CN111335477B - 一种含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座 - Google Patents

一种含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座，包括垫层、水平隔震叠层橡胶垫、内部套筒、外部套筒、上层碟形弹簧、内导杆、外导杆、粘滞性阻尼材料A、下层碟形弹簧、粘滞性阻尼材料B、导向件、摩擦阻尼器、连接件、螺栓。本发明采取的内外双层的碟形弹簧装置使具有更大的刚度和调整能力；将碟形弹簧与阻尼器相结合，使其具有更优良的耗能能力。当水平地震作用来临时，上层内部套筒中的叠层橡胶垫作为水平隔震元件，与上层套筒内部和外部的摩擦型阻尼器组合使用，用来水平减震。在高层建筑中，双层碟形弹簧复合隔震支座能够承担足够大的荷载和地震作用，从而提供足够的隔震能力。

Description

一种含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座
技术领域
本发明涉及一种含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座，主要通过设置双层碟形弹簧在确保水平隔震能力的同时提升支座的竖向隔震性能，从而实现支座更有效的多维减震耗能。本发明主要由上层碟形弹簧，内部套筒，下层碟形弹簧，阻尼器装置等装置所构成，属于土木工程结构减震控制技术领域。
背景技术
大量的地震灾害表明和研究结果显示，竖向地震及水平地震对结构的影响都是不能忽视的，尤其是竖向地震作用，在震中区，它的作用相比较于水平地震作用有时甚至更加显著，由于结构的竖向刚度大，其竖向固有周期与竖向地震卓越周期相近，因而结构的竖向震动特性备受关注。基础隔震技术主要解决的是水平向的地震减震问题，这方面国内外的研究和应用都比较多，并表现出了良好的水平减震效果，但隔震建筑的强震记录表明，传统隔震支座对竖向地震反应基本无减小作用。隔震层一般不能提供竖向的相对运动，因而不能起到隔离或者减弱竖向地震的作用。利用隔震体系将水平作用减弱后，竖向地震作用可能成为主要的地震作用而引起竖向破坏，而且纯水平隔震因为没有竖向隔震和倾覆力矩所以无法在高层结构中应用。
另外，在研究环境震动下建筑结构的动力响应以及人体的舒适度时，有必要考虑人与结构的相互作用，通常的结构设计没有充分考虑人的动力效应及人体舒适度。经相关研究表明，对于一般的质量和刚度分布均匀的结构，随着人数的增加，结构的减震效果趋于明显，在高层建筑中，随着楼层的增加，结构的减震程度和人体舒适度都不断降低，其中坐姿人体受竖向环境震动的影响最明显。因此，结构在环境震动和地震作用下的竖向震动不容忽略，有必要采取或改善竖向隔震装置进行减震控制。
在已有的研究表明，竖向减震装置可采用碟形弹簧作为竖向减震元件，利用碟形弹簧的变刚度特性和耗能能力，以提高竖向减震效果，但是这种已有研究中普通单层碟形弹簧不足以提供足够刚度和减震能力，且通常为了实现较大的竖向刚度而采用高度较大的碟形弹簧，这样极易造成结构的重力二阶效应和倾覆。尤其是在高层建筑中，普通单层碟形弹簧明显并不具备优良的减震能力。
与单层隔震系统相比，双层隔震系统具有一些更加突出的特性。
双层隔震系统有额外的质量与刚度，因此也就有了额外的共震频率。对于单层隔震系统，传递的震动在大于隔震开始频率时以40dB/oct下降，而对于双层隔震系统，它的下降率却达到80dB/oct。这表明双层隔震系统的绝对传递率曲线在越过共震峰后的下降斜率大，即在高频区双层隔震系统隔震效果优于单层隔震系统。
而且非线性刚度隔震系统有相对较好的低频隔震效率，较小的静态变形，不失稳定的特点，非线性阻尼能有效减小共震频率附近响应，同时对隔震区的传递率没有影响的优点。因此，在双层线性隔震系统的基础上上下两层引入非线性刚度和非线性阻尼对于提高隔震效率也有非常重要的价值。
为更好地解决以上所叙述的问题，本发明提出一种含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座以显著降低结构的竖向震动并改善居住舒适度。
发明内容
为了改善结构的竖向隔震能力和人体在环境震动下具有更高的舒适度，以及提高普通隔震支座的耗能能力，本发明提供一种含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座。相比于传统的竖向碟形弹簧隔震支座，所采取的内外双层的碟形弹簧装置使具有更大的刚度和调整能力；将碟形弹簧与阻尼器相结合，使其具有更优良的耗能能力。
本发明所述的含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座，当水平地震作用来临时，上层内部套筒中的叠层橡胶垫作为水平隔震元件，与上层套筒内部和外部的摩擦型阻尼器组合使用，用来水平减震。
在上层套筒中的水平隔震构件下面采用碟形弹簧作为竖向隔震元件，利用碟形弹簧的变刚度特性和耗能能力，根据上部结构和场地特性选取不同的组合方式形成合适的竖向刚度，同时在碟形弹簧内部设置粘滞性阻尼材料，以达到较好的竖向减震效果。在内部套筒中的下方设置一层尺寸和刚度较大的碟形弹簧，作为下层的竖向隔震构件，这样就形成了含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座，当地震时，上层和下层的碟形弹簧簧片将共同在竖向产生变形，以吸收和消耗竖向地震作用的能量。
碟形弹簧作为主要的竖向隔震装置，其竖向刚度应比上部结构的竖向刚度小很多，延长结构的竖向自震周期，避开地震波卓越周期，从而降低上部结构的地震反应。同时应保证其在竖向使用荷载作用下具有足够的竖向刚度，不能产生较大的竖向位移，不影响上部结构的使用。
相比于普通的碟形弹簧隔震支座，含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座提供了足够的刚度和竖向减震能力。尤其是在高层建筑中，双层碟形弹簧复合隔震支座能够承担足够大的荷载和地震作用，从而提供足够的隔震能力。
相关研究结果表明，在选择适当的摩擦阻尼条件下，具有多串联刚度的多自由度隔震系统可以在保持高频震动衰减效果的前提下显著降低系统共振峰，其性能优于传统的阻尼隔震模型。
此外，选用的黏弹性阻尼材料也可以大幅度减小系统共振相应，能够有效提高普通碟形弹簧隔震支座的耗能能力，预压量和位移幅值与含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座的等效刚度和等效阻尼比成正相关关系，加载频率对含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座的等效刚度和等效阻尼比影响较小，即该支座能够显著降低系统在高频下的竖向动力相应，故其减隔震性能要优于传统无摩擦竖向隔震支座。
含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座有额外的质量与刚度，也就有额外的共震频率，当地震来临时，含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座的绝对传递率曲线在越过共震峰后的下降斜率大，故相比于单层碟形弹簧支座有效提高了竖向抗震性能。
而且在碟形弹簧中内部加上粘滞阻尼器，能有效减小共震频率附近响应，同时对隔震区的传递率没有影响，进一步提高了建筑的竖向抗震性能。
本发明所述的一种含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座，其主要装置包括：垫层（1）、水平隔震叠层橡胶垫（2）、内部套筒（3）、外部套筒（4）、上层碟形弹簧（5）、内导杆（6）、外导杆（7）、粘滞性阻尼材料A（8）、下层碟形弹簧（9）、粘滞性阻尼材料B（10）、导向件（11）、摩擦阻尼器（12）、连接件（13）、螺栓（14）。
垫层（1）与叠层橡胶垫（2）组合成水平抗震构件，用来减小水平向地震减震作用；水平抗震构件下部连接竖向碟形弹簧构件，竖向碟形弹簧构件由上层碟形弹簧（5）、内导杆（6）、外导杆（7）、粘滞性阻尼材料A（8）组成，粘滞性阻尼材料A（8）套在内导杆（6）上，上层碟形弹簧（5）与粘滞性阻尼材料A（8）由外导杆（7）相连。将水平抗震构件和竖向碟形弹簧构件套于一个内部套筒（3）内，内部套筒（3）的内筒壁和水平抗震构件由摩擦型阻尼器（12）铰接在一起；连接件（13）与内部套筒（3）的内筒壁焊接，用高强螺栓（14）与摩擦型阻尼器（12）连接。内部套筒（3）的下方与支座连接，支座由下层碟形弹簧（9）、粘滞性阻尼材料B（10）和导向件（11）组成，粘滞性阻尼材料B（10）套在导向件（11）上，下层碟形弹簧（9）与导向件（11）相连。将内部套筒（3）、支座与外部套筒（4）相连，外部套筒（4）的内筒壁与内部套筒（3）的外筒壁由摩擦型阻尼器（12）相连。支座的底部固定在外部套筒（4）的内筒壁底部。
上层碟形弹簧（5）是由钢板冲压成型的碟状垫圈式弹簧。上层碟形弹簧（5）的厚度与直径之比的范围为0.02~0.125，挠度与厚度之比的范围为0.4~2.5，高度与直径之比的范围为0.01~0.3。
支座的竖向刚度约为上部结构竖向刚度的1/20~1/50。下层碟形弹簧（9）的尺寸大于上层碟形弹簧（5），下层碟形弹簧（9）与上层碟形弹簧（5）的直径比控制在1.2~1.8之间，厚度比在1.2~1.5之间。下层碟形弹簧与上层碟形弹簧的刚度比控制在1.5~2.0之间。
粘滞性阻尼材料A（8）和粘滞性阻尼材料B（10）采用高分子聚合物，粘滞性阻尼材料A（8）与外导杆（7）组成上层竖向基础隔震系统，粘滞性阻尼材料B（10）与导向件（11）组成下层基础隔震系统；上层竖向基础隔震系统和下层基础隔震系统并联组合系统作为竖向基础隔震系统，具有竖向刚度和阻尼性能。
摩擦型阻尼器的水平刚度小于内部套筒的刚度，内部套筒的刚度与摩擦型阻尼器的水平刚度之比为1.2：1~1.35：1，且摩擦型阻尼器的水平刚度小于叠层橡胶水平隔振支座的刚度，其刚度比为0.9~0.95之间。
本双层碟形弹簧复合隔震支座中所采用的摩擦阻尼器，其内部由以下几部分组成：内楔（15）、外楔（16）、外缸（17）、弹簧（18）、摩擦片（19）。为防止双层碟形弹簧复合隔震支座在竖向地震作用时摩擦阻尼器与连接处产生错动，或者在连接处产生较大的应力集中，可将连接件（13）焊接在摩擦型阻尼器（12）两侧的连接处，通过高强螺栓（14）与摩擦阻尼器相连，形成一个铰接结构，使得节点可以在竖向地震作用时发生转动，从而带动内部的隔震构件发生位移。为充分发挥摩擦型阻尼器（12）的作用，应该双排布置，每排围绕圆周均匀设置至少4个摩擦型阻尼器（12）。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1. 含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座上层水平隔震构件与摩擦型阻尼器的组合，增加了水平地震作用下的耗能能力，可以有效提高水平抗震性能。
2. 含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座相比于普通碟形弹簧支座宽高比更小，故其具有更好的稳定性。
3. 含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座其中的碟形弹簧与粘弹性阻尼材料组成并联的系统。此系统有效提高支座的耗能能力，具有合适的竖向刚度和阻尼性能，刚度和阻尼易于调整，而且加工制作容易，成本不高，性能稳定。
4. 含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座所采用的摩擦型阻尼器与内部结构的连接处为铰接，使得节点可以在竖向地震作用时发生转动，从而带动内部的隔震构件发生竖直方向的位移作用。
5. 含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座相比于普通的碟形弹簧支座充分考虑了三维隔震，双层结构相比于普通碟形弹簧支座，双层碟形弹簧复合隔震支座提供了足够的刚度和减震能力。其结构设计考虑到了人的动力效应及人体舒适度。
附图说明
图1为含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座的剖面图。
图2为含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座的上视图。
图3为含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座的等轴视图。
图4为含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座的上层碟形弹簧图。
图5为含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座的内部套筒图。
图6为含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座的外部套筒图。
图7为含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座的下层碟形弹簧图。
图8为含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座的叠层橡胶垫、垫层图。
图9为含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座的连接件图。
图10为含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座的高强螺栓图
图11为含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座的摩擦型阻尼器图。
图12为含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座的摩擦型阻尼器内部构造图。
具体实施方式
实施例1：
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，是本发明一种含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座的实施实例，其主要包括垫层（1）、叠层橡胶垫（2）、内部套筒（3）、外部套筒（4）、上层碟形弹簧（5）、内导杆（6）、外导杆（7）、粘滞性阻尼材料A（8）、下层碟形弹簧（9）、粘滞性阻尼材料B（10）、导向件（11）、摩擦型阻尼器（12）、连接件（13）、螺栓（14）。
实施步骤如下：
对于一个层数为17、层高为3.6m的建筑结构，平面尺寸为60m×18m，底层框架柱的尺寸为800mm×800mm。将双层碟形弹簧复合隔震支座设置在框架柱的承台底部。
所选用支座的直径为5200mm，高度为2600mm，其中上层碟形弹簧单片高度为150mm，直径为1600mm，下层碟形弹簧的单片高度为250mm，直径为200mm，内部套筒的高度取1800mm，厚度取200mm，外部套筒的厚度取200mm，所选取的摩擦阻尼器长度为600mm。本双层碟形弹簧复合隔震支座中的套筒和碟形弹簧材料均选用Q345钢，粘滞性阻尼材料选用高分子材料，所选取的高强螺栓采用强度等级为10.9级，连接件选用钢材为Q345。
含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座所采用的粘滞性阻尼材料均匀地环绕在导向构件上。
含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座中的每排摩擦阻尼器沿着内部套筒内壁和外部套筒内壁环向均匀布置，数量为8个。其中内部套筒内的摩擦阻尼器通过连接件和高强螺栓连接在内部套筒内壁和叠层橡胶上的垫层之间，外部套筒内的摩擦阻尼器通过连接件和高强螺栓连接在外部套筒内壁和内部套筒外壁之间。连接方式均为铰接，内部为双排布置，外部为3排布置。
含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座为装配式构件，各个部件均可在工厂预制好。将连接件焊接在套筒内壁和垫层上，然后再将各个部件依次组装。待整个结构的基础施工完成后，将这些拼装好的构件运送到施工现场，并放置在基础的相应位置。这样既能降低施工成本，又能节省施工时间。
根据数值模拟试验得出的结果，非隔震结构前三阶自振周期为0.726856s、0.689542s、0.625489s，隔震结构前三阶自振周期为1.385621s、1.316582s、1.205641s。可得出如下结论，由于隔震层刚度远小于上部结构各层刚度，故隔震后前几阶振型表现为隔震层上部结构的整体运动，周期明显延长。
设置了含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座后，隔震结构各楼层的竖向加速度较非隔震结构均有降低，其整体趋势平缓。对于隔震结构，不同楼层的加速度隔震率存在一定差异，总体在0.4~0.55之间。说明含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座有效延长了结构竖向自震周期，降低了加速度反应。
在0Hz~10Hz范围内，隔震结构加速度有效值相对于非隔震结构在5Hz左右有放大趋势，由0.27mm/s2放大至0.96mm/s2。在10Hz~50Hz范围内，隔震结构的加速度有效值明显降低，由3.87mm/s2降至0.39mm/s2。非隔震结构的加速度峰值出现在20Hz附近，隔震结构的加速度峰值则为5Hz附近。
设置了含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座后，其水平向隔震主要有叠层橡胶垫承担，表现出很好的隔震效果，隔震结构较非隔震结构各楼层水平向加速度峰值均有显著降低，且变化较均匀，说明上部结构为弹性阶段，结构整体发生平动，水平方向隔震率在50%左右。
在0Hz~9Hz范围内，水平长跨方向与短跨方向隔震结构加速度反应较非隔震结构有一定的放大作用，在10Hz~50Hz范围内，隔震结构的加速度有效值显著降低，长跨方向由隔震前的0.36mm/s2降低至隔震后的0.035mm/s2，短跨方向由0.29mm/s2降低至0.030mm/s2。
综上，含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座可以有效延长周期，降低加速度反应，从而增加了结构的抗震性能，提高了结构舒适度。
以上为本发明的一个典型实例，但本发明的实施不限于此。

Claims (3)

1.一种含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座，其特征在于：垫层（1）与叠层橡胶垫（2）组合成水平抗震构件；水平抗震构件下部连接竖向碟形弹簧构件，竖向碟形弹簧构件由上层碟形弹簧（5）、内导杆（6）、外导杆（7）、粘滞性阻尼材料A（8）组成，粘滞性阻尼材料A（8）套在内导杆（6）上，上层碟形弹簧（5）与粘滞性阻尼材料A（8）由外导杆（7）相连；将水平抗震构件和竖向碟形弹簧构件套于一个内部套筒（3）内，内部套筒（3）的内筒壁和水平抗震构件由摩擦型阻尼器（12）铰接在一起；连接件（13）与内部套筒（3）的内筒壁焊接，用高强螺栓（14）与摩擦型阻尼器（12）连接；内部套筒（3）的下方与支座连接，支座由下层碟形弹簧（9）、粘滞性阻尼材料B（10）和导向件（11）组成，粘滞性阻尼材料B（10）套在导向件（11）上，下层碟形弹簧（9）与导向件（11）相连；将内部套筒（3）、支座与外部套筒（4）相连，外部套筒（4）的内筒壁与内部套筒（3）的外筒壁由摩擦型阻尼器（12）相连；支座的底部固定在外部套筒（4）的内筒壁底部；
上层碟形弹簧（5）是由钢板冲压成型的碟状垫圈式弹簧；上层碟形弹簧（5）的厚度与直径之比的范围为0.02~0.125，挠度与厚度之比的范围为0.4~2.5，高度与直径之比的范围为0.01~0.3；
支座的竖向刚度为上部结构竖向刚度的1/20~1/50；下层碟形弹簧（9）的尺寸大于上层碟形弹簧（5），下层碟形弹簧（9）与上层碟形弹簧（5）的直径比控制在1.2~1.8之间，厚度比在1.2~1.5之间；下层碟形弹簧与上层碟形弹簧的刚度比控制在1.5~2.0之间；
摩擦型阻尼器的水平刚度小于内部套筒的刚度，内部套筒的刚度与摩擦型阻尼器的水平刚度之比为1.2：1~1.35：1，且摩擦型阻尼器的水平刚度小于叠层橡胶水平隔振支座的刚度，其刚度比为0.9~0.95之间。
2.根据权利要求1所述的一种含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座，其特征在于：粘滞性阻尼材料A（8）和粘滞性阻尼材料B（10）采用高分子聚合物，粘滞性阻尼材料A（8）与外导杆（7）组成上层竖向基础隔震系统，粘滞性阻尼材料B（10）与导向件（11）组成下层基础隔震系统；上层竖向基础隔震系统和下层基础隔震系统并联组合后作为竖向基础隔震系统，具有竖向刚度和阻尼性能。
3.根据权利要求1所述的一种含双层碟形弹簧的复合型多维隔震支座，其特征在于：为防止在竖向地震作用时摩擦型阻尼器与连接处产生错动，或者在连接处产生应力集中，将连接件（13）焊接在摩擦型阻尼器（12）两侧的连接处，通过高强螺栓（14）与摩擦型阻尼器相连，形成一个铰接结构，使得节点能够在竖向地震作用时发生转动，从而带动内部的隔震构件发生位移；摩擦型阻尼器（12）采用双排布置，每排围绕圆周均匀设置至少四个摩擦型阻尼器（12）。
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