CN108843724B - 一种基于stf的变刚度变阻尼隔震装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于STF的变刚度变阻尼隔震装置，包括上盖板、上隔板、凹槽、石墨烯‑聚氯乙烯复合材料层、上连接板、带有通孔的圆形套筒、带有通孔的柱体、环形碳纤维‑PTFE板组合橡胶支座、空心套筒、下底板、内腔室和外腔室。本发明提供的基于STF的变刚度变阻尼隔震装置，克服了传统橡胶支座隔震器水平刚度固定、阻尼力不变的缺陷，在小震低速振动时，刚度和阻尼较低；中震中速振动时，刚度不变，阻尼随速度增加而变大；大震高速振动时，刚度和阻尼达到最大，上隔板带动环形碳纤维‑PTFE板组合橡胶支座一起工作，可以在不同震级的地震下，达到变刚度变阻尼隔震耗能功能，且在较大的剪切变形下具有较好的水平隔震耗能性能。

Description

一种基于STF的变刚度变阻尼隔震装置
技术领域
本发明涉及结构隔震技术领域，具体涉及一种基于STF的变刚度变阻尼隔震装置。
背景技术
随着现代工业的迅速发展及城市规模的日益扩大，振动对生活环境和工作的影响已经开始引起人们的关注。冲击、振动为较普遍的自然现象，广泛存在于军事设备、工业生产和地震中。为了避免因振动引起的干扰和损坏，社会已经开始高度重视冲击和振动的能量吸收和耗散。在实际工程中，如机械设备、土木工程等方面，隔震装置都有着很重要的作用。
剪切增稠液（Shear thickening fluid，即STF），一般情况下，是液体或分散胶体的状态。当它受到剪切或冲击时，其粘度迅速上升，显示了固体的一般阻力，当外力撤销后，剪切增稠液又恢复原来的状态，这是一种可逆的非牛顿流体行为。STF作为一种新的能量吸收和耗散型材料，可以有效地应用于抗冲击和隔震装置，具有很大的开发价值。基于STF的耗能隔震装置的特点为无源、自适应、结构简单。
碳纤维是一种新型的非金属材料，具有重量轻、强度高、耐磨性能好等优点，碳纤维布与橡胶在平面外自由变形协调，避免了传统橡胶隔震支座出现损坏的情况，聚四氟乙烯板(Poly tetra fluoroethylene，即为PTFE板)，在平面上具有一定的刚度，对橡胶的变形起到很好的抑制作用，在较大的剪切变形下，环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座有更好的隔震耗能作用。
传统的隔震装置中，大多数隔震装置在发生变形时所产生的水平刚度和阻尼力是固定的。如果一个隔震装置的水平刚度较小，在发生较大的振动作用下，受到的外力可能大于其所能承受的最大力，隔震装置可能会发生过度变形甚至破坏，如果一个隔震装置的水平刚度较大，在发生较小的振动作用下，受到的外力小于其发生变形的最小力，隔震装置可能起不到隔震的作用。
目前国内的专利中，很少把剪切增稠材料和环形碳纤维-PTFE板组合橡胶共同运用到隔震支座中。中国专利（申请号201410138924.8）公开的“耗能支撑减震装置”中利用剪切增稠液的剪切增稠特性，可以实现不同阻尼的隔震耗能，但是不能实现变刚度隔震。中国专利（申请号201020256715.0）公开的“变刚度隔震支座”中实现隔震支座的变刚度，但是阻尼力单一，隔震效果会受到一定限制。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于橡胶和剪切增稠液体的用于阻隔振动的基于STF的变刚度变阻尼隔震装置，克服了传统橡胶支座隔震器存在的水平刚度固定、阻尼力不变的缺陷，通过STF变阻尼组件和环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座的协同工作，可以在不同震级的地震下，实现变刚度变阻尼隔震耗能功能，且在较大的剪切变形下具有较好的水平隔震耗能性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于STF的变刚度变阻尼隔震装置，包括上盖板、上隔板、凹槽、石墨烯-聚氯乙烯复合材料层、上连接板、带有通孔的圆形套筒、带有通孔的柱体、环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座、空心套筒、下底板、STF密封垫、螺栓、螺栓孔、内腔室、外腔室和橡胶垫，封钢板、环形碳纤维-PTFE板和若干个环形橡胶片由上至下依次层叠排布并使用粘接剂粘接相连，组成环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座，上盖板底部开有凹槽，石墨烯-聚氯乙烯复合材料层通过表面处理后胶粘在凹槽内，橡胶垫通过硫化粘接在凹槽端部，环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座上、下两侧通过封钢板与上连接板和下底板螺栓连接，上连接板、环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座和下底板组成了四周的环形碳纤维-PTFE板组合橡胶隔震结构，上连接板与下底板之间产生相对位移，上隔板与上盖板通过螺栓连接，上隔板和下底板之间设置的带有通孔的柱体、带有通孔的圆形套筒分别与上隔板通过螺栓连接形成上部整体结构，带有通孔的柱体与带有通孔的圆形套筒之间形成内腔室，上隔板和下底板之间设置的空心套筒与带有通孔的圆形套筒之间形成外腔室，空心套筒与下底板通过螺栓连接形成下部整体结构，内腔室和外腔室内充满剪切增稠液体，剪切增稠液体在带有通孔的圆形套筒和带有通孔的柱体的通孔之间流动，上盖板连同上隔板带动带有通孔的柱体移动。
进一步的，所述空心套筒与上隔板之间设置有石墨烯-聚氯乙烯复合材料层。
进一步的，所述外腔室与上隔板之间设置有STF密封垫，上隔板、带有通孔的圆形套筒、带有通孔的柱体、空心套筒、内腔室、外腔室和下底板组成了STF变阻尼组件，上隔板、带有通孔的圆形套筒、带有通孔的柱体、空心套筒与下底板形成的空腔内充满剪切增稠液体。
进一步的，所述环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座的封钢板位于其两侧，环形碳纤维-PTFE板和若干个环形橡胶片由上至下层叠排放并使用粘接剂粘接于两侧的封钢板之间。
进一步的，所述上盖板与下底板均预留一定数量的螺栓孔，方便与外部结构连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明针对现有的橡胶支座隔震装置存在的阻尼力单一的问题，采用STF变阻尼组件的设计，剪切增稠液是一种智能材料，仅与剪切应变率有关，在地震冲击作用下，STF能瞬间增稠而增大阻尼进行耗能，实现隔震装置水平向变阻尼隔震耗能。
2、本发明针对传统橡胶支座存在的水平向刚度固定、隔震耗能能力有限的问题，采用上盖板开设凹槽的设计，实现隔震装置水平向变刚度隔震耗能。
3、本发明针对传统橡胶支座存在的耗能能力低、刚度不可变、阻尼力单一的缺点，通过STF变阻尼组件和环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座的协同工作，可以在不同震级的地震下，具有变刚度变阻尼隔震耗能特性，在小震低速振动时，刚度和阻尼较低；中震中速振动时，刚度不变，阻尼随速度增加而变大；大震高速振动时，刚度和阻尼达到最大，上隔板带动环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座一起工作，可以在不同震级的地震下，达到变刚度变阻尼隔震耗能功能，且在较大的剪切变形下具有较好的水平隔震耗能性能。
附图说明
图1为本发明的内部结构示意图；
图2为本发明的剖面图；
图3为本发明的带有通孔的圆形套筒的结构示意图；
图4为本发明的带有通孔的柱体的结构示意图；
图5为本发明的环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座的示意图。
其中：1 -上盖板；2 -上隔板；3-石墨烯-聚氯乙烯复合材料层；4-凹槽；5-上连接板；6-空心套筒；7 -内腔室；8 -带有通孔的圆形套筒；9 -带有通孔的柱体；10 -外腔室；11-环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座；12-下底板；13 -螺栓；14 -STF密封垫；15 -环形橡胶片；16 -螺栓孔；17-环形碳纤维-PTFE板层；18-封钢板；19-橡胶垫。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1-5所示，一种基于STF的变刚度变阻尼隔震装置，包括上盖板1、上隔板2、石墨烯-聚氯乙烯复合材料层3、上连接板5、空心套筒6、内腔室7、带有通孔的圆形套筒8、带有通孔的柱体9、外腔室10、环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座11、下底板12、螺栓13、STF密封件14和橡胶垫19，1、上隔板2与上盖板1通过螺栓13连接，其特征在于，还包括由封钢板18、环形碳纤维-PTFE板17和若干环形橡胶片15层叠粘接形成的环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座11，上盖板1底部开有凹槽4，环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座11上、下两侧分别通过封钢板18与上连接板5和下底板12螺栓连接，上连接板5、环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座11和下底板12组成了四周的环形碳纤维-PTFE板组合橡胶隔震结构，上连接板5与下底板12之间产生相对位移，上隔板2与下底板12之间设置的带有通孔的圆形套筒8和带有通孔的柱体9分别与上隔板2螺栓连接形成上部整体结构，上隔板2与下底板12之间设置的空心套筒6与下底板12螺栓连接形成下部整体结构，带有通孔的柱体9与带有通孔的圆形套筒8之间形成内腔室7，带有通孔的圆形套筒8与空心套筒6之间形成外腔室10，内腔室7和外腔室10内充满剪切增稠液体，剪切增稠液体在带有通孔的圆形套筒8和带有通孔的柱体9的通孔之间流动，上盖板1连同上隔板2带动带有通孔的柱体9移动，如图3-4所示。
空心套筒6与上隔板2之间设置有石墨烯-聚氯乙烯复合材料层3，凹槽4内胶粘通过表面处理后的石墨烯-聚氯乙烯复合材料层3，凹槽4端部通过硫化粘接有橡胶垫19，起到缓冲作用。
外腔室10与上隔板2之间设置有相适配的STF密封垫14，密封性良好，上隔板2、带有通孔的圆形套筒8、带有通孔的柱体9、空心套筒6、内腔室7、外腔室10和下底板12组成了STF变阻尼组件，上隔板2、带有通孔的圆形套筒8、带有通孔的柱体9、空心套筒6、下底板12形成的空腔内充满剪切增稠液体。
环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座11的封钢板18位于其两侧并通过两侧的封钢板18分别连接上连接板5和下底板12，环形碳纤维-PTFE板17和若干个环形橡胶片15由上至下层叠排放并使用粘接剂粘接于两侧的封钢板18之间，如图5所示。
上盖板1与下底板12上均预留一定数量的螺栓孔16，方便与外部结构连接，如图2所示。
本发明的工作原理：
本发明通过将环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座11和STF变阻尼组件并联的方式，形成基于STF的变刚度变阻尼隔震装置，在外界环境激励下，水平向振动时，上盖板1连同上隔板2带动带有通孔的柱体9移动，小震低速振动时，刚度和阻尼较低，剪切增稠液体在带有通孔的柱体9和带有通孔的圆形套筒8的通孔之间流动；中震中速振动时，刚度不变，STF变阻尼组件中的剪切增稠液体的粘度迅速上升，使其发生剪切增稠行为而产生巨大的阻尼力，进而可以消耗一部分地震的能量；大震高速振动时，隔震装置的刚度和阻尼都达到最大，上隔板2带动环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座11一起工作，上连接板5与下底板12之间产生相对位移，通过环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座11实现变形隔震耗能，通过STF变阻尼组件和环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座11的协同工作，可以在不同震级的地震下，实现变刚度变阻尼隔震耗能功能。
上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于STF的变刚度变阻尼隔震装置，包括上盖板（1）、上隔板（2）、上连接板（5）和下底板（12），所述上隔板（2）与上盖板（1）通过螺栓（13）连接，其特征在于，还包括由封钢板（18）、环形碳纤维-PTFE板（17）和环形橡胶片（15）层叠粘接形成的环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座（11），上盖板（1）底部开有凹槽（4），环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座（11）上、下两侧分别通过封钢板（18）与上连接板（5）和下底板（12）连接，上连接板（5）、环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座（11）和下底板（12）组成了四周的环形碳纤维-PTFE板组合橡胶隔震结构，上连接板（5）与下底板（12）之间产生相对位移，上隔板（2）与下底板（12）之间设置的带有通孔的圆形套筒（8）和带有通孔的柱体（9）分别与上隔板（2）连接形成上部整体结构，上隔板（2）与下底板（12）之间设置的空心套筒（6）与下底板（12）连接形成下部整体结构，带有通孔的柱体（9）与带有通孔的圆形套筒（8）之间形成内腔室（7），带有通孔的圆形套筒（8）与空心套筒（6）之间形成外腔室（10），内腔室（7）和外腔室（10）内充满剪切增稠液体，剪切增稠液体在带有通孔的圆形套筒（8）和带有通孔的柱体（9）的通孔之间流动，上盖板（1）连同上隔板（2）带动带有通孔的柱体（9）移动。
2.根据权利要求1所述的一种基于STF的变刚度变阻尼隔震装置，其特征在于，所述空心套筒（6）与上隔板（2）之间设置有石墨烯-聚氯乙烯复合材料层（3）。
3.根据权利要求1所述的一种基于STF的变刚度变阻尼隔震装置，其特征在于，所述凹槽（4）内胶粘通过表面处理后的石墨烯-聚氯乙烯复合材料层（3），凹槽（4）端部通过硫化粘接有橡胶垫（19）。
4.根据权利要求1所述的一种基于STF的变刚度变阻尼隔震装置，其特征在于，所述外腔室（10）与上隔板（2）之间设置有相适配的STF密封垫（14），上隔板（2）、带有通孔的圆形套筒（8）、带有通孔的柱体（9）、空心套筒（6）、下底板（12）形成的空腔内充满剪切增稠液体。
5.根据权利要求1所述的一种基于STF的变刚度变阻尼隔震装置，其特征在于，所述环形碳纤维-PTFE板组合橡胶支座（11）的封钢板（18）位于其两侧，环形碳纤维-PTFE板（17）和若干个环形橡胶片（15）由上至下层叠排放并使用粘接剂粘接于两侧的封钢板（18）之间。
6.根据权利要求1所述的一种基于STF的变刚度变阻尼隔震装置，其特征在于，所述上盖板（1）与下底板（12）均预留一定数量的螺栓孔（16），方便与外部结构连接。
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