CN105804263B - 一种滑移隔震支座 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滑移隔震支座，包括上、下两层支座，所述上层支座由下层支座支承，两者之间设有层间垫面；所述上、下两层支座均填充铅芯橡胶，并错位内置环形永磁体，上层永磁体、下层永磁体均靠近层间垫面设置以提供足够的磁感应强度；隔震支座采用铝板作层间垫面、环形钢槽外封，层间垫面敷设聚四氟乙烯板。与传统隔震支座相比较，本发明内置磁体式隔震支座具有磨损小、灵敏度高、滤波性能好、耗能强、冲击作用小、自复位能力强、节省空间、抗拉性能良好等技术优点，对解决高烈度地区隔震支座变形过大、冲击作用显著、抗拉能力弱等技术难题具有重要意义。

Description

一种滑移隔震支座

技术领域

本发明属于工程技术领域，涉及一种内置磁体式滑移隔震支座。

背景技术

隔震技术是一类研究和应用成熟的结构减震控制技术，其基本原理是在上部结构与下部支承或基础之间设置某种隔震消能装置，通过迁移结构系统的卓越周期使其远离地震动的卓越周期，达到减小上部结构振动的目的。由于构造成本低、可靠性高、原理简单、易于实施、隔震效果好，适用于结构减震、特别是高烈度地区重要建筑和桥梁减震，是工程结构减震控制实践应用最广泛的技术之一。目前我国有3000多栋房屋、100多座桥梁应用了隔震技术。

经过近40年的发展，形成了以叠层橡胶隔震、滑移摩擦隔震、摩擦摆隔震、滚珠及滚轴隔震、组合隔震和混合隔震等为代表的隔震体系。尽管隔震技术易于实施、隔震效果好，但目前仍存在一些不足，主要表现在：(1)叠层橡胶隔震体系会放大地震波中长周期成分，在配置限位装置条件下承受地震作用“硬”冲击，而且其自身材料的长期稳定性能也存在问题；(2)滑移摩擦隔震体系由于没有自复位能力，在大震时可能产生过大的位移，并且长期静止难以保证支座的摩擦系数；(3)摩擦摆隔震体系易引起结构附加振动，且并不能完全自动复位；(4)滚珠及滚轴隔震体系是一种较为理想的隔震系统，但结构在振动过程中会产生较大的侧移；(5)组合隔震体系虽然隔震效果较单种隔震支座好，但这种隔震支座体系设计较为复杂、经济性较差；(6)混合隔震体系涉及反馈控制算法，逻辑复杂，鲜有在工程中实施。此外，支座抗拉也是传统隔震技术面临的难题。

综上可见，传统隔震支座存在自复位能力弱、大震时冲击作用显著、抗拉性能差等问题，亟需发展新一代的隔震体系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内置磁体式滑移隔震支座，发展实用、高效的新型隔震体系，为解决高烈度地区传统隔震体系面临的瓶颈问题提供理论基础与技术支持。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

新型滑移隔震支座为圆盘形，分上、下两层，上层支座与上部结构底板端联接，下层支座与基础顶板联接。隔震支座上、下两层均填充铅芯橡胶，并错位内置环形永磁体(矩形截面)，隔震支座采用铝板作层间垫面、环形钢槽外封，层间垫面敷设聚四氟乙烯板。

具体而言，一种滑移隔震支座，包括上、下两层支座，所述上层支座由下层支座支承，两者之间设有层间垫面；

所述上层支座、下层支座为内部填充铅芯橡胶的结构；所述上层支座中，上层橡胶环绕中心的上层铅芯设置；下层支座中，下层橡胶环绕中心的下层铅芯设置；上层橡胶中嵌设有上层永磁体环绕中心的上层铅芯，下层橡胶中嵌设有下层永磁体环绕中心的下层铅芯；

所述上层永磁体、下层永磁体均靠近层间垫面设置以提供足够的磁感应强度；

所述上层支座和下层支座分别外封有环形钢槽以协助承受上部结构荷载并当支座在未滑移时阻隔磁感应线；

各组件同轴设置；所述上层支座中各组件的直径均小于下层支座中相应各组件的相应直径。

进一步，所述层间垫面包括固定在上层支座上与其一体联动的上层层间垫面、固定在下层支座上与其一体联动的下层层间垫面。

所述层间垫面的材料采用弱磁导率、高电导率材料。

所述弱磁导率、高电导率材料为相对磁导率小于1、相对电导率大于50的材料；优选地，采用铝板。

所述上层层间垫面与下层层间垫面的外表面分别敷设具有低摩擦系数的材料和组分。

所述低摩擦系数的材料和组分为摩擦系数小于0.05的材料和组分；优选地，采用聚四氟乙烯板、聚四氟乙烯颗粒、滑石粉、或润滑机油。

所述上层铅芯、下层铅芯为圆柱体形状。

所述上层橡胶、下层橡胶为具有与上层铅芯、下层铅芯相应高度的圆环形状。

所述上层永磁体、下层永磁体为圆环形。

所述上层永磁体、下层永磁体的横截面均为矩形或均为圆形。

由于采用了上述方案，本发明具有以下有益效果：

1)磨损小：上、下层支座间敷设低摩擦系数的聚四氟乙烯板，地震作用下滑移产生的磨损较小；

2)灵敏度高：由于上、下层环形磁体错位布设，且在未滑移时磁感应线受环形钢槽阻隔，磁体间相互作用小，启动滑移仅需克服微小摩擦(聚四氟乙烯摩擦因数远小于冰，是目前已知固体材料中摩擦因数最小的材料)，因此对于小震作用仍然有效；

3)滤波性能好：这种支座本质上属于一类滑移隔震系统，相比传统橡胶隔震支座，其滤波性能好；

4)耗能强：上、下层支座相对滑移，切割磁感应线在铝板内部形成涡旋电流，产生阻尼，耗能性能突出；而且当滑移速度增大，聚四氟乙烯的摩擦因素也会增大，摩擦耗能发挥作用；

5)冲击作用小：虽然启动滑移做功小，但当上层内圈磁体靠近下层外圈磁体时，环形钢槽对磁感应线的阻隔减弱，磁体间相互作用逐渐增强，抑制层间相对滑移，冲击作用小，特别是在大震作用下具有显著优势；

6)自复位能力强：上、下层内、外圈磁体相互作用，支座具有自复位能力，突破传统平面滑移系统不能自动复位的限制；

7)节省空间：通过内置磁体的方式，形成抑制支座滑移的恢复力，避免了传统外设阻尼器等限位装置的情况，节省空间；

8)抗拉性能良好：上、下层磁体相互作用使得支座具有足够的抗拉性能。

此外，隔震支座内橡胶材料、铝板和聚四氟乙烯板均为低磁导率介质，相对磁导率在1左右，几乎不对磁场产生影响，支座耗能、自复位等性能稳定。

本发明对解决高烈度地区隔震支座变形过大、冲击作用显著、抗拉能力弱等技术难题具有重要实用价值。

附图说明

图1为本发明实施例滑移隔震支座与上部结构底板和下部基础顶板联时的中心剖面示意图。

图2为本发明实施例滑移隔震支座下层剖面图(图1中所示A-A剖面)。

图3为本发明实施例滑移隔震支座上层剖面图(图1中所示B-B剖面)。

图4为本发明实施例隔震支座结构尺寸示意图。

图5为本发明实施例隔震支座右侧上、下层磁体齐合时立面图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明一种滑移隔震支座1包括上、下两层支座，上层支座11由下层支座12支承；两者之间设有层间垫面6，包括固定在上层支座11上与其一体联动的上层层间垫面、固定在下层支座12上与其一体联动的下层层间垫面(简明起见，图中未画出)；层间垫面6的材料采用弱磁导率、高电导率材料，具体而言，采用相对磁导率小于1、相对电导率大于50的材料；优选地，采用铝板；上层层间垫面与下层层间垫面的外表面分别敷设低摩擦系数的材料和组分，具体而言，敷设摩擦系数小于0.05的材料和组分；优选地，可采用聚四氟乙烯板、聚四氟乙烯颗粒、滑石粉、润滑机油等；环形钢槽81、82分别用作上层支座11和下层支座12的外封，由于钢槽具有足够的刚度，可以承受上部结构荷载，同时支座在未滑移时环形钢槽阻隔磁感应线，磁体间相互作用小，启动滑移仅需克服微小摩擦，支座灵敏度高。

上层支座11、下层支座12均为内部填充铅芯橡胶的结构。上层支座11中，上层橡胶111环绕中心的上层铅芯41设置；下层支座12中，下层橡胶121环绕中心的下层铅芯42设置；上层橡胶111中嵌设有上层永磁体51环绕中心的上层铅芯41，下层橡胶121中嵌设有下层永磁体52环绕中心的下层铅芯42。

上层永磁体51、下层永磁体52均靠近层间垫面6设置，以保证具有足够的磁感应强度。

在本实施例中，上层铅芯41、下层铅芯42为圆柱体形状；上层橡胶111、下层橡胶121为具有相应高度的圆环形状；上层永磁体51、下层永磁体52也为圆环形，其横截面均为矩形或均为圆形。

上述各组件同轴设置；上层支座11中各组件的直径均小于下层支座12中相应各组件的相应直径。在上、下层支座外径、高度设计时，要根据支座应承受的上部结构荷载，考虑支座承载强度设计基本尺寸；同时，根据设防烈度计算结构隔震层位移，设计上、下层支座的相对尺寸，以保证上层支座11和下层支座12具有足够安全的相对滑移距离。确定上层永磁体51和下层永磁体52的环形直径和截面尺寸应考虑支座具有易启动、强自复位、良好抗拉等特性；上层铅芯41、下层铅芯42的直径根据上层支座11和下层支座12的承受荷载及上层永磁体51和下层永磁体52的作用强度确定。另外，上层支座11、下层支座12宜为同心圆柱形结构，可以保证在多向地震作用下均具有良好的适用性。

实际使用时，上层支座11与上部结构底板2联接，下层支座12与基础顶板3联接。

以下采用QuickField有限元软件，结合附图及其设定的实例参数，对本发明的技术特点作进一步的说明。

如图4所示，其中标记数字均表示尺寸(mm)，一种支座具体实施例(设计最大竖向承载力4000kN)的参数设定如下：

(1)隔震支座上层直径600mm、下层直径1000mm，上、下层高度各为100mm，层间垫面铝板和外封环形钢槽厚度5mm，聚四氟乙烯板厚度2mm；

(2)上层铅芯直径200mm，下层铅芯直径320mm，在上、下层内的高度均为90mm；

(3)内置环形永磁体矩形截面尺寸均为80mm*30mm，贴置于铝板内壁，上层环形永磁体内侧距支座中心距离为170mm，下层环形永磁体内侧距支座中心距离为310mm；

(4)上、下层环形永磁体均嵌在填充橡胶内。

需要说明的是，支座参数与设计承载力及隔震结构设防烈度有关。在本实施例中，考虑了8度设防烈度区某10层框架隔震结构为工程背景。经计算，上部结构一柱端隔震支座最大轴力3200kN，在设计最大竖向承载力4000kN、支座直径600mm条件下，处于环向约束状态的橡胶的竖向变形为2mm，支座满足承载能力和变形要求。同时，计算结构隔震层最大水平地震力400kN，根据磁体间相互作用公式估算上、下层支座内环形永磁体矩形截面尺寸均为80mm*30mm，并由此计算隔震层最大水平位移120mm。因此，设计上层支座直径600mm、下层支座直径1000mm，上、下层高度各为100mm。

采用QuickField建立三维模型进行磁场分析。分析表明，永磁体在布设位置及其邻近区域形成显著的磁场，上、下层磁环的错位布设，且在未滑移时磁感应线受环形钢槽阻隔，磁体间相互作用小，启动滑移仅需克服微小摩擦，因此隔震支座灵敏度高，对于小震作用仍然有效。

当支座上、下层出现相对滑移，滑移至图5所示的位置(右侧上、下层磁体齐合)，在这一过程中，支座右侧的磁感应强度逐渐增强，并在磁体竖向齐合时达到最大，上、下层支座相对滑移切割磁感应线在铝板内部形成涡旋电流，产生阻尼耗能；同时，上、下层支座之间竖向的引力增大、促使滑动摩擦力增大，而且当滑移速度增大、聚四氟乙烯的摩擦因素也会增大，摩擦耗能发挥作用；此外，上、下层之间水平的斥力阻止磁体相互靠近，从而抑制层间相对滑移。上述限位机理对支座的冲击作用小，特别是在大震作用下具有显著优势。

综上所述，本发明具有磨损小、灵敏度高、滤波性能好、耗能强、冲击作用小、自复位能力强、节省空间、抗拉性能良好等技术优点，克服了传统隔震技术的瓶颈，尤其适合于在高烈度地区隔震支座中使用。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种滑移隔震支座，其特征在于：包括上、下两层支座，所述上层支座由下层支座支承，两者之间设有层间垫面；

所述上层支座、下层支座为内部填充铅芯橡胶的结构；所述上层支座中，上层橡胶环绕中心的上层铅芯设置；下层支座中，下层橡胶环绕中心的下层铅芯设置；上层橡胶中嵌设有上层永磁体环绕中心的上层铅芯，下层橡胶中嵌设有下层永磁体环绕中心的下层铅芯；

所述上层永磁体、下层永磁体均靠近层间垫面设置以提供足够的磁感应强度；

所述上层支座和下层支座分别外封有环形钢槽以协助承受上部结构荷载并当支座在未滑移时阻隔磁感应线；

各组件同轴设置；所述上层支座中各组件的直径均小于下层支座中相应各组件的相应直径；

所述层间垫面包括固定在上层支座上与其一体联动的上层层间垫面、固定在下层支座上与其一体联动的下层层间垫面；

所述层间垫面的材料采用弱磁导率、高电导率材料。

2.根据权利要求1所述的滑移隔震支座，其特征在于：所述弱磁导率、高电导率材料为相对磁导率小于1、相对电导率大于50的材料。

3.根据权利要求1所述的滑移隔震支座，其特征在于：所述弱磁导率、高电导率材料采用铝板。

4.根据权利要求1所述的滑移隔震支座，其特征在于：所述上层层间垫面与下层层间垫面的外表面分别敷设具有低摩擦系数的材料和组分。

5.根据权利要求4所述的滑移隔震支座，其特征在于：所述低摩擦系数的材料和组分为摩擦系数小于0.05的材料和组分。

6.根据权利要求4所述的滑移隔震支座，其特征在于：所述低摩擦系数的材料和组分采用聚四氟乙烯板、聚四氟乙烯颗粒、滑石粉、或润滑机油。

7.根据权利要求1所述的滑移隔震支座，其特征在于：所述上层铅芯、下层铅芯为圆柱体形状。

8.根据权利要求1所述的滑移隔震支座，其特征在于：所述上层橡胶、下层橡胶为具有与上层铅芯、下层铅芯相应高度的圆环形状。

9.根据权利要求1所述的滑移隔震支座，其特征在于：所述上层永磁体、下层永磁体为圆环形。

10.根据权利要求9所述的滑移隔震支座，其特征在于：所述上层永磁体、下层永磁体的横截面均为矩形或均为圆形。