CN108425433A - 一种自适应刚度特性运动解耦式三维隔震/振支座 - Google Patents

一种自适应刚度特性运动解耦式三维隔震/振支座 Download PDF

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Abstract

本发明为一种自适应刚度特性运动解耦式三维隔震/振支座，主要部分包括上连接板、中作板、下连接板、碟形弹簧、压缩弹簧、预压弹簧、叠层铅芯橡胶支座和黏滞阻尼器。上连接板、中作板和下连接板采用高强度低碳钢制作，具有较高的承载能力。上连接板和中作板相互咬合，起到运动导向作用。碟形弹簧、压缩弹簧、预压弹簧、叠层铅芯橡胶支座及黏滞阻尼器共同组成竖向隔震/振系统。叠层铅芯橡胶支座，预压弹簧及黏滞阻尼器组成水平向隔震/振系统。本发明属于一种被动的自适应性振动控制手段，可用于受环境振动影响建筑，且在隔离环境振动的同时可以具有隔离地震动的效果。

Description

一种自适应刚度特性运动解耦式三维隔震/振支座
技术领域
本发明涉及一种自适应刚度特性运动解耦式三维隔震/振支座，属于建筑结构隔震/振领域。
背景技术
基础隔震技术被看作是20世纪地震工程领域最重要的技术进步之一，在世界范围内得到了较为广泛的应用。隔震技术的基本原理是通过在建筑底部设置隔震支座，得到水平刚度较小的隔震层，通过滤波效应减小上部结构地震加速度响应。并通过在隔震层设置耗能装置吸收消耗地震动能量。现代隔震技术已有近60年的历史，属于一种被动的振动控制技术。
然而，目前已有的传统建筑隔震支座存在以下的不足：一是不能隔离竖向地震/振动以及水平向微振动。大量震害观察及有限元分析表明，竖向地震作用能导致结构竖向承压构件受压破坏。随着城市轨道交通发展，地铁等环境振动，尤其是微振动的竖向分量会对人们的居住舒适度产生较为严重的影响。二是传统的隔震支座在水平方向上存在着取得较好的隔震效果和控制隔震层极限位移的矛盾。通常来说，设置水平刚度更小的隔震层，能取得更好的隔震效果。但同时，过小的水平刚度会导致过大的隔震层位移，在大震作用下结构的安全性难以保障。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种自适应刚度特性运动解耦式三维隔震/振支座，能够对竖向地震和环境微振动以及水平向地震动等具有良好的隔震/振效果。
本发明提出的一种自适应刚度特性运动解耦式三维隔震/振支座，包括上连接板、中作板、下连接板、碟形弹簧、压缩弹簧、叠层铅芯橡胶支座、预压弹簧和黏滞阻尼器，其中：叠层铅芯橡胶支座位于下连接板和中作板之间，中作板上开有第一凹槽，压缩弹簧一端伸入中作板第一凹槽部位，碟形弹簧套于压缩弹簧外，碟形弹簧放置于中作板上方，上连接板底部开有第二凹槽，压缩弹簧另一端伸入上连接板第二凹槽的内套筒内，内套筒用以防止内部压缩弹簧受压失稳，中作板两侧对称布置有黏滞阻尼器，黏滞阻尼器的两端分别通过球形铰固定于上连接板底部和下连接板顶部，预压弹簧套于黏滞阻尼器外，预压弹簧能够容许上连接板和下连接板之间的任意方向水平运动；叠层铅芯橡胶支座中部设置有铅芯，能同时耗散水平运动和竖向运动的能量；在三维隔震/振支座竖向，碟形弹簧和压缩弹簧并联，当在重力平衡位置附近工作时，碟形弹簧提供竖向的负刚度，压缩弹簧提供正刚度，两者叠加后可以使系统竖向处于准零刚度；在三维隔震/振支座水平向，叠层铅芯橡胶支座和预压弹簧并联，三维隔震/振支座水平向运动较小时，能为系统提供水平负刚度，以减小系统的水平刚度；当三维隔震/振支座位移较大时，预压弹簧提供正刚度，所述水平向隔震/振系统通过预先设计预压弹簧的压缩量，使得水平向隔震/振系统具有与水平位移相关的自适应刚度特性。
本发明中，黏滞阻尼器和铅芯能同时为支座的竖向和水平向运动消耗能量。
本发明中，上连接板和中作板相互咬合，实现了运动导向设计。
本发明中，支座在静止和运动状态时，碟形弹簧，压缩弹簧和预压弹簧共同承载上部结构。
本发明中，预压弹簧两端分别与球形铰端部焊接连接，预压弹簧可受拉。
本发明中，通过上连接板和中作板咬合设计，将上连接板和中作板之间的相对水平位移和转角锁死，仅能产生竖向位移，使支座竖向运动和水平向运动的解耦。实现运动解耦的目的一是能使竖向隔震/振系统和水平向隔震/振系统相对独立工作，二是使支座在地震作用下，上作板和中作板之间没有相对水平向位移和转角，避免支座过大的摇摆作用。
本发明中，在支座竖向，由线性弹簧(压缩弹簧)和碟形弹簧并联承载，具有较高的竖向承载力。当支座安装到隔震/振层，碟形弹簧接近压平，支座处于重力平衡状态。此时，碟形弹簧提供竖向的负刚度，线性弹簧提供正刚度，两者叠加后可使系统竖向处于准零刚度状态。处于竖向准零刚度状态的系统能够高效地隔离建筑环境振动和竖向地震。
本发明中，在支座水平向，由叠层铅芯橡胶支座和线性弹簧(预压弹簧)并联。由于弹簧中的预压力存在，当支座水平向运动较小时，能为系统提供水平负刚度减小系统的水平刚度，有利于取得良好的隔震/振效果；当隔震/振层位移较大，压缩弹簧提供水平正刚度，此时系统刚度较大有利于控制隔震/振结构极限状态下位移。
本发明中，黏滞阻尼器竖直布置，连接上、下连接板，能够同时耗散水平运动和竖向运动的能量。
本发明中，黏滞阻尼器放置于预压弹簧之中，防止预压弹簧失稳。
本发明的原理为：
本发明在叠层铅芯橡胶隔震支座(此已属于现有技术)的基础上，通过设置自适应刚度装置解决了传统隔震支座的不足。自适应刚度性是指系统的刚度能随着系统的位移而产生变化，属于一种被动的非线性属性。本发明中支座的刚度自适应具体是指当位移较小时，支座提供较小刚度；位移较大时，支座提供较大刚度。
在支座竖向，通过并联碟形弹簧和线性弹簧(压缩弹簧)，得到具有刚度自适应性的准零刚度隔震/振体系。准零刚度系统指在系统平衡位置刚度接近于零的系统。准零刚度隔震/振系统为一种强刚度非线性的隔震/振系统，能够很好地解决普通线性隔振系统隔震/振起始频率与承载力之间的矛盾。同时，准零刚度隔震/振体系是一种被动的非线性隔震/振系统，不需要外界提供能量，还可以通过适当的调节系统参数来获得较低的静态刚度和较高的动态刚度，从而在保证承载力的基础上具有良好的低频隔震/振性能，对于地铁等环境振动和地震动竖向分量有较好的隔震/振效果。同时由于其在大位移状态时提供较大刚度，故能很好地控制极限状态下的位移。
在支座水平方向，通过并联叠层铅芯橡胶支座和预压弹簧，得到具有刚度自适应性的隔震/振体系。叠层铅芯橡胶支座在竖向承压的同时提供水平向线性刚度，当隔震/振层位移较小时，压缩弹簧为系统提供水平负刚度，此时系统刚度较小有利于取得良好的隔震/振效果；当隔震/振层位移较大时，压缩弹簧提供水平正刚度，此时系统刚度较大有利于控制隔震/振结构极限状态下位移。
本发明中，竖向隔震/振系统中的碟形弹簧，线性弹簧等以及水平向隔震/振系统中的叠层铅芯橡胶支座和预压弹簧等的尺寸和性能参数，均可根据实际工程情况和不同的抗震设防水准和振动控制需求进行设计。有着较强的灵活性和工程应用前景。
新型自适应刚度特性运动解耦式三维隔震/振支座与传统隔震支座(例如橡胶隔震支座，摩擦摆隔震支座等)相比，本发明的优点是：
(1)竖向隔震/振系统，具有自适应刚度特性且在平衡位置具有准零刚度的特性，能起到良好的隔离环境振动和竖向地震动的效果。
(2)水平向隔震/振系统，具有自适应刚度特性，能隔离水平环境振动并提供更为优越的水平隔震效果和保证大震作用下的安全。
(3)黏滞阻尼器和铅芯可消耗地震输入能量。
新型自适应刚度特性运动解耦式三维隔震/振支座与传统建筑结构隔振措施(例如厚肉隔振支座，隔振沟等)相比，本发明的优点是：
(1)本发明在竖向和水平向，能够更为有效地隔离三向环境振动。具体表现为：当系统在平衡位置受到微振动作用，位移较小。由于自适应刚度特性，此时的系统刚度较小，系统固有频率较小甚至接近与零，从而具有较低的隔振起始频率。极大地优于传统的线性隔振措施。
(2)本发明在遭遇强烈振动作用(如大地震，车辆冲击等)时，有着更高的安全性。具体表现为：当系统遭受较强振动作用，位移较大。由于自适应刚度特性，此时的系统刚度较大，能够限制结构出现过大位移。
(3)黏滞阻尼器和铅芯可消耗振动输入能量。
附图说明
图1为本发明处于初始状态的剖面图；
图2为本发明的立体装配图；
图3为本发明的安装与隔震/振层示意图；
图4为本发明所述黏滞阻尼器构造示意图；
图5为本发明所述叠层铅芯橡胶支座构造示意图；
图6为本发明所述上连接板的结构示意图；
图7为本发明所述中作板的结构示意图。
附图标记说明
1上连接板，101第二凹槽的内径，102内套筒，2中作板，201中作板的外径，202中作板的内径，3下连接板，4碟形弹簧，5压缩弹簧，6叠层铅芯橡胶支座，7预压弹簧，8黏滞阻尼器，9球形铰，10上预埋件，11下预埋件，12隔震/振层上柱端，13隔震/振层下柱端，14导杆，15活塞，16阻尼孔，17阻尼介质，18叠层铅芯橡胶支座上封板，19铅芯，20叠层铅芯橡胶支座下封板，21橡胶层，22钢板层，23橡胶保护层。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图7所示，本发明提供一种自适应刚度特性运动解耦式三维隔震/振支座。
图1所示，本发明由上连接板1、中作板2、下连接板3、碟形弹簧4、压缩弹簧5、叠层铅芯橡胶支座6、预压弹簧7、黏滞阻尼器8和球形铰9组成。叠层铅芯橡胶支座6与碟形弹簧4和压缩弹簧5组成的系统串联受压；黏滞阻尼器8放置于预压弹簧7之中；黏滞阻尼器8和预压弹簧7上下两端采用球形铰9分别与上连接板1和下连接板3双向铰接。
上连接板1与中作板2相互咬合，仅可实现相对竖向运动。
上部隔震/振结构的重力通过上连接板1传导，由碟形弹簧4，压缩弹簧5和预压弹簧7共同承担，黏滞阻尼器8在静止时不受力。压缩弹簧5与上连接板1和中作板2，预压弹簧7与球形铰9端部焊接连接，预压弹簧7可受拉。黏滞阻尼器8置于预压弹簧7内防止弹簧失稳，并与球形铰9端部焊接连接。使用球形铰9将预压弹簧7和黏滞阻尼器8的组合与上连接板1和下连接板3实现双向铰接。叠层铅芯橡胶支座6与中作板2和下连接板3通过内置螺栓紧密连接。
图2为本发明的立体装配图，说明了各部件之间的相互关系。
图3为本发明安装于隔震/振层的构造示意图。上预埋件10和下预埋件11分别通过浇筑的方式预埋在隔震/振层上柱端12和隔震/振层下柱端。通过承载力变形设计，此时的碟形弹簧4处于压平位置附近。压缩弹簧5和预压弹簧7均处于承压状态。
图4为黏滞阻尼器构造示意。导杆14与活塞15紧固连接，带动活塞15在黏滞阻尼介质17中运动，起到耗能作用。
图5为叠层铅芯橡胶支座构造示意图。上封板18和下封板20起到支座与其它部件的连接作用。橡胶保护层23起到隔离支座本体(铅芯19，橡胶层21和钢板层22)和外部环境的作用，增强支座耐久性。
在本发明中，上连接板1与中作板2相互咬合，以使上连接板1和中作板2之间的相对水平位移和转角锁死，仅能产生竖向运动，使支座竖向运动和水平向运动的解耦。
如图6和图7所示，中作板的外径201与上连接板1的第二凹槽的内径101相等，使得中作板2可以紧密嵌套入上连接板1的第二凹槽中，两者相互咬合，从而使上连接板1和中作板2之间的相对水平位移和转角锁死，
具体的，当支座承受上部建筑结构荷载，上连接板1和中作板2发生相对压缩位移，两者实现咬合。此时，上连接板1和中作板2之间仅能发生竖向相对运动，相对水平向运动和转角均被锁死。基于此设计，实现了支座水平向运动和竖向运动的解耦。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (1)

1.一种自适应刚度特性运动解耦式三维隔震/振支座，其特征在于：包括上连接板(1)、中作板(2)、下连接板(3)、碟形弹簧(4)、压缩弹簧(5)、叠层铅芯橡胶支座(6)、预压弹簧(7)和黏滞阻尼器(8)；
所述叠层铅芯橡胶支座(6)位于下连接板(3)和中作板(2)之间，中作板(2)上开有第一凹槽，压缩弹簧(5)一端伸入中作板(2)第一凹槽部位，碟形弹簧(4)套于压缩弹簧(5)外，碟形弹簧(4)直接放置于中作板(2)上方，上连接板(1)底部开有第二凹槽，压缩弹簧(5)另一端伸入上连接板(1)第二凹槽的内套筒(102)内；
所述上连接板(1)和中作板(2)相互咬合以实现运动导向设计；所述中作板的外径(201)与上连接板(1)的第二凹槽的内径(101)相等；当支座承受上部建筑结构荷载，上连接板(1)和中作板(2)发生相对压缩位移，两者实现咬合；
所述中作板(2)两侧对称布置有黏滞阻尼器(8)，黏滞阻尼器(8)的两端分别通过球形铰(9)固定于上连接板(1)底部和下连接板(3)顶部，预压弹簧(7)套于黏滞阻尼器(8)外，且预压弹簧(7)的两端分别与球形铰(9)端部焊接连接；预压弹簧(7)可受拉，预压弹簧(7)能够容许上连接板(1)和下连接板(3)之间的任意方向水平运动；叠层铅芯橡胶支座(6)中部设置有铅芯(19)，能同时耗散水平运动和竖向运动的能量；所述黏滞阻尼器(8)和铅芯(19)能同时为支座的竖向和水平向运动消耗能量；
在三维隔震/振支座竖向，碟形弹簧(4)和压缩弹簧(5)并联，当在重力平衡位置附近工作时，碟形弹簧(4)提供竖向的负刚度，压缩弹簧(5)提供正刚度，两者叠加后可以使系统竖向处于准零刚度；在三维隔震/振支座水平向，叠层铅芯橡胶支座(6)和预压弹簧(7)并联，三维隔震/振支座水平向运动较小时，能为系统提供水平负刚度，以减小系统的水平刚度；当三维隔震/振支座位移较大时，预压弹簧(7)提供正刚度，所述水平向隔震/振系统通过预先设计预压弹簧(7)的压缩量，使得水平向隔震/振系统具有与水平位移相关的自适应刚度特性。
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Application publication date: 20180821

Assignee: Tongji University Architectural Design and Research Institute (Group) Co.,Ltd.

Assignor: TONGJI University

Contract record no.: X2022310000166

Denomination of invention: A three-dimensional isolation/vibration bearing with adaptive stiffness characteristics and motion decoupling

Granted publication date: 20190806

License type: Common License

Record date: 20221118

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