WO2003093585A1

WO2003093585A1 - An seismic isolator

Info

Publication number: WO2003093585A1
Application number: PCT/CN2002/000483
Authority: WO
Inventors: Liping Jiang
Original assignee: Liping Jiang
Priority date: 2002-04-28
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2003-11-13

Description

减震隔震装置

技术领域

本发明与地震有关，涉及一种减轻和避免地震对建筑物造成破坏性损害的减震隔震装置。技术背景

地震给人类生命财产安全带来极大的危害，地震产生的地震波使建筑物产生垂直方向的上下起伏运动，水平方向的前后左右摇摆运动及水平扭转运动。其中破坏力最大的是建筑物的水平震动和扭转震动。以往建筑业界通常用增加建筑物强度和刚度的方法抗震，这就大大增加了建筑成本，降低了建筑物的容材比，使建筑物的主体部分显得老大笨粗。为了解决单纯依靠增加建筑物强度和刚度的方法抗震所带来的弊端，近年来国内外，已研制出多种减震隔震装置。其中橡胶隔震垫是较为典型并应用较多的减震隔震装置。由于无地震时，橡胶隔震垫垂直和水平刚度尚嫌不足，在地震发生时，水平刚度偏大，隔震效果欠佳，当地震停止后，其自动复位能力较差。

另一种减震隔震装置基本是由一底座、一盖板和一滚球构成的，底座的顶面为圆弧形凹面，盖板之底面具有圆弧形凹面，在底座和盖板的圆弧形凹面之间放置一滚球构成，其缺点是：

1. 滚球和底座、盖板的接触基本是点接触，地震前是完全承载，长期静载荷下会产生压坑，地震时滚球容易破碎，不能起到减震隔震作用；

2. 由于底座和盖板是圆弧形凹面；地震结束后，某些状态情况下也不能形成建筑物的回位作用；

3. 地震产生的提离现象没有考虑。发明目的

本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷，提供一种减震隔震装置，它无需通过增加建筑物的强度和刚度，就可以减轻和避免地震对建筑物造成的破坏性损害。该减震隔震装置安装在建筑物的基础部分和桩基部分之间，可起到隔离、缓冲、吸收和耗散地震波能量的作用，从而达到减震隔震目的。发明概要

本发明的技术解决方案如下：

一种减震隔震装置，含有滚球、盖板、底座，还设有钵体、环形弹性阻尼体和多个弹簧，其特点是：

1. 所说钵体是一具有凹形底面、环形台面、圆环形顶面和外圆柱面的筒体，该凹形底面是由凹形圆锥面和一个凹形球冠面构成的：所说凹形球冠面的半径略大于滚球的半径，而且该钵体的下底面设有多个圆柱形盲孔；

2. 所说盖板的下底面中间具有一圆柱形凸台，该圆柱形凸台具有凹形底面，该凹形底面是由凹形圆锥面和一个凹形球冠面构成的，该凹形球冠面的半径略大于滚球的半径；该盖板的周缘为环形平面；

3. 所说的该底座的上部或盖板的上部具有内圆柱面，底座的底面或盖板的上部设有多个与钵体下底面的圆柱形盲孔相对应的圆柱形盲孔：

4. 其位置关系是：

(1)在底座或盖板的每个圆柱形盲孔中放入弹簧；

(2) 将钵体的圆柱形盲孔对准弹簧放入底座中，钵体的外圆柱面与底座的内圆柱面之间形成滑动配合；

(3) 将滚球放在钵体的凹形球冠面处，把环形弹性阻尼体安放在钵体的环形台面上；

盖上盖板，盖板的凹形球冠面压在滚球上，而盖板的环形平面压盖在钵体的筒体的环形顶平面上。

所述的减震隔震装置中：

1 . 所说钵体的凹形底面是一环状凹形曲面，该环状凹形曲面的横截面的形状是由两斜线段夹一圆弧线段构成的； 2。所说盖板的凹形面是一环形状凹槽，该环形状凹槽的横截面的形状是由两斜线段夹一圆弧线段构成的，形成一圆环状截面为锥形和圆弧形曲面；

3. 在该环形凹槽和环形凹槽之间设有多个滚球。附图说明

图 1是本发明实施例 1的剖视示意图。

图 2是图 1的俯视示意图。

图 3是本发明实施例 2的示意图。

图 4是图 3的俯视示意图。

图中：

1一钵体 11一凹形底面

111一凹形圆锥面 112—凹形球冠面

12—环形台面 13—环形顶平面

14一圆柱形盲孔 15—外圆柱面

16—环形凹槽 161—截面为锥形的环状曲面

162—截面为圆弧形的环状曲面 17—内圆柱面

2—滚球 3—环形弹性阻尼体

4一盖板 41一圆形凸台

42—凹形底面 421—凹形圆锥面

422—凹形球冠面 43—环形平面

44一夕卜圆柱面 45—环形凹槽

451—斜线段 452—圆弧线段

5—底座 51—内圆柱面

52—圆柱形盲孔 6—弹簧发明内容

请参阅图 1、图 2，图 1、图 2分别是本发明减震隔震装置实施例 1的剖视示意图和俯视示意图。由此可见，本发明减震隔震装置主要由钵体 1、滚球 2、环形弹性阻尼体 3、盖板 4、底座 5和弹簧 6组成。

钵体 1 : 用高强度刚性材料制成。钵体 1上由凹形圆锥面 111和凹形球冠面 112组成的凹形底面 11，环形台面 12，内圆柱面 17，环形顶平面 13，外圆柱面 15及多个圆柱形盲孔 14。球面 112的半径略大于滚球 2的半径。滚球 2受到预压力产生适量的弹性变形后，恰与球冠面 112贴合，形成紧密面接触。

滚球 2: 用高强度、高弹性、抗冲击的材料制成。滚球 2安放在钵体 1 和盖板 4的凹形球冠面 111和 422之间。

环形弹性阻尼体 3 : 用高弹性、抗老化粘滞型阻尼材料制成，安放在钵体 1的环形台面 12上。

盖板 4:用高强度刚性材料制成，盖板 4的下底面中间具有圆形凸台 41，该圆形凸台 41的下部设有凹形圆锥面 421和凹形半球面 422组成的凹形底面 42，环形平面 43，外圆柱面 44。球冠面 422的半径略大于滚球 2的半径。滚球 2受到预压力产生适量的弹性变形后，恰与球冠面 422贴合，成紧密面接触。

底座 5 : 由高强度刚性材料制成，底座 5上有内圆柱面 51及数个圆柱形盲孔 520。

弹簧 6: 用弹簧钢制成。安放在底座 5 的圆柱形盲孔 52与之相对应的钵体 1的圆柱形盲孔 14之间并受到弹性压缩。

本装置减震隔震原理如下：

本减震隔震装置安装在建筑物的基础部分和桩基部分之间，底座 5与桩基部分刚性连接，盖板 4与基础部分刚性连接。

1. 无地震时

建筑物产生的垂直载荷主要传递途径为：建筑物基础部分一盖板 4的环形平面 43—钵体 1的环形顶平面 13—底座 5—建筑物桩基部分一地下。而通过滚球 2传递的垂直载荷相对较小，此时滚球 2只承担一定的预压力和弹性变形。由于环形平面 43和环形顶平面 13是刚性接触，接触面积较大，故有很好的垂直刚度，当建筑物受到暴风、台风等较大水平载荷时，由于 13 面和 43面之间有很大的静摩擦力， 13面和 43面之间不会产生相对滑动，故有足够的水平刚度。本装置在无地震时具有足够的垂直和水平刚度，使建筑物象常规建筑物一样具有良好的稳定性。

2. 地震发生时

地震统计资料表明，地震时建筑物的损坏主要是由水平方向运动（含水平扭转运动)引起的。建筑物因垂直方向震动遭到破坏的情况几乎没有。因此主要以水平方向地震为例说明本装置的减震隔震原理如下：

当地面以某一加速度作水平震动时，桩基连同底座 5和钵体 1随地面一起作加速移动，由于建筑物有很大的惯性，钵体 1很难通过环形顶平面 13 和环形平面 43之间的摩接力带动盖板 4和建筑物随钵体 1作同步加速移动，钵体 1和盖板 4之间必然产生水平相对位移。在钵体 1和盖板 4的相对水平位移过程中，滚球 2在凹形球冠面 112和 422上滚动，因球冠面 112和 422 的半径较小，与滚球 2接触处的斜率较大，滚球 2在滚动过程中沿球冠面 112 迅速爬升，同时盖板 4也在滚球 2上沿球冠面 422迅速爬升，使建筑物随同盖板 4相对钵体 1迅速垂直上移，盖板 4上的环形平面 43和钵体 1上的 1 环形顶平面 13迅速脱离接触，使 43面和 13面之间的摩擦力随之消失。在 43面和 13面脱离前，地震力主要是通过 43面和 13面之间的摩擦力传递的，而 43面和 13面脱离后，地震力只能通过滚球 2与滚道之间的摩擦力，环形弹性阻尼体 3及其他附加阻尼器来传递。显然 43面和 13面脱离后，地震力的主要传递途径被隔断，从而大大减小从地面传给建筑物的地震力，起到良好的隔震作用。当滚球 2爬升到与圆锥面 111和 421接触时，由于 111和 421 面各点处的斜率较小，盖板 4相对钵体 1水平相对移动而产生的垂直提升量亦较小。

在钵体 1和盖板 4相对水平位移过程中，环形弹性阻尼体 3被逐渐压缩而起到缓冲和吸收及耗散部分地震能量的作用。盖板 4上的外圆柱面 44和钵体 1上的内圆柱面 17可以限制盖板 4和钵体 1之间的最大水平相对位移量，起到限位作用。

3. 当地震停止后

由于球冠面 112、 422和圆锥面 111、 421 各点处均有一定的斜率，该装置中的滚球 2的运动轨迹终点必然是原始位置。所以无论建筑物在水平方向处于何种位置，它都能借助自身重量产生的势能，经几次往复运动将地震过程中传给建筑物的剩余能量全部耗尽，最终准确复位。

复位后，由于滚球 2在球冠面 112和 422之间，受到一定的预压力及弹性变形，弹性变形后的滚球 2与球冠面 112和 422紧密贴合并承担部分垂直载荷，与此同时，盖板 4的环形平面 43与钵体 1上的环形顶平面 13恢复刚性接触并承担主要的垂直载荷。建筑物及本装置又恢复到震前状态。

地震后剩余的能量主要通过以下途径被消耗吸收：

a、环形弹性阻尼体 3在变形过程中以发热等形式耗散部分能量。

b、滚球 2与滚道间的摩擦及变形所耗散的能量。

c、当盖板 4相对钵体 1运动至最低位置（即震前原始位置）附近时，环形平面 43与 13之间的短暂接触过程中摩擦消耗的能量。

d、建筑物上安装的附加阻尼器对能量的吸收耗散。

4. 消除提离不利影响

在垂直方向震动加速度较大的情况下，本装置中盖板 4和钵体 1之间有可能会产生提离现象，使滚球 2和滚道间产生巨大的冲击力。为减轻提离现象对本装置的不利影响，将钵体 1的外圆柱面 15与底座 5的内圆柱面 51设计成滑动配合状态；在钵体 1和底座之间增设数个弹簧 6，弹簧 6在钵体 1 和底座 5的盲孔中被弹性压缩，且弹力远大于整个钵体 1的重量。在提离时，通过弹簧 6推动钵体 1在底座 5中向上滑动，使钵体 1、滚球 2与盖板 4始终保持接触，提离面仅为钵体 1底面与底座上部的圆形接触面。下落时，弹簧 6又可起到缓冲作用，这就使提离产生的冲击大大减轻。使滚球 2和滚道不至于受到损坏。

其次，请参阅图 3和图 4，图 3和图 4是本发明实施例 2的剖视和俯视示意图，由图可见，本发明减震隔震装置实施例 2也是由钵体 1、滚球 2、环形弹性阻尼体 3、盖板 4、底座 5和弹簧 6组成，其材质与实施例 1所述装置的相应零件相同。

实施例 2装置与实施例 1所述装置的主要区别在于：钵体 1和盖板 4上各开有一条环形凹槽。环形凹槽的横截面形状与方案 1所述装置中钵体 1和盖板 4上的凹形底面的横截面形状相似，均由圆弧线段和斜线段组成。在环形凹槽内放置多个滚球 2，从而增加了本装置的承载能力。在无地震时，多个滚球在环形凹槽 16和 45之间受到相同的预压力和弹性变形。承受的垂直载荷也基本相同，但在发生水平地震时，各滚球承担的载荷是不同的。

本发明装置的特点：

1、无地震发生时，由于主要载荷由刚性接触的两个环形平面 43和环形顶平面 13 承担，故本装置有足够的垂直和水平刚度，平时建筑物可处于十分稳定的状态。

2、球 2在承担部分垂直载荷产生适量的变形后，与球冠面 112和 422 形成紧密的面接触，大大增加了滚球的垂直承载和抗冲击能力。

3、当受到水平面上任意方向地震力时，由于滚球 2在球冠面 112和 422 上滚动时的快速爬升作用，可以迅速使主要承载平面 43和 13迅速分离，从而隔断了地震力传给建筑物的主要途径，使传给建筑物的水平地震力大大减小，起到显著的隔震效果。当 43面和 13面分离后，盖板 4连同建筑物按滚球 2在圆锥面 111和 421的滚动轨迹运动。

4、环形弹性阻尼体 3能缓冲和吸收耗散水平任意方向上的地震能量。

5、盖板 4和钵体 1在水平任意方向上的最大相对位移由钵体 1上的内圆柱面 17和盖板 4上的外圆柱面 44来限制。

6、当出现提离现象时，通过弹簧 6的弹力使钵体 1在底座 5 中向上滑动，使钵体 1、滚球 2与盖板 4始终保持接触不至脱离。钵体 1在底座 5中下滑时，弹簧 6又起到缓冲作用。这样就可使滚球和滚道之间不会受到过大的冲击载荷，避免滚球和滚道的损坏。

Claims

权利要求

1、一种减震隔震装置，含有滚球（2)、盖板（4)、底座（5)，其特征在于：

(1)所说盖板（4) 的下底面中间具有一圆柱形凸台（41)，该圆柱形凸台（41)具有凹形底面（42)，该凹形底面（42) 是由凹形圆锥面 (421)和一个凹形球冠面（422)构成的，该凹形球冠面（422)的半径略大于滚球（2) 的半径；该盖板（4)有环形平面（43);

(2)还设有钵体（1) 是一具有凹形底面（11)、环形台面（12)、环形顶平面（13)和外圆柱面（15)的筒体，该凹形底面（11)是由凹形圆锥面（111) 和一个凹形球冠面（112)构成的；所说凹形球冠面（112) 的半径略大于滚球（2) 的半径，而且该钵体（1) 的下底面设有多个圆柱形盲孔（14);

(3)还设有环形弹性阻尼体（3)、多个弹簧（6) 和圆桶形底座（5)，该底座（5) 或盖板（4) 上具有内圆柱面（51)，内底面设有多个与钵体（1) 下底面的圆柱形盲孔（14)相对应的圆柱形盲孔（52);

(4)其位置关系是：

a. 在底座（5) 或盖板（4) 的每个圆柱形盲孔（52) 和钵体（1) 的圆柱形盲孔（14) 中放入弹簧（6); 钵体（1) 的外圆柱面（15) 与底座（5) 的内圆柱面（51)之间形成滑动配合；

b. 将滚球（2)放在钵体（1) 的凹形球冠面（112) 处，把环形弹性阻尼体（3) 安放在钵体（1) 的环形台面（12)上；

c 盖上盖板（4)，盖板（4) 的凹形球冠面（422)压在滚球（2) 上，而盖板（4) 的环形平面（43)压盖在钵体（1) 的环形顶平面（13)上。

2、根据权利要求 1所述的减震隔震装置，其特征在于：

(1)所说钵体（1) 的凹形底面（11) 是一环状凹形曲面（16)，该环状凹形曲面（16) 的横截面的形状是由两斜线段（161) 夹一圆弧线段（162) 构成的； (2) 所说盖板（4) 的凹形底面（41) 是一环状凹形曲面（45)，该环状凹形曲面（45) 的横截面的形状是由两斜线段（451)夹一圆弧线段（452) 构成的；

(3) 在该环状凹形曲面（16)和环状凹形曲面（45) 之间设有多个滚球

(2)。