CN107605060B - 一种竖向协同隔减振/震装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种竖向协同隔减振/震装置及其使用方法，包括水平设置的上支架和下钢板、竖向夹置在上支架和下钢板之间的螺旋弹簧、同轴置于螺旋弹簧内的组合式粘弹性圆筒阻尼器，上支架包括环向的侧翼板及分别固定在侧翼板上端面和下端面的支架顶板和支架底板，组合式粘弹性圆筒阻尼器包括同轴套装的内套筒、外套筒和高温硫化于内、外套筒之间的粘弹性阻尼层，组合式粘弹性圆筒阻尼器通过内套筒顶部的螺栓穿过并固定于支架底板上，外套筒的底部固定在下钢板上。本发明在弹簧隔振系统的基础上，采用大阻尼比、性能稳定、密封性好、适于工程应用的粘弹性阻尼材料提升装置系统耗能能力，并设计了适于竖向承重结构承受竖向激励的完整弹簧阻尼协同工作系统，发挥优异的隔振、减振作用。

Description

一种竖向协同隔减振/震装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种结构振动控制装置，具体涉及一种竖向隔减振/震装置。

背景技术

结构振动控制是一种新型的抗振/震措施，它是通过在结构中设置减振/震或隔振/震装置来消耗或隔离振/震动能量，或者施加外部的能量以抵消外部激励对结构的作用。在建筑振动控制领域，竖向隔振一直是难以解决的问题。在设计规范中，对于大跨结构、重要建筑设施以及造型不规则的结构，必须考虑竖向地震作用。同时城市轨道交通产生的交通荷载主要以持续性竖向动力激励为主，对邻近建筑产生了不可忽视的振动影响，造成舒适度降低、影响灵敏仪器性能等问题。目前常用的橡胶隔振/震叠层支座的竖向隔振/震性能远低于水平向隔振/震性能，难以满足实际结构中的有效竖向振动控制；弹簧隔振系统更易获得较低的竖向刚度而具有相对较优的竖向隔振性能，但弹簧隔振系统工作状态下近似线弹性，自身不具备任何阻尼特性，意味着其无法耗散能量。有学者提出增设粘滞阻尼改善弹簧隔振系统的阻尼特性，但粘滞阻尼多为液体，密封性存在较大问题，且性能不稳定。另外，弹簧隔振系统还存在摇摆效应问题。

粘弹性材料是一种十分有效的高耗能阻尼材料，其在外力作用下，同时存在弹性和粘性两种力学特性，在较宽的频带范围内均具有较高的阻尼且具有刚度。在振动控制领域中，常常利用粘弹性材料的往复剪切变形，将振动能量以材料热能的形式耗散掉，使得结构阻尼加大。粘弹性材料为弹簧隔振系统增加耗能能力提供了新思路，解决了粘滞阻尼密封性差性能不稳定的问题，但由于建筑竖向隔振/震机构不仅要承受动荷载还需要首先满足静荷载(如建筑自重等)，粘弹性材料在静载下长期承受变形容易导致撕裂脱落，影响结构性能。大部分装置未能考虑实际工作状态下，建筑静载产生的静位移对粘弹性材料变形的不利影响，或虽考虑了实际情况但设计过于复杂。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种竖向协同隔减振/震装置及其使用方法，将粘弹性阻尼应用于弹簧隔振系统，并设计静载动载双工作机制，实现高效的竖向隔振、耗能，机构简单，易于应用。

技术方案：本发明提供了一种竖向协同隔减振/震装置，包括水平设置的上支架和下钢板、竖向夹置在上支架和下钢板之间的螺旋弹簧、同轴置于螺旋弹簧内的组合式粘弹性圆筒阻尼器，其中，所述上支架包括环向的侧翼板及分别固定在侧翼板上端面和下端面的支架顶板和支架底板，所述组合式粘弹性圆筒阻尼器包括同轴套装的内套筒、外套筒和高温硫化于内、外套筒之间的粘弹性阻尼层，所述组合式粘弹性圆筒阻尼器通过内套筒顶部的螺栓穿过并固定于支架底板上，外套筒的底部固定在下钢板上。

为了方便的透过侧翼板去拧紧穿过支架底板的螺栓，所述侧翼板开设有预留缺口，便于伸入操作。

所述支架底板和下钢板的对置面上分别固定有对应的上、下螺纹套筒，所述上、下螺纹套筒各自在靠近支架底板和下钢板一端的内周设有螺纹，另一端的内径大于螺纹内径，每对上、下螺纹套筒之间供一个螺旋弹簧旋拧于其中，上下螺纹套筒之间留有足够工作空间保证螺旋弹簧的自由工作变形。

为了保证组合式粘弹性圆筒阻尼器在弹簧内部起到导杆的作用，所述组合式粘弹性圆筒阻尼器的外周与螺旋弹簧的内壁之间留有2～10mm的间隙。

为了留有一定相对运动空间，所述内套筒和粘弹性阻尼层的底端高于外套筒的底端5～15mm。

为了实现多维隔减振，所述下钢板可与水平隔振装置相连。

所述内套筒的底端与支架底板之间保持距离，所述距离由隔减振/震装置上部受控结构在静载下的位移量确定。

一种竖向协同隔减振/震装置的使用方法，包括以下步骤：

在结构底部安装竖向协同隔减振/震装置，此时仅有螺旋弹簧将随着上部结构的建造或荷载的施加产生相应的竖向位移，当上部结构建造完成即静载施加完成，弹簧产生最大静位移为组合式粘弹性圆筒阻尼器中内套筒与支架底板之间的距离，支架底板抵住内套筒顶面，此时，拧紧支架底板上螺栓的螺帽，将上支架、螺旋弹簧、组合式粘弹性圆筒阻尼器连接成为整体，在动态激励下共同变形，协同工作。

有益效果：本发明的竖向协同隔减振/震装置，在弹簧隔振系统的基础上，采用大阻尼比、性能稳定、密封性好、适于工程应用的粘弹性阻尼材料提升装置系统耗能能力，并设计了适于竖向承重结构承受竖向激励的完整弹簧阻尼协同工作系统，发挥优异的隔振、减振作用，具体体现在以下几个方面：

一方面，本发明装置更易获得较小的竖向刚度达到更优的竖向隔振效果，而增设的粘弹性阻尼具有较大的阻尼比，圆筒阻尼器具有更大的剪切面积，从而显著提高了装置的阻尼比，使得装置既能隔振又能减振，同时粘弹性阻尼材料同时具有阻尼和刚度，性能更加稳定，且不存在粘滞阻尼密封性不良的问题，更加适于工程应用。

另一方面，考虑弹簧、粘弹性阻尼特性及建筑竖向承载机制，设计了对应的协同工作系统，上支架和阻尼器中的长螺杆设计实现了装置的双工作机制：静力荷载下弹簧独立承重，动力荷载下弹簧内部组合式粘弹性圆筒阻尼器进入工作状态与弹簧协同工作。这种设计使得阻尼器内的粘弹性阻尼材料受力更加合理，保护其在静载下不受过大变形，并提升了粘弹性阻尼层的疲劳受力性能，而且实施非常简便，易于控制。

第三方面，弹簧连接套筒一端带有螺纹，另一端具有更大的内径且无螺纹，实现了螺旋弹簧与装置上下钢板连为整体，由于上下两端存在约束，水平作用下能够增加螺旋弹簧侧向刚度，有效改善弹簧隔振系统的摇摆效应问题。

附图说明

图1为本发明装置的剖面图；

图2为本发明装置工作机制示意图；

图3为本装置与水平隔振/震机构的连接构成多维隔减振/震结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：如图1、2所示，一种竖向协同隔减振/震装置，包括上下对应且水平设置的上支架1和下钢板2、以及均匀分布夹置于上支架1、下钢板2之间的若干组螺旋弹簧3和组合式粘弹性圆筒阻尼器5。

上支架由支架顶板7、支架底板8和侧翼板9组成，支架顶板7和支架底板8一上一下相互平行，侧翼板9是一个环状板，支架顶板7和底板8分别封闭在侧翼板9的上端面和下端面并固定成一体。

上支架1的底面和下钢板2的顶面设有位置上下对应的上、下螺纹套筒4，上、下螺纹套筒4各自在靠近上支架1和下钢板2一端的内周设有螺纹，套筒4另一端的内径相较于螺纹内径更大，且无螺纹，能够增加螺旋弹簧3的侧向刚度。每对上、下螺纹套筒4之间供一个螺旋弹簧3置于其中，螺旋弹簧3的两端与上、下螺纹套筒4内的螺纹旋拧紧固，从而与上支架1、下钢板2连接成为整体。上、下螺纹套筒4之间的距离应根据具体的工程实际，保证螺旋弹簧3具有足够的变形工作空间。

每个螺旋弹簧3内同轴安装一个组合式粘弹性圆筒阻尼器5，一方面充当螺旋弹簧3的方向导杆，另一方面充分利用了空间面积，组合式粘弹性圆筒阻尼器5的外周与螺旋弹簧3的内壁之间留有2～10mm的间隙。组合式粘弹性圆筒阻尼器5包括同轴套装的内套筒11、外套筒12和高温硫化于内、外套筒之间的粘弹性阻尼层13，外套筒12的底部通过螺栓14固定在下钢板2上。内套筒11的顶面预留有螺纹孔，长螺杆6从螺纹孔中旋紧穿过，向上直达支架底板8并穿过支架底板8，在支架底板8上板面用配套六角螺帽旋紧，为此，侧翼板9上可挖设有一个预留缺口10连通侧翼板内外空间，以便为旋拧螺帽提供便利，缺口10的大小在满足工作空间的前提下应尽量缩小，并应尽量保证侧翼板9的上端连通，以保证上支架1的竖向承载性能。支架顶板7与支架底板8中间的距离X2应能保证装置在最大压位移下，长螺杆6不能抵碰到支架顶板7，当为了减小上支架1的总高度时，可将上支架顶板7对应螺杆6的位置挖空，但螺杆头不能超出上支架顶板上表面。

内套筒11与上支架底板8之间保持距离X1，该距离由上部结构产生的最大静位移确定。由于阻尼层13可伸缩，內套筒11和粘弹性阻尼层13的底端高于外套筒的底端5～15mm，使得内套筒11有向下受力运动空间，与粘弹性阻尼层13产生相对位移，实现粘弹性阻尼材料剪切耗能，如图2所示。

另外，本发明装置主要针对竖向振动控制，但可通过连接水平隔振装置构成多维隔减振/震装置，本装置自身也可并联成为一个大的隔减振/震装置，如图3所示，这在实际工程中也是完全可行的。

本实施例装置的工作原理包括以下几个方面：

本发明装置由螺旋弹簧3与组合式粘弹性圆筒阻尼器5并联构成，从总体性能上讲，螺旋弹簧3具有较小的竖向刚度可以获得更优的隔振效果，组合式粘弹性圆筒阻尼器5提供大阻尼，提高了装置阻尼比，实现耗散能量减小振动。同时，组合式粘弹性圆筒阻尼器5与上支架1的设计使得装置更加适合竖向承载机制，既满足了结构承载要求，又实现了动力激励下阻尼器高效工作的要求。

当装置安置于结构底部，在结构自重作用下将产生一定的静位移，这一部分静载作用由螺旋弹簧3独自承担，螺旋弹簧3也将产生相应的位移变形。此时螺旋弹簧3内部的组合式粘弹性圆筒阻尼器5不参与工作，上支架1在竖向压力作用下沿长螺杆下移，直至达到最大静载位移变形。此时将上螺杆6的六角螺帽向下旋拧至上支架顶板7的表面，旋紧，将上支架1、螺旋弹簧3及组合式粘弹性圆筒阻尼器5连接成为一个整体。

存在竖向振动外激励(如轨道交通激励、地震激励，等)时，装置将进入动力荷载下的工作状态。螺旋弹簧3及组合式粘弹性圆筒阻尼器5将共同受拉受压，协同工作，粘弹性阻尼层13将与内圆套筒11、外圆套筒12产生相对位移，耗能减振。本装置的设计，既能隔振又能减振耗能，另外，设计使得粘弹性阻尼层仅在动力激励下产生相对变形，保证了其阻尼性能实现耗能减振目的的同时也保护了其在静载下不产生过大变形避免其撕裂脱开，更加适合于竖向振动控制。同时，装置简便易行，鲁棒性强。

Claims (8)

1.一种竖向协同隔减振/震装置，其特征在于：包括水平设置的上支架和下钢板、竖向夹置在上支架和下钢板之间的螺旋弹簧、同轴置于螺旋弹簧内的组合式粘弹性圆筒阻尼器，其中，所述上支架包括环向的侧翼板及分别固定在侧翼板上端面和下端面的支架顶板和支架底板，所述组合式粘弹性圆筒阻尼器包括同轴套装的内套筒、外套筒和高温硫化于内、外套筒之间的粘弹性阻尼层，所述组合式粘弹性圆筒阻尼器通过内套筒顶部的螺栓穿过并固定于支架底板上，外套筒的底部固定在下钢板上。

2.根据权利要求1所述的竖向协同隔减振/震装置，其特征在于：所述侧翼板开设有预留缺口。

3.根据权利要求1所述的竖向协同隔减振/震装置，其特征在于：所述支架底板和下钢板的对置面上分别固定有对应的上、下螺纹套筒，所述上、下螺纹套筒各自在靠近支架底板和下钢板一端的内周设有螺纹，另一端的内径大于螺纹内径，每对上、下螺纹套筒之间供一个螺旋弹簧旋拧于其中。

4.根据权利要求1或3所述的竖向协同隔减振/震装置，其特征在于：所述组合式粘弹性圆筒阻尼器的外周与螺旋弹簧的内壁之间留有2~10mm的间隙。

5.根据权利要求1所述的竖向协同隔减振/震装置，其特征在于：所述内套筒和粘弹性阻尼层的底端高于外套筒的底端5~15mm。

6.根据权利要求1所述的竖向协同隔减振/震装置，其特征在于：所述下钢板与水平隔振装置相连。

7.根据权利要求1所述的竖向协同隔减振/震装置，其特征在于：所述内套筒的底端与支架底板之间保持距离，所述距离由隔减振/震装置上部受控结构在静载下的位移量确定。

8.根据权利要求1~7任意一条所述的竖向协同隔减振/震装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

在结构底部安装竖向协同隔减振/震装置，此时仅有螺旋弹簧将随着上部结构的建造或荷载的施加产生相应的竖向位移，当上部结构建造完成即静载施加完成，弹簧产生最大静位移为组合式粘弹性圆筒阻尼器中内套筒与支架底板之间的距离，支架底板抵住内套筒顶面，此时，拧紧支架底板上螺栓的螺帽，将上支架、螺旋弹簧、组合式粘弹性圆筒阻尼器连接成为整体，在动态激励下共同变形，协同工作。