CN109763581B - 具有三维隔震减振的建筑结构基础模块 - Google Patents

Abstract

具有三维隔震减振的建筑结构基础模块，包括：钢结构小平台，滑动支座，可变竖向刚度组合的具有竖向自调节变形能力的叠层特种橡胶‑钢板支座，支座中心并联粘弹性阻尼吸能减振器；滑动支座采用了含油自润滑液‑固两相材料，具有较低的滑动摩擦系数，可有效阻隔水平地震分量向上部结构传递，针对竖向地震分量，减振器和具有阻尼特性的液‑固特种橡胶支座并联在一起，具有吸能减振作用，从而达成三维隔震减振保护作用，本发明的技术方案对地震作用更加灵敏和高效。

Description

具有三维隔震减振的建筑结构基础模块

技术领域

本发明属于建筑基础隔震，消能减振技术领域。

技术背景

中国强制标准(“建筑抗震设计规范2016年版”第12章，隔震和消能减震设计，P149)指出：基础隔震是指在房屋等建筑物的基础、底部或下部结构和上部结构之间设置的由橡胶支座和阻尼装置等部件组成具有整体复位功能的隔震层，利用橡胶在水平方向剪切变形的时滞效应，可以延长整个建筑结构体系的自振周期，避开地震动的主要能量频带，减小输入上部建筑结构的水平地震作用，甚至使上部建筑结构与地面振动相隔离，减少上部结构地震作用，达到预期防震要求；消能减震设计指在房屋结构中设置消能器，通过消能器的相对变形和相对速度提供附加阻尼，以消耗输入结构的地震能量，达到预计防震减震要求。

基础隔震是限制地震能量进入上部结构的重要技术和方法，近百年来已经提出许多隔震技术方案，目前国内外常用的隔震机构和体系主要包括：摩擦摆体系(FPS)，叠层钢板-橡胶隔震支座，平面滑动和复位弹簧并联机构。以下分别阐述其主要技术特点和优缺点：

摩擦摆技术体系(FPS)

实际是依靠重力复位的摩擦摆滑动机构，当上部机构的自振周期较短时，隔震结构的自振周期可以延长至T＝2π(R/g)^1/2，其中R是滑动球面的半径，g是重力加速度，这种机构只对摆动方向起隔震作用，为满足X/Y平面两个维度的隔震要求，需要设计成双层结构，结构比较复杂、成本也较高，目前该技术方法主要用于调谐质量阻尼系统(TMD)，用于高层建筑的减振。

传统叠层钢板-橡胶隔震支座体系

目前国内外已经相对比较成熟，自1993年周福霖院士在国内在汕头推广第一个示范工程，目前已经推广应用多年，该技术方法及应用也已经被列入中国强制标准“建筑设计技术规范(GB 50011-2010)”，中国建筑工业行业推荐标准“建筑隔震橡胶支座(JG/T118-2018)”，传统的叠层钢板-橡胶隔震支座示意图如图一所示，主要包括上/下的钢护板，支座上/下部的安装钢板及其连接螺栓，中间核心的叠层橡胶板以及橡胶板之间的叠层钢板，利用橡胶高弹性和利用钢板高抗压的各自优点，在水平剪切力作用下橡胶可以弹性变形并回复，与普通传统刚性建筑结构的上下部连接相比较、叠层钢板-橡胶隔震支座可以将水平方向的地震能量较少地、迟滞地传递给上部的建筑结构，从而加大了上部建筑结构的振动周期，对自振周期较短的建筑物抵抗水平方向的地震作用相对效果较好；传统叠层钢板-橡胶支座的技术和设计不足之处是对竖向地震作用导致的上部建筑物结构的振动一般没有减振效果，对上部结构缺乏有效的减振防护作用；另外一个缺点是对长周期水平方向的地震动作用下甚至会起到放到地震的作用，从而使得橡胶支座的水平变形过大而发生共振失稳破环的危险性(见文献“基础隔震建筑中应用变刚度保护装置的地震反应分析”，杨林，周锡元，Industrial Constuction，Vol.36，NO.9，2006)。目前针对传统叠层钢板-橡胶支座的前一个缺点尚没有见到设计合理的技术方案报道。

为了防止叠层钢板-橡胶隔震支座发生大变形失稳破坏，工程实践中常采用增加限位挡块的方法，但研究表明硬碰撞激发的高频振动对上部建筑结构是不利的，基于上述思想，国内外学者已经提出多种隔震层限位保护混合控制装置和技术方法，主要包括：软着陆保护橡胶支座隔震体系，弹性缓冲软碰撞限位保护装置，复位向心机构，挡土墙以及电磁流变阻尼器和隔震垫组成的智能基础隔震系统对结构地震反应进行控制。典型的如文献“具有软着陆保护的橡胶支座隔震体系”(周锡元，建筑结构学报，Vol.21，No.5)中提出采用并联功能支座的方案，采用承载橡胶支座和一端具有滑动摩擦面的后备支座组成并联体系，当发生强震时，随着承载支座发生较大的水平向变形并出现一定的下沉倾向，轴向压力逐渐从承载支座转移到后备支座上，后备支座的摩擦面开始出现滑动，由于滑动面上的摩擦力随轴向压力增大而增大，因此后备支座实际上是一个具备变摩擦滑动特性的软着陆机构，它不仅保护了传统叠层钢板-橡胶隔震支座免遭水平方向剪切大变形而失稳破坏，同时还提供摩擦阻尼，在限制隔震层的位移方面也发挥良好的作用。

为了防止叠层钢板-橡胶隔震支座发生大变形失稳破坏，文献“基础隔震建筑中应用变刚度保护装置的地震反应分析”(杨林，周锡元，Industrial Constuction，Vol.36，NO.9，2006)，提出利用水平方向变刚度隔震保护装置和技术方法，通过水平方向橡胶支座变形后附加套上水平布置在外周的弹簧来改变隔震支座的水平刚度和适当减少和控制水平位移量，来调控建筑物的周期，通过减小隔震层的变形和位移量，使之限制在限定的范围内，同时使上部结构的层间剪力不明显增大。

针对传统叠层钢板-橡胶支座对不同强度的地震反应并不一致和减震效果参次不齐，文献“组合橡胶支座及橡胶支座与柱串联系统的水平刚度计算方法”(周锡元，“地震工程与工程振动，Vol.19，No.4)分析并指出问题所在、并提出具有可变水平刚度的变截面的组合橡胶支座的技术方案，目前的建筑基础隔震中应用的经典的叠层橡胶支座都是等截面的，其水平刚度是以遭遇强烈地震为依据设计的，当遭遇中小地震时，水平刚度则显得偏大，致使上部结构的减震效果比遭遇设计地震时明显减小，而由两个不同截面橡胶支座组成的组合橡胶支座在不同强度地震作用下则能发挥较好的隔震效果，在中小不同级别的地震作用下均可起到水平抗震作用，文章中还对组合橡胶支座建立了物理和数学分析模型，推导了水平刚度系数的实用计算公式。采用圆台阶型橡胶支座或用两个截面不同的橡胶支座串联组合使用是一种比较经济的选择，另外当橡胶支座和摩擦滑板串联使用时，将两个橡胶支座中外径较小的一个放置于下部坐落于平面滑板上还可以减小滑动面的设计面积，减少材料消耗。

相较传统叠层钢板-橡胶支座，前述方案具有一定的进步意义。但是这些方案并没有解决竖向抗震功能，对竖向地震分量的消除效果十分有限。

平面滑动和复位弹簧并联机构

建筑和下部的基础之间采用可以平面摩擦的滑动隔震方法从理论上可以最大程度地限制和隔离水平方向的地震作用，平面摩擦副具有承载力大、压强小的优点，起到隔震作用的技术前提是滑动摩擦副之间界面稳定，摩擦系数稳定，滑动摩擦力稳定，但是实际应用时不同位置的建筑结构的桩基础之间存在不同的沉降和倾斜水平以及不同的水平度，各个滑动平面实际上不会真正保持理想的平行平面，真实地震发生时，滑动摩擦很难真正实现，水平方向的地震能量仍然会将剪切作用传递给上部的建筑结构，因此单独的滑动摩擦隔震在实际应用上受到限制，对目前出现的地面沉降现象后的效果还有待强震的考验。

隔震弹性滑板支座

采用滑板结构和叠层钢板-橡胶支座串联后组合使用构成隔震弹性滑板支座，实际上是发挥两者各自的优点和互补功能，基于橡胶支座在竖向可有一点压缩变形量、可以一定程度改善单独使用滑板支座存在的技术缺陷，文献“大直径建筑隔震弹性滑板支座施工技术”(管庆松，建筑技术，VOL.49，No.9)指出北京大兴新机场航站楼在隔震层采用了铅芯橡胶支座、天然橡胶支座、弹性滑板支座和粘滞阻尼器，共使用隔震橡胶支座和弹性滑板支座1152套，粘滞阻尼器144套，其中的弹性滑板支座和叠层橡胶支座串联组合使用，采用倒扣方式安装，镜面不锈钢滑板在叠层橡胶支座的上部，由于弹性滑板支座的动摩擦系数介于0.005-0.1之间，遭遇地震时弹性滑板支座可以在克服静摩擦力后启动滑动，从而降低地震作用传递到上部结构，延长上部结构的振动周期，将上部结构的地震作用减小一半以上；弹性滑板支座在起滑前的静摩擦力联合隔震层中使用的铅芯橡胶支座的屈服力，还可以起到抗风作用。

传统的叠层钢板-橡胶支座由于采用高竖向刚度设计准则，基于传统的橡胶制备技术及材料体系设计，竖向压缩可变形量十分有限，按照文献“中华人民共和国建筑工业行业推荐标准(JG/T 118-2018)--建筑隔震橡胶支座”推荐的竖向刚度设计值，在12MPa平均压强作用下，名义直径400-800mm的传统天然橡胶支座的平均压缩量仅介于1.1-1.9mm，尚不足以适应其安装平台基础的水平度在实际施工生产中存在的误差，这会导致承载时在结构的连接面的局部压强会远大于平均压强；按照计算表明：即使在60MPa的平均高载荷作用下传统橡胶隔震支座竖向的平均位移仅约5.4-9.7毫米；而经过测算表明：假设地面沉降导致桩基础的水平出现偏斜10°，那么对于名义直径介于400-800mm的橡胶支座，其外圆处的局部高度正切变化量介于35-70.4mm，因此传统的叠层钢板-橡胶支座在竖向的位置自调节能力是显然不够的，其后果是实际会产生高的局部压强，会直接传递作用于上部的结构导致开裂等不安全隐患，结合沉降导致的建筑物破环现象来看，隔震橡胶支座采用高的竖向刚度设计准则是有其技术缺陷和设计不周之处的，高竖向刚度设计准则是值得疑虑和改善的。

传统的建筑消能减振方法

除了以上三种主要隔震结构，消能减振是将地震输入到建筑结构的能量引向特别设置的消能机构和元件加以吸收和耗散，以保护建筑主体的安全，目前开发和应用的消能减振器主要有位移相关型的摩擦阻尼器、软钢和合金阻尼器、铅阻尼器、钢板或钢管/橡胶夹层型粘弹性阻尼器、和速度相关型的活塞型粘滞油阻尼器，见文献“建筑消能减震技术规程”(JGJ297-2013)和文献“建筑消能阻尼器”(JG/T 209-2012)；这几种阻尼器或利用界面摩檫力或利用材料的弹塑性变形或利用高压油强制通过节流孔产生阻尼力，均有一定的力/位移滞后特性，主要应用在高层结构作为层间阻尼支撑，吸收水平方向的地震能量使用，尚不适合用于建筑的隔震基础层；尤其活塞型粘滞油阻尼器，一般采用活塞杆双出型的油阻尼器、主活塞上开有细小的阻尼孔，工作时需要使用高达近20-80MPa的高内压，作为结构基础的消能阻尼器，对长期工作保证动密封处不漏油是个严峻考验，该结构用于结构基础隔震和减振其长期可靠性还不足以令人信服。目前主要用于高层建筑结构上部的层间易于检查部位的消能减振和抗风负荷等动力学应用。

为克服现有技术的种种缺点和丰富抗震技术体系，本发明设计开发一种对水平方向和竖向地震作用均起到优良安全防护作用的隔震、减振基础新结构和核心新材料体系，特提出本发明。

发明内容

具有三维隔震减振的建筑结构基础模块，其技术特征在于：所述具有三维隔震减振的建筑结构基础模块包括以下功能部件：和钢筋混凝土等桩基础牢固连接的钢结构小平台，其技术特征是：小平台上的平整滑动支撑面采用镜面不锈钢板，或在钢板表面制备有聚四氟乙烯基涂层，或采用聚四氟乙烯基垫板作为滑动摩擦副材料F1；坐落于钢结构小平台上面的滑动支座，其技术特征是：滑动支座的底部镶嵌含油自润滑复合材料作为滑动摩擦副材料F2，-40～28℃温度区间，滑动摩擦副材料F1-F2界面之间的滑动摩擦系数小于等于0.025，滑动支座在钢结构小平台里面可以相对水平滑动；在滑动支座上坐落配置具有内耗阻尼特性和阶梯竖向刚度组合特性的叠层特种橡胶-钢板支座和粘弹性消能阻尼减振器，粘弹性消能阻尼减振器位于叠层特种橡胶-钢板支座的中心部位，粘弹性消能阻尼减振器与套装在减振器外圈部位的叠层特种橡胶-钢板支座并联在一起，起到分担竖向减振的功能；叠层特种橡胶-钢板支座其中的特种橡胶层采用液-固两相粘弹性橡胶复合材料，液-固两相粘弹性橡胶复合材料中包括：具有内耗性能的5万-300万mPa*s高粘度的液体橡胶占复合材料的重量百分比小于35wt％，余下为固体橡胶，二者在微观上呈合金状或液体橡胶呈群岛状均匀分布于固体橡胶中；叠层特种橡胶的竖向压缩刚度，简称竖向刚度，至少包括在两个区间：介于80-600KN/mm，或大于600KN/mm；粘弹性消能阻尼减振器采用具有内摩擦吸能机制的微多孔金属纤维组合物作为阻尼元件，采用500-300000mPa*s的中高粘度的硅油，典型的如采用二甲基硅油作为阻尼介质，弹簧钢制的金属碟簧叠层叠后在内部起到竖向支撑作用和弹性回复功能，粘弹性消能阻尼减振器还起到对上部的安装板与下部的滑动支座之间的结构连接和防止拉伸脱开的防护作用；粘弹性消能阻尼减振器的上部活塞杆固定连接于上部的安装板，其下部设有圆弧面可转动支撑，能够实现下面的滑动支座以及钢结构小平台跟随地面沉降等导致的基础倾斜而倾斜；粘弹性消能阻尼减振器外圈部位的叠层特种橡胶-钢板支座其中的竖向刚度介于80-600KN/mm的叠层特种橡胶具有压缩弹塑性变形能力，在圆柱截面上可以自适应调整发生不同的竖向变形，跟随下部滑动支座发生的平面倾斜，不至于将局部高压强传递于上部建筑结构，粘弹性消能阻尼减振器的下部和滑动支座之间设置轴向及径向限位装置，限位装置对叠层特种橡胶-钢板支座具有水平滑移限位和防竖向拉脱功能，粘弹性消能阻尼减振器的周圈和叠层特种橡胶-钢板支座之间灌注动力粘度介于20-200万mPa*s的液体橡胶，起到碰撞缓冲作用和阻尼作用。

叠层特种橡胶-钢板支座其中的特种橡胶层采用液-固两相粘弹性橡胶复合材料，复合材料中包括：考虑到内耗性能，力学性能以及加工难度的平衡，采用25℃下动力粘度介于20万-300万mPa*s的二甲基硅油或过量的端乙烯基聚甲基乙烯基硅氧烷作为液体橡胶组分，液体橡胶占复合材料的重量百分比介于10-35wt％，余下为固体加成型硅橡胶，考虑到力学性能的平衡以及加工难度的平衡，加成型硅橡胶的原料胶为25℃下动力粘度介于20万-200万mPa*s的端乙烯基聚甲基乙烯基硅氧烷液体硅胶，交联剂为多官能度的含氢硅氧烷，填料为白炭黑；叠层特种橡胶半成品板材可在170-185℃下，5-20分钟预交联并在模具中热压成形为含10-20％体积百分比环槽的半成品圆环板状物；叠层特种橡胶-钢板支座中所用的钢板采用多孔钢板或表面开环槽钢板，其两面及厚度方向的通孔内部可预先注射好特种橡胶原料混合物，并在170-185℃下，5-25分钟预交联并热压成形为三明治结构；将上述半成品圆环板状物和三明治结构的半成品多组叠层后压在一起，在0.3-1MPa平均压强下于195-210℃下进行二次高温交联4-24小时并实现一体化连接功能，得到的叠层模块在竖向的抗拉脱强度大于1.5MPa，为满足12MPa以下正常设计承载和基座水平度，标高等施工误差的影响而希望叠层特种橡胶支座具有自找平功能，地震时竖向加速度有可能导致的平均压强增大为12-24MPa，为降低竖向振动和减缓对上部建筑结构的冲击作用，仍然希望此时叠层特种橡胶支座具有一定的压缩变形和弛豫能力，技术目的是即使在24-60MPa不均匀负载或极端情况下也还是希望叠层特种橡胶支座具有压缩变形调整能力，叠层特种橡胶的竖向刚度包含在三个可调节区间：介于90-400KN/mm，介于400-600KN/mm，大于600KN/mm，满足不同负载下的竖向压缩变形能力和竖向承载的要求。

叠层特种橡胶-钢板支座的核心叠层模块在预交联后与上部的安装板以及下部的滑动支座采用燕尾槽灌注液体橡胶后采用二次交联热压焊接工艺实现三者的一体化连接，三者在竖向的抗拉脱强度大于1.5MPa。

滑动支座主要包括：金属基座、基座中心上部连接的圆柱形限位筒，限位筒的底部放置聚四氟乙烯基板材，板材上部放置具有圆弧形支撑面并且下部光滑平整的钢制滑块，滑动支座的外部和钢结构小平台之间配置有水平方向复位弹簧，金属基座的下部中空部分先灌注液体橡胶并进行化学交联处理成弹性体过渡层，弹性体过渡层的硬度值介于邵氏A70-85，然后继续镶嵌填充聚乙烯-石蜡油为主体的含油自润滑复合材料作为滑动摩擦副F2，金属基座下部的钢框架内镶嵌有橡胶密封圈起到密封保油作用；含油自润滑复合材料采用高密度聚乙烯-石蜡油为主体的复合材料，其中：高密度聚乙烯HDPE的重均分子量介于35万-100万，高密度聚乙烯HDPE占复合材料的重量百分比介于30-50％，乙烯-醋酸乙烯酯共聚物EVA或二元乙丙橡胶EPM或二者的组合物占复合材料的重量百分比介于3-25％，石墨粉体占复合材料的重量百分比介于0-25％，50-100号石蜡油占复合材料的重量百分比介于15-35％，石墨粉体的粒径D90小于30微米。

粘弹性消能阻尼减振器的主活塞采用具有内摩擦吸能机制的微多孔金属纤维毡或叠层的不锈钢纤维编织网组合物作为阻尼元件，采用中等粘度硅油作为阻尼介质，弹簧钢制的金属碟簧经过叠层后放置于减振器外筒体的内部和下部，对活塞杆筒体的下部压头起到竖向支撑作用和弹性回复功能，主活塞固定连接在活塞杆筒体的内部，主活塞的上部和浮动活塞的下部之间配置有第一复位弹簧，浮动活塞的上部和活塞杆筒体的上端部的端盖之间设置有第二复位弹簧，并保持有一部分气体空间没有液体阻尼介质，浮动活塞以下部位填充的液体阻尼介质采用中高粘度的二甲基硅油，25℃下动力粘度更推荐介于3000-300000mPa*s之间，过低的阻尼介质粘度与微多孔金属纤维材料阻尼元件之间的剪切和内摩擦力相对较小，过高的阻尼介质粘度，会对微多孔金属纤维造成过大的阻力，甚至会将纤维弄断；静态时浮动活塞以下的液体阻尼介质具有1MPa以下的低内压，减振器长期工作稳定，不漏油。

滑动支座的金属基座的下部中空部分还可以填充采用硅橡胶-硅油为主体的含油自润滑复合材料作为滑动摩擦副材料F2，金属基座下部的周圈镶嵌有橡胶密封圈起到密封保油作用；含油自润滑复合材料中：硅橡胶占复合材料的重量百分比介于45-65％，硅油占复合材料的重量百分比介于20-40％，白炭黑和/或炭黑占复合材料的重量百分比介于5-20％，硅油采用25℃下动力粘度介于200-100000mPa*s之间的二甲基硅油，过低的粘度对于摩擦副界面的摩擦阻尼作用太小，过高的粘度会提高摩擦副界面的滑动摩擦系数，起滑不够迅速，对水平地震能量的隔离效果不佳。

粘弹性消能阻尼减振器的主活塞中的阻尼元件包括：1级大孔高刚度支撑平板P1，2级中孔支撑平板P2，3级微多孔核心阻尼层P3；1级大孔高刚度支撑平板P1具有以下技术特征：开口孔径介于3-6毫米，厚度介于8-20毫米；2级中孔支撑平板P2具有以下技术特征：开口孔径介于0.8-2毫米，厚度介于1.2-3毫米，有效开口面积比例介于15-30％；3级微多孔核心阻尼层P3具有以下技术特征：平整夹紧在2级中孔支撑平板P2两组的中间，采用介于30-180目的叠层不锈钢编织网或不锈钢纤维真空烧结毡，总层数介于9-39层；主活塞中的阻尼元件采用叠层结构并压紧：1级大孔高刚度支撑平板P1-2级中孔支撑平板P2-3级微多孔核心阻尼层P3-2级中孔支撑平板P2-1级大孔高刚度支撑平板P1，静态时阻尼液体介质部分具有0.15-0.3MPa的低内压。

以下对本发明技术方案和技术思路作进一步归纳和解释：

本发明的具有三维隔震减振的建筑结构基础模块中的滑板支座和钢结构小平台之间的摩擦副材料F2采用含油自润滑液-固两相材料，利用油膜具有非常低的滑动摩擦系数和其中固相材料的储油保油以及承载的功能，做到了比普通不锈钢板-聚四氟材料体系滑动摩擦副更低的滑动摩擦系数，本项目技术方案实施后可以更加有效地阻隔不同等级和不同强度的水平地震分量通过隔震支座层层剪切向上部结构的传递，因此可以提高对高强度地震的有效防御和灾害控制，即使对中低强度的地震作用也具备很好的隔震减振效果，对建筑结构中的贵重仪器和电器设备的振动和冲击破坏作用起到了抑制作用；另外可以减少上部结构的抗震设计要求和减少甚至取消层间阻尼器的应用，降低抗震建筑的整体建造成本。在不同等级和强度的地震水平分量作用时，本发明的隔震支座可以立即启动滑移，从而降低了水平剪切能量向上部结构的传递，因此滑台上部坐落地叠层特种橡胶支座的截面积和水平位移量不必设计过大，本发明的水平限位位移量可以控制在±30-±80mm已经可以满足工程需求。

本发明的具有三维隔震减振的建筑结构基础模块中的叠层特种橡胶采用高-中-低不同竖向刚度的有机组合，叠层特种橡胶支座具有较高的竖向压缩变形能力，可以满足建筑施工精度不高的现实需求、对桩基础的水平度，平行度和标高的允差可以适当具有容忍度；并可以解决地面沉降导致的桩基础水平偏斜问题，通过特种橡胶支座的弹塑性变形自调节机制，有效地降低了桩基础偏斜对上部建筑结构造成局部高压强而导致的破坏作用。本发明的方案不会出现传统的滑板支座和传统的高竖向刚度叠层橡胶支座组合成的弹性滑板支座的以下缺陷：由于竖向位移量能力有限，在地基沉降或地震导致的地基波动，导致钢结构基础平台出现水平偏斜时，不同的桩基处会出现滑动面实际不平行的现实，传统滑板支座会体现出互相卡滞和结构的局部撕裂现象，水平地震分量仍然对上部建筑结构的地震有一定损伤，传统叠层橡胶支座采用的高硬度，大于1400KN/mm的高竖向刚度的材料特性，对竖向的减振效果不够令人满意；本发明的技术方案，由于竖向自调节能力的具备，不同的滑动面不会出现卡滞干涉现象，本发明的技术方案对地震作用更加灵敏和高效。

本发明的具有三维隔震减振的建筑结构基础模块中有机组合采用不同竖向刚度的叠层特种橡胶-钢板支座，以及支座中心并联采用粘弹性消能阻尼减振器，二者联合使用后规避了单独使用常规减振器竖向承载力有限的缺点，二者并联后利用了叠层特种橡胶支座的高竖向承载能力和水平变形迟滞效应，利用和重点发挥粘弹性消能阻尼减振器的更优越的竖向减振能力，二者并联组合后起到了互补的功能设计，对竖向地震分量具有较好的减振作用；通过特种橡胶材料采用液-固两相橡胶组成的特殊设计，其中高粘度液体橡胶的粘滞特性和内摩擦能力除对水平地震分量导致的剪切具有水平阻尼作用，也会起到竖向阻尼作用，特种橡胶板中设置的环形槽还具有竖向压缩变形弛豫能力，本发明的结构有机整合了多种材料和结构的优点，具有更佳的竖向减振特性。

本发明的具有三维隔震减振的建筑结构基础模块的中心的粘弹性消能阻尼减振器，特殊设计和采用了具有较大内摩擦有效面积的微多孔金属纤维毡或金属纤维编织网的组合物作为阻尼元件，阻尼介质采用中高粘度的二甲基硅油等阻尼介质，与传统的液压油-背压阀型粘滞型减振器相比，本发明的粘弹性减振器可以在低频，低速，小振幅振动激励下具有较好的阻尼相应特性，可以将振动能量及时地转化为微多孔金属纤维与阻尼介质之间的强烈内摩擦及热能，阻尼吸能水平较高；传统的粘滞型阻尼减振器由于采用的节流孔面积非常小，背压高达5-80MPa左右，该结构适用于车辆和桥梁，高层建筑的抗风负荷等大振幅，高速振动激励，对地震出现的低频，低速，小振幅的振动激励的阻尼响应特差，不适合建筑基础的隔震减振使用。

本发明的具有三维隔震减振的建筑结构基础模块具有内在有机的功能组合和性能互补，可以较好地实现水平，竖向，不同地震等级和地震强度下的有效地隔震减振安全要求。相关技术人员在领悟了本发明的技术思路后作的局部变通，比如橡胶材料的更换等，自润滑复合材料以及阻尼介质的微调和更换等，仍然可以认为在本发明的保护范围内。本发明技术点丰富，理论可行，实用价值较强，具有较好的市场推广潜力。

以下通过说明书附图以及实施例对本发明进一步阐释。

附图说明

说明书附图1所示为传统的等截面，竖向刚度在1400KN/mm以上的叠层橡胶-钢板支座原理图，其中1-1为钢护板，1-2为上部安装板，1-3为安装螺栓，1-4为叠层中的普通橡胶或高阻尼橡胶，1-5为叠层中的钢板。

说明书附图2所示为本发明技术方案的隔震建筑的示意图，其中2-1为上部的建筑物框架主体，2-2为建筑物楼层，2-3为隔震支座上部的首层建筑，2-4，2-5，2-6分别为本发明的具有竖向位移自调节能力的三维隔震减振支座，考虑到地基沉降不均匀的现实，桩基础跟随地基出现一定的沉降倾斜，本发明通过具备可压缩弹塑变形能力的叠层特种橡胶-钢板支座实现了竖向位移的自调节，这样支座上部建筑结构的受力相对均匀，不易开裂。

说明书附图3所示为本发明技术方案的具有三维隔震减振的建筑结构基础模块的原理示意图，其中3-1为上部安装连接板，3-2为连接螺栓，3-3为燕尾槽与橡胶的连接处，3-4为叠层特种橡胶板，3-5为叠层钢板，3-6为中心的粘弹性消能阻尼减振器，3-7为滑动支座和钢结构小平台之间的连接阻尼器，3-8为钢结构小平台，3-9为滑动支座的金属支座，3-10为滑动支座的下部密封圈，3-11为钢结构小平台下部的混凝土基础，3-12滑动支座下部镶嵌的含油自润滑复合材料，3-13为滑动支座和钢结构小平台之间的连接复位弹簧，3-14为的粘弹性消能阻尼减振器底部的聚四氟乙烯基滑板，3-15为具有圆弧形滑动支撑面的滑块，3-16为聚四氟乙烯基垫板或涂层，3-17为与滑板支座相连接固定的限位圆柱形挡块，3-18为的粘弹性消能阻尼减振器底部的支撑块，具有圆弧形支撑面，外圆并带有凸台状的限位挡块，3-19为灌注在的粘弹性消能阻尼减振器和叠层特种橡胶-钢板支座之间的高粘度液体橡胶，起到撞击缓冲作用，3-20为的粘弹性消能阻尼减振器上部与上安装板之间的连接固定螺栓。

说明书附图4所示为本发明技术方案的具有三维隔震减振的建筑结构基础模块中心的粘弹性消能阻尼减振器的示意图，其中4-1为的粘弹性消能阻尼减振器上端盖的安装螺纹孔，4-2为上端盖，4-3为活塞杆筒体内的第二复位弹簧，4-4为活塞杆筒体，4-5为浮动活塞，4-6为的粘弹性消能阻尼减振器外筒体上端部的密封端盖，4-7为的粘弹性消能阻尼减振器外筒体，4-8为外筒体下部的安装导向锥，4-9为与的粘弹性消能阻尼减振器下部固定连接的限位圆柱，带有限位凸台，限位圆柱的下支撑面采用圆弧形面，4-10为聚四氟乙烯基板材或涂层，4-11为的粘弹性消能阻尼减振器筒体底部的弹簧钢制金属碟簧，4-12为碟簧中心的导向柱筒，4-13为的粘弹性消能阻尼减振器的阻尼介质，4-14为碟簧上部的环状钢压板，4-15为活塞筒体，4-16为活塞杆筒体内相固定连接的主活塞，4-17为主活塞中采用的微多孔金属纤维毡或不锈钢纤维编织网的叠层组合物，4-18为活塞杆筒体内主活塞上部与浮动活塞之间的第一复位弹簧。

说明书附图5所示为叠层特种橡胶-钢板中采用的多孔钢板的示意图，小孔的两端分别加工有台阶状的过渡和倒角，目的是提高橡胶和钢板的连接性能。

说明书附图6所示为多孔钢板孔内及板材的两面分别注射成型特种橡胶后的半成品的示意图，半成品先进行第一步预交联，其中6-1为特种橡胶，6-2为多孔钢板中的钢材部分。

说明书附图7所示为叠层特种橡胶-钢板中的特种橡胶板的截面示意图，先热压加工成具有环形槽物理变形容纳空间的半成品，并进行预交联处理。

说明书附图8所示为图6和图7中的半成品热压叠层后的示意图，其中8-1为图7所示的加工有环形槽物理变形容纳空间的特种橡胶半成品，8-2为多孔钢板中的钢材部分，8-3为贯通多孔钢板两面的特种橡胶材料部分。

说明书附图9为另一种叠层钢板的样式，不加工通孔，仅加工一些环形槽，用于提高钢板与橡胶的界面面积和界面粘结强度。

说明书附图10为图9的钢板两面加工上特种橡胶后的三明治结构示意图。

说明书附图11所示为图7所示的特种橡胶板半成品同图10所示的钢板两面加工上特种橡胶后的三明治结构组合后叠层的示意图，其中11-1为图7所示的加工有环形槽物理变形容纳空间的特种橡胶半成品，11-2和11-4为图10所示的钢板两面加工上的特种橡胶材料，11-3为图10所示的三明治结构中间的钢板。

说明书附图12为本发明的具有三种竖向刚度的叠层特种橡胶组合的竖向压力和竖向位移的关系示意图。

实施例

具有三维隔震减振的建筑结构基础模块，该结构基础模块包括以下功能部件：和钢筋混凝土桩基础牢固连接的钢结构小平台，钢结构小平台上的平整滑动支撑面铺设3毫米厚度的镜面不锈钢板作为滑动摩擦副材料F1；坐落于钢结构小平台上面的滑动支座，其底部镶嵌HDPE-石蜡油含油自润滑复合材料作为滑动摩擦副材料F2，在-40～+28℃温度区间、滑动摩擦副材料F1-F2界面之间的滑动摩擦系数小于等于0.015。

在滑动支座上坐落配置叠层特种橡胶-钢板支座和粘弹性消能阻尼减振器，粘弹性消能阻尼减振器位于叠层特种橡胶-钢板支座的中心部位；叠层特种橡胶-钢板支座其中的特种橡胶层采用2种不同竖向刚度力学特性的液-固两相粘弹性橡胶复合材料A-B组合使用，复合材料A中：60万mPa*s高粘度的液体二甲基硅油作为物理交联的液体橡胶组分，占复合材料的重量百分比为8％；复合材料B中：60万mPa*s高粘度的液体二甲基硅油作为物理交联的液体橡胶组分，占复合材料的重量百分比为23％；余下为固体加成型硅橡胶，加成型硅橡胶的原料胶为25℃下动力粘度介于30-40万mPa*s的端乙烯基聚甲基乙烯基硅氧烷液体硅胶100重量份，交联剂为10份的线性端氢甲基聚硅氧烷，填料为气相白炭黑25份；叠层特种橡胶半成品板材A和B均可在170-180℃下，8-15分钟预交联，并在模具中热压成形为边长4.6mm的倒正三角形环槽，环槽间隔4.6mm，半成品圆环板状物厚度6mm，叠层特种橡胶-钢板支座中所用的钢板采用多孔钢板，详见说明书附图5，其两面及厚度方向的通孔内部可预先注射特种橡胶原料混合物，并在170-180℃下，8-15分钟预交联并热压成形为三明治结构，两面的橡胶层的单边厚度2mm，将上述两种预交联的半成品多组叠层后压在一起，在0.5-0.8MPa平均压强下于199-205℃下进行二次高温交联12小时实现一体化连接功能，得到的叠层模块在竖向的抗拉脱强度大于2MPa，叠层特种橡胶B和A的竖向刚度分别分布于两个区间：介于120-200KN/mm，介于300-400KN/mm。

粘弹性消能阻尼减振器采用具有内摩擦吸能机制的微多孔金属纤维组合物作为阻尼元件，采用6000mPa*s的中等粘度硅油作为阻尼介质，采用外径280mm-内径142mm-材料厚度16mm-单片竖向刚度70KN/mm的60SiMn2弹簧钢制的金属碟簧，12只串联后在内部起到竖向支撑作用和弹性回复功能，粘弹性消能阻尼减振器的周圈和支座之间灌注动力粘度60万mPa*s的液体二甲基硅油作为液体橡胶，起到碰撞缓冲作用和阻尼作用。

叠层特种橡胶-钢板支座的核心叠层模块在预交联后与上部的安装板以及下部的滑动支座采用燕尾槽灌注液体硅橡胶后采用二次交联焊接工艺实现三者的一体化连接，三者在竖向的抗拉脱强度大于1.5MPa。

滑动支座包括：金属基座，基座中心上部连接的圆柱形限位筒，限位筒的底部放置聚四氟乙烯基板材，板材上部放置具有圆弧形支撑面且下部光滑平整的钢制滑块，滑动支座的外部和钢结构小平台之间配置有水平方向复位弹簧、金属基座的下部中空部分先灌注液体硅橡胶并进行化学交联处理成弹性体过渡层，弹性体过渡层的硬度值介于邵氏A80-85，然后继续镶嵌填充聚乙烯/石蜡油为主体的含油自润滑复合材料作为滑动摩擦副材料F2，金属基座下部的钢框架内镶嵌有橡胶密封圈起到密封保油作用；含油自润滑复合材料采用高密度聚乙烯-石蜡油为主体的复合材料，其中：高密度聚乙烯HDPE的重均分子量45-50万，高密度聚乙烯HDPE占复合材料的重量百分比40％，二元乙丙橡胶EPM占复合材料的重量百分比介于10％，石墨粉体占复合材料的重量百分比18％，石蜡油占复合材料的重量百分比32％，石墨粉体的粒径D90小于20微米。

粘弹性消能阻尼减振器的主活塞中的阻尼元件包括：1级大孔高刚度支撑平板P1，2级中孔支撑平板P2、3级微多孔核心阻尼层P3；1级大孔高刚度支撑平板P1的开口孔径5毫米，厚度16毫米；2级中孔支撑平板P2的开口孔径1.2毫米，厚度1.5毫米，有效开口面积比例25％；3级微多孔核心阻尼层P3平整夹紧在2级中孔支撑平板P2两组的中间，采用目数50-80目的交替叠层SUS304不锈钢编织网，总层数29层；主活塞中的阻尼元件采用叠层结构并压紧：1级大孔高刚度支撑平板P1-2级中孔支撑平板P2-3级微多孔核心阻尼层P3-2级中孔支撑平板P2-1级大孔高刚度支撑平板P1，静态时阻尼液体介质部分具有0.2MPa以下的低内压。

Claims (6)

1.具有三维隔震减振的建筑结构基础模块，其特征在于，所述具有三维隔震减振的建筑结构基础模块包括：和钢筋混凝土桩基础牢固连接的钢结构小平台，坐落于钢结构小平台上面的滑动支座，坐落在滑动支座上具有内耗阻尼特性和阶梯竖向刚度组合特性的叠层特种橡胶-钢板支座和粘弹性消能阻尼减振器，粘弹性消能阻尼减振器位于叠层特种橡胶-钢板支座的中心部位，同叠层特种橡胶-钢板支座并联使用，起到分担竖向减振的功能；钢结构小平台的平整滑动支撑面采用镜面不锈钢板，或在钢板的表面制备聚四氟乙烯基涂层，或采用聚四氟乙烯基垫板作为滑动摩擦副材料F1；坐落于钢结构小平台上面的滑动支座的底部镶嵌含油自润滑复合材料作为滑动摩擦副材料F2，-40～28℃温度区间、滑动摩擦副材料F1-F2界面之间的滑动摩擦系数小于等于0.025，滑动支座在钢结构小平台里面可以相对水平滑动；叠层特种橡胶-钢板支座其中的特种橡胶层采用液-固两相粘弹性橡胶复合材料，液-固两相粘弹性橡胶复合材料中包括：25℃下动力粘度介于20万-300万mPa*s的二甲基硅油或过量的端乙烯基聚甲基乙烯基硅氧烷作为液体橡胶组分，液体橡胶占复合材料的重量百分比介于10-35wt％，余下为固体加成型硅橡胶，加成型硅橡胶的原料胶为25℃下动力粘度介于20万-300万mPa*s的端乙烯基聚甲基乙烯基硅氧烷液体硅胶，交联剂为多官能度的含氢硅氧烷，填料为白炭黑；叠层特种橡胶半成品板材可在170-185℃下，5-20分钟预交联并在模具中热压成形为含5-20％体积百分比环槽的半成品圆环板状物；叠层特种橡胶-钢板支座中所用的钢板采用多孔钢板，其两面及厚度方向的通孔内部可预先注射特种橡胶原料混合物，并在170-185℃下，5-25分钟预交联并热压成形为三明治结构；将上述半成品圆环板状物和三明治结构半成品多组叠层后压在一起，在0.3-1MPa平均压强下于195-210℃下进行二次高温交联4-24小时并实现一体化连接功能，得到的叠层模块在竖向的抗拉脱强度大于1.5MPa，叠层特种橡胶的竖向刚度包含三个可调节区间：介于90-400KN/mm，介于400-600KN/mm，大于600KN/mm，具有压缩弹塑性变形能力，满足竖向压缩变形能力和承载的要求，在圆柱截面上可以自适应调整发生不同的竖向变形，能够跟随下部的滑动支座发生的平面倾斜；粘弹性消能阻尼减振器采用具有内摩擦吸能机制的微多孔金属纤维组合物作为阻尼元件，采用500-300000mPa*s的硅油作为阻尼介质，金属碟簧经叠层后在粘弹性消能阻尼减振器的内部起到竖向支撑作用和弹性回复功能，粘弹性消能阻尼减振器还起到对上部的安装板与下部的滑动支座之间的结构连接和竖向的防拉脱防护作用，粘弹性消能阻尼减振器的上部活塞杆固定连接于上部的安装板，粘弹性消能阻尼减振器的下部设有圆弧面可转动支撑，下部的滑动支座以及钢结构小平台能够跟随地面沉降导致的基础倾斜而倾斜；粘弹性消能阻尼减振器的下部和滑动支座之间设置轴向及径向限位装置，限位装置对叠层特种橡胶-钢板支座具有水平滑移限位和防竖向拉脱功能，粘弹性消能阻尼减振器的周圈和滑动支座之间灌注动力粘度介于20万-200万mPa*s的液体橡胶，起到碰撞缓冲作用和阻尼作用。

2.根据权利要求1所述的具有三维隔震减振的建筑结构基础模块，其特征在于，叠层特种橡胶-钢板支座的核心叠层模块在预交联后与上部的安装板以及下部的滑动支座采用燕尾槽灌注液体橡胶后进行二次交联热压焊接工艺，实现三者的一体化连接，三者在竖向的抗拉脱强度大于1.5MPa。

3.根据权利要求1所述的具有三维隔震减振的建筑结构基础模块，其特征在于，滑动支座包括：金属基座，金属基座中心上部连接的圆柱形限位筒，圆柱形限位筒的底部放置聚四氟乙烯基板材，聚四氟乙烯基板材的上部放置具有圆弧形支撑面并且下部光滑平整的钢制滑块，滑动支座的外部和钢结构小平台之间配置有水平方向复位弹簧，金属基座的下部中空部分先灌注液体橡胶并进行化学交联处理成弹性体过渡层，弹性体过渡层的硬度值介于邵氏A 70-85，然后继续镶嵌填充聚乙烯-石蜡油为主体的含油自润滑复合材料作为滑动摩擦副材料F2，金属基座下部的钢框架内镶嵌有橡胶密封圈起到密封保油作用；含油自润滑复合材料采用高密度聚乙烯-石蜡油为主体的复合材料，其中：高密度聚乙烯HDPE的重均分子量介于35万-100万，高密度聚乙烯HDPE占复合材料的重量百分比介于30-50％，乙烯-醋酸乙烯酯共聚物EVA或二元乙丙橡胶EPM或二者的组合物占复合材料的重量百分比介于3-25％，石墨粉体占复合材料的重量百分比介于0-25％，石蜡油占复合材料的重量百分比介于15-35％，石墨粉体的粒径D90小于30微米。

4.根据权利要求1所述的具有三维隔震减振的建筑结构基础模块，其特征在于，粘弹性消能阻尼减振器的主活塞采用具有内摩擦吸能机制的微多孔金属纤维毡或叠层的不锈钢纤维编织网组合物作为阻尼元件，采用中等粘度硅油作为阻尼介质，金属碟簧元件经叠层组合后放置于减振器外筒体的内部和下部，对活塞杆筒体的下部压头起到竖向支撑作用和弹性回复功能，主活塞固定连接在活塞杆筒体的内部，主活塞的上部和浮动活塞的下部之间配置有第一复位弹簧，浮动活塞的上部和活塞杆筒体的上端部的端盖之间设置有第二复位弹簧，并保持有一部分气体空间没有液体阻尼介质，浮动活塞以下部位填充的液体阻尼介质采用中高粘度的二甲基硅油，25℃下动力粘度介于3000-300000mPa*s之间，静态时浮动活塞以下的液体阻尼介质具有1MPa以下的低内压。

5.根据权利要求1所述的具有三维隔震减振的建筑结构基础模块，其特征在于，滑动支座的金属基座的下部中空部分填充有硅橡胶-硅油为主体的含油自润滑复合材料作为滑动摩擦副材料F2，金属基座下部的周圈镶嵌有橡胶密封圈起到密封保油作用，含油自润滑复合材料中：硅橡胶占复合材料的重量百分比介于45-65％，硅油占复合材料的重量百分比介于20-40％，白炭黑或/和炭黑占复合材料的重量百分比介于5-20％，硅油采用25℃下动力粘度介于200-10000mPa*s之间的二甲基硅油。

6.根据权利要求1所述的具有三维隔震减振的建筑结构基础模块，其特征在于，粘弹性消能阻尼减振器的主活塞中的阻尼元件包括：1级大孔高刚度支撑平板P1，2级中孔支撑平板P2，3级微多孔核心阻尼层P3；1级大孔高刚度支撑平板P1的开口孔径介于3-6毫米，厚度介于8-20毫米；2级中孔支撑平板P2的开口孔径介于0.8-2毫米，厚度介于1.2-3毫米，有效开口面积比例介于15-30％；3级微多孔核心阻尼层P3平整夹紧在2级中孔支撑平板P2两组的中间，采用目数介于30-180目的叠层不锈钢编织网或不锈钢纤维真空烧结毡，总层数介于9-39层；主活塞中的阻尼元件采用1级大孔高刚度支撑平板-2级中孔撑平板-3级微多孔核心阻尼层-2级中孔支撑平板-1级大孔高刚度支撑平板的叠层结构并压紧，静态时阻尼液体介质部分具有0.15-0.3MPa的低内压。

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