CN110258812A - 一种多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置 - Google Patents

一种多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多重可调节滑动面的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、上部翼缘板、U型支撑、曲面滑移块、曲面滑移槽、上部滑移面、下部滑移面、下部翼缘板以及下部连接板。曲面滑移块的顶部滑移面与上部滑移面之间的竖向距离等同于多个规格相同的U型支撑上下两肢的竖向相对位移，也等同于上部翼缘板与下部翼缘板之间的竖向相对位移。曲面滑移块顶部滑移面的曲率半径与上部滑移面的曲率半径相同，曲面滑移块底部滑移面的曲率半径与曲面滑移槽内部滑移面的曲率半径相同。设置多个规格相同的U型支撑。本隔震装置具有高承载力、良好水平隔震以及高抗拉耗能特性，经济实用，绿色环保。

Description

一种多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置
技术领域
本发明属于土木工程结构隔震领域，更具体地，涉及一种多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置。
背景技术
土木工程结构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、高面压等结构形式发展，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，本发明提供了一种多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置，其目的在于，通过竖向、水平向以及多重可调节滑动面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多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多重可调节滑动面的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、上部翼缘板、U型支撑、上部滑移面、下部滑移面、曲面滑移槽、曲面滑移块、下部翼缘板、下部连接板；
上部连接板的周围设置有上部翼缘板；上部连接板的下表面设置有上凹的上部滑移面；
下部连接板的周围设置有下部翼缘板；下部连接板的上表面设置有下部滑移面；
在下部滑移面上，放置曲面滑移槽；曲面滑移槽底部滑移面的曲率半径与下部滑移面的曲率半径相同；曲面滑移槽上端面设有下凹的内部滑移面，其中放置曲面滑移块；曲面滑移块的底部滑移面的曲率半径与曲面滑移槽内部滑移面的曲率半径相同；曲面滑移块的顶部滑移面与上部滑移面预留一指定距离，并且曲面滑移块顶部滑移面的曲率半径与上部滑移面的曲率半径相同；
在上部翼缘板与下部翼缘板之间沿周向设置多个规格相同的U型支撑；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；U型支撑的上肢固定于上部翼缘板上，U型支撑的下肢固定于下部翼缘板上。
优选地，上部连接板、上部翼缘板以及上部滑移面一体化成型；下部连接板、下部翼缘板、以及下部滑移面一体化成型。
优选地，曲面滑移块的竖向高度大于曲面滑移槽的深度；曲面滑移槽底部滑移面的尺寸小于曲面滑移槽在下部滑移面上的运动耗能半径；在平衡状态下，曲面滑移块的中心轴线、曲面滑移槽的中心轴线以及下部滑移面的中心轴线重合。
优选地，多个规格相同的U型支撑沿上部翼缘板与下部翼缘板的周围均匀分布；U型支撑与上部翼缘板之间采用高强螺栓连接，U型支撑与下部翼缘板之间采用高强螺栓连接。
优选地，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；U型支撑的材料为软钢、铝合金或记忆合金；曲面滑移块、曲面滑移槽、上部滑移面以及下部滑移面的材料为高强钢、铝合金或记忆合金。
优选地，曲面滑移块的顶部滑移面与底部滑移面涂有用于节滑移面之间的摩擦力大小的涂抹材料；通过改变曲面滑移槽的内部滑移面与底部滑移面涂有用于节滑移面之间的摩擦力大小的涂抹材料；上部滑移面与下部滑移面涂有用于节滑移面之间的摩擦力大小的涂抹材料。
优选地，曲面滑移块的球面直径与上部连接板的长宽的比值范围为1:5～1:50；曲面滑移块的球面直径与曲面滑移槽的内部滑移面的球面直径相同；曲面滑移槽的内部滑移面深度与内部滑移面的球面直径的比值范围为1:2～1:1；下部滑移面的底部深度范围为0.02m～0.15m；U型支撑上下两肢的相对距离范围为0.05m～0.5m。
优选地，多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置在外界荷载作用下应满足如下条件：
Gy≥G0
Gy＝Gy1+Gy2
Gy1≤fy·Ay
Gy2＝nKy2·μy
其中，Gy为该多重可调节滑动面的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为曲面滑移块(8)与曲面滑移槽(7)的竖向承载力；Gy2为U型支撑(3)的竖向承载力；fy为曲面滑移块(8)与曲面滑移槽(7)的抗压强度设计值；Ay为曲面滑移槽(7)与下部滑移面(6)之间的接触面积；Ky2为U型支撑(3)的竖向刚度；μy为U型支撑(3)的竖向变形量；n为U型支撑(3)的设置数量；F为该多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置的所受到的水平荷载；KU为U型支撑(3)的水平等效抗侧刚度；R1为下部滑移面(6)的曲率半径；R2为上部滑移面(5)的曲率半径；θ1为曲面滑移槽(7)的中心轴线偏离竖直方向的夹角；θ2为曲面滑移块(8)的中心轴线偏离竖直方向的夹角；X为上部连接板1与下部连接板(10)的水平相对位移；k1为下部滑移面(6)的水平等效抗侧刚度；k2为上部滑移面(5)的水平等效抗侧刚度；F1为下部滑移面(6)与曲面滑移槽(7)之间的摩擦力；F2为上部滑移面(5)与曲面滑移块(8)之间的摩擦力。
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、高面压等结构中存在支座承载能力不足或者竖向不抗拉的问题。
2、本发明的U型支撑，可以灵活地增加数量以及改变尺寸，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，保证隔震装置的正常工作，经济实用，绿色环保。
3、本发明的曲面滑移块与曲面滑移槽能够相互协调工作，还能够一起提供竖向刚度；曲面滑移块以及曲面滑移槽在所受合力作用下，能够自然地回到平衡状态；而且曲面滑移块能够在曲面滑移槽的内部滑移面上摇摆旋转，不仅能够耗散外部能量、防止隔震层的上部结构扭转与摆动，还能够有效地调节上部滑动面与下部滑动面的竖向相对位移，保证多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置的上部连接板与下部连接板只发生水平运动，从而有效降低大跨度、超高层、大型化综合体、高面压等结构的复杂运动状态下的动力响应。
4、本发明的曲面滑移块、曲面滑移槽、上部连接板和下部连接板不仅能够相互协调工作，还能够一起提供竖向刚度；而且曲面滑移块以及曲面滑移槽配合上部滑移面与下部滑移面，使得多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置耗散的能量大于单滑动面隔震支座或者双滑动面隔震支座耗散的能量，隔震耗能作用更明显。
附图说明
图1是一种多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置的示意图1。
图2是一种多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置的示意图2。
图3是一种多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置的主视图以及A-A剖切位置示意图。
图4是一种多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置的A-A剖切示意图。
图5是一种多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置的数值模型的滞回曲线。
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-上部翼缘板、3-U型支撑、4-高强螺栓、5-上部滑移面、6-下部滑移面、7-曲面滑移槽、8-曲面滑移块、9-下部翼缘板、10-下部连接板。
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。
本发明提供了一种多重可调节滑动面的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1、上部翼缘板2、U型支撑3、高强螺栓4、曲面滑移块、曲面滑移槽、上部滑移面、下部滑移面、下部翼缘板以及下部连接板。上部连接板1、上部翼缘板2、U型支撑3、高强螺栓4、上部滑移面5、下部滑移面6、曲面滑移槽7、曲面滑移块8、下部翼缘板9、下部连接板10。
上部连接板1与上部结构接触；上部连接板1上可设置连接件，能够与上部结构进行紧密连接。上部连接板1的周围，设置有上部翼缘板2；上部翼缘板2上设置有高强螺栓孔。上部连接板1的下表面设置有上部滑移面5。上部连接板1、上部翼缘板2以及上部滑移面5一体化成型。
下部连接板10与下部结构接触；下部连接板10上可设置连接件，能够与下部结构进行紧密连接。下部连接板10的周围，设置有下部翼缘板9；下部翼缘板9上设置有高强螺栓孔。下部连接板10的上表面设置有下部滑移面6。下部连接板10、下部翼缘板9、以及下部滑移面6一体化成型。
在下部滑移面6上，放置曲面滑移槽7；曲面滑移槽7底部滑移面的曲率半径与下部滑移面6的曲率半径相同。曲面滑移槽7内，放置曲面滑移块8；曲面滑移块8底部滑移面的曲率半径与曲面滑移槽7内部滑移面的曲率半径相同。曲面滑移块8的顶部滑移面与上部滑移面5保持一定距离，并且曲面滑移块8顶部滑移面的曲率半径与上部滑移面5的曲率半径相同。
在上部翼缘板2与下部翼缘板9之间设置多个规格相同的U型支撑3；U型支撑3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；U型支撑3与上部翼缘板2之间采用高强螺栓4连接，U型支撑3与下部翼缘板9之间采用高强螺栓4连接。
曲面滑移块8的顶部滑移面与上部滑移面5之间的竖向距离等同于多个规格相同的U型支撑3上下两肢的竖向相对位移，也等同于上部翼缘板2与下部翼缘板9之间的竖向相对位移。
曲面滑移块8的竖向高度要大于曲面滑移槽7的深度；曲面滑移槽7底部滑移面的尺寸要小于曲面滑移槽7在下部滑移面6上的运动耗能半径；在平衡状态下，曲面滑移块8的中心轴线、曲面滑移槽7的中心轴线以及下部滑移面6的中心轴线重合。
多个规格相同的U型支撑3沿上部翼缘板2与下部翼缘板9的周围均匀分布。
上部连接板1和下部连接板10的材料为高强钢、铝合金或记忆合金。
U型支撑3的材料为软钢、铝合金或记忆合金。
曲面滑移块8、曲面滑移槽7、上部滑移面5以及下部滑移面6的材料为高强钢、铝合金或记忆合金。
通过改变曲面滑移块8的顶部滑移面与底部滑移面的涂抹材料，来调节滑移面之间的摩擦力的大小。
通过改变曲面滑移槽7的内部滑移面与底部滑移面的涂抹材料，来调节滑移面之间的摩擦力的大小。
通过改变上部滑移面5与下部滑移面6的涂抹材料，来调节滑移面之间的摩擦力的大小。
进一步地，多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置在外界荷载作用下应满足如下条件：
Gy≥G0
Gy＝Gy1+Gy2
Gy1≤fy·Ay
Gy2＝nKy2·μy
其中，Gy为该多重可调节滑动面的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为曲面滑移块8与曲面滑移槽7的竖向承载力；Gy2为U型支撑3的竖向承载力；fy为曲面滑移块8与曲面滑移槽7的抗压强度设计值；Ay为曲面滑移槽7与下部滑移面6之间的接触面积；Ky2为U型支撑3的竖向刚度；μy为U型支撑3的竖向变形量；n为U型支撑3的设置数量；F为该多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置的所受到的水平荷载；KU为U型支撑3的水平等效抗侧刚度；R1为下部滑移面6的曲率半径；R2为上部滑移面5的曲率半径；θ1为曲面滑移槽7的中心轴线偏离竖直方向的夹角；θ2为曲面滑移块8的中心轴线偏离竖直方向的夹角；X为上部连接板1与下部连接板10的水平相对位移；k1为下部滑移面6的水平等效抗侧刚度；k2为上部滑移面5的水平等效抗侧刚度；F1为下部滑移面6与曲面滑移槽7之间的摩擦力；F2为上部滑移面5与曲面滑移块8之间的摩擦力。
下面结合该多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置的一个数值模型及其滞回曲线对本发明的效果进行说明：
该多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置的一个数值模型选用四个U型支撑3布置于隔震装置的前后左右四侧。上部连接板1和下部连接板10截面尺寸：长0.8m，宽0.8m，厚度0.2m；上部连接板1和下部连接板10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3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3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3材料为软钢，弹性模量为1.9×1011Pa，泊松比为0.3，密度为7800Kg/m3；上部滑移面5的曲率半径为1m，下部滑移面6的曲率半径为1m；曲面滑移块8顶部滑移面的曲率半径为1m，曲面滑移块8底部滑移面的曲率半径为0.2m；曲面滑移槽7内部滑移面的曲率半径为0.2m，曲面滑移槽7底部滑移面的曲率半径为1m；曲面滑移块8与曲面滑移槽7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5所示，该多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置的数值模型的滞回曲线非常饱满，证明该隔震装置具有良好的隔震消能作用。在其他实施例中，可以根据实际使用环境下的负载要求、场地类别以及地震强度等情况，对该多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置的各个部件的尺寸参数、材料，以及U型支撑3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、高面压等结构中存在支座承载能力不足或者竖向不抗拉的问题。
而且，本发明的U型支撑可以灵活地增加数量以及改变尺寸，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，保证隔震装置的正常工作，经济实用，绿色环保。
不仅如此，本发明的曲面滑移块、曲面滑移槽、上部连接板和下部连接板不仅能够相互协调工作，还能够一起提供竖向刚度；而且曲面滑移块以及曲面滑移槽配合上部滑移面与下部滑移面，使得多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置耗散的能量大于单滑动面隔震支座或者双滑动面隔震支座耗散的能量，隔震耗能作用更明显。
不仅如此，本发明的曲面滑移块与曲面滑移槽能够相互协调工作，还能够一起提供竖向刚度；曲面滑移块以及曲面滑移槽在所受合力作用下，能够自然地回到平衡状态；而且曲面滑移块能够在曲面滑移槽的内部滑移面上摇摆旋转，不仅能够耗散外部能量、防止隔震层的上部结构扭转与摆动，还能够有效地调节上部滑动面与下部滑动面的竖向相对位移，保证多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置的上部连接板与下部连接板只发生水平运动，从而有效降低大跨度、超高层、大型化综合体、高面压等结构的复杂运动状态下的动力响应。
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 (8)

1.一种多重可调节滑动面的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)、上部翼缘板(2)、U型支撑(3)、上部滑移面(5)、下部滑移面(6)、曲面滑移槽(7)、曲面滑移块(8)、下部翼缘板(9)、下部连接板(10)；
上部连接板(1)的周围设置有上部翼缘板(2)；上部连接板(1)的下表面设置有上凹的上部滑移面(5)；
下部连接板(10)的周围设置有下部翼缘板(9)；下部连接板(10)的上表面设置有下部滑移面(6)；
在下部滑移面(6)上，放置曲面滑移槽(7)；曲面滑移槽(7)底部滑移面的曲率半径与下部滑移面(6)的曲率半径相同；曲面滑移槽(7)上端面设有下凹的内部滑移面，其中放置曲面滑移块(8)；曲面滑移块(8)的底部滑移面的曲率半径与曲面滑移槽(7)内部滑移面的曲率半径相同；曲面滑移块(8)的顶部滑移面与上部滑移面(5)预留一指定距离，并且曲面滑移块(8)顶部滑移面的曲率半径与上部滑移面(5)的曲率半径相同；
在上部翼缘板(2)与下部翼缘板(9)之间沿周向设置多个规格相同的U型支撑(3)；U型支撑(3)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；U型支撑(3)的上肢固定于上部翼缘板(2)上，U型支撑(3)的下肢固定于下部翼缘板(9)上。
2.如权利要求1所述的一种多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置，其特征在于，上部连接板(1)、上部翼缘板(2)以及上部滑移面(5)一体化成型；下部连接板(10)、下部翼缘板(9)、以及下部滑移面(6)一体化成型。
3.如权利要求1所述的一种多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置，其特征在于，曲面滑移块(8)的竖向高度大于曲面滑移槽(7)的深度；曲面滑移槽(7)底部滑移面的尺寸小于曲面滑移槽(7)在下部滑移面(6)上的运动耗能半径；在平衡状态下，曲面滑移块(8)的中心轴线、曲面滑移槽(7)的中心轴线以及下部滑移面(6)的中心轴线重合。
4.如权利要求1所述的一种多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置，其特征在于，多个规格相同的U型支撑(3)沿上部翼缘板(2)与下部翼缘板9的周围均匀分布；U型支撑(3)与上部翼缘板(2)之间采用高强螺栓(4)连接，U型支撑(3)与下部翼缘板(9)之间采用高强螺栓(4)连接。
5.如权利要求4所述的一种多重可调节滑动面的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(10)的材料为高强钢、铝合金或记忆合金；U型支撑(3)的材料为软钢、铝合金或记忆合金；曲面滑移块(8)、曲面滑移槽(7)、上部滑移面(5)以及下部滑移面(6)的材料为高强钢、铝合金或记忆合金。
6.如权利要求1～4任意一项所述的一种多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置，其特征在于，曲面滑移块(8)的顶部滑移面与底部滑移面涂有用于节滑移面之间的摩擦力大小的涂抹材料；通过改变曲面滑移槽(7)的内部滑移面与底部滑移面涂有用于节滑移面之间的摩擦力大小的涂抹材料；上部滑移面(5)与下部滑移面(6)涂有用于节滑移面之间的摩擦力大小的涂抹材料。
7.如权利要求1～4任意一项所述的一种多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置，其特征在于，曲面滑移块(8)的球面直径与上部连接板(1)的长宽的比值范围为1:5～1:50；曲面滑移块(8)的球面直径与曲面滑移槽(7)的内部滑移面的球面直径相同；曲面滑移槽(7)的内部滑移面深度与内部滑移面的球面直径的比值范围为1:2～1:1；下部滑移面(6)的底部深度范围为0.02m～0.15m；U型支撑(3)上下两肢的相对距离范围为0.05m～0.5m。
8.如权利要求1所述的一种多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置，其特征在于，多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置在外界荷载作用下应满足如下条件：
Gy≥G0
Gy＝Gy1+Gy2
Gy1≤fy·Ay
Gy2＝nKy2·μy
其中，Gy为该多重可调节滑动面的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为曲面滑移块(8)与曲面滑移槽(7)的竖向承载力；Gy2为U型支撑(3)的竖向承载力；fy为曲面滑移块(8)与曲面滑移槽(7)的抗压强度设计值；Ay为曲面滑移槽(7)与下部滑移面(6)之间的接触面积；Ky2为U型支撑(3)的竖向刚度；μy为U型支撑(3)的竖向变形量；n为U型支撑(3)的设置数量；F为该多重可调节滑动面的高承载力抗拉耗能隔震装置的所受到的水平荷载；KU为U型支撑(3)的水平等效抗侧刚度；R1为下部滑移面(6)的曲率半径；R2为上部滑移面(5)的曲率半径；θ1为曲面滑移槽(7)的中心轴线偏离竖直方向的夹角；θ2为曲面滑移块(8)的中心轴线偏离竖直方向的夹角；X为上部连接板1与下部连接板(10)的水平相对位移；k1为下部滑移面(6)的水平等效抗侧刚度；k2为上部滑移面(5)的水平等效抗侧刚度；F1为下部滑移面(6)与曲面滑移槽(7)之间的摩擦力；F2为上部滑移面(5)与曲面滑移块(8)之间的摩擦力。
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