CN111910789B - 基于竖向变刚度及水平自复位的多维隔震支座 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于竖向变刚度及水平自复位的多维隔震支座，主要由套筒构件、下连接板、侧围板、混凝土、上连接板、SMA自复位组件组成。强烈竖向地震激励下，内核发生屈曲，其竖向刚度将大幅度减小以实现隔震；水平方向，内核上部焊接套环，各套环间及套环与侧围板通过SMA自复位组件连接，结构隔震层可发生一定侧移实现水平隔震，并且在发生侧移后可通过SMA自复位组件实现复位。内核与外管可能发生接触的位置可布置传感器，以监测支座的工作状态。与现有技术相比，本发明利用压杆屈曲后的刚度变化及水平发生侧移后能自复位特性实现多维隔震，适用于竖向振动起控制作用的结构多维隔震中，并且具有构造简单、成本较低及可靠度较高的特点。

Description

基于竖向变刚度及水平自复位的多维隔震支座

技术领域

本发明属于隔震支座技术及健康监测领域，尤其是涉及基于竖向变刚度及水平自复位的多维隔震支座。

背景技术

由于能有效隔离地震波对上部结构的作用，隔震支座吸引了工程界和学术界的广泛关注。目前，建筑结构隔震设计时一般只考虑隔离水平地震作用，较少考虑竖向隔震。广泛应用于实际工程的叠层橡胶支座、滑动隔震支座及滚动隔震支座等在减小水平地震作用方面表现良好，但是不具备竖向隔震的效果，甚至具有一定的放大效应。

与水平隔震不同，结构竖向隔震需考虑自身重力的影响。现阶段应用于建筑结构能实现竖向隔震的隔震支座主要有厚肉橡胶支座、弹簧支座、气压及液压等支座。2011年，魏陆顺提出一种由一水平橡胶支座及一竖向橡胶垫组成的三维隔震(振)支座。竖向加载刚度及频率特性以及其在北京某地铁上盖框架建筑中的加速度时程实测结果表明，该支座有着良好的竖向及水平隔震和隔振效果，具有一定的工程实用价值。2005年至2011年，张玉敏及赵亚敏等提出一种由碟形弹簧组成的隔震支座，振动台试验结果显示结构隔震层发生较大的竖向变形，而上部结构的层间相对位移变化不大，具有明显的竖向隔震效果。2016年，尚守平提出由混凝土上墩块、下墩块、沥青油膏及螺旋弹簧组成的三维隔震墩，该支座隔震效果良好、构造简单、价格低廉，适合于在高烈度的农村地区住宅隔震中推广应用，不过支座承载力较低，只能用于1～3层村镇建筑及文物保护建筑。2011年，Fujita研发由空气弹簧支座及地震预警装置组成的智能空气弹簧隔震系统，非地震作用时，上部结构荷载由钢柱承担。地震发生时，P波感应器检测到地震波并将信号传送至控制系统，此时压缩机启动向空气弹簧支座内充气，抬升结构实现隔震的目的，能有效隔离近场地震作用。2013年，Tomizawa提出一种利用装置中油管内阻尼油流动达到隔震的目的，当上部结构发生竖向运动或摇摆运动时，管内阻尼油发生流动，消耗地震能量，实现隔震。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有隔震支座技术存在的不足而提供基于竖向变刚度及水平自复位的多维隔震支座，本发明利用支座内压杆屈曲前后的刚度变化实现竖向隔震，相比于线性隔震系统其可同时满足正常使用状态下的较大竖向刚度要求以及强烈地震激励下较小竖向刚度的要求；利用SMA记忆合金的自复位功能实现水平隔震，并且可通过合理的传感器布置实现监测功能，适用于竖向振动起控制作用的结构多维隔震中。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种基于竖向变刚度及水平自复位的多维隔震支座，所述多维隔震支座包括套筒构件、上连接板、下连接板、侧围板及SMA自复位组件，所述套筒构件由套筒内核与套筒外管组成，所述套筒内核与套筒外管间留有的一定间隙为套筒空腔，所述套筒构件位于侧围板内，采用阵列布置，所述侧围板与套筒外管间填充混凝土，所述侧围板下端与下连接板连接，所述侧围板上端与上连接板之间留有一定间隙保证上连接板具有一定的竖向位移空间，所述套筒内核和套筒外管的下端均与下连接板连接，所述套筒内核的上端与上连接板连接，各相邻的套筒内核之间通过SMA自复位组件连接，靠近侧围板的套筒内核与侧围板之间通过SMA自复位组件连接，所述套筒内核用于承受轴向压力，所述套筒外管用于约束套筒内核变形，所述SMA自复位组件用于使得上连接板发生侧移后复位。

所述套筒内核由于强烈地震作用或其它振动激励承载增大从而发生屈曲，其竖向刚度大幅度减小，使得上部结构自振周期偏离振动卓越周期，从而实现对上部结构的隔离作用，所述套筒外管用于约束内核侧移的进一步发展，避免其发生过大变形的同时保证其承载力不降低。相比于线性系统，本发明可利用支座竖向刚度可变的特性降低支座静态能量的储存，利用率较高。

在本发明的一个实施方式中，所述套筒内核外壁可设置传感器，当套筒内核屈曲后侧移发展到与套筒外管内壁接触时，所述传感器发出预警信号，实现监测功能。

在本发明的一个实施方式中，所述套筒内核上部焊接套环，各相邻的套筒内核上焊接的套环之间通过SMA自复位组件连接，靠近侧围板的套筒内核上焊接的套环与侧围板之间通过SMA自复位组件连接。

通过对SMA自复位组件施加预应力使得套筒内核及上连接板在静力平衡状态下位于中心位置；在水平地震激励下，上连接板允许一定程度上发生侧移，从而实现对上部结构的隔离作用，所述SMA自复位组件能够使得上连接板在发生侧移后及时复位。

在本发明的一个实施方式中，所述套筒构件数目可根据设计承载力需求进行调整，所述套筒构件布置方式也可根据实际结构需求进行调整，选择正方形、长方形或圆形阵列布置。

在本发明的一个实施方式中，所述下连接板与上连接板选择正方形、长方形或圆形。

在本发明的一个实施方式中，所述侧围板下端与下连接板、所述套筒内核与上连接板及下连接板、所述套筒外管下端与下连接板连接通过焊接连接。

在本发明的一个实施方式中，所述下连接板与上连接板上均开设有连接孔，支座与所应用结构通过所述连接孔连接，连接方式为螺栓连接或锚栓连接。

在本发明的一个实施方式中，所述SMA自复位组件与侧围板通过螺栓与螺母进行连接。

在本发明的一个实施方式中，所述SMA自复位组件采用本领域常规结构即可，如SMA绞线，通过装配前在套筒内核上部即焊接套环，并在套环与套筒内核间留有小孔保证SMA绞线穿过实现连接。SMA自复位组件材料可选用Ti Ni形状记忆合金等，利用合金的超弹性特性实现复位功能和耗能功能。

在本发明的一个实施方式中，所述侧围板顶部可通过焊接方式增设一环向加劲板，避免侧围板顶部位置在拉力作用下发生局部破坏。所述加劲板与侧围板之间通过焊缝连接。

本发明的工作原理为：

本发明基于竖向变刚度及水平自复位的多维隔震支座，对上部结构的振动隔离主要通过其竖向刚度变化特性及水平发生侧移后能自复位的特性实现。多维隔震支座主要由套筒构件、下连接板、侧围板、混凝土、上连接板、SMA自复位组件组成，竖直方向，正常使用状态时，多维隔震支座竖向刚度较大，能满足上部结构的沉降限值要求。当支座上部结构受到地震作用或列车行车荷载等振动时，支座所承受的竖向荷载增大，套筒构件中的套筒内核将发生屈曲，其竖向刚度也将大幅度减小，从而使得上部结构自振周期偏离振动卓越周期，能有效隔离地面竖向振动；套筒构件中套筒外管的设置可以限制套筒内核屈曲侧移的进一步发展，提高套筒内核极限承载力，改善其屈曲后性能；同时可以在套筒内核与套筒外管可能发生接触的位置布置传感器，以监测支座的工作状态。水平方向，套筒内核上部焊接套环，各套环间及套环与侧围板间通过SMA自复位组件连接，结构隔震层可发生一定侧移实现水平隔震，并且在发生侧移后可通过SMA自复位组件实现复位。本发明利用压杆屈曲后的刚度变化及SMA记忆合金的自复位功能实现多维隔震，适用于竖向振动起控制作用的结构多维隔震中，并且具有构造简单、成本较低及可靠度较高的特点。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1、功能强大独特：通过其竖向刚度变化特性及水平发生侧移后能自复位的特性实现能实现对上部结构可实现对上部结构的多维振动隔离，并且可以对支座内的变形进行监测。

2、利用率高：支座在正常工作状态下能保持较大刚度，而随着荷载增大支座竖向刚度将大幅度减小实现隔震。若支座为线性刚度，为保证较好的隔震效率其刚度不宜过大，但是会造成正常使用状态下其变形过大的不利之处。本发明可利用支座的变刚度特性降低支座静态能量的储存，利用率较高。

3、应用范围广：适用于竖向振动起控制作用的结构多维隔震中，可应用于大跨度网壳结构多维隔震，或者桥梁墩柱、地铁盖板等部位的隔振中。

4、安全可靠：结构构造简单，易于制作，不易损坏，可以长期使用。

本发明利用支座刚度可变的特性能同时满足正常使用状态下较大的刚度需求及强烈地震激励下较小的刚度需求，利用SMA自复位组件可以实现对上部结构的水平振动隔离作用，并且可以通过合理的传感器布置监测支座工作状态，适用于竖向振动起控制作用的结构多维隔震中。

附图说明

图1为实施例1中基于竖向变刚度及水平自复位的多维隔震支座主视剖面结构示意图；

图2为图1中1-1剖面结构示意图；

图3为图1中2-2剖面结构示意图；

图4为实施例2中基于竖向变刚度及水平自复位的多维隔震支座俯视结构示意图。

图中标号所示：1、套筒内核，2、套筒空腔，3、套筒外管，4、下连接板，5、连接孔，6、侧围板，7、混凝土，8、上连接板，9、传感器，10、套环，11、SMA自复位组件，12、螺栓，13、螺母，14、加劲板，15、焊缝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

参考图1、图2、图3。

本实施例提供一种基于竖向变刚度及水平自复位的多维隔震支座，所述多维隔震支座包括套筒构件、上连接板8、下连接板4、侧围板6及SMA自复位组件11，所述套筒构件由套筒内核1与套筒外管3组成，所述套筒内核1与套筒外管3间留有的一定间隙为套筒空腔2，所述套筒构件位于侧围板6内，采用阵列布置，所述侧围板6与套筒外管3间填充混凝土7，所述侧围板6下端与下连接板4连接，所述侧围板6上端与上连接板8之间留有一定间隙保证上连接板8具有一定的竖向位移空间，所述套筒内核1和套筒外管3的下端均与下连接板4连接，所述套筒内核1的上端与上连接板8连接，各相邻的套筒内核1之间通过SMA自复位组件11连接，靠近侧围板6的套筒内核1与侧围板6之间通过SMA自复位组件11连接，所述套筒内核1用于承受轴向压力，所述套筒外管3用于约束套筒内核1变形，所述SMA自复位组件11用于使得上连接板8发生侧移后复位。

所述套筒内核1由于强烈地震作用或其它振动激励承载增大从而发生屈曲，其竖向刚度大幅度减小，使得上部结构自振周期偏离振动卓越周期，从而实现对上部结构的隔离作用，所述套筒外管3用于约束内核1侧移的进一步发展，避免其发生过大变形的同时保证其承载力不降低。相比于线性系统，本发明可利用支座竖向刚度可变的特性降低支座静态能量的储存，利用率较高。

本实施例中，所述套筒内核1外壁可设置传感器9，当套筒内核1屈曲后侧移发展到与套筒外管3内壁接触时，所述传感器9发出预警信号，实现监测功能。

本实施例中，所述套筒内核1上部焊接套环10，各相邻的套筒内核1上焊接的套环10之间通过SMA自复位组件11连接，靠近侧围板6的套筒内核1上焊接的套环10与侧围板6之间通过SMA自复位组件11连接。

通过对SMA自复位组件11施加预应力使得套筒内核1及上连接板8在静力平衡状态下位于中心位置；在水平地震激励下，上连接板8允许一定程度上发生侧移，从而实现对上部结构的隔离作用，所述SMA自复位组件11能够使得上连接板8在发生侧移后及时复位。

所述套筒构件数目可根据设计承载力需求进行调整，所述套筒构件布置方式也可根据实际结构需求进行调整，本实施例中，选择正方形阵列布置。所述下连接板4与上连接板8选择正方形。

本实施例中，所述侧围板6下端与下连接板4通过焊接连接所述套筒内核1与上连接板8及下连接板4、所述套筒外管2下端与下连接板4连接通过焊接连接。

本实施例中，所述下连接板4与上连接板8上均开设有连接孔5，实施过程中在与支座相连的结构中预埋螺栓或锚栓，进而实现结构与下连接板4或上连接板8连接。

本实施例中，所述SMA自复位组件11与侧围板6通过螺栓12与螺母13进行连接。

本实施例中，，所述SMA自复位组件11采用本领域常规结构即可，如SMA绞线，通过装配前在套筒内核1上部即焊接套环10，并在套环10与套筒内核1间留有小孔保证SMA绞线穿过实现连接。

本实施例中，所述侧围板6顶部可通过焊接方式增设一环向加劲板14，避免侧围板6顶部位置在拉力作用下发生局部破坏。所述加劲板14与侧围板6之间通过焊缝15连接。

本实施例中，所述套筒内核1为实心钢棒或圆管、方管或矩形管等空心截面构件，所述套筒外管3为圆管、方管或矩形管等空心截面构件。

实施例2

参考图4。

基于竖向变刚度及水平自复位的多维隔震支座，所述下连接板4、上连接板8、下连接板4与上连接板8为圆形构造，侧围板6为环形构造，以满足与实际结构连接的截面要求，进一步地，支座截面也可以调整为其它形状，所述由套筒内核、套筒空腔与套筒外管组成的套筒构件也根据截面形状调整其排布方式。

以上实施例中，上连接板、下连接板、套筒内核、套筒外管、侧围板可采用延性好、韧性好的金属材料或合金材料，例如建筑结构钢材或铝合金材料。混凝土仅起填充作用，选用C30标号商品混凝土即可。SMA自复位组件材料可选用Ti Ni形状记忆合金等，利用合金的超弹性特性实现复位功能和耗能功能。

以上实施例中的工作原理为：

本发明基于竖向变刚度及水平自复位的多维隔震支座，对上部结构的振动隔离主要通过其竖向刚度变化特性及水平发生侧移后能自复位的特性实现。多维隔震支座主要由套筒构件、下连接板、侧围板、混凝土、上连接板、SMA自复位组件组成，竖直方向，正常使用状态时，多维隔震支座竖向刚度较大，能满足上部结构的沉降限值要求。当支座上部结构受到地震作用或列车行车荷载等振动时，支座所承受的竖向荷载增大，套筒构件中的套筒内核将发生屈曲，其竖向刚度也将大幅度减小，从而使得上部结构自振周期偏离振动卓越周期，能有效隔离地面竖向振动；套筒构件中套筒外管的设置可以限制套筒内核屈曲侧移的进一步发展，提高套筒内核极限承载力，改善其屈曲后性能；同时可以在套筒内核与套筒外管可能发生接触的位置布置传感器，以监测支座的工作状态。水平方向，套筒内核上部焊接套环，各套环间及套环与侧围板间用SMA自复位组件连接，结构隔震层可发生一定侧移实现水平隔震，并且在发生侧移后可通过SMA自复位组件实现复位。本发明利用压杆屈曲后的刚度变化及SMA记忆合金的自复位功能实现多维隔震，适用于竖向振动起控制作用的结构多维隔震中，并且具有构造简单、成本较低及可靠度较高的特点。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于竖向变刚度及水平自复位的多维隔震支座，其特征在于，所述多维隔震支座包括套筒构件、上连接板（8）、下连接板（4）、侧围板（6）及SMA自复位组件（11），所述套筒构件由套筒内核（1）与套筒外管（3）组成，所述套筒内核（1）与套筒外管（3）间留有的一定间隙为套筒空腔（2），所述套筒构件位于侧围板（6）内，采用阵列布置，所述侧围板（6）与套筒外管（3）间填充混凝土（7），所述侧围板（6）下端与下连接板（4）连接，所述侧围板（6）上端与上连接板（8）之间留有一定间隙保证上连接板（8）具有一定的竖向位移空间，所述套筒内核（1）和套筒外管（3）的下端均与下连接板（4）连接，所述套筒内核（1）的上端与上连接板（8）连接，各相邻的套筒内核（1）之间通过SMA自复位组件（11）连接，靠近侧围板（6）的套筒内核（1）与侧围板（6）之间通过SMA自复位组件（11）连接，所述套筒内核（1）用于承受轴向压力，所述套筒外管（3）用于约束套筒内核（1）变形，所述SMA自复位组件（11）用于使得上连接板（8）发生侧移后复位；

所述套筒内核（1）由于强烈地震作用或其它振动激励承载增大从而发生屈曲，其竖向刚度大幅度减小，使得上部结构自振周期偏离振动卓越周期，从而实现对上部结构的隔离作用，所述套筒外管（3）用于约束内核（1）侧移的进一步发展，避免其发生过大变形的同时保证其承载力不降低；

通过对SMA自复位组件（11）施加预应力使得套筒内核（1）及上连接板（8）在静力平衡状态下位于中心位置；在水平地震激励下，上连接板（8）允许一定程度上发生侧移，从而实现对上部结构的隔离作用，所述SMA自复位组件（11）能够使得上连接板（8）在发生侧移后及时复位。

2.根据权利要求1所述基于竖向变刚度及水平自复位的多维隔震支座，其特征在于，所述套筒内核（1）外壁设置传感器（9），当套筒内核（1）屈曲后侧移发展到与套筒外管（3）内壁接触时，所述传感器（9）发出预警信号，实现监测功能。

3.根据权利要求1所述基于竖向变刚度及水平自复位的多维隔震支座，其特征在于，所述套筒内核（1）上部在装配前即焊接套环（10），所述套环（10）与所述内核（1）间留有小孔便于SMA自复位组件（11）穿过，所述套筒内核（1）各相邻的套筒内核（1）上焊接的套环（10）之间通过SMA自复位组件（11）连接，靠近侧围板（6）的套筒内核（1）上焊接的套环（10）与侧围板（6）之间通过SMA自复位组件（11）连接。

4.根据权利要求1所述基于竖向变刚度及水平自复位的多维隔震支座，其特征在于，所述套筒构件数目根据设计承载力需求进行调整，所述套筒构件布置方式根据实际结构需求进行调整，选择正方形、长方形或圆形阵列布置。

5.根据权利要求1所述基于竖向变刚度及水平自复位的多维隔震支座，其特征在于，所述下连接板（4）与上连接板（8）选择正方形、长方形或圆形。

6.根据权利要求1所述基于竖向变刚度及水平自复位的多维隔震支座，其特征在于，所述侧围板（6）下端与下连接板（4）、所述套筒内核（1）与上连接板（8）及下连接板（4）、所述套筒外管（3）下端与下连接板（4）连接通过焊接连接；

所述SMA自复位组件（11）与侧围板（6）通过螺栓（12）与螺母（13）进行连接。

7.根据权利要求1所述基于竖向变刚度及水平自复位的多维隔震支座，其特征在于，所述下连接板（4）与上连接板（8）上均开设有连接孔（5），支座与所应用结构通过连接孔（5）连接，连接方式为螺栓连接或锚栓连接。

8.根据权利要求1所述基于竖向变刚度及水平自复位的多维隔震支座，其特征在于，所述侧围板（6）顶部通过焊接方式增设一环向加劲板（14），避免侧围板（6）顶部位置在拉力作用下发生局部破坏。

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