CN115182475A - 一种具有变斜率准零刚度竖向隔震特性的三维隔震系统 - Google Patents

一种具有变斜率准零刚度竖向隔震特性的三维隔震系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有变斜率准零刚度竖向隔震特性的三维隔震系统，包括竖向隔震装置和叠层橡胶支座，所述竖向隔震装置和所述叠层橡胶支座串联连接，同轴设置；所述竖向隔震装置包括上连接板、导向筒、变斜率斜面机构、多层环形弹簧、导向轴、圆柱销、水平钢弹簧、防护筒、中连接板、导向轴安装架和固定装置。本发明结合了多层环形弹簧可以提供足够高的竖向承载力和静刚度的优点，设计了变斜率斜面机构，可在上、下斜面产生恒定的负刚度，分别与多层环形弹簧的卸载刚度和加载刚度相互抵消，扩大了准零刚度区域，解决了现有三维隔震技术中准零刚度区域有限与竖向承载力不足的双重问题，满足了建筑结构三维隔震的需求。

Description

一种具有变斜率准零刚度竖向隔震特性的三维隔震系统
技术领域
本发明涉及建筑隔震技术领域，具体涉及一种具有变斜率准零刚度竖向隔震特性的三维隔震系统。
背景技术
地震动的竖向作用分量在高烈度地区或近断层地区往往较为强烈，甚至可能超过水平地震作用分量，其也成为结构破坏的主要因素之一。采取三维隔震等有效措施减轻竖向及水平地震灾害，成为确保结构地震安全的迫切需求。现有的隔震技术大多以降低水平地震灾害为主，若想从根本上确保结构的地震安全，还需要进一步提出同时适用于竖向和水平向隔震的三维隔震技术。传统竖向隔震装置依赖竖向承载元件提供静力承载和动力隔震的功能，相当于利用高静刚度来发挥隔震作用，但不具备较低的竖向动刚度可以有效地延长竖向振动周期而取得较好的隔震效果，难以满足建筑结构竖向隔震的需求。
“准零刚度”理论可以解决现有竖向隔震装置关于高静承载与低动刚度需求之间的矛盾，基于此理论设计的准零刚度隔振器可以产生较低的动刚度。准零刚度隔振器是指通过并联负刚度机构，在静平衡位置一定区域内动刚度接近于零的隔振器，准零刚度使振动周期较大，能够取得较好的隔振效果。现有装置大多通过碟形弹簧与螺旋弹簧并联实现准零刚度，但其准零刚度区域有限，仅在静平衡位置附近一段很小位移范围内的刚度接近于零，而在范围之外的刚度均为较大的正刚度，即在该范围之外的隔震效果不佳。此外，现有准零刚度隔振器中，负刚度机构的构造形式大多要求水平弹簧的刚度值是竖向高静刚度的几倍，对于土木工程结构的竖向隔震来说，其实现难度过大。
因此，针对现有准零刚度隔震装置的准零刚度区域有限与竖向隔震承载力的问题，迫切需要研发一种可以扩大准零刚度区域、及具有较高的竖向承载力，在水平及竖向地震作用下均能够充分发挥隔震效果的新型三维隔震装置。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种具有变斜率准零刚度竖向隔震特性的三维隔震系统，以解决上述问题。
本发明提供的技术方案如下：
一种具有变斜率准零刚度竖向隔震特性的三维隔震系统，包括竖向隔震装置和叠层橡胶支座，所述竖向隔震装置和所述叠层橡胶支座串联连接，同轴设置；
包括竖向隔震装置和叠层橡胶支座，所述竖向隔震装置和所述叠层橡胶支座串联连接，同轴设置；
所述竖向隔震装置包括上连接板、导向筒、变斜率斜面机构、多层环形弹簧、导向轴、圆柱销、水平钢弹簧、防护筒、中连接板、导向轴安装架和固定装置；
所述上连接板与保护筒、多层环形弹簧和变斜率斜面机构连接；
所述固定装置下端与中连接板连接,内侧与水平钢弹簧连接，所述水平钢弹簧还与所述导向机构连接，所述导向机构与变斜率斜面机构连接；
所述叠层橡胶支座包括钢板层和橡胶层。
优选的，所述导向轴通过圆柱销与导向轴安装架连接，使得导向轴可以滚动。
优选的，所述层环形弹簧下端与固定装置连接。
优选的，所述叠层橡胶支座还包括下连接板。
更优的，所述钢板层和橡胶层为多个相互叠加，并等间隔布置在中连接板和下连接板之间，最上端的钢板层与中连接板连接，最下端的钢板层与下连接板连接。
优选的，所述叠层橡胶支座可以是天然橡胶支座或铅芯橡胶支座的任一种。
优选的，所述多层环形弹簧可以是钢弹簧、厚肉橡胶支座中的任一种，应用于承载力需求较低情况的三维隔震。
优选的，所述导向筒具有水平刚度，能够抵抗水平地震作用力；所述导向筒与上连接板竖直方向之间设置有间隙，使上连接板能上下移动。
优选的，所述变斜率斜面机构由两个倾斜程度不同的斜面组成，所述变斜率斜面机构底端与中连接板之间设置有间隙，用于装置在受到竖直方向上的作用力时，多层环形弹簧发生形变，使得斜面不会跟着上连接板一同向下运动。
本发明的提供的具有变斜率准零刚度竖向隔震特性的三维隔震系统，其相比于现有的技术，还具有如下优点：
1.现有准零刚度隔振器的准零刚度区域有限，仅在静平衡位置附近一段很小位移范围内的刚度接近于零，而在范围之外的刚度均为较大的正刚度，即在该范围之外的隔震效果不佳。因此，本发明将变斜率斜面、导向轴与水平预压缩钢弹簧组合，当竖向隔震装置上、下运动时，变斜率斜面会产生大小不同的两个单向恒定负刚度，分别与多层环形弹簧的卸载刚度和加载刚度相抵消，从而产生准零刚度，扩大了准零刚度区域。
2.本发明采用多层环形弹簧提供较高的竖向承载力和高静刚度，同时兼具高耗能能力和自复位能力，从而满足建筑结构隔震时对较大承载力和较高刚度的需求。
3.竖向隔震装置中，水平钢弹簧的刚度仅为多层环形弹簧刚度的几分之一，即可取得优异的竖向隔震效果，具有更佳的工程应用价值。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例三维隔震系统的剖面正视结构示意图；
图2是本发明实施例三维隔震系统的剖面俯视结构示意图；
图3是本发明实施例2实施例三维隔震系统的剖面俯结构示意视图；
图4是本发明实施例三维隔震系统的环形弹簧剖面结构示意图。
1-上连接板；2-导向筒；3-变斜率斜面机构；4-多层环形弹簧；5-导向轴；6-圆柱销；7-水平钢弹簧；8-防护筒；9-中连接板；10-橡胶层；11-钢板层；12下连接板；13-导向轴安装架；14-固定装置；15-预留螺栓孔。
具体实施方式
以下结合具体实施例对具有变斜率准零刚度竖向隔震特性的三维隔震系统作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。
实施例1
请参阅图1，本发明提供的具有变斜率准零刚度竖向隔震特性的三维隔震系统，其包括竖向隔震装置和叠层橡胶支座，所述竖向隔震装置和所述叠层橡胶支座串联连接，同轴设置；
包括竖向隔震装置和叠层橡胶支座，所述竖向隔震装置和所述叠层橡胶支座串联连接，同轴设置；
所述竖向隔震装置包括上连接板1、导向筒2、变斜率斜面机构3、多层环形弹簧4、导向轴5、圆柱销6、水平钢弹簧7、防护筒8、中连接板9、导向轴安装架13和固定装置14；
所述上连接板与保护筒8、多层环形弹簧4和变斜率斜面机构3连接；
所述固定装置14下端与中连接板9连接,内侧与水平钢弹簧7连接，所述水平钢弹簧7还与所述导向机构连接，所述导向机构与变斜率斜面机构3连接；
所述叠层橡胶支座包括钢板层和橡胶层。
优选的，所述导向轴5通过圆柱销6与导向轴安装架13连接，使得导向轴5可以滚动。
优选的，所述多层环形弹簧4下端与固定装置14连接。
优选的，所述叠层橡胶支座还包括下连接板12。
更优的，所述钢板层11和橡胶层10为多个相互叠加，并等间隔布置在中连接板9和下连接板12之间，最上端的钢板层11与中连接板9连接，最下端的钢板层11与下连接板12连接。
优选的，所述叠层橡胶支座可以是天然橡胶支座或铅芯橡胶支座的任一种。
优选的，请参阅图4，所述多层环形弹簧4可以是钢弹簧、厚橡胶支座中的任一种。
优选的，所述导向筒2具有水平刚度，能够抵抗水平地震作用力；所述导向筒2与上连接板1竖直方向之间设置有间隙
优选的，所述变斜率斜面机构3由两个倾斜程度不同的斜面组成，所述变斜率斜面机构3底端与中连接板9之间设置有间隙，用于调节多层环形弹簧4的压缩量。变斜率斜面与水平压缩钢弹簧7组合的负刚度机构，在震动过程中会产生大小不同的两个单向恒定负刚度，分别与多层环形弹簧的卸载刚度和加载刚度相抵消，从而产生准零刚度。
请参阅图2，竖向隔震部分主要由变斜率准零刚度隔震装置承担。当装置处于初始状态时，水平钢弹簧7固定不动并处于压缩状态，上部结构的重量直接作用于多层环形弹簧4上，会给其带来初始的预压位移，当装置向下运动时，上连接板1与中连接板8之间会产生相对竖向运动，多层环形弹簧4提供向上运动的正刚度，变斜率斜面机构3向下运动，忽略导向轴与变斜率斜面机构之间的摩擦力，导向轴5和圆柱销6配合使用与变斜率斜面机构3的上斜面产生相对滑动提供负刚度，并与正刚度抵消产生准零刚度。当装置向上运动时，在变斜率斜面机构3的下斜面产生负刚度。上、下斜面的斜率不同，会产生大小不同的负刚度，分别与多层环形弹簧的卸载刚度和加载刚度相互抵消，从而产生准零刚度。其中，多层环形弹簧4也能为该装置提供附加的耗能能力。
水平隔震部分主要由叠层橡胶支座承担。叠层橡胶支座10设置在中连接板9和下连接板11之间，叠层橡胶块10是由橡胶层13和钢板层14交替粘接而成的。当地震来临时，中连接板9会与下连接板11之间产生相对水平运动。通过橡胶层的水平变形为系统提供水平恢复力，使系统在震动产生位移时具有复位能力。
实施例2
请参阅图3，本实施例是基于实施例1的改进方案，水平钢弹簧可根据需要设置多组，导向轴长度也可增大，既可以满足水平刚度需求，也使得导向轴与变斜率斜面的接触线较长，避免点接触导致的局部损伤甚至破坏的不足；且竖向隔震装置占用空间小，高度低，便于加工、安装与更换，以更好地满足实际工程需求。
本实施例与实施例1的不同之处在于，为了在有限的空间内提供更大的负刚度，本发明中所述水平钢弹簧的数量可以为多组，如图3所示的布置多组水平钢弹簧，导向轴长度也可增大，既可以满足水平刚度需求，也使得导向轴与变斜率斜面的接触线较长，避免点接触导致的局部损伤甚至破坏的不足。
本发明上述实施例结合了多层环形弹簧可以提供足够高的竖向承载力和静刚度的优点，设计了变斜率斜面机构，可在上、下斜面产生恒定的负刚度，分别与多层环形弹簧的卸载刚度和加载刚度相互抵消，扩大了准零刚度区域，解决了现有三维隔震技术中准零刚度区域有限与竖向承载力不足的双重问题，满足了建筑结构三维隔震的需求，具备以下的技术优势：
1.变斜率斜面会产生大小不同的两个单向恒定的负刚度，分别与多层环形弹簧的卸载刚度和加载刚度相抵消，从而产生准零刚度，克服了现有准零刚度装置准零刚度区域有限的不足。
2.多层环形弹簧可以提供较大竖向承载力和高静刚度，并具有一定的耗能能力和自复位能力，可满足建筑结构高承载力和高静刚度的需求。
3.变斜率准零刚度竖向隔震装置和橡胶支座相互解耦，各自独立对竖向和水平地震进行隔震。
4.竖向隔震装置占用空间小，高度低，便于加工、安装与更换。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种具有变斜率准零刚度竖向隔震特性的三维隔震系统，其特征在于，包括竖向隔震装置和叠层橡胶支座，所述竖向隔震装置和所述叠层橡胶支座串联连接，同轴设置；
所述竖向隔震装置包括上连接板、导向筒、变斜率斜面机构、多层环形弹簧、导向轴、圆柱销、水平钢弹簧、防护筒、中连接板、导向轴安装架和固定装置；
所述上连接板与保护筒、多层环形弹簧和变斜率斜面机构连接；
所述固定装置下端与中连接板连接,内侧与水平钢弹簧连接，所述水平钢弹簧还与所述导向机构连接，所述导向机构与变斜率斜面机构连接；
所述叠层橡胶支座包括钢板层和橡胶层。
2.根据权利要求1所述具有变斜率准零刚度竖向隔震特性的三维隔震系统，其特征在于,所述导向轴通过圆柱销与导向轴安装架连接，使得导向轴可以滚动。
3.根据权利要求1所述具有变斜率准零刚度竖向隔震特性的三维隔震系统，其特征在于，所述多层环形弹簧下端与固定装置连接。
4.根据权利要求1所述具有变斜率准零刚度竖向隔震特性的三维隔震系统，其特征在于，所述叠层橡胶支座还包括下连接板。
5.根据权利要求4所述具有变斜率准零刚度竖向隔震特性的三维隔震系统，其特征在于，所述钢板层和橡胶层为多个相互叠加，并等间隔布置在中连接板和下连接板之间，最上端的钢板层与中连接板连接，最下端的钢板层与下连接板连接。
6.据权利要求1所述具有变斜率准零刚度竖向隔震特性的三维隔震系统，其特征在于,所述叠层橡胶支座可以是天然橡胶支座或铅芯橡胶支座的任一种。
7.据权利要求1所述具有变斜率准零刚度竖向隔震特性的三维隔震系统，其特征在于,所述多层环形弹簧可以是钢弹簧、厚肉橡胶支座中的任一种。
8.据权利要求1所述具有变斜率准零刚度竖向隔震特性的三维隔震系统，其特征在于,所述导向筒具有水平刚度，能够抵抗水平地震作用力，所述导向筒与上连接板竖直方向之间设置有间隙。
9.据权利要求1所述具有变斜率准零刚度竖向隔震特性的三维隔震系统，其特征在于,所述变斜率斜面机构由两个倾斜程度不同的斜面组成，所述变斜率斜面机构底端与中连接板之间设置有间隙。
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