CN104929245A - 一种负刚度隔震支座 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种负刚度隔震支座，包括第一支承座、第二支承座及设置于第一支承座和第二支承座之间的关节滑块，第一支承座上设置有曲面A，关节滑块靠近第一支承座的一端设置有曲面B；关节滑块靠近第二支承座的一端设置有曲面C，第二支承座上设置有曲面D；曲面D的开口朝向第一支座，曲面D、曲面C、曲面B和曲面A的开口朝向一致，通过曲面C和曲面D的配合，以使关节滑块在第一支承座上滑动的同时也能相对第二支承座转动，关节滑块在第一支承座滑动时能使负刚度隔震支座产生水平负刚度，相对第二支承座转动保证第二支承座顶面转角满足上部结构需求。本发明能与普通正刚度隔震支座并联组合，能实现更好隔震效果的目的。
Description
技术领域
本发明属于隔震技术领域，更具体地，涉及一种负刚度隔震支座。
背景技术
隔震技术是减轻结构地震危害的最有效措施之一，其基本思想是在基础和上部结构之间设置具有足够可靠性的柔性隔震层，以延长结构自振周期和增加阻尼来减少地震能量向上部结构传递的目的。该项技术目前已得到了广泛应用，其有效性已经历了多次地震的验证。
现在广泛使用的隔震支座有普通橡胶隔震支座(RB)和铅芯橡胶隔震支座(LRB)组成的混合柔性隔震支座，混合柔性隔震支座在自振周期1s左右的中短周期结构隔震中具有很好的隔震效果。但是，要实现更长自振周期结构的有效隔震仍然存在一些问题，主要问题之一是没有很低水平刚度的隔震层。
目前广泛使用的橡胶隔震支座，但根据现有技术条件，要生产出很低水平刚度的合格橡胶隔震支座具有较大困难，原因在于橡胶的剪切模量不能太低(国内最低在0.35MPa左右)，而且橡胶层的厚度也不能太大；理论和大量实验表明，橡胶硬度太低或橡胶总厚度太大的隔震支座稳定不好，承载力较低，并且容易出现S型或C型异常变形。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种负刚度隔震支座，其承载力、负刚度和阻尼根据需要很容易调整，而且能产生较大的水平负刚度。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种负刚度隔震支座，其特征在于：包括第一支承座、第二支承座及设置于第一支承座和第二支承座之间的关节滑块，其中，
所述第一支承座在靠近关节滑块的一端设置有曲面A，所述曲面A为第一支承座上凸起的曲面；所述关节滑块在靠近第一支承座的一端设置有与曲面A形状一致的曲面B，所述曲面B为关节滑块上凹陷的曲面；通过曲面A和曲面B的配合，能使关节滑块在第一支承座上滑动；
所述关节滑块在靠近第二支承座的一端设置有曲面C，所述曲面C为关节滑块上凸起的曲面；所述第二支承座在靠近第一支承座的一端设置有与曲面C形状一致的曲面D，所述曲面D为第二支承座上凹陷的曲面；通过曲面C和曲面D的配合，能使关节滑块在第一支承座上滑动的同时也能相对第二支承座转动；
所述曲面D的开口朝向第一支承座，所述曲面D、曲面C、曲面B和曲面A的开口朝向一致；
所述关节滑块在所述第一支承座上滑动时能使负刚度隔震支座产生水平负刚度。
优选地，所述第一支承座包括第一基座和第一镜面不锈钢板，第一镜面不锈钢板设置在第一基座靠近关节滑块的一端，所述曲面A为所述第一镜面不锈钢板的镜面；所述关节滑块包括滑块主体及第一滑动板，所述第一滑动板为PTFE板、MHP板或SF-板，所述第一滑动板设置在滑块主体靠近第一支承座的一端，所述曲面B设置在所述第一滑动板上。
优选地，所述滑块主体在靠近第二支承座的一端设置有第二镜面不锈钢板，所述曲面C为所述第二镜面的镜面；所述第二支承座包括第二基座和设置在第二基座下部的第二滑板，所述第二滑板为PTFE板、MHP板或SF-板，所述曲面D设置在所述第二滑板上；
优选地，所述第一支承座上设置有用于限制关节滑块滑动行程的限位环形台。
优选地，所述曲面A和曲面B为曲率一致的曲面，以使关节滑块能在第一支承座上全接触面承压滑动。
优选地，所述曲面C和曲面D为曲率一致的曲面，以使关节滑块能相对第二支承座全接触面承压转动。
优选地，所述第一支承座和第二支承座上均设置有通孔或设置有锚栓，以便于其固定到外部物体上。
优选地，通过调整曲面A与曲面B的接触面积、曲面C与曲面D的接触面积，以及曲面A、曲面B的曲率大小，能够调整隔震支座的承载力、负刚度和阻尼大小。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)本发明不仅能提供很高的承载力，而且具有较高的阻尼性能，可以吸收部分地震能量而降低结构振动，这样，大部分地震能量被负刚度混合隔震系统消耗吸收，小部分地震能量传到上部结构，从而使结构产生较小振动，达到隔震的目的；
2)本发明可以通过调整关节滑块与上支座、下支座的接触面、关节滑块上的凹曲面的曲率半径以及选择滑动面上的材料，能有效地调整隔震支座的承载力、负刚度和阻尼，因此能适应不同的使用场合；
3)本发明能产生较大的水平负刚度，部分抵消具有弹性恢复力隔震装置的正刚度，使混合隔震层刚度降低，从而使隔震结构周期更长，结构振动周期远离地震共振峰降低结构振动，能满足长周期结构隔震需求；
4)本发明构造简单，加工制造容易，性能稳定且性价比较高。
附图说明
图1是本发明使用状态一的俯视图；
图2是本发明使用状态一的主视图；
图3是图1中沿A-A线的剖视图；
图4是本发明使用状态二的主视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1～图3，为本发明的使用状态一；一种负刚度隔震支座，包括第一支承座1、第二支承座3及设置于第一支承座1和第二支承座3之间的关节滑块2，其中，
所述第一支承座1靠近关节滑块2的一端设置有曲面A101，所述关节滑块2靠近第一支承座1的一端设置有与曲面A101形状一致的曲面B201，通过曲面A101和曲面B201的配合，以使关节滑块2能在第一支承座1上全接触面承压滑动；即如果曲面A101为球面，则曲面B201也要是球面，并且二者在相应位置处的曲率和曲率半径也要一致，以使关节滑块2能够在第一支承座1上全接触面承压滑动。
所述第二支承座3靠近关节滑块2的一端设置有曲面C202，所述关节滑块2靠近第一支承座1的一端设置有与曲面C202形状一致的曲面D301；所述曲面D301、曲面C202、曲面B201和曲面A101的开口朝向一致，通过曲面C202和曲面D301的配合，以使关节滑块2在第一支承座1上滑动的同时也能相对第二支承座3转动，即四个曲面要有效地配合，才能使关节滑块2顺利地进行滑动和转动；这里，如果曲面C202可以是球面，则曲面D301也要是球面，并且二者在相应点处的曲率和曲率半径也要一致，以使关节滑块2能够相对第二支承座3接触面全部承压地转动。
所述关节滑块2在所述第一支承座1滑动时能使本负刚度隔震支座产生水平负刚度，关节滑块2相对所述第二支承座3转动时保证负刚度隔震支座的第二支承座的顶面转角满足上部结构需求(如桥梁弯曲变形在支座处产生的转角)。
本使用状态下，第一支承座1位于第二支承座3的下方，所述曲面A101的开口朝下，则曲面B201、曲面C202和曲面D301的开口也都朝下。所述第一支承座1包括第一基座11和设置在第一基座11上部的第一镜面不锈钢板12，所述曲面A101为所述第一镜面不锈钢板12上的镜面；所述关节滑块2包括滑块主体21、设置在滑块主体21下部的第一滑板22和设置在滑块主体21上部的第二镜面不锈钢板23，所述第一滑板22为PTFE板、MHP板或SF-1板，所述曲面B201设置在所述第一滑板22上，所述曲面C202设置在所述第二镜面不锈钢板23上。所述第二支承座3包括第二基座31和设置在第二基座31上部的第二滑板32，所述第二滑板32也为低摩擦系数的PTFE板、MHP板或SF-1板，所述曲面D301设置在所述第二滑板32上；选用镜面不锈钢板和低摩擦系数的PTFE板、MHP板或SF-1板，可以有效降低摩擦力，以便于关节滑块2滑动或转动。
曲面A101和凸面C均为向外凸起的凸面，曲面B201和曲面D301均为向内凹陷的凹面。对应位置处的凸面与凹面配合，从而使关节滑块2滑动或转动时全接触面受压承载。
进一步，所述第一支承座1上设置有用于限制关节滑块2滑动行程的限位环形台13，以防止关节滑块2行程过大而脱离第一支承座1。
进一步，所述曲面A101和曲面B201均为球面，并且二者直径相等，所述曲面C202和曲面D301均为球面，并且二者直径相等。
曲面A～D可以优选为二次曲面，譬如球面；除了球面外，还可以为抛物面等其它形式曲面，只要能保证关节滑块2在第一支承座1上全接触面承压滑动及相对第二支承座3全接触面承压转动。
进一步，所述第一支承座1和第二支承座3上均设置有通孔或设置有锚栓，以便于其固定到外部物体上。实际工作时，第一支承座1通过螺栓固定连接在其下方的地基上，第二支承座3通过螺栓固定连接在其上方的建筑支柱或桥梁上，地震时关节滑块2在第一支承座1上滑动，相对第二支承座3转动。
本发明的负刚度隔震支座基于倒摆原理提出，其工作原理如下：
第一支承座1和第二支承座3分别连接基础和建筑支柱，或桥墩和桥梁后，第二支承座3上所承载的物体的重力会作用在曲面A101上，此重力载荷会产生沿曲面A101切向的分力，此切向分力提供关节滑块2下滑的作用力，而关节滑块2与曲面A101之间的摩擦力又阻止滑块下滑，当下滑力大于摩擦力时，二者差值帮助关节滑块2背离平衡位置，通过曲面B201与曲面A101配合，关节滑块2将在第一支承座1上滑动，从而使本隔震支座产生负刚度。同时，曲面C202和曲面D301的配合保证滑动关节滑块2在第一支承座1上滑动时，也能满足第二支承座3顶面转角满足上部结构的需求。
本负刚度隔震支座在实际使用时，可以与现有普通橡胶隔震支座并联使用形成负刚度混合隔震系统，即在建筑部分支柱下方安装本负刚度隔震支座，在余下的建筑支柱上安装普通橡胶隔震支座。负刚度隔震支座的负刚度部分抵消普通橡胶支座的正刚度，使负刚度混合隔震层具有更低的水平刚度和较高阻尼比，可有效解决长周期结构的有效隔震问题。
地震时，关节滑块2在第一支承座1滑动和相对第二支承座3转动，负刚度隔震支座将产生较大的水平负刚度，部分抵消具有弹性恢复力的普通橡胶隔震支座的正刚度，使负刚度混合隔震系统刚度降低，从而使隔震结构周期更长，结构振动周期远离地震共振峰降低结构振动。另外，关节滑块2与第一支承座1之间的相对摩擦滑动，将产生需要的阻尼力，可以吸收部分地震能量从而降低结构振动。这样，大部分地震能量被负刚度混合隔震系统消耗吸收，小部分地震能量传到隔震支座上方的上部结构，从而使上部结构产生较小振动，从而达到隔震的目的。
参照图4，为本发明的使用状态二，其是使用状态一倒转180°后的使用状态，此时第一支承座1在第二支承座3的上方，依靠作用曲面D301上的重力载荷提供的沿曲面D301的切向的分力，也能使关节滑块2在第二支座的曲面D301上滑动，从而能产生负刚度，其工作原理与使用状态一相似。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种负刚度隔震支座，其特征在于：包括第一支承座(1)、第二支承座(3)及设置于第一支承座(1)和第二支承座(3)之间的关节滑块(2)，其中，
所述第一支承座(1)在靠近关节滑块(2)的一端设置有曲面A(101)，所述曲面A(101)为第一支承座(1)上凸起的曲面；所述关节滑块(2)在靠近第一支承座(1)的一端设置有与曲面A(101)形状一致的曲面B(201)，所述曲面B(201)为关节滑块(2)上凹陷的曲面；通过曲面A(101)和曲面B(201)的配合，能使关节滑块(2)在第一支承座(1)上滑动；
所述关节滑块(2)在靠近第二支承座(3)的一端设置有曲面C(202)，所述曲面C(202)为关节滑块(2)上凸起的曲面；所述第二支承座(3)在靠近第一支承座(1)的一端设置有与曲面C(202)形状一致的曲面D(301)，所述曲面D(301)为第二支承座(3)上凹陷的曲面；通过曲面C(202)和曲面D(301)的配合，能使关节滑块(2)在第一支承座(1)上滑动的同时也能相对第二支承座(3)转动；
所述曲面D(301)的开口朝向第一支承座(1)，所述曲面D(301)、曲面C(202)、曲面B(201)和曲面A(101)的开口朝向一致；
所述关节滑块(2)在所述第一支承座(1)上滑动时能使负刚度隔震支座产生水平负刚度。
2.根据权利要求1所述的一种负刚度隔震支座，其特征在于：所述第一支承座(1)包括第一基座(11)和第一镜面不锈钢板(12)，第一镜面不锈钢板(12)设置在第一基座(11)靠近关节滑块(2)的一端，所述曲面A(101)为所述第一镜面不锈钢板(12)的镜面；所述关节滑块 (2)包括滑块主体(21)及第一滑动板(22)，所述第一滑动板(22)为PTFE板、MHP板或SF-1板，所述第一滑动板(22)设置在滑块主体(21)靠近第一支承座(1)的一端，所述曲面B(201)设置在所述第一滑动板(22)上。
3.根据权利要求2所述的一种负刚度隔震支座，其特征在于：所述滑块主体(21)在靠近第二支承座(3)的一端设置有第二镜面不锈钢板(23)，所述曲面C(202)为所述第二镜面(23)的镜面；所述第二支承座(3)包括第二基座(31)和设置在第二基座(31)下部的第二滑板(32)，所述第二滑板(32)为PTFE板、MHP板或SF-1板，所述曲面D(301)设置在所述第二滑板(32)上。
4.根据权利要求1所述的一种负刚度隔震支座，其特征在于：所述第一支承座(1)上设置有用于限制关节滑块(2)滑动行程的限位环形台(13)。
5.根据权利要求1所述的一种负刚度隔震支座，其特征在于：所述曲面A(101)和曲面B(201)为曲率一致的曲面，以使关节滑块(2)能在第一支承座(1)上全接触面承压滑动。
6.根据权利要求1所述的一种负刚度隔震支座，其特征在于：所述曲面C(202)和曲面D(301)为曲率一致的曲面，以使关节滑块(2)能相对第二支承座(3)全接触面承压转动。
7.根据权利要求1所述的一种负刚度隔震支座，其特征在于：所述第一支承座(1)和第二支承座(3)上均设置有通孔或设置有锚栓，以便于其固定到外部物体上。
8.根据权利要求1所述的一种负刚度隔震支座，其特征在于：通过调整曲面A(101)与曲面B(201)的接触面积、曲面C(202)与曲面D(301)的接触面积，以及曲面A(101)、曲面B(201)的曲率大小，能够 调整隔震支座的承载力、负刚度和阻尼大小。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150923 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |