CN109898681B - 一种高承载力抗拉耗能隔震装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高承载力抗拉耗能隔震装置，属于建筑工程结构隔震技术领域。该隔震装置包括上部连接板、U型支撑、球面滑移块、下部滑移槽、下部连接板、抗拉抗剪连接件。上部连接板的一面设置抗拉抗剪连接件，另一面设置球面滑移块。根据球面滑移块的运动耗能半径，确定下部滑移槽，下部滑移槽与下部连接板之间刚性连接，配置若干个U型支撑，再将这些U型支撑平均分布在球面滑移块的前后左右，其中，U型支撑的上肢设置在上部连接板上，将U型支撑的下肢设置在下部连接板上，在下部连接板上设置抗拉抗剪连接件。本隔震装置具有高承载力、良好水平隔震以及抗拉耗能特性，经济实用，绿色环保。
Description
技术领域
本发明属于建筑工程结构隔震领域，更具体地，涉及一种高承载力抗拉耗能隔震装置。
背景技术
隔震技术主要通过隔离装置将地震动与上部结构隔离开来，以达到降低结构地震动响应的效果。
现有的隔震装置类型主要包括天然橡胶隔震支座(LNR)、铅芯橡胶隔震支座(LRB)、高阻尼橡胶支座(HDR)等。这些隔震支座在许多土木结构中被普遍使用，特别是对地震作用、风荷载、爆炸冲击荷载等比较敏感的建筑结构。然而，随着当代土木结构向着大跨度、超高层、大型化综合体等结构形式发展，传统隔震支座可能存在支座承载能力不足，抗拉能力弱，使得隔震支座无法正常工作等问题。
因此，寻找一种兼具高承载力特性、良好水平隔震性能以及抗拉耗能作用的新型隔震装置已成为土木工程领域亟待解决的关键技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高承载力抗拉耗能隔震装置，其目的在于，通过竖向、横向以及滑移承载机构的结构设计，提升隔震装置的承载力及隔震性能，从而获得一种兼具高承载力特性、良好水平隔震性能以及抗拉耗能作用的新型隔震装置。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高承载力抗拉耗能隔震装置，用于设置在结构体系的底部进行隔震，包括：上部连接板、U型支撑、球面滑移块、下部滑移槽、下部连接板和抗拉抗剪连接件；
上部连接板和下部连接板平行设置；
上部连接板的上表面设置抗拉抗剪连接件，下表面中心设置球面滑移块，球面滑移块与上部连接板之间刚性连接；
下部连接板的上表面设置下部滑移槽，下表面设置抗拉抗剪连接件；下部滑移槽为球面凹槽，其外轮廓半径不小于球面滑移块水平方向上的运动耗能半径，自然状态下，球面滑移块的竖直投影位于下部滑移槽中心；
U型支撑具有平行设置的上肢和下肢，以及连接上肢和下肢的弯曲部；自然状态下，U型支撑自身所在平面垂直于上部连接板和下部连接板各自所在平面；上肢和下肢的末端分别固定于上部连接板和下部连接板上；
多个规格相同的U型支撑沿上部连接板和下部连接板的周向均匀分布。
进一步地，上部连接板和下部连接板的材料为高强钢、铝合金或记忆合金。
进一步地，U型支撑的材料为软钢、铝合金或记忆合金。
进一步地，球面滑移块和下部滑移槽的材料为高强钢、铝合金或记忆合金。
进一步地，抗拉抗剪连接件的材料为高强钢、铝合金或记忆合金。
进一步地，球面滑移块的曲率半径为0.1m～1m，下部滑移槽的球面曲率半径与球面滑移块的球面曲率半径比值为1:1～10:1。
进一步地，下部滑移槽是一体成型于下部连接板表面的凹槽。
进一步地，球面滑移块与上部连接板一体成型。
进一步地，上部连接板、U型支撑、球面滑移块、下部滑移槽和下部连接板的材料、尺寸按照如下约束条件确定：
Gy≥G0
Gy＝Gy1+Gy2
Gy1≤fy·Ay
Gy2＝Ky2·μy
其中，
Gy为本高承载力抗拉耗能隔震装置的竖向承载力；
G0为土木结构体系底部的荷载；
Gy1为球面滑移块与下部滑移槽的竖向承载力；
Gy2为U型支撑的竖向承载力；
fy为球面滑移块与下部滑移槽的抗压强度设计值；
Ay为球面滑移块与下部滑移槽之间的接触面积；
Ky2为U型支撑的竖向刚度；
μy为U型支撑的竖向变形量。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明能够有效地提供一种兼具高承载力特性、良好水平隔震性能以及抗拉耗能作用的隔震装置，解决传统隔震支座在大跨度、超高层、大型化综合体等结构中存在支座承载能力不足问题。
2、本发明的U型支撑，不仅能够提供竖向刚度，在水平方向与竖直方向消能减振，限制隔震装置在大震下的过大位移，也能够起到隔震装置的抗拉作用，解决传统隔震装置不抗拉的缺陷，保证高承载力抗拉耗能隔震装置的正常工作。
3、本发明的抗拉抗剪连接件，不仅能保证与土木结构体系的良好连接，也能提供抗拉抗剪作用，经济实用，绿色环保。
4、本发明的球面滑移块配合下部滑移槽能够提供竖向刚度，配合U型支撑大幅提升竖向承载能力；同时，由于下部滑移槽为球面凹槽，能在竖向震动和负载作用下迫使横向位移向中心集中，配合及确保U型支撑顺利在水平方向进行消能减振。
附图说明
图1是本发明优选实施例的高承载力抗拉耗能隔震装置立体示意图；
图2是图1的高承载力抗拉耗能隔震装置另一视角的示意图；
图3是本发明高承载力抗拉耗能隔震装置的简化模型示意图；
图4是图3的简化模型的滞回曲线。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-上部连接板、2-U型支撑、3-球面滑移块、4-下部滑移槽、5-下部连接板，6-抗拉抗剪连接件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种高承载力抗拉耗能隔震装置，用于设置在结构体系的底部来进行隔震，包括：上部连接板1、U型支撑2、球面滑移块3、下部滑移槽4、下部连接板5、抗拉抗剪连接件6。
上部连接板1和下部连接板5平行设置；上部连接板1的上表面设置抗拉抗剪连接件6，下表面中心设置球面滑移块3，球面滑移块3与上部连接板1之间刚性连接；下部连接板5的上表面设置下部滑移槽4，下表面设置抗拉抗剪连接件6；下部滑移槽4的半径不小于球面滑移块3水平方向上的运动耗能半径，自然状态下，球面滑移块3的竖直投影位于下部滑移槽4中心；U型支撑2具有平行设置的上肢和下肢，以及连接上肢和下肢的弯曲部；自然状态下，U型支撑2自身所在平面垂直于上部连接板1和下部连接板5各自所在平面；上肢和下肢的末端分别固定于上部连接板1和下部连接板5上；多个规格相同的U型支撑2沿上部连接板1和下部连接板5的周向均匀分布。
优选地，上部连接板1、下部连接板5、球面滑移块3、下部滑移槽4、抗拉抗剪连接件6的材料为高强钢、铝合金或记忆合金；U型支撑2的材料为软钢、铝合金或记忆合金。球面滑移块3的曲率半径为0.1m～1m，下部滑移槽4的球面曲率半径与球面滑移块3的球面曲率半径比值为1:1～10:1。
本实施中，下部滑移槽4和下部连接板5是两个独立部件经焊接、钎焊或螺栓固定方式进行固连，在其他实施例中，下部滑移槽4也可以是一体成型于下部连接板5表面的凹槽。本实施中，球面滑移块3与上部连接板1是一体成型，在其他实施例中，球面滑移块3与上部连接板1也可以是两个独立部件经焊接、钎焊或螺栓固定方式进行固连。
本发明的主要原理如下：
根据土木结构体系底部的荷载以及底部尺寸设计出适合本土木结构体系的高承载力抗拉耗能隔震装置的上部连接板1、U型支撑2、球面滑移块3、下部滑移槽4、下部连接板5以及抗拉抗剪连接件6的材质与尺寸。
上部连接板1的一面设置抗拉抗剪连接件6，以与土木结构体系进行良好的连接，提供抗拉抗剪作用；上部连接板1的另一面设置球面滑移块3，球面滑移块3与上部连接板1之间刚性连接，保证球面滑移块3与上部连接板1协同工作。
根据球面滑移块3的运动耗能半径，确定下部滑移槽4的半径与深度，保证球面滑移块3在下部滑移槽4内部运动性能良好。
下部滑移槽4与下部连接板5之间刚性连接，保证下部滑移槽4与下部连接板5协同工作。
确定好U型支撑2截面尺寸后，配置若干个U型支撑2，再将这些U型支撑2平均分布在球面滑移块3的周围，其中，U型支撑2的上肢设置在上部连接板1上，将U型支撑2的下肢设置在下部连接板5上，保证U型支撑2、上部连接板1、下部连接板5的协调工作。
在下部连接板5上设置抗拉抗剪连接件6，以保证与土木结构体系的良好连接，提供抗拉抗剪作用。
本高承载力抗拉耗能隔震装置的竖向承载力应满足：
Gy≥G0
本高承载力抗拉耗能隔震装置的竖向承载力还应满足：
Gy＝Gy1+Gy2
球面滑移块3与下部滑移槽4的竖向承载力应满足：
Gy1≤fy·Ay
U型支撑2的竖向承载力应满足：
Gy2＝Ky2·μy
其中，Gy为本高承载力抗拉耗能隔震装置的竖向承载力；G0为土木结构体系底部的荷载；Gy1为球面滑移块3与下部滑移槽4的竖向承载力；Gy2为U型支撑2的竖向承载力；fy为球面滑移块3与下部滑移槽4的抗压强度设计值；Ay为球面滑移块3与下部滑移槽4之间的接触面积；Ky2为U型支撑2的竖向刚度；μy为U型支撑2的竖向变形量。
下面结合一个简化模型及其滞回曲线对本发明的效果进行说明：
如图3所示，该简化模型选用四个U型支撑2布置于前后左右四侧。上部连接板1和下部连接板5截面尺寸：长0.8m，宽0.8m，厚度0.08m；上部连接板1和下部连接板5材料为高强钢，弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.3，密度为7850Kg/m3；U型支撑2的上下肢水平段的长度为0.2m，宽度为0.06m，厚度为0.02m；U型支撑2的弯曲段为半圆环，圆环厚度为0.02m，圆环外半径为0.22m，圆环内半径为0.2m；U型支撑2材料为软钢，弹性模量为1.9×1011Pa，泊松比为0.3，密度为7800Kg/m3；球面滑移块3的曲率半径为0.1m，下部滑移槽4的曲率半径为1m；球面滑移块3与下部滑移槽4材料为高强钢，弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.3，密度为7850Kg/m3。
如图4所示，可见该简化模型的滞回曲线非常饱满，证明该简化模型具有良好的消能减振性能。在其他实施例中，可以根据使用场景下的负载要求、震动强度，对各个结构部件的参数、材料，以及U型支撑2的数量进行调整。
本发明能够有效地提供一种兼具高承载力特性、良好水平隔震性能以及抗拉耗能作用的隔震装置，解决传统隔震支座在大跨度、超高层、大型化综合体等结构中存在支座承载能力不足问题。而且，设置的U型支撑2，不仅能够提供竖向刚度，在水平方向与竖直方向消能减振，限制隔震装置在大震下的过大位移，也能够起到隔震装置的抗拉作用，解决传统隔震装置不抗拉的缺陷，保证高承载力抗拉耗能隔震装置的正常工作。不仅如此，设置的抗拉抗剪连接件6，不仅能保证与土木结构体系的良好连接，也能提供抗拉抗剪作用。经济实用，绿色环保。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高承载力抗拉耗能隔震装置，用于设置在结构体系的底部进行隔震，其特征在于，包括：上部连接板(1)、U型支撑(2)、球面滑移块(3)、下部滑移槽(4)、下部连接板(5)和抗拉抗剪连接件(6)；
上部连接板(1)和下部连接板(5)平行设置；
上部连接板(1)的上表面设置抗拉抗剪连接件(6)，下表面中心设置球面滑移块(3)，球面滑移块(3)与上部连接板(1)之间刚性连接；
下部连接板(5)的上表面设置下部滑移槽(4)，下表面设置抗拉抗剪连接件(6)；下部滑移槽(4)为球面凹槽，其外轮廓半径不小于球面滑移块(3)水平方向上的运动耗能半径，自然状态下，球面滑移块(3)的竖直投影位于下部滑移槽(4)中心；
U型支撑(2)具有平行设置的上肢和下肢，以及连接上肢和下肢的弯曲部；自然状态下，U型支撑(2)自身所在平面垂直于上部连接板(1)和下部连接板(5)各自所在平面；上肢和下肢的末端分别固定于上部连接板(1)和下部连接板(5)上；
多个规格相同的U型支撑(2)沿上部连接板(1)和下部连接板(5)的周向均匀分布。
2.如权利要求1所述的一种高承载力抗拉耗能隔震装置，其特征在于，上部连接板(1)和下部连接板(5)的材料为高强钢、铝合金或记忆合金。
3.如权利要求1所述的一种高承载力抗拉耗能隔震装置，其特征在于，U型支撑(2)的材料为软钢、铝合金或记忆合金。
4.如权利要求1所述的一种高承载力抗拉耗能隔震装置，其特征在于，球面滑移块(3)和下部滑移槽(4)的材料为高强钢、铝合金或记忆合金。
5.如权利要求1所述的一种高承载力抗拉耗能隔震装置，其特征在于，抗拉抗剪连接件(6)的材料为高强钢、铝合金或记忆合金。
6.如权利要求1所述的一种高承载力抗拉耗能隔震装置，其特征在于，球面滑移块(3)的曲率半径为0.1m～1m，下部滑移槽(4)的球面曲率半径与球面滑移块(3)的球面曲率半径比值为1:1～10:1。
7.如权利要求1～6任意一项所述的一种高承载力抗拉耗能隔震装置，其特征在于，下部滑移槽(4)是一体成型于下部连接板(5)表面的凹槽。
8.如权利要求1～6任意一项所述的一种高承载力抗拉耗能隔震装置，其特征在于，球面滑移块(3)与上部连接板(1)一体成型。
9.如权利要求1所述的一种高承载力抗拉耗能隔震装置，其特征在于，上部连接板(1)、U型支撑(2)、球面滑移块(3)、下部滑移槽(4)和下部连接板(5)的材料、尺寸按照如下约束条件确定：
Gy≥G0
Gy＝Gy1+Gy2
Gy1≤fy·Ay
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其中，
Gy为本高承载力抗拉耗能隔震装置的竖向承载力；
G0为土木结构体系底部的荷载；
Gy1为球面滑移块(3)与下部滑移槽(4)的竖向承载力；
Gy2为U型支撑(2)的竖向承载力；
fy为球面滑移块(3)与下部滑移槽(4)的抗压强度设计值；
Ay为球面滑移块(3)与下部滑移槽(4)之间的接触面积；
Ky2为U型支撑(2)的竖向刚度；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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