CN111608454B

CN111608454B - 一种防摆动隔震方法

Info

Publication number: CN111608454B
Application number: CN201910132215.1A
Authority: CN
Inventors: 施卫星; 朱辉; 施志国; 朱培瑜; 拜立岗; 朱炳权
Original assignee: SHENZHEN SANSHRILL TECHNOLOGY CO LTD; Tongji University
Current assignee: SHENZHEN SANSHRILL TECHNOLOGY CO LTD; Tongji University
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2021-10-15
Anticipated expiration: 2039-02-22
Also published as: CN111608454A

Abstract

本发明涉及一种防摆动隔震方法，属于减隔震领域，解决现有隔震装置难以兼顾水平面和竖直方向隔震的技术问题。步骤包括：确定待隔震目标物的水平隔震周期、竖直隔震周期和柱状的安装架的截面形状和尺寸；根据水平隔震周期确定摆杆的长度；根据摆杆的承重能力确定摆杆的根数；根据隔震弹簧的承重能力和竖向隔震周期确定隔震弹簧的根数；搭建防摆动隔震装置；连接隔震装置与待隔震目标物。本发明能非常方便的调整水平隔震周期和竖向隔震周期，而且通过调整摆杆长度可以实现很大的水平隔震周期，实现较好的水平隔震效果，具有隔震周期大、造价低、耐候性优、构造简单、安全可靠等特点。

Description

一种防摆动隔震方法

技术领域

本发明涉及减隔震技术领域，尤其涉及一种防摆动隔震方法。

背景技术

地震灾害给人类带来不可估量的生命财产损失，隔震体系在地震中表现出优于传统隔震的抗震能力，现已得到广泛使用。除此之外，一些精密的实验仪器、设备等受震动影响会使测量结果不准确。对于易碎、易损坏的物品，运输过程中的震动可能使物品损坏，从而造成无法估量的损失，所以对物品进行隔震是非常必要的。目前广泛使用的橡胶隔震支座，根据现有技术条件要生产出很低水平刚度的合格橡胶隔震支座具有较大困难。而且橡胶过大的竖向刚度不仅不会减小竖向地震作用，甚至会放大竖向地震作用。而对于一些特殊结构，往往需要很大的隔震周期。对于隔震体系，竖向地震作用和爆炸等竖向冲击荷载对结构的安全性有很大的影响。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种防摆动隔震方法，用以解决现有隔震装置难以兼顾水平面和竖直方向隔震的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明技术方案中，一种防摆动隔震方法，悬挂方法的步骤包括：

S1、确定待隔震目标物的水平隔震周期、竖直隔震周期和柱状的安装架的截面形状和尺寸；

S2、根据水平隔震周期确定摆杆的长度；

S3、根据摆杆的承重能力确定摆杆的根数；

S4、根据隔震弹簧的承重能力和竖向隔震周期确定隔震弹簧的根数；

S5、搭建防摆动隔震装置；

S6、连接隔震装置与待隔震目标物，保持待隔震目标物的重心不高于吊篮的中心。

本发明技术方案中，防摆动隔震装置包括：安装架、悬挂结构、摆杆和吊篮；

安装架为截面为圆形或正多边形的框架；悬挂结构能够进行竖直方向的隔震，且与安装架固定连接；摆杆一端与悬挂结构连接，另一端与吊篮连接；吊篮用于连接待隔震目标物。

本发明技术方案中，悬挂结构包括：弹簧上板、隔震弹簧和弹簧下板；

隔震弹簧设有至少3根，且隔震弹簧的两端分别与弹簧上板和弹簧下板固定连接；

弹簧上板与安装架的内壁固定连接；弹簧下板与摆杆连接。

本发明技术方案中，隔震弹簧沿安装架内壁周向均匀设置；

隔震弹簧处于自由状态时，弹簧上板和弹簧下板均处于水平状态。

本发明技术方案中，弹簧上板与安装架的内壁通过连接块固定连接；

弹簧上板和安装架的内壁均通过螺栓与连接块连接；

安装架的内壁预留螺栓连接孔。

本发明技术方案中，摆杆设有3根，沿安装架内壁周向均匀设置；

摆杆与悬挂结构、吊篮均通过万向铰连接。

本发明技术方案中，安装架的截面形状为圆形；吊篮的截面形状为正多边形或圆形，且吊篮与安装架的轴线共线。

本发明技术方案中，步骤S1中：

水平隔震周期T_h和水平震动周期T_sh，满足T_h＞2·T_sh；

竖直隔震周期T_v和竖直震动周期T_sv，满足T_v＞2·T_sv。

本发明技术方案中，步骤S2中，摆杆长度l满足：

g为重力加速度。

本发明技术方案中，步骤S4中，隔震弹簧的根数N满足：

F_M为隔震弹簧能够承受的最大作用力；k为隔震弹簧的劲度系数；m为待隔震目标物的质量；m₀为防摆动隔震装置的摆杆、吊篮和弹簧下板的质量和。

采用上述进一步方案的有益效果是：

1、本发明采用弹簧来竖向隔震，采用摆杆来水平方向隔震，整体属于被动控制装置，无需外部能源的输入，施工技术简便，安全性能高。

2、采用弹簧和摆杆减震，构造简单，各个部件均采用统一化设计，方便批量生产加工，降低了安装和维修的难度，安全性高，大大提高了其可靠性和耐久性。

3、本发明可以做到三维隔震。水平方向通过调整摆杆长度，可以非常方便的调整隔震周期，可以得到远超过现有橡胶支座的隔震周期。竖向通过竖向弹簧进行减震，竖向弹簧可以根据实际情况调整数量和刚度，简单快捷。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是本发明防摆动隔震装置示意图；

图2是本发明防摆动隔震装置A-A剖面图；

图3是本发明防摆动隔震装置B-B剖面图。

图中，1、待隔震目标物；2、安装架；3、连接块；4、螺栓；5、弹簧上板；6、隔震弹簧；7、弹簧下板；8、摆杆；9、吊篮；10、阻尼器。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于所述装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。

本发明实施例应用于在减隔震领域。待隔震目标物1通常可以为精密的仪器、需要防震的设备、工作平台、控制室、安全屋等等。这些待隔震目标物1通常对地震等震动比较敏感，给作业人员和作业设备带来不可估量的生命财产损失。

现有技术通常采用橡胶隔震支座，通过橡胶隔震支座来固定和支撑待隔震目标物1，考虑到地震发生时会造成水平面和竖直方向的三维震动，因此，橡胶隔震支座需要同时兼具三维的隔震效果。但是，橡胶材料本身难以制成水平刚度低、竖直刚度高的材料，刚度低有利于隔震，因此水平面内的二维隔震效果较好，但是竖直方向的隔震效果稍差。考虑到橡胶隔震支座还要起到支撑的作用，竖直刚度不能过低，因此竖直方向难以兼具支撑效果和隔震效果，为了保证橡胶材料的支撑效果，只能在一定程度上放弃竖直方向的隔震效果，再加上现有的橡胶生产技术的限制，橡胶材料的水平刚度也会较大，相应的水平方向的隔震效果也会受到比较大的负面影响。也就是说，橡胶隔震支座需要使用水平刚度较低且竖直刚度至少满足支撑效果的橡胶材料，但是以现有的生产制造技术，难以生产此类的橡胶材料。

本发明实施例突破性的采用了机械结构来实现隔震效果，具体的如图1至图3所示，本发明实施例提供了一种防摆动隔震装置，包括：安装架2、悬挂结构、摆杆8、吊篮9和阻尼单元；安装架2为截面为圆形或正多边形的框架；悬挂结构能够进行竖直方向的隔震，且与安装架2固定连接；摆杆8一端与悬挂结构连接，另一端与吊篮9连接；阻尼单元设有至少1组，每组包括至少3个阻尼器10；阻尼器10的一端与吊篮9连接，另一端与安装架2的内壁连接；吊篮9用于连接待隔震目标物1。悬挂结构-摆杆8-吊篮9将待隔震目标物1悬挂在安装架2内，当出现水平方向的震动时摆杆8摆动，带动吊篮9相对与安装架2内壁移动，阻尼器10能够减小吊篮9相对与安装架2的位移，从而实现水平面的隔震。实际使用时，安装架2不限于截面为圆形或正多边形的框架，其他形状也可以，考虑到尽量让待隔震目标物1在水平面各个方向上的震动幅度和隔震效果相同，安装架2的截面优选为圆形或正多边形。

本发明实施例打破了传统隔震装置通过采用橡胶等特殊材料，并利用材料的力学性能来实现隔震的思维定式，采用机械结构来实现隔震，此外，相较于其他机械结构类的隔震装置也无需外加能源，直接通过摆杆8的摆动和阻尼器10的结合来实现被动型隔震，安全性较高，施工简单方便。

悬挂结构使用能够竖向隔震的装置，可以采用现有的隔震支座，也可以采用其他的具有竖向隔震功能的结构。考虑到橡胶等材料使用上的限制，本发明实施例同样采用机械结构来实现竖直方向的隔震，具体的，悬挂结构包括：弹簧上板5、隔震弹簧6和弹簧下板7。弹簧上板5与安装架2的内壁固定连接，保证了待隔震目标物1能够通过悬挂结构与安装架2稳定固定。弹簧下板7与摆杆8连接，隔震弹簧6的两端分别与弹簧上板5和弹簧下板7固定连接，弹簧下板7受到摆杆8传来的拉力，会拉伸隔震弹簧6，为了弹簧上板5和弹簧下板7能够始终保持平行，进而保证悬挂结构的竖直方向的隔震功能、提高运动的整体性，隔震弹簧6设有至少3根，显而易见的隔震弹簧6应当排列形成多边形结构，而不是直线排列，防止弹簧下板7翻转。示例性的，弹簧上板5和弹簧下板7均为圆环，隔震弹簧6设有6根。

本发明实施的悬挂结构通过隔震弹簧6来实现竖直方向的隔震功能，通过摆杆8和阻尼器10的结合来实现水平面的二维隔震功能，二者结合，即可实现三维的空间隔震功能，构造简单，安全性高，大大提高了其可靠性和耐久性。

考虑到待隔震目标物1的安装以及形状，同时在保证隔震效果的前提下尽量给待隔震目标物1留出较大的空间，悬挂结构、吊篮9均均留有孔，待隔震目标物1应当留有固定结构，使待隔震目标物1的固定结构能够穿过悬挂结构和吊篮9的孔，保证悬挂的功能。

为了进一步的提高水平面内的二维隔震效果，本发明实施例中，同一组的阻尼器10位于同一水平面上，能够保证同一组的阻尼器10产生的力能够作用在同一水平面内，不会产生使吊篮9翻转的力矩，同一组的阻尼器10沿安装架2的内壁周向均匀设置，能够保证水平面内各个方向上的隔震效果相同。

考虑到吊篮9的稳定性，吊篮9应当是空间的柱状结构，也可以是其他形状，为了保证其稳定性，吊篮9应当至少包括上端面和下端面。示例性的，吊篮9包括上端面、下端面和连接柱，上端面与下端面均为环形，且互相平行，并通过多个连接柱连接，连接柱沿安装架2内壁周向均匀设置。出于使吊篮9的隔震效果更好的角度，本发明实施例中，在吊篮9的上端面和下端面均设置阻尼器10，具体的阻尼器10设有2组：一组阻尼器10均与吊篮9的上端面的边缘连接，另一组阻尼器10均与吊篮9的下端面的边缘连接。示例性的，每组设有4个阻尼器10，且沿安装架2内壁周向均匀设置。

需要特殊说明的是，如果安装架2的截面为正多边形，边数为N，吊篮9与安装架2的形状相同，每组所述阻尼单元的阻尼器10的个数为N的整数倍，且正多边形每条边上设置的阻尼器10个数相等。优选为，正多边形的每个定点处设置一个阻尼器10，每条边其他的阻尼器10均布设置，可以依照需要的阻尼大小来设置阻尼器10的具体个数。

同样为了进一步的提高水平面内的二维隔震效果，本发明实施例中，隔震弹簧6沿安装架2内壁周向均匀设置，隔震弹簧6处于自由状态时，弹簧上板5和弹簧下板7均处于水平状态，使得在弹簧下板7向下被拉动时，每根弹簧的作用力相同，且在水平面内各个方向的作用力及作用点中心对称，还能防止因不对称造成的力矩使隔震弹簧6损坏或使弹簧下板7翻转。

考虑到单根的摆杆8的承载力有限，而且待隔震目标物1可能需要穿过悬挂装置和吊篮9，摆杆8不宜设置在本发明实施例的轴线处，因此，本发明实施例中，摆杆8设有3根，沿安装架2内壁周向均匀设置。3根摆杆8保证了吊篮9的稳定性，还有利于在安装过程中对吊篮9进行调平；倘若使用2根摆杆8，则难以使吊篮9能够稳定悬吊；倘若使用4以上根摆杆8，不仅增加了吊篮9的调平难度，而且，每根摆杆8的受力情况可能各不相同，受力较大的摆杆8的使用寿命会大大缩短，从而影响本发明实施例的安全稳定性。示例性的，摆杆8的一端与圆环形弹簧下板7连接，另一端与圆环形的吊篮9上端面连接。

由于在待隔震目标物1受到水平面内的震动时，摆杆8与吊篮9形成类似于单摆的结构，而且水平面内的摆动是二维的摆动而不是线型的一维摆动，因此本发明实施例中，摆杆8的一端与弹簧下板7通过万向铰连接，另一端与吊篮9通过万向铰连接。示例性的，万向铰可以采用球铰或十字铰的形式。

实际遇到震动的时候，待隔震目标物1可能会发生平移震动，也可能发生摆动，尤其是待隔震目标物1留有固定结构的情况下，为了防止待隔震目标物1发生摆动，本发明实施例中，待隔震目标物1的重心不高于吊篮9的中心，考虑到实际的安装难度，待隔震目标物1的重心应当略低于吊篮9的中心或与吊篮9的中心平齐。需要说明的是，虽然摆杆8会以类似单摆的形式摆动，但是由于3跟摆杆8均与吊篮9连接，吊篮9会以平移的方式来移动。

本发明在实际使用前，隔震弹簧6和每组阻尼器10的个数以及摆杆8的长度均可通过实际的隔震需求来确定。安装架2所在处的不同土壤、岩石会影响到地震产生时的震动周期，通常情况下隔震装置设计时的固有周期应当与震动周期相差较大，以防止共振进而实现隔震，实际设计时通常使隔震装置的固有周期明显的大于震动周期，然而过大的固有周期虽然能够增加缓冲效果降低加速度的冲击，但是会增加隔震装置的振动幅度，同样不利于隔震。本发明实施例综合考虑了降低加速度冲击和减小振动幅度的因素，防摆动隔震装置的水平面振动固有周期为3s-4s；防摆动隔震装置的竖直振动固有周期为1.2s-1.5s。摆杆8的长度均会影响到防摆动隔震装置的水平面振动固有周期，计算过程可以参考单摆周期，阻尼器10的参数及个数会影响到水平面内的振动幅度，弹簧的刚度和个数会影响到防摆动隔震装置的竖直振动固有周期和振动幅度，计算过程可以参考简谐振动的周期。

为了方便本发明实施例的安装，本发明实施例的整体为类圆柱结构而且本发明实施例的悬挂结构、摆杆8、吊篮9、阻尼器10各自以轴线为中心线旋转对称。使得每根弹簧的长度力学性能均相同、每个阻尼器10的结构和性能参数均相同、每根摆杆8的形状均相同，方便了各个部件的批量化生产制造，也便于本发明实施例的安装。

此外，本发明实施例中，弹簧上板5与安装架2的内壁通过连接块3固定连接；弹簧上板5和安装架2的内壁均通过螺栓4与连接块3连接。连接块3的形状可结构不做限制，能够同时连接弹簧上板5和安装架2即可，示例性的可以采用角铁、三角块、方块等等结构。为了方便将本发明实施例与安装架2的内壁固定，在挖掘安装架2的时候，需要在安装架2的内壁预留螺纹孔，用来与连接块3螺纹连接。

相应的本发明实施例还提供了一种防摆动隔震方法，本发明实施例的方法使用了上述实施例中的防摆动隔震装置，步骤包括：

S1、确定待隔震目标物1的水平隔震周期、竖直隔震周期和柱状的安装架2的截面形状和尺寸。水平隔震周期T_h和水平震动周期T_sh，满足T_h＞2·T_sh；竖直隔震周期T_v和竖直震动周期T_sv，满足T_v＞2·T_sv。为了保证隔震效果，需要防止防摆动隔震装置与外部震动形成共振，因此需要使隔震装置的震动周期与外部震动的震动周期相差较大，在实际情况下，待隔振目标物受到的外部震动往往周期较小，因此，为了实现上述目的通常使隔震装置的隔震周期明显大于震动周期，通常为震动周期的2倍以上即可实现隔震的功能，也可根据实际的隔震效果，适当调整，例如对于地震或爆炸的隔震，隔震周期可以设置为震动周期的5-10倍。柱状的安装架2的截面形状和尺寸可根据实际需要来设置。

S2、根据水平隔震周期确定摆杆8的长度；摆杆8长度l满足：

g为重力加速度，单位均采用标准国际单位。即摆杆8形成单摆系统时的单摆周期要大于等于水平隔震周期，保证水平隔震功能的实现。

S3、根据摆杆8的承重能力确定摆杆8的根数；每根摆杆8的最大承重力为摆杆8的固定参数，所有摆杆8的总承重力大于待隔震目标物1和吊篮9的总重量即可。

S4、根据隔震弹簧6的承重能力和竖向隔震周期确定隔震弹簧6的根数；步骤S4中，隔震弹簧6的根数N满足：

F_M为隔震弹簧6能够承受的最大作用力；k为隔震弹簧6的劲度系数；m为待隔震目标物1的质量；m₀为防摆动隔震装置的摆杆8、吊篮9和弹簧下板7的质量和。即隔震弹簧6形成弹簧简谐振动时，简谐振动周期大于等于竖直隔震周期，保证竖直隔震功能的实现。

S5、搭建防摆动隔震装置；具体的连接关系可参照上述实施例中防摆动隔震装置的连接关系和位置关系，安装顺序是，先固定安装架2，再安装悬挂结构，然后将悬挂结构安装在安装架2上，再在悬挂结构上安装摆杆8和吊篮9。

S6、连接隔震装置与待隔震目标物1，并根据需要安装阻尼单元。

使用本发明实施例的方法对某地下测试设备进行隔震。

测试设备的质量m＝100t，远大于防摆动隔震装置的摆杆8、吊篮9和弹簧下板7的质量和，因此m₀忽略不计，水平隔震周期4s，竖向隔震周期1s。

摆杆长度

取l＝4m；

单根隔震弹簧的刚度k＝158kN/m，记过计算，隔震弹簧的个数N＝25。并以此搭建防摆动隔震装置，并测量防摆动隔震装置的隔震周期，实测水平隔震周期略大于4s，实测竖直隔震周期略大于1s，符合设计需求。

综上所述，本发明实施例提供了一种防摆动隔震方法，与现有技术相比，本发明能非常方便的调整水平隔震周期和竖向隔震周期，而且通过调整摆杆8长度可以实现很大的水平隔震周期，实现较好的水平隔震效果，具有隔震周期大、造价低、耐候性优、构造简单、安全可靠等特点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种防摆动隔震方法，其特征在于，所述防摆动隔震方法的步骤包括：

S1、确定待隔震目标物(1)的水平隔震周期、竖直隔震周期和安装架(2)的截面形状和尺寸；

S2、根据水平隔震周期确定摆杆(8)的长度；

S3、根据摆杆(8)的承重能力确定摆杆(8)的根数；

S4、根据隔震弹簧(6)的承重能力和竖向隔震周期确定隔震弹簧(6)的根数；

S5、搭建防摆动隔震装置；

S6、连接隔震装置与待隔震目标物(1)，保持待隔震目标物(1)的重心不高于吊篮(9)的中心；

所述防摆动隔震装置包括：安装架(2)、悬挂结构、摆杆(8)和吊篮(9)；

所述安装架(2)为截面为圆形或正多边形的框架；所述悬挂结构能够进行竖直方向的隔震，且与所述安装架(2)固定连接；所述摆杆(8)一端与所述悬挂结构连接，另一端与所述吊篮(9)连接；所述吊篮(9)用于连接待隔震目标物(1)；

所述悬挂结构包括：弹簧上板(5)、隔震弹簧(6)和弹簧下板(7)，所述弹簧上板(5)与所述安装架(2)的内壁固定连接；

所述待隔震目标物(1)为细长结构，并设有固定结构，所述吊篮(9)设有能够使所述固定结构穿过的孔；

所述弹簧上板(5)和所述弹簧下板(7)均设有能够使所述固定结构穿过的孔；

所述吊篮(9)包括上端面、下端面和连接柱，上端面与下端面均为环形，且互相平行，并通过多个所述连接柱连接。

2.根据权利要求1所述的防摆动隔震方法，其特征在于，所述安装架(2)的截面形状为圆形；所述吊篮(9)的截面形状为正多边形或圆形，且所述吊篮(9)与安装架(2)的轴线共线。

3.根据权利要求1所述的防摆动隔震方法，其特征在于，所述隔震弹簧(6)设有至少3根，且所述隔震弹簧(6)的两端分别与所述弹簧上板(5)和弹簧下板(7)固定连接；

所述弹簧下板(7)与所述摆杆(8)连接。

4.根据权利要求1所述的防摆动隔震方法，其特征在于，所述隔震弹簧(6)沿所述安装架(2)内壁周向均匀设置；

所述隔震弹簧处于自由状态时，所述弹簧上板(5)和弹簧下板(7)均处于水平状态。

5.根据权利要求4所述的防摆动隔震方法，其特征在于，所述弹簧上板(5)与安装架(2)的内壁通过连接块(3)固定连接；

所述弹簧上板(5)和安装架(2)的内壁均通过螺栓(4)与所述连接块(3)连接；

所述安装架(2)的内壁预留螺栓(4)连接孔。

6.根据权利要求1所述的防摆动隔震方法，其特征在于，所述摆杆(8)设有3根，沿所述安装架(2)内壁周向均匀设置；

所述摆杆(8)与所述悬挂结构、所述吊篮(9)均通过万向铰连接。

7.根据权利要求1所述的防摆动隔震方法，其特征在于，所述步骤S1中：

水平隔震周期T_h和水平震动周期T_sh，满足T_h＞2·T_sh；

竖直隔震周期T_v和竖直震动周期T_sv，满足T_v＞2·T_sv。

8.根据权利要求1所述的防摆动隔震方法，其特征在于，所述步骤S2中，摆杆(8)长度l满足：

g为重力加速度。

9.根据权利要求1所述的防摆动隔震方法，其特征在于，所述步骤S4中，隔震弹簧(6)的根数N满足：

F_M为隔震弹簧(6)能够承受的最大作用力；k为隔震弹簧(6)的劲度系数；m为待隔震目标物(1)的质量；m₀为防摆动隔震装置的摆杆(8)、吊篮(9)和弹簧下板(7)的质量和。