CN110080589B - 一种竖向隔震装置及其隔震、安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种竖向隔震装置及其隔震、安装方法。装置包括底盆，底盆内部设有中空内腔；墩柱，设置于底盆中央，所述墩柱的一部分设置在底盆的中空内腔中，另一部分向上伸出底盆；第一弹性支撑机构，沿竖向设置在所述墩柱和底盆底部之间，用于支撑墩柱，以及对墩柱的竖向动能进行吸收；第二弹性支撑机构，沿水平方向设置在所述墩柱的外壁和底盆的内壁之间，用于向墩柱的外壁提供对称的界面摩擦承载力。本发明竖向隔震装置能有效控制竖向地震作用上限值，构造简单，传力明确，造价低廉，由工厂预制，现场组装方便，适用于竖向地震作用较大地区的建筑结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种竖向隔震装置及其隔震、安装方法，属于建筑结构隔震技术领域。
背景技术
建筑隔震技术是在建筑物基础或下部与上部结构之间设置由隔震器、阻尼装置等部件组成的具有整体复位功能的隔震层，以延长整个结构体系的自振周期，减少输入上部结构的水平地震作用，达到预期防震要求。
传统的隔震技术一般都重视水平地震作用，忽略竖向地震作用，目前普遍使用的隔震元件只能隔离水平地震作用，适用于对竖向地震作用不敏感或是不需要进行竖向隔震的结构。由国内外研究人员监测到的一些地震记录以及部分建筑在地震作用下的破坏现象显示竖向加速度往往达到甚至超过水平加速度，在近场地震中，竖向地震作用造成的破坏远大于水平地震作用造成的破坏。
竖向隔震支座要求具有较低的竖向刚度、较高的竖向承载力和竖向阻尼，还应能发生较大的竖向变形。实际工程中，建筑基础的隔震层为上部结构提供有效的竖向支持力的同时降低竖向刚度非常困难，目前未见相关能有效隔离竖向地震作用的竖向隔震装置。现有的三维隔震支座主要是水平橡胶隔震支座与碟形弹簧串联，构造复杂，成本高，施工组装复杂且竖向隔震效果并不理想。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明提供一种竖向隔震装置，该装置提出了采用摩擦提供竖向承载力，将上部结构竖向地震作用控制在一定限值之下的思路和方法，有效隔绝大部分竖向地震作用。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种竖向隔震装置，包括：
底盆，底盆内部设有中空内腔；
墩柱，设置于底盆中央，所述墩柱的一部分设置在底盆的中空内腔中，另一部分向上伸出底盆；
第一弹性支撑机构，沿竖向设置在所述墩柱和底盆底部之间，用于支撑墩柱，以及对墩柱的竖向动能进行吸收；
第二弹性支撑机构，沿水平方向设置在所述墩柱的外壁和底盆的内壁之间，用于向墩柱的外壁提供对称的界面摩擦承载力，包括：竖向滑板、滑块、弹簧、钢垫板、第一螺母、第二螺母、螺杆以及刚性垫块，其中，
底盆的中空内腔内位于墩柱的两侧沿水平方向设有所述螺杆，螺杆两端穿过底盆的侧壁后通过第一螺母与底盆紧固连接；
底盆的中空内腔内的螺杆上连接有第二螺母、以及位于第二螺母和墩柱外壁之间依次串接的钢垫板、弹簧和滑块；
所述墩柱的外壁上固定连接竖向滑板；
所述滑块在弹簧的预紧力下与所述竖向滑板紧连接；
滑块的底部和底盆的底部之间支撑连接有所述刚性垫块。
所述第一弹性支撑机构为橡胶块。
所述螺杆的两端分别设置一级方形光滑削弱段和二级圆形螺纹削弱段；
所述底盆侧壁设置与螺杆对应的孔和螺杆限位槽，螺杆限位块穿入螺杆一级方形光滑削弱段并卡在螺杆限位槽内，螺杆与底盆侧壁通过螺杆二级圆形螺纹削弱段和第一螺母紧固连接。
所述刚性垫块和滑块之间设有软垫片。
所述底盆顶部设有盖板，盖板与墩柱侧面间空隙通过黄油填充。
所述竖向滑板的材料为摩擦系数较大的刚性材料。
所述界面摩擦承载力大小控制在0.8G eq到1.2G eq之间；所述橡胶块提供的支持力不大于0.1G eq，拉压刚度不大于50kN/mm；所述界面摩擦承载力及橡胶块提供的支持力之和不小于1G eq。
一种基于所述竖向隔震装置的隔震方法，当竖向地震作用大于初始界面摩擦承载力与橡胶块支持力之和时，底盆及第二弹性支撑机构向上运动，橡胶块被压缩，滑块与墩柱及上部结构之间产生相对滑动；墩柱侧面及下部分别受到向上的滑动摩擦力和随压缩位移增大至极限位移而逐渐增大至稳定值的橡胶块支持力，滑块与墩柱之间的界面摩擦与橡胶块的压缩同时起到了耗能作用，上部结构的地震加速度仅由橡胶块压缩产生的附加竖向力引起，因此，上部结构体系的竖向地震加速度减小，实现了结构的竖向隔震。
使用前需标定界面摩擦系数，界面摩擦系数标定的具体步骤如下：
步骤一：隔震装置初步安装完成后(不包括盖板)，在墩柱两侧滑块下部设置千斤顶，千斤顶下部与底盆接触，上部与滑块之间设置力传感器；
步骤二：依次对墩柱两侧界面摩擦系数进行标定，首先启动墩柱一侧千斤顶，千斤顶位移控制在0.1mm～0.3mm，通过数据采集系统采集数据，然后按同样的方法进行墩柱另一侧界面摩擦系数的标定；
步骤三：根据采集到的数据整理得到界面摩擦承载力及摩擦系数；
步骤四：若测得的界面摩擦系数不满足要求，调整第二螺母松紧程度，重复进行步骤一～步骤三直至满足要求。
一种基于所述竖向隔震装置的安装方法，安装的具体步骤如下：
步骤一、放置刚性垫块、软垫片，与底盆粘接在一起；滑块、钢垫板、第二螺母、弹簧穿入螺杆后，将螺杆穿入底盆侧壁，嵌入螺杆限位块并拧紧第一螺母；
步骤二、底盆内依次放置橡胶块、墩柱，将竖向滑板与墩柱位置对准；拧紧第二螺母，直至达到设计摩擦力；
步骤三、对界面摩擦系数进行标定；
步骤四、安装盖板，用黄油填充盖板与墩柱间隙；
步骤五、安装上支座板；
步骤六、现场安装，将该隔震支座摆放在设计位置，调平后将上支座板与建筑物的托换底盘牢固连接。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
本发明竖向隔震装置应用于既有建筑物隔震加固工程中，只要确定好装置中墩柱与滑块界面摩擦承载力，由摩擦力承担绝大多数竖向荷载，并减小柱下支座刚度，即可实现竖向力基本恒定的目标，产生隔离竖向地震作用的效果。正常状态下，界面摩擦承载力和橡胶块支持力与上部结构重力平衡，体系处于静力平衡状态；当竖向地震作用大于初始界面摩擦承载力与橡胶块支持力之和时，底盆及第二弹性支撑机构向上运动，橡胶块被压缩，滑块与墩柱及上部结构之间产生相对滑动，墩柱侧面及下部分别受到向上的滑动摩擦力和随压缩位移增大至极限位移而逐渐增大至稳定值的橡胶块支持力，滑块与墩柱之间的界面摩擦与橡胶块的压缩同时起到了耗能作用，上部结构的地震加速度仅由橡胶块压缩产生的附加竖向力引起，因此，上部结构体系的竖向地震加速度减小，实现了结构的竖向隔震；地震后，竖向隔震装置由于重力作用及橡胶块的恢复力作用自动复位到非地震状态时的静态平衡位置。
后期进行界面摩擦系数检测时，可先拆卸盖板，在滑块下部设置千斤顶对其顶升进行原位检测，通过滑块上部设置的千斤顶反向顶推上支座板实现复位。
本竖向隔震装置能有效控制竖向地震作用上限值，构造简单，传力明确，造价低廉，由工厂预制，现场组装方便，适用于竖向地震作用较大地区的建筑结构。
附图说明
图1是本发明装置的剖面图。
图2是图1中的1-1剖面图。
图3是本发明装置的侧面图。
图4是本发明装置的螺杆结构示意图。
其中，1-上支座板；2-墩柱；3-竖向滑板；4-滑块；5-弹簧；6-钢垫板；7-螺母；7a-第二螺母；7b-第一螺母；8-螺杆；9-软垫片；10-刚性垫块；11-橡胶块；12-底盆；13-盖板；14-螺杆限位块；15-螺杆限位槽；16-被托换柱；17-托换梁；18-锚栓；19-千斤顶。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1、2、3、4所示，本发明所述一种竖向隔震装置由上支座板1、墩柱2、竖向滑板3、滑块4、弹簧5、钢垫板6、螺母7、螺杆8、软垫片9、刚性垫块10、橡胶块11、底盆12、盖板13及螺杆限位块14组成。
所述竖向隔震装置构造对称，所述底盆12内设置对称布置的竖向滑板3、滑块4、弹簧5、钢垫板6、第二螺母7a、软垫片9及刚性垫块10。所述墩柱2设置于底盆12中央，其上部与上支座板1连接，其下部与底盆12之间设置橡胶块11。
所述墩柱2两侧设置竖向滑板3，滑块4内侧面与墩柱2侧面竖向滑板3接触，外侧面通过缠绕于螺杆8上的弹簧5与钢垫板6侧面连接。
所述螺杆8贯穿滑块4和钢垫板6，其两端分别设置一级方形光滑削弱段和二级圆形螺纹削弱段。
所述第二螺母7a将滑块4、弹簧5、钢垫板6紧固连接；所述底盆12侧壁设置与螺杆8对应的孔和螺杆限位槽15，螺杆限位块14穿入螺杆一级方形光滑削弱段并卡在螺杆限位槽15内，螺杆8与底盆12侧壁通过螺杆二级圆形螺纹削弱段和第一螺母7b紧固连接。
所述滑块4与底盆12间从下到上依次设置刚性垫块10和软垫片9。
所述底盆12顶部设置盖板13，盖板13与墩柱2侧面间空隙通过填充物填塞。
本发明竖向隔震装置的安装方法，安装的具体步骤如下：
步骤一、放置刚性垫块、软垫片，与底盆粘接在一起；滑块、钢垫板、第二螺母、弹簧穿入螺杆后，将螺杆穿入底盆侧壁，嵌入螺杆限位块并拧紧第一螺母。
步骤二、底盆内依次放置橡胶块、墩柱，将竖向滑板与墩柱位置对准；拧紧第二螺母，直至达到设计摩擦力。
步骤三、对界面摩擦系数进行标定。
步骤四、安装盖板，用黄油填充盖板与墩柱间隙。
步骤五、安装上支座板。
步骤六、现场安装，将该隔震支座摆放在设计位置，调平后将上支座板与建筑物的托换底盘牢固连接。
本发明的使用过程如下：
当竖向地震作用大于初始界面摩擦承载力与橡胶块支持力之和时，底盆及第二弹性支撑机构向上运动，橡胶块被压缩，滑块与墩柱及上部结构之间产生相对滑动；墩柱侧面及下部分别受到向上的滑动摩擦力和随压缩位移增大至极限位移而逐渐增大至稳定值的橡胶块支持力，滑块与墩柱之间的界面摩擦与橡胶块的压缩同时起到了耗能作用，上部结构的地震加速度仅由橡胶块压缩产生的附加竖向力引起，因此，上部结构体系的竖向地震加速度减小，实现了结构的竖向隔震。地震后，竖向隔震装置由于重力作用及橡胶块的恢复力作用自动复位到非地震状态时的静态平衡位置。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (7)
1.一种竖向隔震装置，其特征在于，包括：
底盆，底盆内部设有中空内腔；
墩柱，设置于底盆中央，所述墩柱的一部分设置在底盆的中空内腔中，另一部分向上伸出底盆；
第一弹性支撑机构，沿竖向设置在所述墩柱和底盆底部之间，用于支撑墩柱，以及对墩柱的竖向动能进行吸收；
第二弹性支撑机构，沿水平方向设置在所述墩柱的外壁和底盆的内壁之间，用于向墩柱的外壁提供对称的界面摩擦承载力，包括：竖向滑板、滑块、弹簧、钢垫板、第一螺母、第二螺母、螺杆以及刚性垫块，其中，
底盆的中空内腔内位于墩柱的两侧沿水平方向设有所述螺杆，螺杆两端穿过底盆的侧壁后通过第一螺母与底盆紧固连接；
底盆的中空内腔内的螺杆上连接有第二螺母、以及位于第二螺母和墩柱外壁之间依次串接的钢垫板、弹簧和滑块；
所述墩柱的外壁上固定连接竖向滑板；
所述滑块在弹簧的预紧力下与所述竖向滑板紧连接；
滑块的底部和底盆的底部之间支撑连接有所述刚性垫块；
所述第一弹性支撑机构为橡胶块；
所述刚性垫块和滑块之间设有软垫片；
所述底盆顶部设有盖板，盖板与墩柱侧面间空隙通过黄油填充。
2.根据权利要求1所述的竖向隔震装置，其特征在于，所述螺杆的两端分别设置一级方形光滑削弱段和二级圆形螺纹削弱段；
所述底盆侧壁设置与螺杆对应的孔和螺杆限位槽，螺杆限位块穿入螺杆一级方形光滑削弱段并卡在螺杆限位槽内，螺杆与底盆侧壁通过螺杆二级圆形螺纹削弱段和第一螺母紧固连接。
3.根据权利要求1所述的竖向隔震装置，其特征在于：所述竖向滑板的材料为摩擦系数较大的刚性材料。
4.根据权利要求1所述的竖向隔震装置，其特征在于：所述界面摩擦承载力大小控制在0.8G eq到1.2G eq之间；所述橡胶块提供的支持力不大于0.1G eq，拉压刚度不大于50kN/mm；所述界面摩擦承载力及橡胶块提供的支持力之和不小于1G eq。
5.一种基于权利要求1~4中任一所述竖向隔震装置的隔震方法，其特征在于：当竖向地震作用大于初始界面摩擦承载力与橡胶块支持力之和时，底盆及第二弹性支撑机构向上运动，橡胶块被压缩，滑块与墩柱及上部结构之间产生相对滑动；墩柱侧面及下部分别受到向上的滑动摩擦力和随压缩位移增大至极限位移而逐渐增大至稳定值的橡胶块支持力，滑块与墩柱之间的界面摩擦与橡胶块的压缩同时起到了耗能作用，上部结构的地震加速度仅由橡胶块压缩产生的附加竖向力引起，因此，上部结构体系的竖向地震加速度减小，实现了结构的竖向隔震。
6.根据权利要求5所述的竖向隔震装置的隔震方法，其特征在于：使用前需标定界面摩擦系数，界面摩擦系数标定的具体步骤如下：
步骤一：隔震装置初步安装完成后，不包括盖板，在墩柱两侧滑块下部设置千斤顶，千斤顶下部与底盆接触，上部与滑块之间设置力传感器；
步骤二：依次对墩柱两侧界面摩擦系数进行标定，首先启动墩柱一侧千斤顶，千斤顶位移控制在0.1mm～0.3mm，通过数据采集系统采集数据，然后按同样的方法进行墩柱另一侧界面摩擦系数的标定；
步骤三：根据采集到的数据整理得到界面摩擦承载力及摩擦系数；
步骤四：若测得的界面摩擦系数不满足要求，调整第二螺母松紧程度，重复进行步骤一～步骤三直至满足要求。
7.一种基于权利要求1~4中任一所述竖向隔震装置的安装方法，其特征在于：安装的具体步骤如下：
步骤一、放置刚性垫块、软垫片，与底盆粘接在一起；滑块、钢垫板、第二螺母、弹簧穿入螺杆后，将螺杆穿入底盆侧壁，嵌入螺杆限位块并拧紧第一螺母；
步骤二、底盆内依次放置橡胶块、墩柱，将竖向滑板与墩柱位置对准；拧紧第二螺母，直至达到设计摩擦力；
步骤三、对界面摩擦系数进行标定；
步骤四、安装盖板，用黄油填充盖板与墩柱间隙；
步骤五、安装上支座板；
步骤六、现场安装，将该竖向隔震装置摆放在设计位置，调平后将上支座板与建筑物的托换底盘牢固连接。
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