CN106499080A - 一种竖向早期刚度可预设的三维隔震装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种竖向早期刚度可预设的三维隔震装置，该装置包括上下依次串接的叠层橡胶隔震支座和竖向隔震支座；其特征在于，所述竖向隔震支座的导向套内还设有反压装置，该反压装置包括数量分别至少为三根的两组预压钢索和两块浮动压板，其中，所述的两组预压钢索分别以直线状态分布于圆柱形螺旋压缩弹簧的中心孔内，且，一组预压钢索的一头分别固定在与驱动压板相邻的浮动压板上，另一头分别穿过与底座相邻的浮动压板固定在底座上；另一组预压钢索的一头分别固定在与底座相邻的浮动压板上，另一头分别穿过与驱动压板相邻的浮动压板固定在驱动压板上；将所述的两组预压钢索张紧，使圆柱形螺旋压缩弹簧始终夹持在两块浮动压板之间。

Description

一种竖向早期刚度可预设的三维隔震装置

技术领域

本发明涉及一种建筑防振动(或震动)装置，具体涉及一种由夹层钢板橡胶垫与竖向隔震支座串联的三维隔震装置。

背景技术

隔震装置是设在建筑与基础之间的防震隔离装置。早期的隔震装置主要是由橡胶与薄钢板交替叠合构成的二维隔震支座(叠层橡胶隔震支座)，只能隔离地震波的水平分量。随着人们对地震多维特性认识的提高，三维隔震装置逐渐受到本领域研究者的重视。最常见的三维隔震装置就是由叠层橡胶隔震支座与既有的竖向隔震支座串联而成。

公开号为CN 102409777 A的发明专利申请公开了一种结构三维隔震和抗倾覆装置，该装置的主体机构由叠层橡胶隔震支座14与弹簧隔震支座15串联构成，所述主体结构的上、下侧分别设置有上连接板1和下连接板18，其特征在于：所述上连接板1和下连接板18之间设置有绕主体结构四周错位均布的抗拉钢丝绳16，所述抗拉钢丝绳16沿水平方向的极限变形量大于主体机构的水平剪切弹性变形量。该专利申请所述方案虽然可提高三维隔震装置的抗拉强度,以抵御地震中高层建筑物的摇摆甚至倾覆所产生的巨大拉力，但仍然存在以下的不足：1、所述的弹簧隔震支座只能压缩耗能减震，不能拉伸耗能减震；2、所述的弹簧隔震支座不能预设早期刚度，不便于预设地震烈度降低隔震成本。

公开号为CN1932324A的发明专利申请公开了一种“可调节碟形弹簧机械式减震阻尼器”，该阻尼器包括外壳、设在外壳内的载荷连接杆和两组碟形弹簧，所述，所述载荷连接杆的中部设有与之固连的调节齿轮，所述调节齿轮两侧的载荷连接杆上分别设有与载荷连接杆螺纹配合的左旋螺母和右旋螺母，所述两组碟形弹簧分别设在所述左旋螺母和右旋螺母的外侧，并分别被夹持在所述左旋螺母或右旋螺母与外壳端部的封板之间。只需拨转载荷连接杆上的调节齿轮，使所述左旋螺母和右旋螺母相互靠拢或远离即可调节两组碟形弹簧的预紧力从而调节阻尼器的阻尼系数，以满足不同频率和不同振幅的使用需求。然而该发明仍具有如下不足：1、所述载荷连接杆是在两组碟形弹簧的共同作用下保持平衡的，两组碟形弹簧的预紧力虽然能够调节，但是无论如何调节，两组碟形弹簧对载荷连接杆的作用力都是一组大小相等，方向相反的力，只需在载荷连接杆上施加任何外力都会破坏这种平衡，使两组碟形弹簧发生变形，所以所述的阻尼器无法预设早期刚度；2、该发明中必须配合使用两组碟形弹簧，才能在阻尼器受到压或拉荷载时都提供阻尼，这不仅造成了一定的浪费，还使得阻尼器的长度大大的增加。

公开号为CN101457553A的发明专利申请公开了一种“弹簧刚度可调式调谐质量减振器”，该减振器是一种复合阻尼器，通过改变质量块的厚度改变其特征频率，通过改变粘滞阻尼器的工作介质的流量改变其阻尼比，通过改变弹簧的有效工作长度改变其刚度，其中改变弹簧的有效工作长度的手段有三种，一是采用固化材料将弹簧位于固化筒内的一段固化，二是往螺旋弹簧的中心内塞入约束块，并二者过盈配合，使与约束块接触的一段弹簧失效，三是在约束块表面设置螺旋状凸起，将螺旋状凸起卡在弹簧丝之间，使弹簧丝之间卡有螺旋状凸起的一段弹簧失效。由此可见，该专利申请方案中的弹簧虽然可改变刚度，但所述的弹簧不仅有效工作长度明显缩短，而且只能压缩耗能减振，不能拉伸耗能减振。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种竖向早期刚度可预设的三维隔震装置，该三维隔震装置不仅既可压缩耗能减振，又可拉伸耗能减振，而且还保持了竖向隔震支座中弹簧的有效工作长度。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种竖向早期刚度可预设的三维隔震装置，该三维隔震装置包括上下依次串接的叠层橡胶隔震支座和竖向隔震支座；其中，

所述的叠层橡胶隔震支座包括上连接板、下连接板、夹持在上下连接板之间的叠层橡胶垫和至少三根均布在叠层橡胶垫四周的抗拉钢索；所述抗拉钢索的一头固定在上连接板上，另一头固定在下连接板上，且上下两固定点的连线平行于所述叠层橡胶垫的中轴线；

所述的竖向隔震支座包括底座，该底座的上表面设有向上延伸的导向套；所述导向套内部同轴设有圆柱形螺旋压缩弹簧，该圆柱形螺旋压缩弹簧的上头设有驱动压板；所述的叠层橡胶隔震支座的下连接板的中部向所述导向套内延伸一圆管状的连接构件，该连接构件与所述的驱动压板固定连接；

其特征在于，

所述竖向隔震支座的导向套内还设有反压装置，该反压装置包括数量分别至少为三根的两组预压钢索和两块浮动压板，其中，

所述的两块浮动压板，一块设在所述驱动压板与圆柱形螺旋压缩弹簧之间，另一块设在底座与圆柱形螺旋压缩弹簧之间；

所述的两组预压钢索分别绕导向套的轴线以直线状态对称分布于所述圆柱形螺旋压缩弹簧的中心孔内，且，一组预压钢索的一头分别固定在与驱动压板相邻的浮动压板上，另一头分别穿过与底座相邻的浮动压板固定在底座上；另一组预压钢索的一头分别固定在与底座相邻的浮动压板上，另一头分别穿过与驱动压板相邻的浮动压板固定在驱动压板上；

所述的浮动压板上在穿过所述预压钢索的位置分别设有穿过该预压钢索的通孔，该通孔的孔径大于所穿设的预压钢索的直径；

张紧两组预压钢索，使两块浮动压板之间的距离等于将圆柱形螺旋压缩弹簧压缩至预设竖向早期刚度的长度；

将所述抗拉钢索张紧，为叠层橡胶垫提供等于设计静载荷的预压力。

上述方案中，所述的抗拉钢索和预压钢索可以是钢丝绳，也可以是预应力钢铰线。

上述三维隔震装置竖向隔震的工作原理如下：当竖向动载荷沿导向套的轴线相对作用时，压力经由叠层橡胶隔震支座传递到驱动压板，使之下移压缩圆柱形螺旋压缩弹簧；当动载荷沿导向套的轴线相背作用时，拉力经由抗拉钢索传递到驱动压板，驱动压板上移，而两组预压钢索则分别牵拉两块浮动压板相对移动压缩圆柱形螺旋压缩弹簧。由此可见，轴向动载荷无论相对还是相背作用在三维隔震装置上，都能压缩圆柱形螺旋压缩弹簧，使其发生弹性变形而耗能。

由上述工作原理可见，工作过程中所述的预压钢索与所述浮动压板上的通孔的孔壁不能产生摩擦，否则就会干扰浮动压板的上下移动，因此所述通孔直径比所述预压钢索的直径大多少，应以不干扰和影响浮动压板的上下移动为宜。

本发明所述的竖向早期刚度可预设的三维隔震装置，其中所述的预压钢索两头可采用常规的方法锚固，也可采用类似于吊环螺钉或由钢筋弯曲的U形构件系接固定，因此，如果将所述的预压钢索的两头都采用锚固或吊环螺钉系接固定死，那么要达到预设竖向早期刚度的目的，就必须预先计算并严格控制所述预压钢索的长度才能预设的张力，进而达到预设竖向早期刚度的目的。但是，在实际生产调试过程中，要采用控制所述预压钢索长度的方法达到预设竖向早期刚度的目的则存在下述两大难题，一是锚固或系接的过程会产生误差，二是即使控制了锚固或系接的过程所产生误差，但预压钢索在切断、放置过程中还会导致其特性参数的变化。为了解决上述技术难题，本发明的一个改进方案是：

所述竖向隔震支座的两组预压钢索的另一头采用钢索自锁锚具分别固定在驱动压板和底座上；所述的钢索自锁锚具由安装孔、夹爪和防松螺栓构成，其中，

所述的安装孔设在驱动压板或底座上；所述的安装孔由一段锥孔和一段螺纹孔组成，其中所述锥孔位于靠近浮动压板的一侧，且尖头指向浮动压板，所述螺纹孔位于远离浮动压板的一侧；

所述的夹爪为与所述锥孔相匹配圆锥形，并由3～5瓣组成，其体内沿轴线设有夹持预压钢索的装夹孔；

所述的防松螺栓与所述螺纹孔相匹配，且体内沿轴线设有直径大于所述预压钢索直径的圆孔；

所述的夹爪安装在所述锥孔内，防松螺栓安装在所述螺纹孔内。

由上述改进方案可见，将所述两组预压钢索的一头分别固定在所述的浮动压板上，另一头分别由所述的钢索自锁锚具的装夹孔和圆孔中穿出，这样即可把露出的绳头系接在牵引张拉机上，在牵引张拉的同时张紧两组预压钢索，使两块浮动压板之间的距离等于将圆柱形螺旋压缩弹簧压缩至满足早期刚度的长度时，拧动防松螺栓即可推动所述夹爪将预压钢索夹紧并锁死即可；使用时即使在振动过程中两组预压钢索反复张紧、松驰的情况下也不会松动。

本发明的竖向早期刚度可预设的三维隔震装置较现有技术具有以下效果：

(1)在竖直方向上，即可压缩耗能减震，又可拉伸耗能减震；能有效的耗减高层建筑物由于摇摆而对建筑基础产生的巨大拉力；且只需一只弹簧，竖向长度小，稳定性好。

(2)当竖向动载荷大于预设的竖向早期刚度的抵御能力后，本发明中竖向隔震支座的双向弹性变形对称，因此不因竖向载荷的正负方向的变化而影响其压缩变形耗能的效果；

(3)只要改变两组预压钢索的长度即可改变整个装置的竖向早期刚度，外力在克服该竖向早期刚度之前无法使隔震装置产生竖向变形，有效的抑制了建筑物在小地震和弱风振的作用下产生晃动，可预设建筑物的抗风防震等级，显著降低抗风防震成本；

(4)预设早期刚度过程中，所述圆柱形螺旋压缩弹簧的有效工作长度不变，不会改变圆柱形螺旋压缩弹簧原有的特性参数。

(5)可有效缓冲建筑的物摇晃趋势对建筑物基础产生的拉伸和压缩冲击，进一步降低建筑物倾覆的风险。

附图说明

图1～6为本发明所述三维隔振装置的一个具体实施例的结构示意图，其中，图1为主视图(剖视)，图2为图1的A-A剖视图，图3为图1的B-B剖视图，图4为C-C剖视图，图5为图1中局部Ⅰ的放大图，图6为图2中局部Ⅱ的放大图。

图7～9为本发明所述三维隔震装置的第二个具体实施例的结构示意图，其中，图7为主视图(剖视)，图8为图7的D-D剖视图，图9为图7的E-E剖视图。

图10～12为图7～9所示实施例中钢索自锁锚具的结构示意图，其中，图10为主视图(剖视图，图中双点划线示意预压钢索)，图11为俯视图，图12为图10的F-F剖视图。

图13～15为本发明所述三维隔振装置的第三个具体实施例的结构示意图，其中，图13为主视图(剖视)，图14为图13的G-G剖视图，图15为图13的H-H剖视图。

具体实施方式

例1

参见图1，本例中的三维隔震装置由上下串联的叠层橡胶隔震支座和竖向隔震支座组成。

参见图1和图4，所述的叠层橡胶隔震支座包括上连接板14、下连接板15、夹持在上下连接板之间的叠层橡胶垫17和六根抗拉钢索16；其中，所述的上连接板14和下连接板15均呈圆盘状，上连接板14的边缘设有安装孔13；所述叠层橡胶垫17的主体由一层橡胶17-1与一层钢板17-2交替叠合后模压硫化构成，且在模压硫化的过程中其周边自然形成橡胶保护层17-3。所述叠层橡胶垫17主体的上下两端面均设有与至硫化连接在一起的联结钢板17-4，所述两块联结钢板17-4分别与上连接板14和下连接板15通过螺钉固定连接在一起。所述的六根抗拉钢索16绕叠层橡胶垫17的中轴线对称分布在其四周，每一根抗拉钢索16的一头由吊环螺钉12固定在上连接板14上，另一头由吊环螺钉12固定在下连接板15上。每一根抗拉钢索16张紧，使六根抗拉钢索16的张力之和等于本例所述三维隔振装置竖向的设计静载荷，且张紧后，每一根抗拉钢索16均平行于叠层橡胶垫17的中轴线。

参见图1～6，所述竖向隔震支座包括导向套1、底座3、圆柱形螺旋压缩弹簧4和反压装置。

参见图1～3，所述的导向套1为圆管状，其上端向内径向收缩形成起限位和导向作用的环形翼缘2，下端向外径向延伸形成一法兰盘。所述的底座3为圆盘状，四周的边缘设有安装孔13，所述的导向套1通过下端所设的法兰盘固定在其上表面的中部。

参见图1～3，所述的圆柱形螺旋压缩弹簧4设在导向套1内，该圆柱形螺旋压缩弹簧4的上端设有与所述导向套1动配合的驱动压板5。所述下连接板15的中部向所述导向套1内延伸一圆管状的的连接构件15-1，该连接构件15-1的下端与所述的驱动压板5通过螺钉固定连接在一起。

参见图1，下连接板15与环形翼缘2之间以及驱动压板5与环形翼缘2之间设有大于振幅的间隙。

参见图1～6，所述的导向套1内设有反压装置，该反压装置包括两组预压钢索和两块浮动压板；其中，所述的两组预压钢索为由三根预压钢索组成的第一组预压钢索8和由四根预压钢索组成的第二组预压钢索9；所述的两块浮动压板为设在所述驱动压板5与圆柱形螺旋压缩弹簧4之间的第一浮动压板6和设在底座3与圆柱形螺旋压缩弹簧4之间的第二浮动压板7，该两块浮动压板分别与导向套1的内壁动配合；

参见图1～6，所述两组预压钢索分别以直线状态绕导向套1轴线对称分布在所述圆柱形螺旋压缩弹簧4的中心孔内，每一根预压钢索均平行于导向套1轴线，且第一组预压钢索8距导向套轴线的距离小于第二组预压钢索9距导向套轴线的距离；其中，所述第一组预压钢索8的下头分别由吊环螺钉12固定在第二浮动压板7上，上头分别穿过第一浮动压板6由吊环螺钉12固定在所述驱动压板5上；所述第二组预压钢索9的上头分别由吊环螺钉12固定在第一浮动压板6上，下头穿过第二浮动压板7由吊环螺钉12固定在底座3上；所述第一浮动压板6上在每一根第一组预压钢索8穿过的位置设有供其穿越的第一通孔10，该第一通孔10的孔径大于所述第一组预压钢索8的直径；所述第二浮动压板7上在每一根第二组预压钢索9穿过的位置设有供其穿越的第二通孔11，该第二通孔11的孔径大于所述第二组预压钢索9的直径；所述的抗拉钢索和预压钢索的两头由吊环螺钉固定在相应构件上的方法为：将吊环螺钉12固定在相应的构件上，然后将预压钢索的一头系接在吊环螺钉的吊环上，并由钢丝绳夹(图中未画出)固定死。

本例中的所述的抗拉钢索和预压钢索可以是钢丝绳，也可以是预应力钢铰线，具体实施时，可根据实际需要自行选取。

参见图1～3，为了实现可预设竖向早期刚度的目的，上述三维隔震装置安装方法如下：(1)先根据需预设的竖向早期刚度和圆柱形螺旋压缩弹簧4的弹性系数确定圆柱形螺旋压缩弹簧4压缩量，进而计算出每一根预压钢索9满足竖向早期刚度要求的长度；(2)按图1～3将圆柱形螺旋压缩弹簧4、反压装置和驱动压板5连接好，然后反复调节使每一根预压钢索的实际长度与计算长度相等并用常见的钢丝绳夹(图中没显示)固定死，将圆柱形螺旋压缩弹簧4始终夹持在第一浮动压板6与第二浮动压板7之间，为便于操作，此过程中需将圆柱形螺旋压缩弹簧4压缩，露出预压钢索两头的固定点；(3)将步骤(2)装配好的部件放入导向套1内，并将导向套1与底座3固定在一起，将所述叠层橡胶隔震支座的下连接板15与驱动压板5固定在一起；(4)最后按图1和4将叠层橡胶隔震支座的其他部件安装在所述下连接板15的上方，即得所述三维隔震装置。

预设竖向早期刚度时，两组预压钢索的张力之和需大于等于所述三维隔震装置所承受的竖向静载荷。

在理想的条件下，地震的竖向波通过隔震装置向建筑传递时建筑物应该不会发生位移。基于此，本例三维隔震装置竖向隔震的工作原理如下：参见图1，当地震的竖向波所产生的动载荷克服了所述竖向早期刚度时，如果该动载荷沿导向套1的轴线上推底座3，驱动压板5的反作用力便向下压缩圆柱形螺旋压缩弹簧4，底座3随地面上移而建筑物不动；如果该动载荷沿导向套1的轴线下拉底座3，所述两组预压钢索分别牵拉两块浮动压板相对移动压缩圆柱形螺旋压缩弹簧4，而底座3则远离驱动压板5随地面下移，此时建筑物仍然不动。由此可见，当地震纵波使地面发生上下振动时均可压缩圆柱形螺旋压缩弹簧产生弹性变形而耗能。同理，建筑物在风振或水平地震波的作用下摇晃时，无论对其对所述三维隔震装置产生的动载荷是拉力还是压力均可压缩圆柱形螺旋压缩弹簧产生弹性变形而耗能。

例2

本例与例1具有如下区别：

参见图7～9，所述第一组预压钢索8和第二组预压钢索9均由三根预压钢索组成。并且，第一组预压钢索8距导向套轴线的距离等于第二组预压钢索9距导向套轴线的距离。

参见图7～9，所述的第一组预压钢索8的上头和第二组预压钢索9的下头分别采用钢索自锁锚具18替代例1中的吊环螺钉固定在所述驱动压板5和底座3上。

参见图10～12，并结合图7，所述的钢索自锁锚具18由设置在安装板18-1上的安装孔、夹爪18-2和防松螺栓18-4构成，其中，所述安装板18-1即为驱动压板5或底座3。所述的安装孔的轴线与相应的预压钢索所在的直线共线；所述的安装孔由一段锥孔和一段螺纹孔组成，其中所述锥孔位于靠近浮动压板的一侧，且尖头指向所浮动压板，螺纹孔位于远离浮动压板一侧。所述的夹爪18-2为与所述锥孔相匹配圆锥形，并由3瓣组成，其体内沿轴线设有夹持相应预压钢索的装夹孔18-3。所述的防松螺栓18-4与所述螺纹孔相匹配，且体内沿轴线设有直径大于相应预压钢索直径的圆孔18-5。所述的夹爪18-2安装在所述锥孔内，防松螺栓18-4安装在所述螺纹孔内；相应的预压钢索的另一头被夹持在所述的装夹孔18-3内，且末端自对应防松螺栓18-4的圆孔18-5穿出。

按本例的方案将所述竖向隔震支座和叠层橡胶隔震支座的下连接板15组装好，把露出的第一组预压钢索8和第二组预压钢索9的头部系接在牵引张拉机上，在牵引张拉的同时监测圆柱形螺旋压缩弹簧4的压缩量(即为张拉距离)，以便确定两块浮动压板之间的距离；当两块浮动压板之间的距离等于将圆柱形螺旋压缩弹簧4压缩至满足早期刚度的长度时，拧动防松螺栓18-4即可推动所述夹爪18-2将预压钢索夹紧并锁死，从而将圆柱形螺旋压缩弹簧4始终夹持在第一浮动压板6与第二浮动压板7之间；此后，将叠层橡胶隔震支座的其他部分组装好即得本例所述的三维隔震装置。

本例上述以实施方法与例1相同。

例3

参见图13～15，本例与例2的区别在于所述第一组预压钢索8和第二组预压钢索9均由五根预压钢索组成。

本例上述以外的其它实施方式与例2相同。

Claims (3)

1.一种竖向早期刚度可预设的三维隔震装置，该三维隔震装置包括上下依次串接的叠层橡胶隔震支座和竖向隔震支座；其中，

所述的叠层橡胶隔震支座包括上连接板、下连接板、夹持在上下连接板之间的叠层橡胶垫和至少三根均布在叠层橡胶垫四周的抗拉钢索；所述抗拉钢索的一头固定在上连接板上，另一头固定在下连接板上，且上下两固定点的连线平行于所述叠层橡胶垫的中轴线；

所述的竖向隔震支座包括底座，该底座的上表面设有向上延伸的导向套；所述导向套内部同轴设有圆柱形螺旋压缩弹簧，该圆柱形螺旋压缩弹簧的上头设有驱动压板；所述的叠层橡胶隔震支座的下连接板的中部向所述导向套内延伸一圆管状的连接构件，该连接构件与所述的驱动压板固定连接；

其特征在于，

所述竖向隔震支座的导向套内还设有反压装置，该反压装置包括数量分别至少为三根的两组预压钢索和两块浮动压板，其中，

所述的两块浮动压板，一块设在所述驱动压板与圆柱形螺旋压缩弹簧之间，另一块设在底座与圆柱形螺旋压缩弹簧之间；

所述的两组预压钢索分别绕导向套的轴线以直线状态对称分布于所述圆柱形螺旋压缩弹簧的中心孔内，且，一组预压钢索的一头分别固定在与驱动压板相邻的浮动压板上，另一头分别穿过与底座相邻的浮动压板固定在底座上；另一组预压钢索的一头分别固定在与底座相邻的浮动压板上，另一头分别穿过与驱动压板相邻的浮动压板固定在驱动压板上；

所述的浮动压板上在穿过所述预压钢索的位置分别设有穿过该预压钢索的通孔，该通孔的孔径大于所穿设的预压钢索的直径；

张紧两组预压钢索，使两块浮动压板之间的距离等于将圆柱形螺旋压缩弹簧压缩至预设竖向早期刚度的长度；

将所述抗拉钢索张紧，为叠层橡胶垫提供等于设计静载荷的预压力。

2.根据权利要求1所述的一种竖向早期刚度可预设的三维隔震装置，其特征在于，所述的抗拉钢索和预压钢索为钢丝绳或预应力钢铰线。

3.根据权利要求1或2所述的一种竖向早期刚度可预设的三维隔震装置，其特征在于，所述竖向隔震支座的两组预压钢索的另一头采用钢索自锁锚具分别固定在驱动压板和底座上；所述的钢索自锁锚具由安装孔、夹爪和防松螺栓构成，其中，

所述的安装孔设在驱动压板或底座上；所述的安装孔由一段锥孔和一段螺纹孔组成，其中所述锥孔位于靠近浮动压板的一侧，且尖头指向浮动压板，所述螺纹孔位于远离浮动压板的一侧；

所述的夹爪为与所述锥孔相匹配圆锥形，并由3～5瓣组成，其体内沿轴线设有夹持预压钢索的装夹孔；

所述的防松螺栓与所述螺纹孔相匹配，且体内沿轴线设有直径大于所述预压钢索直径的圆孔；

所述的夹爪安装在所述锥孔内，防松螺栓安装在所述螺纹孔内。