CN113530335A - 一种三维隔震支座 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维隔震支座,属于土木工程防震减灾领域;包括上连接板、下连接板、钢板滑槽、叠层橡胶、链接节点、铰接螺栓、万向节、狗骨型SMA棒。上层钢板与建筑上部结构通过螺栓相连,下层钢板与建筑物基础相连;叠层橡胶芯置于上下两层钢板中间位置;用于竖向隔震的SMA棒两端通过连接件与上下两组V字型刚臂铰接,SMA棒与连接件之间通过螺纹连接。两组V字型刚臂另外两端铰接在滑动节点上,并嵌入与相互垂直的上下两组滑槽当中,在滑槽方向上滑动,狗骨型SMA棒、两组V字型刚臂以及两个滑槽‑刚臂连接件嵌套在一起组合成用于竖向隔震的“SMA”架,从而达到在原有SMA‑LNR在水平向隔振的基础上,改善结构竖向的隔震性能,减少震后对建筑带来的损失。
Description
技术领域
本发明属于土木工程防震减灾领域,是一种应用于结构和桥梁工程领域中的隔震构件,基于SMA棒具有良好的耗能能力和自复位性能。
背景技术
地震是是地壳快速释放能量过程中造成的振动,期间会产生地震波的一种自然现象,也是人类社会发展过程中始终面临的一大难题,地震灾害及地震所引发的次生灾害会给结构及桥梁建筑带来巨大的破坏,从而给人类社会带来巨大的财产损失,也因此对于结构及桥梁建筑的抗震措施也越来越得到各个国家的重视。基本的减隔震方式有两种,一种是最传统的通过提高建筑结构自身所用材料的强度来抵抗地震作用;另一种是在建筑或桥梁底部添加基础隔离装置,来达到消耗地震波传给结构自身的能量的目的。
对于传统的抗震方式,主要是利用建筑或桥梁的主体结构构件,如建筑的柱和梁屈服后的塑形变性性能和滞回耗能来消耗掉地震波传给主体的地震能量,这一点使得这些区域构件的耗能性能变得尤为重要,而一旦因为某些工程因素导致这些区域产生问题,耗能能力下降,较大的残余变形的存在将严重的影响到建筑整体抵抗地震作作用的能力,使建筑产生严重破坏,也使得建筑物的后期修复变得尤为困难。
超弹性SMA是一种近些年来新兴的材料,具有承受大变形的能力,并且在卸载或通过加热使其变形后恢复其预定形状和原始形状,普通金属的弹性应变约0.2%,具有超弹性的SMA的可恢复应变可达到8%,远比一般金属的弹性极限要大得多。目前有很多国内外学者将SMA的超弹性效应结合在各种类型的隔振支座上,主要针对抵抗水平向地震作用,这种混合形的橡胶支座可以充分发挥橡胶以及SMA各自的性质,从而来达到延长建筑结构的自振周期,消耗掉地震波输入到结构自身的能量,避免支座出现滑移或产生过大残余位移,从而大大降低震后损失。但目前针对于抵抗竖向地震作用的支座目前较少,本发明旨在提出一种新型利用SMA超弹性性能的地震隔离装置,分为四面分别组装在SMA-LNR支座上,形成一种新型的三维隔震支座,完善传统SMA-LNR所欠缺的支座的竖直向抗震性能。
发明内容
针对目前现有的基于SMA的叠层隔震支座,虽改善了原有LNR抵抗水平向地震作用的能力,但SMA-LNR在抵抗竖直向地震作用时的效果非常有限,本发明提出一种三维隔震支座,用以改善SMA-LNR的抵抗竖向地震作用的能力,提高支座的竖向耗能性能。
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种自复位隔震支座,包括:本发明包括上连接板、下连接板、钢板滑槽、叠层橡胶、链接节点、铰接螺栓、万向铰、狗骨型SMA棒。上连接钢板通过预先在钢板上侧打孔与上部结构通过螺栓相连,下钢板与下部基础或结构通过螺栓相连,所述的SMA-刚臂连接件一侧与横置的狗骨型SMA棒螺纹连接,另一端预先切割成凹槽状,并在凹槽侧面打孔,上下两组V字型刚臂一侧采用嵌套式连接,并在刚臂侧面打同样大小的孔,与两组V字型刚臂通过铰接螺栓铰接,V字形刚臂的另外一侧与刚臂-滑槽连接件铰接。最终,刚臂、连接件、SMA棒形成一种菱形的SMA隔震架,上下两组刚臂分别与SMA棒形成两个对称的三角形,隔震架上下两端的连接件置入到上下两层钢板的相互垂直的两组滑槽当中,并分别布置在支座的四面,其中上层钢板的滑槽为垂直于钢板的四个边的方向,下层钢板的滑槽为平行于钢板的四个边的方向,两组滑槽在同一面内相互垂直。纵向的狗骨型SMA棒两端与万向铰螺栓连接,万向铰的另一端与上下两层钢板上的两片耳板铰接,并且分别布置在在支座的四个角落。
本发明提供的三维隔震支座,在正常状态下,能够充分发挥传统的垫层橡胶支座的良好的弹性和竖向刚度,由于上部结构的重力作用,布置在支座四面的横向的SMA棒会提前进入预张拉状态。在受到地震作用时,对于水平向地震作用,核心区和叠层橡胶以及布置在四个角落的竖向SMA棒进入工作状态,叠层橡胶产生切线形变,SMA棒两端连接有万向节,在支座上下两层钢板产生相对位移的情况下始终保持受拉状态,消耗地震波所传递的能量,自复位能力由橡胶以及SMA棒共同提供;在竖直与水平向地震共同作用下,布置在支座四面的SMA架通过滑槽的移动始终保持与上下钢板所在平面垂直状态,避免支架虽水平向地震作用倾斜,从而使SMA棒退出工作;由于上下钢板受到挤压,将力通过连接件传给隔震支架,V字型刚臂夹角变大,横置在中间的横向SMA棒受拉进入工作状态,消耗竖直向地震波传给结构的能量,最终达到整个隔震支座在三维上隔震减震的能力。值得注意的是在遭受大震的情况下,滑槽的长度需足够长,且连接件与滑槽之间的摩擦需足够小,以保证SMA隔震架能够始终处于正常工作状态,避免在错动过程当中产生倾斜。
本发明有益效果:
1、狗骨形SMA棒能够在为建筑结构减轻地震作用的同时,为隔震支座提供额外的恢复力,使结构可以在较大地震作用下回到初始位置。
2、配有横向狗骨型SMA棒的隔震支架可为支座提供额外的纵向恢复力,相较于传统的SMA-LRN来讲,减轻了叠层橡胶在承受纵向地震作用时的负担,增强了支座的纵向抗震能力。
3、配有横向狗骨型SMA棒的隔震支架在遭受水平向地震作用时始终通过节点在滑槽中的移动保持竖直状态,其菱形结构始终保持与上下两层钢板所在平面垂直,使横置SMA棒始终保持受拉工作状态。
4、布置在四个角落的SMA棒两端连有万向铰,使上下两层钢板在错动任意角度时,纵向布置的SMA棒始终保持轴向受拉状态,支座结构更加稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明技术手段,以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明结构示意图。
图2是三维隔震支座正视图。
图3是三维隔震支座俯视图。
图4是三维隔震支座纵向隔震支架。
图5是配有万向铰SMA棒。
图6是底板滑槽示意图。
图7是顶板滑槽示意图。
图8是万向轴示意图。
图中:1.上连接钢板;2.下连接钢板;3.叠层橡胶;4.滑槽-刚臂连接件;5.V字型刚臂;6.狗骨型SMA棒;7.刚臂-SMA棒连接件;8.铰接螺栓;9.万向铰;10.顶板滑槽;11.底板滑槽
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
如图1,本发明所述的SMA自复位隔震支座,包括:上连接钢板(1)、下连接钢板(2)、叠层橡胶(3)、滑槽-刚臂连接件(4)、V字型刚臂(5)、狗骨型SMA棒(6)、刚臂-SMA棒连接件(7)、铰接螺栓(8)、万向铰(9)、顶板滑槽(10)和底板滑槽(11);所述上连接钢板(1)与上部结构相连,下连接钢板(2)与下部结构相连,叠层橡胶芯(3)置于上连接钢板(1)与下连接钢板(2)的中间位置,叠层橡胶(3)与上连接钢板(1)和下连接钢板(2)之间采用螺栓连接;所述的滑槽-刚臂连接件(4)分别置入到上钢板(1)及下层钢板(2)的顶板滑槽(10)及底板滑槽(11)当中;V字型刚臂(5)插入到滑槽-刚臂连接件(4)中并进行铰接连接,上下两组V字型刚臂(5)的两端与横置SMA棒(6)两端嵌入到刚臂-SMA棒连接件(7)并通过铰接螺栓(8)进行铰接;竖置狗骨型SMA棒(6)的两端与万向铰(9)通过螺纹连接,万向铰的另外两端铰接在焊接在钢板的两片耳板上。
横置的SMA棒(6)与两组V字型刚臂(5)通过两端的铰接形成菱形结构并置于上连接钢板(1)与下连接钢板(2)之间,菱形结构分别布置在上连接钢板(1)与下连接钢板(2)的四面。V型刚臂(5)与SMA棒(6)形成一个与上下两层钢板垂直面上的菱形分布。
竖直向地震作用下,菱形结构的上下两个节点受到上连接钢板(1)与下连接钢板(2)传递的压力,两组V字型刚臂之间的角度增大,中间横置的狗骨型SMA棒两端受拉进入工作状态,支座的竖向耗能能力较普通的LNR得到提升。
由布置在支座四个角落与上下钢板通过万向铰连接的狗骨型SMA棒及核心区橡胶芯承受水平向地震作用,万向铰的存在可使竖直向SMA棒在任意的上下两层钢板之间错动的情况下,始终保持轴向受拉状态,叠层橡胶芯(3)产生切向形变,从而达到减小水平向地震能量输入的目的;布置在支座四面滑槽中的菱形SMA架通过滑槽产生相对位移始终保持竖直状态,对于竖直向地震作用,竖直的四组SMA支架受到上下两块钢板的挤压作用,V字型刚臂夹角变大,导致中间铰接的SMA棒进入受拉耗能状态,从而达到减小竖直向地震能量输入的作用。
在正常状态下,能够充分发挥传统的垫层橡胶支座的良好的弹性和竖向刚度,由于上部结构的重力作用,布置在支座四面的横向的SMA棒会提前进入受拉状态,为支座提供一定的竖向承载能力。在受到地震作用时,对于水平向地震作用,核心区和叠层橡胶以及布置在四个角落的竖向SMA棒进入工作状态,叠层橡胶产生切线形变,SMA棒两端连接有万向节,在支座上下两层钢板产生相对位移的情况下始终保持受拉状态,消耗地震波所传递的能量,自复位能力由橡胶以及SMA棒共同提供;在竖直与水平向地震共同作用下,布置在支座四面的SMA架通过滑槽的移动始终保持与上下钢板所在平面垂直状态,避免支架虽水平向地震作用倾斜,从而使SMA棒退出工作;由于上下钢板受到挤压,将力通过连接件传给隔震支架,V字型刚臂夹角变大,横置在中间的横向SMA棒受拉进入工作状态,消耗竖直向地震波传给结构的能量,最终达到整个隔震支座在三维上隔震减震的能力。值得注意的是在遭受大震的情况下,滑槽的长度需足够长,且连接件与滑槽之间的摩擦需足够小,以保证SMA隔震架能够始终处于正常工作状态,避免在错动过程当中产生倾斜。
Claims (5)
1.一种三维隔震支座,其特征在于:包括上连接钢板(1)、下连接钢板(2)、叠层橡胶(3)、滑槽-刚臂连接件(4)、V字型刚臂(5)、狗骨型SMA棒(6)、刚臂-SMA棒连接件(7)、铰接螺栓(8)、万向铰(9)、顶板滑槽(10)和底板滑槽(11);所述上连接钢板(1)与上部结构相连,下连接钢板(2)与下部结构相连,叠层橡胶芯(3)置于上连接钢板(1)与下连接钢板(2)的中间位置,叠层橡胶(3)与上连接钢板(1)和下连接钢板(2)之间采用螺栓连接;所述的滑槽-刚臂连接件(4)分别置入到上钢板(1)及下层钢板(2)的顶板滑槽(10)及底板滑槽(11)当中;V字型刚臂(5)插入到滑槽-刚臂连接件(4)中并进行铰接连接,上下两组V字型刚臂(5)的两端与横置SMA棒(6)两端嵌入到刚臂-SMA棒连接件(7)并通过铰接螺栓(8)进行铰接;竖置狗骨型SMA棒(6)的两端与万向铰(9)通过螺纹连接,万向铰的另外两端铰接在焊接在钢板的两片耳板上。
2.根据权利要求1所述的一种三维隔震支座,其特征在于:横置的SMA棒(6)与两组V字型刚臂(5)通过两端的铰接形成菱形结构并置于上连接钢板(1)与下连接钢板(2)之间,菱形结构分别布置在上连接钢板(1)与下连接钢板(2)的四面;V型刚臂(5)与SMA棒(6)形成一个与上下两层钢板垂直面上的菱形分布。
3.根据权利要求1所述的一种三维隔震支座,其特征在于:竖直向地震作用下,菱形结构的上下两个节点受到上连接钢板(1)与下连接钢板(2)传递的压力,两组V字型刚臂之间的角度增大,中间横置的狗骨型SMA棒两端受拉进入工作状态,支座的竖向耗能能力得到提升。
4.根据权利要求1所述的一种三维隔震支座,其特征在于:由布置在支座四个角落与上下钢板通过万向铰连接的狗骨型SMA棒及核心区橡胶芯承受水平向地震作用,万向铰的存在可使竖直向SMA棒在任意的上下两层钢板之间错动的情况下,始终保持轴向受拉状态,叠层橡胶芯(3)产生切向形变,从而达到减小水平向地震能量输入的目的;布置在支座四面滑槽中的菱形SMA架通过滑槽产生相对位移始终保持竖直状态,对于竖直向地震作用,竖直的四组SMA支架受到上下两块钢板的挤压作用,V字型刚臂夹角变大,导致中间铰接的SMA棒进入受拉耗能状态,从而达到减小竖直向地震能量输入的作用。
5.根据权利要求1所述的一种三维隔震支座,其特征在于:在正常状态下,能够发挥垫层橡胶支座的弹性和竖向刚度,由于上部结构的重力作用,布置在支座四面的横向的SMA棒会提前进入受拉状态,为支座提供一定的竖向承载能力;在受到地震作用时,对于水平向地震作用,核心区和叠层橡胶以及布置在四个角落的竖向SMA棒进入工作状态,叠层橡胶产生切线形变,SMA棒两端连接有万向节,在支座上下两层钢板产生相对位移的情况下始终保持受拉状态,消耗地震波所传递的能量,自复位能力由橡胶以及SMA棒共同提供;在竖直与水平向地震共同作用下,布置在支座四面的SMA架通过滑槽的移动始终保持与上下钢板所在平面垂直状态,避免支架虽水平向地震作用倾斜,从而使SMA棒退出工作;由于上下钢板受到挤压,将力通过连接件传给隔震支架,V字型刚臂夹角变大,横置在中间的横向SMA棒受拉进入工作状态,消耗竖直向地震波传给结构的能量,最终达到整个隔震支座在三维上隔震减震的能力。
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