CN205776781U - 多棱锥面摩擦隔震支座及隔震系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多棱锥面摩擦隔震支座及隔震系统。所述多棱锥面摩擦隔震支座包括：上部卡座、中部结构及下部结构；下部结构上设置多棱锥形状的凹槽，构成多棱锥滑动凹面；中部结构包括搭放在下部结构凹槽边缘的平板，平板的下表面设置凸柱，凸柱的下端为与多棱锥滑动凹面形状吻合的多棱锥滑动凸面，使凸柱能够在凹槽中滑动；平板的上表面设置圆形的卡环；上部卡座的底部通过卡槽与卡环配合，使上部卡座能够相对于中部结构旋转。隔震系统还包括十字架竖向防提离限位装置。该隔震支座避免了共振问题，不会出现滑块脱落的情况，同时保证在任何情况下都能够提供足够的竖向荷载；隔震系统还可以通过十字架竖向防提离限位装置防止建筑物倾覆。

Description

多棱锥面摩擦隔震支座及隔震系统

技术领域

本实用新型涉及工程隔震技术领域，尤其是涉及一种多棱锥面摩擦隔震支座及隔震系统。

背景技术

为了减轻地震灾害，减少经济损失和人员伤亡，在工程建设时需要考虑工程建设场地可能遭遇到的地震危险程度，对建筑物增加必要的隔震设计。

美国加州大学伯克利分校的Zayas提出了摩擦滑移摆隔震技术(FrictionPendulum System,简称FPS)，如图1(a)所示，FPS包括上部装置、中心滑块和下部滑动球形凹面三部分。地震发生时，中心滑块可在球形凹面内滑动，从而隔离地震能量。

在FPS的基础上，Constantinou提出了三重摩擦摆隔震系统(Triple FrictionPendulum System,简称TFPS)。如图1(b)所示，TFPS包括中心滑块和两对滑动面，对小震、中震和大震下均有不同的调谐适应能力。

但是上述两种结构都存在一些缺点：

(1)传统隔震支座存在固定周期，可能与近场地震发生共振反应；

(2)对于FPS和TFPS支座，在较大竖向地震动作用下，摩擦子可能从凹槽中脱出，支座失效，如图2(a)和图2(b)所示；

(3)地震过后，FPS存在残余位移，影响使用；

(4)初始刚度较小，在环境荷载(风雨、交通、地铁振动等)下可能运动，影响上部结构人员舒适性；

(5)竖向抗拉强度不高，在近场地震下容易提离破坏；

(6)结构不均匀沉降和混凝土徐变收缩对隔震支座有不利影响。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种多棱锥面摩擦隔震支座及隔震系统，以解决现有隔震技术存在的技术问题。

本实用新型提供的多棱锥面摩擦隔震支座，包括：上部卡座、中部结构及下部结构；

所述下部结构的上表面设置呈倒置多棱锥形状的凹槽，所述凹槽的内壁构成多棱锥滑动凹面；

所述中部结构包括一搭放在所述下部结构的凹槽边缘的平板；所述平板的下表面设置凸柱，所述凸柱的下端为与所述多棱锥滑动凹面形状吻合的多棱锥滑动凸面，使所述凸柱能够在所述凹槽中滑动；所述平板的上表面设置圆形的卡环；

所述上部卡座的底部设置与所述卡环配合的卡槽，使所述上部卡座能够相对于所述中部结构旋转。

隔震支座的滑动凹面为多棱锥凹面，没有固定周期，其刚度随着水平位移的增大而减小。这种变刚度特性可使多棱锥面摩擦隔震系统规避与近场地震能量集中的低频带共振的风险，隔震效果良好；

取消了滑块，使滑动面与中部结构整合在一起，能够保证支座运动到任何位置，凸柱的多棱锥滑动凸面至少有一面与多棱锥滑动凹面吻合接触，提供足够的竖向荷载；

由于构造的特殊性，其支座初始滑动的屈服强度较大。大的屈服强度意味着在比较小的环境荷载(如风荷载、小震、周围车辆地铁通行引发的微小振动等)下，多棱锥面摩擦隔震支座不会产生滑动，从而不会影响到上部建筑内人员的舒适度。在外部荷载(如地震荷载)较大时，支座才会滑动、产生隔震效果从而保护上部结构的安全。

进一步的，所述的多棱锥面摩擦隔震支座，还包括橡胶垫层；所述橡胶垫层设置在所述上部卡座的上表面。

橡胶垫层可以使支座具备一定竖向隔震作用，并使其能适应基础的不均匀沉降和由于混凝土蠕变造成的水平位移。再者，在其他支座发生竖向提离时，支座的橡胶垫层能够使支座中部水平，从而保证摩擦面的全面接触。

进一步的，所述凹槽的多棱锥滑动凹面的倾斜角度为1°～4°。

进一步的，所述中部结构的平板、凸柱及卡环为一体结构。

进一步的，所述下部结构采用高强度混凝土浇筑，并在所述凹槽的表面铺设不锈钢板、高强陶瓷板或碳纤维板，或者所述下部结构整体采用不锈钢、高强陶瓷或碳纤维材料；所述中部结构及所述上部卡座均采用不锈钢、高强陶瓷或碳纤维材料。

进一步的，所述多棱锥滑动凹面包括三棱锥滑动凹面、四棱锥滑动凹面、五棱锥滑动凹面以及六棱锥滑动凹面，所述凸柱下表面为与所述多棱锥滑动凹面相匹配的多棱锥形状。

为了保证接触面积及竖向支撑效果，同时为了保证滑动能力，优选采用三棱锥滑动凹面或四棱锥滑动凹面。数值模拟表明，在近场脉冲型地震下，四棱锥面摩擦隔震系统结构动力响应比传统隔震结构最大可减少50-90％，隔震效果良好。

进一步的，所述凸柱下端的多棱锥滑动凸面的表面采用与所述多棱锥滑动凹面之间的摩擦系数在0.001～0.3之间的弹性材料。

进一步的，所述弹性材料为聚四氟乙烯。

由于聚四氟乙烯(特氟龙)较柔软，可以使凸柱滑动面与多棱锥凹面的接触面积增大。更大的接触面积意味着更大的竖向承载力。这样在竖向地震动很大、隔震支座出现提离时，可降低传统FPS滑块脱离上部凹槽、整个隔震支座破坏的危险。

进一步的，所述凸柱的各侧面均设置橡胶垫或橡胶挡块，以缓冲所述凸柱与所述凹槽内壁之间的碰撞。

在大震下，若中心的凸柱与凹槽内壁碰撞，橡胶边界可吸收碰撞能量，减小支座破坏风险。隔震支座内部密闭性好，橡胶不易老化；多棱锥面摩擦隔震支座大部分采用不锈钢、高强陶瓷、碳纤维板或者其他高强材料制成，耐冲击和高压，能够适应更多极端环境和气候，鲁棒性好。

本实用新型提供的隔震系统，包括设置在建筑物与建筑物基础之间的所述的多棱锥面摩擦隔震支座，还包括设置在上部建筑底板与基础顶板之间的十字架竖向防提离限位装置；

所述十字架竖向防提离限位装置由正反相扣的两组“U”形钢梁组成，两组“U”形钢梁分别固定在所述上部建筑底板和所述基础顶板上。

进一步的，所述多棱锥面摩擦隔震支座设置在所述建筑物各个承重结构或各处承重位置的底部，所述十字架竖向防提离限位装置设置在所述建筑物底部的各条边线的中部位置或相邻两个多棱锥面摩擦隔震支座的中间位置。

十字架竖向防提离限位装置能够防止建筑倾覆。由于多棱锥凹面的倾斜角度可小至1°～4°，所以当水平位移很大时，支座提离位移仍然很小。以水平单向位移容许值为0.5m的四棱锥面摩擦隔震系统进行计算，其支座最大提离位移为0.5m×tan3°＝0.0262m≈3cm，距离很小。这样防提离装置横梁长度大于1m、两条横梁之间净距等于3cm，即可满足四棱锥面摩擦隔震系统支座自由移动和防结构倾覆的双重需要。这样十字架竖向防提离限位装置不仅可以预防结构的提离失效，也可以限制结构提离的高度在一个很小的限值内(小于等于3cm)。

本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型提供的多棱锥面摩擦隔震支座没有固定周期，规避了与近场地震能量集中的低频带共振的风险；

滑动面与中部结构整合在一起，不会出现滑块脱落的情况；

采用多棱锥凹面，保证了无论支座运动到任何位置，凸柱至少有一面与多棱锥凹面吻合接触，能够提供足够的竖向荷载；

屈服强度较大，在比较小的环境荷载下，隔震支座不会产生滑动，从而不会影响到上部建筑内人员的舒适度。

(2)本实用新型提供的隔震系统，还包括十字架竖向防提离限位装置，可以限制建筑物提离的高度在一个很小的限值内，能够防止建筑物倾覆。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1(a)为现有技术中的FPS支座的结构示意图；

图1(b)为现有技术中的TFPS支座的结构示意图；

图2(a)为现有技术中的FPS支座失效时的示意图；

图2(b)为现有技术中的TFPS支座的结构示意图；

图3为本实用新型实施例1提供的四棱锥面摩擦隔震支座的轴侧视图；

图4为本实用新型实施例1提供的四棱锥面摩擦隔震支座的下部结构的轴侧视图；

图5为本实用新型实施例1提供的四棱锥面摩擦隔震支座的中心横截面示意图；

图6为本实用新型实施例2提供的十字架竖向防提离限位装置的结构示意图；

图7为本实用新型实施例2提供的隔震系统的整体安装示意图。

附图标记：

1-下部结构； 101-四棱锥滑动凹面；

2-中部结构； 201-平板；

202-凸柱； 203-卡环；

3-上部卡座； 301-卡槽；

4-橡胶垫层； 5-十字架竖向防提离限位装置；

501-第一钢梁； 502-第二钢梁；

6-多棱锥面摩擦隔震支座。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型提供的多棱锥面摩擦隔震支座，主要包括：上部卡座、中部结构及下部结构。下部结构的底部与建筑物基础结合在一起，上部卡座的顶部与建筑物结合在一起，从而起到隔震的作用。具体的结构为：

下部结构的上表面设置呈倒置多棱锥形状的凹槽，凹槽的内壁构成多棱锥滑动凹面；

中部结构包括一搭放在下部结构的凹槽边缘的平板；平板的下表面设置凸柱，凸柱的下端为与多棱锥滑动凹面形状吻合的多棱锥滑动凸面，使凸柱能够在凹槽中滑动；平板的上表面设置圆形的卡环；

上部卡座的底部设置与卡环配合的卡槽，使上部卡座能够相对于中部结构旋转。

隔震支座的滑动凹面为多棱锥凹面，没有固定周期，其刚度随着水平位移的增大而减小。这种变刚度特性可使多棱锥面摩擦隔震系统规避传统隔震支座与近场地震能量集中的低频带共振的风险，隔震效果良好；

取消了滑块，使滑动面与中部结构整合在一起，能够保证支座运动到任何位置，凸柱的多棱锥滑动凸面至少有一面与多棱锥滑动凹面吻合接触，提供足够的竖向荷载；

由于构造的特殊性，其支座初始滑动的屈服强度较大。大的屈服强度意味着在比较小的环境荷载(如风荷载、小震、周围车辆地铁通行引发的微小振动等)下，多棱锥面摩擦隔震支座不会产生滑动，从而不会影响到上部建筑内人员的舒适度。在外部荷载(如地震荷载)较大时，支座才会滑动、产生隔震效果从而保护上部结构的安全。

下面通过具体的实施例对本实用新型做详细的说明。

实施例1：

图3为本实施例提供的四棱锥面摩擦隔震支座的轴侧视图；图4为本实施例提供的四棱锥面摩擦隔震支座的下部结构的轴侧视图；图5为本实施例提供的四棱锥面摩擦隔震支座的中心横截面示意图。

本实施例中，采用四棱锥面摩擦隔震支座，主要包括：上部卡座3、中部结构2及下部结构1。

下部结构1的上表面设置呈倒置四棱锥形状的凹槽，凹槽的内壁构成四棱锥滑动凹面101；

中部结构2为一体式成型结构，包括一搭放在下部结构1的凹槽边缘的平板201；平板201的下表面设置凸柱202，凸柱202的下端为与四棱锥滑动凹面101形状吻合的四棱锥滑动凸面，使凸柱202能够在凹槽中滑动；平板201的上表面设置圆形的卡环203；

上部卡座3的底部设置与卡环203配合的卡槽301，使上部卡座3能够相对于中部结构2旋转。

在上部卡座3的上表面还设置橡胶垫层4，使支座具备一定竖向隔震作用，并使其能适应基础的不均匀沉降和由于混凝土蠕变造成的水平位移。再者，在其他支座发生竖向提离时，支座的橡胶垫层4的弹性能够使支座中部保持水平，从而保证摩擦面的全面接触。

在本实施例中，四棱锥滑动凹面101的倾斜角度选取为3°。

在本实施例中，下部结构1采用高强度混凝土浇筑，也可采用其他高强材料，如高强陶瓷板或碳纤维板制作。并在所述凹槽的表面铺设不锈钢板，从而形成四棱锥滑动凹面101，成本较低，且凹面曲率不变，可保持恒定回复力，使得隔震支座残余位移为零，结构始终能够回复到初始位置。不锈钢板也可以用高强陶瓷板或碳纤维板等高强度板替换。中部结构2及上部卡座3均采用包括不锈钢、高强陶瓷和碳纤维在内的高强材料。

在其他的实施例中，下部结构1、中部结构2及上部卡座3均整体采用不锈钢、高强陶瓷或碳纤维材料制备。

为保证滑动的顺畅，凸柱202下端的四棱锥滑动凸面的表面采用与所述四棱锥滑动凹面101之间的摩擦系数在0.001～0.3之间的弹性材料。

在本实施例中，凸柱202下端的四棱锥滑动凸面采用聚四氟乙烯材料。由于聚四氟乙烯(特氟龙)较柔软，可以使凸柱滑动面与四棱锥凹面的接触面积增大。更大的接触面积意味着更大的竖向承载力。这样在竖向地震动很大、隔震支座出现提离时，可降低传统FPS滑块脱离上部凹槽、整个隔震支座破坏的危险。

在本实施例的优选方案中，凸柱202下端的四棱锥中柱各侧面均设置橡胶垫或橡胶挡块，以缓冲凸柱202与凹槽内壁之间的碰撞。在大震下，若中心的凸柱与凹槽内壁碰撞，橡胶边界可吸收碰撞能量，减小支座破坏风险。隔震支座内部密闭性好，橡胶不易老化；多棱锥面摩擦隔震支座大部分采用不锈钢或者其他高强材料制成，耐冲击和高压，能够适应更多极端环境和气候，鲁棒性好。

在本实施例的其他方案中，下部结构1的凹槽也可以设置成三棱锥滑动凹面、五棱锥滑动凹面、六棱锥滑动凹面，甚至是更多棱数的滑动凹面。

但是，为了保证接触面积及竖向支撑效果，同时为了保证滑动能力，三棱锥滑动凹面和四棱锥滑动凹面的效果较好，滑动凹面的棱数太多将会导致在滑动的时候，竖向支撑面积及竖向支撑力不足，因此，六棱以上的结构实用性较差。例如本实施例中的四棱锥滑动凹面结构，在任何位置，均能保证凸柱的一个面与凹面吻合接触，至少保证1/4面积的承重面。如果是三棱锥滑动凹面，则可以至少保证1/3面积的承重面，其他棱数的结构以此类推。

数值模拟表明，在近场脉冲型地震下，四棱锥面摩擦隔震系统结构动力响应比传统隔震结构可减少30-50％，隔震效果良好。

实施例二：

图6为本实用新型实施例2提供的十字架竖向防提离限位装置的结构示意图；图7为本实用新型实施例2提供的隔震系统的安装示意图。

本实施例提供了一种隔震系统，包括设置在建筑物与建筑物基础之间的多棱锥面摩擦隔震支座6，还包括设置在建筑物与建筑物基础之间的十字架竖向防提离限位装置5。

十字架竖向防提离限位装置5包括第一钢梁501和第二钢梁502：第一钢梁501为“U”形钢梁，包括一根水平的横梁以及横梁两端与所述横梁垂直的竖杆，第一钢梁501的开口朝上，两根竖杆的末端分别设置连接部，与上部建筑底板实现固接；第二钢梁502的结构与第一钢梁相同，采用倒置的方式，使其呈现倒“U”形结构，并通过两根竖杆末端的连接部固定在建筑基础的顶板上。且第一钢梁501和第二钢梁502扣合连接，形成十字架的形状。

具体的，多棱锥面摩擦隔震支座6设置在建筑物各个承重结构或各处承重位置的底部，十字架竖向防提离限位装置5设置在建筑物底部的各条边线的中部位置或相邻两个多棱锥面摩擦隔震支座的中间位置。

十字架竖向防提离限位装置5能够防止建筑倾覆。由于多棱锥凹面的倾斜角度可小至1°～4°，所以当水平位移很大时，支座提离位移仍然很小。以水平单向位移容许值为0.5m的四棱锥面摩擦隔震系统进行计算，其支座最大提离位移为0.5m×tan3°＝0.0262m≈3cm，距离很小。这样防提离装置横梁长度大于1m、两条横梁之间净距等于3cm，即可满足多棱锥面摩擦隔震支座自由移动和防结构倾覆的双重需要。这样十字架竖向防提离限位装置不仅可以预防结构的提离失效，也可以限制结构提离的高度在一个很小的限值内(小于等于3cm)。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种多棱锥面摩擦隔震支座，其特征在于，包括：上部卡座、中部结构及下部结构；

所述下部结构的上表面设置呈倒置多棱锥形状的凹槽，所述凹槽的内壁构成多棱锥滑动凹面；

所述中部结构包括一搭放在所述下部结构的凹槽边缘的平板；所述平板的下表面设置凸柱，所述凸柱的下端为与所述多棱锥滑动凹面形状吻合的多棱锥滑动凸面，使所述凸柱能够在所述凹槽中滑动；所述平板的上表面设置圆形的卡环；

所述上部卡座的底部设置与所述卡环配合的卡槽，使所述上部卡座能够相对于所述中部结构旋转。

2.根据权利要求1所述的多棱锥面摩擦隔震支座，其特征在于，还包括橡胶垫层；所述橡胶垫层设置在所述上部卡座的上表面。

3.根据权利要求1所述的多棱锥面摩擦隔震支座，其特征在于，所述凹槽的多棱锥滑动凹面的倾斜角度为1°～4°。

4.根据权利要求1所述的多棱锥面摩擦隔震支座，其特征在于，所述中部结构的平板、凸柱及卡环为一体结构。

5.根据权利要求4所述的多棱锥面摩擦隔震支座，其特征在于，所述下部结构采用高强度混凝土浇筑，并在所述凹槽的表面铺设不锈钢板、高强陶瓷板或碳纤维板，或者所述下部结构整体采用不锈钢、高强陶瓷或碳纤维材料；所述中部结构及所述上部卡座均采用不锈钢、高强陶瓷或碳纤维材料。

6.根据权利要求4所述的多棱锥面摩擦隔震支座，其特征在于，所述多棱锥滑动凹面包括三棱锥滑动凹面、四棱锥滑动凹面、五棱锥滑动凹面以及六棱锥滑动凹面，所述凸柱下端为与所述多棱锥滑动凹面相匹配的多棱锥滑动凸面。

7.根据权利要求1所述的多棱锥面摩擦隔震支座，其特征在于，所述凸柱下端的多棱锥滑动凸面的表面采用与所述多棱锥滑动凹面之间的摩擦系数在0.001～0.3之间的弹性材料。

8.根据权利要求1所述的多棱锥面摩擦隔震支座，其特征在于，所述凸柱的各侧面均设置橡胶垫或橡胶挡块。

9.一种隔震系统，其特征在于，包括设置在建筑物与建筑物基础之间的权利要求1～8任一项所述的多棱锥面摩擦隔震支座，还包括设置在上部建筑底板与建筑基础顶板之间的十字架竖向防提离限位装置；

所述十字架竖向防提离限位装置由正反相扣的两组“U”形钢梁组成，两组“U”形钢梁分别固定在所述上部建筑底板和所述建筑基础顶板上。

10.根据权利要求9所述的隔震系统，其特征在于，所述多棱锥面摩擦隔震支座设置在所述建筑物各个承重结构或各处承重位置的底部，所述十字架竖向防提离限位装置设置在所述建筑物底部的各条边线的中部位置或相邻两个多棱锥面摩擦隔震支座的中间位置。