CN115324222B - 一种自适应的三维智能隔震装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应的三维智能隔震装置，该三维智能隔震装置中的水平隔震系统包括水平向隔震组件与若干耗能与水平向限位组件，若干耗能与水平向限位组件沿水平向隔震组件周向分布，并能够根据振动级别依次进入弹性变形状态提供附加刚度、塑性变形耗能状态提供附加阻尼、形变限位状态；所述竖向隔震系统包括若干竖向弹簧隔震组件、若干竖向黏滞耗能组件以及铅挤压耗能与竖向限位组件，铅挤压耗能与竖向限位组件配合若干竖向弹簧隔震组件，能够根据振动级别依次进入变形耗能状态提供加刚度和阻尼、形变限位状态。该方案创新的构建分阶段的变刚度与变阻尼机制，能够针对各类不同工况做出针对性响应，做到全工况自适应，实现智能隔震。

Description

一种自适应的三维智能隔震装置

技术领域

本发明涉及建筑减震与隔震技术，具体涉及自适应的三维智能隔震技术。

背景技术

中国地处环太平洋地震带与欧亚地震带交叉地带，是地震频发国家，历史上由于地震引发非常多次灾难，造成人们生命财产损失。传统的抗震是通过对主体结构的加强来提高其抗震能力，例如增加构件截面、提高材料性能、改进构造措施等，以此增强结构刚度、强度和延性。但是，这种方式会造成工程成本的大幅增加，同时因为缺少多道防线，一旦结构抗震体系失效，后果难以想象。为了提高结构的耐震性能，不断有新的技术被提出和使用，隔震技术便是其中一种。

隔震技术是在建筑上部结构与地基(或下部结构)之间采用柔性连接，设置足够安全的隔震系统，延长结构基本周期、增加结构附加阻尼、减小结构地震响应，结构响应仅相当于不隔震情况下的1/4-1/8(强震观测结果可达1/2-1/16)，从而“隔离”了地震，通俗地说：使用隔震技术的房屋经历8级地震的震动仅相当于5.5级地震，不仅达到了减轻地震对上部结构造成损坏的目的，而且建筑装修及室内设备也得到有效保护。国内外的隔震房屋，经过多次强烈地震的考验，隔震效果良好，抗震性能显著。

目前比较成熟的隔震支座主要包括橡胶叠层隔震支座和摩擦摆隔震支座，早期的隔震支座主要为水平向隔震支座，即其只能对水平地震(即地震的水平分量)起到隔震效果，因此其适用范围有限，不能应用于竖向地震(即地震的竖向分量)响应明显的结构，例如大跨、长悬臂、高耸结构等，也不能应用于环境振动(以竖向振动为主)明显的结构，例如地铁上盖建筑、安装有高精密仪器的建筑等。

中国抗震设计规范规定位于高烈度区8度和9度的大跨结构、长悬臂结构、烟囱和类似的高耸结构，以及位于9度的高层建筑，均应考虑竖向地震作用，规范里计算时取竖向地震作用为水平地震作用的65％。同时随着公路、铁路、地铁、工地等遍满城市，造成的环境振动对周边建筑及其内精密仪器产生的影响也不容忽略。因此，三维隔震支座被提出和应用。

例如中国专利CN200420017320.X公开了一种三维隔震支座，下部为水平隔震部件，上部采用碟形弹簧竖向隔震部件，两者一起发挥水平向和竖向组合隔震作用。但是现有的三维隔震装置在实际应用过程中存在诸多的局限性：

(1)环境振动、风振、小震、中震和大震的荷载特征、强度大小以及它们对结构产生的影响均不相同，因此隔震装置在这些工况下对应的响应机制也不相同。既有的三维隔震装置缺少合理的分阶段的变刚度与变阻尼机制，无法针对各类不同工况做到自适应，不够“智能”；

(2)既有的隔震装置在取得较好的隔震效果和控制隔震层极限位移两者之间存在矛盾，通常来说，设置刚度更小的隔震层，能取得更好的隔震效果，但同时，过小的刚度会导致过大的位移，在大震作用下结构的安全性难以保障，适应性较差。其可通过变刚度、变阻尼机制可改善这一问题，但是，既有的三维隔震装置无法实现各配套组件之间的相互配合与有机融合；

(3)既有的三维隔震装置在水平向和竖向容易滑脱、拔出、摇摆，在大震下甚至容易导致结构倾覆，缺失可靠的自限位功能。

发明内容

针对现有隔震装置在自适应性方面所存在的问题，本发明的目的在于提供一种自适应的三维智能隔震装置，该方案创新的构建分阶段的变刚度与变阻尼机制，能够针对各类不同工况做出针对性响应，做到全工况自适应，实现智能隔震。

为了达到上述目的，本发明提供的自适应的三维智能隔震装置，包括：上钢板，中钢板，下钢板，设置在上钢板与中钢板之间的水平隔震系统以及设置在中钢板与下钢板之间的竖向隔震系统；

所述水平隔震系统包括水平向隔震组件与若干耗能与水平向限位组件，所述水平向隔震组件分布在上钢板与中钢板之间的中部位置，若干耗能与水平向限位组件沿水平向隔震组件周向分布，所述耗能与水平向限位组件配合水平向隔震组件，能够根据振动级别依次进入弹性变形状态提供附加刚度、塑性变形耗能状态提供附加阻尼、形变限位状态；

所述竖向隔震系统包括若干竖向弹簧隔震组件、若干竖向黏滞耗能组件以及铅挤压耗能与竖向限位组件，所述铅挤压耗能与竖向限位组件分布在中钢板与下钢板之间的中部位置，若干竖向弹簧隔震组件与若干竖向黏滞耗能组件沿铅挤压耗能与竖向限位组件周向分布；

所述若干竖向弹簧隔震组件用于竖向隔震；所述竖向黏滞耗能组件配合若干竖向弹簧隔震组件同步实现竖向耗能形成竖向阻尼；

所述铅挤压耗能与竖向限位组件配合若干竖向弹簧隔震组件，能够根据振动级别依次进入变形耗能状态提供加刚度和阻尼、形变限位状态。

进一步的，所述耗能与水平向限位组件与水平向隔震组件配合形成的水平隔震系统中，在风振情况下，水平向隔震组件单独作用进行隔振，并提高阻尼；

在小震情况下，所述耗能与水平向限位组件与水平向隔震组件同时作用，所述耗能与水平向限位组件进入弹性变形状态提供附加刚度；

在中震和大震情况下，所述耗能与水平向限位组件与水平向隔震组件同时作用，所述耗能与水平向限位组件由弹性变形状态进入塑性变形耗能状态提供附加阻尼；

在大震及以上情况下，所述耗能与水平向限位组件与水平向隔震组件同时作用，所述耗能与水平向限位组件由塑性变形耗能状态进入形变限位状态，对水平向隔震组件的变形形成限制。

进一步的，所述水平向隔震组件为水平向高阻尼橡胶隔震组件。

进一步的，所述若干竖向弹簧隔震组件、若干竖向黏滞耗能组件以及铅挤压耗能与竖向限位组件配合形成的竖向隔震系统中，

在环境振动和小震情况下，竖向弹簧隔震组件与竖向黏滞耗能组件同时作用，铅挤压耗能与竖向限位组件不作用；

在中震和大震下情况下，竖向弹簧隔震组件、竖向黏滞耗能组件以及铅挤压耗能与竖向限位组件同时作用，铅挤压耗能与竖向限位组件进入变形耗能状态提供加刚度和阻尼；

在大震及以上情况下，竖向弹簧隔震组件、竖向黏滞耗能组件以及铅挤压耗能与竖向限位组件同时作用，铅挤压耗能与竖向限位组件进入形变限位状态。

进一步的，所述若干竖向弹簧隔震组件与若干竖向黏滞耗能组件之间依次相间分布。

进一步的，所述竖向弹簧隔震组件由钢弹簧配合构成。

进一步的，所述竖向黏滞耗能组件由黏滞阻尼器以及设置其两端的铰接组件配合构成。

进一步的，所述铅挤压耗能与竖向限位组件包括外套筒以及铅芯，所述铅芯中部呈橄榄球形状，所述铅芯安置在外套筒中，铅芯的中部与外套筒之间间隙配合，铅芯的两端从外套筒中伸出，并与外套筒之间紧密贴合。

本发明提供的自适应的三维智能隔震装置相比现有技术，具有如下优点：

(1)可同时对水平向和竖向震动(振动)起到隔震(振)作用。

(2)具有极强的自适应性，针对环境振动、风振、小震、中震和大震等各类工况，均能取得良好的隔震(振)控制效果，实现“智能”隔震。

(3)在中大震下，自适应引入附加刚度和附加阻尼，可有效降低隔震层的位移，同时设置可靠的自限位组件，可避免装置因为变形过大而失效以及避免结构倾覆。

(4)水平向和竖向隔震互不干扰，各组件的功能实现在不同工况中均互不影响。

(5)通过创新构造设计，使得各组件之间实现有机配合，使变刚度与变阻尼组件兼具自限位功能，实现一个组件多种功能，有机融合。

(6)构造简单，力学机理清晰，安装便捷。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明实例中自适应三维智能隔震装置的俯视图；

图2为图1在A-A或B-B方向上的剖视图；

图3为图2在C-C方向上的剖视图；

图4为图2在D-D方向上的剖视图；

图5为图3在E-E或F-F方向上的剖视图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

针对不同振动工况的特点，本发明方案给出自适应三维智能隔震装置，该隔震装置通过设计分阶段的变刚度与变阻尼机制，能够针对各类不同工况做出针对性响应，做到全工况自适应，实现智能隔震，同时实现支座自限位功能。

参见图1-图5，其所示为本发明给出的自适应三维智能隔震装置的一种构成示例方案。

结合图1、2以及图5，本发明给出的自适应三维智能隔震装置在构成上主要由上钢板1、中钢板2、下钢板3、水平向高阻尼橡胶隔震组件4、若干软钢耗能与水平向限位组件5、若干竖向弹簧隔震组件6、若干竖向黏滞耗能组件7、以及铅挤压耗能与竖向限位组件8配合构成。

其中，水平向高阻尼橡胶隔震组件4与若干软钢耗能与水平向限位组件5配合形成自适应的水平隔震系统，并分布在上钢板1与中钢板2之间，实现针对不同工况的水平振动，自适应地形成水平隔震响应机制。

这里的水平向高阻尼橡胶隔震组件4分布在上钢板1与中钢板2之间的中部位置，两端分别与上钢板1与中钢板2的中心位置固定连接。

该水平向高阻尼橡胶隔震组件4具体为叠层橡胶隔震支座，橡胶采用高阻尼橡胶。如此设置的水平向高阻尼橡胶隔震组件4将能够对全工况的水平振动或震动形成相应的水平隔震响应机制，如水平向高阻尼橡胶隔震组件4基于自身的高阻尼性通过形变以产生隔震作用。

这里对于水平向高阻尼橡胶隔震组件4的具体构成不加以限定，可根据实际需求而定。

基于水平向高阻尼橡胶隔震组件4，若干的软钢耗能与水平向限位组件5沿水平向高阻尼橡胶隔震组件4周向分布在上钢板1与中钢板2之间(如图2与图4所示)。分布在水平向高阻尼橡胶隔震组件4四周的若干软钢耗能与水平向限位组件5，将与水平向高阻尼橡胶隔震组件4进行配合，能够在水平向高阻尼橡胶隔震组件4形成水平隔震响应(即发挥水平隔震作用)的基础上，根据水平振动或震动的级别自动依次进入弹性变形状态提供附加刚度、塑性变形耗能状态提供附加阻尼、形变限位状态，自适应地形成水平隔震响应机制。

作为举例，这里的软钢耗能与水平向限位组件5主要由软钢耗能板5-1、端板5-2、卡板5-3配合组成。

该软钢耗能板5-1能够通过自身的形变来实现耗能减震，如通过弹性形变以产生附加刚度；通过塑性变形，进入耗能状态，以产生附加阻尼等。

该软钢耗能板5-1竖直设置在上钢板1与中钢板2之间，其底端与中钢板2进行固定设置，顶端与端板5-2、卡板5-3配合设置。

该软钢耗能板5-1的整体结构形式，可根据实际需求而定。如图5所示，图示方案中的软钢耗能板5-1优选采用双曲线结构，这样既能够保证软钢耗能板5-1两端连接配合的可靠性，又能够保证软钢耗能板5-1本体进行多级形变的可靠性。

端板5-2与两组卡板5-3相互配合形成相应的形成相应的限位结构，并与软钢耗能板5-1的顶部配合，以对软钢耗能板5-1形成限位。

具体的，端板5-2整体呈平板结构，并设置在软钢耗能板5-1的顶端，与软钢耗能板5-1之间配合形成横截面呈“T”字型结构。

与之配合的，卡板5-3横截面呈L型，即为长L形结构。两组L型的卡板5-3相对的设置在上钢板1上，相互配合形成T形槽结构，该T形槽结构与端板5-2和软钢耗能板5-1顶端组合的“T”字型结构相配合，可容其安置在其中。这样两组L形卡板5-3相对的分布在位于软钢耗能板5-1顶端的端板5-2的两侧，且端板5-2与卡板5-3之间留有空隙，可对端板5-2向两侧移动的行程形成限位，继而对软钢耗能板5-1顶端形成限位，能够配合软钢耗能板5-1进行形变。

如此结构的软钢耗能与水平向限位组件5设置在上钢板1与中钢板2之间，在上钢板1相对于中钢板2发生水平移动时，由于端板5-2与卡板5-3之间留有空隙，在上钢板1相对于中钢板2发生水平移动初始阶段，端板5-2与卡板5-3不接触，软钢耗能板5-1不发生形变；钢板1相对于中钢板2继续发生水平移动，钢板1将带动其上的卡板5-3开始与位于软钢耗能板5-1顶端的端板5-2接触，从而带动软钢耗能板5-1发生弹性变形，发生弹性变形的软钢耗能板5-1则可提供附加刚度；钢板1相对于中钢板2继续发生水平移动，钢板1将通过其上的卡板5-3进一步带动位于软钢耗能板5-1顶端的端板5-2移动，继而继续带动软钢耗能板5-1发生塑性变形，此时软钢耗能板5-1进入耗能状态，能够提供附加阻尼。

作为举例，这里的端板5-2与卡板5-3在具体实施时，可采用普通钢材来形成。

本方案中对于软钢耗能与水平向限位组件5的具体数量不加以限定，可根据设计需求而灵活调整。作为举例，图示方案中，采用4组软钢耗能与水平向限位组件5，这4组软钢耗能与水平向限位组件5沿同一半径分布在水平向高阻尼橡胶隔震组件4四周；具体的，这4组软钢耗能与水平向限位组件5分成两组，分别对称分布在水平向高阻尼橡胶隔震组件4两侧，呈方形环状分布在水平向高阻尼橡胶隔震组件4四周，如此能够在在任意水平方向上都有至少两组软钢耗能与水平向限位组件5可进行联动，保证效率。

本方案通过水平向高阻尼橡胶隔震组件4与若干软钢耗能与水平向限位组件5配合形成自适应的水平隔震系统在运行时：

在风振情况下，软钢耗能与水平向限位组件5中的端板与卡板不接触，软钢耗能板5-1不发挥作用，此时单独利用水平向高阻尼橡胶隔震组件4发挥隔震作用，同时由于其本身提供的阻尼，可有效降低风振下的加速度和位移；

在小震情况下，水平向高阻尼橡胶隔震组件4继续发挥隔震作用，随着上钢板1与中钢板2之间继续发生水平移动，软钢耗能与水平向限位组件5中的端板与卡板开始接触，此时软钢耗能板5-1发生弹性变形，从而实现提供附加刚度；

在中震和大震情况下，水平向高阻尼橡胶隔震组件4继续发挥隔震作用，随着上钢板1与中钢板2之间进一步发生水平移动，卡板与端板接触配合继续带动软钢耗能板5-1进一步变形，此时软钢耗能板5-1发生塑性变形，进入耗能状态，提供附加阻尼，协助减小隔震层的位移，保证隔震支座的自复位能力。

在大震甚至巨震情况下，水平向高阻尼橡胶隔震组件4继续发挥隔震作用，随着上钢板1与中钢板2之间发生大范围水平移动，卡板可以卡住端板，从而限制水平向高阻尼橡胶隔震组件4的变形，有效避免水平向高阻尼橡胶隔震组件4变形过大而导致结构倾覆的风险。

这里需要说明的，本方案在构建自适应水平隔震系统时，并不限于采用水平向高阻尼橡胶隔震组件4，根据还可以使用其他水平隔震形式，例如摩擦摆隔震支座，同样可实现本发明的目的。

再者，本方案在构建自适应水平隔震系统时，并不限于采用软钢耗能也可替换为采用摩擦耗能，同样可实现本发明的目的。

在上述自适应水平隔震系统方案的基础上，本方案进一步通过若干竖向弹簧隔震组件6、若干竖向黏滞耗能组件7与铅挤压耗能与竖向限位组件8配合形成自适应的竖向隔震系统，并分布在中钢板2与下钢板3之间，实现针对不同工况的竖向振动，自适应地形成竖向隔震响应机制。

其中，铅挤压耗能与竖向限位组件8分布在中钢板2与下钢板3之间的中部位置，两端分别与中钢板2与下钢板3的中心位置连接设置；与之配合的，若干竖向弹簧隔震组件6与若干竖向黏滞耗能组件7沿铅挤压耗能与竖向限位组件8的周向分布在铅挤压耗能与竖向限位组件8的四周，并且两端分别与中钢板2与下钢板3进行固定连接，由此配合形成自适应的竖向隔震系统。

结合图2与图5，本方案中的竖向弹簧隔震组件6主要包括上、下连接板6-1与钢弹簧6-2，其中上、下连接板6-1根据竖向弹簧隔震组件6的分布位置，相对的设置在中钢板2与下钢板3上，而钢弹簧6-2分布在上、下连接板6-1之间，两端分别与上、下连接板6-1进行连接，如此设置的竖向弹簧隔震组件6，在感知竖向振动时，由上、下连接板6-1带动钢弹簧6-2在竖向上发生形变，能够基于钢弹簧6-2自身的弹性形变来起竖向隔震作用。

本方案中对于上、下连接板6-1以及钢弹簧6-2的具体构成不加以限定，可根据实际需求而定。

结合图5，本方案中的竖向黏滞耗能组件7主要包括上下连接板7-1、上下耳板7-2、黏滞阻尼器7-3、上下连接插销7-4这几个组成部件。

其中，上、下连接板7-1根据竖向黏滞耗能组件7的分布位置，相对的设置在中钢板2与下钢板3上；再者上、下耳板7-2相对的设置在上、下连接板7-1上，形成相应的上连接座与下连接座。

在此基础上，黏滞阻尼器7-3竖直分布在上、下耳板7-2之间，并且黏滞阻尼器7-3的两端分别通过上、下连接插销7-4与上、下耳板7-2进行销接，通过这样的活动连接结构方案，既能够保证黏滞阻尼器7-3运行的稳定性与可靠性，又能够保证黏滞阻尼器7-3在竖向上的感知灵敏度。

如此设置的竖向黏滞耗能组件7，在感知竖向振动时，由上、下连接板7-1通过上、下耳板7-2带动黏滞阻尼器7-3的两端在竖向上动作，能够基于黏滞阻尼器7-3自身的阻尼特性来起竖向耗能作用。

结合图2与图3，本方案中的铅挤压耗能与竖向限位组件8包括外套筒8-1、铅芯8-2两组成部件。

其中外套筒8-1整体为圆筒状结构，内部开设有中部呈橄榄球状，两端为圆筒状的安置腔。为保证应用时的可靠性，本方案中的外套筒8-1优选采用钢材质构成，但并不限于。

与之配合的，该铅芯8-2整体呈中间粗两端细的结构，其中部呈橄榄球形状，而铅芯8-2的两端呈直径小于中部区域直径的圆柱状。

如此结构的铅芯8-2整体装配在外套筒8-1中的安置腔内，并且铅芯8-2上橄榄球状中部部位正好位于外套筒8-1内安置腔的橄榄球状中部区域内，并且两者之间呈间隙配合；铅芯8-2的两端分别安插在外套筒8-1内安置腔的两端内，并且两者之间呈紧密贴合状。

如此结构的铅挤压耗能与竖向限位组件8在进行装配时，外套筒8-1安置在下钢板3中心位置，同时铅芯8-2整体装配在外套筒8-1中，铅芯8-2的底端安插在外套筒8-1内安置腔的底端中，两者之间紧密贴合；铅芯8-2的中部位于外套筒8-1内安置腔的中部区域，两之间间隙配合，留有缝隙；铅芯8-2的顶端穿设在外套筒8-1内安置腔的顶端中，并从外套筒8-1中伸出，与中钢板2中心位置连接，同时铅芯8-2的顶端与外套筒8-1之间也保持紧密贴合。设置好的铅挤压耗能与竖向限位组件8中，由于铅芯8-2的两端与外套筒8-1内腔的两端之间保持紧密贴合，同时铅芯8-2的中部与外套筒8-1内腔的中部之间留有缝隙，这样通过外套筒8-1内腔两端对铅芯8-2上下两端的限位，保证两者水平向不发生相对位移，在竖向小变形范围内可以自由变形，当竖向发生大变形时，铅芯8-2将被外套筒8-1卡住并发生挤压变形而耗能。

如前述，本方案通过若干竖向弹簧隔震组件6、若干竖向黏滞耗能组件7与铅挤压耗能与竖向限位组件8配合形成自适应的竖向隔震系统时，针对竖向弹簧隔震组件6与竖向黏滞耗能组件7的的具体数量不加以限定，可根据设计需求而灵活调整。

作为举例，图示方案中，采用4组竖向弹簧隔震组件6与4组竖向黏滞耗能组件7来配合1组铅挤压耗能与竖向限位组件8以构成自适应的竖向隔震系统。4组竖向弹簧隔震组件6与4组竖向黏滞耗能组件7之间沿铅挤压耗能与竖向限位组件8周向依次相间分布，即竖向弹簧隔震组件6与竖向黏滞耗能组件7之间依次间隔分布。

具体的，4组竖向弹簧隔震组件6与4组竖向黏滞耗能组件7之间依次配合呈方形环状，并以铅挤压耗能与竖向限位组件8为中心分布在铅挤压耗能与竖向限位组件8四周，其中4组竖向黏滞耗能组件7分布在四个边角处，4组竖向弹簧隔震组件6分布在四边的中部位置。如此分布配合结构可使各个黏滞耗能组件7获得尽可能大变形从而充分发挥耗能作用，同时使得各个竖向弹簧隔震组件6变形尽量协调。

本方案形成自适应的竖向隔震系统在运行时：

在环境振动和小震情况下，中钢板2与下钢板3之间将在纵向上发生一定的相对移动，此时，中钢板2与下钢板3将同步带动铅挤压耗能与竖向限位组件8中外套筒8-1与铅芯8-2在纵向上发生一定的相对移动；由于铅挤压耗能与竖向限位组件8中外套筒8-1与铅芯8-2之间存在的间隙，该间隙可抵消外套筒8-1与铅芯8-2在纵向上发生一定相对移动的行程，此时铅挤压耗能与竖向限位组件8不起作用。此情况下，中钢板2与下钢板3将也同步带动竖向弹簧隔震组件6与竖向黏滞耗能组件7在纵向上发生一定的相对移动，此时带动竖向弹簧隔震组件6与竖向黏滞耗能组件7将会同步发生形变，发挥竖向隔震作用与竖向耗能作用，有效实现竖向隔震。针对这类竖向微小振动，本方案有效实现竖向隔震，并可同时减小振动加速度和位移。

在中震和大震情况下，随着竖向振动变形加大，中钢板2与下钢板3之间将在纵向上进一步发生相对移动，此时，中钢板2与下钢板3将同步带动铅挤压耗能与竖向限位组件8中外套筒8-1与铅芯8-2在纵向上发生一定的相对移动；此情况下，外套筒8-1与铅芯8-2之间在纵向上进行的相对移动行程将大于外套筒8-1与铅芯8-2之间间隙，此时铅芯8-2与外套筒8-1之间将发生挤压变形而耗能，提供附加刚度和阻尼，辅助竖向隔震系统减小变形。此情况下，中钢板2与下钢板3也将同步带动竖向弹簧隔震组件6与竖向黏滞耗能组件7在纵向上发生一定的相对移动，此时带动竖向弹簧隔震组件6与竖向黏滞耗能组件7将会同步发生形变，发挥竖向隔震作用与竖向耗能作用，有效实现竖向隔震。

在大震甚至巨震情况下，铅挤压耗能与竖向限位组件8中的铅芯8-2仍然被外套筒8-1卡住，从而可避免竖向隔震系统发生较大变形、摇摆甚至倾覆，确保结构安全。

基于前述方案所形成的自适应三维智能隔震装置针对各类不同振动/震动工况，通过合理的分阶段的变刚度与变阻尼机制，因势而为，自适应能力强，实现自适应的智能三维隔震。

再者，通过如上方案所形成的自适应三维智能隔震装置中的水平向与竖向隔震互不干扰，水平向与竖向隔震系统分别独立发挥隔震作用，无须解耦，确保隔震效果。当单独发生水平向振动时，由于铅挤压耗能与竖向限位组件在水平向无法发生错动，因此竖向隔震系统不发生变形；当单独发生竖向振动时，水平向高阻尼橡胶隔震组件也不会发生竖向变形。

据此，本自适应三维智能隔震装置在水平隔震与竖向隔震上互不干扰；通过各个组件之间的相互配合与有机融合，具备适应各类工况的分阶段的变刚度与变阻尼机制，可根据实际工况引入或退出附加刚度与附加阻尼；还能够在不额外增加配套组件的前提下，实现抗拔、抗摇摆、抗倾覆等自限位功能。

本方案所给出的自适应三维智能隔震装置在具体应用时，基于自身在水平向与竖向上的分阶段的变刚度与变阻尼机制，能够针对环境振动、风振、小震、中震和大震等各类工况，做到全工况自适应，在需要的时候引入额外的刚度和阻尼，在不需要的时候让其退出，实现针对性自适应响应，实现“智能”隔震，提升隔震控制效果。同时，各组件之间互不干扰，利用变刚度与变阻尼组件实现自限位功能，实现有机融合，自限位功能可避免隔震装置的失效以及隔震结构的倾覆。

作为举例，本自适应三维智能隔震装置中给出的分阶段的变刚度与变阻尼机制，针对不同工况下荷载特点的响应模式如下：

(1)环境振动：环境振动以竖向振动为主，振动较轻微，仅竖向弹簧隔震组件起作用，附加额外阻尼，可同时减小振动加速度和位移，无需也不可附加额外刚度，否则影响隔振效果；

(2)风振：风振以水平振动为主，振动一般较小，仅需高阻尼橡胶隔震组件发挥作用，无需增加额外刚度和阻尼，可同时减小风振加速度和位移；

(3)小震：小震下水平和竖向震动均较小，水平向仅通过高阻尼橡胶隔震组件，附加一定刚度即可实现隔震，如由软钢耗能与水平向限位组件发生弹性变形，提供相应的附加刚度；竖向仅通过弹簧隔震组件，附加一定阻尼即可实现隔震；

(4)中震：中震下地震作用增强，在小震基础上，中震下水平向和竖向需额外附加一定刚度和阻尼才能满足隔震要求；

(5)大震：大震下地震作用进一步增强，隔震装置变形进一步增加，在中震基础上，大震下水平向和竖向耗能组件进一步加大地震能量的耗散，同时需要使支座满足抗拔、抗摇摆、抗倾覆等自限位的功能要求，避免隔震装置的失效而使结构倒塌。

不同工况下，本隔震装置自适应的响应机制如下表：

由上可知，本自适应三维智能隔震装置具备针对不同的工况自适应的响应机制，能够精确适应不同工况，实现“智能”隔震，恰如其分地发挥其相应的性能，进而提高建筑结构的安全性，提升人们在各类振动下的舒适性，提高精密仪器运行的精确性。

以下通过一具体应用实例来说明一下本自适应三维智能隔震装置的应用及性能特点。

某重离子医院位于地震设防9度地区，周围200～300m范围内有公路和高铁，环境振动明显。与此同时，医院内3#楼中安装有质子治疗设备，该设备非常昂贵，且容易受环境振动影响。

为了确保结构在地震下的安全，尽量避免质子治疗设备不破坏，同时确保环境振动下设备的正常运行，对该建筑采取基础隔震，并使用了若干件本方案提出的自适应的三维智能隔震装置，进行水平向和竖向隔震(振)设计。

通过计算，每件装置中采用了4个软钢耗能板5-1、4个竖向弹簧隔震组件6与4个竖向黏滞耗能组件7，通过分析计算确定端板5-2与卡板5-3之间的间隙、铅芯8-2与外套筒8-1之间的变形空间，确保装置在不同工况下的自适应能力。

针对本实例方案，通过有限元数值模拟可知，使用本自适应三维智能隔震装置，在环境振动下，质子治疗设备振动降低76％，满足正常使用需求，使其免于周边环境振动的影响。在风振和地震作用下，结构和仪器震动响应降低40～60％左右，满足高于规范要求的性能化设计目标，可确保大震下仪器基本不受损坏，在巨震下结构不发生倒塌，支座不发生脱出和倾覆。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.自适应的三维智能隔震装置，包括：上钢板，中钢板，下钢板，设置在上钢板与中钢板之间的水平隔震系统以及设置在中钢板与下钢板之间的竖向隔震系统；其特征在于，

所述水平隔震系统包括水平向隔震组件与若干耗能与水平向限位组件，所述水平向隔震组件分布在上钢板与中钢板之间的中部位置，若干耗能与水平向限位组件沿水平向隔震组件周向分布，所述耗能与水平向限位组件配合水平向隔震组件，能够根据振动级别依次自动进入弹性变形状态提供附加刚度、塑性变形耗能状态提供附加阻尼、形变限位状态；

所述竖向隔震系统包括若干竖向弹簧隔震组件、若干竖向黏滞耗能组件以及铅挤压耗能与竖向限位组件，所述铅挤压耗能与竖向限位组件分布在中钢板与下钢板之间的中部位置，若干竖向弹簧隔震组件与若干竖向黏滞耗能组件沿铅挤压耗能与竖向限位组件周向分布；

所述若干竖向弹簧隔震组件用于竖向隔震；所述竖向黏滞耗能组件配合若干竖向弹簧隔震组件同步实现竖向耗能形成竖向阻尼；

所述耗能与水平向限位组件与水平向隔震组件配合形成的水平隔震系统中，在风振情况下，水平向隔震组件单独作用进行隔振，并提高阻尼；

在小震情况下，所述耗能与水平向限位组件与水平向隔震组件同时作用，所述耗能与水平向限位组件进入弹性变形状态提供附加刚度；

在中震和大震情况下，所述耗能与水平向限位组件与水平向隔震组件同时作用，所述耗能与水平向限位组件由弹性变形状态进入塑性变形耗能状态提供附加阻尼；

在大震及以上情况下，所述耗能与水平向限位组件与水平向隔震组件同时作用，所述耗能与水平向限位组件由塑性变形耗能状态进入形变限位状态，对水平向隔震组件的变形形成限制；

所述若干竖向弹簧隔震组件、若干竖向黏滞耗能组件以及铅挤压耗能与竖向限位组件配合形成的竖向隔震系统中，

在环境振动和小震情况下，竖向弹簧隔震组件与竖向黏滞耗能组件同时作用，铅挤压耗能与竖向限位组件不作用；

在中震和大震下情况下，竖向弹簧隔震组件、竖向黏滞耗能组件以及铅挤压耗能与竖向限位组件同时作用，铅挤压耗能与竖向限位组件进入变形耗能状态提供附加刚度和阻尼；

在大震及以上情况下，竖向弹簧隔震组件、竖向黏滞耗能组件以及铅挤压耗能与竖向限位组件同时作用，铅挤压耗能与竖向限位组件进入形变限位状态；

所述铅挤压耗能与竖向限位组件包括外套筒以及铅芯，所述铅芯中部呈橄榄球形状，所述铅芯安置在外套筒中，铅芯的中部与外套筒之间间隙配合，铅芯的两端从外套筒中伸出，并与外套筒之间紧密贴合。

2.根据权利要求1所述的自适应的三维智能隔震装置，其特征在于，所述水平向隔震组件为水平向高阻尼橡胶隔震组件。

3.根据权利要求1所述的自适应的三维智能隔震装置，其特征在于，所述若干竖向弹簧隔震组件与若干竖向黏滞耗能组件之间依次相间分布。

4.根据权利要求1所述的自适应的三维智能隔震装置，其特征在于，所述竖向弹簧隔震组件由钢弹簧配合构成。

5.根据权利要求1所述的自适应的三维智能隔震装置，其特征在于，所述竖向黏滞耗能组件由黏滞阻尼器以及设置其两端的铰接组件配合构成。