CN114517534B - 一种带振动液化材料的隔震支座 - Google Patents

一种带振动液化材料的隔震支座 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带振动液化材料的隔震支座，属于地上工程结构隔震技术领域。本发明所述一种带振动液化材料的隔震支座包括上支墩、下支墩、盖板、滑动块、基础、容纳池、振动液化材料、密封条、密封槽、排气管道、输液管道；上支墩顶面与盖板底面固结；下支墩下部与容纳池顶面固结；滑动块顶面和底面分别与上支墩底面和下支墩顶面滑动连接；基础顶面中部为向上开口的容纳池；容纳池被上支墩、下支墩、滑动块和振动液化材料充满；当地震来袭时振动液化材料迅速发生液化，支座改变为近似无摩擦的水平滑动支座，实现地动而结构不动的高效隔震目标。

Description

一种带振动液化材料的隔震支座
技术领域
本发明属于工程结构隔震技术领域，尤其涉及一种带振动液化材料的隔震支座。
背景技术
现代隔震技术方兴未艾，其中以橡胶隔震支座及摩擦摆隔震支座应用最为广泛。其中摩擦摆隔震支座，为保持非地震时结构的稳定性，滑动面必须具有较大的静摩擦力。当支座发生滑动时，则需要一定的动摩擦力，以便在让支座产生耗能功能，让结构快速停止摆动，以减小震害。然而现有支座静、动摩擦力的存在，使得在大地震动持续时间内，地震能量仍可向上部被隔震工程结构体系输入，这种输入会随着地震剧烈程度的增加而加剧，仍然会给工程结构带来一些灾害。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种带振动液化材料的隔震支座。
一种带振动液化材料的隔震支座，包括盖板(1)、上支墩(2)、滑动块(3)、下支墩(4)、基础(5)、容纳池(6)、振动液化材料(7)、密封条(8)、密封槽(9)、排气管道(10)、输液管道(11)、池壁(12)；盖板(1)顶面为被隔震的工程构件，盖板(1)底面外轮廓尺寸不小于基础(5)顶面外轮廓尺寸；上支墩(2)顶面固结于盖板(1)底面，上支墩(2)底面为上凹球曲面，曲面圆心角一般小于45°；基础(5)顶面四周为池壁(12)；下支墩(4)底面固结于基础(5)顶部，下支墩(4)顶面为下凹球面，曲面圆心角一般小于45°；滑动块(3)顶面和底面均为外凸球面，滑动块(3)顶面和底面分别与上支墩(2)底曲面和下支墩(4)顶曲面呈球面配合关系，滑动连接；振动液化材料(7)为可振动液化材料，一般为水饱和的沙土或粉土；密封条(8)安装在密封槽(9)内；密封槽(9)位于池壁(12)顶面中部；排气管道(10)穿越盖板(1)伸入容纳池(6)内部；输液管道设置于容纳池(6)底部，穿越池壁(12)进入容纳池(6)内部，也可穿越基础进入容纳池(6)内部；上支墩(2)、滑动块(3)、下支墩(4)和振动液化材料(7)均位于容纳池(6)内部。
进一步的，基础(5)外形可为圆柱体或多边形柱体，水平截面为圆形或多边形，基础(5)顶面四周设置有池壁(12)，池壁顶面水平，但正中设置密封槽(9)，密封槽(9)用于放置和固定密封条(8)；基础(5)、池壁(12)、密封条(8)、盖板(1)共同围成一个封闭空间，即容纳池(6)；振动液化材料(7)充满容纳池(6)内除上支墩(2)、下支墩(4)、滑动块(3)之外的空间，外侧受到基础(5)、池壁(12)、盖板(1)、密封条(8)三向约束；振动液化材料(7)在无地震时呈固态，对上支墩(2)、滑动块(3)形成水平约束，限制上支墩(2)、滑动块(3)相对下支墩(4)的水平运动，为不动支座；振动液化材料(7)在地震时迅速发生液化，发生由固态向液态的相变，失去对上支墩(2)、滑动块(3)的约束作用，滑动块(3)发生摆动，上支墩(2)和盖板(1)在惯性作用下趋向于保持不动。
进一步的，盖板(1)平面形状可为圆形或多边形，且不小于池壁(12)水平截面外轮廓；进一步地，盖板(1)位于池壁(12)之上，盖板(1)底面为水平面，与池壁(12)顶面之间设有间隙，该间隙由密封条(8)密封；密封条(8)下部嵌于密封槽(9)之内，沿池壁(12)顶部四周连续敷设，并在水平面内形成一个闭合圈；密封条(8)与盖板(1)底面为接触连接关系，盖板(1)可相对池壁(12)水平滑动。
进一步的，上支墩(2)和下支墩(4)可为圆柱体或多边形柱体，平截面为圆形或正多边形，上支墩(2)底面伸入容纳池(6)内部，下支墩(4)顶面最高处不低于容纳池底面，上支墩(2)与下支墩(4)之间安装有滑动块(3)，滑动块(3)的上、下面与上支墩(2)、下支墩(4)配合球曲面之间尽量采取减小摩擦力的措施，使滑动摩擦系数趋近于零；上支墩(2)、下支墩(4)、滑动块(3)一般采用金属材料制作，也可采用陶瓷等其它材料制作。
进一步的，所述滑动块(3)厚度足够大，使上支墩(2)与下支墩(4)之间存在间隙，上支墩(2)和下支墩(4)可通过滑动块(3)的摆动而产生相对水平滑动。
进一步的，振动液化材料(7)是一种在振动时会发生液化的材料，一般由固态的散体堆积体和充满了散体堆积体间间隙的液体共同组成，在常态时表现为固体，在振动时会变化为液体，这种液化的程度，一般来说随振动剧烈程度的增加而增加，并且振动液化开始点对应的振动剧烈度，是可以经过材料设计进行调整的。
进一步的，排气管道(10)中部设置有阀门，这个阀门一般设置在便于操作的位置，当需要补充振动液化材料(7)内的液体时，打开阀门排出气体，其余时段将阀门关闭，保证容纳池(6)为密闭状态，振动液化材料(7)为饱和状态。
进一步的，输液管道(11)中部设有阀门，这个阀门一般设置在便于操作的位置，当需要更换振动液化材料(7)内的液体时，打开塞子注入工作液体，其余时段将阀门关闭以保证容纳池(6)为密闭状态，振动液化材料(7)为饱和状态。
本发明的有益效果是：
本发明隔震支座减小并使摆式支座滑动面的摩擦力趋近于零，通过装于容纳池的振动液化材料约束支座，使上部结构在无地震或低于设计目标的小震时保持稳定，但当地震动剧烈程度大于等于设计目标时，振动液化材料发生固态向液态的相变，变固定支座为摩擦力极小的水平滑动支座，更有效阻止了地震能量向上部工程结构的输入，使隔震效果趋向于地动而结构不动，而且随着地震烈度的升高，因为振动液化材料液化效果愈发明显，支座的隔震效果越发明显。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施例，下面将对具体实施方式或支座描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图1为本发明实施例在初始位置，即非地震时的支座剖立面图；
附图2为附图1中所示A-A剖面图；
附图3为本发明实施例的盖板+上支墩装配在一起的俯视图；
附图4为附图3中所示B-B剖面图；
附图5为上支墩三视图，附图5-1、附图5-2、附图5-3分别为正视图、侧视图、
俯视图；
附图6为滑动块三视图，附图6-1、附图6-2、附图6-3分别为正视图、侧视图、
俯视图；
附图7为下支墩三视图，附图7-1、附图7-2、附图7-3分别为正视图、侧视图、
俯视图；
附图8为本发明实施例的基础、池壁、下支墩、输液管、密封条装配在一起的俯视图；
附图9为附图8中所示C-C剖视图；
附图10为地震时大地向左移动，支座工作示意图；
附图11为地震时大地向有移动，支座工作示意图。
附图中：1—盖板，2—上支墩，3—滑动块，4—下支墩，5—基础，6—容纳池，7—振动液化材料，8—密封条，9—密封槽，10—排气管道，11—输液管道，12—池壁。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明的技术方案和效果作详细描述。
如附图1，一种带振动液化材料的隔震支座，包括盖板(1)、上支墩(2)、滑动块(3)、下支墩(4)、基础(5)、容纳池(6)、振动液化材料(7)、密封条(8)、密封槽(9)、排气管道(10)、输液管道(11)、池壁(12)；盖板(1)顶面为被隔震的工程构件；盖板(1)底面外轮廓尺寸不小于池壁(12)顶面外轮廓尺寸；上支墩(2)顶面固结于盖板(1)底面，上支墩(2)底面为上凹球曲面；基础(5)顶面四周连接有池壁(12)，池壁(12)顶面水平；下支墩(4)底部固结于基础(5)顶部，并位于基础平面正中；下支墩(4)顶面为下凹球面，球曲面的圆心角一般小于45°；滑动块(3)顶面和底面均为外凸球曲面，滑动块(3)顶面和底面分别与上支墩(2)底面和下支墩(4)顶面球曲面配合连接；理论上各配合的球面曲率半径相同；振动液化材料(7)一般为可振动液化的饱和沙土或粉土，也可以是其它专门加工或筛选的材料，具有振动液化的特性；密封条(8)下部安装在密封槽(9)内；密封槽(9)位于池壁(12)顶面正中，为向上开口的条状槽，并且沿池壁(12)四周的顶面均有设置，形成平面上闭合的构造；排气管道(10)穿越盖板(1)伸入容纳池(6)内部；输液管道(11)穿越池壁(12)伸入容纳池(6)内部；上支墩(2)、滑动块(3)、下支墩(4)和振动液化材料(7)均位于容纳池(6)内部。
如附图1至附图4，所述基础(5)外形可为圆柱体或多边形柱体，水平截面为圆形或多边形，基础(5)顶面四周设置有池壁(12)，池壁顶面水平，但正中设置密封槽(9)，密封槽(9)用于放置和固定密封条(8)；基础(5)、池壁(12)、密封条(8)、盖板(1)共同围成一个封闭空间，即容纳池(6)；振动液化材料(7)充满容纳池(6)内除上支墩(2)、下支墩(4)、滑动块(3)之外的空间，外侧受到基础(5)、池壁(12)、盖板(1)、密封条(8)三向约束；振动液化材料(7)在无地震时呈固态，对上支墩(2)、滑动块(3)形成水平约束，限制上支墩(2)、滑动块(3)相对下支墩(4)的水平运动，即在无地震时为水平向不动支座；振动液化材料(7)在地震时迅速发生液化，发生由固态向液态的相变，失去对上支墩(2)、滑动块(3)的约束作用，滑动块(3)左右发生摆动，上支墩(2)和盖板(1)在惯性作用下趋向于保持不动。
如附图1、附图3、附图8、附图9，盖板(1)平面形状可为四边形，且不小于池壁(12)水平截面外轮廓；进一步地，盖板(1)位于池壁(12)之上，盖板(1)底面为水平面，与池壁(12)顶面之间设有间隙，该间隙由密封条(8)密封；密封条(8)下部嵌于密封槽(9)之内，沿池壁(12)顶部四周连续敷设，并在水平面内形成一个闭合圈；密封条(8)与盖板(1)底面为接触连接关系，盖板(1)可相对池壁(12)水平滑动。
如附图1～9所示，上支墩(2)和下支墩(4)可为圆柱体，平截面可为圆形；上支墩(2)底面、下支墩(4)顶面伸入容纳池(6)内部；上支墩(2)与下支墩(4)之间安装有滑动块(3)，滑动块(3)的上、下面与上支墩(2)、下支墩(4)配合球曲面之间尽量采取减小摩擦力的措施，使滑动摩擦系数趋近于零；上支墩(2)、下支墩(4)、滑动块(3)一般采用金属材料制作，也可采用陶瓷等其它材料制作。
如附图1，所述滑动块(3)厚度足够大，使上支墩(2)与下支墩(4)之间存在间隙，上支墩(2)和下支墩(4)可通过滑动块(3)的摆动而产生相对水平滑动,如附图1、图3、图4，排气管道(10)中部设置有阀门，这个阀门一般设置在便于操作的位置，当需要补充振动液化材料(7)内的液体时，打开阀门排出气体，其余时段将阀门关闭，保证容纳池(6)为密闭状态，振动液化材料(7)为饱和状态。
如附图1、图2、图8、图9，所述输液管道(11)中部设有阀门，这个阀门一般设置在便于操作的位置，当需要更换振动液化材料(7)内的液体时，打开塞子注入工作液体，其余时段将阀门关闭以保证容纳池(6)为密闭状态，振动液化材料(7)为饱和状态。
如附图1、图2、图3、图4、图8、图9所示，在正常状态，作为一种优选，所述盖板(1)、上支墩(2)、滑动块(3)、下支墩(4)、基础(5)均上下对正，即上述所述各构件的左右对称中心线均在同一条直线上。
如附图10、附图11，当地震时，振动液化材料(7)在强震作用下迅速被液化，失去对上支墩(2)、滑动块(3)的约束作用，此后当地面向左移动时，上支墩(2)、盖板(1)及上连接结构在惯性作用下，有维持在原位置不动的趋势；滑动块(3)向右向摆动，滑动块(3)重心在上支墩(2)、滑动块(3)、下支墩(4)球面圆心的连线上，摆动角度为a1；当地面向右移动时，上支墩(2)、盖板(1)及上连接结构在惯性作用下，有维持在原位置不动的趋势，滑动块(3)则向左向摆动，摆动角度为a2。可以想见，在地震时，地面如此左右反复振动，滑动块也反复摆动，但位于球滑动块(3)上部的上支墩(2)、盖板(1)及被保护的上部结构均在惯性作用下基本保持不动，实现了高效隔震的目标。当地震结束时，地面恢复至原位，各构件均回复原位，振动液化材料也回复为固体，重新约束住上支墩。
如附图1、附图10、附图11，为保证隔震效果，地震时，假设上支墩完全没有发生运动，则下支墩相对上支墩的位移极大值就是大地地震时的最大位移幅度δDmax，这个δDmax必须小于非地震初始位置时上支墩()2与池壁(12)之间的最小净距△D，否则上支墩(2)就会撞到池壁(12)。或者反过来说，就是△D必须大于等于δDmax。

Claims (7)

1.一种带振动液化材料的隔震支座，其特征在于：包括盖板(1)、上支墩(2)、滑动块(3)、下支墩(4)、基础(5)、容纳池(6)、振动液化材料(7)、密封条(8)、密封槽(9)、排气管道(10)、输液管道(11)、池壁(12)；盖板(1)顶面固结连接被隔震的工程构件，盖板(1)底面外轮廓尺寸不小于基础(5)顶面外轮廓尺寸；上支墩(2)顶面固结于盖板(1)底面，上支墩(2)底面为上凹球面；基础(5)顶面四周为池壁(12)；下支墩(4)底面固结于基础(5)顶部，下支墩(4)顶面为下凹球面；滑动块(3)顶面和底面均为外凸球面，滑动块(3)顶面和底面分别与上支墩(2)底面和下支墩(4)顶面为球曲面配合连接；振动液化材料(7)为可振动液化的饱和沙土或粉土；密封条(8)安装在密封槽(9)内；密封槽(9)位于池壁(12)顶面中部；排气管道(10)穿越盖板(1)伸入容纳池(6)内部；输液管道设置于容纳池(6)底部，穿越池壁(12)进入容纳池(6)内部；上支墩(2)、滑动块(3)、下支墩(4)和振动液化材料(7)均位于容纳池(6)内部；基础(5)外形可为圆柱体或多边形柱体，基础(5)顶面四周设置有池壁(12)，池壁(12)顶面水平，池壁(12)顶面正中设置密封槽(9)，密封槽(9)用于放置密封条(8)；基础(5)、池壁(12)、密封条(8)、盖板(1)共同围成一个封闭空间，即容纳池(6)；位于容纳池(6)内的振动液化材料(7)充满容纳池内除上支墩(2)、下支墩(4)、滑动块(3)之外的空间，外侧受到基础(5)、池壁(12)、盖板(1)、密封条(8)三向约束；振动液化材料(7)在无地震时呈固态，对上支墩(2)、滑动块(3)形成水平约束，限制上支墩(2)、滑动块(3)相对下支墩(4)的水平运动，为不动支座；振动液化材料(7)在地震时迅速发生液化，发生由固态向液态的相变，失去对上支墩(2)、滑动块(3)的约束作用，滑动块(3)发生摆动，上支墩(2)和盖板(1)在惯性作用下趋向于保持不动；滑动块(3)上、下面分别与上支墩(2)底面、下支墩(4)顶面之间成球面配合关系，滑动接触面之间采取减小摩擦力的措施，使滑动摩擦系数趋近于零。
2.根据权利要求1所述一种带振动液化材料的隔震支座，其特征在于：盖板(1)平面形状可为圆形或多边形，底面为水平面，位于池壁(12)之上，盖板(1)底面与池壁(12)顶面之间设有间隙，该间隙由密封条(8)密封，密封条(8)与盖板(1)底面是接触连接关系，盖板(1)可相对池壁(12)水平滑动。
3.根据权利要求1所述一种带振动液化材料的隔震支座，其特征在于：上支墩(2)和下支墩(4)平截面为圆形或正多边形，上支墩(2)底面伸入容纳池(6)内部，下支墩(4)顶面最高处不低于容纳池底面，上支墩(2)与下支墩(4)之间安装有滑动块(3)。
4.根据权利要求3所述一种带振动液化材料的隔震支座，其特征在于：滑动块(3)厚度使上支墩(2)与下支墩(4)之间存在间隙，上支墩(2)和下支墩(4)可通过滑动块(3)的摆动而产生相对水平滑动。
5.根据权利要求1所述一种带振动液化材料的隔震支座，其特征在于：振动液化材料(7)是一种在振动时会发生液化的材料，一般由固态的散体堆积体和充满了散体堆积体间间隙的液体共同组成，在常态时表现为固体，在振动时会变化为液体。
6.根据权利要求1所述一种带振动液化材料的隔震支座，其特征在于：排气管道(10)中部设置有阀门，当需要补充振动液化材料(7)内的液体时，打开阀门排出气体，其余时段将阀门关闭，保证容纳池(6)为密闭状态，振动液化材料(7)为饱和状态。
7.根据权利要求1所述一种带振动液化材料的隔震支座，其特征在于：输液管道(11)中部设有阀门，当需要更换振动液化材料(7)内的液体时，打开塞子注入工作液体，其余时段将阀门关闭以保证容纳池(6)为密闭状态，振动液化材料(7)为饱和状态。
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