CN117685330A - 一种三维混合隔震支座及其半主动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑结构隔震支座领域，特别是一种三维混合隔震支座及其半主动控制系统。三维混合隔震支座包括上部空气弹簧竖向隔震装置、下部橡胶支座水平隔震装置；上部空气弹簧竖向隔震装置与下部橡胶支座水平隔震装置呈上下叠置；下部橡胶支座水平隔震装置提供水平隔震，上部空气弹簧竖向隔震装置提供竖向隔震。控制系统的空气调压阀、气泵通过气管串联接入气嘴；空气调压阀上设有气压传感器，气动控制器接入空气调压阀。本发明使用的空气弹簧和橡胶隔震支座分别在机械和土木领域广泛应用，性能稳定，推广性好，具有广阔的工程应用前景。

Description

一种三维混合隔震支座及其半主动控制系统

技术领域

本发明涉及建筑结构隔震支座领域，特别是一种三维混合隔震支座及其半主动控制系统。

背景技术

基础隔震是在下部基础与上部结构之间设置“柔软”的隔震层，隔震层的刚度小且具有一定的阻尼，从而可以通过隔震层的大位移来延长结构自振周期，减少地震能量向上部结构的输入，从而减小上部结构的地震反应，为结构的地震防护提供更好的安全保障。地震作为一种随机振动具有空间水平和竖向分量，设计时应考虑地震动的空间三维性和随机性，因此，研发空间三维隔震支座是十分必要的。

目前在工程中常用的叠层橡胶隔震支座、摩擦滑移隔震支座、滚动摩擦滑移隔震支座等具有良好的水平隔震效果，但不具有竖向隔震功能。现有的混合隔震支座中采用单一构造的三维隔震支座虽然构造简单，成本相对其他三维隔震支座较低，但普遍位移范围较小。同时，水平性能和竖向性能的耦合不便于实现对横向和竖向地震的设计。组合构造的三维隔震支座多采用水平隔震装置与竖向隔震装置如碟形弹簧、液压装置串联的方式，但由于碟形弹簧刚度较大、液压装置隔震效应滞后等原因使得竖向地震动作用下的隔震效果不佳。

目前现有的基础隔震技术属于结构被动控制的领域，是一种窄带控制，无法根据结构自身的响应来对自身的动力特性进行调节。隔震结构固定的隔震周期在近断层地震等长周期地震作用下可能发生共振；而且被动式的按照预想设计的条件对支座进行设计仅能避免共振，并不能确保支座能够实现最优的隔震效果。因此，需要在隔震支座中引入主动控制或半主动控制技术，实现在有限能量输入的条件下依据外部扰动来连续调节控制装置，从而最大限度地抑制结构的振动响应，弥补常规被动控制技术存在的缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提出了一种三维混合隔震支座及其半主动控制方法。该三维混合隔震支座由上部空气弹簧竖向隔震装置和下部橡胶支座水平隔震装置串联而成。其在竖向隔震中空气弹簧隔震装置利用内部可压缩的空气进行竖向隔震，利用气体的流阻产生阻尼；其中橡胶隔震支座水平隔震装置可根据水平隔震需要选择天然橡胶隔震支座、铅芯橡胶隔震支座或高阻尼橡胶隔震支座。同时，在竖向隔震中空气弹簧竖向隔震装置可通过外接气压控制系统实现对竖向隔震的控制，从而发挥更好地隔震效果。

本发明采用如下技术方案：

一种三维混合隔震支座，包括上部空气弹簧竖向隔震装置、下部橡胶支座水平隔震装置；上部空气弹簧竖向隔震装置与下部橡胶支座水平隔震装置呈上下叠置；下部橡胶支座水平隔震装置提供水平隔震，上部空气弹簧竖向隔震装置做提供竖向隔震。

本发明所述的三维混合隔震支座，上部空气弹簧竖向隔震装置包括空气弹簧顶部密封板，空气弹簧底部密封板，囊式空气弹簧，顶部法兰环，底部法兰环，气道；所述的空气弹簧顶部密封板与空气弹簧底部密封板相对水平布置，所述的空气弹簧顶部密封板与空气弹簧底部密封板的相对端面设有顶部法兰环、底部法兰环；位于顶部法兰环与底部法兰环之间设有囊式空气弹簧，囊式空气弹簧围合形成密封空腔；

位于空气弹簧底部密封板与空气弹簧顶部密封板的相对端面上设有气孔，空气弹簧底部密封板内设有气道，气道的一端连通至气孔，气道的另一端延伸至空气弹簧底部密封板的侧壁，该处侧壁上设有气嘴。

本发明所述的三维混合隔震支座，所述的下部橡胶支座水平隔震装置包括橡胶支座顶板、橡胶体、橡胶支座底板；所述的橡胶支座顶板与橡胶支座底板(14)相对水平布置，所述橡胶支座顶板与橡胶支座底板之间设有橡胶体。

本发明所述的三维混合隔震支座，包括连接螺栓；空气弹簧底部密封板与橡胶支座顶板之间通过连接螺栓相互固定。

本发明所述的三维混合隔震支座，空气弹簧顶部密封板与空气弹簧底部密封板之间通过囊式空气弹簧围合形成的密封空腔成圆柱形，该密封空腔位于空气弹簧顶部密封板、空气弹簧底部密封板的中部；该密封空腔的四周分别设有导向限位装置；导向限位装置垂直布置在空气弹簧顶部密封板与空气弹簧底部密封板之间。

本发明所述的三维混合隔震支座，所述的导向限位装置包括滑动导杆、导向限位筒；滑动导杆套置于导向限位筒内空气弹簧顶部密封板、空气弹簧底部密封板、囊式空气弹簧的竖向运动提供导向。

本发明所述的三维混合隔震支座，所述空气弹簧顶部密封板、空气弹簧底部密封板、顶部法兰环、底部法兰环、滑动导杆、导向限位筒的材质为Q355钢材。

本发明所述的三维混合隔震支座，上部空气弹簧竖向隔震装置中的空气弹簧顶部密封板，空气弹簧底部密封板，囊式空气弹簧硫化后形成的整体结构；

下部橡胶支座水平隔震装置中的橡胶支座顶板、橡胶体、橡胶支座底板硫化后形成的整体结构。

本发明所述的三维混合隔震支座的半主动控制系统，该系统包括气动控制器、空气调压阀、气压传感器、气泵、气管；所述的空气调压阀、气泵通过气管串联接入气嘴；所述空气调压阀上设有气压传感器，气动控制器接入空气调压阀；

所述气动控制器用于设定囊式空气弹簧内的气压初值；

所述气压传感器可对气管的气压进行实时监测，其监测值作为反馈信号传递至气动控制器，气动控制器在接受反馈信号后由内部控制系统判断反馈信号与初值的偏差，并根据比较结果对空气调压阀发出指令；

所述空气调压阀依照气动控制器的指令对气管以及囊式空气弹簧的气压进行调节，从而实现支座竖向刚度的半主动控制。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明利用空气弹簧和橡胶隔震支座串联的方式实现了建筑结构的三维混合隔震。其水平和竖向隔震实现了解耦，因此可根据水平和竖向的隔震要求分别进行设计，实现水平和竖向不同隔震性能要求的组合。

(2)本发明利用空气弹簧内部气压可调节性实现了三维混合隔震支座竖向隔震的半主动控制，相较于传统被动隔震支座，可根据最优控制算法获得本发明的三维混合隔震支座竖向隔震的最优控制气压，并对建筑结构按照最优控制气压进行半主动控制，最大限度地抑制结构的振动响应。本发明使用的空气弹簧和橡胶隔震支座分别在机械和土木领域广泛应用，性能稳定，推广性好。

(3)本发明的三维混合隔震支座及其半主动控制系统，可应用于常见的装配式钢结构建筑中，尤其用于轻量化、柔度高的模块化钢结构建筑的基础隔震。可通过基础隔震大大减少模块化钢结构建筑设计的用钢量，促进模块化钢结构建筑向多层化、标准化方向发展。

附图说明

图1为本发明的三维混合隔震支座三维示意图；

图2为图1的xoy平面示意图；

图3为图2的A-A剖面图；

图4为本发明的空气弹簧隔震装置三维示意图；

图5为本发明的橡胶支座水平隔震装置三维示意图；

图6为本发明的滑动导杆的平面图；

图7为图6的B-B剖面图；

图8为本发明的导向限位筒的平面图；

图9为图8的C-C剖面图；

图10为本发明的三维混合隔震支座及其半主动控制系统构成示意图；

图11为本发明的三维混合隔震支座半主动控制系统的工作流程图。

其中有：1、空气弹簧顶部密封板；2、空气弹簧底部密封板；3、囊式空气弹簧；4、顶部法兰环；5、底部法兰环；6、导杆固定螺栓；7、滑动导杆；8、导向限位筒；9、气孔；10、气嘴；11、橡胶支座顶板；12、连接螺栓；13、橡胶体；14、橡胶支座底板；15、密封螺栓；16、导向限位筒固定螺栓；17、密封空腔；18、气道；19、滑动导杆凸台；20、滑动导杆柱体；21、滑动导杆顶部螺纹孔；22、导向限位筒底部螺栓孔；23、气动控制器；24、空气调压阀；25、气压传感器；26、气泵；27、气管。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1-11所示，一种三维混合隔震支座，包括上部空气弹簧竖向隔震装置和下部橡胶支座水平隔震装置。上部空气弹簧竖向隔震装置包括空气弹簧装置、密封装置、导向限位装置和与外部气源相连接的气嘴10；下部橡胶隔震支座水平隔震装置可以是天然橡胶隔震支座、铅芯橡胶隔震支座或高阻尼橡胶隔震支座，其是由橡胶体13与橡胶支座顶板11和橡胶支座底板14硫化而成的整体结构。

空气弹簧装置是由囊式空气弹簧3分别和顶部法兰环4、底部法兰环5硫化后形成的整体结构；顶部法兰环4和底部法兰环5设有环向螺纹孔，可使用密封螺栓6与密封装置进行连接，形成可充气的密闭空腔17。

密封装置包括顶部密封板1和底部密封板2，顶部密封板1与空气弹簧装置顶部法兰环4连接，底部密封板9与空气弹簧装置底部法兰环5连接；底部密封板2设有气孔9和气道18，并通过气嘴10与外部气源连接，从而可以对空气弹簧的密封空腔17进行充气和放气；底部密封板2设有螺纹孔，顶部密封板1设有沉头螺栓孔，可使用固定螺栓分别将顶部密封板1、底部密封板2与导向限位装置进行连接。

导向限位装置是由滑动导杆7和导向限位筒8形成可竖向运动的导向装置，滑动导杆7由上部圆柱体20和下部凸台19构成，导向限位筒8顶部为一环向封口，可允许滑动导杆7的圆柱体20伸出而不允许滑动导杆凸台19伸出，从而形成竖向抗拔的限位作用；滑动导杆7顶部设有螺纹孔21，导向限位筒8底部设有螺栓孔22，导杆固定螺栓6可将顶部密封板1与滑动导杆7进行连接，导向限位筒固定螺栓16可将底部密封板2与导向限位筒8进行连接。

顶部密封板1、底部密封板2、顶部法兰环4、底部法兰环5、滑动导杆7和导向限位筒8的材质为Q355钢材。Q355是一种低合金高强度结构钢，广泛应用于桥梁、车辆、船舶、建筑、压力容器、特种设备等，其中“Q”意为屈服强度，355表示这种钢材屈服强度为355MPa，并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。

一种三维混合隔震支座的半主动控制系统，包括气动控制器23、空气调压阀24、气压传感器25、气泵26以及气管27。所述气动控制器23可自主设定囊式空气弹簧3的内部气压初值；所述气压传感器25可对气路的气压进行实时监测，其监测值作为反馈信号传递至气动控制器23，气动控制器23在接受反馈信号后由内部控制系统判断反馈信号与初值的偏差，并根据比较结果对空气调压阀24发出指令；所述空气调压阀24可按照气动控制器23的指令对气路以及囊式空气弹簧3的内部气压进行调节，从而实现支座竖向刚度的半主动控制；所述气泵26可对系统中的整个气路进行实时供气；所述气管27可将囊式空气弹簧3、气泵26以及空气调压阀24连接形成闭合气路。

气动控制器23需要的气压初值可根据被隔震的建筑结构的隔震性能目标采用最优控制算法得到。

空气调压阀24为电磁式或压电式等调节精度高、响应速度快的可控阀类。

本发明利用空气弹簧和橡胶隔震支座串联的方式实现了建筑结构的三维混合隔震。其水平和竖向隔震实现了解耦，因此可根据水平和竖向的隔震要求分别进行设计，实现水平和竖向不同隔震性能要求的组合；本发明构建了一种三维混合隔震支座的半主动控制系统，相较于传统被动隔震支座，可根据最优控制算法获得本发明的三维混合隔震支座竖向隔震的最优控制气压，并对建筑结构按照最优控制气压进行半主动控制，最大限度地抑制结构的振动响应；本发明的三维混合隔震支座及其半主动控制系统，可应用于常见的装配式钢结构建筑中，尤其用于轻量化、柔度高的模块化钢结构建筑的基础隔震。同时，本发明使用的空气弹簧和橡胶隔震支座分别在机械和土木领域广泛应用，性能稳定，推广性好，具有广阔的工程应用前景。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种三维混合隔震支座，其特征在于：包括上部空气弹簧竖向隔震装置、下部橡胶支座水平隔震装置；上部空气弹簧竖向隔震装置与下部橡胶支座水平隔震装置呈上下叠置；下部橡胶支座水平隔震装置提供水平隔震，上部空气弹簧竖向隔震装置提供竖向隔震。

2.根据权利要求1所述的三维混合隔震支座，其特征在于：上部空气弹簧竖向隔震装置包括空气弹簧顶部密封板(1)，空气弹簧底部密封板(2)，囊式空气弹簧(3)，顶部法兰环(4)，底部法兰环(5)，气道(18)；所述的空气弹簧顶部密封板(1)与空气弹簧底部密封板(2)相对水平布置，所述的空气弹簧顶部密封板(1)与空气弹簧底部密封板(2)的相对端面设有顶部法兰环(4)、底部法兰环(5)；位于顶部法兰环(4)与底部法兰环(5)之间设有囊式空气弹簧(3)，囊式空气弹簧(3)围合形成密封空腔(17)；

位于空气弹簧底部密封板(2)与空气弹簧顶部密封板(1)的相对端面上设有气孔(9)，空气弹簧底部密封板(2)内设有气道(18)，气道(18)的一端连通至气孔(9)，气道(18)的另一端延伸至空气弹簧底部密封板(2)的侧壁，该处侧壁上设有气嘴(10)。

3.根据权利要求1所述的三维混合隔震支座，其特征在于：所述的下部橡胶支座水平隔震装置包括橡胶支座顶板(11)、橡胶体(13)、橡胶支座底板(14)；所述的橡胶支座顶板(11)与橡胶支座底板(14)相对水平布置，所述橡胶支座顶板(11)与橡胶支座底板(14)之间设有橡胶体(13)。

4.根据权利要求2或3所述的三维混合隔震支座，其特征在于：包括连接螺栓(12)；空气弹簧底部密封板(2)与橡胶支座顶板(11)之间通过连接螺栓(12)相互固定。

5.根据权利要求2或3所述的三维混合隔震支座，其特征在于：空气弹簧顶部密封板(1)与空气弹簧底部密封板(2)之间通过囊式空气弹簧(3)围合形成的密封空腔(17)成圆柱形，该密封空腔(17)位于空气弹簧顶部密封板(1)、空气弹簧底部密封板(2)的中部；该密封空腔(17)的四周分别设有导向限位装置；导向限位装置垂直布置在空气弹簧顶部密封板(1)与空气弹簧底部密封板(2)之间。

6.根据权利要求5所述的三维混合隔震支座，其特征在于：所述的导向限位装置包括滑动导杆(7)、导向限位筒(8)；滑动导杆(7)套置于导向限位筒(8)内空气弹簧顶部密封板(1)、空气弹簧底部密封板(2)、囊式空气弹簧(3)的竖向运动提供导向。

7.根据权利要求2或6所述的三维混合隔震支座，其特征在于：所述空气弹簧顶部密封板(1)、空气弹簧底部密封板(2)、顶部法兰环(4)、底部法兰环(5)、滑动导杆(7)、导向限位筒(8)的材质为Q355钢材。

8.根据权利要求2或3所述的三维混合隔震支座，其特征在于：

上部空气弹簧竖向隔震装置中的空气弹簧顶部密封板(1)，空气弹簧底部密封板(2)，囊式空气弹簧(3)硫化后形成的整体结构；

下部橡胶支座水平隔震装置中的橡胶支座顶板(11)、橡胶体(13)、橡胶支座底板(14)硫化后形成的整体结构。

9.利用权利要求1至8任意一项所述的三维混合隔震支座的半主动控制系统，其特征在于：该系统包括气动控制器(23)、空气调压阀(24)、气压传感器(25)、气泵(26)、气管(27)；所述的空气调压阀(24)、气泵(26)通过气管(27)串联接入气嘴(10)；所述空气调压阀(24)上设有气压传感器(25)，气动控制器(23)接入空气调压阀(24)；

所述气动控制器(23)用于设定囊式空气弹簧(3)内的气压初值；

所述气压传感器(25)可对气管(27)的气压进行实时监测，其监测值作为反馈信号传递至气动控制器(23)，气动控制器(23)在接受反馈信号后由内部控制系统判断反馈信号与初值的偏差，并根据比较结果对空气调压阀(24)发出指令；

所述空气调压阀(24)依照气动控制器(23)的指令对气管(27)以及囊式空气弹簧(3)的气压进行调节，从而实现支座竖向刚度的半主动控制。