TWI639783B - Sliding anti-shock device - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種包含實現接觸壓力60MPa之滑動體之高性能滑動防震裝置。
滑動防震裝置10包含：上支承1及下支承2，其等包含具有曲率之滑動面1a、2a；及柱狀且鋼製之滑動體7，其包含在上支承1與下支承2之間與各支承接觸並具有曲率之上表面4a及下表面4b；且滑動體7之上表面4a及下表面4b以PTFE纖維配設於上支承1及下支承2之滑動面1a、2a側之方式包含由PTFE纖維及拉伸強度較PTFE纖維高之纖維構成之雙層織物層5、6。

Description

滑動防震裝置
本發明係關於一種包含上下支承及介存於其等之間之滑動體的滑動防震裝置。
在作為地震多發國之日本，對於大廈或橋樑、高架道路、獨棟住宅等各種建築物，開發有對抗地震力之技術、降低進入至建築物之地震力之技術等各種耐震技術、防震技術、控震技術，並應用於各種建築物。
其中，由於防震技術為降低進入至建築物之地震力本身的技術，故可有效降低地震時之建築物之振動。概述而言，該防震技術係於作為下部建築物之地基與上部建築物之間介存防震裝置而降低地震所致之地基之振動向上部建築物之傳導，從而降低上部建築物之振動而保證結構穩定性者。再者，該防震裝置不僅於地震時發揮效果，對於降低時常作用於建築物之交通振動對上部建築物之影響方面亦發揮效果。
防震裝置有鉛芯積層橡膠支承裝置或高阻尼積層橡膠支承裝置、組合積層橡膠支承與阻尼器而成之裝置、滑動防震裝置等各種形態之裝置。其中，若提出滑動防震裝置而說明其通常之構成，則包含：上支承及下支承，其等包含具有曲率之滑動面；及柱狀之滑動體，其包含在上支承與下支承之間與各支承接觸並具有相同曲率之上表面及下表面；且有時亦稱為上下球面滑動型防震裝置或雙凹式防震 裝置等。
於此種防震裝置中，上下之支承之動作性能取決於與介存於其等之間之滑動體之間的摩擦係數或摩擦係數乘以重量而得之摩擦力。
此外，於先前之滑動防震裝置中，滑動體之基準接觸壓力為20MPa以下，因此於因建築物之高層化等而導致重量變重之情形時，為了製成與該荷重相符之平面尺寸之滑動防震裝置，裝置不得不大規模化，與積層橡膠防震裝置等異類防震裝置相比，成本競爭力降低，結果為使用頻度降低，此為現狀。
再者，於使用由鋼材形成之滑動體之情形時，雖然因機械加工而使得加工精度較高，但由於其摩擦係數之偏差較大，且接觸壓力依賴性或速度依賴性較大，故其摩擦係數之上下限之範圍變大，從而存在地震響應易產生偏差之問題。因此，即便可防止建築物之倒塌，亦難以成為可使PML(Probable maximum loss，可能最大損失)接近於零、使什物等之損失為零的高性能防震裝置之構成構件。
此處，於專利文獻1中揭示有一種具備滑動體之滑動防震裝置，該滑動體包含：基體，其包含纖維織布強化熱固性合成樹脂之積層體；及表層材料，其一體地接合於基體之上表面及下表面之各者。
該滑動體係重疊平織之PTFE(Polytetrafluoroethylene，聚四氟乙烯)纖維，或者重疊平織之PTFE纖維、織布及平織之棉布而形成，藉由設為此種構成之滑動體，可期待源自PTFE之低摩擦性。
然而，如於專利文獻1中所揭示之實驗條件下亦明確表示般，即便於此處所揭示之滑動體中，其接觸壓力亦為19.6N/mm2(19.6MPa)、即20MPa以下，故源自上述之滑動體為低接觸壓力之情況的問題並未消除。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第4848889號說明書
本發明係鑒於上述問題而完成者，其目的在於提供一種包含實現接觸壓力60MPa之滑動體之高性能滑動防震裝置。
為了達成上述目的，本發明之滑動防震裝置係如下者，其包含：上支承及下支承，其等包含具有曲率之滑動面；及柱狀且鋼製之滑動體，其包含在上支承與下支承之間與各支承接觸並具有曲率之上表面及下表面；且上述滑動體之上述上表面及上述下表面以PTFE纖維配設於上述上支承及下支承之滑動面側之方式包含由PTFE纖維及拉伸強度較該PTFE纖維高之纖維構成之雙層織物層。
本發明之滑動防震裝置藉由如下操作而成為一方面確保60MPa之接觸壓力、另一方面具備高防震性能之滑動防震裝置：一方面藉由設為鋼製滑動體而確保其高接觸壓力，另一方面在與上下之支承之滑動面接觸之滑動體的上下表面配設雙層織物層，更具體而言，藉由以PTFE纖維配設於滑動面側之方式將由PTFE纖維及拉伸強度較PTFE纖維高之纖維構成之雙層織物層固定於滑動體之本體。
藉由在滑動體之上下表面之上下支承之滑動面側配置PTFE纖維，而使得60MPa左右之高接觸壓力下之滑動性變得良好。
並且，藉由使用包含PTFE纖維之雙層織物層，而使得拉伸強度相對較低、由此導致承受荷重時之耐崩斷性較低的PTFE纖維於承受加壓狀態下之反覆振動(加壓滑動力)時容易崩斷。然而，崩斷之PTFE纖維藉由留於拉伸強度比其高、由此使得耐崩斷性較高之纖維內，而使得至少其一部分可面對上下支承之滑動面，故可享受PTFE纖維之良好之滑動性。並且，該情況會使得具有所期望之防震性能之滑動防 震裝置的耐久性提高。
再者，作為「拉伸強度較PTFE纖維高之纖維」，可列舉尼龍6或聚對苯二甲酸乙二酯(PET，Polyethylene terephthalate)等各種樹脂纖維。其中，較理想為耐化學品性、耐水解性優異，且拉伸強度極高之PPS(Polyphenylene sulfide，聚苯硫醚)纖維。
鋼製滑動體之本體與雙層織物層由接著劑接著固定。例如，於拉伸強度較PTFE纖維高之纖維使用PPS纖維之情形時，由於與鋼製滑動體之本體表面之接著性比PTFE纖維格外良好，故亦有使用雙層織物層而將PTFE纖維配置於支承之滑動面側、將PPS纖維等配置於滑動體之本體側的構成之優點。
根據本發明者等之驗證，證實到：於60MPa之接觸壓力下，於動摩擦係數μ為4~6%左右(μ=0.04~0.06)之範圍內，有反覆次數100次以上之反覆耐久性。由此，藉由使用本發明之滑動防震裝置，可實現建築物最上層之響應加速度為100 gal以下之高性能防震。
進而證實到：於滑動體在滑動面上滑動時之固有週期T處於4.5秒~8秒之範圍，且滑動面與滑動體之動摩擦係數μ處於0.03~0.07之範圍之情形時，可使相對於等級2地震運動(L2)之響應剪切模數CB為0.2以下，並且可使相對於等級3地震運動(L3，等級2之1.5倍大小之地震運動)之響應位移δ未達80cm。再者，就響應位移δ超過80cm之情況而言，雖然意味著防震性能極高，但發揮此種防震性能之裝置之裝置製作成本極高，故就製作成本之觀點而言，60cm左右之響應位移量之裝置較為妥當，可謂宜為製作最多不過是未達80cm者。
更佳為，於固有週期T為4.5秒時之動摩擦係數μ處於0.04~0.05之範圍之情形時，可將響應位移δ控制於60cm左右，於固有週期T為6秒時之動摩擦係數μ處於0.03~0.05之範圍之情形時，可使響應剪切模數CB未達0.15、使響應位移δ未達70cm，於固有週期T為8秒時之動摩 擦係數μ處於0.04~0.05之範圍之情形時，可使響應剪切模數CB未達0.15、使響應位移δ未達70cm，故可謂均為更佳之範圍。
如可根據以上之說明而理解般，根據本發明之滑動防震裝置，藉由以PTFE纖維配設於滑動面側之方式於鋼製滑動體中之與上下之支承之滑動面接觸的上下表面形成由PTFE纖維及拉伸強度較PTFE纖維高之纖維構成之雙層織物層，可提供一方面實現接觸壓力60MPa、另一方面具備高防震性能之滑動防震裝置。
1‧‧‧上支承
1a‧‧‧滑動面
2‧‧‧下支承
2a‧‧‧滑動面
3‧‧‧擋件
4‧‧‧本體(滑動體本體)
4a‧‧‧上表面
4b‧‧‧下表面
5、6‧‧‧雙層織物層
7‧‧‧滑動體
8a‧‧‧PTFE纖維之緯紗
8a'‧‧‧崩斷後之PTFE纖維之緯紗
8b‧‧‧PTFE纖維之經紗
8b'‧‧‧崩斷後之PPS纖維之經紗
9a‧‧‧PPS纖維之緯紗
9b‧‧‧PPS纖維之經紗
10‧‧‧滑動防震裝置
B‧‧‧接著劑
Q‧‧‧加壓力
Z‧‧‧覆振動
圖1係本發明之滑動防震裝置之實施形態的縱剖面圖。
圖2係去掉滑動防震裝置之上支承而自斜上方觀察之立體圖。
圖3係說明雙層織物層之結構之模式圖。
圖4(a)係表示雙層織物層承受荷重之前之狀態的模式圖，圖4(b)係表示雙層織物層承受有加壓滑動力之狀態之模式圖。
圖5係表示驗證雙層織物層之反覆耐久性能之實驗結果之圖。
圖6係表示於固有週期不同之滑動防震裝置中，驗證每一動摩擦係數之剪力係數及響應位移之實驗結果之圖。
以下，參照圖式，對本發明之滑動防震裝置之實施形態進行說明。
(滑動防震裝置之實施形態)
圖1係本發明之滑動防震裝置之實施形態的縱剖面圖，圖2係去掉滑動防震裝置之上支承而自斜上方觀察之立體圖。
圖示之滑動防震裝置10大致包含：鋼製之上支承1，其包含具有曲率之SUS(Steel Use Stainless，鋼結構用不鏽鋼)製滑動面1a；鋼製之下支承2，其同樣包含具有曲率之SUS製滑動面2a；及滑動體7，其 包含鋼製且柱狀之本體4，該本體4包含在上支承1與下支承2之間與上下支承1、2接觸並具有與各滑動面1a、2a相同之曲率的上表面4a、下表面4b。
如圖2所示，於下支承2之滑動面2a之周圍固定有環狀之擋件3，並且於圖2未表示之上支承1之滑動體1a之周圍亦同樣固定有環狀之擋件3。
上下之支承1、2及滑動體7之本體4均由焊接鋼材用軋製鋼材(SM490A、B、C，或SN490B、C，或S45C)形成，具有接觸壓力60MPa之耐荷強度。
於滑動體7之本體4之上表面4a及下表面4b分別接著固定有雙層織物層5、6。
此處，圖3係說明雙層織物層之結構之模式圖。圖示之雙層織物層5、6為由PTFE纖維及拉伸強度較PTFE纖維高之纖維構成之雙層織物層，各雙層織物層5、6以PTFE纖維配設於上支承及下支承之滑動面1a、2a側之方式固定於本體4。
作為「拉伸強度較PTFE纖維高之纖維」，可列舉：尼龍6.6、尼龍6、尼龍4.6等聚醯胺，或者聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚對苯二甲酸丙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二酯等聚酯，或者對位芳族聚醯胺、間位芳族聚醯胺、聚乙烯、聚丙烯、玻璃、碳、聚苯硫醚(PPS)、LCP(Liquid crystal polymer，液晶聚合物)、聚醯亞胺、PEEK(Polyether ether ketone，聚醚醚酮)等纖維。又，進而，亦可使用熱融黏纖維或棉、羊毛等纖維。
其中，較理想為耐化學品性、耐水解性優異，且拉伸強度極高之PPS纖維。因此，以下將雙層織物層5、6由PTFE纖維及PPS纖維形成之形態作為代表例而進行說明。
關於圖3所示之雙層織物層5、6之構成，於滑動體7之本體4側配 設有PPS纖維之緯紗9a，並以捲入緯紗9a之方式織入有PPS纖維之經紗9b，於該等上方(支承側之位置)配置有PTFE纖維之緯紗8a，並以捲入PTFE纖維之緯紗8a之方式織入有PTFE纖維之經紗8b，並且PTFE纖維之經紗8b係以進而亦捲入下方之PPS纖維之緯紗9a之方式織入，從而以PTFE纖維配設於上支承及下支承之滑動面1a、2a側之方式形成有雙層織物層5、6。
該等雙層織物層5、6經由接著劑B而與本體4接著固定。作為該接著劑，可使用環氧樹脂系接著劑。由於PPS纖維與鋼製本體4之表面之接著性比PTFE纖維格外良好，故有使用雙層織物層5、6而將PTFE纖維配置於支承之滑動面1a、2a側，將PPS纖維配置於滑動體7之本體4側的優點。
又，由於PTFE纖維之拉伸強度相對較低，故雙層織物層5、6於承受加壓狀態下之反覆振動(加壓滑動力)時容易崩斷。然而，崩斷之PTFE纖維藉由留於拉伸強度比其高、由此使得耐崩斷性較高之PPS纖維內，而使得至少其一部分可面對上下支承1、2之滑動面1a、2a，故可享受PTFE纖維之良好之滑動性。參照圖4a、b對該情況進行說明。
圖4a係表示雙層織物層承受荷重之前之狀態的模式圖，圖4b係表示雙層織物層承受有加壓滑動力之狀態之模式圖。
於圖4a之狀態下，成為僅PTFE纖維之緯紗8a或經紗8b面對上下支承1、2之滑動面1a、2a的狀態。
於賦予有在載荷有加壓力Q之狀態下對該雙層織物層5、6作用反覆振動Z的加壓滑動力時，經一定程度之反覆次數後，PTFE纖維之緯紗8a或經紗8b崩斷。繼而，如圖4b所示，崩斷後之PTFE纖維之緯紗8a，或崩斷後之PTFE纖維之經紗8b'擠入至拉伸強度較高、由此使得耐崩斷性良好之PPS纖維之緯紗9a或PPS纖維之經紗9b內。
如根據圖4b而明確般，擠入至PPS纖維之緯紗9a或經紗9b內的崩 斷後之PTFE纖維之緯紗8a'或經紗8b'之一部分面對上下支承1、2之滑動面1a、2a側，因此，即便於圖4b之狀態下，亦可享受PTFE纖維所具有之良好之滑動性。即，藉由滑動體7具備圖示之形態之雙層織物層5、6，可提高具有所期望之防震性能之滑動防震裝置的耐久性。
此處，將關於雙層織物層之構成原材料或其規格、物性管理值之一例示於以下之表1。
又，滑動防震裝置之固有週期由滑動體7之上下表面之曲率半徑(及上下支承之滑動面之曲率半徑)決定，曲率半徑為2500mm之情形之滑動防震裝置之固有週期T為4.5秒，曲率半徑為4500mm之情形之固有週期T為6秒。
根據圖示之滑動防震裝置10，藉由具備如下構成而成為因優異之滑動性而使得防震效果較高、並且耐久性較高之滑動防震裝置：一面藉由鋼製滑動體7而實現接觸壓力60MPa，一面於滑動體7之上下表面以PTFE纖維成為上下支承1、2之滑動面1a、2a側之方式配設有由PTFE纖維及拉伸強度較PTFE纖維高之PPS纖維構成之雙層織物層5、6。
[驗證雙層織物層之反覆耐久性能之實驗及其結果]
本發明者等製作本發明之滑動防震裝置(動摩擦係數μ之基準值為0.045~0.05)，並於載荷有60MPa之荷重之狀態下，於20℃下以400mm/sec之速度對該滑動防震裝置實施反覆耐久試驗。將作為試驗結果 的反覆次數120次為止之各循環數及動摩擦係數之變動(測定值)示於以下之表2及圖5。
根據表2及圖5可知，雖然存在隨著反覆次數而因摩擦熱導致溫度上升、並且隨著溫度上升而摩擦係數降低的傾向，但亦存在如下傾向：經過一定程度之時間後，溫度停止上升，並且因反覆所致之劣化而使得摩擦係數反而上升若干。於本實驗中，由於溫度上升大至40℃左右，且摩擦係數變小，故結果為劣化較少。
[於固有週期不同之滑動防震裝置中，驗證每一動摩擦係數之剪力係數及響應位移之解析及其結果]
本發明者等進而將固有週期不同之各種滑動防震裝置於電腦內加以模型化，並對各滑動防震裝置進行驗證每一動摩擦係數之剪力係數及響應位移之實驗。將實驗結果示於圖6。
於該圖中，L2表示等級2地震運動，剪力係數CB表示多層建築物模型之1層之剪力係數。又，L3表示等級3地震運動，為等級2地震運動之1.5倍大小之地震運動(響應位移係相對於該L3之值加入裕度所得之值)。響應位移量設為該L3地震時之響應位移量。又，於本解析中，將1995年兵庫縣南部地震JMA記錄波形用作地震波。
根據圖6可知，於固有週期T=3.0秒之滑動防震裝置中，於任一動摩擦係數μ之情形時，剪力係數CB均超過0.2，防震效果較低。
另一方面，於固有週期T=4.5秒、6.0秒、8.0秒之各滑動防震裝置中，於動摩擦係數μ為0.02以下之情形時，響應位移變為80cm以上，就製作成本之觀點而言不佳。又，於動摩擦係數μ處於0.03~0.07之範圍之情形時，任一固有週期之情形之剪力係數CB均未達0.2、響應位移均未達80cm，由此，可謂於固有週期T=4.5秒、6.0秒、8.0秒之滑動防震裝置中，動摩擦係數μ較佳為0.03~0.07之範圍。
若更詳細地進行分析，則可知：於固有週期T為4.5秒時之動摩擦係數μ處於0.04~0.05之範圍之情形時，可將響應位移δ控制於60cm左右，於固有週期T為6秒時之動摩擦係數μ處於0.03~0.05之範圍之情形時，可使響應剪切模數CB未達0.15、使響應位移δ未達70cm，於固有週期T為8秒時之動摩擦係數μ處於0.04~0.05之範圍之情形時，可使響應剪切模數CB未達0.15、使響應位移δ未達70cm，故均為更佳之範圍。
以上，使用圖式對本發明之實施形態進行了詳述，但具體之構成並不限定於該實施形態，即便有不脫離本發明之主旨之範圍內之設計變更等，其等亦包含於本發明中。

Claims (2)

  1. 一種滑動防震裝置，其包含：上支承及下支承，其等包含具有曲率之滑動面；及柱狀且鋼製之滑動體，其包含在上支承與下支承之間與各支承接觸並具有曲率之上表面及下表面；且上述滑動體之上述上表面及上述下表面以PTFE纖維配設於上述上支承及下支承之滑動面側之方式包含由PTFE纖維及拉伸強度較該PTFE纖維高之纖維構成之雙層織物層。
  2. 如請求項1之滑動防震裝置，其中拉伸強度較上述PTFE纖維高之纖維為PPS纖維。
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