CN116044039A - 一种超低频薄层高承载隔震支座、设计方法及组装方法 - Google Patents

一种超低频薄层高承载隔震支座、设计方法及组装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超低频薄层高承载隔震支座、设计方法及组装方法，包括高压力弹簧组件、钢丝绳隔震器、上盖板、下盖板、上支座和下支座；所述的上盖板、下盖板之间竖直布置高压力弹簧组件，高压力弹簧组件还与上盖板、下盖板相连；上盖板与上支座相连，下盖板与下支座相连；所述的钢丝绳隔震器水平布置在高压力弹簧组件的两侧，所述的上支座通过上连接板与钢丝绳隔震器的内侧相连，所述的下支座通过下连接板与钢丝绳隔震器的外侧相连；且上支座和下支座之间通过调节螺栓相连，用于调节上支座和下支座之间的距离。

Description

一种超低频薄层高承载隔震支座、设计方法及组装方法
技术领域
本发明涉及高层建筑隔震控制领域，尤其涉及超低频范围内纵向及横向振动控制抑制用的一种超低频薄层高承载隔震支座。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着建筑行业的快速发展，传统的建筑结构抗震设计已经无法满足当前阶段的抗震需求，为了提高建筑结构的抗震能力，尤其是新型建筑和高层建筑的抗震能力，以减震、隔震为手段抗震设计思想被广泛地应用到建筑施工中。隔震技术的基本思想是通过隔震装置使上部结构与下部结构分离，从而避免地震动能量在建筑物中纵向和横向传递。在建筑物与基础结构之间布置水平柔性、竖向刚性的隔震装置形成隔震层，利用装置降低结构基频，提高建筑物在爆炸环境中的抗震安全可靠性。
建筑物隔震需要承受很大的静载荷。在现有建筑物隔震装置技术中：约80％采用叠层橡胶，约20％采用钢弹簧。叠层橡胶隔震装置的优点是横向刚度较小，缺点是竖向刚度很高，竖向隔震频率常在15Hz以上，难以满足低频隔震的工程要求。钢弹簧隔震装置具有抗冲击和隔震频率低的优点，也有一定的静承载性能，缺点是高度较高，稳定性较差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出由矩阵式排列的高压力弹簧与钢丝绳隔震器组成并联结构，与刚性基础框架、限位器、阻尼器等形成一套具有超低频隔震性能的薄层高承载隔震支座。该支座不仅能够提供较大的静承载力，降低竖向隔震频带(不高于3Hz)，还可以减小隔震支座的高度，具有良好的抗倾覆能力，提高了工作稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明公开了一种超低频薄层高承载隔震支座，包括高压力弹簧组件、钢丝绳隔震器、上盖板、下盖板、上支座和下支座；
所述的上盖板、下盖板之间竖直布置高压力弹簧组件，高压力弹簧组件还与上盖板、下盖板相连；上盖板与上支座相连，下盖板与下支座相连；
所述的钢丝绳隔震器水平布置在高压力弹簧组件的两侧，所述的上盖板通过上连接板与钢丝绳隔震器的内侧相连，所述的下盖板通过下连接板与钢丝绳隔震器的外侧相连；且上盖板和下盖板之间通过调节螺栓相连，用于调节上支座和下支座之间的距离。
作为进一步的技术方案，所述高压力弹簧组件包括多个呈矩阵布置的高压力弹簧。
作为进一步的技术方案，在所述的上支座底部设置对高压力弹簧组件进行导向定位的凸起。
作为进一步的技术方案，在所述的下支座顶部设置对高压力弹簧组件进行导向定位的凸起。
作为进一步的技术方案，所述的调节螺栓包括四个，分别位于上盖板和下盖板的四个角位置。
作为进一步的技术方案，在所述的上盖板底部设置上凹槽，上支座固定在上凹槽内，在下盖板顶部设置下凹槽，下支座固定在下凹槽内。
第二方面，本发明还公开了一种超低频薄层高承载隔震支座的设计方法，如下：
(1)根据工作条件确定高压力弹簧组件的载荷类型，选择高压力弹簧的成型材料，并获得许用切应力；
(2)根据要求，初选旋绕比；
(3)计算材料直径和弹簧的中径；
(4)计算弹簧的有效圈数和总圈数；
(5)计算弹簧的自由高度，压并高度；
(6)计算出单根弹簧的尺寸及参数之后，组成n×n个弹簧的矩阵式隔震支座；计算几组符合要求的弹簧，将这几组弹簧的外径、自由高度以及组合后的隔震支座宽度进行插值拟合，进而选出最优的弹簧参数。
第三方面，本发明还公开了一种超低频薄层高承载隔震支座的组装方法，如下：
(1)将各个高压力弹簧下端焊接在具有凸台的下支座上，高压力弹簧的上端套在上支座的上凸台上，多个弹簧形成矩阵布置；然后连接上支座与上盖板，下支座与下盖板，形成矩阵式弹簧隔震支座；
(2)在靠近下盖板顶部两侧边缘的位置固定下连接板；
(3)在靠近上盖板底部两侧边缘的位置固定上连接板；
(4)将上盖板和下盖板采用预压调整螺栓相连，通过调节预压调整螺栓将上述上盖板和下盖板之间的距离预压至可连接钢丝绳隔震器的有效距离，然后将钢丝绳隔震器下连接板与钢丝绳隔震器的外侧相连，钢丝绳隔震器上连接板与钢丝绳隔震器的内侧相连；待安装好钢丝绳隔震器后，可继续调整预压调整螺栓，根据实际载荷以及固有频率要求，可释放或继续预压。
与现有隔震支座的弹簧相比，在并联使用的条件下，显著减少了高承载下的支座尺寸和重量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提出钢丝绳隔震器与多组高压力弹簧组成并联结构隔震支座，该支座与同等承载能力的钢弹簧支座相比，高度和重量可减小1/2左右；
(2)本发明通过选择合适的钢丝绳隔震器和高压力弹簧，可以在满足高承载力的前提下，使得隔震支座的固有频率不高于3Hz，与占市场份额80％的叠层橡胶支座相比(固有频率10-15Hz)，固有频率低，隔震效率高。
(3)本发明利用多组高压力弹簧，通过优化设计高压力弹簧的结构参数，组成n×n个弹簧的矩阵式布局方案，具有承载力高、整体尺寸小、竖向刚度小的优点。
(4)本发明提出钢丝绳隔震器与多组高压力弹簧组成并联使用，可以增大横向承载刚度，提高隔震支座的抗倾覆能力。
附图说明
图1是实施例一中超低频薄层高承载隔震支座工作原理示意图；
图2是实施例一中超低频薄层高承载隔震支座内部结构示意图；
图3实施例二中高压力弹簧立体示意图；
图4是实施例二中钢丝绳隔震器结构示意图；
图5是实施例二中弹簧外径D、自由高度H和隔震支座宽度L的规律曲线示意图；
图6是实施例二中考虑确定条件下弹簧外径D、自由高度H和隔震支座宽度L的规律曲线示意图；
图7是高压力弹簧的安装方式示意图；
图8是隔震支座的预压结构示意图；
其中，1、高压力弹簧组件，2、钢丝绳隔震器，3、上盖板，4、预压调整螺栓，5、下盖板，6、下连接板，7、上连接板，8上支座，9下支座。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
名词解释：本发明中的“高压力弹簧”的压力值没有具体的要求，仅仅为为了区别于普通的低压力弹簧，该弹簧完全根据实际的承载力进行自由选择。
实施例一
正如背景技术所介绍的，目前建筑物采用的隔震支座存在固有频率高、支座重量和尺寸大、稳定性差等缺点，为改善这些问题，本实施例提出了一种超低频薄层高承载隔震支座，其结构如图1所示，包括：高压力弹簧组件1、钢丝绳隔震器2、上盖板3、下盖板5、预压调整螺栓4、上支座8和下支座9；
其中，本实施例的高压力弹簧组件1由4×4个高压力螺旋压缩弹簧组成，如图3，型号为LHL 2000D 09。其外径49.78mm，自由长度203.2mm，弹簧刚度128.548N/mm，压并高度141.17mm。
如图2、图7所示，本实施例中的4×4个高压力弹簧的顶部和底部分别套在上支座8和下支座9的凸台上，所述的凸台用于高压力弹簧的定位和导向，为了保证可靠性，可以通过焊接的方式将高压力弹簧与上支座8和下支座9焊接固连。
参考图1和图2，支座采用两个钢丝绳隔震器2(如图4)，钢丝绳隔震器2的型号为GGT220-108，高度108mm，宽度为133mm。将水平方向作为钢丝绳隔震器的正方向，竖直方向作为剪切方向，分别用上、下连接板安装在上盖板3、下盖板5之间，用于提高隔震支座整体的横向刚度和稳定性，提高了支座的抗倾覆能力，具体的，钢丝绳隔震器下连接板6固定在下盖板5上，且靠近下盖板5的边缘位置，钢丝绳隔震器上连接板7与上盖板3固定连接，且钢丝绳隔震器下连接板6和钢丝绳隔震器上连接板7位于钢丝绳隔震器2的左右两侧。
进一步的，在其他实施例中，上述钢丝绳隔震器还可以由2个或4个钢丝绳隔震器并联连接而成。
在本实施例中钢丝绳隔震器2水平安装时，竖向性能为钢丝绳减振器侧向剪切的性能，即竖向静刚度为62N/mm，竖向最大动位移41mm；水平方向性能为钢丝绳减振器垂向压缩时的性能，即水平静刚度为168N/mm，横向最大动位移58mm。
本实施例中，整个隔震支座的总竖向刚度2180N/mm，水平总刚度610N/mm。支座尺寸为570mm×470mm×245mm，总质量约为108kg。本实施例的超低频薄层高承载隔震支座高度仅为245mm，在额定载荷6.5吨时，额定载荷下位移30mm，最大可压缩动位移32mm，竖向共振频率2.91Hz，水平共振频率1.54Hz。其高度和固有频率均远小于当前的隔震支座。
本实施例提出的隔震支座也可满足为满足大冲击的工况，该基础型隔震支座可以上下叠加使用，叠加后可提供更大的动位移。
进一步的，根据GB/T 14527-2021，可选用复合阻尼器使用到隔震支座中，以增加隔震支座的阻尼，提高稳定性。
进一步的，所述的超低频薄层高承载隔震支座中的钢丝绳隔震器2，用于大幅振动时限制高压力弹簧的变形量，提高稳定性。
进一步的，所述的调节螺栓包括四个，分别位于上盖板3、下盖板5的四个角位置，通过调节四个螺栓，可以实现上盖板3、下盖板5之间的高度调节。
进一步的，如图7所示，在上述的上盖板3底部设置上凹槽，上支座8固定在上凹槽内，在下盖板5顶部设置下凹槽，下支座9固定在下凹槽内。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种超低频薄层高承载隔震支座的设计方法，该方法包括以下步骤；
步骤1：根据工作条件确定弹簧的载荷类型，选择材料，并获得许用切应力，选用的金钢中50CrVA，具有很高的机械性能，是耐疲劳和抗冲击最好的弹簧钢，其许用应力为600MP，剪切模量为79.3GPa；
步骤2：按照表1初选旋绕比C，一般取旋绕比范围C＝4-9；
表1弹簧螺旋比C的选择
Figure BDA0004093751500000071
Figure BDA0004093751500000081
步骤3：同时可以计算出材料的直径d，弹簧的中径D；、
步骤4：计算有效圈数和总圈数；
步骤5：计算自由高度和压并高度。
步骤6：计算出单根弹簧的尺寸及参数如表2所示。将表2中的数据导入Mat l ab中，首先利用meshgr i d()函数生成三维网格，再调用gr i ddata()函数进行三维插值运算，最后运用f i gure surf()函数绘制出三维有色图，得到的弹簧外径D、自由高度H和隔震支座宽度L的规律如图5所示。
表2计算出的弹簧参数
Figure BDA0004093751500000082
参考图5，得出以下规律：
(1)弹簧的外径在60mm以下时，随着弹簧丝直径与弹簧中径的增加，刚度和可动位移不是线性增长关系，因此图中纵坐标低于60mm时，横向起伏较大呈“波浪状”。
(2)支座宽度在750～840mm之间时，外径明显大于其他宽度时的值，这是因为外径较大的弹簧刚度和可压缩位移一般都比较大，因此在满足相同承重的条件下需要的弹簧数目就相对较少，所以支座宽度反而会相对减小。
(3)弹簧的自由高度和弹簧的外径、内径以及弹簧丝直径的大小呈线性增长的关系。
(4)承重60吨，动位移20mm的曲面较为平缓，没有前两者较为明显的趋势。这是由于承重和动位移的要求较大，小直径的弹簧不再满足要求，改用直径、外径都有所增加的弹簧，此类弹簧的刚度和可压缩位移一般随弹簧直径增大呈线性增长关系，且增长速度不大，因此在三维曲面图中没有“断崖式”的增减。
(5)外径50mm以下、支座宽度小于750mm时，随着弹簧高度和支座宽度的减小，外径也呈单调递减的趋势。
设定弹簧有效圈数12.5，旋绕比为4，在额定载荷下的动位移20mm，对弹簧外径D、自由高度H和隔震支座宽度进行约束，结果如图6所示。
参考图4，隔震支座的设计目标是高度最小和底面积最小，因此在图中标示位置处取得的弹簧参数最符合要求，在标示处取六个点，外径、自由高度和支座宽度的参数如表3。
表3优化后的弹簧参数(mm)
Figure BDA0004093751500000091
Figure BDA0004093751500000101
可以看出，随着弹簧外径的增加，自由高度增加，支座宽度减小。可以依据表3中的参考数据在不同工况下选择最优的支座高度和宽度。与现有隔震支座的弹簧相比，优化得到的单个弹簧具有细高的特点，在并联使用的条件下，可以显著减少高承载下的隔震支座尺寸和重量。
实施例三
在一些实施例中，提供了超低频薄层高承载隔震支座的安装、预压方法等，包括以下内容：
(1)参考图5和图6，首先将各个高压力弹簧下端焊接在具有凸台的下支座9上，高压力弹簧的上端套在上支座8的凸台上，多个弹簧形成矩阵布置。再将上支座8和下支座9安装在隔震支座的上盖板3和下盖板5对应的凹陷处，然后用螺纹连接的方式连接在上支座8、下支座9与上盖板3、下盖板5，形成矩阵式弹簧隔震支座。
(2)在靠近下盖板5顶部两侧边缘的位置固定钢丝绳隔震器下连接板6；
(3)在靠近上盖板3底部两侧边缘的位置固定钢丝绳隔震器上连接板7；
(4)将上盖板5和下盖板3采用预压调整螺栓相连，通过调节预压调整螺栓将上述上盖板5和下盖板3之间的距离预压至可连接钢丝绳隔震器的有效距离，然后将钢丝绳隔震器下连接板与钢丝绳隔震器的外侧相连，钢丝绳隔震器上连接板与钢丝绳隔震器的内侧相连；待安装好钢丝绳隔震器后，可继续调整预压调整螺栓，根据实际载荷以及固有频率要求，可释放或继续预压。进一步的，参考图7，弹簧隔震器可以进行预压缩，从而在上层建筑物的建设期间，隔震器的支承为刚性支撑。支座两侧采用螺栓进行预压缩，将弹簧压缩至产生额定承重下的状态，只有在上层建筑物建设完成后，才将弹簧释放，释放后弹簧的弹性才起作用。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种超低频薄层高承载隔震支座，其特征在于，包括高压力弹簧组件、钢丝绳隔震器、上盖板、下盖板、上支座和下支座；
所述的上盖板、下盖板之间竖直布置高压力弹簧组件，高压力弹簧组件还与上盖板、下盖板相连；上盖板与上支座相连，下盖板与下支座相连；
所述的钢丝绳隔震器水平布置在高压力弹簧组件的两侧，所述的上盖板通过上连接板与钢丝绳隔震器的内侧相连，所述的下盖板通过下连接板与钢丝绳隔震器的外侧相连；且上盖板和下盖板之间通过调节螺栓相连，用于调节上支座和下支座之间的距离。
2.如权利要求1所述的超低频薄层高承载隔震支座，其特征在于，所述高压力弹簧组件包括多个呈矩阵布置的高压力弹簧。
3.如权利要求1所述的超低频薄层高承载隔震支座，其特征在于，在所述的上支座底部设置对高压力弹簧组件进行导向定位的凸起。
4.如权利要求3所述的超低频薄层高承载隔震支座，其特征在于，在所述的下支座顶部设置对高压力弹簧组件进行导向定位的凸起。
5.如权利要求1所述的超低频薄层高承载隔震支座，其特征在于，所述的调节螺栓包括四个，分别位于上盖板和下盖板的四个角位置。
6.如权利要求1所述的超低频薄层高承载隔震支座，其特征在于，在所述的上盖板底部设置上凹槽，上支座固定在上凹槽内，在下盖板顶部设置下凹槽，下支座固定在下凹槽内。
7.如权利要求1-6任一所述的超低频薄层高承载隔震支座的设计方法，其特征在于，包括：
(1)根据工作条件确定高压力弹簧组件的载荷类型，选择高压力弹簧的成型材料，并获得许用切应力；
(2)根据要求，初选旋绕比；
(3)计算材料直径和弹簧的中径；
(4)计算弹簧的有效圈数和总圈数；
(5)计算弹簧的自由高度，压并高度；
(6)计算出单根弹簧的尺寸及参数之后，组成n×n个弹簧的矩阵式隔震支座；计算几组符合要求的弹簧，将这几组弹簧的外径、自由高度以及组合后的隔震支座宽度进行插值拟合，进而选出最优的弹簧参数。
8.如权利要求1-6任一所述的超低频薄层高承载隔震支座的组装方法，其特征在于，
(1)将各个高压力弹簧下端焊接在具有凸台的下支座上，高压力弹簧的上端套在上支座的上凸台上，多个弹簧形成矩阵布置；然后连接上支座与上盖板，下支座与下盖板，形成矩阵式弹簧隔震支座；
(2)在靠近下盖板顶部两侧边缘的位置固定下连接板；
(3)在靠近上盖板底部两侧边缘的位置固定上连接板；
(4)将上盖板和下盖板采用预压调整螺栓相连，通过调节预压调整螺栓将上述上盖板和下盖板之间的距离预压至可连接钢丝绳隔震器的有效距离，然后将钢丝绳隔震器下连接板与钢丝绳隔震器的外侧相连，钢丝绳隔震器上连接板与钢丝绳隔震器的内侧相连；待安装好钢丝绳隔震器后，可继续调整预压调整螺栓，根据实际载荷以及固有频率要求，可释放或继续预压。
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