CN109296244A - 摩擦摆型惯容隔震系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于土木工程和能源基础设施领域的一种摩擦摆型惯容隔震系统，包括摩擦摆单元、惯容子系统单元和安装单元。本发明针对受外部作用的结构体系，建立了系统的能量处置机制，首先通过摩擦摆单元隔离结构与地面，降低了外部能量输入，其次通过惯容子系统中惯容的转动将能量以动能的形式储存，利用摩擦摆摩擦滑移机制和电涡流单元来耗散能量。该装置利用惯容子系统单元的设置，在不显著增加隔震系统物理质量的同时，提高了该系统的吸能和耗能效率，不仅可以有效控制隔震层位移，更能有效地调整上部结构的惯性特性，从而实现对结构高阶振动的控制，显著降低结构的动力响应。本发明具有耗能高效和鲁棒性强等特点，具有广泛的应用前景。

Description

摩擦摆型惯容隔震系统
技术领域
本发明所属于土木工程结构耗能减隔震技术领域，尤其涉及一种摩擦摆型惯容减震系统。
背景技术
隔震技术在建筑物和构筑物的基底或某个位置设置隔震装置隔离或耗散地震能量，以避免或减少地震能量向上部结构的传输，减轻结构振动反应，使得建筑物只发生较轻微运动和变形，从而保障地震时建筑物安全。摩擦摆支座是一种常见的基于干摩擦滑移型的减隔震支座，在外部作用下，摩擦摆支座用过摩擦滑动从而隔离上部结构与地面，延长摩擦摆隔震结构系统的自振周期进而降低上部结构的动力响应。在地震等往复荷载作用下，摩擦摆内部的往复滑动通过摩擦生热效应耗散结构的振动能量。但此类装置往往存在着摩擦耗能效率较低(尤其在隔震层变形较小时)、隔震层变形过大以及由摩擦导致的自复位能力不足等问题。
发明内容
本发明目的在于，提供一种摩擦摆型惯容隔震系统，其采用摩擦摆单元来隔离上部结构，通过摩擦机制耗散结构振动能量，并附加设计一套或者若干套惯容子系统单元作为吸能和耗能的增效机构，联合构成一种新型惯容隔震系统。
本发明需要保护的技术方案概括为：
一种摩擦摆型惯容隔震系统，包括摩擦摆单元和安装单元，同时还设计有惯容子系统单元；其中，摩擦摆单元用于隔离结构与地面，降低外部能量输入，并通过摩擦滑移机制耗能量；惯容子系统单元用于该隔震系统的能量吸收、耗散以及上部被隔震结构的振动控制。
进一步，安装单元包括上连接板和下连接板；摩擦摆单元和惯容子系统单元均安装于上连接板和下连接板之间。
在优选的实施方式中，惯容子系统单元可以设置有多组，多组惯容子系统单元分别位于摩擦摆单元的左右两侧。
进一步，惯容子系统单元包括上齿板、下齿板、齿轮组单元、飞轮、旋转轴、以及永磁体。
上齿板与上连接板固定连接，下齿板与下连接板固定连接；齿轮组单元包括传动齿轮，传动齿轮位于上齿板、下齿板之间，并与上齿板、下齿板啮合连接；传动齿轮的轴心穿设有一根旋转轴，并与该旋转轴同轴固定连接；同时旋转轴的前、后两端各自设置一个飞轮，并与飞轮中心固定连接，使得飞轮在旋转轴带动下绕其中心轴线做旋转运动。
永磁体分别固定设置于上连接板的前后两侧及下连接板的前后两侧，且位于同侧上连接板、下连接板上的永磁体所在竖向平面与该侧飞轮所在竖向平面平行。
进一步，摩擦摆单元包括上滑动体、摩擦滑动块和下滑动体。
上滑动体通过其顶面与上连接板固定连接，其底面为上滑动面；下滑动体通过其底面与下连接板固定连接，其顶面为下滑动面；上滑动面、下滑动面之间设置摩擦滑动块，摩擦滑动块的上下两端面均为凸出面，并通过凸出面与上滑动面和下滑动面摩擦接触。
在优选的实施方式中，上滑动面及下滑动面设置为凹球面型。
进一步，下滑动面的顶部还设置有聚四氟乙烯板作为摩擦板，用以提供设计的摩擦力并隔离上部结构，并通过摩擦行为耗散结构振动耗能。
本发明中，根据上部结构隔震设计的性能目标需求、隔震层位移限值和预计的质量放大、阻尼增效效果，可灵活地设计齿轮组单元的齿轮数量和几何尺寸，以及飞轮的数量和几何尺寸；若干个包含飞轮的惯容子系统单元可有序地分布在摩擦摆单元的两侧。
本发明与现有技术相比，具有以下优点与有益效果：
1.本发明针对受外部作用的结构体系，建立了系统的能量处置机制：首先通过摩擦摆单元隔离结构与地面，降低了外部能量输入，其次通过摩擦摆内部的摩擦滑移机制耗能量，并通过惯容子系统中惯容的转动将能量以动能的形式储存。随后，通过飞轮在旋转过程中切割永磁体磁场中的磁感线来耗散储存在惯容子系统单元的能量。
2.本发明充分利用惯容子系统单元中惯容的质量增效作用，在不显著增加隔震系统实际物理质量的同时有效地提升结构的抗震性能，为结构减隔震提供了一种更加高效的隔震系统。利用惯容子系统的加速度相关性特点，有效地调整上部被隔震结构的惯性特性，从而实现对上部结构高阶振动的有效控制。
3.本发明通过惯容子系统单元的设置，可以有效地控制隔震层整体的变形，而不导致上部结构动力响应水平提高，不仅节省了隔震层预留变形缝空间，更有利于提升结构安全性能。
4.本发明惯容子系统单元部件实际安装质量小，对装置部件机械加工要求低，惯容表观质量的质量增效效果显著且易于调节和分级，能够有效地适应不同水平的外部激励的需求。
5.本发明装置设置方便灵活，能够有效吸收并耗散振动能量，具有轻量化，耗能高效和鲁棒性强等特点，有较好的推广应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例提供的摩擦摆型惯容隔震系统的结构示意图。
图中标号：
上滑动体1、摩擦滑动块2、下滑动体3、聚四氟乙烯板4、上齿板5、下齿板6、齿轮组单元7、飞轮8、旋转轴9、永磁体10、下连接板11、上连接板12。
具体实施方式
下面结合附图和实施例作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
实施例
如图1所示，一种摩擦摆型惯容隔震系统，包括摩擦摆单元、安装单元、以及惯容子系统单元，其中惯容子系统单元用于该隔震系统的能量吸收、耗散以及上部被隔震结构的振动控制。
在本发明中，安装单元包括上连接板12和下连接板11；摩擦摆单元和惯容子系统单元均安装于上连接板12和下连接板11之间。
作为举例而非限定，惯容子系统单元可以设置有多组，多组惯容子系统单元可以分别对称设置于摩擦摆单元的左右两侧。
进一步，摩擦摆单元包括上滑动体1、摩擦滑动块2和下滑动体3。上滑动体1通过其顶面与上连接板12固定连接，其底面为上滑动面；下滑动体3通过其底面与下连接板11固定连接，其顶面为下滑动面。在优选的实施方式中，上滑动面及下滑动面可以设置为凹球面型；上滑动面、下滑动面之间设置摩擦滑动块2，摩擦滑动块2的上下两端面均为凸出面，并通过凸出面与上滑动面和下滑动面摩擦接触。进一步，还可以在下滑动面的顶部设置聚四氟乙烯板4。
当上连接板12随被安装结构隔震层发生水平运动时，上滑动面1可以在摩擦滑动块2上往复摩擦滑动。
进一步，惯容子系统单元包括上齿板5、下齿板6、齿轮组单元7、飞轮8、旋转轴9、以及永磁体10。其中，上齿板5与上连接板12固定连接，下齿板6与下连接板11固定连接，齿轮组单元7位于上齿板5、下齿板6之间，并与上齿板5、下齿板6啮合连接。
进一步，齿轮组单元7包括传动齿轮，传动齿轮位于位于上齿板5、下齿板6之间，并与上齿板5、下齿板6啮合连接；且传动齿轮的轴心穿设有一根旋转轴9，并与该旋转轴9同轴固定连接；同时旋转轴9的前、后两端各自设置一个飞轮8，并与飞轮8中心固定连接，使得飞轮8可以在旋转轴7带动下绕其轴线做旋转运动。在优选的实施方式中，飞轮8可以为铁、铜等材质。
在本实施例中，惯容子系统单元可以设置有两组，两组惯容子系统单元可以分别对称设置于摩擦摆单元的左右两侧。
进一步，永磁体10分别固定设置于上连接板12的前后两侧及下连接板11的前后两侧，且位于同侧上连接板12、下连接板11上的永磁体10所在竖向平面与该侧飞轮8所在竖向平面平行。在优选的实施方式中，永磁体10可以采用板状结构。
在本发明中，安装单元的上连接板12以及下连接板11通过安装螺栓与受控结构构件固定连接。
基于上述的结构设计，受控结构在外部作用下发生振动时，上连接板12将会带动上齿板5和上滑动面1相对地面运动，上滑动面1沿着摩擦滑块2摩擦滑动，上齿板5带动齿轮组单元7做旋转运动。
在设计时，根据上部结构隔震设计的性能目标需求、隔震层位移限值和预计的质量放大、阻尼增效效果，可以灵活地设计齿轮组单元7的齿轮数量和几何尺寸，以及灵活设置飞轮8的数量和几何尺寸。若干个包含飞轮8的惯容子系统单元可以有序地分布在摩擦摆单元的两侧。
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 (7)

1.一种摩擦摆型惯容隔震系统，其特征在于：包括摩擦摆单元、安装单元以及惯容子系统单元；
所述安装单元包括上连接板(12)和下连接板(11)；所述摩擦摆单元和惯容子系统单元均安装于上连接板(12)和下连接板(11)之间；
所述摩擦摆单元用于隔离结构与地面，降低外部能量输入，并通过摩擦滑移机制耗能量；
所述惯容子系统单元用于该隔震系统的能量吸收、耗散以及被隔震结构的振动控制。
2.如权利要求1所述的一种摩擦摆型惯容隔震系统，其特征在于，所述惯容子系统单元可以设置有多组，多组惯容子系统单元分别位于摩擦摆单元的左右两侧。
3.如权利要求1或2所述的一种摩擦摆型惯容隔震系统，其特征在于：所述惯容子系统单元包括上齿板(5)、下齿板(6)、齿轮组单元(7)、飞轮(8)、旋转轴(9)、以及永磁体(10)；
所述上齿板(5)与上连接板(12)固定连接，所述下齿板(6)与下连接板(11)固定连接；所述齿轮组单元(7)包括传动齿轮，所述传动齿轮位于上齿板(5)、下齿板(6)之间，并与上齿板(5)、下齿板(6)啮合连接；所述传动齿轮的轴心穿设有一根旋转轴(9)，并与该旋转轴(9)同轴固定连接；同时旋转轴(9)的前、后两端各自设置一个飞轮(8)，并与飞轮(8)中心固定连接，使得飞轮(8)在旋转轴(7)带动下绕其中心轴线做旋转运动；
所述永磁体(10)分别固定设置于上连接板(12)的前后两侧及下连接板(11)的前后两侧，且位于同侧上连接板(12)、下连接板(11)上的永磁体(10)所在竖向平面与该侧飞轮(8)所在竖向平面平行。
4.如权利要求1所述的一种摩擦摆型惯容隔震系统，其特征在于：所述摩擦摆单元包括上滑动体(1)、摩擦滑动块(2)和下滑动体(3)；
所述上滑动体(1)通过其顶面与上连接板(12)固定连接，其底面为上滑动面；所述下滑动体(3)通过其底面与下连接板(11)固定连接，其顶面为下滑动面；所述上滑动面、下滑动面之间设置摩擦滑动块(2)，摩擦滑动块(2)的上下两端面均为凸出面，并通过凸出面与上滑动面和下滑动面摩擦接触。
5.如权利要求4所述的一种摩擦摆型惯容隔震系统，其特征在于：所述上滑动面及下滑动面设置为凹球面型。
6.如权利要求4所述的一种摩擦摆型惯容隔震系统，其特征在于：所述下滑动面的顶部设置有聚四氟乙烯板(4)。
7.如权利要求1所述的一种摩擦摆型惯容隔震系统，其特征在于，根据上部结构隔震设计的性能目标需求、隔震层位移限值和预计的质量放大、阻尼增效效果，可灵活地设计齿轮组单元(7)的齿轮数量和几何尺寸，以及飞轮(8)的数量和几何尺寸；若干个包含飞轮(8)的惯容子系统单元可有序地分布在摩擦摆单元的两侧。
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