CN110259238B - 刚性套筒滑杆外包铅体的缸内流变型复合支座阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种刚性套筒滑杆外包铅体的缸内流变型复合支座阻尼器，满足了大直径橡胶支座所需的大阻尼力及大耗能能力，解决了支座在侧移大变形时的阻尼性能退变而引起结构强震安全的问题。支承体由若干橡胶层与钢板层组成，支承体上下端设有连接板，支承体内的竖向孔腔内设有复合阻尼器，复合阻尼器中央设有刚性滑杆和套筒，刚性滑杆两端设置锚固端头和锥形尖端，锥形尖端超出刚性套筒，外围包封有铅体，铅体与孔腔周边紧密贴合，铅体及刚性滑杆的顶部与支承体顶部连接板的底面之间存在间隙。本发明的变形耗能工作机理独特，有效阻尼力大，水平耗能性能优良，工作性能稳定可靠，且可起到侧移约束限位功能。

Description

刚性套筒滑杆外包铅体的缸内流变型复合支座阻尼器

技术领域

本发明涉及土木工程设施的抗震防灾领域，具体为一种刚性套筒滑杆外包铅体的缸内流变型复合支座阻尼器。

背景技术

工程结构采用隔震技术并在隔震层设置橡胶隔震支座，可有效减小结构在水平地震作用下的振动加速度，从而降低地震内力、位移等作用效应，显著提高结构物在罕遇地震下的抗震性能，提高抗震抗倒能力。

普通隔震橡胶支座侧移刚度小，可大大延长结构周期，有效减小地震反应。为了进一步降低地震作用，还可以在隔震层与隔震橡胶支座并行设置阻尼器，增大阻尼耗能。为此，工程中往往在隔震橡胶支座中设置阻尼器，形成复合隔震支座，其一方面可提供较大阻尼耗能，另一方面也可方便施工、降低造价；通常在橡胶支座内设置铅芯阻尼器，形成铅芯橡胶支座，在水平剪力作用下，铅芯随着支座侧移而发生剪切屈服变形，从而产生滞回耗能。

由于铅的剪切屈服强度小，对于大直径隔震橡胶支座，铅芯提供的剪切屈服力和阻尼耗能较小，影响隔震减震效果的发挥。目前采用加大铅芯截面法增加阻尼，但大截面铅芯在水平侧移较大时剪切退变不易控制，往复作用下滞回曲线稳定性差，易损伤退化，从而在强震下支座的水平位移易超出允许值，引起结构位移安全问题。

发明内容

本发明为了解决支座在侧移大变形时阻尼性能退变而引起结构强震安全的问题，提供一种刚性套筒滑杆外包铅体的缸内流变型复合支座阻尼器。

本发明采取以下技术方案：一种刚性套筒滑杆外包铅体的缸内流变型复合支座阻尼器，包括由若干橡胶粘结层与钢板层上下交替粘合制成的支承体，支承体的顶部和底部设有连接支承体与结构物的连接板，支承体内设置有至少一个竖向的孔腔，孔腔内设置有复合阻尼器，所述的复合阻尼器包括竖向设置在中央的刚性滑杆，刚性滑杆上套有紧密贴合的刚性套筒，刚性滑杆的一端设置锚固端头，刚性滑杆的另一端设置锥形尖端，锥形尖端伸出刚性套筒，刚性滑杆与刚性套筒包封在铅体内，铅体与孔腔周边紧密贴合，铅体的顶部与支承体顶部连接板的底面之间存在间隙，刚性滑杆的顶部与支承体顶部连接板的底面之间存在间隙。

进一步的，刚性滑杆设置有两组，每一组刚性滑杆均套有刚性套筒，且两组刚性滑杆的锚固端头和锥形尖端反向设置。

进一步的，刚性滑杆的横截面为圆形，锚固端头为球体形。

进一步的，刚性套筒的一端靠紧锚固端头，刚性套筒的外壁表面打毛，两组刚性套筒相互连接为整体。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明结构构造新颖。复合阻尼器设在橡胶粘结层与钢板层的孔腔内，该孔腔的周边是由分层迭置的橡胶粘结层与钢板层组合而成的，孔腔顶部和底部通过连接板封闭，从而形成一封闭缸体；当支承体侧移变形时，周边呈分层迭置构造的缸体也发生剪切错位，但封闭缸体的容积是保持不变的。复合阻尼器的中央设置有竖向的刚性滑杆，刚性滑杆外周套有紧密贴合的刚性套筒，刚性滑杆的一端设置锚固端头另一端设置锥形尖端，刚性滑杆与刚性套筒的外围包封有铅体，铅体与孔腔周边紧密贴合，结构构造新颖。

2、复合阻尼器变形耗能工作机理独特。当支承体支座在水平剪力作用下发生侧移时，一方面，周边呈分层迭置构造的密封缸体发生剪切错位，复合阻尼器中的铅体也随着密封缸体而发生水平剪切侧移和塑性变形，产生阻尼耗能。

3、本发明复合阻尼器的有效阻尼力大、水平耗能性能优良。当支承体支座发生侧移时,复合阻尼器中的铅体由于塑性剪切变形而产生阻尼力进行耗能；与此同时，复合阻尼器内设置的刚性滑杆沿着刚性套筒滑动，刚性滑杆对铅体产生挤压力使其在孔腔内产生塑性流动，从而产生新的阻尼力。这两部分阻尼力叠加使复合阻尼器的阻尼力增大、耗能增加。

4、本发明复合阻尼器的阻尼力学性能不受支座竖向压力的影响，工作性能稳定可靠。本发明的刚性套筒滑杆外包铅体的缸内流变型复合支座阻尼器，由于铅体的顶部与支承体顶部连接板的底面之间存在间隙，刚性滑杆的顶部与支承体顶部连接板的底面之间存在间隙，相当于复合阻尼器存在受压间隙；另一方面，铅体的水平截面及抗压刚度也小。

5、本发明的支座水平侧移超出设计限值后，阻尼力显著增大，可起到侧移约束限位功能。本发明刚性套筒滑杆外包铅体的缸内流变型复合支座阻尼器，复合阻尼器的中央设置有竖向的刚性滑杆，刚性滑杆套有紧密贴合的刚性套筒，刚性滑杆的一端设置锚固端头，另一端设置锥形尖端，锥形尖端超出刚性套筒。

从而当支承体支座发生水平侧移时，刚性滑杆也在刚性套筒内滑动，由于刚性滑杆的一端设置锚固端头，故锚固端头为固定端，是不动的。

由于另一端的锥形尖端超出刚性套筒，在支座水平侧移达到设计限值之前，锥形尖端在刚性套筒之外，未滑入刚性套筒内，孔腔内铅体、刚性套筒及滑杆的总体积恒定并等于孔腔的容积，复合阻尼器属于正常工作状态；继而，当支座水平侧移刚达到设计限值时，锥形尖端刚好完全滑入刚性套筒内，受挤压铅体挤入刚性套筒筒口的难度增加，铅体的挤压力开始增大，阻尼力开始出现增大拐点；进一步地，当支座水平侧移超出设计限值后，锥形尖端继续进入刚性套筒内，致使刚性套筒的筒口有产生空腔的趋势、并使封闭孔腔的容积有增大的趋势，但封闭孔腔的容积毕竟是恒定的，因而铅体继续被挤入刚性套筒，但难度显著增加，导致铅体的挤压力显著增大，起到侧移约束限位功能。

6、本发明制造方便、可降低铅材料的用量。本发明刚性套筒滑杆外包铅体的缸内流变型复合支座阻尼器，通过在孔腔内合理巧妙地设置刚性套筒和滑杆，实现了铅体在密闭孔腔内的挤压塑性变形流动，提高了阻尼器的有效阻尼力及耗能能力，其功能部件构造简明，制造方便。由于阻尼力显著提高，在相同力学性能条件下，较已有支座可降低高纯度铅体材料材的用量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为图1的B-B剖视图；

图4为图1在一般水平侧移过程中的工作原理示意图。

图5为图1在极限水平侧移时的工作原理示意图。

图中：1-支承体，2-橡胶粘结层，3-钢板层，4-连接板，5-复合阻尼器，6-刚性滑杆，7-刚性套筒，8-锚固端头，9-铅体。

具体实施方式

如图1-3所示，一种刚性套筒滑杆外包铅体的缸内流变型复合支座阻尼器，包括由若干橡胶粘结层2与钢板层3上下交替粘合制成的支承体1，支承体1的顶部和底部设有连接支承体1与结构物的连接板4，支承体1内设置有至少一个竖向的孔腔，孔腔内设置有复合阻尼器5，所述的复合阻尼器5包括竖向设置在中央的刚性滑杆6，刚性滑杆6上套有紧密贴合的刚性套筒7，刚性滑杆6的一端设置锚固端头8，刚性滑杆6的另一端设置锥形尖端，锥形尖端伸出刚性套筒7，刚性滑杆6与刚性套筒7包封在铅体9内，铅体9与孔腔周边紧密贴合，铅体9的顶部与支承体1顶部连接板4的底面之间存在间隙，刚性滑杆6的顶部与支承体1顶部连接板4的底面之间存在间隙。

刚性滑杆6设置有两组，每一组刚性滑杆6均套有刚性套筒7，且两组刚性滑杆6的锚固端头8和锥形尖端反向设置。

刚性滑杆6的横截面为圆形，锚固端头8为球体形。刚性套筒7的一端靠紧锚固端头8，刚性套筒7的外壁表面打毛，两组刚性套筒7相互连接为整体。

具体实施时，将支承体1的橡胶粘结层2和钢板层3分层叠置组装和整体硫化，再将刚性滑杆6与刚性套筒7组装，在其外围浇注包封铅体9，制成复合阻尼器5，最后将复合阻尼器5嵌填压入支座基体1的竖向孔腔内，在支承体1的顶部和底部通过螺栓安装连接板4，从而完成复合支座阻尼器加工制造。

复合阻尼器设在橡胶粘结层与钢板层的孔腔内，该孔腔的周边是由分层迭置的橡胶粘结层与钢板层组合而成的，孔腔顶部和底部通过连接板封闭，从而形成一封闭缸体；当支承体侧移变形时，周边呈分层迭置构造的缸体也发生剪切错位，但封闭缸体的容积是保持不变的。复合阻尼器的中央设置有竖向的刚性滑杆，刚性滑杆外周套有紧密贴合的刚性套筒，刚性滑杆的一端设置锚固端头另一端设置锥形尖端，刚性滑杆与刚性套筒的外围包封有铅体，铅体与孔腔周边紧密贴合，结构构造新颖。

如图4、5所示，当支承体支座在水平剪力作用下发生侧移时，一方面，周边呈分层迭置构造的密封缸体发生剪切错位，复合阻尼器中的铅体也随着密封缸体而发生水平剪切侧移和塑性变形，产生阻尼耗能。

另一方面，更重要的是，由于刚性滑杆一端设置锚固端头另一端设置锥形尖端，在水平侧移变形过程中，复合阻尼器内设置的刚性滑杆也沿着刚性套筒滑动；而且由于滑杆锚固端的转动约束刚度小，刚性滑杆和刚性套筒的刚度较大，故复合阻尼器内设置的刚性滑杆和刚性套筒还会随着铅体侧移产生刚体转动。这样，引起刚性滑杆和刚性套筒在孔腔内的空间方位发生改变，导致一部分区域的铅体材料受到刚性滑杆及刚性套筒的挤压，但由于孔腔的容积是不变的、且孔腔内充填的铅体及滑杆等材料的体积应变也很微小，因而孔腔会约束柔性铅体材料挤压流塑的方向，使受挤压区域的铅体材料向未受挤压或受挤压力较小的区域流动，产生类似于受约束液体的流动。由此可见，复合阻尼器的变形耗能工作机理独特。

具体地，支承体支座在水平力作用下，当孔腔及铅体的剪切侧移逐渐增大时，刚性滑杆向锚固端头方向滑动，锚固端头与刚性套筒之间的铅体材料会受到刚性滑杆的挤压，向周围区域尤其是向锥形尖端滑动路径所在的区域流动。反之，当孔腔及铅体的剪切侧移逐渐减小时，刚性滑杆向锥形尖端方向滑动，锥形尖端与刚性套筒之间的铅体材料会受到该刚性滑杆的挤压，从而向周围区域尤其是向锚固端头与刚性套筒之间的区域流动。设置锥形尖端可避免刚性滑杆在挤压过程中对铅体的损伤，调整和减少刚性滑杆向锥形尖端方向滑动过程中的阻力。因此，复合阻尼器在整个工作过程中均有独特的变形耗能工作机理。

刚性滑杆的横截面为圆形时，刚性滑杆纵向光滑而没有棱角，可使刚性滑杆周围铅体的塑性流动均匀，防止棱角对铅体塑性流动的阻挡。

刚性滑杆的锚固端头为球体形，则刚性滑杆随着铅体侧移产生刚性转动时，球体形锚固端头对刚性滑杆转动的抵抗力矩很小，可使刚性滑杆随着铅体侧移自由转动，避免刚性滑杆转动时在锚固端头处产生弯曲损伤。

刚性滑杆沿竖向呈反对称设置，可缩短铅体塑性流动的路径，避免铅体损伤，控制铅体塑性流动范围分别发生在孔腔的上、下一半范围内。

刚性套筒的一端靠紧锚固端头，可使刚性滑杆在刚性套筒中的滑动路径达到最大，在支承体水平侧移位移达到或超过设计限值时，避免刚性滑杆从刚性套筒中滑脱。

刚性套筒的外壁表面打毛，刚性套筒相互连接为整体，以增加刚性套筒与铅体之间的摩阻力，并保证两个或多个刚性套筒之间的整体性，在支承体水平侧移过程中，使刚性套筒既不会相互错动分离，也不会整体移位或偏移。

当支承体支座发生侧移时，复合阻尼器中的铅体由于塑性剪切变形而产生阻尼力进行耗能；与此同时，复合阻尼器内设置的刚性滑杆沿着刚性套筒滑动，刚性滑杆对铅体产生挤压力使其在孔腔内产生塑性流动，从而产生新的阻尼力。这两部分阻尼力叠加使复合阻尼器的阻尼力增大、耗能增加。

刚性滑杆及刚性套筒可用钢材制成，其硬度远大于高纯度铅的硬度，故刚性滑杆滑动时，铅体受到滑杆的挤压而发生塑性变形，而滑杆本身变形很小或变形在弹性范围内。又由于铅体表面抵抗钢材挤压作用的承载能力大于其抵抗剪切作用的承载能力，因而铅体受刚性滑杆挤压屈服的阻尼力增大，复合阻尼器的有效阻尼力明显提高，水平耗能效率增大，本发明的性能优良。

本发明的刚性套筒滑杆外包铅体的缸内流变型复合支座阻尼器，由于铅体的顶部与支承体顶部连接板的底面之间存在间隙，刚性滑杆的顶部与支承体顶部连接板的底面之间存在间隙，相当于复合阻尼器存在受压间隙；另一方面，铅体的水平截面及抗压刚度也小。

因而，在竖向压力作用下，当支承体支座竖向承压产生竖向压缩变形时，复合阻尼器不分担压力或分担压力极小，复合阻尼器不会受压或产生压缩变形，竖向轴力作用主要通过支承体支座的橡胶粘结层、钢板层承担，避免了复合阻尼器承受竖向压力而影响水平力作用下的阻尼力学性能，工作性能稳定可靠。

本发明刚性套筒滑杆外包铅体的缸内流变型复合支座阻尼器，复合阻尼器的中央设置有竖向的刚性滑杆，刚性滑杆套有紧密贴合的刚性套筒，刚性滑杆的一端设置锚固端头，另一端设置锥形尖端，锥形尖端超出刚性套筒。

从而当支承体支座发生水平侧移时，刚性滑杆也在刚性套筒内滑动，由于刚性滑杆的一端设置锚固端头，故锚固端头为固定端，是不动的。

由于另一端的锥形尖端超出刚性套筒，在支座水平侧移达到设计限值之前，锥形尖端在刚性套筒之外，未滑入刚性套筒内，孔腔内铅体、刚性套筒及滑杆的总体积恒定并等于孔腔的容积，复合阻尼器属于正常工作状态；继而，当支座水平侧移刚达到设计限值时，锥形尖端刚好完全滑入刚性套筒内，受挤压铅体挤入刚性套筒筒口的难度增加，铅体的挤压力开始增大，阻尼力开始出现增大拐点；进一步地，当支座水平侧移超出设计限值后，锥形尖端继续进入刚性套筒内，致使刚性套筒的筒口有产生空腔的趋势、并使孔腔的容积有增大的趋势，但孔腔的容积毕竟是恒定的，因而铅体继续被挤入刚性套筒，但难度显著增加，导致铅体的挤压力显著增大，起到侧移约束限位功能。

Claims (3)

1.一种刚性套筒滑杆外包铅体的缸内流变型复合支座阻尼器，其特征在于：包括由若干橡胶粘结层（2）与钢板层（3）上下交替粘合制成的支承体（1），支承体（1）的顶部和底部设有连接支承体（1）与结构物的连接板（4），支承体（1）内设置有至少一个竖向的孔腔，孔腔内设置有复合阻尼器（5），所述的复合阻尼器（5）包括竖向设置在中央的刚性滑杆（6），刚性滑杆（6）上套有紧密贴合的刚性套筒（7），刚性滑杆（6）的一端设置锚固端头（8），锚固端头（8）为球体形，刚性滑杆（6）的另一端设置锥形尖端，锥形尖端伸出刚性套筒（7），刚性滑杆（6）与刚性套筒（7）包封在铅体（9）内，铅体（9）与孔腔周边紧密贴合，铅体（9）的顶部与支承体（1）顶部连接板（4）的底面之间存在间隙，刚性滑杆（6）的顶部与支承体（1）顶部连接板（4）的底面之间存在间隙，所述的刚性滑杆（6）设置有两组，每一组刚性滑杆（6）均套有刚性套筒（7），且两组刚性滑杆（6）的锚固端头（8）和锥形尖端反向设置；当支承体支座发生侧移时，复合阻尼器中的铅体由于塑性剪切变形而产生阻尼力进行耗能；复合阻尼器内设置的刚性滑杆沿着刚性套筒滑动，刚性滑杆对铅体产生挤压力使其在孔腔内产生塑性流动，从而产生新的阻尼力；锥形尖端超出刚性套筒，在支座水平侧移达到设计限值之前，锥形尖端在刚性套筒之外，未滑入刚性套筒内，孔腔内铅体、刚性套筒及滑杆的总体积恒定并等于孔腔的容积，复合阻尼器属于正常工作状态；当支座水平侧移刚达到设计限值时，锥形尖端刚好完全滑入刚性套筒内，受挤压铅体挤入刚性套筒筒口的难度增加，铅体的挤压力开始增大，阻尼力开始出现增大拐点；当支座水平侧移超出设计限值后，锥形尖端继续进入刚性套筒内，致使刚性套筒的筒口有产生空腔的趋势、并使孔腔的容积有增大的趋势，但孔腔的容积是恒定的，铅体继续被挤入刚性套筒，但难度显著增加，导致铅体的挤压力显著增大，起到侧移约束限位功能。

2.根据权利要求1所述的刚性套筒滑杆外包铅体的缸内流变型复合支座阻尼器，其特征在于：所述的刚性滑杆（6）的横截面为圆形。

3.根据权利要求2所述的刚性套筒滑杆外包铅体的缸内流变型复合支座阻尼器，其特征在于：所述的刚性套筒（7）的一端靠紧锚固端头（8），刚性套筒（7）的外壁表面打毛，两组刚性套筒（7）相互连接为整体。

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