CN108643378B - 一种滑移隔震支座的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种滑移隔震支座的制作方法，包括以下步骤，选取支座的材料；设计支座外形；对支座进行加工；支座的材料选取包括对于支座外封、内部填充，磁铁和层间垫面的材料选取；支座外形设计，包括对于上、下两层支座分别以环形钢槽为外封，在外封内填充邵氏硬度80以上的材料，在所填充的材料的中心位置均匀环绕布置永磁体，在所填充的材料上设置两层层间垫面；所述支座的加工包括所填充的材料的加工、磁铁及层间垫面的粘接工艺。本发明所形成的装置具有磨损小、灵敏度高、滤波性能好、耗能强、冲击作用小、自复位能力强、节省空间、抗拉性能良好等技术优点，对解决高烈度地区隔震支座变形过大、冲击作用显著、抗拉能力弱等技术难题具有重要意义。

Description

一种滑移隔震支座的制作方法

技术领域

本发明属于工程技术领域，涉及内置磁体式滑移隔震支座的加工制作方法。

背景技术

隔震技术是一类研究和应用成熟的结构减震控制技术，其基本原理是在上部结构与下部支承或基础之间设置某种隔震消能装置，通过迁移结构系统的卓越周期使其远离地震动的卓越周期，达到减小上部结构振动的目的。由于其构造成本低、可靠性高、原理简单、易于实施、隔震效果好，适用于结构减震、特别是高烈度地区重要建筑和桥梁减震，是工程结构减震控制实践应用最广泛的技术之一。经过近40年的发展，逐步形成了以叠层橡胶隔震、滑移摩擦隔震、摩擦摆隔震、滚珠和滚轴隔震、组合隔震以及混合隔震等为代表的隔震体系。

尽管隔震技术易于实施、隔震效果好，但目前仍存在一些不足，主要表现在：

(1)叠层橡胶隔震体系会放大地震波中长周期成分，在配置限位装置条件下承受地震作用“硬”冲击，而且其自身材料的长期稳定性能也存在问题；

(2)滑移摩擦隔震体系由于没有自复位能力，在大震时可能产生过大的位移，并且长期静止难以保证支座的摩擦系数；

(3)摩擦摆隔震体系易引起结构附加振动，且并不能完全自动复位；

(4)滚珠及滚轴隔震体系是一种较为理想的隔震系统，但结构在振动过程中会产生较大的侧移；

(5)组合隔震体系虽然隔震效果较单种隔震支座好，但这种隔震支座体系设计较为复杂、经济性较差；

(6)混合隔震体系涉及反馈控制算法，逻辑复杂，鲜有在工程中实施。

此外，支座抗拉也是传统隔震技术所面临的难题。

有鉴于此，传统隔震支座存在自复位能力弱、大震时冲击作用显著、抗拉性能差等问题，亟需发展新一代的隔震体系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内置磁体式滑移隔震支座加工制作方法，发展实用、高效的新型隔震体系，为解决高烈度地区传统隔震体系面临的瓶颈问题提供理论基础与技术支持。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

新型滑移隔震支座为圆盘形，分上、下两层，隔震支座上、下两层均填充聚氨酯，聚氨酯通过硫化与支座外封粘结，并在内部错位环形布置块状永磁体；隔震支座采用铝板作靠近聚氨酯的层间垫面，聚四氟乙烯板作远离聚氨酯的层间垫面，分别采用粘结；外封为环形钢槽并在外侧四周布置加劲肋。

具体而言，一种滑移隔震支座的加工制作方法，包括材料的选取，支座外形的设计和支座的加工工艺；

所述支座的材料选取，包括支座外封、内部填充，磁铁和层间垫面的材料选取；

所述支座外形设计，包括对于上、下两层支座分别以环形钢槽为外封，在外封内填充聚氨酯，在聚氨酯中心位置均匀环绕布置12块块状永磁体，在聚氨酯上设置两层层间垫面；

所述支座的加工工艺，包括聚氨酯的硫化工艺和层间垫面的粘接工艺。

所述的支座外封选取强度较大的钢材、内部填充选取硬度较高的聚氨酯材料、磁铁选用现如今磁性最强的铷铁硼N52型磁铁、层间垫面选择弱磁导率、高电导率材料为相对磁导率小于1、相对电导率大于50的铝板和摩擦系数小于0.05的聚四氟乙烯板。

所述的外封为环形钢槽并在外侧四周布置加劲肋，加劲肋为三棱柱形，对称布置在环形钢槽外围。

所述聚氨酯填充在环形钢槽内，其邵氏硬度为80。

所述永磁体为块状，截面为矩形，上、下层各12块，均匀环绕在聚氨酯中心位置。

所述两层层间垫面，其中一层为弱磁导率、高电导率材料为相对磁导率小于1、相对电导率大于50的材料；采用铝板。另一层为摩擦系数小于0.05的材料和组分；采用聚四氟乙烯板。

所述硫化工艺分为原料熔化、聚氨酯硫化、脱模和聚氨酯烘焙。

原料熔化：将固体状的聚氨酯原料在60℃～80℃下放置6～8h，使其完全熔化成液体。

聚氨酯硫化：将聚氨酯液体和硫化剂按照1:5至1:10优选1:7的比例导入支座外封中，在120℃～140℃和15MPa～20MPa静压下在硫化机中硫化1h～2h。

脱模：于硫化之前在模具表面刷一层脱模剂，使得硫化完成后可以快速脱模。

聚氨酯烘焙：脱模后将支座放置于烘箱内，120℃～140℃烘10h～14h，最终冷却成形。

磁铁及层间垫面的粘接工艺：使用调和结构胶，按1:5至1:10的比例混合彩胶浆和白胶浆，首先将磁铁上均匀涂抹混合胶浆，上部支座N极向外，下部支座N极向内放入聚氨酯的槽内，然后将混合胶浆均匀涂抹在铝板和聚四氟乙烯板上，最后依次将铝板粘结在聚氨酯上，将聚四氟乙烯板粘结在铝板上。

由于采用了上述方案，本发明形成的产品具有以下有益效果：

1)磨损小：上、下层支座间敷设低摩擦系数的聚四氟乙烯板，地震作用下滑移产生的磨损较小；聚四氟乙烯板在本领域其它装置中，如摩擦摆支座中也有采用，但在滑移摩擦支座中运用较少，其优势在于摩擦系数较低。它不一定适合每一种摩擦型支座，但由于本支座需要做到小震时，主要依靠摩擦进行耗能，在大震时，摩擦和电磁力共同耗能。

2)灵敏度高：由于上、下层环形磁体错位布设，且在未滑移时磁感应线受环形钢槽阻隔，磁体间相互作用小，启动滑移仅需克服微小摩擦(聚四氟乙烯摩擦因数远小于冰，是目前已知固体材料中摩擦因数最小的材料)，因此对于小震作用仍然有效；

3)滤波性能好：这种支座本质上属于一类滑移隔震系统，相比传统橡胶隔震支座，其滤波性能好；

4)耗能强：上、下层支座相对滑移，切割磁感应线在铝板内部形成涡旋电流，产生阻尼，耗能性能突出；而且当滑移速度增大，聚四氟乙烯的摩擦因素也会增大，摩擦耗能发挥作用；

5)冲击作用小：虽然启动滑移做功小，但当上层内圈磁体靠近下层外圈磁体时，环形钢槽对磁感应线的阻隔减弱，磁体间相互作用逐渐增强，抑制层间相对滑移，冲击作用小，特别是在大震作用下具有显著优势；

6)自复位能力强：上、下层内、外圈磁体相互作用，支座具有自复位能力，突破传统平面滑移系统不能自动复位的限制；

7)节省空间：通过内置磁体的方式，形成抑制支座滑移的恢复力，避免了传统外设阻尼器等限位装置的情况，节省空间；

8)抗拉性能良好：上、下层磁体相互作用使得支座具有足够的抗拉性能。

此外，隔震支座内聚氨酯材料、铝板和聚四氟乙烯板均为低磁导率介质，相对磁导率在1左右，几乎不对磁场产生影响，支座耗能、自复位等性能稳定。

本发明对于形成产品化的内置磁体式滑移隔震支座、解决高烈度地区隔震支座变形过大、冲击作用显著、抗拉能力弱等技术难题具有重要实用价值。

附图说明

图1为本发明实施例滑移隔震支座加工制作流程图。

图2为本发明实施例滑移隔震支座与上部结构底板和下部基础顶板联时的中心剖面示意图。

图3为本发明实施例滑移隔震支座下层剖面图(图1中所示A-A剖面)。

图4为本发明实施例滑移隔震支座上层剖面图(图1中所示B-B剖面)。

图5为本发明实施例滑移隔震支座结构尺寸示意图。

图6为本发明实施例滑移隔震支座右侧上、下层磁体齐合时立面图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明为形成一种滑移隔震支座的加工制作流程。

首先支座外封选取强度较大的钢材例如Q345钢、内部填充选取硬度较高例如邵氏硬度80以上的聚氨酯材料、磁铁选用现如今磁性最强的铷铁硼N52型磁铁、层间垫面选择弱磁导率、高电导率材料为相对磁导率小于1、相对电导率大于50的铝板和摩擦系数小于0.05的聚四氟乙烯板。

其次对外封进行加工，环形钢槽并在外侧四周布置加劲肋，加劲肋为三棱柱形，对称布置在环形钢槽外围，所有连接均采用焊接。

再者进行聚氨酯硫化，硫化工艺分为原料熔化、聚氨酯硫化、脱模和聚氨酯烘焙。

原料熔化特征：将固体状的聚氨酯原料在60℃的温度下放置6小时以上，使其完全熔化成液体。

聚氨酯硫化：将聚氨酯液体和硫化剂按照较佳比例1:7导入支座外封中，在120℃温度和5MPa压力下在硫化机中硫化1h。

脱模：于硫化之前在模具表面刷一层脱模剂，使得硫化完成后可以快速脱模。

聚氨酯烘焙：脱模后将支座放置于烘箱内烘14h，最终冷却成形。

最后进行磁铁和层间垫面的粘结，使用调和结构胶，按较佳比例1:7混合彩胶浆和白胶浆，具体包括：先将磁铁上均匀涂抹混合胶浆，上部支座N极向外，下部支座N极向内放入聚氨酯的槽内，再将混合胶浆均匀涂抹在铝板和聚四氟乙烯板上，随后依次将铝板粘结在聚氨酯上，进而将聚四氟乙烯板粘结在铝板上。

如图2所示，本发明形成的一种滑移隔震支座1包括上、下两层支座，上层支座11由下层支座12支承；两者之间设有层间垫面，包括固定在上层支座11上与其一体联动的上层层间垫面(含两层)、固定在下层支座12上与其一体联动的下层层间垫面(含两层)；

靠近聚氨酯的上层层间垫面112和靠近聚氨酯的下层层间垫面122的材料采用弱磁导率、高电导率材料，具体而言，采用相对磁导率小于1、相对电导率大于50的材料；采用铝板；远离聚氨酯的上层层间垫面与下层层间垫面为摩擦系数的材料和组分，具体而言，敷设摩擦系数小于0.05的材料和组分；采用聚四氟乙烯板114、124；

环形钢槽115、125分别用作上层支座11和下层支座12的外封，由于钢槽具有足够的刚度，可以承受上部结构荷载，同时支座在未滑移时环形钢槽阻隔磁感应线，磁体间相互作用小，启动滑移仅需克服微小摩擦，支座灵敏度高；钢槽外侧四周布置加劲肋116、126，以承受加工时的上部荷载。

上层支座11、下层支座12均为内部填充聚氨酯结构。上层聚氨酯111中嵌设有上层永磁体113环绕上层聚氨酯111的中心，下层聚氨酯121中嵌设有下层永磁体123环绕下层聚氨酯121的中心。

上层永磁体113、下层永磁体123均靠近层间垫面设置，以保证具有足够的磁感应强度。

在本实施例中，上层聚氨酯111、下层聚氨酯121为分别低于环形钢槽115、125高度的圆柱形状；上层永磁体113、下层永磁体123为块状，其横截面均为矩形，上下层各12块，均匀环绕在聚氨酯中心位置。

上述各组件同轴设置；上层支座11中各组件的直径均小于下层支座12中相应各组件的相应直径。在上、下层支座外径、高度设计时，要根据支座应承受的上部结构荷载，考虑支座承载强度设计基本尺寸；同时，根据设防烈度计算结构隔震层位移，设计上、下层支座的相对尺寸，以保证上层支座11和下层支座12具有足够安全的相对滑移距离。确定上层永磁体113和下层永磁体123的截面尺寸应考虑支座具有易启动、强自复位、良好抗拉等特性；另外，上层支座11、下层支座12宜为同心圆柱形结构，可以保证在多向地震作用下均具有良好的适用性。

实际使用时，上层支座11与上部结构底板2联接，下层支座12与基础顶板3联接。

以下采用QuickField有限元软件，结合附图及其设定的实例参数，对本发明形成产品的技术特点作进一步的说明。

如图5所示，其中标记数字均表示尺寸(mm)，一种支座具体实施例(设计最大竖向承载力4000kN)的参数设定如下：

(1)隔震支座上层直径928mm、下层直径1672mm，上层高度为360mm，下层高度为400mm，上层垫面铝板厚度20mm，下层垫面铝板厚度60mm，外封环形钢槽侧壁厚度64mm，底面80mm，聚四氟乙烯板厚度20mm；

(2)内置环形永磁体尺寸均为152mm*152mm*76mm，贴置于铝板内壁，上层永磁体内侧距支座中心距离为160mm，下层环形永磁体内侧距支座中心距离为532mm；

(3)上、下层环形永磁体均嵌在填充聚氨酯内。

需要说明的是，支座参数与设计承载力及隔震结构设防烈度有关。在本实施例中，考虑了8度设防烈度区某10层框架隔震结构为工程背景。经计算，上部结构一柱端隔震支座最大轴力3200kN，在设计最大竖向承载力4000kN、支座直径928mm条件下，处于环向约束状态的橡胶的竖向变形为2mm，支座满足承载能力和变形要求。同时，计算结构隔震层最大水平地震力400kN，根据磁体间相互作用公式估算上、下层支座内环形永磁体尺寸均为152mm*152mm*76mm，并由此计算隔震层最大水平位移120mm。因此，设计上层支座直径928mm、下层支座直径1672mm，上层高度为360mm，下层高度为400mm。

采用QuickField建立三维模型进行磁场分析。分析表明，永磁体在布设位置及其邻近区域形成显著的磁场，上、下层磁环的错位布设，且在未滑移时磁感应线受环形钢槽阻隔，磁体间相互作用小，启动滑移仅需克服微小摩擦，因此隔震支座灵敏度高，对于小震作用仍然有效。

当支座上、下层出现相对滑移，滑移至图6所示的位置，在这一过程中，支座右侧的磁感应强度逐渐增强，并在磁体竖向齐合时达到最大，上、下层支座相对滑移切割磁感应线在铝板内部形成涡旋电流，产生阻尼耗能；同时，上、下层支座之间竖向的引力增大、促使滑动摩擦力增大，而且当滑移速度增大、聚四氟乙烯的摩擦因素也会增大，摩擦耗能发挥作用；此外，上、下层之间水平的斥力阻止磁体相互靠近，从而抑制层间相对滑移。上述限位机理对支座的冲击作用小，特别是在大震作用下具有显著优势。

综上所述，本发明形成的产品具有磨损小、灵敏度高、滤波性能好、耗能强、冲击作用小、自复位能力强、节省空间、抗拉性能良好等技术优点，克服了传统隔震技术的瓶颈，尤其适合于在高烈度地区隔震支座中使用。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种滑移隔震支座的制作方法，其特征在于：包括以下步骤，

选取支座的材料；设计支座外形；对支座进行加工；

支座的材料选取包括对于支座外封、内部填充，磁铁和层间垫面的材料选取；

支座外形设计，包括对于上、下两层支座分别以环形钢槽为外封，在外封内填充邵氏硬度80以上的材料，在所填充的材料的中心位置均匀环绕布置永磁体，在所填充的材料上设置两层层间垫面；

所述支座的加工包括所填充的材料的加工、磁铁及层间垫面的粘接工艺；

所述永磁体为块状，截面为矩形，上、下层各12块，均匀环绕在所填充材料的中心位置；

在外封内所填充的材料为聚氨酯，对所填充的材料的加工为聚氨酯硫化；

所述永磁体选用铷铁硼N52型磁铁，层间垫面选择相对磁导率小于1、相对电导率大于50的金属板和摩擦系数小于0.05的板材；

在所述环形钢槽的外侧四周布置加劲肋，加劲肋为三棱柱形，对称布置在环形钢槽外围；

所述聚氨酯硫化工艺包括以下步骤：原料熔化、聚氨酯硫化、脱模和聚氨酯烘焙；

所述原料熔化是将固体状的聚氨酯原料在高温下放置6小时以上，使其完全熔化成液体；

所述聚氨酯液体和硫化剂的比例为1:5至1:10；

所述的聚氨酯硫化是将聚氨酯液体和硫化剂按照比例导入支座外封中，在温度120℃～140℃和静压15MPa～20MPa下硫化1小时至2小时；

所述的脱模是在硫化之前在模具表面刷一层脱模剂，使得硫化完成后可以快速脱模；

所述的聚氨酯烘焙是在脱模后将支座放置于烘箱内温度120℃～140℃下烘10小时至14小时，最终冷却成形；

所述聚氨酯液体和硫化剂的比例为1:5至1:10；

所述的磁铁及层间垫面的粘接工艺包括：使用调和结构胶，按比例混合彩胶浆和白胶浆，首先将磁铁上均匀涂抹混合胶浆，上部支座N极向外，下部支座N极向内放入所填充的材料的槽内，然后将混合胶浆均匀涂抹在两层层间垫面上，依次将相对磁导率小于1、相对电导率大于50的金属板粘结在所填充的材料上，将摩擦系数小于0.05的板材粘结在金属板上；

按1:5至1:10的比例混合彩胶浆和白胶浆。

2.根据权利要求1所述的滑移隔震支座的制作方法，其特征在于：所述金属板为铝板，所述摩擦系数小于0.05的板材为聚四氟乙烯板。

3.根据权利要求1所述的滑移隔震支座的制作方法，其特征在于：所述聚氨酯液体和硫化剂的比例为1:7。

4.根据权利要求1所述的滑移隔震支座的制作方法，其特征在于：按1:7的比例混合彩胶浆和白胶浆。

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