CN116950238A - 防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座及其设计安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座及其设计安装方法，所述支座包括上连接板以及下连接板，厚肉橡胶主体连接于上连接板和下连接板间，厚肉橡胶主体由橡胶层、钢板、橡胶保护层组成，其中橡胶层和钢板通过硫化工艺间隔设置结合成层状结构，橡胶保护层包裹于该层状结构的外围，形状记忆合金索带斜向紧密均匀缠绕于厚肉橡胶主体外周，形状记忆合金索带的两端设置索套，两端的索带分别通过索夹锚固于上连接板以及下连接板的锚固通孔上。本发明基于形状记忆合金的超弹性等特点，利用形状记忆合金索带约束厚肉橡胶主体横向变形，实现震后横向变形复位，同时实现支座刚度随震(振)动的强度自适应调节，提升支座高压载下震振适用性和可行性。
Description
技术领域
本发明涉及结构震振双控技术领域，具体而言，涉及一种防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座及其设计安装方法。
背景技术
地震是包含水平与竖向运动的空间运动，传统的抗震观念认为水平地震动影响较大，对竖向地震动不重视，但大幅值的竖向地震动是近断层地震的特征之一，据大量震害记录及研究表明，竖向地震动会对建筑、桥梁等各种结构的造成结构性破坏，难以修复。
另外，随着TOD模式的发展，地下轨道交通的发展日益蓬勃，城市空间越来越紧凑，但地下轨道交通的运行引发一系列问题，一方面，有轨列车引起上部结构的固体噪声及振动问题严重影响人们的居住舒适度及身体健康；另一方面，列车引起的环境振动影响上盖结构的正常使用功能，尤其是竖向微振动导致楼板产生振动，影响大型高精密仪器与仪器的运行，造成设备事故；此外地铁运行导致振动持时长、强度大，严重时甚至导致结构损伤，不易修复，因此为提升城市建筑的适用性、安全性，地铁上盖结构对竖向隔振提出了更高的要求。
近年来，形状记忆合金材料(Shape Memory Alloys，SMA)作为新型智能材料，具有超弹性、高阻尼性等优质性能广泛应用于航天、结构振动控制等领域，其性能具体表现为超弹性：在特定温度内，形状记忆合金材料经过加载和卸载过程，实现奥氏体与马氏体的相互转化，具有良好的能量耗散能力和阻尼性能，卸载后具有完全恢复变形的特性；高阻尼性：形状记忆合金在马氏体相变中会消耗大量的能量，其阻尼比均显著高于传统金属材料；此外，不同于钢材，其加载过程呈现普通弹性阶段-应力平台段-线弹性阶段(硬化)，在实际装置中能够利用形状记忆合金不同受力阶段应对不同工况。形状记忆合金按种类分为镍钛基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金，目前前两类已实现实用化，形状记忆合金在结构控制领域具有良好的应用前景。
隔震技术发展的历史只有不到五十年，大量现有的隔震装置仅考虑水平地震作用，三维隔震支座研究并不深入。目前，一般的三维隔振支座采用构造较为简单的厚肉橡胶支座，其竖向刚度较低，兼备水平和竖向减震(振)能力，但传统的厚肉橡胶支座承载力小及稳定性差，在较大的竖向荷载作用下橡胶层的横向变形大，支座整体在高压载和强震作用下容易因为过大的横向变形而失效，在一定程度上限制了建筑结构的形式和体型。相关领域的技术人员提出目前改进厚肉橡胶支座，具体如下：
如一种用于TOD上盖建筑的抗拉厚叠层橡胶隔振装置，其在厚肉橡胶支座中心添加抗拉装置，实现了支座抗拉，然而其竖向承载力不足，地震来临时横向变形大，应用的结构形式及体型有限。
如一种三维隔震耗能装置，此装置将厚肉橡胶支座作为独立竖向隔震(振)构件与叠层橡胶支座进行组装，然而支座竖向承载力不足，对制作及施工工艺要求高，遇强震易失稳。
如抗拔拉摩擦摆与厚肉橡胶的组合式三维隔震或隔振支座，其沿水平布置的复位弹簧能够使厚肉橡胶支座复位，然而这样设计支座竖向刚度变大，削弱厚肉橡胶支座的竖向隔震(振)功能。
因此，现有的厚肉橡胶支座作为三维隔震(振)仍存在不少问题，如何将具有优质工程特性的形状记忆合金材料与厚肉橡胶支座结合，限制厚肉橡胶支座的横向变形，提高厚肉橡胶支座的竖向承载力及高压载下变形稳定性，改善厚肉橡胶支座震振双控的表现，成为人们亟待解决的问题。
发明内容
发明目的
本发明旨在解决上述现有技术的缺点，提出防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座及其设计安装方法，利用形状记忆合金的超弹性以及高阻尼性的优质特点解决传统厚肉橡胶支座在高压载下橡胶层横向变形过大、支座承载力小、容易发生变形失稳的问题，利用形状记忆合金索带为橡胶层提供侧向约束，限制橡胶层的横向变形，实现震后横向变形复位与刚度自适应调节，提高支座的竖向承载力，增强支座的变形稳定性与变形能力，提升传统厚肉橡胶支座震振双控的效果。
技术方案：为了实现上述目标，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明首先提供一种防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座，该支座包括上连接板以及下连接板，厚肉橡胶主体连接于上连接板和下连接板间，所述厚肉橡胶主体由橡胶层、钢板、橡胶保护层组成，其中橡胶层和钢板通过硫化工艺间隔设置结合成层状结构，橡胶保护层包裹于该层状结构的外围，形状记忆合金索带斜向紧密均匀缠绕于厚肉橡胶主体外周，形状记忆合金索带的两端设置索套，两端的索带分别通过索夹锚固于上连接板以及下连接板的锚固通孔上。
进一步地，所述形状记忆合金索带由形状记忆合金丝/索编织而成，形状记忆合金索带在两端拉紧并通过索夹锚固。
进一步地，所述上连接板的锚固通孔与所述下连接板的锚固通孔的相位角相差180°，呈中心对称设置。
进一步地，所述的形状记忆合金材料选用镍钛基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金中的一种或者两种以上的组合编织。
本发明还公开一种上述的防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座的安装方法，该方法包括如下步骤：
(1)将若干层的橡胶层进行硫化工艺处理，使其与多层钢板间隔设置紧密结合成层状结构，将橡胶保护层包裹于该层状结构外周，完成厚肉橡胶主体制作；
(2)将步骤(1)制作的厚肉橡胶主体连接于上连接板与下连接板间；
(3)将形状记忆合金丝/索编织或者几股组合形成形状记忆合金索带，并在形状记忆合金索带的两端装上索套，将形状记忆合金索带缠绕于橡胶保护层外，拉紧并调整索带间距使索带间紧密排列后穿过连接板用索夹锚固。
本发明还提供一种上述的防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座的应用，将所述防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座安装在建筑隔震层间，使其上连接板通过螺栓与隔震层的上部承台相连，下连接板通过螺栓与隔震层的下支墩相连，根据形状记忆合金的滞回特性，当输入震/振动能量变大，支座刚度随形状记忆合金索带的延展而减小，实现支座刚度的自适应调节；
当竖向环境振动或竖向地震动作用于所述防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座时，随着竖向环境振动或竖向地震动烈度的提升，橡胶层的横向变形持续增大，形状记忆合金索带对橡胶层的横向约束减小，实现支座竖向刚度自适应调节，竖向环境振动或竖向地震动结束后形状记忆合金索带提供约束力，随厚肉橡胶主体恢复；
在水平地震动作用下，橡胶层发生水平剪切变形，形状记忆合金索带随着橡胶层的侧向变形而协调变形，维持支座整体性的同时不影响厚肉橡胶主体的水平向刚度。
本发明的一种防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座设计方法，根据安装结构的设计竖向刚度和水平向刚度进行参数的设计，具体方法如下：
引入修正系数对支座刚度进行修正；
形状记忆合金存在马氏体与奥氏体两种晶体结构状态，外力作用下二态的转变使得形状记忆合金的弹性模量发生变化，采用Brinson模型对形状记忆合金本构特征进行描述：
E(ξ)＝EA+ξ(ES-EA) (1)
式(1)中，E(ξ)为形状记忆合金的弹性模量，EA为奥氏体弹性模量，ES为马氏体弹性模量，ξ为马氏体体积分数；
引入修正系数γ，其与形状记忆合金索带缠绕角度相关；引入修正系数η，其与橡胶层单层厚度tr与钢板单层厚度ts相关；
式(2)中，d为形状记忆合金丝(索)直径，d0为橡胶层有效直径，E为修正后厚肉橡胶主体中橡胶的弹性模量，其中形状记忆合金处于相变阶段α＝0，此时不考虑形状记忆合金贡献，Ec为橡胶层中橡胶弹性模量；
引入刚度贡献系数β，其与厚肉橡胶主体体积与形状记忆合金索带体积占比相关；
综上，所述防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座的修正竖向刚度Kv、修正水平刚度按下式计算Kh：
式(4)、(5)中，A为厚肉橡胶主体的横截面积，n为橡胶层数，tr为橡胶层单层厚度，Tr为橡胶层总厚度，G为橡胶材料的剪切模量；
这样，修正竖向刚度Kv、修正水平刚度Kh表示为A为厚肉橡胶主体的横截面积，n为橡胶层数，tr为橡胶层单层厚度，Tr为橡胶层总厚度，G为橡胶材料的剪切模量的函数，根据给定的橡胶材料的剪切模量G，调整安装占用高度，即内部橡胶层总厚度以及厚肉橡胶主体的横截面积。
有益效果：
1、本发明解决了传统厚肉橡胶支座竖向承载力小、高压载下容易发生变形失稳的问题，利用形状记忆合金的超弹性特性，以形状记忆合金索带的形式约束橡胶层不仅能限制支座的横向变形、实现震后横向变形复位与支座刚度自适应调节，还能提高支座的竖向承载力及高压载状态下的支座稳定性，使其不易发生失稳的问题。防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座具备隔离列车运营产生的竖向振动、竖向地震动以及水平地震动的能力。
2、形状记忆合金索带具有多种表现形式，形状记忆合金索带可根据设计需要选择形状记忆合金索或形状记忆合金丝集合而成,且形状记忆合金索带在连接板处锚固，形状记忆合金索带维护成本小，支座的设计简单，性能可靠。
附图说明
图1为该一种防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座的正视图；
图2为该一种防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座的剖视图；
图3为该一种防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座的形状记忆合金索带集成详图；
图4为该一种防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座锚固详图；
图5-9为该一种防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座的形状记忆合金索带截面形式。
图10为该一种防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座俯视图(a)、仰视图(b)；
图中附图标记：索夹(1)，橡胶层(2)，上连接板(3)，下连接板(4)，形状记忆合金索带(5)，索套(6)，锚固通孔(7)，钢板(8)，橡胶保护层(9)，形状记忆合金丝(索)(10)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式及其功效仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
参照图1-图2，本发明构造的一种防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座，包括上连接板3和下连接板4，上连接板3与下连接板4均预留锚固通孔7，厚肉橡胶主体连接于上连接板3和下连接板4间，所述厚肉橡胶主体由橡胶层2、钢板8、橡胶保护层9组成，将上、下部橡胶层2通过硫化与支座板紧密结合，每层橡胶层2厚度相等，钢板8与橡胶层2亦通过硫化工艺结合，沿橡胶层2与钢板8硫化形成的层状结构表面外覆橡胶保护层9；形状记忆合金索带5由形状记忆合金丝(索)10通过形状记忆合金丝编织集成，两端用索套6进行包裹，形状记忆合金索带先由一端穿过锚固预留孔7使用索夹1锚固，控制缠绕角度将形状记忆合金索带紧密缠绕于橡胶保护层9后用索夹1进行锚固处理，其角度依据索带宽度及橡胶支座主体直径确定，其中由于形状记忆合金索带5斜向布置而无法缠绕的区域采用叠合方式处理，形状记忆合金索带不仅能限制支座横向变形，还能保持厚肉橡胶支座低刚度的特性。
参照图3-4，作为优选案例，形状记忆合金索带5由形状记忆合金丝进行缠绕编织，固定形状记忆合金索带5的形状，编织沿形状记忆合金索带全长进行，编织结束后在条带两端设置索套6。形状记忆合金索带末端用索套6进行包裹，将索套6穿过位于上连接板3的锚固预留孔7，用索夹1锚固将形状记忆合金索带端部固定在上连接板，同下支座板锚固方式。
参照图5-9，作为优选案例，所述的形状记忆合金材料选用镍钛基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金中的一种或者两种以上的组合编织。形状记忆合金丝(索)包括但不限于以下的截面形式，图5为单股形状记忆合金丝，图6为多股直径不等的形状记忆合金丝合股为形状记忆合金索，图7为由多股直径相同的形状记忆合金丝合股为形状记忆合金索，图8为由多股直径不等的形状记忆合金索合股为直径较大的7*7形状记忆合金索，图9为由多股直径相等的形状记忆合金索合股为直径较大的7*7形状记忆合金索。
参照图10，作为优选案例，锚固通孔7设置在上下支座板侧，采用索夹1将集成的索带5锚固于支座板外表面处，上下锚固端在水平投影方向沿支座中心线对称设置。即所述上连接板3上的锚固通孔7与所述下连接板4的锚固通孔7的相位角相差180°，呈中心对称设置。
上述防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座的安装方法，包括如下步骤：
(1)将若干层的橡胶层2进行硫化工艺处理，使其与多层钢板8间隔设置紧密结合成层状结构，将橡胶保护层9包裹于该层状结构外周，完成厚肉橡胶主体制作；
(2)将步骤1制作的厚肉橡胶主体连接于上连接板3与下连接板4间；
(3)将形状记忆合金丝/索10编织或者几股组合形成形状记忆合金索带5，并在形状记忆合金索带5的两端装上索套6，将形状记忆合金索带5缠绕于橡胶保护层9外，拉紧并调整索带间距使索带间紧密排列后穿过连接板用索夹1锚固。
上述防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座设计方法，根据安装结构的设计竖向刚度和水平向刚度进行参数的设计，具体方法如下：
引入修正系数对支座刚度进行修正；
形状记忆合金存在马氏体与奥氏体两种晶体结构状态，外力作用下二态的转变使得形状记忆合金的弹性模量发生变化，采用Brinson模型对形状记忆合金本构特征进行描述：
E(ξ)＝EA+ξ(ES-EA) (1)
式(1)中，E(ξ)为形状记忆合金的弹性模量，EA为奥氏体弹性模量，ES为马氏体弹性模量，ξ为马氏体体积分数；
引入修正系数γ，其与形状记忆合金索带缠绕角度相关；引入修正系数η，其与橡胶层单层厚度tr与钢板单层厚度ts相关；
式(2)中，d为形状记忆合金丝(索)直径，d0为橡胶层有效直径，E为修正后厚肉橡胶主体中橡胶的弹性模量，其中形状记忆合金处于相变阶段α＝0，此时不考虑形状记忆合金贡献，Ec为橡胶层中橡胶弹性模量；
引入刚度贡献系数β，其与厚肉橡胶主体体积与形状记忆合金索带体积占比相关；
综上，所述防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座的修正竖向刚度Kv、修正水平刚度按下式计算Kh：
式(4)、(5)中，A为厚肉橡胶主体的横截面积，n为橡胶层数，tr为橡胶层单层厚度，Tr为橡胶层总厚度，G为橡胶材料的剪切模量；
这样，修正竖向刚度Kv、修正水平刚度Kh表示为A为厚肉橡胶主体的横截面积，n为橡胶层数，tr为橡胶层单层厚度，tr为橡胶层总厚度，G为橡胶材料的剪切模量的函数，根据给定的橡胶材料的剪切模量G，调整安装占用高度，即内部橡胶层总厚度以及厚肉橡胶主体的横截面积，其中修正竖向刚度Kv、修正水平刚度Kh为安装结构的设计要求给定的数据。
该防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座工作过程如下：
在正常工况下承受竖向荷载作用以及竖向环境振动作用。竖向荷载下，支座板受竖向力并向支座主体传递，由于橡胶层与钢板硫化紧密结合，橡胶层在钢板约束下发生横向变形，通过橡胶保护层作用于形状记忆合金索带使其发生弹性变形，形状记忆合金索带为橡胶层提供横向约束，因此支座具有更高的竖向承载力；在受到环境振动时，形状记忆合金索带随橡胶层变形，橡胶层横向变形受约束，由于竖向刚度较小，上部结构受到的振动作用较小；
遭遇地震时，竖向地震动导致橡胶层的横向变形增大，形状记忆合金索带随之延展，对橡胶层的横向约束减小，实现支座竖向刚度自适应调节，水平地震动导致橡胶层发生水平剪切变形，形状记忆合金索带随之协调变形，对支座水平刚度不产生影响，具有较好隔离水平地震动的能力；形状记忆合金索带的自恢复力提高了橡胶层震后横向变形复位能力，地震结束后支座复位。
该防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座旨在减小水平向地震动、竖向地震动以及地下交通造成竖向微振动、主要应用于地铁、隧道等地下轨道交通上盖建筑、高烈度地区高层建筑、博物馆、医院等公共建筑以及配备高精密仪器的建筑减隔震(振)以及固体噪声控制。普通的厚肉橡胶支座具有竖向刚度小的优点，与叠层橡胶支座相比具有竖向隔震(振)的能力，而水平隔震能力基本不受影响，然而其竖向承载力不足，在高压载下容易产生变形失稳问题，限制了建筑结构的形式，因此提升厚肉橡胶支座的变形稳定性及竖向承载力是应用中的重点。本发明采用形状记忆合金索带对橡胶层提供侧向约束，在不显著影响支座水平刚度前提下实现了支座在大变形下的变形稳定性、实现震后横向变形复位。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (7)
1.一种防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座，其特征在于：包括上连接板(3)以及下连接板(4)，厚肉橡胶主体连接于上连接板(3)和下连接板(4)间，所述厚肉橡胶主体由橡胶层(2)、钢板(8)、橡胶保护层(9)组成，其中橡胶层(2)和钢板(8)通过硫化工艺间隔设置结合成层状结构，橡胶保护层(9)包裹于该层状结构的外围，形状记忆合金索带(5)斜向紧密均匀缠绕于厚肉橡胶主体外周，形状记忆合金索带(5)的两端设置索套(6)，两端的索带(5)分别通过索夹(1)锚固于上连接板(3)以及下连接板(4)的锚固通孔(7)上。
2.根据权利要求1所述的一种防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座，其特征在于，所述形状记忆合金索带(5)由形状记忆合金丝/索(10)编织而成，形状记忆合金索带(5)在两端拉紧并通过索夹(1)锚固。
3.根据权利要求1所述的一种防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座，其特征在于，所述上连接板(3)的锚固通孔(7)与所述下连接板(4)的锚固通孔(7)的相位角相差180°，呈中心对称设置。
4.根据权利要求1所述的一种防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座，其特征在于，所述的形状记忆合金材料选用镍钛基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金中的一种或者两种以上的组合编织。
5.一种权利要求1-4之一所述一种防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座的安装方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)将若干层的橡胶层(2)进行硫化工艺处理，使其与多层钢板(8)间隔设置紧密结合成层状结构，将橡胶保护层(9)包裹于该层状结构外周，完成厚肉橡胶主体制作；
(2)将步骤(1)制作的厚肉橡胶主体连接于上连接板(3)与下连接板(4)间；
(3)将形状记忆合金丝/索(10)编织或者几股组合形成形状记忆合金索带(5)，并在形状记忆合金索带(5)的两端装上索套(6)，将形状记忆合金索带(5)缠绕于橡胶保护层(9)外，拉紧并调整索带间距使索带间紧密排列后穿过连接板用索夹(1)锚固。
6.一种权利要求1-4之一所述一种防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座的应用，其特征在于，将所述防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座安装在建筑隔震层间，使其上连接板(3)通过螺栓与隔震层的上部承台相连，下连接板(4)通过螺栓与隔震层的下支墩相连，根据形状记忆合金的滞回特性，当输入震/振动能量变大，支座刚度随形状记忆合金索带的延展而减小，实现支座刚度的自适应调节；
当竖向环境振动或竖向地震动作用于所述防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座时，随着竖向环境振动或竖向地震动烈度的提升，橡胶层的横向变形持续增大，形状记忆合金索带对橡胶层的横向约束减小，实现支座竖向刚度自适应调节，竖向环境振动或竖向地震动结束后形状记忆合金索带提供约束力，随厚肉橡胶主体恢复；
在水平地震动作用下，橡胶层发生水平剪切变形，形状记忆合金索带随着橡胶层的侧向变形而协调变形，维持支座整体性的同时不影响厚肉橡胶主体的水平向刚度。
7.一种权利要求1-4之一所述一种防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座设计方法，其特征在于，根据安装结构的设计竖向刚度和水平向刚度进行参数的设计，具体方法如下：
引入修正系数对支座刚度进行修正；
形状记忆合金存在马氏体与奥氏体两种晶体结构状态，外力作用下二态的转变使得形状记忆合金的弹性模量发生变化，采用Brinson模型对形状记忆合金本构特征进行描述：
E(ξ)＝EA+ξ(ES-EA) (1)
式(1)中，E(ξ)为形状记忆合金的弹性模量，EA为奥氏体弹性模量，ES为马氏体弹性模量，ξ为马氏体体积分数；
引入修正系数γ，其与形状记忆合金索带缠绕角度相关；引入修正系数η，其与橡胶层单层厚度tr与钢板单层厚度ts相关；
式(2)中，d为形状记忆合金丝(索)直径,d0为橡胶层有效直径，E为修正后厚肉橡胶主体中橡胶的弹性模量，其中形状记忆合金处于相变阶段α＝0，此时不考虑形状记忆合金贡献，Ec为橡胶层中橡胶弹性模量；
引入刚度贡献系数β，其与厚肉橡胶主体体积与形状记忆合金索带体积占比相关；
综上，所述防过载变刚度厚肉橡胶震振双控支座的修正竖向刚度Kv、修正水平刚度按下式计算Kh：
式(4)、(5)中，A为厚肉橡胶主体的横截面积，n为橡胶层数，tr为橡胶层单层厚度，Tr为橡胶层总厚度，G为橡胶材料的剪切模量；
这样，修正竖向刚度Kv、修正水平刚度Kh表示为A为厚肉橡胶主体的横截面积，n为橡胶层数，tr为橡胶层单层厚度，Tr为橡胶层总厚度，G为橡胶材料的剪切模量的函数，根据给定的橡胶材料的剪切模量G，调整安装占用高度，即内部橡胶层总厚度以及厚肉橡胶主体的横截面积。
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