发明内容
为了克服现有技术所存在的不足,本申请提供了一种周向抗拉限位自复位隔震支座,不仅能够实现各个方向的水平滑动,而且具有抗拔、限位功能和震后自复位、抵抗水平扭转的能力。
同时,本申请还提供了上述周向抗拉限位自复位隔震支座的设计方法。
本申请所采用的技术方案是:
一种周向抗拉限位自复位隔震支座,其包括支座板以及设置在支座板上方的限位器、柱脚和抗拉复位装置;所述限位器的侧壁上开设有滑动口,所述柱脚的下端延伸至限位器内并与支座板接触,所述抗拉复位装置设置于柱脚外壁上且穿过滑动口,延伸至限位器外侧。
进一步限定,所述限位器为外方内圆形管柱结构,限位器竖向固定在支座板上表面且与柱脚同轴,使限位器与柱脚之间形成环形滑动空隙,所述环形滑动空隙的宽度B与支座的水平位移设计值Δ满足:
B=Δ。
进一步限定,所述滑动口沿着周向开设在限位器的侧壁上,所述滑动口上黏结有摩擦垫。
进一步限定,所述柱脚内腔设置有纵横交叉的加劲肋,将柱脚内腔分隔为多个空腔,并在各空腔内灌注无压缩细石混凝土。
进一步限定,所述柱脚的顶部自下而上依次设置有柱脚顶板、柱脚锚板以及柱脚锚栓,所述柱脚顶板与柱脚锚板层叠设置,所述柱脚锚栓将柱脚顶板与柱脚锚板连接在一起。
进一步限定,所述抗拉复位装置均匀分布在限位器外壁的4个方位,每个方位布置有一个或多个抗拉复位装置;所述每个抗拉复位装置均包括抗拉轴、复位弹簧、固定端板和活动挡板,所述活动挡板设置在限位器的外壁;所述抗拉轴的一端固定于柱脚外壁上,另一端从内向外依次穿过滑动口、活动挡板和复位弹簧内芯延伸至固定端板,且与固定端板连接;所述复位弹簧两端分别连接在固定端板、活动挡板上。
进一步限定,所述复位弹簧的压缩量δ与支座水平位移设计值Δ之间的关系满足:
δx=Δ·cosθ;δy=Δ·sinθ;δ=Δ
其中,θ为水平地震作用方向与X轴的夹角,0°≤θ≤180°;
δx为水平地震作用下X向弹簧的压缩量,mm;
δy为水平地震作用下Y向弹簧的压缩量,mm。
进一步限定,所述抗拉轴是圆钢管,其截面尺寸可通过以下公式确定:
其中,Dm为受弯强度计算得到的抗拉轴外径最小尺寸,mm;
Dv为受剪强度计算得到的抗拉轴外径最小尺寸,mm;
D为抗拉轴外径,mm;
km为受弯强度计算时抗拉轴的截面系数;
kv为受剪强度计算时抗拉轴的截面系数;
V为抗拉轴的所承受的竖向拉力设计值,N;
f为抗拉轴钢材的抗弯强度设计值,N/mm2;
fv为抗拉轴钢材的抗剪强度设计值,N/mm2;
e为抗拉轴所承受的竖向拉力对抗拉轴根部的偏心距,mm;
α为抗拉轴内径与外径之比。
上述的周向抗拉限位自复位隔震支座的设计方法,所述隔震支座设计参数可通过以下公式确定:
F=K·Δ+μ·N·sng(Δ)
Kc=K
K=n·k
其中,F为支座回复力,N;
K为单个方位上的抗拉复位装置的总水平刚度,N/mm;
μ为柱脚与支座板之间的动摩擦系数;
N为支座所受竖向压力设计值,N;
n为单个方位上的抗拉复位装置中的抗拉轴个数;
k为抗拉复位装置中单个复位弹簧的刚度,N/mm;
γ为支座自复位设计系数,γ>1;
g为重力加速度;
Keff为支座等效刚度,N/mm;
Kc为支座屈后刚度,N/mm;
Te为支座等效周期,s;
ζe为支座等效阻尼比。
本发明的隔震支座的抗拉限位自复位原理是:利用限位器和抗拉复位装置配合,限位器从360°圆周向限位,使隔震支座的水平位移设计值得到有效控制,抗拉复位装置的抗拉轴保证隔震支座上部结构和下部结构竖向拉力的有效传递,抗拉复位装置的复位弹簧能够实现震后隔震支座的自动复位。
本申请与现有技术相比的优势在于:
1)柱脚能够沿各个地震作用方向在限位器内水平往复滑动,一方面延长了结构振动周期,能避开绝大多数地震波产生的共振效应,另一方面利用柱脚底面与摩擦板之间的摩擦做功,消耗结构的振动能量,增加结构阻尼,大幅度降低结构地震反应。
2)对不规则结构进行隔震时,在地震作用下会在隔震层的局部位置产生较大拉力,采用抗拉轴,能够保证隔震支座上部结构和下部结构竖向拉力的有效传递,抵抗结构倾覆引起的拉应力,有效解决了隔震层的抗拉问题。
3)限位器与柱脚之间的环形滑动空隙,使得隔震支座沿各个地震作用方向上的最大位移量均相同,限位器对柱脚起到侧向保护的作用,使得隔震支座的侧向位移得到有效控制。
4)复位弹簧的弹力和摩擦板上的滑动摩擦力,两者的合力给支座提供了水平回复力,能够使隔震支座在震后自动复位,有效控制甚至消除支座的残余位移。
5)在地震作用下结构发生扭转时,复位弹簧和摩擦板上摩擦能够给支座提供较大的抗扭刚度,摩擦力可以在扭转过程中耗散能量,有效控制结构的扭转变形,减小结构的扭转效应。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本申请进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请,并不用于限定本申请,即所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围,而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的装置不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为该装置所固有的要素。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
本发明涉及的一种周向抗拉限位自复位隔震支座,其包括支座板1以及设置在支座板1上方的限位器2、柱脚3和抗拉复位装置4。其中,限位器2的侧壁上开设有滑动口21,柱脚3的下端延伸至限位器2内并与支座板1接触,抗拉复位装置4设置于柱脚外壁上且穿过滑动口21,延伸至限位器2外侧。
上述限位器2为外方内圆形管柱结构,限位器2竖向固定在支座板1上表面且与柱脚3同轴,使限位器2与柱脚3之间形成环形滑动空隙,所述环形滑动空隙的宽度B与支座水平位移设计值Δ满足:
B=Δ。
进一步说明,所述柱脚3的顶部自下而上依次设置有柱脚顶板31、柱脚锚板32以及柱脚锚栓33,所述柱脚顶板31与柱脚锚板32层叠设置,所述柱脚锚栓33将柱脚顶板31、柱脚锚板32与上柱墩连接在一起。
进一步说明,所述抗拉复位装置4均匀分布在限位器2外壁的4个方位,每个方位布置有一个或多个抗拉复位装置4;所述抗拉复位装置4包括抗拉轴41、复位弹簧42、固定端板43和活动挡板44,所述活动挡板44设置在限位器2的外壁;所述抗拉轴41一端固定于柱脚3外壁上,另一端从内向外依次穿过滑动口21、活动挡板44和复位弹簧42内芯延伸至固定端板43,且与固定端板43连接;所述复位弹簧42两端分别连接在固定端板43、活动挡板44上。
其中,复位弹簧42的压缩量δ与支座水平位移设计值Δ之间的关系满足:
δx=Δ·cosθ;δy=Δ·sinθ;δ=Δ
其中,θ为水平地震作用方向与X轴的夹角,0°≤θ≤180°;
δx为水平地震作用下X向弹簧的压缩量,mm;
δy为水平地震作用下Y向弹簧的压缩量,mm。
抗拉轴41为圆钢管,其截面尺寸可通过以下公式确定:
其中,
Dm为受弯强度计算得到的抗拉轴41外径最小尺寸,mm;
Dv为受剪强度计算得到的抗拉轴41外径最小尺寸,mm;
D为抗拉轴41外径,mm;
km为受弯强度计算时抗拉轴41的截面系数;
kv为受剪强度计算时抗拉轴41的截面系数;
V为抗拉轴41的所承受的竖向拉力设计值,N;
f为抗拉轴41钢材的抗弯强度设计值,N/mm2;
fv为抗拉轴41钢材的抗剪强度设计值,N/mm2;
e为抗拉轴41所承受的竖向拉力对抗拉轴41根部的偏心距,mm;
α为抗拉轴41内径与外径之比。
进一步说明,所述隔震支座通过下述方法完成设计,具体的设计参数可通过以下公式确定:
F=K·Δ+μ·N·sng(Δ)
Kc=K
K=n·k
其中,F为支座回复力,N;
K为单个方位上的抗拉复位装置4的总水平刚度,N/mm;
μ为柱脚3与支座板1之间的动摩擦系数;
N为支座所受竖向压力设计值,N;
n为单个方位上的抗拉复位装置4中的抗拉轴41个数;
k为抗拉复位装置4中单个复位弹簧42的刚度,N/mm;
γ为支座自复位设计系数,γ>1;
g为重力加速度,取9.8m/s2;
Keff为支座等效刚度,即位移最大点的荷载与位移的比值,N/mm;
Kc为支座屈后刚度,即支座滞回曲线屈服后荷载增量与位移增量的比值,N/mm;
Te为支座等效周期,即地震作用下,根据支座等效刚度计算的支座往复运动周期,s;
ζe为支座等效阻尼比,即支座荷载位移曲线一个循环所吸收的能量与弹性变性能的2π倍之比。
实施例1
参见图1~3,本实施例的周向抗拉限位自复位隔震支座是由支座板1以及设置在支座板1上方的限位器2、柱脚3和抗拉复位装置4组成。其中,支座板1的顶面满铺摩擦板11,支座板1的底部依次设置有支座锚板12和支座锚栓13,支座锚板12层叠设置在支座板1的下方,支座锚栓13的上端延伸至支座板1的上方,支座锚栓13的下端穿过支座板1、支座锚板12延伸至支座锚板12下方的下柱墩内,将支座板1、支座锚板12与下柱墩连接在一起。本实施例的摩擦板11为聚四氟乙烯板,也可以用改性聚四氟乙烯板或改性超高分子量聚乙烯板来替换,该摩擦板11采用黏结加沉头螺钉固定于支座板1上,用于滑动摩擦消耗地震能量。本实施例的限位器2是外方内圆形钢管结构,限位器2竖向固定在支座板1上表面,在限位器2的侧壁上在前、后、左、右四个方位上分别开设有滑动口21,在滑动口21四边黏结有摩擦垫22。
本实施例的柱脚3为圆钢管混凝土结构,柱脚3竖向设置在支座板1上且位于限位器2内腔,使限位器2与柱脚3同轴设置,且柱脚3的外径小于限位器2的内径,使柱脚3与限位器2之间形成环形滑动空隙,环形滑动空隙的宽度B与支座水平位移设计值Δ满足:
B=Δ=200mm
在柱脚3内腔设置有纵横交叉的加劲肋,将柱脚3内腔分隔为多个空腔,并在各空腔内灌注无压缩细石混凝土,柱脚3的底部与摩擦板11的接触面上采用包覆不锈钢板或者电镀硬铬等方式处理。在柱脚3的顶部自下而上依次设置有柱脚顶板31、柱脚锚板32以及柱脚锚栓33,柱脚顶板31与柱脚锚板32层叠设置,柱脚锚栓33的下端延伸至柱脚顶板31下方,柱脚锚栓33的上端延伸至柱脚锚板32上方,将柱脚顶板31、柱脚锚板32与上柱墩连接在一起。
本实施例的限位器2的外侧对应前后左右四个方位上各设置1个抗拉复位装置4,即分别设置于柱脚3外壁上且与限位器2的滑动口21一一对应,参见图2、3,该抗拉复位装置4包括抗拉轴41、复位弹簧42、固定端板43和活动挡板44,活动挡板44紧贴设置在限位器2的外壁;抗拉轴41为圆钢管,抗拉轴41的一端固定于柱脚3外壁上,另一端从内向外依次穿过滑动口21、活动挡板44和复位弹簧42内芯延伸至固定端板43,且与固定端板43连接;抗拉轴41的顶部与滑动口21顶部的摩擦垫22接触并贴紧,复位弹簧42两端分别连接在固定端板43、活动挡板44上,该复位弹簧42的压缩量δ与支座水平位移设计值Δ之间的关系满足:
δx=Δ·cosθ;δy=Δ·sinθ;δ=Δ
其中,θ为水平地震作用方向与X轴的夹角,0°≤θ≤180°;
δx为水平地震作用下X向弹簧的压缩量,mm;
δy为水平地震作用下Y向弹簧的压缩量,mm;
压缩量δ为X、Y向弹簧在水平地震作用方向上的等效压缩量,本实施例中θ=30°时,δx=173mm;δy=100mm,δ=200mm。
进一步说明,本实施例的抗拉轴41截面尺寸可通过以下公式确定:
当α=0.9,km=3.10;kv=3.66;V=150kN;f=305N/mm2;fv=175N/mm2;e=400mm(忽略限位器2的壁厚对偏心距的影响);进而确定出,Dm=180mm;Dv=107mm;D=180mm;
由此可以确定出,本实施例的隔震支座设计参数可通过以下公式确定:
F=K·Δ+μ·N·sng(Δ)
Kc=K
K=n·k
其中,n=1;k=150N/mm;K=150N/mm;μ=0.02;N=1000kN;F=(50/10)kN;γ=1.5>1;Keff=250N/mm;Kc=150N/mm;Te=4.0s;ζe=0.25。
通过上述的周向抗拉限位自复位隔震支座实现的周向抗拉限位自复位方法,具体包括以下步骤:
1)根据建筑功能、场地条件等初步确定隔震目标;
2)结合步骤1)和非隔震结构模型初步结果,根据上述公式确定隔震支座的设计参数:
3)根据步骤2)确定隔震方案,建立隔震结构模型,进行动力分析,得到水平向减震系数,验证是否满足预期的设计要求;
4)当满足设定的隔震目标时,根据隔震方案完成周向抗拉限位自复位隔震支座的设计和施工安装;
5)当建筑受到的地震作用较小时,依靠柱脚3与摩擦板11之间的静摩擦力来保证上部结构的稳定性,当在较大地震作用时,利用抗拉复位装置4使得柱脚3沿地震作用方向在限位器2内水平往复滑动,通过柱脚3底面与支座板1上摩擦板11之间的摩擦达到消耗地震能量。
实施例2
参见图4-5,本实施例的周向抗拉限位自复位隔震支座是由支座板1以及设置在支座板1上方的限位器2、柱脚3和抗拉复位装置4组成。与实施例1的区别之处在于,本实施例的限位器2的侧壁上分别沿前后左右四个方位开设有四组滑动口21,每组分别有4个滑动口21。对应的,本实施例的抗拉复位装置4是按照2*2排布共4个,分别设置于柱脚3外壁上且与限位器2的滑动口21相对应。本实施例的每组抗拉复位装置4包括4个固定端板43和4个活动挡板44以及4个抗拉轴41和与之对应的4个复位弹簧42,其中,4个活动挡板44周向并列紧贴设置在限位器2的外壁且与限位器2的滑动口21相对应,4个固定端板43也是周向并列设置。4个抗拉轴41均为圆钢管,并按照横纵向2*2排布,每个抗拉轴41的一端固定于柱脚3外壁上,另一端从内向外依次穿过滑动口21、活动挡板44和复位弹簧42内芯延伸至固定端板43,且与固定端板43连接;抗拉轴41的顶部与滑动口21顶部的摩擦垫22接触并贴紧,复位弹簧42两端分别连接在固定端板43、活动挡板44上。
本实施例的复位弹簧42的压缩量δ为X、Y向弹簧在水平地震作用方向上的等效压缩量,本实施例中θ=60°时,δx=125mm;δy=217mm,δ=250mm。
本实施例的抗拉轴41截面尺寸:
由此可以确定出,本实施例的隔震支座设计参数可通过以下公式确定:
F=K·Δ+μ·N·sng(Δ)
Kc=K
K=n·k
其中,n=4;k=150N/mm;K=600N/mm;μ=0.02;N=5000kN;F=(250/50)kN;γ=1.5>1;Keff=1000N/mm;Kc=600N/mm;Te=4.5s;ζe=0.25。
上述实施例中的抗拉复位装置4中的抗拉轴41和复位弹簧42的数量均可根据柱脚3所承受的竖向作用力以及支座水平位移设计值进行适应性调整,但是调整后的具体参数应满足上述的设计要求。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已,并不用以限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。