CN109914489A - 一种改进型的减震地基系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种改进型的减震地基系统，主要包括：用于承载地面房屋结构且地震时可前后纵向水平滑动的上层层板，地震时可左右横向水平滑动的中层层板，以及经阻尼器与地基相连且地震时可上下运动的下层层板。其特征在于：上层层板和中层层板分别设置有导向齿轮、承重轮及可配套行走的齿条、导轨，导向齿轮与承重轮之间设置有花键及配套的限位装置。下层层板侧面的滑靴与横向限位墙上的滑轨啮合在一起相互配合，保证下层层板及部件在地震时可沿滑轨作竖直上下的减震运动。本发明优点在于该系统可随时检测地震前期破坏较小的纵波震动，自动触发限位装置释放，可对后续破坏严重的地震震动进行有效减震，且横向复位能力强，是一种新型减震地基系统。

Description

一种改进型的减震地基系统

技术领域

本发明涉及的是一种改进型的减震地基系统，尤其是一种可检测地震前期破坏较小的纵波震动，自动触发限位装置释放，可对后续破坏严重的地震震动进行有效减震的地基系统，属于减震建筑设备技术领域。

背景技术

世界上的地震灾害主要发生于世界三大地震带上，而中国版图位于世界三大地震带中的欧亚地震带和环太平洋地震带之间，是一个地震高发的国家。地震已经成为我国较为严重的自然灾害之一。自有历史记载开始，我国已经发生了八级及以上强烈地震近二十次。二十世纪以来，我国地震导致的房屋倒塌超过700万间。强烈地震发生时导致的房屋倒塌，已经给人民的生命和财产安全带来了严重的危害。

地震发生时，地震波按传播方式可分为纵波、横波和面波。纵波的传播速度最快，使地面房屋发生上下起伏颠簸的震动，对房屋产生上下的拉伸力，但纵波衰减快、对房屋破坏性较弱。横波第二个到达，使地面发生前后、左右的水平晃动，对房屋破坏性较强。面波只能沿地表传播，一般最后被记录到。因此，地震发生时，纵波先于横波到达。但横波和面波导致的房屋前后、左右水平摇晃，对房屋产生的横向剪切力，是造成地震中房屋等建筑物被强烈破坏的主要因素。

传统房屋建筑物的上层建筑结构一般与地基牢牢紧密连接在一起，地震发生时，地震波的震动能量通过地基直接传导到房屋的上层建筑结构，致使上层建筑结构与房屋的地基一起发生震动，最终导致房屋结构扭曲变形甚至倒塌。对1976年唐山地震、1988年云南澜沧地震等大量地震实例进行分析表明，房屋倒塌的主要原因是地震横波和面波导致的水平往复震动作用破坏了建筑物结构，使房屋上层主体丧失了承受竖向建筑载荷的承重能力，最终造成了房屋结构的倒塌。

近年来，为了保证地震中房屋的安全，建筑领域逐渐出现了“以柔克刚”的消能减震地基结构。其基本思想就是使上部的房屋结构与底部地基分离。这类地基结构可以在强震下消耗建筑物结构的震动能量，减小上层房屋结构的震动反应，最终实现建筑物结构的抗震目的。

现有技术公开了专利申请号为CN201220505735的一种抗震地基结构，其技术方案包括：支撑层与底座之间通过钢珠隔离架相连，在钢珠隔离架内设有若干钢珠，地震发生时，支撑层与底座之间的活动钢珠可随意滚动，能有效缓冲地震时房屋水平方向的晃动，并在高强度橡胶块的作用下减小底座在水平方向上的位移，尽可能使房屋复位。现有技术中类似于上述的抗震地基结构，在地震发生后，活动钢珠发生水平平移，很难复位，对房屋整体稳定性和后续抗震性能都有一定的影响。该抗震结构纵向与横向大量使用的高强度橡胶块，也存在着后期老化，需要定期更换的隐患。

发明内容

本发明的目的在于针对上述常见的抗震地基结构的不足和地震导致的房屋倒塌问题，提出一种改进型的减震地基系统技术方案，以缓解现有的几种抗震地基结构方案在遭遇强震时，房屋水平复位能力较差，房屋整体稳定性和后续抗震能力下降，实用性不佳的问题。

为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：本发明所述的改进型的减震地基系统的主体结构，它主要包括用于承载地面房屋结构且可实现前后纵向水平滑动的上层层板，可实现左右横向水平滑动的中层层板，以及通过阻尼器与地基相接触的下层层板。

进一步地，所述的上层层板上部与地面房屋结构紧密结合在一起。上层层板底部设有承重轮和配套的导轨，上层层板可沿着导轨做y方向前后纵向水平滑动。上层层板底部的导向齿轮与上层层板底部前后两端最外侧的承重轮共轴安装于两端的轮轴上。上层层板底部左侧的导向齿轮与承重轮之间设置有上层花键，与上层花键配套设置有上层限位装置。

进一步地，所述的中层层板上部设置有可供上层层板底部的上层承重轮行走的导轨，在导轨外侧两端设置有与上层导向齿轮配套的齿条。中层层板底部设有承重轮和配套的导轨，中层层板可沿着导轨做x方向左右横向水平滑动。中层层板底部的导向齿轮与中层层板底部左右两端最外侧的承重轮共轴安装于两端的轮轴上。中层层板底部左侧的导向齿轮与承重轮之间设置有下层花键，与下层花键配套设置有下层限位装置。

进一步地，所述的下层层板上部设置有可供中层层板底部的下层承重轮行走的导轨，在导轨外侧两端设置有与底层导向齿轮配套的齿条。下层层板通过阻尼器与地基相接触，下层层板四个侧面安装有滑靴，横向限位墙的四个方向对应设置有配套的滑轨。滑靴与滑轨啮合在一起相互配合，保证滑靴、滑靴所在的下层层板及上部其他部件在地震上下起伏颠簸的震动时能沿着滑轨做竖直上下的减震运动。

本发明优点在于改进型的减震地基系统技术方案设计巧妙合理。根据地震波在上述背景技术中的特性，地震发生时，纵波到达最快，在横波与面波到达之前，将有一段时间差。该发明中的震动传感器一旦检测到先行到达的地震纵波，将触发该发明中的抗震地基系统的限位装置进行自动动作，限位凸齿被自动解锁后，将允许房屋在后续到达的地震横波与面波产生的震动中进行前后、左右的水平往复轻微摇晃，减弱或抵消地震横波与面波的水平剪力对上层房屋建筑物的破坏能量。同时，在地震震动逐渐结束时，因动量守恒，房屋的前后、左右水平往复轻微摇晃将逐渐减弱，在导向齿轮与配套齿条的辅助作用下，最后房屋恢复静止在原来的初始位置。因此，该发明所述的改进型的减震地基系统，上层房屋在遇到强震后具有较强的水平复位能力。同时，该发明所述的改进型的减震地基系统的下层层板与地基之间的阻尼器，也可有效减弱地震波导致的房屋上下起伏颠簸的震动。

附图说明

图1是一种改进型的减震地基系统整体结构示意图；

图2是一种改进型的减震地基系统侧面结构示意图；

图3是一种改进型的减震地基系统的限位装置结构示意图；

图1、图2、图3中的数字序号分别代表：上层层板1、中层层板2、下层层板3、上层轮轴4、上层车桥5、上层承重轮6、上层导轨7、上层导向齿轮8、上层限位块9、上层花键10、上层限位装置11、横向限位墙12、滑靴13、滑轨14、阻尼器15、下层承重轮16、下层导轨17、下层导向齿轮18、下层齿条19、下层限位装置20、下层限位块21、地基22、基坑立面23、轻质可横向溃缩地基24、上层齿条25、下层花键26、下层轮轴27、下层车桥28、限位凸齿111、复位弹簧112、底座113、不间断电源114、震动传感器115、电磁铁116、立柱117、限位杠杆118、限高杆119。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明技术方案的具体实施方式作进一步的说明。

本发明的改进型的减震地基系统方案主要适用于减震建筑设备技术领域，特别是可自主检测地震前期破坏较小的纵波震动，无需人工干预，自动触发限位装置释放，可对后续破坏严重的地震震动进行有效减震。该方案可适应不同的地震等级环境，具有普遍适应性。从图1、图2可以清楚地看到，房屋建筑于上层层板1上部，并且房屋结构与上层层板1紧密结合在一起。上层层板1底部设置有上层承重轮6，上层承重轮6通过上层轮轴4和上层车桥5与上层层板1底部连接在一起。地震发生时，上层承重轮6可沿着设置于中层层板2上部的上层导轨7做y方向的前后纵向滚动滑动。上层层板1底部的上层导向齿轮8与上层层板1底部两端最外侧的上层承重轮6共轴安装于上层轮轴4上。上层层板1底部左侧的上层导向齿轮8与上层承重轮6之间设置有上层花键10，与上层花键10配套设置有上层限位装置11。

进一步地，从图1、图2可以清楚地看到，中层层板2上部设置有与上层导向齿轮8配套的上层齿条25。地震发生时，上层导向齿轮8可沿着配套的上层齿条25滚动。上层齿条25两端设置有上层限位块9，上层限位块9可以防止上层导向齿轮8在地震过程中沿着上层齿条25滚动行走时脱位。中层层板2底部设置有下层承重轮16，下层承重轮16通过下层轮轴27和下层车桥28与中层层板2底部连接在一起。地震发生时，下层承重轮16可沿着设置于下层层板3上部的下层导轨17做x方向的左右横向滚动滑动。中层层板2底部的下层导向齿轮18与中层层板2底部两端最外侧的下层承重轮16共轴安装于下层轮轴27上。中层层板2底部左侧的下层导向齿轮18与下层承重轮16之间设置有下层花键26，与下层花键26配套设置有下层限位装置20。

进一步地，从图1、图2可以清楚地看到，下层层板3上部设置有与下层导向齿轮18配套的下层齿条19。地震发生时，下层导向齿轮18可沿着配套的下层齿条19滚动。下层齿条19两端设置有下层限位块21，下层限位块21可以防止下层导向齿轮18在地震过程中沿着下层齿条19滚动行走时脱位。下层层板3底部通过安装的阻尼器15与地基22相接触，下层层板3四个侧面布置有滑靴13，横向限位墙12的四个方向对应配套安装有可供滑靴13竖直上下行走的滑轨14。

进一步地，从图3可以清楚地看到，以上层限位装置11为例，在地震未发生前的房屋正常使用过程中，不间断电源114持续给电磁铁116供电，电磁铁116触头处于吸合状态，将限位杠杆118左端吸住，复位弹簧112处于被拉伸的状态，限位杠杆118右端的限位凸齿111恰好卡住上层花键10的键齿，上层花键10、上层轮轴4及上层导向齿轮8都将无法转动，房屋在前后纵向水平方向将无法移动。立柱117下端安装于底座113上部，限位杠杆118和限高杆119安装于立柱117上端，震动传感器115随时处于随时检测地震震动的状态。同样的，在地震未发生前的房屋正常使用过程中，下层限位装置20也将限制下层花键26、下层轮轴27及下层导向齿轮18的转动，房屋在左右横向水平方向将无法移动。

所述的改进型的减震地基系统的房屋所在的上层层板1四周与基坑立面23之间安装有轻质可横向溃缩地基24。在地震未发生前的房屋正常使用过程中，轻质可横向溃缩地基24可提供足够的竖向支撑能力，防止行人在房屋四周活动时陷入上层层板1与基坑立面23之间的基坑内。同时，在地震未发生前的平时正常使用房屋过程中，上层限位装置11将锁定配套的上层花键10，上层层板1将无法做y方向的前后纵向水平移动，下层限位装置20将锁定配套的下层花键26，中层层板2将无法做x方向的左右横向水平移动。在地震未发生前，整个房屋在各个水平方向都无法移动，完全不影响居民的正常居住使用。

当地震发生时，地震波的纵波和面波将导致地基22进行上下起伏颠簸的震动。下层层板3侧面焊接的滑靴13与横向限位墙12上安装的滑轨14啮合在一起相互配合，保证在地震导致地基22发生上下起伏颠簸的震动时，下层层板3以及所有布置于下层层板3上部的其他部件可以沿着滑轨14的固定轨迹作竖直上下的升降往复运动进行减震。同时，由于下层层板3底部安装有阻尼器15，可有效减弱地震纵波和面波导致的下层层板3、中层层板2、上层层板1以及与上层层板1密切结合的地面房屋结构等部件的起伏颠簸的竖直上下震动。

当地震发生时，纵波先于横波和面波到达，在横波和面波到达之前，将有一段时间差。中层层板2上部的上层限位装置11的震动传感器115检测到先行到达的纵波震动后，将立即自动切断不间断电源114的供电，电磁铁116的触头断电后释放，在复位弹簧112的拉力作用下，限位杠杆118右端的限位凸齿111将随之下沉，限位杠杆118左端将被上抬，直到限位杠杆118左端被安装于立柱117上部的限高杆119挡住。此时，上层花键10已经不受限制，上层花键10以及上层轮轴4、上层承重轮6、上层导向齿轮8都可以自由转动。在破坏力更严重的地震横波与面波到达之前，上层层板1已经不被限制，可以沿y方向自由做前后纵向水平移动。同样的，下层层板3上部的下层限位装置20检测到先行到达的纵波震动后，也将立即自动释放下层限位装置20对下层花键26的转动限制，在破坏力更严重的地震横波与面波到达之前，中层层板2已经不被限制，可以沿x方向自由做左右横向水平移动。

在地震横波与面波到达后，其破坏力严重的横向剪切力将使地基22做前后、左右的水平晃动。当地震使地基22以及通过阻尼器15连接的下层层板3及相关部件一起做x方向的左右摇晃时，下层齿条19的左右往复水平运动将带动配套的下层导向齿轮18做转动，导致下层轮轴27、上面的中层层板2、上层层板1及建筑于上层层板1上部的房屋在x方向做极为微弱的左右晃动。但当地震导致的地基22的左右摇晃逐渐减弱时，中层层板2、上层层板1及建筑于上层层板1上面的房屋在x方向的轻微左右摇晃也将逐渐减弱，直至静止。依据动量守恒定律，房屋最终在x方向静止于地震前的初始位置。

当地震使地基22以及通过阻尼器15连接的下层层板3、中层层板2及相关部件一起做y方向的前后摇晃时，上层齿条25的前后往复水平运动将带动配套的上层导向齿轮8做转动，导致上层轮轴4、上面的上层层板1及建筑于上层层板1上部的房屋在y方向做极为微弱的前后晃动。但当地震导致的地基22的前后摇晃逐渐减弱时，上层层板1及建筑于上层层板1上面的房屋在y方向的轻微前后摇晃也将逐渐减弱，直至静止。依据动量守恒定律，房屋最终在y方向静止于地震前的初始位置。

同样的，当地震使地基22在其他水平方向前后、左右摇晃时，将导致上层层板1与中层层板2以及最上面的房屋在y方向与x方向做极为微弱的水平晃动。依据动量守恒定律，地震结束后的房屋最终在x方向与y方向上都静止于地震前的初始位置。与其他类型的抗震地基结构相比，该改进型的减震地基系统房屋具有较强的地震后水平复位能力。

进一步地，上层层板1四周的轻质可横向溃缩地基24在竖直方向具有足够的支撑能力，但在水平方向的外力作用下，轻质可横向溃缩地基24可进行横向变形和溃缩。当地震发生，房屋及所在的上层层板1发生前后、左右微弱的水平晃动时，上层层板1四周的可横向溃缩地基24将随着上层层板1的挤压做水平方向的溃缩吸能，而不影响房屋及所在的上层层板1的前后、左右微弱的水平晃动。在地震结束、房屋在水平方向自动复位之后，将上层层板1四周已经吸能溃缩变形的轻质可横向溃缩地基24更换为新即可。地震完全结束，房屋自动恢复到地震前的初始位置后，即可给不间断电源114恢复供电，上层限位装置11将再次锁定上层花键10，类似的，下层限位装置20将再次锁定下层花键26，该发明的改进型的减震地基系统将恢复到地震未发生前的房屋正常使用状态。与传统的几种抗震地基结构相比，所述的改进型的减震地基系统具有良好的地震后水平复位能力和较强的稳定性与实用性。

Claims (3)

1.一种改进型的减震地基系统，主要包括：用于承载地面房屋结构且地震时可前后纵向水平滑动的上层层板1，地震时可左右横向水平滑动的中层层板2，以及经阻尼器15与地基22相连且地震时可上下运动的下层层板3；其特征在于：所述上层层板1底部设置有上层承重轮6，地震发生时，上层承重轮6可沿着设置于中层层板2上部的上层导轨7做前后纵向水平滚动滑动；上层层板1底部的上层导向齿轮8与上层层板1底部两端最外侧的上层承重轮6共轴安装于上层轮轴4上；上层层板1底部左侧的上层导向齿轮8与上层承重轮6之间设置有上层花键10，与上层花键10配套设置有上层限位装置11；所述中层层板2上部设置有与上层导向齿轮8配套的上层齿条25；地震发生时，上层导向齿轮8可沿着配套的上层齿条25滚动；上层齿条25两端设置有上层限位块9，上层限位块9可以防止上层导向齿轮8在地震过程中沿着上层齿条25滚动行走时脱位；中层层板2底部设置有下层承重轮16，地震发生时，下层承重轮16可沿着设置于下层层板3上部的下层导轨17做左右横向水平滚动滑动；中层层板2底部的下层导向齿轮18与中层层板2底部两端最外侧的下层承重轮16共轴安装于下层轮轴27上；中层层板2底部左侧的下层导向齿轮18与下层承重轮16之间设置有下层花键26，与下层花键26配套设置有下层限位装置20；所述下层层板3上部设置有与下层导向齿轮18配套的下层齿条19；地震发生时，下层导向齿轮18可沿着配套的下层齿条19滚动；下层齿条19两端设置有下层限位块21，下层限位块21可以防止下层导向齿轮18在地震过程中沿着下层齿条19滚动行走时脱位；下层层板3底部通过安装的阻尼器15与地基22相接触，下层层板3四个侧面布置有滑靴13，横向限位墙12的四个方向对应配套安装有可供滑靴13竖直上下运动的滑轨14。

2.如权利要求1所述的一种改进型的减震地基系统，其特征在于：所述上层限位装置11在地震未发生前的房屋正常使用过程中锁定配套的上层花键10，上层层板1无法做前后纵向水平移动；下层限位装置20在地震未发生前的房屋正常使用过程中锁定配套的下层花键26，中层层板2无法做左右横向水平移动。

3.如权利要求1所述的一种改进型的减震地基系统，其特征在于：所述中层层板2上部的上层限位装置11的震动传感器115检测到先行到达的地震纵波震动后，将立即自动释放上层限位装置11对上层花键10的转动限制，在破坏力更严重的地震横波与面波到达之前，上层层板1已经不被限制，可以自由做前后纵向水平移动；类似的，下层层板3上部的下层限位装置20检测到先行到达的地震纵波震动后，也将立即自动释放下层限位装置20对下层花键26的转动限制，在破坏力更严重的地震横波与面波到达之前，中层层板2已经不被限制，可以自由做左右横向水平移动。