CN110431269A - 滑动摆动式轴承及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及滑动摆动式轴承(5),该滑动摆动式轴承用于保护结构免受来自因地震而产生的主要水平激励的动态应力,该滑动摆动式轴承具有第一滑动板(1)、第二滑动板(2)以及以可移动的方式布置在两个滑动板之间的滑动件(3)。根据本发明,两个滑动板中的每个滑动板具有弯曲的主滑动表面(10)和(20),并且滑动件(3)以平坦的方式与第一滑动板(1)的第一主滑动表面(10)接触且与第二滑动板(2)的第二主滑动表面(20)接触。本发明的特征在于,第一主滑动表面(10)根据第一载荷条件设计,并且第二主滑动表面(20)根据与第一载荷状况不同的第二载荷条件设计。
Description
本发明涉及用于保护结构免受来自主要地水平冲击所产生的动态应力的滑动摆动式轴承以及用于确定这种滑动摆动式轴承尺寸的方法。
通用的滑动摆动式轴承通常具有第一滑动板、第二滑动板以及以可移动的方式布置在两个滑动板之间的滑动件,其中,所述两个滑动板中的每个滑动板具有弯曲的主滑动表面,并且滑动件与第一滑动板的第一主滑动表面表面接触且与第二滑动板的第二主滑动表面表面接触。
原则上从现有技术中充分地已知了这种滑动摆动式轴承和用于这种滑动摆动式的对应的尺寸确定方法。
这种滑动摆动式轴承特别地用于诸如房屋或桥梁之类的结构的地震隔离,这些结构的第一固有频率通常在约0.5Hz至约2Hz的范围内。特别地,弯曲的主滑动表面可以根据DIN EN 15129:2010而以球形的方式弯曲。如果第一固有频率显著地低于0.5Hz,则因结构的长的震动周期持续时间而足以保护结构免受地震引起的地面震动。然而,如果第一固有频率高于2Hz,则由于结构的高的刚性,地震不会造成任何重大的结构移位和相关的损坏。
目前,已知有四种主要类型的不同滑动摆动式轴承。在图1A至图1D中示意性地示出了这些轴承并且在下面对其进行简要说明。
一方面,存在图1A中示意性地示出有“单曲面滑动件”(在下文中被称为“单型”)类型的滑动摆动式轴承5,其中,第一滑动板1通过弯曲的第一主滑动表面10与滑动件3表面接触,并且第二滑动板2通过弯曲的第二主滑动表面20与滑动件3表面接触。在此处示出的单型的情况下,在滑动件3与两个主滑动表面10和20之间布置有滑动元件4,以便能够调节滑动件3与滑动板1和2的两个主滑动表面10和20之间的摩擦性能。
单型设计的特点是,滑动摆动式轴承的隔离行为基本上由第一主滑动表面10与滑动件3之间的接触表面限定。相反地,具有其第二主滑动表面20的第二滑动板2基本上设置成用于防止滑动件3因旋转而被夹紧于第一主滑动表面10,并且因此确保滑动件3与第一滑动板1的第一主滑动表面10之间的最佳接触。
如果单型现在设计成用于具有相应的峰值地面加速度的特定地震,则仅第一滑动板1与滑动件3之间的接触设计成用于对应的载荷情况。
术语“用以设计”特别指的是对滑动件3与对应的滑动板1之间的接触表面的几何形状和摩擦行为进行优化。例如,这可以借助于线性响应谱或非线性模拟来完成。在该优化过程中,必须始终在滑动摆动式轴承的隔离效果与用于保持滑动摆动式轴承的轴承运动的移位能力之间找到折衷方案。这意味着期望的是将结构运动与地面运动完美隔离,但这仅可以通过滑动板1的非常大的曲率半径来实现,然而,这需要相当大的轴承的移位能力,并且在地震之后,结构可能不再处于相同的位置处(参见:“返回中心误差”)。然而,由于用于轴承运动的可能的移位能力被给定的安装空间所限制并且必须保证最小地限定的回到中心位置能力,因此不能使隔离效果达到最大程度。
因此,“用以设计”的含义可以例如通过图1E来说明。
图1E示出了下述曲线图,该曲线图示出了最大绝对结构加速度作为由对应的地震引起的峰值地面加速度(PGA)的函数的轨迹。从大量可想到的用于峰值地面加速度的值来看,对于滑动摆动式轴承的设计而言两个值是特别关键的。一方面,该值是所谓的设计基本地震(DBE)的峰值地面加速度的值,其在图1E中所示的示例中假设为4m/s2。另一方面,该值是所谓的最大可信地震(MCE)的峰值地面加速度的值,其在图1E中所示的示例中假设为6m/s2。设计基本地震对应于预期结构应该与地震激励最佳隔离的地震。然而,最大可信地震是在结构的位置处预计的最大地震。最大可信地震的峰值地面加速度的值大于设计基本地震的峰值地面加速度的值,并且最大可信地震的峰值地面加速度的值还可以定义为设计基本地震的峰值地面加速度的值的倍数,例如1.5倍。对于具有介于设计基本地震的峰值地面加速度值与最大可信地震之间的峰值地面加速度值的地震而言,结构可能会发生损坏,但这些损坏仍然可以修复。
如图1E中所示,用于没有摩擦但具有优化的粘性阻尼的滑动摆动式轴承的最大绝对结构加速度(参见:“具有优化的粘性阻尼的摆动式”的曲线)——在下文中被称为具有优化的粘性阻尼的滑动摆动式轴承——作为峰值地面加速度的函数是线性的。该曲线反映了具有被动隔离器的结构的理想隔离。然而,滑动摆动式轴承与优化的粘性阻尼器的组合是昂贵的,这就是为什么在实践中使用具有摩擦的滑动摆动式轴承。
图1E除了示出了用于具有优化的粘性阻尼的滑动摆动式轴承的曲线之外,还示出了用于具有摩擦的滑动摆动式轴承的最大绝对结构加速度的示例性曲线(参见:用于“摩擦摆动式”的曲线)。此处可以看到的是,用于常规结构轴承的隔离行为不会随着地面加速度而线性地发展。因此,对于大量的峰值地面加速度值而言,具有摩擦的滑动摆动式轴承通常不可能接近具有优化的粘性阻尼的滑动摆动式轴承的行为。
因此,对具有摩擦的滑动摆动式轴承进行设计或进行优化的目的应该适应滑动摆动式轴承的几何形状和摩擦值,使得用于峰值地面加速度的值处的最大绝对结构加速度显示出了与具有优化的粘性阻尼的滑动摆动式轴承相似的行为。
如以上已经描述的,对于设计为单型的滑动摆动式轴承(参见图1A)而言,具有其第二主滑动表面20的第二滑动板2对于滑动件3的旋转而言是必要的。为了确保滑动件尽可能平滑地旋转,对第二主滑动表面20进行润滑,使得第二主滑动表面20的摩擦系数非常低(通常在0.4%至1.5%的范围内),并且该摩擦不能包括在第一主滑动表面的摩擦中。因此,设计为单型的滑动摆动式轴承(参见图1A)的隔离行为仅由第一主滑动表面10的曲率和摩擦限定。
作为图1A中所示的单型的另外的改进方案,已知的是双型滑动摆动式轴承(在下文中被称为“双型”),在图1B中示出了该双型滑动摆动式轴承并且双型滑动摆动式轴承用英语被称为“双曲面滑动件”。
类似于单型,双型具有带有第一主滑动表面10的第一滑动板1、带有第二主滑动表面20的第二滑动板2、滑动件3以及两个滑动元件4。
然而,与单型相比,第二主滑动表面20在其有效半径和摩擦系数方面与第一主滑动表面10相同。为了保证单型(图1A中的5)和双型(图1B中的5)的相同的隔离周期持续时间,双型的两个有效半径之和被选择成等于单型的有效半径。由于双型的两个有效半径和两个摩擦系数通常被相等地选择,因此双型的整个轴承运动均匀地分布在双型的主滑动表面10和20上。因此,双型的主滑动表面10和20上的最大滑动路径各自大约是单型的主滑动表面10上的滑动路径的一半,从而使双型更紧凑。
图1b中所示的双型5的另外的改进方案是图1C中所示的具有连接部的双型(在下文中称为“具有连接部的双型”),其中,滑动件3形成为两个部分3a和3b,这两个部分3a和3b对应于连接部。具有连接部的双型被称为“具有铰接滑动件的双曲面滑动件”5。类似于没有连接部的双型(图1B),具有连接部的双型(图1C)具有带有第一主滑动表面10的第一滑动板1、带有第二主滑动表面20的第二滑动板2、滑动件3以及若干滑动元件4。
与没有连接部的双型5相比,具有连接部的双型将滑动件3分成了两个滑动件部分3a和3b,由此两个滑动件部分3a和3b通过另一滑动元件4a彼此接触。
类似于单型的第二主滑动表面20,这种分隔用来确保第一主滑动表面10和第二主滑动表面20上的滑动件3或滑动件部分3a和3b之间的最佳接触。
因此,具有连接部的双型的隔离行为基本上由滑动板1和2与对应的滑动部分3a和3b之间的接触表面限定。
最后,图1D示出了呈所谓的“三型摩擦摆动式”5(在下文中称为“三型”)形式的另外的改进的滑动摆动式轴承。
三型具有带有第一主滑动表面10的第一滑动板1、带有第二主滑动表面20的第二滑动板2以及滑动件3和不同的滑动元件4。类似于具有连接部的双型,三型的滑动件3也具有第一滑动件部分3a和第二滑动件部分3b。
与具有连接部的双型相比,三型的两个滑动件部分3a和3b彼此未直接接触,而是通过其他的滑动件部分3c和3d以及对应的滑动元件4a联接。另外两个滑动件部分3c和3d通过与具有连接部的双型的铰接滑动件类似的铰接球形表面联接。
在三型的情况下,滑动摆动式轴承的主要隔离效果也出现在主滑动表面10和20上,使得主滑动表面10和20的尺寸基于具有连接部的双型的两个主滑动表面10和20的尺寸。
如以上参照图1E已经描述的,以上所描述的已知的滑动摆动式轴承(单型和没有连接部的双型)都具有取决于峰值地面加速度的非线性隔离行为。这不能被呈具有连接部的双型的形式的现有技术的改进方案所吸收;三型在非常小至中间峰值地面加速度的范围、但不在中间至最大峰值地面加速度的范围内产生几乎线性的行为。
这导致的问题是,对应的滑动摆动式轴承必须被优化以用于某些峰值地面加速度值,但是滑动摆动式轴承的隔离行为在与用于优化的值不对应的峰值地面加速度值处相对较差。特别地,优化成用于针对最大可信地震的峰值地面加速度值的设计基本地震的滑动摆动式轴承的摩擦系数一方面导致相对较差的隔离效果,并且另一方面导致相对较大的轴承运动,使得轴承会大并且因此昂贵。
因此,本发明的目的是提供滑动摆动式轴承以及确定这种滑动摆动式轴承的尺寸的方法,借助于此,在操作期间由滑动摆动式轴承隔离的结构上所产生的载荷比在具有常规已知的滑动摆动式轴承的结构上所产生的载荷小。
该目的通过根据权利要求1的滑动摆动式轴承和根据权利要求12的尺寸确定方法来解决。本发明的有利的另外的改进方案由从属权利要求2至11以及权利要求13至15产生。
根据本发明的滑动摆动式轴承的特征在于,第一滑动板的第一主滑动表面设计成用于第一载荷情况,并且第二滑动板的第二主滑动表面设计成用于第二载荷情况,由此,第一载荷情况与第二载荷情况不同。
此处,术语“载荷情况”特别指的是对应的地震的特定峰值地面加速度。
两个主滑动表面的与用于不同载荷情况的有效半径和摩擦系数有关的设计确保了下述内容:滑动摆动式轴承的用于达到最大可信地震的峰值地面加速度值的所有峰值地面加速度的隔离行为比被设计成用于仅一个特定的载荷情况的整个滑动摆动式轴承——如现有技术的滑动摆动式轴承的情况——的行为更接近具有优化的粘性阻尼的滑动摆动式轴承的行为。这使得即使在峰值地面加速度超过用于滑动摆动式轴承的设计基本地震的假定峰值地面加速度值时也可以获得显著改善的隔离行为,而不会不成比例地增加最大轴承运动。
有利地,第一主滑动表面设计成用于具有用于峰值地面加速度的值的第一载荷情况,该峰值地面加速度的值至多对应于最大可信地震的峰值地面加速度值并且至少对应于设计基本地震的峰值地面加速度值。这使得滑动摆动式轴承在地震——该地震的峰值地面加速度值大于设计基本地震的峰值地面加速度值——中具有明显更好的隔离行为,与常规的轴承相比,滑动摆动式轴承显著降低了结构在这些峰值地面加速度值下的潜在损坏。除此之外,这在具有高于设计基本地震的峰值地面加速度值的峰值地面加速度的地震之后节约了修复结构时的成本。
第二主滑动表面可以设计成用于第二载荷情况,其中,峰值地面加速度值小于或等于设计基本地震的峰值地面加速度值。与常规的单型或双型相比,这使得可以改善用于下述地震的滑动摆动式轴承对地震的隔离效果:该地震的峰值地面加速度值低于设计基本地震的峰值地面加速度值。以这种方式,可以通过具有低峰值地面加速度值的地震来减轻对应的结构上的应力。因此,可以显著减少或者甚至避免由具有低峰值地面加速度值的地震造成的结构上的疲劳迹象的出现。
还有用的是,两个主滑动表面的摩擦系数中的较低摩擦系数、特别是且通常是第二主滑动表面的摩擦系数大到使得保证了滑动摆动式轴承的预定的最小剪切阻力。此处,最小剪切阻力指的是需要某个最小激励来便使滑动摆动式轴承启动,即,使滑动件沿着滑动摆动式轴承的两个主滑动表面中的至少一个主滑动表面移动。通过保证预定的最小剪切阻力,还减小了滑动摆动式轴承的磨损,因为即使是最轻微的结构的激励也不会导致滑动摆动式轴承中的轴承运动。这特别有利的是,由滑动摆动式轴承隔离的结构已经被设计成承受具有仅很小的峰值地面加速度值而不会造成损坏或过度疲劳的地震。
实际上,两个主滑动表面还在其几何形状和/或其摩擦行为方面彼此匹配成使得所产生的绝对结构加速度作为达到最大可信地震的峰值地面加速度值的峰值地面加速度的函数的曲线具有大致线性的轨迹。主滑动表面的几何形状指的是例如主滑动表面的有效的曲率半径,而摩擦行为例如由相应主滑动表面的摩擦系数确定。由于所产生的绝对结构加速度作为峰值地面加速度的函数的曲线的线性度,因此可以使滑动摆动式轴承的隔离行为甚至更接近具有优化的粘性阻尼的滑动摆动式轴承的隔离行为,并且因此与常规已知的滑动轴承相比改善滑动摆动式轴承的隔离行为,常规已知的滑动轴承表现出绝对结构加速度作为峰值地面加速度的函数的非线性曲线。
特别地,两个主滑动表面的几何形状和/或摩擦行为可以彼此匹配成使得所产生的绝对结构加速度作为峰值地面加速度的函数的曲线具有下述轨迹:该轨迹比常规的滑动摆动式轴承的所产生的绝对结构加速度的轨迹更接近具有优化的粘性阻尼的滑动摆动式轴承的所产生的绝对结构加速度的轨迹。这特别示出为以下事实:对于达到最大可信地震的峰值地面加速度值的峰值地面加速度而言,用于所产生的绝对结构加速度的值平均小于用于常规已知的滑动轴承的值,或者更接近用于具有优化的粘性阻尼的滑动摆动式轴承的对应的值。因此,在相关的峰值地面加速度值的整个范围内,滑动摆动式轴承比常规的滑动摆动式轴承更理想地接近具有优化的粘性阻尼的滑动摆动式轴承,并且因此比常规的滑动摆动式轴承更接近理想的隔离效果的轨迹。
还有利的是,两个主滑动表面的几何形状和/或摩擦行为彼此匹配成使得在第二载荷的情况下、即具有较小峰值地面加速度的情况下,滑动件沿着第二主滑动表面的滑动路径显著大于滑动件沿着第一主滑动表面的滑动路径或者与滑动件沿着第一主滑动表面的滑动路径大约相同,并且在第一载荷的情况下、即具有大于最大峰值地面加速度的情况下,滑动件沿着第一主滑动表面的滑动路径大于或小于滑动件沿着第二主滑动表面的滑动路径。该设计使得可以将两个主滑动表面的效果彼此分开。该设计还使得例如可以减小移位能力,并且因此减小整个滑动摆动式轴承的尺寸,这稍微降低了根据本发明的轴承的最大可能的隔离效果但是相比于使用常规的单型或双型而言仍然导致了更好的隔离效果。为了清楚地将两个主滑动表面的效果开并且为了使轴承移位能力最小,可以在一个主滑动表面上使用限制环。明确指出的是,该限制环不限制轴承的总移位能力。
有利的是,第一主滑动表面具有第一有效的曲率半径Reff,1并且第二主滑动表面具有第二有效的曲率半径Reff,2,其中,Reff,1和Reff,2的总和是具有仅一个弯曲的主滑动表面的滑动摆动式轴承的有效的曲率半径的至少1.4倍。
优选地,Reff,1和Reff,2的总和在具有仅一个弯曲的主滑动表面的滑动摆动式轴承的有效的曲率半径的1.4倍至2倍的范围内。
还优选的是,Reff,1和Reff,2的总和大于具有仅一个弯曲的主滑动表面的滑动摆动式轴承的有效的曲率半径的2倍。此处,优选的是,滑动摆动式轴承的移位能力不大于具有仅一个弯曲的主滑动表面的滑动摆动式轴承的移位能力或者双型的具有两个相同的弯曲的主滑动表面的滑动摆动式轴承的移位能力,其有效的曲率半径大约为结构的以秒为单位的期望隔离周期持续时间TISO的平方的0.2485倍,该结构待使用具有仅一个弯曲的主滑动表面或两个相同的弯曲的主滑动表面(单型或双型)的滑动摆动式轴承进行保护。
优选地,第一主滑动表面具有第一有效的曲率半径Reff,1并且第二主滑动表面(20)具有第二有效的曲率半径Reff,2,其中,Reff,1和Reff,2各自相当于具有仅一个弯曲的主滑动表面的滑动摆动式轴承的有效的曲率半径的至少0.7倍。
还优选地,Reff,1和Reff,2各自大于具有仅一个弯曲的主滑动表面的滑动摆动式轴承的有效的曲率半径的0.7倍。
特别有利的是,第一主滑动表面具有第一有效的曲率半径Reff,1,该第一有效的曲率半径Reff,1与用于具有仅一个弯曲的主滑动表面的滑动摆动式轴承的有效的曲率半径大约一样大,并且第二主滑动表面具有第二有效的曲率半径Reff,2,该第二有效的曲率半径Reff,2在第一有效的曲率半径Reff,1的从0.75倍至2倍的范围内、且特别是在从0.90倍至1.5倍的范围内、并且特别优选地等于第一有效的曲率半径Reff,1。该构型可以从单型开始通过调节第二主滑动表面的曲率半径来容易地实现,但该构型与已经如上所描述的没有连接部的对应的双型的构型不同,在双型中,两个主滑动表面的有效的曲率半径的总和仅对应于单型的第一主滑动表面的有效的曲率半径,并且而非第一主滑动表面的曲率半径对应于单型的第一主滑动表面的有效的曲率半径。与强度有关以及因此与所产生的根据本发明的滑动轴承的几何形状和制造有关的设计被显著简化,因为例如可以使用两个相同的滑动板,这在滑动轴承的强度设计期间和在滑动轴承的制造期间都节省了相当大的成本。
还有意义的是,第一主滑动表面的以米为单位的第一有效的曲率半径Reff,1大约对应于由滑动摆动式轴承保护的结构的以秒为单位的期望隔离周期持续时间TISO的平方的0.25倍。隔离周期持续时间TISO是具有滑动摆动式轴承的结构的振动周期。确定第一主滑动表面的第一有效的曲率半径Reff,1的尺寸使得对于峰值地面加速度而言,结构的因第一主滑动表面而产生隔离效果特别有利地大于设计基本地震的隔离效果。
还有意义的是,第一主滑动表面具有用于与滑动件摩擦的第一摩擦系数μ1,该第一摩擦系数μ1与用于具有仅一个弯曲的主滑动表面的滑动摆动式轴承的摩擦系数大约一样大,并且第二主滑动表面具有用于与滑动件摩擦的第二摩擦系数μ2,该第二摩擦系数μ2在润滑摩擦的范围内、并且特别地具有介于0.2%与2.0%之间的值、优选地介于0.4%与1.5%之间、并且特别优选地介于0.6%与1.25%之间。这种有利的设计确保了第二主滑动表面确保滑动摆动式轴承的良好的隔离特性,尤其是在仅具有小振幅的地震的情况下。
还有利地,第一主滑动表面具有用于与滑动件摩擦的第一摩擦系数μ1,该第一摩擦系数μ1与用于具有仅一个弯曲的主滑动表面的滑动摆动式轴承的摩擦系数大约一样大,并且第二主滑动表面具有小于μ1的第二摩擦系数μ2,并且当第二主滑动表面被润滑时该第二摩擦系数μ2在从约0.2%至1.7%的范围内,且当第二主滑动表面不被润滑时该第二摩擦系数μ2在从约2%至3.5%的范围内。这确保了最小剪切阻力。
有利地,第二主滑动表面具有用于限制滑动件在第二主滑动表面上的移位能力的限制装置。特别地,限制装置设计为环形抵接件。通过在第二主滑动表面或第二滑动板上设置这种限制装置,可以将用于滑动件在第二主滑动表面上的移位能力以上的偏移幅值的第一主滑动表面的效果与第二主滑动表面的效果分开。这允许限制滑动件在第二主滑动表面上的移位能力,特别是在大地震激励力的情况下,使得相比于没有设置限制装置的情况滑动轴承的结构尺寸可以更小。
特别有利的是,限制装置设计成使得滑动件在第二主滑动表面上的移位能力D2大体上小于或等于滑动件在第一主滑动表面上的移位能力D1。因此,对应的滑动摆动式轴承的尺寸基本上由滑动件在第一主滑动表面上的移位能力确定,使得滑动摆动式轴承可以设计成使其尺寸类似于对应的单型的尺寸。
此外,特别优选的是,滑动件在第二主滑动表面上的移位能力D2被限制为滑动件在第一主滑动表面上的移位能力D1的0.8倍并且优选地为0.5倍。这种对滑动件在第二主滑动表面上的移动能力的进一步限制使得可以避免过度的总轴承运动——总轴承运动由第一主滑动表面上的轴承运动和第二主滑动表面上的轴承运动的总和产生——并且因此节约了安装空间和制造成本。
滑动件在第二主滑动表面上的移位能力D2优选地在滑动件在第一主滑动表面上的D1的值的1.0倍至0.25倍的范围内、优选地在1.0倍至0.7倍的范围内。
最后,有意义的是,滑动件在第二主滑动表面上的移位能力是滑动件在第一主滑动表面上的移位能力的至少0.1倍、并且特别是至少0.2倍。这种对滑动件在第二主滑动表面上的移位能力的最小要求确保了第二主滑动表面至少在一定的偏移范围内可以发挥其效果,并且因此也能够充分地影响整个滑动摆动式轴承的隔离行为。
最后,限制装置优选地设计成使得滑动摆动式轴承的总移位能力基本上限于具有仅一个主滑动表面的滑动摆动式轴承的移动能力的尺寸。此外,限制装置优选地设计成使得滑动摆动式轴承的总移位能力至多与具有仅一个主滑动表面的滑动摆动式轴承的移动能力大小相同并且优选地小于具有仅一个主滑动表面的滑动摆动式轴承的移动能力或者与具有两个相同的弯曲形状的主滑动表面的滑动摆动式轴承(以双型的方式)的移位能力大小相同。这确保了所形成的最终滑动摆动式轴承不大于对应的单型,并且因此可以容易地被用于替代例如现有的单型滑动摆动式轴承而无需进一步的结构调整。
有意地,滑动件具有两个滑动件部分,所述两个滑动件部分通过弯曲的滑动表面彼此表面接触。第一滑动部分与第一主滑动表面接触而第二滑动部分与第二主滑动表面接触。滑动件到两个滑动件部分的这种细分以及辅助滑动表面的提供使得可以确保滑动件的对应的滑动表面与两个主滑动表面接触而与两个主滑动表面上的运动无关,因此使沿着两个主滑动表面的移动分离。因此,滑动件与滑动件部分一起表示为连接部,该连接部优选地能够使两个滑动表面或滑动板上的滑动路径分离。该滑动摆动式轴承的特别优选的实施方式在两个主滑动表面上具有不同的滑动路径、不同的摩擦系数和不同的有效半径。
特别有利的是,滑动件的辅助滑动表面的摩擦特性使得两个滑动件部分之间的第三摩擦系数μ3尽可能小,该第三摩擦系数μ3优选地大体上小于第一摩擦系数μ1,并且特别地具有小于约2.0%的值(μ2的润滑摩擦的上限值)、优选地为小于1.5%的值、并且特别优选地为从0.6%至1.25%的范围内的值。滑动件的辅助滑动表面的摩擦系数的这种特别选择确保了辅助滑动表面提供了滑动摆动式轴承的必要旋转而不会影响滑动摆动式轴承的隔离行为。
最后但并非最不重要的,可取的是,滑动摆动式轴承的主滑动表面的曲率半径和摩擦特性被设定成使得滑动摆动式轴承的返回中心误差的最大值为30%、特别地最大值为20%、并且尤其优选的最大值为10%。这确保了滑动摆动式轴承的隔离效果将表现出与滑动摆动式轴承的即使在滑动摆动式轴承的先前启动之后的隔离特性相似的隔离特性。这确保了滑动摆动式轴承在几次启动时都具有大致相似的隔离效果,并且滑动摆动式轴承的先前启动不会不利地影响滑动摆动式轴承的超过可接受的水平的隔离行为。
根据本发明的用于确定对应的滑动摆动式轴承的尺寸的方法的特征在于,第一滑动板的第一主滑动表面设计成用于第一载荷情况并且第二滑动板的第二主滑动表面设计成用于与第一载荷情况不同的第二载荷情况。所产生的滑动摆动式轴承具有优于常规的滑动摆动式轴承的优点,该优点是所产生的滑动摆动式轴承的隔离行为被改善成不仅能用于设计基本地震的峰值地面加速度值而且能用于超过该峰值地面加速度值的峰值地面加速度值。
有利地,滑动件具有两个滑动件部分,所述两个滑动件部分通过弯曲的辅助滑动表面彼此表面接触,其中,第一滑动件部分与第一主滑动表面接触并且第二滑动件部分与第二主滑动表面接触。这种因此形成的连接部优选地能够使两个滑动表面或滑动板处的滑动路径分离。尺寸确定方法的特别优选的实施方式使得滑动摆动式轴承在两个主滑动表面上具有不同的滑动路径、不同的摩擦系数和不同的有效半径。
有利的是,第一主滑动表面设计成用于具有用于峰值地面加速度的值的载荷情况,该峰值地面加速度的值至多对应于最大可信地震的峰值地面加速度值并且至少对应于设计基本地震的峰值地面加速度值。这确保了即使在具有介于用于设计基本地震与最大可信地震的对应的值之间的峰值地面加速度值的地震的情况下,对应地设计的滑动摆动式轴承仍表现出改进的隔离行为并且因此可以在很大程度上抑制由这种地震在设想的结构上引起的载荷。
有意义的是将第二主滑动表面设计成用于第二载荷情况,该第二载荷情况具有下述用于峰值地面加速度的值:该用于峰值地面加速度的值小于或等于设计基本地震的峰值地面加速度值。除此之外,这使得可以抑制由仅具有小的峰值地面加速度值的反复发生的地震所引起的损坏,这最终可以特别地以疲劳现象的形式出现。
此外,两个主滑动表面中的一个主滑动表面的摩擦系数中的至少较低的摩擦系数、特别是第二主滑动表面的摩擦系数可以被选择成使得确保滑动摆动式轴承的预定的最小剪切阻力。这使得可以避免滑动摆动式轴承在弱地震的情况下的启动并且因此避免滑动摆动式轴承的过度磨损。如以上已经描述的,似乎特别有利的是,对应的结构已经设计成承受这种弱地震而不会造成主要的损坏,并且滑动摆动式轴承主要用作防止具有明显更大激励的地震。这也可以明显降低滑动摆动式轴承的维护成本。
此外,有意义的是,两个主滑动表面的几何形状和/或摩擦行为匹配成使得在达到最大可信地震的峰值地面加速度值时,所产生的绝对结构加速度作为峰值地面加速度的函数的曲线具有大致线性的轨迹。所产生的绝对结构加速度与峰值地面加速度相比的线性轨迹接近所产生的绝对结构加速度作为具有优化的粘性阻尼的滑动摆动式轴承的峰值地面加速度的函数的的轨迹并且因此接近理想的轨迹。因此,一方面可以容易地估计所设计的滑动摆动式轴承的行为,并且另一方面所设计的滑动摆动式轴承的行为被优化成具有优化的粘性阻尼的滑动摆动式轴承的理想轨迹。
有利的是,两个主滑动表面的几何形状和/或摩擦行为彼此匹配成使得所产生的绝对结构加速度作为峰值地面加速度的函数的曲线示出了下述曲线:该曲线比常规滑动摆动式轴承的所产生的绝对结构加速度的曲线更接近具有优化的粘性阻尼的滑动摆动式轴承的所产生的绝对结构加速度的曲线。这种尺寸的滑动摆动式轴承在其隔离行为方面比常规已知的轴承更接近具有最佳粘性阻尼的滑动摆动式轴承的理想隔离行为,并且因此特别地关于相关峰值地面加速度表现出总体改进的隔离行为。
此外,有意义的是,两个主滑动表面的几何形状和/或摩擦行为匹配成使得在第二载荷的情况下、即较小峰值地面加速度值的情况下,滑动件沿着第二主滑动表面的滑动路径明显大于滑动件沿着第一主滑动表面的滑动路径或与滑动件沿着第一主滑动表面的滑动路径大约相同,并且在第一载荷的情况下、即较大峰值地面加速度值的情况下,滑动件沿着第一主滑动表面的滑动路径大于或小于滑动件沿着第二主滑动表面的滑动路径。如以上已经指出的,第一主滑动表面的隔离效果因此可以与第二主滑动表面的效果分开,尤其是在大地震激励力的情况下,以便能够更好地适应滑动摆动式轴承的总体隔离行为并且还可以减小用于滑动摆动式轴承所需要的安装空间。
有利地,在尺寸确定方法的第一步骤中,在假设滑动摆动式轴承(5)具有仅一个单个主滑动表面的情况下,确定用于第一主滑动表面(10)的第一有效的曲率半径Reff,1和第一摩擦值μ1,并且选择用于第二主滑动表面(20)的第二有效的曲率半径Reff,2,该第二有效的曲率半径Reff,2被选择成在第一主滑动表面(10)的曲率半径的从0.75倍至2倍的范围内、优选地在从0.75倍至1.5倍的范围内,并且选择用于第二主滑动表面(20)的第二摩擦系数μ2,该第二摩擦系数μ2被选择成在0.2%至2.0%之间、优选地在0.4%至1.5%之间且更优选地在0.6%至1.25%之间(在润滑摩擦的范围内),或者该第二摩擦系数μ2小于或等于第一有效摩擦系数μ1,以便确保预定的最小剪切阻力。第二摩擦系数μ2可以比第一摩擦系数μ1小至少0.75倍或仅小于或等于第一摩擦系数μ1,由此确保预定的最小剪切阻力。这使得即使在峰值地面加速度低于设计基本地震的峰值地面加速度值时,仍可以获得与常规滑动摆动式轴承相比表现出改善的隔离行为的滑动摆动式轴承。
优选地,选择用于第二主滑动表面的第二有效的曲率半径Reff,2,该第二有效的曲率半径Reff,2大体上等于第一有效的曲率半径Reff,1。
优选地,选择用于Reff,1和Reff,2的至少0.7倍的具有仅一个弯曲的主滑动表面的假定滑动摆动式轴承的有效的曲率半径。
优选地,Reff,1和Reff,2各自被选择成大于具有仅一个弯曲的主滑动表面的假定滑动摆动式轴承的有效的曲率半径的0.7倍。
优选地选择用于第二主滑动表面的第二摩擦系数μ2,该摩擦系数μ2在被润滑的第二主滑动表面的情况下为介于0.2%与2.0%之间、优选地介于0.4%与1.5%之间并且更优选地介于0.6%与1.25%之间,并且该摩擦系数μ2被应用以使得在未被润滑的第二主滑动表面的情况下确保预定的最小剪切阻力,其中,摩擦系数μ2小于摩擦系数μ1。
进一步来说,在尺寸确定方法的第二步骤中,借助于具有滑动摆动式轴承的结构的非线性动态模拟,考虑两个主滑动表面,对于至少一个峰值地面加速度值而言、但特别是对于从非常小的值达到最大可信地震的峰值地面加速度值的所有预期的峰值地面加速度值而言,第一主滑动表面的摩擦特性和第二主滑动表面的几何特性可以彼此匹配成使得最大绝对结构加速度和/或最大轴承运动的行为——该行为与峰值地面加速度的轨迹尽可能成比例——获得的值小于主滑动表面彼此匹配之前的值。因此,从设计过程的第一步骤获得的滑动摆动式轴承的隔离行为可以被进一步修整成具有优化的粘性阻尼的滑动摆动式轴承的最佳行为。
在尺寸确定方法中应该优选地遵守以下规则:μ2小于μ1并且D2小于或等于D1。
特别有利的是,第一有效的曲率半径Reff,1和第二摩擦系数μ2在设计过程的第二步骤期间保持恒定。这使得一方面可以通过限制可调参数来促进两个主滑动表面彼此匹配,并且另一方面确保了滑动摆动式轴承不用完全重新设计并且因此不再满足开始时规定的条件。
在尺寸确定方法的第三步骤中,确定并且规定用于滑动摆动式轴承的设计的在第二步骤中被确定为最佳的滑动件在滑动摆动式轴承的第一主滑动表面上的所需的最大移位能力D1。最后,该步骤限制了滑动摆动式轴承的与第一主滑动表面相关的所需的安装空间,这对于检查所设计的滑动摆动式轴承的尺寸以及必要时调整滑动摆动式轴承而言是有利的。
还有利的是,在设计过程的第二步骤中,假设了用于润滑摩擦的第二摩擦系数μ2的典型值,特别地为介于0.2%与2%之间的值、优选地为介于0.2%与1.7%之间的值、优选地为介于0.4%与1.5%之间并且尤其优选地为介于0.5%至1.0%之间的值。这种设计要求确保了对应的滑动摆动式轴承可以保证充分的隔离,尤其是在具有低峰值地面加速度的小地震的情况下。这最主要用来保护建筑物免受由弱的但经常发生的地震刺激所引起的疲劳或损坏。
有利地,在尺寸确定方法的第四步骤中,滑动件在第二主滑动表面上的第二移位能力D2被设定成小于或等于滑动件在第一主滑动表面上的第一移位能力D1的值。这使得可以通过第一主滑动表面的尺寸来限制滑动摆动式轴承的尺寸,并且因此确保可用的安装空间的有效使用。
最后,有利的是,在尺寸确定方法的第一步骤中,使用根据DIN EN15129:2010的线性响应谱方法来确定第一有效的曲率半径Reff,1和第一摩擦系数μ1。一方面,这具有以下优点:该确定过程已经是已知的并且经过充分测试,这意味着不必开发新的确定过程。此外,这至少部分地确保了所设计的滑动摆动式轴承与根据标准设计的其他滑动摆动式轴承的可比性。
在下文中,使用附图对本发明的有利的实施方式进行描述。在附图中:
图2示意性地示出了与根据本发明的滑动摆动式轴承的第一有利的实施方式对应的滑动摆动式轴承的设计;
图3示意性地示出了与根据本发明的滑动摆动式轴承的第二有利的实施方式对应的滑动摆动式轴承的设计;
图4A示意性地示出了下述曲线图,在该曲线图中,在结构中出现的最大绝对加速度被示出为根据尺寸确定方法的第一实施方式设计的滑动摆动式轴承(参见:用于“MAURER自适应摆动式”的曲线)的峰值地面加速度(PGA)的函数的轨迹与已经已知的可比较的轴承(参见:用于“摩擦摆动式”和“具有优化的粘性阻尼的摆动式”的曲线)相比较;
图4B示意性地示出了下述曲线图,在该曲线图中,最大水平轴承力(“轴承力的最大值”)作为根据尺寸确定方法的第一实施方式设计的滑动摆动式轴承(参见:用于“MAURER自适应摆动式”的曲线)的峰值地面加速度(“PGA”)的函数的轨迹与已经已知的可比较的轴承(参见:用于“摩擦摆动式”和“具有优化的粘性阻尼的摆动式”的曲线)相比较;
图4C示意性地示出了下述曲线图,在该曲线图中,最大总轴承位移作为根据尺寸确定方法的第一实施方式设计的滑动摆动式轴承(参见:用于“MAURER自适应摆动式”的曲线)的峰值地面加速度(“PGA”)的函数的轨迹与已经已知的可比较的轴承(参见:用于“摩擦摆动式”和“具有优化的粘性阻尼的摆动式”的曲线)相比较;
图4D示意性地示出了下述曲线图,在该曲线图中,剩余总轴承位移作为根据尺寸确定方法的第一实施方式设计的滑动摆动式轴承(参见:用于“MAURER自适应摆动式”的曲线)的峰值地面加速度(“PGA”)的函数的轨迹与已经已知的可比较的轴承(参见:用于“摩擦摆动式”和“具有优化的粘性阻尼的摆动式”的曲线)相比较;
图5A示意性地示出了下述曲线图,在该曲线图中,在结构中出现的最大绝对加速度(“绝对加速度的最大值”)作为根据尺寸确定方法的第二实施方式设计的滑动摆动式轴承(参见:用于“MAURER自适应摆动式”的曲线)的峰值地面加速度(“PGA”)的函数的轨迹与已经已知的可比较的轴承(参见:“摩擦摆动式”的曲线)相比较;
图5B示意性地示出了下述曲线图,在该曲线图中,最大水平轴承力(“轴承力的最大值”)作为根据尺寸确定方法的第二实施方式设计的滑动摆动式轴承(参见:用于“MAURER自适应摆动式”的曲线)的峰值地面加速度(“PGA”)的函数的轨迹与已经已知的可比较的轴承(参见:用于“摩擦摆动式”的曲线)相比较;
图5C示意性地示出了下述曲线图,在该曲线图中,出现的最大发生轴承位移(“总轴承位移的最大值”)作为根据尺寸确定方法的第二实施方式设计的滑动摆动式轴承(参见:用于“MAURER自适应摆动式”的曲线)的峰值地面加速度(“PGA”)的函数的轨迹与已经已知的可比较的轴承(参见:用于“摩擦摆动式”的曲线)相比较;
图5D示意性地示出了下述曲线图,在该曲线图中,返回中心误差(“剩余总轴承位移”)作为根据尺寸确定方法的第二实施方式设计的滑动摆动式轴承(参见:用于“MAURER自适应摆动式”的曲线)的峰值地面加速度(“PGA”)的函数的轨迹与已经已知的可比较的轴承(参见:用于“摩擦摆动式”的曲线)相比较。
图2和图3示出了与本发明的特别有利的实施方式对应的滑动摆动式轴承5的示意性结构。类似于以上参照图1C所描述的具有连接部的双型,所示出的滑动摆动式轴承5包括具有第一主滑动表面10的第一滑动板1、具有第二主滑动表面20的第二滑动板2、被分成两个滑动件部分3a和3b的滑动件3以及各种滑动元件4和4a。第一滑动件部分3a通过滑动元件4与第一滑动板1的第一主滑动表面10表面接触,而第二滑动件部分3b通过另一滑动元件4与第二滑动板2的第二主滑动表面20表面接触。两个滑动件部分3a和3b通过滑动元件4a彼此表面接触。图3中所示出的设计示例与图2中所示出的设计示例之间的唯一区别在于图3中所示出的滑动摆动式轴承5具有位于第二滑动板2上的限制装置6,该限制装置6限制滑动件3在第二主滑动表面20上的移位能力,并且该限制装置6在此处特别被设计为限制环。
就此而言,应当清楚的是,限制装置6对于某些载荷情况是特别有利的,但对于形成根据本发明的滑动摆动式轴承而言不是必要的。还必须清楚的是,限制装置6不限制轴承的总移位能力,因为限制装置6将两个主滑动表面中的一个主滑动表面处的最大运动限制到最大值。
如以上已经描述的,滑动摆动式轴承5的主滑动表面10和20的有效的曲率半径的总和对应于具有连接部的双型滑动摆动式轴承的第一主滑动表面10的有效的曲率半径。此外,具有铰接件的双型的两个主滑动表面10和20的摩擦系数彼此相同。这意味着具有连接部的双型的两个主滑动表面10和20在结构上是相同的,并且因此两个主滑动表面10和20均设计成用于相同的载荷情况。这用来在两个主滑动表面10和20之间均匀地划分滑动摆动式轴承中出现的轴承运动,结果是水平安装空间为单型所需的水平安装空间的大约一半。
相比之下,图2和图3中所示出的滑动摆动式轴承5具有设计成用于两种不同载荷情况的主滑动表面10和20。与具有连接部的双型相比,这意味着两个主滑动表面10和20至少在它们的曲率半径和/或它们的摩擦系数方面彼此不同。
在图2和图3中所示出的示例性实施方式中,第一主滑动表面10的曲率半径和摩擦系数基本上对应于对应的单型5的第一主滑动表面10的曲率半径和摩擦系数。因此,相应的第一主滑动表面的曲率半径几乎是对应的具有连接部的双型的第一主滑动表面的曲率半径的两倍大。此外,所示出的有利的示例性实施方式的形式5的相应第二主滑动表面20具有下述有效的曲率半径:该有效的曲率半径基本上对应于第一主滑动表面10的有效的曲率半径并且因此是对应的具有连接部的双型的第二主滑动表面20的曲率半径的两倍大。相应的第二主滑动表面20的摩擦系数也显著地小于相应的第一主滑动表面10的摩擦系数,并且处于润滑摩擦的范围内,即在从0.2%至2%的范围内,此处例如为1.0%。
因此,图2和图3中所描绘的滑动摆动式轴承5与从现有技术中已知的具有连接部的对应的双型的不同之处特别是关于相应的第一主滑动表面10和相应的第二主滑动表面20的曲率半径的值以及关于相应的第二主滑动表面20的摩擦系数。
相应的第一主滑动表面10设计成用于设计基本地震的峰值地面加速度值,而相应的第二主滑动表面20设计成用于比设计基本地震的峰值地面加速度值小的峰值地面加速度值。
如果现在激励图2和图3中示意性地示出的滑动销轴承5中的一个滑动销轴承5,则滑动件3将首先沿着相应的第二主滑动表面20在第二滑动板2上移动(例如向左),同时基本上保持其相对于相应的第一滑动板1的位置。
利用在主滑动表面20上具有限制装置6的滑动摆动式轴承5,大约发生以下情况(参见图3):一旦滑动件3到达限制装置6,滑动件就不能在该方向上(即向左)沿着滑动板2进一步移动,使得利用充分的激励强度现在实现了滑动件3沿着第一滑动板1的第一主滑动表面10的运动,直到到达激励的反转点。一旦达到激励的反转点并且激励在相反的方向上反转,则滑动件3首先沿着滑动板2的第二主滑动表面20(向右)移动达到限制装置6的另一侧部。一旦滑动件3再次到达限制装置6,则滑动件3相对于第二滑动板2的移动就不再可能。从那时起,剩余的激励被滑动件3沿着第一滑动板1的第一主滑动表面10的运动拦截。重复该游动直到不再发生激励,并且滑动件有利地使自身再次在两个滑动板2和1的相应中心或尽可能靠近两个滑动板2和1的相应中心对准。
利用在主滑动表面20上没有限制装置的滑动摆动式轴承5,大约发生以下情况(参见图2):一旦第二主滑动表面20上的摩擦力等于第一主滑动表面10的静止力,滑动件也将相对于第二主滑动表面20移动,该静止力是第二主滑动表面20上的摩擦力与来自主滑动表面20的曲率的斜率驱动力的总和。根据两个主滑动表面10和20的有效半径和摩擦系数的设计,这种运动状态也可以在具有限制环的滑动摆动式轴承5上发生。在这种情况下,滑动件将仅在稍后的时间点到达主滑动表面20的限制装置。具有限制装置的滑动摆动式轴承5与没有限制装置的滑动摆动式轴承5之间的主要区别在于,具有限制装置的滑动摆动式轴承5在最大可信地震处导致的最大轴承运动略微小于没有限制装置的滑动摆动式轴承5在最大可信地震处导致的最大轴承运动,但具有限制装置的滑动摆动式轴承5的隔离稍微有点不如没有限制装置的滑动摆动式轴承5的隔离好,但仍然显著地好于常规的单型或双型滑动摆动式轴承的隔离。
与根据本发明的轴承的轴承运动——这种轴承运动主要限于两个滑动板中的一个滑动板——相比,具有连接部的常规的双型将所出现的任何轴承运动均匀地贯穿分布在两个主滑动表面10和20上。这导致对于可能的地震的大多数可能的峰值地面加速度而言的较差的隔离行为。用于不同载荷情况的主滑动表面10和20的设计确保了对应的滑动摆动式轴承5不仅设计成用于峰值地面加速度值,而且用于大范围的可能峰值地面加速度值,并且因此表现出更接近具有优化的粘性阻尼的滑动摆动式轴承的且因此优于大范围的可能峰值地面加速度值的整体隔离行为。
在下文中,给出了用于对应的滑动摆动式轴承的尺寸确定方法的两个示例,并且将由此产生的滑动摆动式轴承与对应的常规的单型的滑动摆动式轴承进行比较。
首先,实现了基于对应的单型设计的滑动摆动式轴承的参数设计。根据下述公式从预期的隔离周期持续时间TISO计算第一主滑动表面的曲率半径Reff,1:
Reff,1=g×(TISO/2π)2
从该公式中获得的半径对应于对应的单型的第一主滑动表面的半径。
然后借助于具有优化到最小绝对结构加速度的动态模拟,在用于假设设计基本地震的峰值地面加速度值的单型的假设下确定用于具有半径Reff,1的第一主滑动表面的摩擦系数μ1。替代性地,用于第一主滑动表面的摩擦系数μ1也可以使用响应谱的线性方法来确定。现在第二主滑动表面的半径Reff,2选择成等于第一主滑动表面的半径Reff,1,并且第二主滑动表面的摩擦系数μ2设定成用于摩擦润滑的典型值。此外,针对最大可信地震计算了滑动件在第二主滑动表面上的最大移动能力。
这些步骤用于滑动摆动式轴承的参数的粗略设计,并且对于根据本发明在此所描述的设计方法的两个示例而言是相同的。
对于滑动摆动式轴承的主滑动表面的该第一设计而言,使用了用于单型滑动摆动式轴承的对应值。
在此处所示出的示例中,假设的是,设计基本地震的峰值地面加速度值为4m/s2,并且最大可信地震的峰值地面加速度值为6m/s2、即为设计基本地震的峰值地面加速度值的150%。此外,应当保持3.5秒的隔离周期持续时间。在峰值地面加速度下,用于最小绝对结构加速度为4m/s2的第一主滑动表面10的摩擦系数μ1的优化导致在本示例中摩擦系数为3.0%。第一主滑动表面10所需的d=0.3m的移动能力可以从最大可信地震的峰值地面加速度值的单型的移动能力来估计。
在滑动摆动式轴承的第一粗略设计之后,预期的主滑动表面必须彼此匹配成使得滑动摆动式轴承满足特定的边界条件。对于第一示例而言,目的是以最小绝对结构加速度实现几乎线性的隔离行为。
从第一设计开始,第二有效的曲率半径Reff,2首先被设定成等于第一有效的曲率半径Reff,1,并且第二摩擦系数μ2被设定润滑摩擦的值,该值在从0.2%至2%的范围内并且在该示例中为0.75%。
在该第一设计之后,第一主滑动表面的摩擦系数μ1、第二主滑动表面的有效半径Reff,2以及滑动件在第二主滑动表面上的移动能力D2是变化的,直到至少平均地在相关峰值板加速度值的整个范围以上为止,实现了最小可能的绝对结构加速度并且隔离行为尽可能是线性的。最后,确定滑动件在第一主滑动表面上所需的移动能力D1,这尤其是由最大可信地震的峰值地面加速度值产生的。
在本示例中,这种优化示出了第一主滑动表面的摩擦系数μ1为3.5%,两个主滑动表面的两个曲率半径Reff,1和Reff,2是相同的并且对应于对应的单型的曲率半径,第二主滑动表面的摩擦系数μ2为0.85%,并且滑动件在第二主滑动表面上的必要移动能力D2为0.130m。通过设置在滑动摆动式轴承中的限制装置,在结构上实现了对滑动件在第二主滑动表面上的移动能力的限制。
最后,图4A至图4D示出了曲线图,其中,将根据以上所描述的设计方法所设计的滑动摆动式轴承的行为与对应的单型和对应的具有优化的粘性阻尼的滑动摆动式轴承的行为进行比较。
图4A示出了绝对结构加速度作为峰值地面加速度(PGA)的函数。当将对应的曲线相互比较时,可以观察到的是,根据以上所描述的设计方法所获得的滑动摆动式轴承(参见:用于“Maurer自适应摆动式”的曲线)具有绝对结构加速度作为峰值地面加速度的函数的近似线性曲线。此外,用于绝对结构加速度的对应的值明显在对应的单型滑动摆动式轴承(参见:用于“摩擦摆动式”的曲线)的相应的值以下。此外,可以观察到的是,获得成用于根据该实施方式设计的滑动摆动式轴承的绝对结构加速度的值比用于对应的单型的相应值平均更接近具有优化的粘性阻尼的滑动摆动式轴承(参见:用于“具有优化的粘性阻尼的摆动式”的曲线)的值。因此,根据本发明的实施方式确定尺寸的滑动摆动式轴承比对应的单型具有更好的隔离行为,使得通过根据本发明确定尺寸的滑动摆动式轴承可以更好地抑制结构上的应力。
图4B示出了对应的轴承上所出现的最大水平轴承力作为峰值地面加速度的函数。对应的曲线非常类似于图3A中所示出的对应的曲线,使得以上参照图3A所获得的结果基本上也可以转至最大水平轴承力。
图4C中的曲线图示出了最大轴承运动作为用于对应的轴承的峰值轴承加速度值的函数。可以观察到的是,由根据本发明设计的轴承的最大可信地震引起的最大轴承运动显著地小于常规的单型或双型的滑动摆动式轴承的值。
图4D示出了用于以上所描述的轴承的返回中心误差作为峰值地面加速度的函数。从曲线图可以观察到的是,对于对应地设计的滑动摆动式轴承而言,产生了略微大于10%的返回中心误差、尤其是对于用于3m/s2的峰值地面加速度的值而言。因此,对于该峰值地面加速度值而言,根据本发明的本实施方式确定尺寸的滑动摆动式轴承的返回中心误差高于相应的单型或具有优化的粘性阻尼的滑动摆动式轴承。然而,返回中心误差不超过50%的极限值并且甚至远在该极限值以下。相对于最大绝对结构加速度、最大轴承力和最大轴承移动,通过以上所描述的根据本实施方式设计的滑动摆动式轴承的优化行为大体上补偿了这种增加的返回中心误差,并且返回中心误差远在50%的极限值以下,这意味着此处乐意接受相对不重要的劣化。
对于根据本发明的尺寸确定方法的第二设计示例而言,目的不是在低载荷下获得任何轴承运动以及对于具有较高峰值地面加速度值的载荷而言获得具有最小绝对结构加速度的近似线性行为。
从以上基于为单型的对应的滑动摆动式轴承所产生的值所描述的滑动摆动式轴承的第一设计开始,第二有效的曲率半径Reff,2被设定成等于第一有效的曲率半径Reff,1并且第二摩擦系数μ2被设定成值3.0%,以便保证所需的最小剪切阻力为轴承上的竖向载荷的3%(与以g表示的绝对加速度的3%相同)。
在对两个主滑动表面的特性进行协调的过程中,然后在边界条件下设计两个摩擦系数μ1和μ2、第二主滑动表面的曲率半径Reff,2以及滑动件在第二主滑动表面上的移动能力,该边界条件是滑动摆动式轴承不被触发达到一定的激励并且滑动摆动式轴承用以产生绝对结构加速度作为峰值地面加速度的函数的近似线性行为。这种优化也通过具有滑动摆动式轴承的结构的动态模拟来实现。
在目前的情况下,优化的结果示出了第一主滑动表面的摩擦系数μ1和第二主滑动表面的摩擦系数μ2必须是3%,同时第一主滑动表面和第二主滑动表面的有效半径Reff,1和Reff,2都等于对应的单型的有效半径。不需要限制滑动件在第二主滑动表面上的移动能力。
类似于图4A至图4D,图5A至图5D示出了最大绝对结构加速度、最大轴承力、最大轴承运动以及返回中心误差作为峰值地面加速度的函数。
如可以从图5A和图5B中的曲线图观察到,用于根据第二实施方式确定尺寸的滑动摆动式轴承(参见:“Maurer自适应摆动式”的曲线)的最大绝对结构加速度的值以及最大轴承力的值显著小于用于对应的单型的滑动摆动式轴承(参见:“摩擦摆动式”的曲线)的值。这意味着与对应的单型相比,根据第二实施方式设计的滑动摆动式轴承的隔离行为有了改善。
图5C中的曲线图示出了对于小峰值地面加速度值而言,根据第二设计示例确定尺寸的滑动摆动式轴承的出现的最大轴承运动基本上与对应的单型的最大轴承运动相同,但是实现了相当低的最大轴承运动,尤其是在具有较高值的峰值地面加速度的情况下。较小的轴承运动使得可以提供用于对应的滑动摆动式轴承的较小安装空间,并且因此,除了因较低的材料成本引起的减少制造滑动摆动型的成本之外,还确保了更有效地利用可使用的安装空间。
图5D中所示出的曲线图示出了关于最大绝对结构加速度和出现的最大轴承力的改进导致返回中心误差的增加。然而,对于所有相关峰值地面加速度值而言,出现的返回中心误差明显在50%的极限值以下,并且仅略微在用于对应的单型的滑动摆动式轴承的值以上。然而,通过滑动摆动式轴承的与最大绝对结构加速度和出现的最大轴承力有关的隔离行为的改善大体上补偿了这种在返回中心误差方面的略微增加。
当然,用于两个主滑动表面的调整或优化的其他设计要求也是可能的,这使得可以使所产生的滑动摆动式轴承比常规的滑动摆动式轴承显著更好地适用于大量不同的要求并且可以实现多个优点,比如更低的制造成本、更小的所需的安装空间以及更低的维护成本。
这产生了对于滑动摆动式轴承本身的设计和相应的尺寸确定方法两者而言的多种调整和优化的可能性。
附图标记列表
1:第一滑动板
2:第二滑动板
3:滑动件
3a、3b、3c、3d:滑动件部分
4、4a、4b:滑动元件
5:滑动摆动式轴承
10:第一主滑动表面
20:第二主滑动表面
Claims (15)
1.一种滑动摆动式轴承(5),所述滑动摆动式轴承(5)用于保护结构免受来自主要地水平地震激励的动态应力,所述滑动摆动式轴承(5)具有第一滑动板(1)、第二滑动板(2)和以可移动的方式布置在两个滑动板之间的滑动件(3),其中,所述两个滑动板中的每个滑动板具有弯曲的主滑动表面(10、20),并且所述滑动件(3)与所述第一滑动板(1)的第一主滑动表面(10)表面接触且与所述第二滑动板(2)的第二主滑动表面(20)表面接触,
其特征在于,
所述第一主滑动表面(10)设计成用于第一载荷情况且所述第二主滑动表面(20)设计成用于与所述第一载荷情况不同的第二载荷情况。
2.根据权利要求1所述的滑动摆动式轴承(5),
其特征在于,
所述第一主滑动表面(10)设计成用于具有用于峰值地面加速度的值(PGA值)的第一载荷情况,所述用于峰值地面加速度的值至多对应于最大可信地震(MCE)的峰值地面加速度值并且至少对应于设计基本地震(DBE)的峰值地面加速度值。
3.根据前述权利要求中的一项所述的滑动摆动式轴承(5),
其特征在于,
所述第一主滑动表面具有第一有效的曲率半径Reff,1并且所述第二主滑动表面具有第二有效的曲率半径Reff,2,其中,Reff,1和Reff,2的总和是具有仅一个弯曲的主滑动表面的滑动摆动式轴承的有效的曲率半径的至少1.4倍。
4.根据前述权利要求中的一项所述的滑动摆动式轴承(5),
其特征在于,
所述第一主滑动表面(10)具有第一有效的曲率半径Reff,1并且所述第二主滑动表面(20)具有第二有效的曲率半径Reff2,其中,Reff1和Reff2各自是具有仅一个弯曲的主滑动表面的滑动摆动式轴承的有效的曲率半径的至少0.7倍。
5.根据前述权利要求中的一项所述的滑动摆动式轴承(5),
其特征在于,
所述第一主滑动表面(10)具有第一有效的曲率半径Reff,1,所述第一有效的曲率半径Reff,1与用于具有仅一个弯曲的主滑动表面的滑动摆动式轴承的有效的曲率半径大约一样大,并且所述第二主滑动表面(20)具有第二有效的曲率半径Reff,2,所述第二有效的曲率半径Reff,2在所述第一有效的曲率半径Reff,1的从0.75倍至2倍的范围内、且特别是在从0.90倍至1.5倍的范围内、并且特别优选地等于所述第一有效的曲率半径Reff,1。
6.根据前述权利要求中的一项所述的滑动摆动式轴承(5),
其特征在于,
所述第一主滑动表面(10)的以米为单位的第一有效的曲率半径Reff,1大约对应于使用滑动摆动式轴承(5)被保护的所述结构的以秒为单位的期望隔离周期持续时间TISO的平方的0.25倍。
7.根据前述权利要求中的一项所述的滑动摆动式轴承(5),
其特征在于,
所述第一主滑动表面(10)具有用于与所述滑动件(3)摩擦的第一摩擦系数μ1,所述第一摩擦系数μ1与用于具有仅一个弯曲的主滑动表面的滑动摆动式轴承(5)的摩擦系数大约一样大,并且所述第二主滑动表面(20)具有小于μ1的第二摩擦系数μ2,并且当所述第二主滑动表面(20)被润滑时所述第二摩擦系数μ2在从约0.2%至1.7%的范围内且当所述第二主滑动表面(20)不被润滑时所述第二摩擦系数μ2在从约2%至3.5%的范围内。
8.根据前述权利要求中的一项所述的滑动摆动式轴承(5),
其特征在于,
所述第二主滑动表面(20)具有用于限制所述滑动件(3)在所述第二主滑动表面(20)上的移位能力的限制装置(6),其中,所述限制装置(6)特别地设计为环形抵接件,并且所述限制装置不限制所述轴承的总移位能力。
9.根据权利要求8所述的滑动摆动式轴承(5),
其特征在于,
所述限制装置(6)形成为使得所述滑动件(3)在所述第二主滑动表面(20)上的所述移位能力D2大体上小于或等于所述滑动件(3)在所述第一主滑动表面(10)上的移位能力D1。
10.根据前述权利要求中的一项所述的滑动摆动式轴承(5),
其特征在于,
所述滑动件(3)具有两个滑动件部分(3a、3b),所述两个滑动件部分(3a、3b)通过弯曲的辅助滑动表面彼此表面接触,其中,所述第一滑动件部分(3a)与所述第一主滑动表面(10)接触并且所述第二滑动件部分(3b)与所述第二主滑动表面(20)接触。
11.根据权利要求10所述的滑动摆动式轴承(5),
其特征在于,
所述滑动摆动式轴承(5)在两个主滑动表面上具有不同的滑动路径、不同的摩擦系数和不同的有效半径。
12.一种用于确定滑动摆动式轴承(5)的尺寸的方法,所述滑动摆动式轴承(5)用于保护结构免受来自主要地水平地震激励的动态应力,所述滑动摆动式轴承(5)至少具有第一滑动板(1)、第二滑动板(2)和以可移动的方式布置在两个滑动板(1、2)之间的滑动件(3),其中,所述两个滑动板(1、2)中的每个滑动板具有弯曲的主滑动表面(10、20),并且所述滑动件(3)与所述第一滑动板(1)的第一主滑动表面(10)表面接触且与所述第二滑动板(2)的第二主滑动表面(20)表面接触,
其特征在于,
所述第一主滑动表面(10)设计成用于第一载荷情况且所述第二主滑动表面(20)设计成用于与所述第一载荷情况不同的第二载荷情况。
13.根据权利要求12所述的尺寸确定方法,
其特征在于,
所述滑动件(3)具有两个滑动件部分(3a、3b),所述两个滑动件部分(3a、3b)通过弯曲的辅助滑动表面彼此表面接触,其中,所述第一滑动件部分(3a)与所述第一主滑动表面(10)接触并且所述第二滑动件部分(3b)与所述第二主滑动表面(20)接触。
14.根据权利要求12或13所述的尺寸确定方法,
其特征在于,
所述第一主滑动表面(10)设计成用于具有用于峰值地面加速度的值(PGA值)的第一载荷情况,所述用于峰值地面加速度的值至多对应于最大可信地震(MCE)的峰值地面加速度值并且至少对应于设计基本地震(DBE)的峰值地面加速度值。
15.根据权利要求12至14中的一项所述的尺寸确定方法,
其特征在于,
在第一步骤中,在假设所述滑动摆动式轴承(5)具有仅一个单个的主滑动表面的情况下,确定用于所述第一主滑动表面(10)的第一有效的曲率半径Reff,1和第一摩擦值μ1,并且选择用于所述第二主滑动表面(20)的第二有效的曲率半径Reff,2,该第二有效的曲率半径Reff,2被选择成在所述第一主滑动表面(10)的所述曲率半径的从0.75倍至2倍的范围内、优选地在从0.75倍至1.5倍的范围内,并且选择用于所述第二主滑动表面(20)的第二摩擦系数μ2,该第二摩擦系数μ2被选择成介于0.2%与2.0%之间、优选地介于0.4%与1.5%之间且更优选地介于0.6%与1.25%之间,或者所述第二摩擦系数μ2小于或等于所述第一有效摩擦系数μ1,以便确保预定的最小剪切阻力。
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