CN113883215B - 一种适用于浮放物体保护的组合式三维隔震装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于浮放物体保护的组合式三维隔震装置，属于工程结构隔震与减震技术领域。装置包括由下至上安装的水平隔震模块和竖向隔震模块；水平隔震模块能够将任意水平向的地震动运动分解成两个正交方向的直线运动并对运动提供阻尼耗能，达到水平隔震的目的；竖向隔震模块包括负刚度机构和竖向支撑机构，负刚度机构实现竖向直线运动及负刚度的功能，竖向支撑机构通过弹簧实现正刚度的功能。本发明能够共同实现水平隔震以及竖向隔震的目的，而且还大幅度降低了隔震装置的整体高度，更具实用性。

Description

一种适用于浮放物体保护的组合式三维隔震装置
技术领域
本发明属于工程结构隔震与减震技术领域，具体涉及一种适用于浮放物体保护的组合式三维隔震装置。
背景技术
地震是一种突发性且极具破坏力的自然灾害，强烈地震不仅会造成大量建筑、道路和桥梁的损毁，对生命线工程的破坏也极为严重。部分建筑物内摆放的精密仪器、贵重设备、展陈文物等，其价值和重要性甚至超过了建筑物本身。为了让它们能够在地震中免遭破坏，对于这些贵重浮放物的防震保护也极为重要。
近些年来，隔震技术作为一种有效的振动控制技术，已在土木工程领域得到了广泛应用。该技术是通过在基础与上部结构之间设置隔离层，控制地震能量向上传递，从而显著减少上部结构受到的地震作用。
随着隔震技术的日趋成熟以及防震意识的增强，适用于浮放物体(如文物、精密仪器和重要设备等)保护的隔震装置也取得了很大发展，但目前应用较多的隔震装置仅具有水平方向(二维)的隔震能力。由于水平和竖向地震作用的耦联性，竖向加速度对浮放物体破坏状态和破坏强度的影响不容忽视；而且越来越多的地震记录表明，竖向地震动峰值一般可达到水平地震动峰值的0.65左右，在近断层处比值可达到甚至超过1.0。虽然三维隔震的研究获得了一些成果，但实践应用项目很少。其原因主要是现有的装置实用性不强且竖向隔震效果不甚理想。例如，弹簧导轴式的构造简单但竖向尺寸大；平行连杆单摆式虽然可以同时实现水平和竖向隔震，但构造复杂，回复力不易控制，可调整性差；而空气弹簧(或橡胶)隔震装置则更适用于小幅度的竖向振动控制。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种适用于浮放物体保护的组合式三维隔震装置，不仅能够实现水平隔震以及竖向隔震的目的，而且还大幅度降低了隔震装置的整体高度，更具实用性。
一种适用于浮放物体保护的组合式三维隔震装置，装置包括由下至上安装的水平隔震模块和竖向隔震模块；
所述水平隔震模块能够将任意水平向的地震动运动分解成两个正交方向的直线运动并对运动提供阻尼耗能，达到水平隔震的目的；
所述竖向隔震模块包括负刚度机构和竖向支撑机构，所述负刚度机构实现竖向直线运动及负刚度的功能，所述竖向支撑机构通过弹簧实现正刚度的功能。
进一步地，所述水平隔震模块包括上下两个阻尼复位机构，两个阻尼复位机构通过转接板以十字正交的方式竖向对接在一起。
进一步地，所述阻尼复位机构包括拉簧座、拉簧、滑块、丝杠、滑轨、阻尼器安装座、阻尼器、螺母和螺母安装座；
丝杠通过阻尼器安装座支撑在外部的安装板上，丝杠的端部与安装在阻尼器安装座中阻尼器的旋转轴连接，丝杠上套装有螺母，螺母与螺母安装座上的通孔为间隙配合，使得螺母与转接板之间形成柔性连接；丝杠两侧固定有滑轨，滑轨上有滑块进行配合；螺母安装座和滑块同时与转接板进行固定，安装板上固定两个拉簧座，转接板的两侧通过两根拉簧保持在丝杠中点处的初始位置，拉簧的两端分别与拉簧座和转接板固定。
进一步地，所述竖向隔震模块包括四套负刚度机构和竖向支撑机构，四套负刚度机构的安装位置呈十字正交的方式分布，竖向支撑机构呈对称布置，提供正刚度。
进一步地，所述竖向隔震模块中的负刚度机构包括竖拉杆、水平拉簧和平行四边形链杆机构；
所述竖拉杆和平行四边形链杆机构的上端固定在顶板的下表面，竖拉杆的下端悬空，平行四边形链杆机构的下端与中间板固定；所述水平拉簧的两端分别连接竖拉杆的下端和平行四边形链杆机构的活动节点；所述平行四边形链杆机构使得顶板与中间板的相对运动始终保持平行；在平行四边形链杆机构正交排列后，顶板和中间板仅能够实现垂直升降。
进一步地，所述平行四边形链杆机构包括链杆支座、链杆、转轴、滑槽和导轨；
所述链杆支座为T字形结构，T字形结构的水平部分为法兰，竖直部分加工有两个连接孔用于连接两根链杆；
两根所述链杆通过转轴平行连接在两个链杆支座的竖直部分上，其中一个链杆支座的法兰与中间板固定，另一个链杆支座的法兰与滑槽固定，与滑槽嵌入式配合的导轨固定在顶板的下表面；所述滑槽可在导轨上做相对直线运动，方向与水平拉簧的长度方向互相平行。
进一步地，所述竖向支撑机构包括连接螺栓、长支座、斜拉簧和短支座；长支座和短支座分别固定在顶板和中间板上，斜拉簧的两端分别通过连接螺栓连接在长支座和短支座上。
有益效果：
1、本发明优化了水平隔震模块阻尼机构。阻尼复位机构中的驱动螺母与螺母安装座采用间隙配合的方式，使得螺母与转接板形成柔性连接，进而丝杠与水平导轨之间的安装平行度要求降低，降低了安装难度。
2、本发明的竖向隔震系统采用平行四边形链杆机构取代常见的直线导轴和导套构造从而实现了竖向直线运动，并且充分利用了水平隔震系统的竖向空间，因此本发明具有竖向高度更低、可变性范围更高、竖向运动范围更大的优势。
3、本发明的平行四边形链杆机构与增设的弹簧组合后还可实现负刚度功能，不仅有效提高了装置的承载能力，还大大减小了变形空间。负刚度机构的负刚度功能与竖向支撑机构的正刚度功能配合后，还可使竖向系统获得任意低的固有频率，能够提高隔震效率。此外，通过转动配合部件之间的摩擦实现阻尼耗能。
4、本发明竖向隔震系统的竖向支撑机构采用拉簧设计，不仅实现了竖向支撑的变刚度，还避免了采用螺旋弹簧受压状态下的侧向失稳情况，保障了竖向隔震系统的稳定性。
5、本发明由水平和竖向两部分隔震系统组成，层次分明、组装简单、后期维护成本低，适用范围广。
附图说明
图1为本发明组合式三维隔震装置的整体结构三维图；
图2为本发明组合式三维隔震装置的侧视图；
图3为本发明水平隔震模块的整体结构三维图；
图4为本发明水平隔震模块的侧视图；
图5为本发明水平隔震模块去掉中间板后的结构三维图；
图6为本发明水平隔震模块中转接板的连接关系示意图；
图7为本发明水平隔震模块中转接板的细节结构图；
图8为本发明水平隔震模块中阻尼复位机构的结构示意图；
图9为本发明阻尼复位机构中螺母与螺母安装座的配合关系示意图；
图10为本发明竖向隔震模块的整体结构三维图；
图11为本发明竖向隔震模块的侧视图；
图12为本发明竖向隔震模块去掉顶板后的俯视图；
图13为本发明竖向隔震模块中负刚度机构的三维图；
图14为本发明竖向隔震模块中竖向支撑机构的三维图；
图15为本发明负刚度机构中平行四边形链杆机构的三维图；
图16为本发明平行四边形链杆机构中链杆的三维图；
图17为本发明平行四边形链杆机构中链杆支座的三维图；
图18为本发明平行四边形链杆机构中转轴的三维图。
其中，1-水平隔震模块、2-竖向隔震模块、3-中间板、4-拉簧座、5-拉簧、6-滑块、7-底板、8-丝杠、9-滑轨、10-阻尼器安装座、11-阻尼器、12-螺母安装座、13-转接板、14-顶板、15-螺母、16-负刚度机构、17-竖向支撑机构、18-连接螺栓、19-长支座、20-斜拉簧、21-短支座、22-竖拉杆、23-水平拉簧、24-平行四边形链杆机构、25-滑槽、26-导轨、27-链杆支座、28-链杆、29-转轴。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图1和2所示，本发明提供了一种适用于浮放物体保护的组合式三维隔震装置，装置包括由下至上安装的水平隔震模块1和竖向隔震模块2。
其中，水平隔震模块1包括上下设置且安装在底板7和中间板3之间的两个阻尼复位机构，两个阻尼复位机构通过同一个转接板13以十字正交的方式上下连接在一起，如附图5和6所示；阻尼复位机构包括拉簧座4、拉簧5、滑块6、丝杠8、滑轨9、阻尼器安装座10、阻尼器11、螺母15和螺母安装座12；
如附图3、4和8所示，以安装在底板7上的阻尼复位机构为例：丝杠8通过阻尼器安装座10支撑在底板7上，丝杠8的端部与安装在阻尼器安装座10中阻尼器11的旋转轴连接，丝杠8上套装有螺母15，螺母15与螺母安装座12之间为间隙配合，如附图9所示，螺母安装座12上贯穿上下端面的通孔用于与螺母15进行小间隙配合，贯穿前后端面的通孔用于供丝杠8穿过，通过螺母15与螺母安装座12通孔间的配合间隙以降低丝杠8与滑轨9之间的高精度安装要求。丝杠8两侧固定有滑轨9，滑轨9上有滑块6进行配合，滑块6与滑轨9的配合面上装有滚珠，使得两者之间形成滚动摩擦，以降低摩擦系数。螺母安装座12和滑块6同时与转接板13进行固定，底板7上固定两个拉簧座4，转接板13的两侧通过两根拉簧5保持在丝杠8中点处的初始位置，拉簧5的两端分别与拉簧座4和转接板13固定。
如附图7所示，转接板13上加工有多个贯穿其正反两面的螺栓连接孔，螺栓连接孔用于连接两个阻尼复位机构中的滑块6和螺母安装座12。
如附图10、11和12所示，竖向隔震模块2包括四套负刚度机构16和竖向支撑机构17，一套负刚度机构16的安装位置对应一套竖向支撑机构17，四套负刚度机构16呈十字正交的方式分布，竖向支撑机构17对称排列。
如附图13所示，竖向隔震模块2中的负刚度机构16包括竖拉杆22、水平拉簧23和平行四边形链杆机构24；
竖拉杆22和平行四边形链杆机构24的上端固定在顶板14的下表面，竖拉杆22的下端悬空，平行四边形链杆机构24的下端与中间板3固定，水平拉簧23的两端分别连接竖拉杆22的下端和平行四边形链杆机构24的活动节点，平行四边形链杆机构24将顶板14与中间板3的相对运动保持垂直升降。
如附图14所示，竖向支撑机构17包括连接螺栓18、长支座19、斜拉簧20和短支座21；
长支座19和短支座21分别固定在顶板14和中间板3上，斜拉簧20的两端分别通过连接螺栓18倾斜连接在长支座19和短支座21上。
如附图15所示，平行四边形链杆机构24包括滑槽25、导轨26、两个链杆支座27、两根链杆28和四根转轴29。
如附图17所示，链杆支座27为T字形结构，T字形结构的水平部分为法兰，T字形结构竖直部分上加工两个供转轴29穿过的通孔。
如附图15所示，链杆28的两端加工有矩形缺口，矩形缺口用于嵌入链杆支座27的竖直部分，矩形缺口形成的连接耳上加工供转轴29穿过的通孔。
如附图18所示，转轴29的两端加工有凹槽，凹槽用于连接水平拉簧23。
两根链杆28通过转轴29平行连接在两个链杆支座27上，一个链杆支座27通过自身的法兰与中间板3固定，另一个链杆支座27通过自身的法兰与滑槽25固定，与滑槽25配合的导轨26固定在顶板14下表面，由此形成平行四边形链杆机构24。
工作原理：当地震发生时，水平隔震模块中的两个阻尼复位机构能够将任意水平向的运动分解成两个正交方向的直线运动，此时上阻尼组件和下阻尼组件内的滑块6分别与对应的滑轨9发生相对滑动，转接板13带动螺母安装座12水平运动，进而驱使与螺母15配合的丝杠8绕其轴线转动，转动的能量通过端部的阻尼器11进行吸收，拉簧5使运动后的滑块6及螺母15返回至初始平衡位置。竖向隔震模块中的平行四边形链杆机构24能够将地震动中的垂直振动分量转化成自身转动，并依靠滑槽25与导轨26之间的滑动配合，从而实现顶板14与底板7之间的垂直升降。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种适用于浮放物体保护的组合式三维隔震装置，其特征在于，装置包括由下至上安装的水平隔震模块和竖向隔震模块；
所述水平隔震模块能够将任意水平向的地震动运动分解成两个正交方向的直线运动并对运动提供阻尼耗能，达到水平隔震的目的；
所述竖向隔震模块包括负刚度机构和竖向支撑机构，所述负刚度机构实现竖向直线运动及负刚度的功能，所述竖向支撑机构通过弹簧实现正刚度的功能；
所述水平隔震模块包括上下两个阻尼复位机构，两个阻尼复位机构通过转接板以十字正交的方式竖向对接在一起；
所述阻尼复位机构包括拉簧座、拉簧、滑块、丝杠、滑轨、阻尼器安装座、阻尼器、螺母和螺母安装座；
丝杠通过阻尼器安装座支撑在外部的安装板上，丝杠的端部与安装在阻尼器安装座中阻尼器的旋转轴连接，丝杠上套装有螺母，螺母与螺母安装座上的通孔为间隙配合，使得螺母与转接板之间形成柔性连接；丝杠两侧固定有滑轨，滑轨上有滑块进行配合；螺母安装座和滑块同时与转接板进行固定，安装板上固定两个拉簧座，转接板的两侧通过两根拉簧保持在丝杠中点处的初始位置，拉簧的两端分别与拉簧座和转接板固定；
所述竖向隔震模块包括四套负刚度机构和竖向支撑机构，四套负刚度机构的安装位置呈十字正交的方式分布，竖向支撑机构呈对称布置，提供正刚度；
所述竖向隔震模块中的负刚度机构包括竖拉杆、水平拉簧和平行四边形链杆机构；
所述竖拉杆和平行四边形链杆机构的上端固定在顶板的下表面，竖拉杆的下端悬空，平行四边形链杆机构的下端与中间板固定；所述水平拉簧的两端分别连接竖拉杆的下端和平行四边形链杆机构的活动节点；所述平行四边形链杆机构使得顶板与中间板的相对运动始终保持平行；在平行四边形链杆机构正交排列后，顶板和中间板仅能够实现垂直升降。
2.如权利要求1所述的适用于浮放物体保护的组合式三维隔震装置，其特征在于，所述平行四边形链杆机构包括链杆支座、链杆、转轴、滑槽和导轨；
所述链杆支座为T字形结构，T字形结构的水平部分为法兰，竖直部分加工有两个连接孔用于连接两根链杆；
两根所述链杆通过转轴平行连接在两个链杆支座的竖直部分上，其中一个链杆支座的法兰与中间板固定，另一个链杆支座的法兰与滑槽固定，与滑槽嵌入式配合的导轨固定在顶板的下表面；所述滑槽可在导轨上做相对直线运动，方向与水平拉簧的长度方向互相平行。
3.如权利要求2所述的适用于浮放物体保护的组合式三维隔震装置，其特征在于，所述竖向支撑机构包括连接螺栓、长支座、斜拉簧和短支座；长支座和短支座分别固定在顶板和中间板上，斜拉簧的两端分别通过连接螺栓连接在长支座和短支座上。
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