CN106246785B - 一种双向滚轮式隔震装置的设计方法 - Google Patents

一种双向滚轮式隔震装置的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双向滚轮式隔震装置的设计方法,其中所述双向滚轮式隔震装置,由下至上依次包括底板、轨道支架组、曲率轨道组、滚轮组和顶板,所述曲率轨道组包括固定曲率轨道和漂浮曲率轨道,所述固定曲率轨道和漂浮曲率轨道沿着底板四边、依次交替围合成矩形结构;所述滚轮组包括固定轨道滚轮和漂浮轨道滚轮。本发明隔震装置构造简单,通过滚轮在曲率轨道上的滚动实现隔震目的,通过调整轨道曲率半径实现不同的隔震效果,且轨道设在同层内从而降低了隔震装置高度,减少了改装置占用的空间。

Description

一种双向滚轮式隔震装置的设计方法
技术领域
本发明涉及减隔震技术领域,特别是一种用于文物防震保护技术领域中的双向滚轮式隔震装置的设计方法。
背景技术
博物馆是让文物在保护和利用中活起来的载体,将可移动文物大量流向博物馆集中保存,也加大了地震等突发灾害下大量损毁的可能性。我国60%以上博物馆处在强震多发地震带上,2008年5.12汶川地震,造成不少于2766件馆藏文物损毁。博物馆文物的防震措施可分为抗震和隔震两类方法,就我国馆藏浮放文物的现状而言,传统的支、粘、卡、绑等方法是主要防震技术手段,它们虽然在一定程度上可提高文物的抗震性能,但也存在破坏文物、加固效果差、影响外观等问题;隔震就是以“隔”的方法,借助于某种装置或材料,把展柜或文物与建筑隔开,以减轻其在地震时的振动效应,达到免遭破坏的目的。
从水平文物隔震角度讲,滚轮、滚珠、滚轴式文物隔震支座主要利用装置在曲面轨道内运动来隔震,文物则在地震作用下始终保持水平状态。这些装置的恢复力由装置及其上文物的重力提供,阻尼力小,一般不需要设置恢复力弹簧;并且隔震周期与文物质量无关,可满足质量很小文物的隔震需求。但是,这些装置构造复杂,需设置上下正交双层轨道,占用空间大。
发明内容
本发明涉及一种双向滚轮式隔震装置的设计方法,要解决传统的滚轮隔震装置构造复杂、需上下正交双层轨道且占用空间大的技术问题。
为实现上述技术目的,本发明采用如下技术方案。
一种双向滚轮式隔震装置,由下至上依次包括底板、轨道支架组、曲率轨道组、滚轮组和顶板,所述曲率轨道组包括固定曲率轨道和漂浮曲率轨道,所述固定曲率轨道和漂浮曲率轨道沿着底板四边、依次交替围合成矩形结构。
所述固定曲率轨道上表面、沿其长轴方向设有两段光滑弧面;
所述漂浮曲率轨道上表面、沿其长轴方向设有两段光滑弧面。
所述滚轮组包括固定轨道滚轮和漂浮轨道滚轮。
所述固定轨道滚轮与固定曲率轨道上的光滑弧面对应、有两对,且滑动连接在固定曲率轨道上;
所述漂浮轨道滚轮与漂浮曲率轨道上的光滑弧面对应、有两对,且滑动连接在漂浮曲率轨道上。
优选的,每对固定轨道滚轮之间连接有一根通长的固定轨道轮轴;
每对漂浮轨道滚轮之间连接有一根通长的漂浮轨道轮轴。
所述固定轨道轮轴和漂浮轨道轮轴位于同一水平面内、十字交叉布置。
漂浮轨道轮轴上分布有穿过固定轨道轮轴的折槽。
优选的,每个固定轨道滚轮的轴向上连接有一根固定轨道轮轴;每个漂浮轨道滚轮的轴向上连接有一根漂浮轨道轮轴;
各个固定轨道轮轴和漂浮轨道轮轴之间均无接触。
优选的,所述轨道支架组包括连接在底板和固定曲率轨道之间的下连接垫块以及设置在底板和漂浮曲率轨道之间的漂浮轨道支架;所述漂浮曲率轨道与漂浮轨道支架之间为固定连接,漂浮轨道支架与底板之间能相对滑动。
优选的,所述漂浮轨道支架是由横杆和纵杆相互连接而成的矩形网格不变形的钢架结构,所述漂浮轨道支架与固定轨道轮轴之间设置有中间垫块,所述固定轨道轮轴通过中间垫块固定在漂浮轨道支架上。
优选的,所述漂浮轨道轮轴与顶板之间设置有上连接垫块,所述顶板通过上连接垫块固定在漂浮轨道轮轴上。
优选的,所述的漂浮轨道滚轮与漂浮轨道轮轴同心,并且漂浮轨道滚轮沿漂浮轨道轮轴轴心线无摩擦或低摩擦转动;所述的固定轨道滚轮与固定轨道轮轴同心,且固定轨道滚轮沿固定轨道轮轴轴心线无摩擦或低摩擦转动。
优选的,所述漂浮轨道滚轮上设有漂浮轨道轮缘,所述漂浮轨道轮缘卡在漂浮曲率轨道上,并带动漂浮曲率轨道沿漂浮轨道轮轴轴向移动;所述的固定轨道滚轮上设有固定轨道轮缘,所述固定轨道轮缘卡在固定曲率轨道上,使固定轨道滚轮沿固定曲率轨道上无间隙移动;
所述漂浮轨道滚轮与漂浮曲率轨道之间、固定轨道滚轮与固定曲率轨道之间设置阻尼层;所述阻尼层由粗糙面或者高阻尼材料构成。
一种双向滚轮式隔震装置设计方法,包括有依据工程应用需求设置隔震装置的平面尺寸、形状以及对个承载部件在设计荷载下的承载力设计;还包括有对固定曲率轨道的曲率半径和接触面的设计以及对漂浮曲率轨道的曲率半径和接触面的设计。
其中对固定曲率轨道的曲率半径和接触面的设计,包括步骤如下:
步骤一,确定隔震装置的设计周期T1;取T1大于隔震装置安放处场地或建筑楼层水平卓越周期T0的1.5倍。
步骤二,初步确定固定曲率轨道上表面光滑圆弧面的曲率半径R;按照单摆公式,L=( T1/2π)2g,其中g为重力加速度,单位为m/s2;T1单位为s;L为摆长,单位为m;固定曲率轨道上表面凹形光滑圆弧面的曲率半径R≥L;固定曲率轨道上表面凹形光滑圆弧面的曲率半径R以固定曲率轨道上表面长轴线的曲率半径表达。
步骤三,初步设计固定轨道滚轮与固定曲率轨道的接触面;通过计算仿真分析初算,得到设防地震作用下装置顶板相对底板的最大位移S1,比较S1与固定曲率轨道长度S0的大小,通过比较的结果,对接触面采取初步调整。
步骤四,通过地震模拟振动台试验,测定防震装置的试验设计周期T2和试验行程S2
步骤五,对曲率半径R进行调整,并最终确定曲率半径R;比较步骤四中的试验设计周期T2与步骤一中的设计周期T1的大小,根据比较的结果,对曲率半径作相应调整,直到T2-T0≥1.5×T0时,取此时的R为设计值。
步骤六,对设计接触面进行调整,并最终确定;比较步骤四中的试验行程S2与S0的大小,根据比较的结果,对接触面进行相应调整,直到S2≤0.9×S0时,取此时的接触面为设计接触面。
所述漂浮曲率轨道的曲率半径和接触面的设计步骤与所述固定曲率轨道的曲率半径和接触面的设计步骤相同。
优选的,步骤三中,如果S1大于 S0,则增加固定轨道滚轮与固定曲率轨道之间的摩擦系数;当摩擦系数达到0.4时S1仍大于 S0,则在固定轨道滚轮与固定曲率轨道之间增加高阻尼材料阻尼层。
步骤四中,试验设计周期T2和试验行程S2测定的具体步骤为:
步骤a:在顶板上放置与设计载荷相同的物体,并与顶板固定。
步骤b:采用位移传感器测量并记录顶板的振动响应,对多条激励测量的结果取平均得到试验振动响应时程;其中,地震台的激励应包括防震装置安放处场地地震波和建筑楼层的楼板波。
步骤c:对试验振动响应时程进行频谱变换得到卓越周期作为试验设计周期T2,取试验振动响应时程的包络最大位移作为试验行程S2。
步骤五中,对曲率半径R进行调整,并最终确定的具体步骤为:当试验设计周期T2小于设计周期T1时,按照步骤二中计算的结果,增大曲率半径R重新设计,直至T2- T0≥1.5×T0时,取此时的R为设计值。
步骤六中,对设计接触面进行调整,并最终确定的具体步骤为:当试验行程S2大于S0时,按照步骤三中的方法对接触面进行重新设计,直到S2≤0.9×S0时,此时的到的接触面即为设计接触面。
与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果。
1、传统的滚轮隔震装置,需上下两层轨道,占用空间大,而本发明的构造做法,只需单层轨道,降低总高度,且能实现双向隔震。
2、本发明隔震装置构造简单,通过固定轨道滚轮和漂浮轨道滚轮在固定曲率轨道和漂浮曲率轨道上的滚动实现隔震目的。
3、本发明的设计方法通过调整固定曲率轨道和漂浮曲率轨道的曲率半径能够实现不同的隔震效果。
4、本发明隔震装置的固定曲率轨道和漂浮曲率轨道设在同层内从而降低了隔震装置高度,减少了改装置占用的空间,从而使该隔震装置便于在工程中应用并取得较大的经济效益和明显的社会效益。
附图说明
图1为实施例一的双向滚轮式隔震装置轴测图。
图2为实施例一的双向滚轮式隔震装置内视图。
图3为实施例一的双向滚轮式隔震装置固定曲率轨道与固定轨道滚轮正视图。
图4为实施例一的双向滚轮式隔震装置固定曲率轨道与固定轨道滚轮侧视图。
图5为实施例一的双向滚轮式隔震装置漂浮曲率轨道与漂浮轨道滚轮正视图。
图6为实施例一的双向滚轮式隔震装置漂浮曲率轨道与漂浮轨道滚轮侧视图。
图7为实施例一的双向滚轮式隔震装置固定轨道轮轴图。
图8为实施例一的双向滚轮式隔震装置漂浮轨道轮轴图。
图9为实施例一的双向滚轮式隔震装置固定轨道轮轴及固定轨道滚轮为直线倒角形的横截面图。
图10为实施例一的双向滚轮式隔震装置固定轨道轮轴及固定轨道滚轮为弧线形的横截面图。
图11为实施例二的双向滚轮式隔震装置轴测图。
图12为实施例二的双向滚轮式隔震装置内视图。
图13为实施例二的双向滚轮式隔震装置固定曲率轨道与固定轨道滚轮正视图。
图14为实施例二的双向滚轮式隔震装置固定曲率轨道与固定轨道滚轮侧视图。
图15为实施例二的双向滚轮式隔震装置漂浮曲率轨道与漂浮轨道滚轮正视图。
图16为实施例二的双向滚轮式隔震装置漂浮曲率轨道与漂浮轨道滚轮侧视图。
图17为实施例二的双向滚轮式隔震装置固定轨道轮轴图。
图18为实施例二的双向滚轮式隔震装置漂浮轨道轮轴图。
附图标记: 1―顶板、2—底板、3—固定轨道轮轴、4—漂浮轨道轮轴、5—固定曲率轨道、6—漂浮曲率轨道、7—漂浮轨道支架、8—固定轨道滚轮、9—漂浮轨道滚轮、10—上连接垫块、11—下连接垫块、12—固定轨道轮缘、13—漂浮轨道轮缘、14—中间垫块 。
具体实施方式
如图1-18所示,一种双向滚轮式隔震装置,由下至上依次包括底板2、轨道支架组、曲率轨道组、滚轮组和顶板1,所述曲率轨道组包括固定曲率轨道5和漂浮曲率轨道6,所述固定曲率轨道5和漂浮曲率轨道6沿着底板2四边、依次交替围合成矩形结构;所述固定曲率轨道5上表面、沿其长轴方向设有两段光滑弧面;所述漂浮曲率轨道6上表面、沿其长轴方向设有两段光滑弧面;所述滚轮组包括固定轨道滚轮8和漂浮轨道滚轮9;所述固定轨道滚轮8与固定曲率轨道5上的光滑弧面对应、有两对,且滑动连接在固定曲率轨道5上;所述漂浮轨道滚轮9与漂浮曲率轨道6上的光滑弧面对应、有两对,且滑动连接在漂浮曲率轨道6上。
实施例1:
本实施例中,所述固定曲率轨道5上表面、沿其长轴方向设有两段光滑弧面;所述漂浮曲率轨道6上表面、沿其长轴方向设有两段光滑弧面;通过调整固定曲率轨道5与漂浮曲率轨道6的曲率半径,可实现两个方向不同的隔震效果,所述固定轨道滚轮8与固定曲率轨道5上的光滑弧面对应、有两对,且滑动连接在固定曲率轨道5上;所述漂浮轨道滚轮9与漂浮曲率轨道6上的光滑弧面对应、有两对,且滑动连接在漂浮曲率轨道6上。
本实施例中,每对固定轨道滚轮8之间连接有一根通长的固定轨道轮轴3;每对漂浮轨道滚轮9之间连接有一根通长的漂浮轨道轮轴4;所述固定轨道轮轴3和漂浮轨道轮轴4位于同一水平面内、十字交叉布置;为了降低隔震支座高度,实现单层双向隔震,漂浮轨道轮轴4上分布有穿过固定轨道轮轴3的折槽,所述漂浮轨道轮轴4上折槽有两个,与之垂直的固定轨道轮轴3可从该折槽中穿过,使得正交两向轨道均在同层内,在装置高度不增加的情况下实现双向隔震。
本实施例中,隔震装置阻尼力由固定轨道滚轮8与固定曲率轨道5之间和漂浮轨道滚轮9与漂浮曲率轨道6之间的摩擦力提供,固定曲率轨道5和漂浮曲率轨道6上可铺设不同材料面层实现不同摩擦效果,或者设置粗糙面或者高阻尼材料阻尼层。
如图9和图10所示,本实施例中所述固定曲率轨道及固定轨道滚轮8接触面的轮廓线可为直线倒角形或者弧形线,同样漂浮曲率轨道及漂浮轨道滚轮9也可为直线倒角形或者弧形线,如图9和图10。
本实施例中,所述轨道支架组包括连接在底板2和固定曲率轨道5之间的下连接垫块11以及设置在底板2和漂浮曲率轨道6之间的漂浮轨道支架7;固定曲率轨道5通过下连接垫块11与底板2固定,所述漂浮轨道支架7与底板2、漂浮轨道支架7与漂浮曲率轨道6之间均能相对滑动。
本实施例中,所述漂浮轨道支架7是由横杆和纵杆相互连接而成的矩形网格不变形的钢架结构,所述漂浮轨道支架7与固定轨道轮轴3之间设置有中间垫块14,所述固定轨道轮轴3通过中间垫块14固定在漂浮轨道支架7上,漂浮曲率轨道6通过漂浮轨道支架7与固定轨道轮轴3相连。
本实施例中,所述漂浮轨道轮轴4与顶板1之间设置有上连接垫块10,所述顶板1与漂浮轨道轮轴4通过上连接垫块10固定。
本实施例中,所述的漂浮轨道滚轮9与漂浮轨道轮轴4同心,并且漂浮轨道滚轮9沿漂浮轨道轮轴4轴心线无摩擦或低摩擦转动;所述的固定轨道滚轮8与固定轨道轮轴3同心,且固定轨道滚轮8沿固定轨道轮轴3轴心线无摩擦或低摩擦转动。
本实施例中,所述漂浮轨道滚轮9上设有漂浮轨道轮缘13,所述漂浮轨道轮缘13卡在漂浮曲率轨道6上,防止漂浮轨道滚轮9沿漂浮曲率轨道6滚动时脱落,并带动漂浮曲率轨道6在水平面内移动;所述的固定轨道滚轮8上设有固定轨道轮缘12,所述固定轨道轮缘12卡在固定曲率轨道5上,可防止沿固定曲率轨道长轴线滚动时脱落,使固定轨道滚轮8沿固定曲率轨道5上无间隙移动。
本实施例中,地震时,沿着漂浮曲率轨道6长轴线方向,通过漂浮轨道滚轮9在漂浮曲率轨道6上滚动带动漂浮轨道轮轴4运动,实现该方向隔震;沿着固定曲率轨道5长轴线方向,地震时通过固定轨道滚轮8在固定曲率轨道5上的滚动带动固定轨道轮轴3运动,实现该方向隔震;同时,固定轨道轮轴3可带动漂浮曲率轨道6沿着固定曲率轨道5的长轴线方向滑动。
本实施例中,所述顶板1、底板2、固定轨道轮轴3、漂浮轨道轮轴4、漂浮轨道支架7、上连接垫块10、下连接垫块11所用材料可以是碳素结构钢、优质碳素结构钢、合金结构钢,其中顶板1和底板2也可选用钢化玻璃、夹层玻璃和中空玻璃;顶板1、底板2、固定轨道轮轴3、漂浮轨道轮轴4、漂浮轨道支架7、上连接垫块10以及下连接垫块11所用材料要求满足强度及刚度要求。
本实施例中,所述固定曲率轨道5、漂浮曲率轨道6、固定轨道滚轮8、漂浮轨道滚轮9、固定轨道轮缘12以及固漂浮轨道轮缘13所用材料为表面硬化处理的合金结构钢或者轴承钢;固定曲率轨道5、漂浮曲率轨道6、固定轨道滚轮8、漂浮轨道滚轮9、固定轨道轮缘12、固漂浮轨道轮缘13所用材料要求满足强度、刚度及表面硬度要求。
本实施例中,所述固定曲率轨道5和漂浮曲率轨道6,其横截面可以是图9所示直线倒角形式,也可以是图10所示弧线形式;所述固定轨道滚轮8和漂浮轨道滚轮9,其横截面形式与固定曲率轨道5和漂浮曲面轨道6的横截面形式相一致。
这种双向滚轮式隔震装置设计方法,包括有依据工程应用需求设置隔震装置的平面尺寸、形状以及对个承载部件在设计荷载下的承载力设计;还包括有对固定曲率轨道5的曲率半径和接触面的设计以及对漂浮曲率轨道6的曲率半径和接触面的设计。
其中对固定曲率轨道5的曲率半径和接触面的设计,包括步骤如下:
步骤一,确定隔震装置的设计周期T1;取T1大于隔震装置安放处场地或建筑楼层水平卓越周期T0的1.5倍。
步骤二,初步确定固定曲率轨道5上表面光滑圆弧面的曲率半径R;按照单摆公式,L=( T1/2π)2g,其中g为重力加速度,单位为m/s2;T1单位为s;L为摆长,单位为m;固定曲率轨道5上表面凹形光滑圆弧面的曲率半径R≥L;固定曲率轨道5上表面凹形光滑圆弧面的曲率半径R以固定曲率轨道5上表面长轴线的曲率半径表达。
步骤三,初步设计固定轨道滚轮8与固定曲率轨道5的接触面;通过计算仿真分析初算,得到设防地震作用下装置顶板1相对底板2的最大位移S1(简称行程)是否超出固定曲率轨道5的长度S0;如果超出行程,则增加固定轨道滚轮8与固定曲率轨道5之间的摩擦系数,整个摩擦面上摩擦系数应均匀、无明显变化;摩擦系数通过物理学试验测定;当摩擦系数达到0.4仍无法满足行程要求,在固定轨道滚轮8与固定曲率轨道5之间增加高阻尼材料阻尼层。
步骤四,通过地震模拟振动台试验,测定防震装置的试验设计周期T2和试验行程S2;试验中,先在顶板1上放置与设计载荷相同的物体,并与顶板1固定;采用位移传感器测量并记录顶板1的振动响应,对多条激励测量的结果取平均得到试验振动响应时程;其中,地震台的激励应包括防震装置安放处场地地震波和建筑楼层的楼板波;最后,对试验振动响应时程进行频谱变换得到卓越周期作为试验设计周期T2,取试验振动响应时程的包络最大位移作为试验行程S2。
步骤五,对曲率半径R进行调整,并最终确定曲率半径R;比较步骤四中的试验设计周期T2与步骤一中的设计周期T1的大小,根据比较的结果,对曲率半径作相应调整;当试验设计周期T2不大于设计周期T1时,转到步骤二,增大曲率半径R重新设计;直到T2- T0≥1.5×T0时,取此时的R为设计值。
步骤六,对设计接触面进行调整,并最终确定;比较步骤四中的试验行程S2与S0的大小,根据比较的结果,对接触面进行相应调整,当试验行程S2大于S0时,按照步骤三中的方法对接触面进行重新设计,直到S2≤0.9×S0时,取此时的接触面为设计接触面。
漂浮曲率轨道6的曲率半径和接触面设计参照上述固定曲率轨道5的曲率半径和接触面设计方法进行,包括步骤如下:
步骤1,确定隔震装置的设计周期T1;取T1大于隔震装置安放处场地或建筑楼层水平卓越周期T0的1.5倍。
步骤2,初步确定漂浮曲率轨道6上表面光滑圆弧面的曲率半径R;按照单摆公式,L=( T1/2π)2g,其中g为重力加速度,单位为m/s2;T1单位为s;L为摆长,单位为m;漂浮曲率轨道6上表面凹形光滑圆弧面的曲率半径R≥L;漂浮曲率轨道6上表面凹形光滑圆弧面的曲率半径R以漂浮曲率轨道6上表面长轴线的曲率半径表达。
步骤3,初步设计漂浮轨道滚轮9与漂浮曲率轨道6的接触面;通过计算仿真分析初算,得到设防地震作用下装置顶板1相对底板2的最大位移S1(简称行程)是否超出漂浮曲率轨道6的长度S0;如果超出行程,则增加漂浮轨道滚轮9与漂浮曲率轨道6之间的摩擦系数,整个摩擦面上摩擦系数应均匀、无明显变化;摩擦系数通过物理学试验测定;当摩擦系数达到0.4仍无法满足行程要求,在漂浮轨道滚轮9与漂浮曲率轨道6之间增加高阻尼材料阻尼层。
步骤4,通过地震模拟振动台试验,测定防震装置的试验设计周期T2和试验行程S2;试验中,先在顶板1上放置与设计载荷相同的物体,并与顶板1固定;采用位移传感器测量并记录顶板1的振动响应,对多条激励测量的结果取平均得到试验振动响应时程;其中,地震台的激励应包括防震装置安放处场地地震波和建筑楼层的楼板波;最后,对试验振动响应时程进行频谱变换得到卓越周期作为试验设计周期T2,取试验振动响应时程的包络最大位移作为试验行程S2。
步骤5,对曲率半径R进行调整,并最终确定曲率半径R;比较步骤四中的试验设计周期T2与步骤一中的设计周期T1的大小,根据比较的结果,对曲率半径作相应调整;当试验设计周期T2不大于设计周期T1时,转到步骤二,增大曲率半径R重新设计;直到T2- T0≥1.5×T0时,取此时的R为设计值。
步骤6,对设计接触面进行调整,并最终确定;比较步骤四中的试验行程S2与S0的大小,根据比较的结果,对接触面进行相应调整,当试验行程S2大于S0时,按照步骤三中的方法对接触面进行重新设计,直到S2≤0.9×S0时,取此时的接触面为设计接触面。
所述漂浮曲率轨道6的曲率半径和接触面可与固定曲率轨道5的曲率半径和接触面不同。
实施例2:
如图11-18本实施例中,所述固定曲率轨道5上表面、沿其长轴方向设有两段光滑弧面;所述漂浮曲率轨道6上表面、沿其长轴方向设有两段光滑弧面;通过调整固定曲率轨道5与漂浮曲率轨道6的曲率半径,可实现两个方向不同的隔震效果,所述固定轨道滚轮8与固定曲率轨道5上的光滑弧面对应、有两对,且滑动连接在固定曲率轨道5上;所述漂浮轨道滚轮9与漂浮曲率轨道6上的光滑弧面对应、有两对,且滑动连接在漂浮曲率轨道6上。
本实施例中,每个固定轨道滚轮8的轴向上连接有一根固定轨道轮轴3;每个漂浮轨道滚轮9的轴向上连接有一根漂浮轨道轮轴4。
各个固定轨道轮轴3和漂浮轨道轮轴4之间均无接触。
本实施例中,为了降低隔震支座高度,实现单层双向隔震,固定轨道轮轴3和漂浮轨道轮轴4均在中部截断,使得正交两向轨道均在同层内,在装置高度不增加的情况下实现双向隔震。
本实施例中,所述轨道支架组包括连接在底板2和固定曲率轨道5之间的下连接垫块11以及设置在底板2和漂浮曲率轨道6之间的漂浮轨道支架7;所述固定曲率轨道5通过下连接垫块11固定在底板2上;所述漂浮曲率轨道6与漂浮轨道支架7之间为固定连接,漂浮轨道支架7与底板2之间能相对滑动。
本实施例中,所述漂浮轨道支架7是由横杆和纵杆相互连接而成的矩形网格不变形的钢架结构,所述漂浮轨道支架7与固定轨道轮轴3之间设置有中间垫块14,所述固定轨道轮轴3通过中间垫块14固定在漂浮轨道支架7上,漂浮曲率轨道6通过漂浮轨道支架7与固定轨道轮轴3相连。
本实施例中,所述固定轨道轮轴3与中间垫块14整体呈L型。
本实施例中,所述漂浮轨道轮轴4与顶板1之间设置有上连接垫块10,所述顶板1与漂浮轨道轮轴4通过上连接垫块10固定。
本实施例中,所述漂浮轨道轮轴4与上连接垫块10整体呈L型。
本实施例中,所述的漂浮轨道滚轮9与漂浮轨道轮轴4同心,并且漂浮轨道滚轮9沿漂浮轨道轮轴4轴心线无摩擦或低摩擦转动;所述的固定轨道滚轮8与固定轨道轮轴3同心,且固定轨道滚轮8沿固定轨道轮轴3轴心线无摩擦或低摩擦转动。
本实施例中,所述漂浮轨道滚轮9上设有漂浮轨道轮缘13,所述漂浮轨道轮缘13卡在漂浮曲率轨道6上,防止漂浮轨道滚轮9沿漂浮曲率轨道6滚动时脱落,并带动漂浮曲率轨道6沿漂浮轨道轮轴4轴向移动;所述的固定轨道滚轮8上设有固定轨道轮缘12,所述固定轨道轮缘12卡在固定曲率轨道5上,可防止沿固定曲率轨道长轴线滚动时脱落,使固定轨道滚轮8沿固定曲率轨道5上无间隙移动。
本实施例中,沿着漂浮曲率轨道6长轴线方向,地震时通过漂浮轨道滚轮9在漂浮曲率轨道6上滚动带动漂浮轨道轮轴4运动,实现该方向隔震;沿着固定曲率轨道5长轴线方向,地震时通过固定轨道滚轮8在固定曲率轨道5上的滚动带动固定轨道轮轴3运动,实现该方向隔震;同时,固定轨道轮轴3可带动漂浮曲率轨道6沿着固定曲率轨道5的长轴线方向滑动。
本实施例中,所述顶板1、底板2、固定轨道轮轴3、漂浮轨道轮轴4、漂浮轨道支架7、上连接垫块10、下连接垫块11所用材料可以是碳素结构钢、优质碳素结构钢、合金结构钢,其中顶板1和底板2也可选用钢化玻璃、夹层玻璃和中空玻璃;顶板1、底板2、固定轨道轮轴3、漂浮轨道轮轴4、漂浮轨道支架7、上连接垫块10以及下连接垫块11所用材料要求满足强度及刚度要求。
本实施例中,所述固定曲率轨道5、漂浮曲率轨道6、固定轨道滚轮8、漂浮轨道滚轮9、固定轨道轮缘12以及固漂浮轨道轮缘13所用材料为表面硬化处理的合金结构钢或者轴承钢;固定曲率轨道5、漂浮曲率轨道6、固定轨道滚轮8、漂浮轨道滚轮9、固定轨道轮缘12、固漂浮轨道轮缘13所用材料要求满足强度、刚度及表面硬度要求。
本实施例中,隔震装置阻尼力由固定轨道滚轮8与固定曲率轨道5之间和漂浮轨道滚轮9与漂浮曲率轨道6之间的摩擦力提供,固定曲率轨道5和漂浮曲率轨道6上可铺设不同材料面层实现不同摩擦效果,或者设置粗糙面或者高阻尼材料阻尼层。
本实施例中,所述固定曲率轨道5和漂浮曲率轨道6,其横截面可以是图9所示直线倒角形式,也可以是图10所示弧线形式;所述固定轨道滚轮8和漂浮轨道滚轮9,其横截面形式与固定曲率轨道5和漂浮曲面轨道6的横截面形式相一致。
这种双向滚轮式隔震装置设计方法,包括有依据工程应用需求设置隔震装置的平面尺寸、形状以及对个承载部件在设计荷载下的承载力设计;其特征在于,还包括有对固定曲率轨道5的曲率半径和接触面的设计以及对漂浮曲率轨道6的曲率半径和接触面的设计。
其中对固定曲率轨道5的曲率半径和接触面的设计,包括步骤如下:
以固定曲率轨道长轴线方向为例,设计出固定曲率轨道5的曲率半径和接触面。
步骤一,确定隔震装置的设计周期T1;取T1大于隔震装置安放处场地或建筑楼层水平卓越周期T0的1.5倍。
步骤二,初步确定固定曲率轨道5上表面光滑圆弧面的曲率半径R;按照单摆公式,L=( T1/2π)2g,其中g为重力加速度,单位为m/s2;T1单位为s;L为摆长,单位为m;固定曲率轨道5上表面凹形光滑圆弧面的曲率半径R≥L;固定曲率轨道5上表面凹形光滑圆弧面的曲率半径R以固定曲率轨道5上表面长轴线的曲率半径表达。
步骤三,初步设计固定轨道滚轮8与固定曲率轨道5的接触面;通过计算仿真分析初算,得到设防地震作用下装置顶板1相对底板2的最大位移S1(简称行程)是否超出固定曲率轨道5的长度S0;如果超出行程,则增加固定轨道滚轮8与固定曲率轨道5之间的摩擦系数,整个摩擦面上摩擦系数应均匀、无明显变化;摩擦系数通过物理学试验测定;当摩擦系数达到0.4仍无法满足行程要求,在固定轨道滚轮8与固定曲率轨道5之间增加高阻尼材料阻尼层。
步骤四,通过地震模拟振动台试验,测定防震装置的试验设计周期T2和试验行程S2;试验中,先在顶板1上放置与设计载荷相同的物体,并与顶板1固定;采用位移传感器测量并记录顶板1的振动响应,对多条激励测量的结果取平均得到试验振动响应时程;其中,地震台的激励应包括防震装置安放处场地地震波和建筑楼层的楼板波;最后,对试验振动响应时程进行频谱变换得到卓越周期作为试验设计周期T2,取试验振动响应时程的包络最大位移作为试验行程S2。
步骤五,对曲率半径R进行调整,并最终确定曲率半径R;比较步骤四中的试验设计周期T2与步骤一中的设计周期T1的大小,根据比较的结果,对曲率半径作相应调整;当试验设计周期T2不大于设计周期T1时,转到步骤二,增大曲率半径R重新设计;直到T2- T0≥1.5×T0时,取此时的R为设计值。
步骤六,对设计接触面进行调整,并最终确定;比较步骤四中的试验行程S2与S0的大小,根据比较的结果,对接触面进行相应调整,当试验行程S2大于S0时,按照步骤三中的方法对接触面进行重新设计,直到S2≤0.9×S0时,取此时的接触面为设计接触面。
漂浮曲率轨道6的曲率半径和接触面设计参照上述固定曲率轨道5的曲率半径和接触面设计方法进行,包括步骤如下:
步骤1,确定隔震装置的设计周期T1;取T1大于隔震装置安放处场地或建筑楼层水平卓越周期T0的1.5倍。
步骤2,初步确定漂浮曲率轨道6上表面光滑圆弧面的曲率半径R;按照单摆公式,L=( T1/2π)2g,其中g为重力加速度,单位为m/s2;T1单位为s;L为摆长,单位为m;漂浮曲率轨道6上表面凹形光滑圆弧面的曲率半径R≥L;漂浮曲率轨道6上表面凹形光滑圆弧面的曲率半径R以漂浮曲率轨道6上表面长轴线的曲率半径表达。
步骤3,初步设计漂浮轨道滚轮9与漂浮曲率轨道6的接触面;通过计算仿真分析初算,得到设防地震作用下装置顶板1相对底板2的最大位移S1(简称行程)是否超出漂浮曲率轨道6的长度S0;如果超出行程,则增加漂浮轨道滚轮9与漂浮曲率轨道6之间的摩擦系数,整个摩擦面上摩擦系数应均匀、无明显变化;摩擦系数通过物理学试验测定;当摩擦系数达到0.4仍无法满足行程要求,在漂浮轨道滚轮9与漂浮曲率轨道6之间增加高阻尼材料阻尼层。
步骤4,通过地震模拟振动台试验,测定防震装置的试验设计周期T2和试验行程S2;试验中,先在顶板1上放置与设计载荷相同的物体,并与顶板1固定;采用位移传感器测量并记录顶板1的振动响应,对多条激励测量的结果取平均得到试验振动响应时程;其中,地震台的激励应包括防震装置安放处场地地震波和建筑楼层的楼板波;最后,对试验振动响应时程进行频谱变换得到卓越周期作为试验设计周期T2,取试验振动响应时程的包络最大位移作为试验行程S2。
步骤5,对曲率半径R进行调整,并最终确定曲率半径R;比较步骤四中的试验设计周期T2与步骤一中的设计周期T1的大小,根据比较的结果,对曲率半径作相应调整;当试验设计周期T2不大于设计周期T1时,转到步骤二,增大曲率半径R重新设计;直到T2- T0≥1.5×T0时,取此时的R为设计值。
步骤6,对设计接触面进行调整,并最终确定;比较步骤四中的试验行程S2与S0的大小,根据比较的结果,对接触面进行相应调整,当试验行程S2大于S0时,按照步骤三中的方法对接触面进行重新设计,直到S2≤0.9×S0时,取此时的接触面为设计接触面。
所述漂浮曲率轨道6的曲率半径和接触面可与固定曲率轨道5的曲率半径和接触面不同。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现型式的列举,本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式,本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (9)

1.一种双向滚轮式隔震装置的设计方法,包括有依据工程应用需求设置隔震装置的平面尺寸、形状以及对各承载部件在设计荷载下的承载力设计;其特征在于,还包括有对固定曲率轨道(5)的曲率半径和接触面的设计以及对漂浮曲率轨道(6)的曲率半径和接触面的设计;
其中,双向滚轮式隔震装置由下至上依次包括底板(2)、轨道支架组、曲率轨道组、滚轮组和顶板(1),其特征在于:
所述曲率轨道组包括固定曲率轨道(5)和漂浮曲率轨道(6),所述固定曲率轨道(5)和漂浮曲率轨道(6)沿着底板(2)四边、依次交替围合成矩形结构;
所述固定曲率轨道(5)上表面、沿其长轴方向设有两段光滑弧面;
所述漂浮曲率轨道(6)上表面、沿其长轴方向设有两段光滑弧面;
所述滚轮组包括固定轨道滚轮(8)和漂浮轨道滚轮(9);
所述固定轨道滚轮(8)与固定曲率轨道(5)上的光滑弧面对应、有两对,且滑动连接在固定曲率轨道(5)上;
所述漂浮轨道滚轮(9)与漂浮曲率轨道(6)上的光滑弧面对应、有两对,且滑动连接在漂浮曲率轨道(6)上;
其中对固定曲率轨道(5)的曲率半径和接触面的设计,包括步骤如下:
步骤一,确定隔震装置的设计周期T1;取T1大于隔震装置安放处场地或建筑楼层水平卓越周期T0的1.5倍;
步骤二,初步确定固定曲率轨道(5)上表面光滑圆弧面的曲率半径R;按照单摆公式,L=( T1/2π)2g,其中g为重力加速度,单位为m/s2;T1单位为s;L为摆长,单位为m;固定曲率轨道(5)上表面凹形光滑圆弧面的曲率半径R≥L;固定曲率轨道(5)上表面凹形光滑圆弧面的曲率半径R以固定曲率轨道(5)上表面长轴线的曲率半径表达;
步骤三,初步设计固定轨道滚轮(8)与固定曲率轨道(5)的接触面;通过计算仿真分析初算,得到设防地震作用下装置顶板(1)相对底板(2)的最大位移S1,比较S1与固定曲率轨道(5)长度S0的大小,通过比较的结果,对接触面采取初步调整;
步骤四,通过地震模拟振动台试验,测定防震装置的试验设计周期T2和试验行程S2
步骤五,对曲率半径R进行调整,并最终确定曲率半径R;比较步骤四中的试验设计周期T2与步骤一中的设计周期T1的大小,根据比较的结果,对曲率半径作相应调整,直到T2- T0≥1.5×T0时,取此时的R为设计值;
步骤六,对设计接触面进行调整,并最终确定;比较步骤四中的试验行程S2与S0的大小,根据比较的结果,对接触面进行相应调整,直到S2≤0.9×S0时,取此时的接触面为设计接触面;
所述漂浮曲率轨道(6)的曲率半径和接触面的设计步骤与所述固定曲率轨道(5)的曲率半径和接触面的设计步骤相同。
2.根据权利要求1所述的一种双向滚轮式隔震装置的设计方法,其特征在于:每对固定轨道滚轮(8)之间连接有一根通长的固定轨道轮轴(3);
每对漂浮轨道滚轮(9)之间连接有一根通长的漂浮轨道轮轴(4);
所述固定轨道轮轴(3)和漂浮轨道轮轴(4)位于同一水平面内、十字交叉布置;
漂浮轨道轮轴(4)上分布有穿过固定轨道轮轴(3)的折槽。
3.根据权利要求1所述的一种双向滚轮式隔震装置的设计方法,其特征在于:每个固定轨道滚轮(8)的轴向上连接有一根固定轨道轮轴(3);每个漂浮轨道滚轮(9)的轴向上连接有一根漂浮轨道轮轴(4);
各个固定轨道轮轴(3)和漂浮轨道轮轴(4)之间均无接触。
4.根据权利要求2或3所述的一种双向滚轮式隔震装置的设计方法,其特征在于:所述轨道支架组包括连接在底板(2)和固定曲率轨道(5)之间的下连接垫块(11)以及设置在底板(2)和漂浮曲率轨道(6)之间的漂浮轨道支架(7);所述漂浮轨道支架(7)与底板(2)之间留有间距,漂浮轨道支架(7)与底板(2)之间能相对滑动;所述漂浮曲率轨道(6)固定连接在漂浮轨道支架(7)上。
5.根据权利要求4所述的一种双向滚轮式隔震装置的设计方法,其特征在于:所述漂浮轨道支架(7)是由横杆和纵杆相互连接而成的矩形网格不变形的钢架结构,所述漂浮轨道支架(7)与固定轨道轮轴(3)之间设置有中间垫块(14),所述固定轨道轮轴(3)通过中间垫块(14)固定在漂浮轨道支架(7)上。
6.根据权利要求5所述的一种双向滚轮式隔震装置的设计方法,其特征在于:所述漂浮轨道轮轴(4)与顶板(1)之间设置有上连接垫块(10),所述顶板(1)通过上连接垫块(10)固定在漂浮轨道轮轴(4)上。
7.根据权利要求2或3所述的一种双向滚轮式隔震装置的设计方法,其特征在于:所述的漂浮轨道滚轮(9)与漂浮轨道轮轴(4)同心,并且漂浮轨道滚轮(9)沿漂浮轨道轮轴(4)轴心线无摩擦或低摩擦转动;所述的固定轨道滚轮(8)与固定轨道轮轴(3)同心,且固定轨道滚轮(8)沿固定轨道轮轴(3)轴心线无摩擦或低摩擦转动。
8.根据权利要求2或3所述的一种双向滚轮式隔震装置的设计方法,其特征在于:所述漂浮轨道滚轮(9)上设有漂浮轨道轮缘(13),所述漂浮轨道轮缘(13)卡在漂浮曲率轨道(6)上,并带动漂浮曲率轨道(6)沿漂浮轨道轮轴(4)轴向移动;所述的固定轨道滚轮(8)上设有固定轨道轮缘(12),所述固定轨道轮缘(12)卡在固定曲率轨道(5)上,使固定轨道滚轮(8)沿固定曲率轨道(5)上无间隙移动;
所述漂浮轨道滚轮(9)与漂浮曲率轨道(6)之间、固定轨道滚轮(8)与固定曲率轨道(5)之间设置阻尼层;所述阻尼层由粗糙面或者高阻尼材料构成。
9.根据权利要求 1所述的一种双向滚轮式隔震装置的设计方法,其特征在于,:
步骤三中,如果S1大于 S0,则增加固定轨道滚轮(8)与固定曲率轨道(5)之间的摩擦系数;当摩擦系数达到0.4时S1仍大于 S0,则在固定轨道滚轮(8)与固定曲率轨道(5)之间增加高阻尼材料阻尼层;
步骤四中,试验设计周期T2和试验行程S2测定的具体步骤为:
步骤a:在顶板(1)上放置与设计载荷相同的物体,并与顶板(1)固定;
步骤b:采用位移传感器测量并记录顶板(1)的振动响应,对多条激励测量的结果取平均得到试验振动响应时程;其中,地震台的激励应包括防震装置安放处场地地震波和建筑楼层的楼板波;
步骤c:对试验振动响应时程进行频谱变换得到卓越周期作为试验设计周期T2,取试验振动响应时程的包络最大位移作为试验行程S2;
步骤五中,对曲率半径R进行调整,并最终确定的具体步骤为:当试验设计周期T2小于设计周期T1时,按照步骤二中计算的结果,增大曲率半径R重新设计,直至T2- T0≥1.5×T0时,取此时的R为设计值;
步骤六中,对设计接触面进行调整,并最终确定的具体步骤为:当试验行程S2大于S0时,按照步骤三中的方法对接触面进行重新设计,直到S2≤0.9×S0时,此时得到的接触面即为设计接触面。
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