TW201540905A - 一種利用重力負剛度的可控剛度隔震支座 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種利用重力負剛度的可控剛度隔震支座，包括與上部結構相連的上板、與底部基礎結構相連的下板、縱向設置在上板和下板之間的K個支承柱，支承柱分別與上板、下板球鉸連接，支承柱之間橫向設置L個彈性連接板，其中K□3，L□N×K,N□1(N為正整數，N□N+)。本發明所述的隔震支座，支承柱及支承柱兩端的球鉸組成的機械運動機構在上部結構重力的作用下形成使上部結構偏離平衡位置的重力負剛度，而支承柱之間的連接板組成的框架結構形成使上部結構回復到平衡位置的正剛度，通過調整連接板就可調節隔震支座的剛度，地震能量能被有效隔離。

Description

一種利用重力負剛度的可控剛度隔震支座

本發明涉及結構抗震抗風領域，特別涉及一種利用重力負剛度的可控剛度隔震支座。

隔震技術應用於結構工程以降低地震的危害已是一種成熟的技術。日本在這方面的研究、應用比較早。中國近二十年也開展這方面的應用研究，且已建成一定數量的隔震建築。中國的現行抗震設計規範也有隔震設計的內容。目前國內外隔震結構採用的隔震支座都是橡膠支座。

橡膠支座一般為圓柱形，其豎向承載力為 ，A為支座的橡膠水平面積，f為橡膠的抗壓強度，D 為支座直徑。圓柱形橡膠支座的水平剛度近似為，E為橡 膠的彈性模量，為橡膠水平截面的慣性矩，h為支座的橡膠 總厚度，故。這樣，圓柱形橡膠支座的水平剛度K與豎向 承載力N的關係為。由於E和f為常數，h也不能太大， D也不能太小，故橡膠隔震支座的水準剛度不可能太小，因而還有較大一部分地震能量通過橡膠隔震支座傳至上部結構。

對於結構隔震而言，隔震支座的水平剛度和阻尼越 小，其隔震效果就越好。但如果隔震支座的水平剛度為零，地震過後，隔震支座不存在恢復力，上部結構不會恢復到原始狀態，故隔震支座還要保留一定的水平剛度。

因此，理想的隔震支座是能有較大的豎向承載力，可控制的水平剛度，足夠的抗側移承載力，及較小的阻尼。

有鑑於上述習知技藝之問題，本創作之目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種重力負剛度的可控剛度隔震支座。

根據本發明之目的，提出一種利用重力負剛度的可控剛度隔震支座，包括與上部結構相連的上板、與底部基礎結構相連的下板、縱向設置在上板和下板之間的K個支承柱，支承柱分別與上板、下板球鉸連接，支承柱之間橫向設置L個彈性連接板，其中K3，LN×K,N1(N為正整數，N N ⁺)。

所述的支承柱分別與上板、下板球鉸連接，支承柱的兩端設置為凹球面，上板、下板連接處設置對應的凸球面，或者支承柱的兩端設置為凸球面，上板、下板連接處設置對應的凹球面。優選將支承柱的兩端設置為凹球面；當支承柱的兩端設置為凸球面時，在隔震層的層高一定時，球心間的距離變小，隔震性能變差。

所述的連接板為折疊型。折疊型連接板能夠減小連接板的抗彎剛度，從而提高連接板的抗彎承載力，進而提高隔震支座的抗側移承載力。

所述的球鉸，其接觸面上塗有潤滑劑或聚四氟乙烯。有助於在摩擦轉動時減小摩擦力。

所述的上板、下板、支承柱均為高強度的金屬材料製成，所述的連接板為高強彈性材料製成。

本發明的工作原理：

1.剛度為k，品質為m的單自由度體系的無阻尼圓頻率為

2.單擺的重力的作用是使質點恢復到平衡位置，其等效剛度是正剛度。該單擺在重力作用下的無阻尼圓頻率為 (mg為重力，g為重力加速度，mg為重力，H 為該物體參考面高度)，故該單擺的等效剛度，可稱其為重 力剛度。

3.普通單擺的基礎上增加一彈簧，其重力和彈簧的作用都是使質點恢復到平衡位置，重力等效剛度和彈簧的剛度都是正剛度。這 種組合單擺的無阻尼圓頻率為，故這 種組合單擺的等效剛度

4.將單擺的重量放在上面，重力加速度由質點指向擺的轉軸，並有一彈簧維持質點的穩定。這種組合單擺的重力作用是使質點偏 離平衡位置，其等效剛度為負剛度，可稱其為重力負剛度； 彈簧的作用使質點恢復到平衡位置，其剛度為正剛度。這種組合 單擺的無阻尼圓頻率為，故這種組合單擺的等 效剛度；顯然，一定時，調整彈簧的剛度k，便可調整 該系統的等效剛度，達到調整圓頻率為ω的目的。

5.組合體系的品質塊因連杆的限制作用，只能平動，不能轉動，且可忽略其豎向運動，僅研究其水平運動。這種組合體系的重力 作用也是使品質塊偏離平衡位置，其等效剛度亦為負剛 度；彈簧的作用使質點恢復到平衡位置，其剛度為正剛度；這種 組合體系的無阻尼圓頻率也是，故這種組合體 系的等效剛度亦為。同樣，一定時，調整彈簧的剛度k， 便可調整該系統的等效剛度，達到調整圓頻率為ω的目的。

6.去掉水平彈簧後，在連杆之間增加剛性連接的樑，利用樑彎曲變形產生的彎矩能使品質塊恢復到平衡位置，其作用也等價於增加一水平彈簧。這種組合體系的無阻尼圓頻率同樣可表示為 ，故這種組合體系的等效剛度。k _e 為 樑、連桿組合結構形成的等效水平剛度。調整樑的截面尺寸、數量，便可調整該系統的等效剛度，達到調整圓頻率ω的目的。本發明所述的一種利用重力負剛度的可控剛度隔震支座，通過調整彈性連接板的截面尺寸、彈性連接板的數量，即可調整該系統的等效剛度，從而達到調整圓頻率ω的目的。

本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果：A、對隔離地震的作用而言，隔震層水平剛度越小，其隔震效果越好。但傳統的橡膠隔震支座，其水平剛度與其豎向承載力相關，故還是有較大一部分地震能量通過橡膠隔震支座傳至上部結構。而本發明的隔震支座，在保證結構穩定的前提下，可將其水平剛 度設計的非常小，其隔震效果比橡膠支座要好很多。

B、傳統的橡膠隔震支座存在橡膠老化的問題，故而必須考慮支座的更換的缺點，而本發明的隔震支座採用金屬材料製造，處理金屬材料的防銹其係可採鍍鋅，可達到隔震支座長期使用而不需更換。

C、本發明的隔震支座的水準剛度很容易控制：利用隔震層上部結構的重力負剛度，疊加上可調控的隔震層的正剛度，從而達到控制隔震層剛度的目的。具體做法是在隔震層用承載力很高的金屬柱支承上部結構，在柱間用彈簧連接板剛性連接形成鋼框架。與傳統柱不同的是，柱的上下採用球鉸連接而不是剛性連接。這樣， 在重力的作用下就形成了所謂的重力負剛度，其值為。而 柱與連接板形成鋼框架有一等效的水準剛度k _e 。隔震層的實際剛度 為。調節k _e 就可控制隔震層的實際剛度為k _d 。

D、可與剛度控制機構配合使用：由於本發明隔震支座的水平剛度與豎向承載力均可控制，必要時配合使用剛度控制機構，不僅可很好地隔震，而且能很好地抵抗風荷載。

剛度控制機構的剛度與隔震支座的剛度並聯。在非地震作用的正常使用中，剛度控制機構的剛度非常大，風荷載等水平作用的水平力經剛度控制機構傳遞到基礎；而在地震作用下，地面運動的加速度觸發剛度控制機構動作，使剛度控制機構的水平剛度突變為零，隔震層的剛度就只有隔震支座的剛度，地震能量被有效隔離。

1‧‧‧上板

2‧‧‧下板

3‧‧‧支承柱

4‧‧‧球鉸

5‧‧‧連接板

6‧‧‧上部結構

7‧‧‧樑

第1圖為單擺模型示意圖。

第2圖為單擺加彈簧模型示意圖。

第3圖為重力負剛度單擺加彈簧模型示意圖。

第4圖為雙連桿重力負剛度加彈簧模型示意圖。

第5圖為雙連桿重力負剛度加等效彈簧模型示意圖。

第6圖為本發明所述的一種利用重力負剛度的可控剛度隔震支座的仰視圖。

第7圖為第6圖所述支座的A-A方向剖視圖。

第8圖為本發明所述的一種利用重力負剛度的可控剛度隔震支座的俯視圖。

第9圖為第8圖所述支座的B-B方向剖視圖。

第10圖為沒有設置球鉸的可控剛度隔震支座。

為利 貴審查員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。

如第1圖及第2圖所示，本發明主要提供一種利用重力負剛度的可控剛度隔震支座，包括與上部結構相連的上板1、與底部基礎結構相連的下板2、縱向設置在上板1和下板2之間的K個支承柱3，支承柱3分別與上板1、下板2通過球鉸4連接，支承柱3之間橫向設置L個彈性連接板5，其中K3，LN×K，N1 (N為正整數，N N ⁺)。

支承柱3分別與上板1、下板2通過球鉸4連接，具體為支承柱3的兩端設置為凹球面(凸球面)，上板1、下板2連接處設置對應的凸球面(凹球面)。優選將支承柱3的兩端設置為凹球面；當支承柱3的兩端設置為凸球面時，在隔震層的層高一定時，球心間的距離變小，隔震性能變差。

進而，球鉸4接觸面上塗有潤滑劑或聚四氟乙烯。而上板1、下板2、支承柱3均為高強度的金屬材料製成，所述的連接板5為高強彈性材料製成，有助於在摩擦轉動時減小摩擦力。

為避免上部結構失穩，必須依靠相鄰柱間的彈性連接板與柱形成的框架提供足夠的水平剛度和水平承載力。當框架水平剛度提供的恢復力大於、等於、小於重力荷載的傾覆力時，結構處於穩定、隨遇平衡、不穩定狀態。當結構處於穩定狀態時，調整相鄰柱間的彈性連接板的剛度，就可控制結構的水平剛度和水平承載力。不僅對於支承柱只對上部結構僅提供豎向支承力問題，藉由相鄰支承柱之間設彈性連接板，可增加提供水平約束力。進而，在豎向荷載作用下，結構處於穩定平衡狀態。解決稍於上部結構有一很小的水平干擾力使其出現水平位移，支承柱便會傾斜，重力荷載將使傾斜進一步加劇，上部結構便倒塌的問題，改善結構失穩的目的。

本發明的工作原理：

1.剛度為k，品質為m的單自由度體系的無阻尼圓頻 率為

2.如第3圖所示的單擺，其重力的作用是使質點恢 復到平衡位置，其等效剛度是正剛度。該單擺在重力作用下的無 阻尼圓頻率為(mg為重力，g為重力加速度， mg為重力，k為彈簧剛性，O為固定端，H為該物體參考面高度)， 故該單擺的等效剛度，可稱其為重力剛度。

3.第4圖所示的體系是在普通單擺的基礎上增加一彈簧，其重力和彈簧的作用都是使質點恢復到平衡位置，重力等效剛度和彈簧的剛度都是正剛度。這種組合單擺的無阻尼圓頻率 為，(mg為重力，g為重力加速度， mg為重力，k為彈簧剛性，O為固定端，H為該物體參考面高度) 故這種組合單擺的等效剛度

4.第5圖所示的體系是將單擺的重量放在上面，重力加速度由質點指向擺的轉軸，並有一彈簧維持質點的穩定。這種組合單擺的重力作用是使質點偏離平衡位置，其等效剛度 為負剛度，可稱其為重力負剛度；彈簧的作用使質點恢復 到平衡位置，其剛度為正剛度。這種組合單擺的無阻尼圓頻率為 ，故這種組合單擺的等效剛度；顯 然，一定時，調整彈簧的剛度k，便可調整該系統的等效剛度， 達到調整圓頻率為ω的目的。

5.第6圖所示的體系由第5圖所示的體系演變而來。這種組合體系的品質塊因連杆的限制作用，只能平動，不能 轉動，且可忽略其豎向運動，僅研究其水準運動。這種組合體系 的重力作用也是使品質塊偏離平衡位置，其等效剛度亦為 負剛度；彈簧的作用使質點恢復到平衡位置，其剛度為正剛度； 這種組合體系的無阻尼圓頻率也是，故這種組 合體系的等效剛度亦為。同樣，一定時，調整彈簧的 剛度k，便可調整該系統的等效剛度，達到調整圓頻率為ω的目的。

6.第7圖所示的體系由第6圖所示的體系演變而來。去掉水平彈簧後，在連桿之間增加剛性連接的樑，利用樑彎曲變形產生的彎矩能使品質塊恢復到平衡位置，其作用也等價於增加一水平彈簧。這種組合體系的無阻尼圓頻率同樣可表示為 ，故這種組合體系的等效剛度。k _e 為 樑、連桿組合結構形成的等效水平剛度。調整樑的截面尺寸、數量，便可調整該系統的等效剛度，達到調整圓頻率ω的目的。本發明所述的一種利用重力負剛度的可控剛度隔震支座，其力學模型就是第7圖所示模型，通過調整彈性連接板的截面尺寸、彈性連接板的數量，即可調整該系統的等效剛度，從而達到調整圓頻率ω的目的。

具體地，連接板5可為折疊型連接板。如第1圖、第2圖所示，當隔震支座未受地震或外力時，上板1、下板2之間係為無相對位移狀態；又如第8圖、第9圖所示，當隔震支座承受地震或外力時，上板1、下板2之間係產生相對位移狀態，此時 折疊型連接板係具彎曲變形，能夠減小連接板的抗彎剛度，從而提高連接板的抗彎承載力，進而提高隔震支座的抗側移承載力。

另外，如第10圖，豎向承載力不高的隔震支座，也可以不用球鉸，在隔震層採用承載力很高的材料製成側移剛度不大的單層框架。考慮這種框架的幾何非線性，其上部結構的重力也會形成重力負剛度。調節框架本身的剛度，同樣可以達到控制隔震層實際剛度的目的。這種隔震支座的彈簧連接板5也可以製造成折疊形，以設於相鄰支承柱3間，以提高隔震支座的隔震性能，在支承柱3之間增加剛性連接的樑7，利用樑7彎曲變形產生的彎矩能使品質塊恢復到平衡位置，透過調整彈性連接板5的截面尺寸、彈性連接板5的數量，即可調整該系統的等效剛度，可有效避免上部結構6失穩。

綜觀上述，可見本發明在突破先前之技術下，確實已達到所欲增進之功效，且也非熟悉該項技藝者所易於思及，再者，本發明申請前未曾公開，且其所具之進步性、實用性，顯已符合專利之申請要件，爰依法提出專利申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵創作，至感德便。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本創作之內容並據以實施，當不能以之限定本創作之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

1‧‧‧上板

2‧‧‧下板

3‧‧‧支承柱

4‧‧‧球鉸

5‧‧‧連接板

Claims (7)

1. 一種利用重力負剛度的可控剛度隔震支座，其特徵在於：包括與上部結構相連的上板、與底部基礎結構相連的下板、縱向設置在上板和下板之間的K個支承柱，支承柱分別與上板、下板球鉸連接，支承柱之間橫向設置L個彈性連接板，其中K3，LN×K,N1(N為正整數，N N ⁺)。
2. 如請求項1所述的利用重力負剛度的可控剛度隔震支座，其中，該支承柱分別與上板、下板球鉸連接，該支承柱的兩端設置為凹球面，該上板、下板連接處設置對應的凸球面。
3. 如請求項1所述的利用重力負剛度的可控剛度隔震支座，其中，該支承柱分別與上板、下板球鉸連接，該支承柱的兩端設置為凸球面，該上板、下板連接處設置對應的凹球面。
4. 如請求項1所述的利用重力負剛度的可控剛度隔震支座，其中，該連接板為折疊型。
5. 如請求項1所述的利用重力負剛度的可控剛度隔震支座，其中，該球鉸接觸面上塗有潤滑劑或聚四氟乙烯。
6. 如請求項1所述的利用重力負剛度的可控剛度隔震支座，其中，該上板、該下板、該支承柱均為高強度的金屬材料製成。
7. 如請求項1所述的利用重力負剛度的可控剛度隔震支座，其中，該連接板為高強彈性材料製成。