CN110820540A - 一种耗能的滚轴减隔震装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种耗能的滚轴减隔震装置。包括从上往下依次设置的顶座板、橡胶板、上座板、滚动单元和下座板；上座板包括面板、两块横向对称设置在面板下表面的一号限位挡板以及两块纵向对称设置在面板下表面的二号限位挡板；一号限位挡板和二号限位挡板形成一个矩形区域；滚动单元容纳在矩形区域中；上座板与下座板结构相同，上座板与下座板上下相对设置。本发明可以利用滚动单元滚轴的滚动延长结构的自振周期，利用卡榫的滞变有效消耗地震能量，在一定范围内限制上部结构和下部结构的相对位移，震后能实现完全自复位，而且卡榫条的更换较方便。
Description
技术领域
本发明涉及减隔震技术领域，具体涉及一种耗能的滚轴减隔震装置。
背景技术
目前结构上较为广泛应用的减隔震装置主要有流体粘滞阻尼器、弹塑性钢阻尼装置、铅芯橡胶支座、摩擦摆式隔震支座等。虽然以上几种减隔震装置被广泛应用于结构中，但是这几种减隔震装置或多或少都存在一定的问题。流体粘滞阻尼器和弹塑性钢阻尼装置能提供消耗地震能量和减小位移的阻尼，但不能单独使用，通常要和其他减隔震支座配合使用。铅芯橡胶支座主要靠铅芯变形吸收地震能量，依靠橡胶恢复变形，铅芯在生产的过程中对环境会造成无法弥补的污染，单根铅芯的稳定性差，在温度和交通荷载(低周疲劳)作用下铅芯会发生疲劳剪切破坏，在低温条件下橡胶存在硬化现象。摩擦摆式支座本质上是一种摩擦阻尼支座，依靠滑动摩擦延长结构的自振周期，通过摩擦和支座水平运动时结构的竖向抬升消耗地震能量，并且在结构自重的作用下，有一定的自复位能力，但一般的摩擦摆式支座在正常使用状态下会存在抬梁的问题，而且在地震作用下，可能出现一侧的限位装置被剪断，而另一侧的限位装置完好的情况，会导致上部结构始终在原来位置的一侧振动。
滚动隔震理念的出现早于以上几种减隔震装置，但是用于工程实际的滚动隔震装置比较少。早期出现的滚动减隔震装置由一系列相对的凹球面组成，滚球位于相对的凹面球面中，将上下相对的两凹球面分开，这种装置能有效延长结构的自振周期，震后能在重力的作用下自动复位。在上述滚球隔震装置的基础上发展的滚轴减隔震装置，其原理类似于滚球隔震装置，区别在于将滚球换成滚轴，将凹球面换成平面、V型面或者波浪形弧面。上述两类滚动隔震装置均不能有效消耗地震能量，并且没有有效的限位装置，上部结构在地震作用下会产生较大的位移，可能出现滚球或者滚轴滑出和滚轴绕竖向转动等“畸变”问题，不仅如此，一般的滚球隔震装置不能根据水平方向滑动的需要单向滑动。
综上所述，急需一种耗能的滚轴减隔震装置以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种耗能的滚轴减隔震装置，以解决现有减隔震技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种耗能的滚轴减隔震装置，包括从上往下依次设置的顶座板、橡胶板、上座板、滚动单元和下座板；上座板包括面板、两块横向对称设置在面板下表面的一号限位挡板以及两块纵向对称设置在面板下表面的二号限位挡板；一号限位挡板和二号限位挡板形成一个矩形区域；滚动单元容纳在矩形区域中；上座板与下座板结构相同，上座板与下座板上下相对设置；顶座板的下表面具有圆形凸台，上座板面板的上表面设有挡环，橡胶板、圆形凸台均容纳在挡环内，橡胶板一端与顶座板的圆形凸台接触，橡胶板另一端与上座板面板的上表面接触。
所述滚动单元包括上滚轴、滑块和下滚轴；多个上滚轴平行设置在滑块的上表面；多个下滚轴平行设置在滑块的下表面；上滚轴与下滚轴的轴线方向垂直。
优选地，所述矩形区域内的面板表面为滚动面；滚动面在沿一号限位挡板的长度方向上呈波浪线变化，在沿二号限位挡板的长度方向上无变化。
优选地，所述一号限位挡板外侧的面板表面开有一号齿槽，一号齿槽内设有相匹配的一号卡榫条，一号卡榫条的卡榫垂直于面板表面；一号齿槽内开有锚钉孔，锚钉锚于锚钉孔内，限制一号卡榫条沿二号限位挡板长度方向的位移。
优选地，所述二号限位挡板的外侧面开有二号齿槽，二号齿槽内设有相匹配的二号卡榫条，二号卡榫条的卡榫垂直于二号限位挡板的外侧面；二号齿槽内开有锚钉孔，锚钉锚于锚钉孔内，限制二号卡榫条的竖向位移。
优选地，所述上座板上的一号卡榫条与下座板上的二号卡榫条相互咬合，上座板上的二号卡榫条与下座板上的一号卡榫条相互咬合，相互咬合设置的卡榫之间最小净距大于设计地震下单个卡榫最大塑性变形的两倍。
优选地，所述面板上设有销钉，销钉位于一号限位挡板外侧，二号限位挡板上开有凹槽；上座板上的销钉伸入下座板二号限位挡板的凹槽内，或下座板上的销钉伸入上座板二号限位挡板的凹槽内；销钉直径小于或等于凹槽的宽度。
优选地，所述一号限位挡板的内侧设有与滚动面曲线变化相同的限位导轨，限位导轨与一号限位挡板之间留有间隙，限位导轨与滚动面连接。
优选地，所述上滚轴与下滚轴的结构相同，上滚轴或下滚轴的两端分别与一号限位挡板贴紧，上滚轴或下滚轴靠近端部处开有限位槽，限位槽与限位导轨相匹配。
优选地，所述挡环高度小于橡胶板厚度和圆形凸台的高度之和，挡环的内径大于圆形凸台的半径。
优选地，顶座板、面板、上滚轴、滑块、下滚轴和锚钉使用高强度结构用钢制作，销钉使用脆性材料制作，一号卡榫条和二号卡榫条使用滞变软钢制作。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明中，通过设置滚动单元，可以利用滚轴的滚动延长结构的自振周期，通过设置卡榫条结构，利用卡榫的滞变有效消耗地震能量，在一定范围内限制上部结构和下部结构的相对位移，可以根据两个水平方向滑动的需要设置成单向滑动或者双向滑动。
(2)本发明中，顶座板、上座板和下座板的面板、上滚轴、滑块、下滚轴以及锚钉等主要受力构件材料为金属，优选为钢材，钢材属于各项同性材料，具有很高的抗拉抗压抗剪能力，其制造技术成熟，相比于铅芯橡胶支座生产使用过程中产生的污染小。
(3)本发明中，上座板、下座板与滚动单元接触表面为波浪形的滚动面，可以根据正常使用状态下水平方向位移的需要，在滚动面和滑块凹面最底部设置一小段平面，以释放正常使用状态下的水平位移，避免了正常使用状态下出现抬梁的问题；剪力销能有效防止正常使用状态下上、下部结构产生较大的相对位移。
(4)本发明中，滚轴上的限位槽和滚动面上的限位导轨相互适配使用，能和一号限位挡板一起防止滚轴在地震作用下发生其他方向的滑动和转动等“畸变”。
(5)本发明中，销钉设置在上座板(或下座板)上，且伸入下座板(或上座板)二号限位挡板的凹槽内，以使销钉与二号限位挡板相互适配。地震作用下，销钉被剪断，上、下部结构的相对位移较大时，相邻卡榫之间产生碰撞，迅速进入塑性阶段，能有效地消耗地震能量。相互咬合设置的卡榫之间最小净距大于设计地震下单个卡榫可能发生最大塑性变形的两倍，震后该减隔震装置能在上部结构自重作用下实现完全自复位，而且卡榫条在震后更换较方便。
(6)本发明中，上座板(或下座板)上的一号限位挡板能有效防止滑块和上座板(或下座板)之间发生沿上滚轴(或下滚轴)长度方向的位移；二号限位挡板在一定范围内限制了上座板和下座板的相对位移，可以防止上、下部结构之间发生过大的位移而导致结构在震后丧失应急使用功能。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是装置的三维图；
图2是装置的三维拆解图；
图3是上座板(下座板)三维图；
图4是一号卡榫条的三维图；
图5是二号卡榫条的三维图；
图6是滚动单元的三维拆解图；
图7是顶座板的三维图；
其中，1、上座板，11、面板，111、滚动面，112、一号齿槽，113、锚钉孔，12、一号限位挡板，13、二号限位挡板，131、二号齿槽，132、凹槽，14、一号卡榫条，141、卡榫，15、锚钉，16、二号卡榫条，17、销钉，18、限位导轨，2、滚动单元，21、上滚轴，211、限位槽，22、滑块，23、下滚轴，3、下座板，4、顶座板，4.1、圆形凸台，5、橡胶板，6、挡环。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1：
参见图1～图7，一种耗能的滚轴减隔震装置，包括从上往下依次设置的顶座板4、橡胶板5、上座板1、滚动单元2和下座板3；上座板1包括面板11、两块横向对称设置在面板下表面的一号限位挡板12以及两块纵向对称设置在面板下表面的二号限位挡板13；一号限位挡板12和二号限位挡板13形成一个矩形区域；滚动单元2容纳在矩形区域中；上座板1与下座板3结构相同，上座板1与下座板3上下相对设置；顶座板4的下表面具有圆形凸台4.1，上座板1面板的上表面设有挡环6，橡胶板5和圆形凸台4.1均容纳在挡环6内，橡胶板5一端与顶座板4接触，橡胶板5另一端与上座板1面板的上表面接触。
所述矩形区域内的面板表面为滚动面111；滚动面111在沿一号限位挡板12的长度方向上呈波浪线变化，在沿二号限位挡板13的长度方向上无变化。可根据需要在滚动面和滑块凹面最底部设置一小段平面，以释放正常使用状态下的水平位移，避免了正常使用状态下出现抬梁的问题。
所述一号限位挡板12外侧的面板表面开有一号齿槽112，一号齿槽112内设有相匹配的一号卡榫条14，一号卡榫条14的卡榫垂直于面板11表面；一号齿槽112内开有锚钉孔113，锚钉15锚于锚钉孔113内，限制一号卡榫条14沿二号限位挡板13方向的位移。
所述二号限位挡板13的外侧面开有二号齿槽131，二号齿槽131内设有相匹配的二号卡榫条16，二号卡榫条16的卡榫垂直于二号限位挡板13的外侧面；二号齿槽131内开有锚钉孔113，锚钉15锚于锚钉孔113内，限制二号卡榫条16的竖向位移。
锚钉孔113以及锚钉15的数量与一号卡榫条14和二号卡榫条16上卡榫141的数量一一对应。
所述上座板1上的一号卡榫条14与下座板3上的二号卡榫条16相互咬合，上座板1上的二号卡榫条16与下座板3上的一号卡榫条14相互咬合，相互咬合设置的卡榫之间最小净距大于设计地震下单个卡榫可能发生最大塑性变形的两倍。
所述滚动单元2包括上滚轴21、滑块22和下滚轴23；多个上滚轴21平行设置在滑块22的上表面；多个下滚轴23平行设置在滑块22的下表面；上滚轴21与下滚轴23的轴线方向垂直。
所述一号限位挡板12的内侧设有与滚动面111曲线变化相同的限位导轨18，限位导轨18与一号限位挡板12之间留有间隙，限位导轨18与滚动面111连接。
所述上滚轴21与下滚轴23的结构相同，上滚轴21或下滚轴23的两端分别与一号限位挡板12贴紧，上滚轴21或下滚轴23靠近端部处开有限位槽211，限位槽211与限位导轨18相匹配。滚轴上的限位槽和滚动面上的限位导轨相互适配使用，能和一号限位挡板一起防止滚轴在地震作用下发生其他方向的滑动和转动等“畸变”。
利用滚轴的滚动延长结构的自振周期，利用卡榫的滞变有效消耗地震能量，在一定范围内限制上部结构和下部结构的相对位移。将水平方向的运动解耦，可以根据两个水平方向滑动的需要设置成单向滑动或者双向滑动。
顶座板4、面板11、上滚轴21、滑块22、下滚轴23和锚钉15使用高强度结构用钢制作，销钉17使用脆性材料制作，一号卡榫条14和二号卡榫条16使用滞变软钢制作。
所述面板11上设有销钉17，销钉17位于一号限位挡板12外侧，二号限位挡板13上开有凹槽132；上座板1上的销钉17伸入下座板3二号限位挡板13的凹槽132内，或下座板3上的销钉17伸入上座板1二号限位挡板13的凹槽132内；销钉17直径小于或等于凹槽132的宽度。凹槽132设在二号限位挡板13的中间，一块二号限位挡板13上装有两块沿凹槽132对称设置的二号卡榫条。
上述一种耗能的滚轴减隔震装置，用作固定支座时，销钉17直径等于二号挡板上的凹槽132宽度，使得销钉和二号挡板密贴设置，以限制正常使用状态下上下部结构的相对位移。该装置用作滑动支座时，销钉17直径略小于二号挡板上的凹槽132宽度，使得销钉和二号挡板留有间隙，以释放正常使用状态下温度等因素引起的位移。
地震作用下，销钉17被剪断，上座板1和下座板2发生相对位移，相互垂直设置的卡榫相互来回撞击，迅速进入弹塑性阶段消耗能量。
上述一种耗能的滚轴减隔震装置，用于桥梁结构减隔震时，挡环6高度略小于橡胶板5厚度和圆形凸台4.1的高度之和，挡环6的内径略大于圆形凸台4.1的半径，利用顶座板4、橡胶板5和上座板1之间的挤压实现梁端转角。该装置用于建筑结构减隔震时，可将顶座板4、橡胶板5和挡环6取消。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种耗能的滚轴减隔震装置，其特征在于，包括从上往下依次设置的上座板(1)、滚动单元(2)和下座板(3)；上座板(1)包括面板(11)、两块横向对称设置在面板下表面的一号限位挡板(12)以及两块纵向对称设置在面板下表面的二号限位挡板(13)；一号限位挡板(12)和二号限位挡板(13)形成一个矩形区域；滚动单元(2)容纳在矩形区域中；上座板(1)与下座板(3)结构相同，上座板(1)与下座板(3)上下相对设置；
所述滚动单元(2)包括上滚轴(21)、滑块(22)和下滚轴(23)；多个上滚轴(21)平行设置在滑块(22)的上表面；多个下滚轴(23)平行设置在滑块(22)的下表面；上滚轴(21)与下滚轴(23)的轴线方向垂直。
2.根据权利要求1所述的一种耗能的滚轴减隔震装置，其特征在于，所述矩形区域内的面板表面为滚动面(111)；滚动面(111)在沿一号限位挡板(12)的长度方向上呈波浪线变化，在沿二号限位挡板(13)的长度方向上无变化。
3.根据权利要求2所述的一种耗能的滚轴减隔震装置，其特征在于，所述一号限位挡板(12)外侧的面板表面开有一号齿槽(112)，一号齿槽(112)内设有相匹配的一号卡榫条(14)，一号卡榫条(14)的卡榫垂直于面板(11)表面；一号齿槽(112)内开有锚钉孔(113)，锚钉(15)锚于锚钉孔(113)内，限制一号卡榫条(14)沿二号限位挡板(13)长度方向的位移。
4.根据权利要求3所述的一种耗能的滚轴减隔震装置，其特征在于，所述二号限位挡板(13)的外侧面开有二号齿槽(131)，二号齿槽(131)内设有相匹配的二号卡榫条(16)，二号卡榫条(16)的卡榫垂直于二号限位挡板(13)的外侧面；二号齿槽(131)内开有锚钉孔(113)，锚钉(15)锚于锚钉孔(113)内，限制二号卡榫条(16)的竖向位移。
5.根据权利要求4所述的一种耗能的滚轴减隔震装置，其特征在于，所述上座板(1)上的一号卡榫条(14)与下座板(3)上的二号卡榫条(16)相互咬合，上座板(1)上的二号卡榫条(16)与下座板(3)上的一号卡榫条(14)相互咬合，相互咬合设置的卡榫之间最小净距大于设计地震下单个卡榫最大塑性变形的两倍。
6.根据权利要求5所述的一种耗能的滚轴减隔震装置，其特征在于，所述面板(11)上设有销钉(17)，销钉(17)位于一号限位挡板(12)外侧，二号限位挡板(13)上开有凹槽(132)；上座板(1)上的销钉(17)伸入下座板(3)二号限位挡板(13)的凹槽(132)内，或下座板(3)上的销钉(17)伸入上座板(1)二号限位挡板(13)的凹槽(132)内；销钉(17)直径小于或等于凹槽(132)的宽度。
7.根据权利要求6所述的一种耗能的滚轴减隔震装置，其特征在于，所述一号限位挡板(12)的内侧设有与滚动面(111)曲线变化相同的限位导轨(18)，限位导轨(18)与一号限位挡板(12)之间留有间隙，限位导轨(18)与滚动面(111)连接。
8.根据权利要求7所述的一种耗能的滚轴减隔震装置，其特征在于，所述上滚轴(21)与下滚轴(23)的结构相同，上滚轴(21)或下滚轴(23)的两端分别与一号限位挡板(12)贴紧，上滚轴(21)或下滚轴(23)靠近端部处开有限位槽(211)，限位槽(211)与限位导轨(18)相匹配。
9.根据权利要求1～8任意一项所述的一种耗能的滚轴减隔震装置，其特征在于，还包括顶座板(4)和橡胶板(5)；顶座板(4)的下表面具有圆形凸台(4.1)，上座板(1)面板的上表面设有挡环(6)，橡胶板(5)容纳在挡环(6)内，橡胶板(5)一端与顶座板(4)的圆形凸台(4.1)接触，橡胶板(5)另一端与上座板(1)面板的上表面接触；所述圆形凸台(4.1)容纳在挡环(6)内，挡环(6)高度小于橡胶板(5)厚度和圆形凸台(4.1)的高度之和，挡环(6)的内径大于圆形凸台(4.1)的半径。
10.根据权利要求9所述的一种耗能的滚轴减隔震装置，其特征在于，顶座板(4)、面板(11)、上滚轴(21)、滑块(22)、下滚轴(23)和锚钉(15)使用高强度结构用钢制作，销钉(17)使用脆性材料制作，一号卡榫条(14)和二号卡榫条(16)使用滞变软钢制作。
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