下拥有良好的减震效果。

盖板4上加工有螺栓孔，可以与上部结构直接相连，盖板4为不锈钢盖板，盖板4上的半球形凹槽表面光滑，保证滑块5上半部的半球凸起能在上面顺利转动；

滑块5的大小设计主要依据上部结构的重量，保证滑块5在压力作用下具有足够的强度，并能很好的在滑面上滑动。滑块上下两个表面都涂有低摩擦系数材料，聚四氟乙烯，从而使其能够有效的转动和滑动；

滑槽6的滑面由两部分组成：球形滑面8和柱形滑面9，球形滑面8与柱形滑面9连接在一起形成整个滑面。将滑面6由内至外分成N个同心圆区域，根据需求确定N值，在不同区域通过铺设不同低摩擦系数材料或对同种材料进行不同层度的抛光，使得滑块与不同滑面区域接触时摩擦系数不同，且使得摩擦系数从滑面中心向外逐渐增加；

以N等于2为例，滑槽6的位置与构造如图2和图3所示，整个滑面被分为两个区域：第一区域11和第二区域12，在第一区域11上铺设低摩擦系数复合材料板10，使得滑块5与第一区域11接触时的摩擦系数小于与第二区域12接触时的摩擦系数。如在第一区域11上铺设低摩擦系数复合材料板10(如聚四氟乙烯等)，第二区域12选用不锈钢表面8，且表面做增强其抗腐蚀以及耐磨能力处理。

滑槽6的位置与构造如图2和图3所示，滑槽6的滑面两种曲面形式组成：球形滑面8和柱形滑面9，并且对应的弧面半径都是R，滑块底面半径为r，球形滑面水平最大位移为d，则滑块在球形滑面8上的允许位移为d-r，A-A截面内，柱形滑面9的最大水平位移也为D，允许水平位移同样为d-r，C-C截面内，柱形滑面9的最大水平位移为滑块允许水平位移为当滑块在A-A和B-B截面中间的任意截面内滑动时，柱形滑面9的水平允许位移在d-r和之间；

连接钢板7与基础或下部结构直接相连，连接钢板7与滑槽6之间有效的焊接，从而保证滑槽的稳定。

本实施方案中，首先将支座的各部件加工完毕，然后进行组装，主要步骤如下：

(1)采用现有的加工技术，先加工好下部滑槽6，滑槽的球形滑面8和柱形滑面9对应的弧面半径同为R，弧面采用不锈钢材料，保证滑面光滑且耐腐蚀，与设计好的连接钢板焊接；将滑面6由内至外分成N个同心圆区域，根据需求确定N值，在不同区域通过铺设不同低摩擦系数材料或对同种材料进行不同层度的抛光，使得滑块与不同滑面区域接触时摩擦系数不同，且使得摩擦系数从滑面中心向外逐渐增加。

(2)根据需求设计合理尺寸的滑块5，滑块5的上下滑面涂上低摩擦系数材料，聚四氟乙烯；

(3)按需求设计合理尺寸的盖板4，并根据滑块上部凸起球面尺寸设计盖板4上凹滑面的尺寸，设计完成后将其方在滑块5之上。

具体实施方式二：如图2～8所示，本实施方式滑块5底面的曲率半径与滑槽6的曲率半径一致设置。如此设计，可以使滑块5与滑槽6之间有效接触，增大摩擦摆支座的有效摩擦，提高滑动耗能能力，并且减小滑槽6的应力集中，减少碰撞，降低磨损，延长支座使用寿命。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图2～8所示，本实施方式滑块5上半部半球的球面半径与盖板4上半球形凹槽的半径一致设置。如此设计，可以使滑块5与盖板4上半球形凹槽之间有效接触，增大摩擦摆支座的有效摩擦，提高滑动耗能能力，并且减小盖板4上半球形凹槽的应力集中，减小碰撞,降低磨损，延长支座使用寿命。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：如图2～8所示，本实施方式圆柱形凹槽9的弧面半径与球形凹槽8的弧面半径的范围是1.0m～2.5m。如此设计，对于网壳有更好的隔振效果，而且使得滑块5滑动平滑，减少应力集中情况。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：如图2～8所示，本实施方式所述盖板4为不锈钢盖板。如此设计，首先应用盖板4是在摩擦摆滑动时，结构始终处于平动状态，不改变结构与支座连接处的高程，造成结构旋转，其次应用不锈钢材料一是为了减小盖板4变形，二是为了降低盖板4腐蚀，延长支座使用寿命。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：如图2～8所示，本实施方式所述滑块5为不锈钢滑块。如此设计，摩擦摆滑块5自身刚度大，滑块5受力变形小，并降低滑块5材料腐蚀，延长支座寿命。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：如图2～8所示，本实施方式所述滑槽6为不锈钢滑槽。如此设计，减小滑槽6变形，提高隔振效率，并降低滑槽6材料腐蚀，延长支座使用寿命。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、四或六相同。

工作原理：

以N等于2的变摩擦-球柱面摩擦型支座为例说明其工作过程为：

将支座对称的安装到桥梁、大跨度网格等结构中，球形滑面8能提供给上部结构较大水平支撑力，柱形滑面9的轴线指向结构所受较大支撑力的方向。变摩擦-球柱面摩擦型支座的刚性盖板4与上部结构相连，刚性底座7与基础或下部结构相连。在任何水平地震作用下，变摩擦支座减震机理由两部分组成，一方面，刚性盖板4与滑槽6之间发生水平相对运动，盖板4带动滑块5在滑槽6内滑动，从而减小结构的水平刚度以及延长整个结构的周期，隔离了部分地震能量；另一方面，滑块5与滑槽6之间的相互摩擦耗散部分能量，从而减小地震能量向上部结构传输。在第一区域11上铺设低摩擦系数复合材料板10，第二区域12对应的是不锈钢滑面，确保摩擦系数从内到外逐渐增加；当滑块5在滑面第一区域11和第二区域12之间滑动时，由于对应摩擦系数的不同，使得支座的刚度和阻尼随之变化，即支座具有良好的自适应特性，进一步扩大了支座的适用范围，确保了结构在不同地震作用下结构的安全性。此外，滑块在球形滑面8和柱形滑面9上运动时，由于曲面形式的改变，使得支座在水平各个方向上对应的周期发生变化，同样也扩大了支座的适应范围。因此，此种支座能更有效地隔离和耗散地震能量。

N可以取不同值，变摩擦-球柱面摩擦型支座的工作过程与N等于2对应的支座相同，只是滑面的划分区域不同，如N等于3时，图2中A-A截面的示意图，如图6所示，滑块5与三个区域接触时对应的摩擦系数分别为μ₁、μ₂和μ₃，且μ₁<μ₂<μ₃。

Claims (7)

1.一种变摩擦式球面-柱面摩擦型支座，所述摩擦型支座包括盖板(4)、滑块(5)、滑槽(6)和连接钢板(7)，滑槽(6)安装在连接钢板(7)的上端面上，滑块(5)位于滑槽(6)内，滑块(5)的上半部呈半球形，盖板(4)的下端中心处加工有与滑块(5)配合的半球形凹槽，盖板(4)通过滑块(5)支撑在滑槽(6)的上端面上，其特征在于：滑槽(6)的左半部的轮廓呈矩形，滑槽右半部的轮廓呈半圆形，滑槽(6)的左半部加工有圆柱形凹槽(9)，滑槽(6)的右半部加工有球形凹槽(8)，圆柱形凹槽(9)的弧面半径与球形凹槽(8)的弧面半径相同设置，圆柱形凹槽(9)与球形凹槽(8)平滑过渡连接形成完整的滑面；滑槽(6)的上端面上由中心向外依次划分至少两个同心圆，由内至外的同心圆处的摩擦系数依次增加。

2.根据权利要求1所述的一种变摩擦式球面-柱面摩擦型支座，其特征在于：滑块(5)底面的曲率半径与滑槽(6)的曲率半径一致设置。

3.根据权利要求1或2所述的一种变摩擦式球面-柱面摩擦型支座，其特征在于：滑块(5)上半部半球的球面半径与盖板(4)上半球形凹槽的半径一致设置。

4.根据权利要求4所述的一种变摩擦式球面-柱面摩擦型支座，其特征在于：圆柱形凹槽(9)的弧面半径与球形凹槽(8)的弧面半径的范围是1.0m～2.5m。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种变摩擦式球面-柱面摩擦型支座，其特征在于：所述盖板(4)为不锈钢盖板。

6.根据权利要求5所述的一种变摩擦式球面-柱面摩擦型支座，其特征在于：所述滑块(5)为不锈钢滑块。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的一种变摩擦式球面-柱面摩擦型支座，其特征在于：所述滑槽(6)为不锈钢滑槽。