CN1119485C - 外力缓冲摩擦支承组件和建筑物的隔震方法 - Google Patents

外力缓冲摩擦支承组件和建筑物的隔震方法 Download PDF

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Abstract

本发明为建筑物的一种地震或振动隔离装置，它简单、成本低、便于使用在较小建筑物中。它使用支承，该支承包括插入在建筑物及其地基之间的一球10和球座12、18。球本身24或球在其上滚动的座表面15可压缩，压缩阻力生成抵抗该球的滚动的一摩擦制动力，用来阻尼该建筑物及其地基之间的相对运动。摩擦球有若干种结构，摩擦球在该支承装置中为优选中心件。在球和座的每一组合中可有多个球44、47。

Description

外力缓冲摩擦支承组件和建筑物的隔震方法
技术领域
本发明涉及一种摩擦制动装置，特别涉及一主要用于隔离地震和振动的摩擦球。
现有技术
地震隔离是把建筑物与地震所造成的力隔离开来并缓冲所隔离建筑物上所受到的地震力。新西兰专利178949说明了一种可如此成功隔离建筑物的支承。该发明的优选实施例为一铅橡胶支承。对地震隔离和铅橡胶的更综合讨论见＂地震隔离导论＂，Skinner et，JohnWylie and Sons(1993)。
另一种建筑物隔震装置是美国加利福尼亚的地震保护系统公司(Earthquake Protection Systems Inc，of Alameda，Califomia，USA)用商标＂Frictional Pendulum＂销售的一种支承。这种支承由一摆件构成，该摆件的远端有一摩擦表面在一抛光表面上滑动，见美国专利4,644,714。
另一种地震隔离装置见美国专利4,726,161。该装置包括一可滚动支承和一碗。一弹簧使该可滚动支承压靠该碗。该组合装置缓冲作用在一支撑在所述可滚动支承上的建筑物上的地震力。
美国专利5,599,106说明了一种地震隔离支承。该支承包括分别有朝下和朝上刚性表面的上部和下部负载板，其中至少一个表面呈锥形。一刚性球夹在两板之间。当一外力使得一负载板相对另一负载板发生横向位移时，该球沿一锥形表面向上滚动；当外力撤销时，重力使得该球回到锥形表面中央。
WO97/48866所述发明为一由一夹在一地基和一建筑物之间的球构成的隔震器。该球装在一固定在该建筑物底面上的笼状构件中。它在地基的一半球形表面上滚动。
在所有上述现有装置中，支承件或球及其滚动表面是不可压缩的。这就是说，当所支撑的建筑物与支承抵靠其上的表面之间发生相对运动时，除了建筑物本身重量，没有其他制动力。如果造成该相对运动的外力的持续时间很长，建筑物需花相当长的时间才会静止下来。
本发明的一个目的是向克服这一缺点迈出一步，或至少为大家提供一种有用的选择。
本发明概述
本发明广义地说涉及一种外力缓冲支承组件，包括：
一上表面，其用于支承一建筑物；
一可与所述上表面合作的下表面；和
一摩擦球，其可被置于所述上表面和所述下表面之间以支承所述建筑物；
所述摩擦球包括一由颗粒材料制成的芯部和包裹所述芯部的一外层，当支承所述建筑物时，所述球变形，所述变形在所述颗粒材料的颗粒之间在所述球中产生抵抗滚动的摩擦力以缓冲施加于所述下表面或所述上表面上的外力。
在一替换实施例中，所述外力是作用在所述下表面上的地震力。
在另一替换实施例中，所述外力是通过所述建筑物作用在所述上表面上的风力。
优选是，所述颗粒材料为具有如文中所述结构的许多小摩擦球，其直径足够小，从而所述芯中有许多所述摩擦球。
更优选的是，所述颗粒材料为砂、石英、玻璃、钢、金属球或球形或非球形球。
所述芯优选部分地用材料填充。
所述芯也可全部用材料填充。
在第三替换实施例中，所述芯填充至5MPa静水压。
所述芯也可填充到20MPa静水压。
所述芯也可填充到达到所述外层的极限强度的静水压。
所述外层优选为橡胶。
所述橡胶外层更优选为加固橡胶。
所述橡胶优选用纤维、金属丝、碳纤维、绳、橡胶线等加固。
在另一实施例中，所述摩擦球为一层状结构，其包括围绕一中央芯部的两层或多层。
在一实施例中，所述摩擦球的外表面为具有高摩擦系数的高弹体。
在另一实施例中，所述摩擦外表面为具有一胎面的橡胶。
在另一实施例中，所述外表面没有胎面，但为粗糙表面。
优选地，所述摩擦球的形状呈可滚动的任何几何形状。
优选地，所述摩擦球未发生变形的形状呈球形。
所述摩擦球未发生变形的形状也可呈椭圆形。
所述摩擦球未发生变形的形状也可呈椭球形。
所述上表面和下表面中至少之一优选是凹面或圆锥面。
更优选地，所述两表面都是凹面。
优选地，所述一个或两个凹入表面可为球面、抛物面或由多项式、三角或双曲线函数或任何其他光滑曲线或这些曲线的组合界定的表面。
所述表面也可为圆锥面。
优选地，在所述一个或两个凹入或圆锥面中有一接受所述摩擦球的支座。
优选地，所述支座呈凹面，其曲率半径小于所述凹入表面的曲率半径。
优选地，所述下表面可装在一地基件上。
优选地，所述地基件为一桩。
更优选地，所述地基件为一基础内墙或外墙。
优选地，所述上表面可装在一由其支承的建筑物底部上。
所述上表面也可是与一建筑物制成一体的部分。
在又一替换实施例中，多个所述摩擦球抵靠在每一所述下表面上。
在一实施例中，有三个所述摩擦球。
在另一实施例中，有七个所述摩擦球。
优选地，所述下部凹入表面中有一接受所述多个摩擦球的支座，该支座的形状使得所述各球的顶面在所述各球的接触区域上均匀地接触所述上表面。
在另一实施例中，本发明广义地涉及建筑物的一种隔震方法，包括把(按上文所定义的)多个支承组件插入在一建筑物与所述建筑物的预定数量的地基点之间，在所述地基点上所述下表面被定位。
在一替换实施例中，所述支承组件在所述建筑物建造时安装。
在另一实施例中，所述支承组件改装在一已有建筑物及其地基之间。
优选地，所述支承组件位于所有地基件上方。
优选地，所述地基件为桩。
所述地基件也可为周边墙或内墙。
优选地，所述建筑物为房子。
本发明广义地说还涉及本申请说明书所述或所示分别或集体而言的各部件、各元件和各特征；两个或多个所述部件、元件或特征的任何或所有组合，此外，如本文中提到的具体实施例中具有与本发明有关的公知等同物，这类公知等同物应看成分别包括在此。
本发明涉及上述内容并包括以下例示性结构。
附图的简要说明
下面结合附图说明本发明一优选实施例，附图中：
图1为一建筑物、一座和一球的示意图，示出它们的理论上的相对运动。
图2为插入在一对座之间的一球的示意剖视图。
图3为本发明摩擦球一实施例的示意剖视图，它处于静止位置，在抵靠其上的一建筑物的重力作用下发生变形。
图4为本发明一优选实施例的下凹上部座和下部座的示意图。
图5为具有一对支座的本发明一优选实施例的上部座和下部座的示意剖视图。
图6和7为本发明摩擦球一分层实施例的剖面图。
图8为本发明一建筑物、一座和一球的示意图，其中，摩擦变形主要发生在该座中，
图9为其上有三个摩擦球的一下部座的俯视图。
图10为其上有七个摩擦球的一下部座的俯视图。
本发明实施方式
把支承插入在较小建筑物底下进行建筑物隔震的实际困难之一是需要使建筑物可相对地基作足够的移动，以便发生阻尼。图1示出一具有弧形顶面14的下部座12，一球10抵靠在该顶面上。为表示起见，该球未变形；而在本发明实施例中，该球变形。一建筑物16或建筑物16的一部分抵靠在球10的顶面上。当建筑物16从左向右移动到图1中虚线所示位置时，球10沿半径为R的曲面14向上移动到位置10a。由于球10的顶面和底面都与一表面接触，因此当球10水平移动距离为Δx、垂直移动距离为Δy时，建筑物16的水平移动距离为2Δx。由一滚动球实现的机械优点被用于本发明的摩擦球概念中，从而在地震力作用期间，在建筑物和地基之间产生相对的运动。
图2和3示出本发明一摩擦球10。图2示出该球未变形。图3示出该球在建筑物的重压下发生变形。在图2和3实施例中，该摩擦球由一芯22和一外层24构成。
可用各式各样的材料制作摩擦球。摩擦球要能隔震，其第一特性是在待隔震的建筑物的重力作用下它必须能变形。第二特性是，在变形状态下，摩擦球中的摩擦力增加，以便抵抗滚动。
在图2和3所示结构中，外层优选用高弹体、最好用橡胶制成。其用途和功能与车轮轮胎上的胎面十分相似。因此，适合于制作和加固胎面的材料同样适合于制作外层24。外层24可有一胎面；也可无胎面，但其表面粗糙，以提高该表面与它抵靠其上的座之间的摩擦力。外层可用各种纤维、金属丝、碳纤维和橡胶线之类材料加固。
芯22可用若干种材料构成。它最好由砂、石英粒子、玻璃珠、钢球、水泥球或金属球之类颗粒材料构成。材料的几何形状可规则，也可不规则。主要标准是，当摩擦球10变形时，颗粒材料受压缩，从而颗粒间的摩擦力增大。
在一优选实施例中，芯22中的颗粒材料可为许多摩擦球。这些摩擦球的结构可如上所述。即，它们可为实心、由一外层包住的一芯或呈多层结构。但是，作为颗粒材料，其直径当然比由该芯中许多摩擦球构成的摩擦球的直径小得多。只要满足本文所述其他标准，这些摩擦球的直径和形状可一致，也可不一致。
芯22可用铅、水泥、木头、橡胶或金属之类可压缩固体材料制成，与外层的变形一起提高摩擦力，从而抵抗球的滚动。
芯22可局部或全部填充到例如20MPa的静水压。可以看到，芯上的压力当它受其上建筑物重压而发生变形时增大，外层24也应相应构作。
在一实施例中，摩擦球可呈例如实心橡胶或其他实心高弹体的均质结构。
只要能在一建筑物与一座之间滚动，球的形状无关紧要。球的最简单形状为球形。但是，也可为椭圆形(在一平面中呈椭圆，在另一平面中呈圆形)、椭球形(在两个平面中呈具有相同或不同的长短轴的椭圆)或其他类似形状。只要在力的作用下可滚动，球的表面可光滑，也可不光滑。球的表面可为平面或压平的平面，可粗糙，也可光滑。
如图6和7所示，本发明摩擦球可由一芯22和一外层24和其间的若干层23、25、27和29构成。每一中间层可为实心或颗粒材料；只要整个结构可变形，中间层可变形，也可不变形；如可变形，则较之不变形摩擦球，滚动阻力增加。
摩擦球可用较廉价的材料制成。这在遭受地震的欠发达国家中特别有利。可用砂填充足球内部而制成摩擦球。也可在兽皮之类较廉价材料中填充砂或砾石之类颗粒材料。
图4和5示出摩擦球放置其中的两座。在图4中，一上部座18与一下部座12之间有一球10(其在一建筑物放置在上部座18上时变形)。球10的顶面抵靠上部座18的弧形底面20。球10的底面抵靠在下部座12的弧形顶面14上。
座18和12的表面20和14可呈任何形状的曲面，例如球面、抛物面。它也可呈圆锥面。在摩擦球达到静止时圆锥面特别有助于摩擦球对中。
在图5实施例中，其底面为平面19的一座16有一支座或弧形凹进部26。其顶面14下凹的相对座12也有一弧形凹进部28。当摩擦球10位于支座26和28中时，该建筑物位于所要求中央位置。在该优选实施例中，摩擦球10可发生足够大的变形，从而处于所述中央位置时它按照支座26和28的形状变形。
按照本发明，生成隔震所用抵抗滚动的摩擦力的变形可发生在摩擦球中，也可发生在座中。在图8所示实施例中，具有球面14的一座12有一可变形层15。层15用在本发明其他实施例中结合摩擦球所述可变形材料制成。在图8实施例中，一球11基本上不变形。它使层15变形成点划线17所示深度。在该座与抵靠在球11上的建筑物之间相对运动时球11移动到位置11a。层15中的摩擦力抵抗该滚动，从而在摩擦阻力使球在位置11a上停止转动前建筑物16只移动图8所示距离Δx。
当本发明摩擦球用于隔震时，选择好待隔震建筑物在其地基上的抵靠点。最好在每一这样的点安装上部和下部座和一摩擦球。可把摩擦球只安装在一个座上，但最好两边各有一座。两边上的座也可有如图5所示的支座26和28。这些座可用任何合适固体材料制成，例如模制水泥或木头等。
如果建筑物发生位移后一个或多个摩擦球不回复到支座26和28，可机械移动该建筑物而使它回复到其对中位置。
如图9和10所示，本发明的另一变型是在由球、座组合的上下座之间设置多个球。
图9和10中的座40与图4、5和8中所示下部座类似。有一凹进支座42(与图5中的支座28类似)，其曲率半径小于座40下凹顶面的曲率半径。在图9中，凹进支座42中有三个摩擦球44。在图10中有七个摩擦球46和47。外部六个球(标号为47)环绕一中心球46。由于这些球堆积在支座42表面上，因此尽管中心球46的直径与球47相同，其顶面也会稍稍抬高。为作出补偿，可在支座42中心设置与图5中支座28类似的另一支座。
最好是，建筑物或上部座在各球44、46和47的顶面上的重量均匀分布。由于在支撑建筑物的重量时或是球本身或是它们抵靠其上的表面发生变形，因此重量分布是否均匀无关紧要，但重量最好均匀分布。由于在支撑一重量时或是球或是它们抵靠其上的表面发生变形，因此，即使各球之间的载荷分布不均匀，也会受到或是球本身或是它抵靠其上的表面的额外变形的补偿。
因此，是否有凹进支座无关紧要，但最好有凹进支座。
球的数量可任选，但可从2个到一上限，该上限决定于球和座的大小。球的数量应保证各球相切。最好为三个和七个，但本发明不受此限制。
使用多个球有其优点。由于受支撑重量分布到大量支撑件上，因此较之使用单个球，该装置可用来支撑更重建筑物。却件也可标准化。不管应用在什么场合，不管建筑物有多重，可使用同样大小的摩擦球。只要增加球的数量，就可支撑更重的建筑物。
在家居中，安装部位可为桩或地基的内墙和周边墙。
由于地震隔离涉及到建筑物与地基之间的相对运动，因此建筑物与地基之间必须留有间隙；在地震力作用在建筑物底下的地基上时，必须为建筑物与地基的相对运动留有足够余地。
当摩擦球的一阵列装在一建筑物及其地基之间、该地基受到地震力冲击时，建筑物与地基之间发生相对运动，同时球发生变形。在球横向移出座的边缘前球中的摩擦力抵抗滚动而使该相对运动减速。只要地震继续，该相对运动就会继续，变形摩擦球的滚动阻力就继续以缓冲地震力。
隔震在某一特定方向上的自然周期为 2 π R / g
其中，′R′为曲面在该方向、该位置上的曲率半径，′g′为重力加速度。
本领域普通技术人员可以看出，在设计摩擦球时，必须计算安装好的摩擦球的滚动阻力，使得摩擦球不水平滚出其座、地基上的建筑物不坍塌。对于填充颗粒材料、不预加应力的摩擦球，在进行该计算时，用于摩擦力、库仑力(coulomb)或塑性装置的摩擦系数μ为
μ＝4tanθ
其中，如图3所示，θ为从摩擦球中心到变形表面的垂直线与球恢复其自然曲率的变形端部之间的角度。
当摩擦球用可弹性变形的固体材料制成时，H R Hertz，＂Miscellaneous Papers＂(McMillan，London 1896)，第5和6章中所述的弹性材料理论有助于确定摩擦球的摩擦系数。
对于塑性变形实心摩擦球，可用Robinson and Truman，＂铝的连续压痕试验中的应力—应变曲线(Stress-Strain Curve for Aluminiumfor a Continuous Indentation Test)＂，Journal of Materials Science 12(1977)，1961-1965中所述的方法确定摩擦系数。
以上结合使用摩擦球实现建筑物与其地基的隔震说明了本发明。
摩擦球也可用来隔离同一建筑物的不同部分或隔离不同建筑物。例如，摩擦球可使用在利用摩擦的任何场合。这样的一个例子是可以使用在转动机械中，摩擦球可在转动机械中用作制动器或离合器。
本发明摩擦球或可变形座可使用在其他场合。例如可使用于小型工业建筑物的隔震。它们可用来缓冲其他振动源造成的振动。例如它们可用来隔离机械与该机械所在建筑物。
在本发明范围内的其他变动或组合对本发明普通技术人员来说是显然的。

Claims (43)

1、一种外力缓冲支承组件，包括：
一上表面，其用于支承一建筑物；
一可与所述上表面合作的下表面；和
一摩擦球，其可被置于所述上表面和所述下表面之间以支承所述建筑物；
所述摩擦球包括一由颗粒材料制成的芯部和包裹所述芯部的一外层，当支承所述建筑物时，所述球变形，所述变形在所述颗粒材料的颗粒之间在所述球中产生抵抗滚动的摩擦力以缓冲施加于所述下表面或所述上表面上的外力。
2、按权利要求1所述的支承组件，其特征在于，所述外力是作用在所述下表面上的地震力。
3、按权利要求1所述的支承组件，其特征在于，所述外力是通过所述建筑物作用在所述上表面上的风力。
4、按上述任一权利要求所述的支承组件，其特征在于，所述颗粒材料为具有所述结构的许多小摩擦球，其直径足够小，从而所述芯中有许多所述摩擦球。
5、按权利要求1-3中任一权利要求所述的支承组件，其特征在于，所述颗粒材料为砂、石英、玻璃、钢、金属球或球形或非球形球。
6、按权利要求1-3中任一权利要求所述的支承组件，其特征在于，所述芯的一部分用材料填充。
7、按权利要求1-3中任一权利要求所述的支承组件，其特征在于，所述芯全部用材料填充。
8、按权利要求1-3中任一权利要求所述的支承组件，其特征在于，所述芯填充至5MPa静水压。
9、按权利要求1-3中任一权利要求所述的支承组件，其特征在于，所述芯填充到20MPa静水压。
10、按权利要求1-3中任一权利要求所述的支承组件，其特征在于，所述芯填充到达到所述外层的极限强度的静水压。
11、按权利要求1-3中任一权利要求所述的支承组件，其特征在于，所述外层为橡胶。
12、按权利要求11所述的支承组件，其特征在于，所述橡胶外层为加固橡胶。
13、按权利要求12所述的支承组件，其特征在于，所述橡胶用纤维、金属丝、碳纤维、绳、橡胶线等加固。
14、按权利要求1-3中任一权利要求所述的支承组件，其特征在于，所述摩擦球为一层状结构，其包括围绕一中央芯部的两层或多层。
15、按权利要求1-3中任一权利要求所述的支承组件，其特征在于，所述摩擦球的外表面为具有高摩擦系数的高弹体。
16、按权利要求1-3中任一权利要求所述的支承组件，其特征在于，所述摩擦球有一橡胶外表面，其有一胎面。
17、按权利要求1-3中任一权利要求所述的支承组件，其特征在于，所述摩擦球的外表面没有胎面，但为粗糙表面。
18、按权利要求1-3中任一权利要求所述的支承组件，其特征在于，所述摩擦球的形状呈可滚动的任何几何形状。
19、按权利要求18所述的支承组件，其特征在于，所述摩擦球在它所支撑的重量使它发生变形前呈球形。
20、按权利要求18所述的支承组件，其特征在于，所述摩擦球在它所支撑的重量使它发生变形前呈椭圆形。
21、按权利要求18所述的支承组件，其特征在于，所述摩擦球在它所支撑的重量使它发生变形前呈椭球形。
22、按权利要求1-3中任一权利要求所述的支承组件，其特征在于，所述表面的至少之一是凹入的或圆锥形的。
23、按权利要求22所述的支承组件，其特征在于，所述两表面都是凹入的。
24、按权利要求22所述的支承组件，其特征在于，所述一个或两个凹入表面可为球面、抛物面或由多项式、三角或双曲线函数或任何其他光滑曲线或这些曲线的组合界定的表面。
25、按权利要求22所述的支承组件，其特征在于，所述表面为圆锥面。
26、按权利要求22所述的支承组件，其特征在于，在所述一个或两个凹入或圆锥面中有一接受所述摩擦球的支座。
27、按权利要求26所述的支承组件，其特征在于，所述支座呈凹面，其曲率半径小于所述凹入表面的曲率半径。
28、按权利要求1-3中任一权利要求所述的支承组件，其特征在于，所述下表面可装在一地基件上。
29、按权利要求28所述的支承组件，其特征在于，所述地基件为一桩。
30、按权利要求28所述的支承组件，其特征在于，所述地基件为一基础内墙或外墙。
31、按权利要求1-3中任一权利要求所述的支承组件，其特征在于，所述上表面可装在一建筑物底部上。
32、按权利要求1-3中任一权利要求所述的支承组件，其特征在于，一所述上表面是与一建筑物制成一体的部分。
33、按权利要求1所述的支承组件，其特征在于，多个所述摩擦球抵靠在每一所述下表面上。
34、按权利要求33所述的支承组件，其特征在于，有三个所述摩擦球。
35、按权利要求33所述的支承组件，其特征在于，有七个所述摩擦球。
36、按权利要求34或35所述的支承组件，其特征在于，所述下部凹入表面中有一接受所述多个摩擦球的支座，该支座的形状使得所述各球的顶面在所述各球的接触区域上均匀地接触所述上表面。
37、建筑物的一种隔震方法，包括把按上述任一权利要求所述的多个支承组件插入在一建筑物与所述建筑物的预定数量的地基点之间，在所述地基点上所述下表面被定位。
38、按权利要求37所述的方法，其特征在于，所述支承组件在所述建筑物建造时安装。
39、按权利要求37所述的方法，其特征在于，所述支承组件改装在一已有建筑物及其地基之间。
40、按权利要求37-39中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述支承组件位于所有地基件上方。
41、按权利要求40所述的方法，其特征在于，所述地基件为周边墙或内墙。
42、按权利要求40所述的方法，其特征在于，所述地基件为桩。
43、按权利要求37-39中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述建筑物为房子。
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