CN106677367B - 一种基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座 - Google Patents

Abstract

本发明属于工程结构隔震技术领域，尤其涉及一种基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座；包括可分离相连的上支架单元、水平隔震组件和下支架单元；所述下支架单元设有支撑底板和空心支撑柱，所述上支架单元和所述下支架单元结合形成一个密封腔体，所述水平隔震组件设置于所述密封腔体内部；与传统隔震支座相比，本发明的技术方案综合利用了摩擦材料和STF的剪切增稠特性，使被保护的工程结构同时实现了水平方向和竖直方向上隔震效果，可以适用于任何情况的地震作用，包括近断层长周期地震和位移脉冲等。

Description

一种基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座

技术领域

本发明属于工程结构隔震技术领域，尤其涉及一种基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座。

背景技术

随着科技水平的进步，人们对生活质量的要求也越来越高。然而人类现在的技术依然无法对地震这类自然灾害做出准确的预测。所以有必要研发抗震性能更加优良的建筑结构以提高建筑物的抗震性并减小损失。为此，人们研发了隔震支座。

传统的隔震支座体系通常可分为三类：第一类是叠层橡胶支座隔震体系，包括橡胶支座和铅芯橡胶支座等。这类支座是通过延长结构基本自振周期来实现隔震的，但是由地震长周期成分引起的共振却将不能完全避免，而且这类支座隔震层的造价较高。第二类是摩擦滑移支座隔震体系。这类支座的隔震能力和隔震效果取决于摩擦系数，但由于滑移摩擦层接触面积较大，整个滑移面很难保证水平，从而造成摩擦系数的离散性较大。同时该体系与动静摩擦系数的差异有关，当振动速度不断增加且摩擦阻力减小较大时，就可能出现负刚度的现象，从而不仅造成隔震层滑移量过大，且有时可能出现滑移失稳。第三类是复合隔震支座体系，这类支座主要是利用橡胶支座和滑移支座的并联或串联组成复合隔震体系，该体系发挥了两种隔震的优点。但是，这种复合隔震体系力学模型复杂，且提供的阻尼力有限，尤其是在近震场地的长周期和位移脉冲作用下，工程结构由于隔震层位移较大而遭受破坏。

针对传统隔震支座对由近断层长周期地震引起的工程结构控制效果不理想的问题，许多学者提出利用智能材料对隔震支座的刚度和阻尼进行调节，如电流变弹性体、磁流变液体、磁流变弹性体以及形状记忆合金等。这些智能材料一个共同的特点就是需要外界能量的输入才能引起材料特性的改变，且这个改变过程需要一定的时间，即使是毫秒级响应，地震作用就已经对隔震结构造成了严重的损坏。另外，为了保证给这些智能材料提供足够的外界能量，或者是产生足够诱发条件，这些智能材料构成的橡胶隔震支座一般体积较大、质量较重、成本昂贵、结构复杂以及散热困难等。

为此，有学者研究了瞬间响应的隔震支座。典型的快响应隔震支座如专利申请号201610086440 .2、申请名称《一种STF高耗能滑移支座》中公开的“一种STF高耗能滑移支座，其包括上连接板、叠层钢板柱构件、下连接板与空心柱体，所述上连接板与叠层钢板柱构件连接形成上部构件，所述下连接板与空心柱体的端面连接形成下部构件；所述上部构件与下部构件相互配合，使所述叠层钢板柱构件位于所述空心柱体的内部；所述上连接板、空心柱体、下连接板与所述叠层钢板柱构件形成的空间内填充有STF；所述空心柱体与上连接板之间设有滑动摩擦材料层。”

但是，这种隔震支座只能在水平方向上实现结构抗震，无法使结构在竖直方向上得到有效的保护。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座，旨在解决隔震支座能够在水平方向和竖直方向上同时进行隔震的问题。

本发明是这样实现的，一种基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座，包括可分离相连的上支架单元、水平隔震组件和下支架单元；所述下支架单元设有支撑底板和空心支撑柱，所述上支架单元和所述下支架单元结合形成一个密封腔体，所述水平隔震组件设置于所述密封腔体内部；所述上支架单元的下表面设有竖直隔震组件，所述水平隔震组件相应位置设有贯穿所述水平隔震组件的竖直隔震组件槽，所述竖直隔震组件嵌入所述竖直隔震组件槽中，所述密封腔体内部填充有剪切增稠液，所述上支架单元与所述空心支撑柱之间、所述上支架单元与所述水平隔震组件之间设有滑动层。

本方案主要利用了剪切增稠液的性质进行设计，利用巧妙的结构实现了水平方向和竖直方向上的同时抗震。

剪切增稠液体（以下简称STF），英文名Shear Thickening Fluid，是21世纪初在美英兴起并在中国进一步发展的一种新型防护材料，“剪切增稠液”中自由悬浮着许多特殊粒子，他所包含的纳米球形颗粒是自然界中最坚硬的非金属材料之一它平时呈现柔韧性，而在受到冲击时呈现坚固性。目前作为一种新型的材料广泛使用在人体防护装备中。

利用本方案提供的技术方案，所述基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座充分利用滑动摩擦材料和STF材料的特性，在地震能量不大时，依靠滑动层的滑动摩擦材料耗能减小地震向上部结构输入的能量；在地震能量较大时，包括近断层地震，STF液体受到挤压，通过水平隔震组件和竖直隔震组件之间的运动而产生足够大的阻尼力，从而消耗地震的能量，减小地震的能量向上部结构的输入。所述基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座无须外界能量的输入，依据其振动的速度使STF发生剪切增稠行为，从而为支座提供足够的阻尼来消耗地震的能量，同时支座的空心支撑柱结构也限制了隔震层的滑动位移。在强震作用下，上支架单元通过滑动层发生滑动，进而带动与其连接的水平隔震组件发生水平位置、竖直隔震组件发生竖直位移并挤压STF迫使其发生剪切增稠行为而产生巨大的阻尼力，从而吸收地震的能量。所述空心支撑柱限制了水平隔震组件在地震中滑移量过大的问题，所述竖直隔震组件嵌入所述竖直隔震组件槽中，而竖直隔震组件又和上支架单元固定相连，所以上支架单元也得到了固定。当地震能量超出滑动摩擦材料和STF吸收能力时，水平隔震组件的水平间距限制了上支架单元整体的移动，从而保证所述基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座的水平位移在相关规范允许的范围内，即保证了工程结构安全。因此，本发明可以适用于任何情况的地震作用，包括近断层地震等。

与主动控制的智能隔震支座相比，本发明中的STF是一种智能材料，其仅与剪切应变率有关，在地震冲击作用下，STF能瞬间增稠而增加其阻尼力进行耗能，而滑移支座是摩擦系数越小，其滑动能力越强，因此，两者可以很好的结合起来。

本发明的进一步技术方案是：所述竖直隔震组件设有依次固定连接的上隔震头、连接柱和下隔震头，所述上隔震头与所述上支架单元的下表面相连，所述上隔震头的宽度大于所述连接柱的宽度，所述下隔震头的宽度大于所述连接柱的宽度，所述竖直隔震组件呈现哑铃型。通过哑铃型的设计使得剪切增稠液可以存留在连接柱的四周，这样在竖直隔震组件发生竖直方向的位移时会对连接柱四周的剪切增稠液发生挤压，从而实现抗震。

本发明的进一步技术方案是：所述上隔震头、所述下隔震头、所述连接柱均为圆柱体结构。圆柱形结构没有尖角，容易进行相对位移。

本发明的进一步技术方案是：所述竖直隔震组件上设有多个在竖直方向贯穿所述竖直隔震组件的凹槽。通过凹槽设计使得剪切增稠液可以在整个竖直隔震组件槽内发生流动，方便了液体的填充并增加了可维护性。

本发明的进一步技术方案是：所述竖直隔震组件的长度小于所述水平隔震组件的厚度。该设计使得竖直隔震组件与支撑底板之间还有一部分剪切增稠液，从而进一步增加抗震性能。

本发明的进一步技术方案是：所述空心支撑柱的外表面的横截面为方形，所述密封腔体的横截面也为方形。方形会更好的挤压液体，与液体接触的面积大。

本发明的进一步技术方案是：所述水平隔震组件的横截面为方形。

本发明的进一步技术方案是：所述水平隔震组件包括中心柱、多层以所述中心柱为中心向外延伸的钢板，所述钢板为方形。多层结构的表面积更大，有利于填充更多的剪切增稠液并在抗震时将受力更均匀的分散到各个钢板上，防止部分结构因为受力过大而发生形变或其他事故。其原理是利用滑移摩擦材料减小地震动特性向上部结构传递，如地震剪力和地震加速度，该摩擦材料系数选择应保证在地震能量较小时可充分吸收地震能量；而较大的隔震层水平位移和结构侧向位移则通过水平隔层组件和竖直隔层组件挤压STF迫使其从钢板之间及钢板与上、下支架单元之间的间隙h中流动，依据上、下之间单元间相对速度v，STF剪切速率为v/h。当剪切速率达到发生剪切增稠行为条件时，STF通过剪切增稠行为吸收地震的能量，从而使隔震层水平位移和竖直位移得到限制。

本发明的进一步技术方案是：最下层的所述钢板设有滑动凹槽，所述支撑底板的上表面设有限位凸起，所述限位凸起嵌入所述滑动凹槽中，所述限位凸起的宽度小于所述滑动凹槽。本设计使得水平隔震组件可以发生水平方向上的滑移，并对滑移的距离做出限定，防止滑移过多。

本发明的进一步技术方案是：所述上支架单元与所述空心支撑柱的连接处之间设有密封件。密封件可以防止剪切增稠液外泄。

与现有技术相比，本发明的效果和益处是：与传统隔震支座相比，本发明的技术方案综合利用了摩擦材料和STF的剪切增稠特性，使被保护的工程结构同时实现了水平方向和竖直方向上隔震效果，可以适用于任何情况的地震作用，包括近断层长周期地震和位移脉冲等；具有结构简单、体积较小、质量较轻、成本低廉以及施工方便等优点。此外，本发明的技术方案是一种高耗能的被动控制滑移支座，在地震作用的瞬间，支座就会产生相应的响应，不存在主动控制的智能材料响应时间问题，能更有效的保护主体结构。再者，本发明是被控控制机制，因此，无须外界能量输入设备，也无须考虑各种相关设备存在的问题，如漏磁，漏电，温度散热等。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座的结构的立体剖面图。

图2是本发明实施例提供的基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座的下支架单元立体图。

图3是本发明实施例提供的基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座的水平隔震组件立体图。

图4是本发明实施例提供的基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座的上支架单元立体图。

附图标记：1-上支架单元；2-水平隔震组件；21-竖直隔震组件槽；22-中心柱；23-钢板；24-滑动凹槽；3-下支架单元；31-支撑底板；32-空心支撑柱；33-限位凸起； 41-上隔震头；42-连接柱；43-下隔震头；44-凹槽。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。

具体实施例如图1-4所示。图1是本发明实施例提供的基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座的结构的立体剖面图。从图中可以看出，一种基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座，包括可分离相连的上支架单元1、水平隔震组件2和下支架单元3；所述下支架单元3设有支撑底板31和空心支撑柱32，所述上支架单元和所述下支架单元结合形成一个密封腔体，所述水平隔震组件2设置于所述密封腔体内部；所述上支架单元1的下表面设有体内部填充有剪切增稠液，所述上支架单元与所述空心支撑柱之间、所述上支架单元与所述水平隔震组件之间设有滑动层（图中未示出）。

此外，所述上支架单元与所述空心支撑柱的连接处之间设有密封件（图中未示出）。密封件可以防止剪切增稠液外泄。

图2是本发明实施例提供的基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座的下支架单元立体图。从图中可以更清晰的看到支撑底板31和空心支撑柱32的结构，如图，所述空心支撑柱的外表面的横截面为方形，所述密封腔体的横截面也为方形。方形会更好的挤压液体，与液体接触的面积大。还可以看出支撑底板31上设置的限位凸起33的结构。

图3是本发明实施例提供的基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座的水平隔震组件立体图。从图中可以看出，所述水平隔震组件2的横截面为方形。方形会更好的挤压液体，与液体接触的面积大。

如图，所述水平隔震组件2包括中心柱22、多层以所述中心柱为中心向外延伸的钢板23，所述钢板为方形。多层结构的表面积更大，有利于填充更多的剪切增稠液并在抗震时将受力更均匀的分散到各个钢板上，防止部分结构因为受力过大而发生形变或其他事故。其原理是利用滑移摩擦材料减小地震动特性向上部结构传递，如地震剪力和地震加速度，该摩擦材料系数选择应保证在地震能量较小时可充分吸收地震能量；而较大的隔震层水平位移和结构侧向位移则通过水平隔层组件和竖直隔层组件挤压STF迫使其从钢板之间及钢板与上、下支架单元之间的间隙h中流动，依据上、下之间单元间相对速度v，STF剪切速率为v/h。当剪切速率达到发生剪切增稠行为条件时，STF通过剪切增稠行为吸收地震的能量，从而使隔震层水平位移和竖直位移得到限制。

为了防止震后结构的残余滑移量过大问题，地震的能量通过STF的阻尼力进行消耗，其阻尼力的大小可通过设置与钢板23之间的间隙、钢板23与上支架单元1之间的间隙、钢板23与下支架单元3之间的间隙、以及钢板23的面积而获得。

从图3还可以看出，最下层的所述钢板23设有滑动凹槽24，所述支撑底板的上表面设有限位凸起33，所述限位凸起嵌入所述滑动凹槽中，所述限位凸起的宽度小于所述滑动凹槽。本设计使得水平隔震组件可以发生水平方向上的滑移，并对滑移的距离做出限定，防止滑移过多。

图4是本发明实施例提供的基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座的上支架单元立体图。从图中可以看出，所述竖直隔震组件设有依次固定连接的上隔震头41、连接柱42和下隔震头43，所述上隔震头与所述上支架单元的下表面相连，所述上隔震头的宽度大于所述连接柱的宽度，所述下隔震头的宽度大于所述连接柱的宽度，所述竖直隔震组件呈现哑铃型。通过哑铃型的设计使得剪切增稠液可以存留在连接柱的四周，这样在竖直隔震组件发生竖直方向的位移时会对连接柱四周的剪切增稠液发生挤压，从而实现抗震。

图4中，所述上隔震头、所述下隔震头、所述连接柱均为圆柱体结构。圆柱形结构没有尖角，容易进行相对位移。

从图4可以看出，所述竖直隔震组件上设有4个在竖直方向贯穿所述竖直隔震组件的凹槽44。通过凹槽设计使得剪切增稠液可以在整个竖直隔震组件槽内发生流动，方便了液体的填充并增加了可维护性。

此外，所述竖直隔震组件的长度可以小于所述水平隔震组件的厚度。该设计使得竖直隔震组件与支撑底板之间还有一部分剪切增稠液，从而进一步增加抗震性能。可以根据实际需要的抗震强度对竖直隔震组件的长度、直径、凹槽大小等参数进行设计。

本方案主要利用了剪切增稠液的性质进行设计，利用巧妙的结构实现了水平方向和竖直方向上的同时抗震。

利用本方案提供的技术方案，所述基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座充分利用滑动摩擦材料和STF材料的特性，在地震能量不大时，依靠滑动层的滑动摩擦材料耗能减小地震向上部结构输入的能量；在地震能量较大时，如近断层地震，STF液体受到挤压，通过水平隔震组件和竖直隔震组件之间的运动而产生足够大的阻尼力，从而消耗地震的能量，减小地震的能量向上部结构的输入。所述基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座无须外界能量的输入，依据其振动的速度使STF发生剪切增稠行为，从而为支座提供足够的阻尼来消耗地震的能量，同时支座的空心支撑柱结构也限制了隔震层的滑动位移。在强震作用下，上支架单元通过滑动层发生滑动，进而带动与其连接的水平隔震组件发生水平位置、竖直隔震组件发生竖直位移并挤压STF迫使其发生剪切增稠行为而产生巨大的阻尼力，从而吸收地震的能量。所述空心支撑柱限制了水平隔震组件在地震中滑移量过大的问题，所述竖直隔震组件嵌入所述竖直隔震组件槽中，而竖直隔震组件又和上支架单元固定相连，所以上支架单元也得到了固定。当地震能量超出滑动摩擦材料和STF吸收能力时，水平隔震组件的水平间距限制了上支架单元整体的移动，从而保证所述基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座的水平位移在相关规范允许的范围内，即保证了工程结构安全。因此，本发明可以适用于任何情况的地震作用，包括近断层长周期地震和位移脉冲等。

与主动控制的智能隔震支座相比，本发明中的STF是一种智能材料，其仅与剪切应变率有关，在地震冲击作用下，STF能瞬间增稠而增加其阻尼力进行耗能，而滑移支座是摩擦系数越小，其滑动能力越强，因此，两者可以很好的结合起来。

与传统隔震支座相比，本发明的技术方案综合利用了摩擦材料和STF的剪切增稠特性，使被保护的工程结构同时实现了水平方向和竖直方向上隔震效果，可以适用于任何情况的地震作用，包括近断层长周期地震和位移脉冲等；具有结构简单、体积较小、质量较轻、成本低廉以及施工方便等优点。此外，本发明的技术方案是一种高耗能的被动控制滑移支座，在地震作用的瞬间，支座就会产生相应的响应，不存在主动控制的智能材料响应时间问题，能更有效的保护主体结构。再者，本发明是被控控制机制，因此，无须外界能量输入设备，也无须考虑各种相关设备存在的问题，如漏磁，漏电，温度散热等。

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 (10)

1.一种基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座，其特征在于：包括可分离相连的上支架单元、水平隔震组件和下支架单元；所述下支架单元设有支撑底板和空心支撑柱，所述上支架单元和所述下支架单元结合形成一个密封腔体，所述水平隔震组件设置于所述密封腔体内部；所述上支架单元的下表面设有竖直隔震组件，所述水平隔震组件相应位置设有贯穿所述水平隔震组件的竖直隔震组件槽，所述竖直隔震组件嵌入所述竖直隔震组件槽中，所述密封腔体内部填充有剪切增稠液，所述上支架单元与所述空心支撑柱之间、所述上支架单元与所述水平隔震组件之间设有滑动层。

2.根据权利要求1所述的基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座，其特征在于：所述竖直隔震组件设有依次固定连接的上隔震头、连接柱和下隔震头，所述上隔震头与所述上支架单元的下表面相连，所述上隔震头的宽度大于所述连接柱的宽度，所述下隔震头的宽度大于所述连接柱的宽度，所述竖直隔震组件呈现哑铃型。

3.根据权利要求2所述的基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座，其特征在于：所述上隔震头、所述下隔震头、所述连接柱均为圆柱体结构。

4.根据权利要求3所述的基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座，其特征在于：所述竖直隔震组件上设有多个在竖直方向贯穿所述竖直隔震组件的凹槽。

5.根据权利要求1-4中任一所述的基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座，其特征在于：所述竖直隔震组件的长度小于所述水平隔震组件的厚度。

6.根据权利要求1所述的基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座，其特征在于：所述空心支撑柱的外表面的横截面为方形，所述密封腔体的横截面也为方形。

7.根据权利要求6所述的基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座，其特征在于：所述水平隔震组件的横截面为方形。

8.根据权利要求7所述的基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座，其特征在于：所述水平隔震组件包括中心柱、多层以所述中心柱为中心向外延伸的钢板，所述钢板为方形。

9.根据权利要求8所述的基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座，其特征在于：最下层的所述钢板设有滑动凹槽，所述支撑底板的上表面设有限位凸起，所述限位凸起嵌入所述滑动凹槽中，所述限位凸起的宽度小于所述滑动凹槽。

10.根据权利要求1-4、6-9中任一所述的基于剪切增稠液体的三维高耗能减震支座，其特征在于：所述上支架单元与所述空心支撑柱的连接处之间设有密封件。