CN116905688A - 一种针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统，属于工程结构隔震领域，包括负刚度系统和环簧系统，负刚度系统包括T形杆和预压弹簧，T形杆的顶端与上部结构基础铰接，T形杆的底端与基础地面铰接，T形杆的两侧端分别通过一个预压弹簧与固定在上部结构基础上的竖挡板连接；环簧系统包括两个环簧装置，两个环簧装置均包括滑动台、三角挡板、竖杆、内杆和环簧组，环簧组包括交替堆叠设置的外环和内环。本发明采用上述结构的针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统，以被动控制的方式实现多种频率无关的附加阻尼滞回形式，可针对控制震后残余变形、隔震层变形、上部结构地震响应等差异化隔震目标提供有效性能提升方案。
Description
技术领域
本发明涉及工程结构隔震技术领域，特别是涉及一种针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统。
背景技术
隔震技术是在建筑结构、桥梁结构等工程结构中通过在上部结构基础和基础地面之间设置隔震支座形成隔震层，以延长整个结构体系的自振周期，从而减小上部结构的水平地震作用，实现控制上部结构震害的预期目标。目前普遍采用的橡胶隔震支座、铅芯橡胶支座、摩擦摆支座等传统隔震支座由于缺乏有效的性能提升手段，常常引发隔震层变形较大、震后残余变形明显、难以有效控制地震激励高频成分导致隔震效果不佳等不利后果，难以保证隔震结构的长期使用性能与安全性。
为提升隔震效果，现有技术主要侧重于改善并优化隔震支座的隔震刚度与耗能能力，但这些技术经过多年的发展，难以再实现突破，且对于大量既有隔震结构，相比替换传统隔震支座，采用新型附加隔震系统往往更为实用且有效，但既有隔震结构亟待提升的隔震性能目标差异较大，鉴于此，亟需研发一种可实现多模式工作的新型附加隔震技术以提升既有隔震结构的隔震性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统，以被动控制的方式实现多种频率无关的附加阻尼滞回形式，可针对控制震后残余变形、隔震层变形、上部结构地震响应等差异化隔震目标提供有效性能提升方案。
为实现上述目的，本发明提供了一种针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统，包括位于两个隔震支座之间的负刚度系统和环簧系统，所述负刚度系统包括T形杆和预压弹簧，所述T形杆的顶端通过上耳板与上部结构基础铰接，所述T形杆的底端通过下耳板与基础地面铰接，所述T形杆的两侧端分别通过一个所述预压弹簧与固定在所述上部结构基础上的竖挡板连接，所述预压弹簧的两端分别与所述T形杆和所述竖挡板铰接；
所述环簧系统包括两个环簧装置，两个所述环簧装置对称设置在所述下耳板的两侧且位于两个所述竖挡板之间，两个所述环簧装置均包括滑动台、三角挡板、竖杆、内杆和环簧组，所述滑动台和所述三角挡板均与所述基础地面固定连接，所述竖杆的底端与所述滑动台滑动连接，所述竖杆的顶部与和其位于所述下耳板同一侧的竖挡板接触连接，所述内杆水平设置，且所述内杆的一端与所述竖杆固定连接，所述内杆的另一端穿过所述三角挡板上的穿孔与防脱件连接，所述环簧组套设在所述内杆上且位于所述竖杆和所述三角挡板之间，所述环簧组包括若干交替堆叠设置的外环和内环，所述内环的内壁与所述内杆滑动连接，所述内环的外壁为半径尺寸从竖杆到三角挡板的方向先逐渐增大后逐渐减小的圆锥面，所述外环的内壁为半径尺寸从竖杆到三角挡板的方向先逐渐减小后逐渐增大的圆锥面，且所述外环的内壁两端分别与两个所述内环的外壁相贴设置；
隔震层发生水平运动时，所述负刚度系统中的所述T形杆与所述预压弹簧发生转动，所述预压弹簧释放预压力，推动所述T形杆朝着其运动方向进一步运动，产生与运动方向一致的负刚度力，且该负刚度力由所述预压弹簧产生并与加载频率无关；在加、卸载过程中，所述环簧组保持弹性，当卸去外力时，所述环簧组回到初始状态，表现出典型的三角形滞回特性，且该三角形滞回特性由摩擦产生，所述环簧组的滞回行为表现出与加载频率无关的特性。
优选的，所述负刚度系统与所述环簧系统并联工作产生并联刚度，通过调整负刚度系统与环簧系统力学行为表现出四种不同的阻尼滞回形式：设定为环簧系统加载刚度，/>为环簧系统卸载刚度，/>为负刚度系统的负刚度大小，/>为环簧系统加载时负刚度系统与环簧系统的并联刚度，且/>，/>为环簧系统卸载时负刚度系统与环簧系统的并联刚度，且/>，当/>时，呈现三角自复位阻尼滞回形式，实现震后自复位的效果，从而降低隔震结构震后残余变形；当/>，/>，且/>时，呈现滞变阻尼滞回形式，所产生的滞变阻尼力（即并联恢复力）与隔震层位移成正比，并且与隔震层速度同相位，即满足/>，其中/>为隔震层位移，/>为隔震层速度，/>表示取绝对值；当/>时，呈现通过被动控制的方式实现半主动控制的伪负刚度阻尼滞回形式，当隔震层远离平衡位置时不产生作用力，隔震层返回平衡位置时，产生阻碍力，从而在不影响隔震层水平剪力最大值的情况下，附加额外耗能能力，有效降低隔震层位移响应；当时，呈现反三角阻尼滞回形式，利用等效负刚度效应，降低隔震层的隔震垫刚度，延长隔震层的隔震周期，从而实现降低上部楼层地震响应的目的。
优选的，所述负刚度系统产生的初始负刚度通过调整所述预压弹簧的预压力以及所述T形杆的尺寸进行调节，所述预压弹簧的预压力通过调节预压变形、刚度进行调节。
优选的，所述环簧组的加载刚度、卸载刚度通过调整所述外环和所述内环的圆锥面的契角、中心直径和截面面积进行调节。
优选的，所述隔震支座包括隔震垫、顶板和底板，所述隔震垫的顶端通过所述顶板与所述上部结构基础固定连接，所述隔震垫的底端通过所述底板与所述基础地面固定连接。
优选的，所述防脱件为螺母，所述螺母与所述内杆螺纹连接。
优选的，所述环簧组的两端分别通过垫片与所述竖杆和所述三角挡板连接。
因此，本发明采用上述结构的针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统，具有如下有益效果：
1、本发明结合了隔震结构的特点，在隔震层布置负刚度系统和环簧系统装置，两者并联工作，通过调节负刚度系统与环簧系统力学行为，实现了三角自复位、滞变、伪刚度和反三角四种不同的阻尼滞回行为，且与加载频率无关，可针对控制震后残余变形、隔震层变形、上部结构地震响应等差异化隔震目标提供有效性能提升方案。
2、本发明可以与既有结构隔震层融合为一体，不占用多余空间，且易于安装与维护。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统在隔震层中变形前的实施例的示意图；
图2是本发明针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统在隔震层中变形后的实施例的示意图；
图3是本发明针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统在隔震层中变形后负刚度系统的实施例的示意图；
图4是本发明针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统在隔震层中变形后T形杆的受力分析图；
图5是本发明针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统中负刚度系统的负刚度力-隔震层位移曲线图；
图6是本发明针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统中环簧装置的实施例的示意图；
图7是本发明针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统中环簧组的立体示意图；
图8是本发明针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统中环簧组受力前的实施例的示意图；
图9是本发明针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统中环簧组受力后的实施例的示意图；
图10是本发明针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统中环簧系统的加卸载恢复力-隔震层位移曲线图；
图11是本发明针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统在三角自复位阻尼滞回形式时负刚度系统与环簧系统的并联恢复力-隔震层位移曲线图；
图12是本发明针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统在滞变阻尼滞回形式时负刚度系统与环簧系统的并联恢复力-隔震层位移曲线图；
图13是本发明针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统在伪负刚度阻尼滞回形式时负刚度系统与环簧系统的并联恢复力-隔震层位移曲线图；
图14是本发明针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统在反三角阻尼滞回形式时负刚度系统与环簧系统的并联恢复力-隔震层位移曲线图。
附图标记
1、隔震支座；11、隔震垫；12、顶板；13、底板；2、负刚度系统；21、T形杆；22、上耳板；23、下耳板；24、预压弹簧；3、环簧装置；31、滑动台；32、三角挡板；33、竖杆；34、内杆；35、环簧组；351、外环；352、内环；36、防脱件；37、垫片；4、上部结构基础；5、基础地面；6、竖挡板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
如图1-14所示，一种针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统，包括位于两个隔震支座1之间的负刚度系统2和环簧系统。隔震支座1包括隔震垫11、顶板12和底板13，隔震垫11的顶端通过顶板12与上部结构基础4固定连接，隔震垫11的底端通过底板13与基础地面5固定连接。负刚度系统2包括T形杆21和预压弹簧24，T形杆21的顶端通过上耳板22与上部结构基础4铰接，T形杆21的底端通过下耳板23与基础地面5铰接。T形杆21的两侧端分别通过一个预压弹簧24与固定在上部结构基础4上的竖挡板6连接，预压弹簧24的两端分别与T形杆21和竖挡板6铰接。
当隔震层发生水平运动时，负刚度系统2中的T形杆21与预压弹簧24发生转动，预压弹簧24释放预压力，推动T形杆21朝着其运动方向进一步运动，产生与运动方向一致的力，即负刚度力，且该负刚度力由预压弹簧24产生，因此与加载频率无关。图4是本发明针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统在隔震层中变形后T形杆21的受力分析图，FC=FNSD表示负刚度力的大小。负刚度系统2产生的初始负刚度通过调整预压弹簧24的预压力以及T形杆21的尺寸（图3中的L1和L2）进行调节，预压弹簧24的预压力通过调节预压变形、刚度进行调节。
环簧系统包括两个环簧装置3，两个环簧装置3对称设置在下耳板23的两侧且位于两个竖挡板6之间。两个环簧装置3均包括滑动台31、三角挡板32、竖杆33、内杆34和环簧组35，滑动台31和三角挡板32均与基础地面5固定连接。竖杆33的底端与滑动台31滑动连接，竖杆33的顶部与和其位于下耳板23同一侧的竖挡板6接触连接。内杆34水平设置，且内杆34的一端与竖杆33固定连接，内杆34的另一端穿过三角挡板32上的穿孔与防脱件36连接。防脱件36为螺母，螺母与内杆34螺纹连接。
环簧组35套设在内杆34上且位于竖杆33和三角挡板32之间，环簧组35的两端分别通过垫片37与竖杆33和三角挡板32连接。环簧组35包括若干交替堆叠设置的外环351和内环352，内环352的内壁与内杆34滑动连接，内环352的外壁为半径尺寸从竖杆33到三角挡板32的方向先逐渐增大后逐渐减小的圆锥面，外环351的内壁为半径尺寸从竖杆33到三角挡板32的方向先逐渐减小后逐渐增大的圆锥面，且外环351的内壁两端分别与两个内环352的外壁相贴设置。在加、卸载过程中，环簧组35保持弹性，则当卸去外力时，环簧组35可以回到初始状态，因此表现出典型的三角形滞回特性，且该三角形滞回特性由摩擦产生，因此所述环簧组35的滞回行为表现出与加载频率无关的特性。环簧组35只能受压不能受拉，环簧组35的加载刚度大于卸载刚度，环簧组35的加载刚度、卸载刚度通过调整外环351和内环352的圆锥面的契角、中心直径和截面面积进行调节。
在隔震层发生水平运动时，仅其中一个环簧装置3的环簧组35压缩，另一个环簧装置3的竖杆33与同侧竖挡板6脱离，并且环簧组35表现出典型的如图10所示的三角形滞回特性：当环簧组35外端面受到轴向压力作用时，外环351与内环352的圆锥接触面上会产生正压力，使外环351沿径向向外膨胀、内环352沿径向向内压缩（如图9所示），外环351与内环352沿圆锥面相互滑动，使环簧组35产生轴向压缩变形，此时产生加载刚度；卸载时，外环351与内环352的相互滑动方向转变，因此接触面摩擦力转变方向，使环簧组35出力突然减小，产生卸载刚度。图10中F表示环簧系统的加卸载恢复力，为隔震层位移，/>为隔震层速度，/>表示隔震层位移与隔震层速度方向相同，/>表示隔震层位移与隔震层速度方向相反。
负刚度系统2与环簧系统并联工作产生并联刚度，通过调整负刚度系统2与环簧系统力学行为表现出四种不同的阻尼滞回形式：设定为环簧系统加载刚度，/>为环簧系统卸载刚度，/>为负刚度系统2的负刚度大小，/>为环簧系统加载时负刚度系统2与环簧系统的并联刚度，且/>，/>为环簧系统卸载时负刚度系统2与环簧系统的并联刚度，且，当/>时，呈现如图11中实线所示的三角自复位阻尼滞回形式，实现震后自复位的效果，从而降低隔震结构震后残余变形；当/>，/>，且/>时，呈现如图12中实线所示的滞变阻尼滞回形式，所产生的滞变阻尼力（即并联恢复力）与隔震层位移成正比，并且与隔震层速度同相位，即满足/>，其中/>为隔震层位移，/>为隔震层速度，/>表示取绝对值；当/>时，呈现如图13中实线所示的通过被动控制的方式实现半主动控制的伪负刚度阻尼滞回形式，当隔震层远离平衡位置时不产生作用力，隔震层返回平衡位置时，产生阻碍力，从而在不影响隔震层水平剪力最大值的情况下，附加额外耗能能力，有效降低隔震层位移响应；当/>时，呈现如图14中实线所示的反三角阻尼滞回形式，利用等效负刚度效应，降低隔震层的隔震垫11刚度，延长隔震层的隔震周期，从而实现降低上部楼层地震响应的目的。
因此，本发明采用上述针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统，以被动控制的方式实现多种频率无关的附加阻尼滞回形式，可针对控制震后残余变形、隔震层变形、上部结构地震响应等差异化隔震目标提供有效性能提升方案；本发明可以与既有结构隔震层融合为一体，不占用多余空间，且易于安装与维护。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统，其特征在于：包括位于两个隔震支座之间的负刚度系统和环簧系统，所述负刚度系统包括T形杆和预压弹簧，所述T形杆的顶端通过上耳板与上部结构基础铰接，所述T形杆的底端通过下耳板与基础地面铰接，所述T形杆的两侧端分别通过一个所述预压弹簧与固定在所述上部结构基础上的竖挡板连接，所述预压弹簧的两端分别与所述T形杆和所述竖挡板铰接；
所述环簧系统包括两个环簧装置，两个所述环簧装置对称设置在所述下耳板的两侧且位于两个所述竖挡板之间，两个所述环簧装置均包括滑动台、三角挡板、竖杆、内杆和环簧组，所述滑动台和所述三角挡板均与所述基础地面固定连接，所述竖杆的底端与所述滑动台滑动连接，所述竖杆的顶部与和其位于所述下耳板同一侧的竖挡板接触连接，所述内杆水平设置，且所述内杆的一端与所述竖杆固定连接，所述内杆的另一端穿过所述三角挡板上的穿孔与防脱件连接，所述环簧组套设在所述内杆上且位于所述竖杆和所述三角挡板之间，所述环簧组包括若干交替堆叠设置的外环和内环，所述内环的内壁与所述内杆滑动连接，所述内环的外壁为半径尺寸从竖杆到三角挡板的方向先逐渐增大后逐渐减小的圆锥面，所述外环的内壁为半径尺寸从竖杆到三角挡板的方向先逐渐减小后逐渐增大的圆锥面，且所述外环的内壁两端分别与两个所述内环的外壁相贴设置；
隔震层发生水平运动时，所述负刚度系统中的所述T形杆与所述预压弹簧发生转动，所述预压弹簧释放预压力，推动所述T形杆朝着其运动方向进一步运动，产生与运动方向一致的负刚度力，且该负刚度力由所述预压弹簧产生并与加载频率无关；在加、卸载过程中，所述环簧组保持弹性，当卸去外力时，所述环簧组回到初始状态，表现出典型的三角形滞回特性，且该三角形滞回特性由摩擦产生，所述环簧组的滞回行为表现出与加载频率无关的特性。
2.根据权利要求1所述的一种针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统，其特征在于：所述负刚度系统与所述环簧系统并联工作产生并联刚度，通过调整负刚度系统与环簧系统力学行为表现出四种不同的阻尼滞回形式：设定为环簧系统加载刚度，/>为环簧系统卸载刚度，/>为负刚度系统的负刚度大小，/>为环簧系统加载时负刚度系统与环簧系统的并联刚度，且/>，/>为环簧系统卸载时负刚度系统与环簧系统的并联刚度，且/>，当/>时，呈现三角自复位阻尼滞回形式；当/>，/>，且时，呈现滞变阻尼滞回形式，所产生的滞变阻尼力与隔震层位移成正比，并且与隔震层速度同相位，即满足/>，其中/>为隔震层位移，/>为隔震层速度，/>表示取绝对值；当/>时，呈现通过被动控制的方式实现半主动控制的伪负刚度阻尼滞回形式，当隔震层远离平衡位置时不产生作用力，隔震层返回平衡位置时，产生阻碍力；当时，呈现反三角阻尼滞回形式，利用等效负刚度效应，降低隔震层的隔震垫刚度，延长隔震层的隔震周期。
3.根据权利要求2所述的一种针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统，其特征在于：所述负刚度系统产生的初始负刚度通过调整所述预压弹簧的预压力以及所述T形杆的尺寸进行调节，所述预压弹簧的预压力通过调节预压变形、刚度进行调节。
4.根据权利要求3所述的一种针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统，其特征在于：所述环簧组的加载刚度、卸载刚度通过调整所述外环和所述内环的圆锥面的契角、中心直径和截面面积进行调节。
5.根据权利要求4所述的一种针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统，其特征在于：所述隔震支座包括隔震垫、顶板和底板，所述隔震垫的顶端通过所述顶板与所述上部结构基础固定连接，所述隔震垫的底端通过所述底板与所述基础地面固定连接。
6.根据权利要求5所述的一种针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统，其特征在于：所述防脱件为螺母，所述螺母与所述内杆螺纹连接。
7.根据权利要求6所述的一种针对既有隔震结构的多模式频率无关附加隔震系统，其特征在于：所述环簧组的两端分别通过垫片与所述竖杆和所述三角挡板连接。
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