CN106969077A - 一种复合式三向智能隔震支座 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合式三向智能隔震支座，适用于房屋建筑、桥梁、重要文物底座及其它不同隔震体系。六根形状记忆合金通过固定套管上部连接棱形钢顶板，下部连接喷涂阻尼材料的棱形钢底板，同时棱形钢底板上的六块碟形弹簧与智能摩擦盘共同支撑棱形钢顶板。支座受到水平地震作用时，上、下两层钢板发生水平相对移动，形状记忆合金提供较大的恢复力，并带动摩擦盘通过压电驱动器电致形变改变螺栓锚固力，发挥智能调节水平摩擦耗能作用；支座受到竖向地震作用时，碟形弹簧承受负载变形，储存一定的势能从而消耗竖向地震力。本发明的复合式三向智能隔震支座，可有效解决结构的三向隔震问题，为建筑结构的安全以及重要文物的保护提供保障。

Description

一种复合式三向智能隔震支座

技术领域

本发明涉及一种结构振动控制隔震装置，特别是涉及一种复合式三向智能隔震支座，可用于房屋建筑、桥梁、文物底座等其他不同结构的隔震体系。

背景技术

地震作为一种自然灾害，易造成各类建(构)筑物坍塌、重要文物破坏、交通通讯中断以及其他生命线工程破坏进而导致人类生命与财产的损失。我国是一个地震多发国家，据相关资料统计，我国地震发生次数约占全球大陆地震总次数的33％，平均每年发生5级以上地震30余次，6级以上强震6次，7级以上大震1次。同时由于地质构造等原因，导致我国地震活动具有震源浅、强度大、频度高、分布广等特征，对公民人身财产安全及社会经济发展造成严重危害。

传统上部结构和基底连为一体，地震时地面运动的能量经基底传输至上部结构，结构通过振动和变形耗散能量。隔震技术是在结构的基底与上部结构之间增加一层柔性装置，地震时地面运动的能量部分被柔性装置耗散，从而减少了向地上结构传输的能量，降低上部结构的损坏程度，保障了上部结构和内部人员、设备、重要文物的安全。大量地震灾害和研究结果表明：在水平耗能方面，传统隔震支座由于阻尼方式单一、耗能出力恒定等缺陷，造成支座耐久性能以及水平耗能效果不显著；同时竖向地震作用对结构的影响同样不能忽视，由于结构大多竖向刚度较大,其竖向基本周期与竖向地震波作用周期相近，导致竖向地震作用危害性可能将超过水平向地震作用。

现今市场上的隔震装置主要以橡胶隔震支座、滑移隔震支座等为主，具有可靠水平耗能以及竖向隔震的装置也少有报道；对于三维隔震体系国内外也有初步研究，但基本都停留在理论阶段，具体应用经历以及抗拔抗震性能研究也少有报道。

发明内容

本发明针对现今隔震装置水平隔震性能不显著、竖向隔震考虑较少的问题，提出了一种复合式三向智能隔震支座的设计。该隔震支座主要由形状记忆合金、智能摩擦盘、碟形弹簧三大核心体系组成，在水平地震作用下，形状记忆合金以及智能摩擦盘产生该向的减振效果；在竖向地震作用下，碟形弹簧提供该向的隔震作用。并且该支座的各大部件均可提供足够的刚度，并在地震时可迅速做出反应。

本发明目的是通过以下技术方案实现的：

一种复合式三向智能隔震支座，所述隔震支座是由形状记忆合金、固定套管、螺栓、支撑铰接链杆、棱形钢顶板、压电材料板、内摩擦板、外摩擦板、智能摩擦盘、棱形钢底板、碟形弹簧、碟形弹簧套箍、外侧位移限制箍、套箍翼缘、压电驱动器、驱动器垫片、紧固螺栓等组成，棱形钢底板与棱形钢顶板在两者垂直投影面上完全重合，六根形状记忆合金通过固定套管以及支撑铰接链杆上部连接棱形钢顶板，下部连接喷涂阻尼材料的棱形钢底板，同时棱形钢底板上的六块碟形弹簧与智能摩擦盘共同支撑棱形钢顶板。于棱形钢底板上正中位置焊接有半径为棱形钢底板边长1.4倍的圆形外侧位移限制箍，外侧位移限制箍范围内的底板上喷涂阻尼涂料；于棱形钢底板与碟形弹簧正中部焊接有半径与碟形弹簧半径相同的碟形弹簧套箍，并均通过铆钉或螺栓加固。

为使形状记忆合金与上、下钢板连接更加紧密，所述顶板以及底板六角处分别焊接有六根固定套管以及支撑铰接链杆，固定套管半径可根据实际工程确定，下部截面圆心分别位于底板对角线与外侧位移限制箍相交的六个点上，上部截面圆心分别位于顶板对角线上边缘的六个点上。

为达到最佳的水平恢复力作用，所述形状记忆合金高度等于碟形弹簧与智能摩擦盘高度之和。

为提高摩擦盘的耐久性能，所述智能摩擦盘厚度不小于20mm，一面抛光磨平，另一面则有便与碟形弹簧相连的焊接孔。

为限制碟形弹簧最大变形量，所述外侧位移限制箍的高度不小于碟形弹簧套箍的高度，两者高度相差值作为碟形弹簧竖向变形限值；

为防止碟形弹簧发生滑移失稳现象，所述碟形弹簧套箍由内径与碟形弹簧外径相同的筒体和带有螺栓孔的套箍翼缘组成。

为充分利用形状记忆合金材料性能，所述形状记忆合金采用NiTi合金(马氏体)制作，与两侧固定套管通过焊接连接，固定套管则通过支承铰接链杆与上下两层钢板焊接连接。

为充分利用碟形弹簧材料性能，所述碟形弹簧组合方式为对合组合，其上端通过螺栓与智能摩擦盘连接，下端与棱形钢底板焊接相连。

为取得最佳的摩擦盘智能摩擦耗能作用，智能摩擦盘拟采用五层结构叠加组合,自上而下依次为外摩擦板、内摩擦板、圆形芯板、内摩擦板、外摩擦板。五层结构厚度均相同，各层摩擦板采用聚四氟乙烯材料制作，五层材料板通过三个螺栓连接，每个螺栓上部各自安装一个压电驱动器；在受力过程中，压电驱动器通过上下两层钢板相对位移产生输入电压，使得驱动器垫片发生电致形变，从而调节紧固螺栓锚固力，智能控制摩擦盘摩擦力。

为加强螺栓与摩擦板间滑动效应，于各层磨擦板以及圆形芯板分别设计三个圆弧槽孔构造，圆弧槽孔宽度与滑动螺栓直径相适配。

为达到最佳的压电性能，所述压电材料板采用环氧IPNs/碳纳米管压电材料制作，取PU组份为环氧的50％。

为降低驱动器所需电压，压电驱动器采用多层压电材料片叠加方式。

本发明相对于现有隔震技术具有以下优点：

1、本发明易实现，理论简单，容易被工程人员接受，且材料易得到，较为便宜，适合大部分抗震建筑使用；

2、本发明构造简单，传力明确，体系稳定，当地震发生时能够迅速反应，充分发挥隔震支座减震效果；

3、本发明中形状记忆合金在上下两层钢板发生相对移动时，产生较大的恢复力，从而保证隔震支座的复位性能；

4、本发明可智能调节摩擦片间摩擦力大小，改善传统隔震支座减震效果单一有限的情况，且增强隔震支座耐久性，使得维修成本降低；

5、本发明中碟形弹簧与压电摩擦板搭配使用，横向与竖向共同隔震，解决三向隔震问题，为抗震结构保驾护航。

附图说明

图1为本发明组装后的立体图；

图2为本发明组装后的剖面图；

图3为形状记忆合金的温度-应力曲线图；

图4为压电材料驱动器模型图；

图5为智能摩擦盘构造图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的一种复合式三向智能隔震支座做进一步的详细说明。

如图1和图2所示，本发明中棱形钢底板10与棱形钢顶板5在垂直投影面上完全重合，当二者发生相对移动时，形状记忆合金1连接着棱形钢顶板5并带动智能摩擦盘9在碟形弹簧11范围内与喷涂阻尼材料的棱形钢顶板5间发生摩擦移动，同时棱形钢底板10上的碟形弹簧11对棱形钢顶板5起支撑作用，并可在支撑域内做相应移动。棱形钢底板10为六边形钢板，其上正中位置焊接有碟形弹簧11，碟形弹簧11半径取棱形钢底板10边长的0.2倍，当智能摩擦盘9在其内相对滑动时，起到使相对移动控制在一定范围内的作用，同时碟形弹簧11范围内的底板上喷涂阻尼涂料。顶板以及底板六角处焊接有六根支撑铰接链杆4，由合金钢焊接而成，防止形状记忆合金1因顶板在压力作用下因刚度不够发生变形，保证隔震支座受力均匀。顶板以及底板六角处分别焊接有六根固定套管2，其半径可根据实际工程确定，下部截面圆心分别位于底板对角线与外侧位移限制箍13相交的六个点上，上部截面圆心分别位于顶板对角线上边缘的六个点上。形状记忆合金1高度等于碟形弹簧11与智能摩擦盘9高度之和。智能摩擦盘9厚度不小于20mm，其与顶板接触的一面打磨剖平，另一面焊接于六块碟形弹簧11上并加固；摩擦盘9拟采用五层结构叠加组合,自上而下依次为外摩擦板8、内摩擦板7、圆形芯板6、内摩擦板7、外摩擦板8，五层结构厚度均相同，各层摩擦板采用聚四氟乙烯材料制作，五层材料板通过三个螺栓连接，每个螺栓上部各自安装一个压电驱动器15；压电驱动器15采用多层压电材料片叠加方式，压电驱动器15采用环氧IPNs/碳纳米管压电材料制作，为发挥最佳的压电性能，取PU组份为环氧的50％。于各层磨擦板以及圆形芯板6分别设计三个圆弧槽孔构造，圆弧槽孔宽度与滑动螺栓直径相适配。形状记忆合金1在碟形弹簧11的可移动范围与智能摩擦盘9在外侧位移限制箍13内的可移动范围一致，最大移动距离为0.2倍的顶板边长，以保证智能摩擦盘9不受移限制可自由滑动。于棱形钢底板10与碟形弹簧11正中部焊接有碟形弹簧相同半径的碟形弹簧套箍12，并均通过铆钉或螺栓加固。所述外侧位移限制箍13的高度不小于碟形弹簧套箍12的高度，两者高度相差值作为碟形弹簧竖向变形最大值；碟形弹簧套箍12由内径与碟形弹簧11外径相同的筒体和带有螺栓孔的套箍翼缘14组成，碟形弹簧套箍12材质为钢材，主要起到辅助限制，通过螺栓或铆钉将翼缘板固定到钢底板上。棱形钢底板10、棱形钢顶板5六边钻取螺栓孔，便于与结构相连接。

本发明也可根据实际工程确定支座尺寸，各构件尺寸也可做相应合理调整，各部件制作完成后，碟形弹簧套箍12、外侧位移限制箍13、智能摩擦盘9表面进行剖光打磨处理。再将支撑铰接链杆4与上下两板、外侧位移限制箍13与棱形钢底板10、棱形钢顶板5与智能摩擦盘9、智能摩擦盘9与碟形弹簧11、碟形弹簧11与棱形钢底板10分别采用焊接连接。其中支撑铰接链杆4与上下两板在焊接前先将形状记忆合金1套于固定套管2上，待焊接完成后，将碟形弹簧套箍7用螺栓或铆钉进一步加固在棱形钢底板10上。并在底板上碟形弹簧11所围的范围内喷涂阻尼涂料，在顶板上智能摩擦盘9内涂抹润滑剂。将棱形钢底板10等下部构件和棱形钢顶板5等上部构件嵌套后，通过螺栓锚固于建筑结构上，即完成安装。

本发明易实现，理论简单，容易被工程人员接受，且材料易得到，较为便宜；构造简单，方便安装，各构件受力均匀，传力明确，体系稳定，便于加工，当地震发生时能够迅速反应；形状记忆合金可提供较大的恢复力，从而保证隔震支座的复位性能；可智能调节摩擦片间摩擦力大小，改善传统隔震支座减震效果单一有限的情况；碟形弹簧与压电摩擦板搭配使用，横向与竖向共同隔震，解决三向隔震问题。为建筑结构的安全以及重要文物的保护提供保障。

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)

1.一种复合式三向智能隔震支座，其特征在于，包括形状记忆合金(1)、固定套管(2)、螺栓(3)、支撑铰接链杆(4)、棱形钢顶板(5)、智能摩擦盘(9)、棱形钢底板(10)、碟形弹簧(11)、碟形弹簧套箍(12)和外侧位移限制箍(13)，所述棱形钢顶板(5)与棱形钢底板(10)的垂直投影面重合；所述形状记忆合金(1)设有六根，分别通过固定套管(2)和支撑铰接链杆(4)连接棱形钢顶板(5)和棱形钢底板(10)；所述棱形钢底板(10)上设有六块碟形弹簧(11)，所述碟形弹簧(11)分别通过智能摩擦盘(9)连接棱形钢顶板(5)，所述棱形钢底板(10)上还设有圆形外侧位移限制箍(13)，所述外侧位移限制箍(13)内部范围的棱形钢底板(10)上喷涂阻尼材料；所述碟形弹簧(11)的外围分别设有与之相适配的碟形弹簧套箍(12),所述碟形弹簧套箍(12)与棱形钢底板(10)固定连接。

2.如权利要求1所述的一种复合式三向智能隔震支座，其特征在于：所述智能摩擦盘(9)由五层结构叠加组成,自上而下依次为外摩擦板(8)、内摩擦板(7)、圆形芯板(6)、内摩擦板(7)、外摩擦板(8)；所述智能摩擦盘(9)的五层摩擦板厚度均相同，各层摩擦板采用聚四氟乙烯材料制作；所述智能摩擦盘(9)的五层摩擦板通过三个紧固螺栓(17)连接，每个紧固螺栓(17)上各设有一个压电驱动器(15)和驱动器垫片(16)。

3.如权利要求2所述的一种复合式三向智能隔震支座，其特征在于：所述碟形弹簧套箍(12)下部设有套箍翼缘(14)，所述套箍翼缘(14)上设有螺栓孔；所述碟形弹簧套箍(12)通过铆钉或螺栓与棱形钢底板(10)固定连接。

4.如权利要求3所述的一种复合式三向智能隔震支座，其特征在于：所述外侧位移限制箍(13)的半径为棱形钢底板(10)边长的1.4倍；所述外侧位移限制箍(13)的高度不小于碟形弹簧套箍(12)的高度。

5.如权利要求4所述的一种复合式三向智能隔震支座，其特征在于：所述形状记忆合金(1)高度为碟形弹簧(11)与智能摩擦盘(9)高度之和；所述智能摩擦盘(9)的上表面抛光磨平，下部设有与碟形弹簧(11)相连的螺栓孔，所述智能摩擦盘(9)的厚度不小于20mm。

6.如权利要求5所述的一种复合式三向智能隔震支座，其特征在于：所述形状记忆合金采用NiTi合金(马氏体)制作，与两侧固定套管(2)通过焊接连接，固定套管(2)则通过支承铰接链杆(4)与上下两层钢板焊接连接。

7.如权利要求6所述的一种复合式三向智能隔震支座，其特征在于：所述碟形弹簧(11)的组合方式为对合组合，其上端与智能摩擦盘(9)焊接，下端与棱形钢底板(10)焊接。

8.如权利要求7所述的一种复合式三向智能隔震支座，其特征在于：所述压电驱动器(15)为多层压电材料片叠加方式构成，所述压电材料为环氧IPNs/碳纳米管压电材料，其中PU组份为环氧的50％。

9.如权利要求8所述的一种复合式三向智能隔震支座，其特征在于：所述智能摩擦盘(9)的磨擦板以及圆形芯板(6)分别设有三个圆弧槽孔，圆弧槽孔宽度与滑动螺栓直径相适配。

10.如权利要求9所述的一种复合式三向智能隔震支座，其特征在于：所述棱形钢顶板(5)以及棱形钢底板(10)六角处分别焊接有六根固定套管(2)以及支承铰接链杆(4)，所述固定套管(2)下部截面圆心分别位于底板对角线与外侧位移限制箍(13)相交的六个点上，上部截面圆心分别位于顶板对角线上边缘的六个点上。