CN1143408A - 滚珠在锥形区中的隔震支承 - Google Patents
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Abstract
一种隔震支承系统(10),如图所示采用设置在上锥形板(11A)和下锥形板(11B)之间的一圆球(12)。球一锥形区式结构可获得根本的恒定恢复和分离力。
Description
发明领域
本发明总的涉及一种用于支撑建筑、桥梁或其它结构的隔离支承,特别地涉及在地震和其它地层活动情况下具有恢复能力的隔震支承。
发明背景
通常被称为基本隔震器的隔震支承是众所周知的。震支承通常以至少两种原理工作,即分离和恢复。
一般地分离方式的特点在于与运动隔离,并且至少部分地将由该支承支撑的建筑物与支撑该建筑物的地层运动隔开。一般地,采用一种其形状构造能相应地层活动而偏移的橡胶构件可实现隔离支承的分离功能。然而,一个隔离支承的周期、尺寸和支承能力受到橡胶的弯曲和翻转能力的限制。实用的橡胶支承一般有大约2秒的周期,并存在大约为50%的垂直应变(橡胶高度的垂直位移的定量)。另外,一般的橡胶支承的支承能力在1,000psi(pound/inch)范围中。尽管如此,用于“近断层”区域时这些参数是不够的,例如在离活动的地震断层十五英里处。
另外,已知的橡胶支承仅适应于0.02radian的支承转动。支承回到中心(恢复)机构可包括曲服销钉或其它用来使支承随着所施加的横向力的回复到其原来的公称位置的弹簧机构。例如参见由本发明人申请的PCT申请号PCT/94/13598、名称为地隔震支承、申请日为1994年11月25日的专利。
最近,摩擦滑动件或支承已被提到用来扩大前述的参数以将周期调节到大约4秒并将支承压力能力调节在3,500psi范围中。这种摩擦滑动支承经常包括支承装置中的有聚四氟乙烯衬层的钢板,并且已知横向位移调节到大约2至6英寸,对于位于“近断层”的建筑来说它是经常需要的。尽管如此,聚四氟乙烯支承通常需要一橡胶板床来调节支承转动。而且,滑动支承一般不包括恢复机构,并因此将仅在一个方向位移。另外,利用前述的橡胶板显著地减少支承能力,例如减少到大约1,000psi左右。
已有技术中利用摩擦或其它原理的支承的有:
属于Zayas的1987年2月24日授权的美国专利第4,644,714号,为一种摩擦摆动式支承,采用一涂有聚合填充料的摩擦表面。属于Yaghoubian的1988年2月23日授权的美国专利第4,726,161号揭示了一种具有弹簧承载的、有一与球形盘结合的有罩壳的润滑球支承的套叠块的滚动轴承,尽管如此,由于这种支承的尺寸受到限制并需要维护,因此它们只限于运用在博物馆中物品的隔震。
因此需要克服已有技术的地震隔离支承装置的缺陷。
发明的概述
本发明提供一种隔离地震的支承系统,根据本发明的一个方面,它采用一个设置在上、下斜板之间的圆球。根据本发明的较佳实施例,在球一锥形区式的构造情况下可获得根本的恒定的恢复和减震力。
本发明的一个较佳实施例包括第一安装板,它安装到建筑物支撑于其上的地基上。相对设置的第二支承板固定到要支撑的建筑物上。各板包括一中凹的、一般为锥形的表面,以在其产生锥形空腔。一个球、例如一般为钢制圆球设置在两板之间的锥形空腔区域中。各个承载板的锥形表面都为小角度并且较佳地有一共线的垂直轴。
在最大横向位移处,球构造成与一凹陷圆周范围相接触,而构成了最大支承位移。
当横向力作用到支承装置上时,上面的承载板相对于底部承载板横向位移,这样夹在其间的球横向滚过承载板,由此球上升到较高的高度。如此,作用于建筑物的引力产生一横向分力以将建筑物保持在其原来的位置上。
根据本发明的另一方面,垂直和水平支承载荷通过球从一块传递到相对的板上。根据本发明的一个较佳实施例,这种垂直-2-水平载荷定量在一个锥形表面上保持根本的恒定。这种恒定转变为主要的恒定的恢复作用。根据本发明的另一个实施例,通过采用一个或两个其斜角处都非直线的相对承载板中的锥形表面可实现非直线的恢复规律。事实上,可以通过将锥形的、球形和棱柱形的片段结合起来而获得任何实际的转动表面。
根据本发明再一个方面,一橡胶、泡沫塑料或其它密封层(衬垫)可用在相邻的承载板的周边的周围以防止污染锥形空腔。
根据本发明又一个方面,主体支承的恢复和减震力基本上恒定的,并且因此基本上不受横向位移的影响。
附图的简述
以下将结合附图对本发明进行描述,其中相同的标号指相同的构件,且:
图1是本发明的球一锥形区式的隔震支承的一个典型的较佳实施例的立体分解图;
图2是本发明的双隔震支承的横截面图;
图3是本发明的典型隔震支承的多个锥形区阵列;
图4是一个锥形片段的局部横截面图,有一基本上为直线的倾斜;
图5是一局部横截面图,示出了非直线形的支承表面倾斜;
图6是非直线的支承表面的另一个实施例的局部截面图;
图7是本发明的标准承载板结构的俯视图;
图8是图7中所示的标准承载板的横截面图;
图9是典型的相对承载板对的局部横截面图,有一皱摺状的橡胶衬垫设置于其间。
较佳的典型实施例的详细描述
现参见图1,一典型的隔离支承装置10较佳地包括一上承载板11A、一下承载板11B、形成有各个锚固螺栓孔13以容纳锚固螺栓14、以及一其形状构造适合于容纳在各板11A和11B之间的区域中的球12。
各板11较佳地包括一凹槽15,外周为凹陷处的周边16,例如一圆形的唇边、肩或其它类似的构造。
当安装于一建筑物、桥梁或其它结构时,上承载板11A较佳地采用锚固螺栓14锚固到要被支撑的建筑物上。下承载板11B较佳地通过锚固螺栓14安装到地基上,例如混凝土路面或其它类似的地方。在公称位置,球12较佳地位于各板11A和11B的中心,这样球12就被设置在板11A和11B的各个顶点17之内。
当地层错位或其它活动将一横向力作用在与另一板相对的一个承载板上时,板相互横向运动,同时球12较好地从各承载板的顶点17向凹陷处周边16移动。根据本发明的一个方面,当隔震支承10在其最大的横向位移处时,球12较佳地与上承载板11及下承载板11B的各个凹口周边16接触。
当板11A和11B互相从其公称位置横向移动时,由支承所支撑的建筑物或其它结构的重量将一向下的力作用在上承载板11A上;这种承载力通过球12传递到下承载板11B。由于有凹陷的表面15的斜角,由建筑物或其它结构所施加的垂直重力的一个分量表现为一个横向的(即水平)恢复力以将承载板推回其公称位置,在下文中结合图4-6较详细地讨论。
参见图2,一个双腔支承20较佳地包括一个上承载板21A和一下承载板21B,各包括两个有凹陷的锥形区23,特点是有一顶点25。各个球24设置在相隔腔室的区域中。根据本发明的一个较佳实施例,一种合适的衬垫22,例如一橡胶或泡沫衬垫圈可粘结(粘到)两块板中的一块或两块上。衬垫起到防止灰尘和其它杂质进入相隔腔(室)的区域中。
现参见图3,一四锥体装置40较佳地包括各个承载板21、各个锥形区23和各个锚固螺栓孔26。在这种多锥形区的实施例中,所预期的是在一侧两个相邻的球(为清楚起见未示出)将在所施加的转动支承应力过程中超载。
根据多锥形区实施例的另一个方面,本发明人已经发现支承装置的支承能力在采用多数个球/锥形区结合的情况下可以增加,例如双锥形结构(图2)较佳地为单锥形结构强度的两倍,因而四个锥形区实施例(图3)的支承能力是用相同材料和尺寸的单个球结构的强度的四倍。在预期获得高支承转动量的应用中,该地震支承装置可通过在承载板下添加弹性或高弹体制成的板以增加系统可以调节的支承转动量而扩大。
现参见图4,下文将描述表面15的半锥形区部分的基本几何形状。
在公称位置,球12较佳地停留在点C,对应于锥形区顶点25。在此位置,球12(半径r)和表面15之间的接触半径示出为距离a并且特点在于弧(。当横向力作用于支承时,球12从其开始的停留位置J上移到一位置K,如图4所示,作为其最大的位移位置。在其最大的位移位置,球12和下承载板之间的接触半径从点B伸向凹陷处周边的点D。在此运动过程中,在球12移动了水平距离1的同时上升了距离h。在图4所示的实施例中,点A和B之间的表面15的倾斜是恒定的,即表面15的高度是离开顶点25的径向距离的线性函数。因此,与基底有关的倾斜的第一导数是恒定的,产生一基本上恒定的恢复力。换句话说,任何位移的恢复力与位移的程度无关。
根据本发明的一个较佳实施例,表面15的倾斜大约为1.43(至12.68(,并且最好在2.86(至4.28(的范围中,最好在4(左右。
现参见图5,本发明的另一个较佳实施例包括一合成的恢复能力。具体地说,恢复表面44是三线性的,这样表面44从顶点25至凹陷处周边16的倾斜是变化的。根据图5中的实施例,表面44包括在顶点25和由半径r和相交弧(形成的点A之间延伸的第一片段。第二片段从点A延伸向由与弧(相交的半径r所形成的点E。第三片直线部分从点E伸向点B。在静止位置,球12接触表面44上位于顶25与点A之间的区域。在横向位移的开始部分球12沿着弧长在点A和点E之间移动,其中系统表现为非直线的恢复力,它是点A和点E之间的倾斜段的函数。当横向位移增加时,球12进入点E和点B之间的区域,同时系统表现为一基本上恒定的恢复力,直至靠近最大横向位移处,其时球12在点B和点F之间移动,同时第三恢复力由支承系统表现出,它是点B和F之间的表面44的片断。在图5所示的实施例中,点A和E之间的片段倾斜和点B和F之间的片段倾斜是相同的;尽管如此,任何适当的倾斜以及由此所产生的可变的恢复力可用于本发明的情况下。
现参见图6,类似气球内气室状组合(balloonet)恢复表面较佳地包括一在顶点25(点C)和点A之间延伸的第一片断形成第一半径r。在点A和点E之间的第二区域的形成半径r1,以及在点E和点F之间的第三区域形成半径r2。应当认识到表面44上在点F和点D之间的第四区域形成半径r,它与球12的半径对应。
继续参见图6,也将认识到半径或线性表面的任何适当的合成可用于本发明的情况。而且,在采用多于一个线性片断的实施例中,线性片段不必是相同倾斜的。
现参见图7和8,一合成承载板30较佳地包括一中心塞32、一基板31、焊线33、支撑环34、周边(凹槽)板35、锚固螺栓孔37和锥形片段36。对于大的布局尺寸的装置而言,图7和8中所示的组成结构可以更经济和易于制造。锥形表面可以为基本上棱柱形的并且性能上没有明显的降低。有选择地,棱柱形表面可以加工或研磨成以提供一较顺畅的恢复作用。最好如图7所见的,板30的经济性结构可通过将多个基本上平的、整平的板的片段39焊在一起而获得。在图7和8所示的实施例中,各个表面片段39和基板36之间的空隙区域填充有一种合适的材料,例如混凝土(未示出)。
现参见图9,一种皱摺状的橡胶环27可适当地粘到一个或多个各自相对设置的承载板21上。这种橡胶环可较佳地防水、灰尘、碎片鸟和昆虫进入隔腔区域中。
根据本发明的另一个方面,本文所描述的各个锥形表面可适当地由高强度钢或其它表现出高屈服强度的材料制成。另外,各种表面可用聚四氟乙烯或其它保护层涂覆。
根据本发明的另一个方面,对于一个恒定的恢复力而言,横向支承力基本上与横向支承位移无关。由于恢复力是自然守恒的,并且滚动摩擦表示一分散的力,恢复力和摩擦力之间的关系是根本的恒定函数。这些根本的恒定的分散和恢复力在此之前的已有技术的系统中都未能获得。
根据本发明的另一个实施例,仅一块承载板需要配有一锥形凹陷区。即,承载板中的一块(无论是上还是下板)可包括一本文所讨论的类型的锥形凹陷区,因而相对设置的承载板可包括一个基本平面。
根据本发明的又一个方面,本文所讨论的各种支承可补充添设外部减震装置以减少支承位移。
也应当认识到底板和砖石板可与本文所讨论的承载板一起使用以在所用的相对支承板之间校准适当的水平位置,无论是下板固定于其上的地基还是上板固定于其上的建筑物都是弯曲、倾斜或歪斜的。
根据本发明再一个方面,用于任何特别情况下的支承载装置的尺寸和数量可构成来调节要被支撑的负载的所需支承能力。就此而言,接触压力(Hertz应力)可设计成接近硬化处理的钢球的屈服强度(例如80,000-120,000psi)。
根据本发明的一个方面,一种不锈钢球一锥体式式的支承装置,特别是如果适当地用一较佳的衬垫与周围环境隔开的话,在使用中将不需要维护、检查或更换。
再根据本发明的一个方面,用本发明支承装置的小规模试验已经表明具有将南北向施加的支承运动转换成东西向的力。这种动力学的垂直正交性原理可较佳地均衡达到峰值的方向性冲击力。这些设想的随机、自动的均衡过程将使支承尺寸缩小和使存在于任何具体的应用情况下的达到峰值的作用力降低,
虽然本发明已经结合较佳的和替换实施例的图作了描述,应当认识到本发明并不仅限于此。只要不脱离所附的权利要求书所提出的本发明的精神和范围,还可选择多种变化形式和部件结构。
Claims (18)
1.一种隔震支承装置,包括:
一固定到要被支撑的建筑物上的上承载板,包括第一个面朝下的表面;
固定到支撑建筑物的地基上的第二承载板,包括第二个面朝上的承载表面,该表面设置在相对的所述第一表面之间,并且在其间形成一支承空间;以及
一夹在所述第一和第二表面之间的球。
2.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述球为一圆球。
3.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述第一和第二表面中的至少一个表面为一在所述第一承载板中形成一锥形空腔的凹陷表面。
4.如权利要求3所述的装置,其特征在于,所述第一表面包括一中心顶点、一凹槽周边和一在其间延伸的锥形区域。
5.如权利要求4所述的装置,其特征在于,所述锥形表面有一恒定的斜度。
6.如权利要求4所述的装置,其特征在于,所述锥形表面包括一径向地在所述顶点和所述凹槽周边中间的第一部分所形成一第一斜度,以及一在所述顶点和所述凹槽周边之间延伸的第二部分所形成第二斜度。
7.如权利要求6所述的装置,其特征在于,所述第一和第二斜度是线性的。
8.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述第二表面包括一基本上平的支承表面。
9.如权利要求1所述的装置,其特征在于,还包括一可弹性变形的衬垫,设置在所述第一和第二承载板的共同周边中间。
10.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述第二支承表面形成为一凹陷处周边,用来限制所述装置的横向位移。
11.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述第一和第二承载板和所述球的构成是这样的,即所述第一和第二承载板之间的分开可增加横向位移的作用。
12.如权利要求11所述的装置,其特征在于,所述第一和第二承载板之间的分开可增加横向位移的线性作用。
13.如权利要求11所述的装置,其特征在于,所述第一和第二承载板之间的分开在所述装置的横向位移范围的一部分上增加非线性作用。
14.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述第一和第二承载板和所述球的构成是这样的,即由所述结构在所述装置的横向位移的范围的至少一部分上显示出一种基本上恒定的恢复力。
15.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述第一和第二承载板和所述球的构成是这样的,即非线性的恢复力产生在由所述装置所表现出的横向位移的范围的一部分上。
16.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述第一表面为一基本上平的支承表面。
17.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述承载板和球的构成是这样的,即相应于由外部施加的横向力所产生的所述板的横向位移,有关所述结构的重力产生一相应的恢复力以将所述装置恢复到其公称位置。
18.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述第一表面和所述第二表面各自包括一形成锥形空腔的凹陷形表面。
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