CN104929266B - 一种球面-柱面摩擦型支座 - Google Patents

Abstract

一种球面‑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容易产生共振以及变频摩擦摆支座长期“点‑面”接触，导致隔振减震效果差的问题。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。本发明用于大跨度空间结构隔振。

Description

一种球面-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球面-柱面摩擦型支座。

背景技术

球面摩擦摆支座(Friction Pendulum Bearing，FPB)是一种有效的干摩擦滑移隔震设备，是由美国加州大学伯克利分校的Zayas等在1985年首先提出的。球面摩擦摆支座减震机理主要由两大部分组成，一部分是球面摩擦摆支座将结构与地面或下部结构隔离，利用对其滑面的不同设计来延长结构的振动周期，从而有效地减小由地震或其它外部激励引起的结构振动响应；另一部分是通过球面摩擦摆支座滑块与滑面之间的相互摩擦消耗大量的地震能量，实现减少地震能量向上部结构传输的目的。球面摩擦摆支座主要优点有造型简单、造价低廉、施工便利、具有良好的竖向承载能力，此外，球面摩擦摆支座还具有良好的稳定性和自复位功能以及平面滑动隔震和抗扭转能力，是一种减震效果良好的摩擦型支座。

由于球面摩擦摆支座具有良好的隔震和耗能减震的功能，使其在工程结构中受到广泛的关注，并在欧、美、日等一下发达国家得到大量的应用，采用球面摩擦摆支座隔震的建筑物已经达到数百座。美国旧金山国际机场候机大厅、土耳其伊斯坦布尔阿塔图尔克国际机场屋盖和华盛顿州应急指挥中心等都采用了球面摩擦摆支座，其中华盛顿州应急指挥中心已经历的实际地震的考验，证明了球面摩擦摆支座具有良好的隔震效果。

现有的摩擦摆支座构造如图7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的底面以及滑槽3的滑面都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(PTFE)，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。摩擦摆支座在结构中的安装形式通常有两种，一种是安装在基础与上部结构之间，形成一种基础隔震的形式；另一种是安装在上部结构与支承结构之间，形成一种层间隔震的形式。这两种形式都是通过支座滑块2的滑动和与滑面之间的相互摩擦来隔离和消耗地震能量，从而实现对主体结构的振动控制。

传统的球面摩擦摆支座(FPB)制作完成后，其自振周期和频率将保持不变，当上部结构较柔或受到长周期地震动的影响时，球面摩擦摆支座结构可能发生共振现象，使得结构地震响应增加。为解决这个问题，台湾蔡崇兴等提出了变频摩擦摆支座，此种支座滑面曲率半径是变化的，使得滑块与滑面之间长期存在“点-面”接触问题，从而大大降低了支座的寿命。

综上，现有的摩擦摆支座容易产生共振以及变频摩擦摆支座长期“点-面”接触，导致隔振减震效果差。

发明内容

本发明为解决现有的摩擦摆支座容易产生共振以及变频摩擦摆支座长期“点-面”接触，导致隔振减震效果差的问题，进而提供一种球面-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。

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，使得支座在水平各个方向的自振周期不同，与现有的摩擦摆支座的自振周期相比，延长结构的自振周期，从而避免共振现象，确保了结构在长周期地震作用下结构的安全性，本发明的滑块能较好的与滑面接触，从而避免了“点-面”接触问题，大大提高了支座的寿命；

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6是本发明的球面-柱面摩擦型支座在结构中对称安装时右支座示意图，图7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1～6所示，本实施方式的球面-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。

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，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D，滑块允许水平位移为D-r，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D-r之间。球形滑面8和柱形滑面9采用不锈钢材料，表面应经过特殊处理，以增强其抗腐蚀以及耐磨能力。

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；

(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2～6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2～6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2～6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2～6所示，本实施方式所述盖板4为不锈钢盖板。如此设计，对于网壳有更好的隔振效果，而且使得滑块滑动平滑，减少应力集中情况。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：如图2～6所示，本实施方式所述滑块5为不锈钢滑块。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五相同。

具体实施方式七：如图2～6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：

将本发明的摩擦型支座对称的安装到结构中，如图5和图6所示，盖板4与上部结构相连，连接钢板7与基础或下部构相连接，在任何水平地震作用下，摩擦型支座减震机理由两部分组成，一方面，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。此外，由于此种支座的滑面由两部分组成：球形滑面8和柱形滑面9，这使得支座在水平各个方向的周期不同，与现有的摩擦摆支座的自振周期相比，延长结构的自振周期，从而避免共振现象，与变曲率-摩擦摆支座相比，滑块能较好的与滑面接触，从而避免了“点-面”接触问题，大大提高了支座的寿命。

Claims (7)

1.一种球面-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。

2.根据权利要求1所述的一种球面-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3所述的一种球面-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。