万向水平弹性支座.pdf

一种万向水平弹性支座，包括与上部结构连接的上支座板、与下部结构连接的下支座板以及上支座板和下支座板之间设有的水平弹性装置，所述上支座板的下侧表面开有一组按规律布置的内凹接触穴，所述水平弹性装置是一组与内凹接触穴一一对应的竖向的悬臂钢棒。本发明构造简单、传力明确，彻底消除了现有双向弹簧支座可能卡住的问题，可广泛应用于建筑上的双向弹簧支座连接，尤其适用于大跨度结构中屋顶结构和下部支承结构的铰接连接。

1.  一种万向水平弹性支座，包括与上部结构（15）连接的上支座板（1）、与下部结构（16）连接的下支座板（9）以及上支座板（1）和下支座板（9）之间设有的水平弹性装置，其特征在于：所述上支座板（1）的下侧表面开有一组按规律布置的内凹接触穴（17），所述水平弹性装置是一组与内凹接触穴（17）一一对应的竖向的悬臂钢棒（18），所述悬臂钢棒是由伸入内凹接触穴（17）的头部（19）和头部（19）的正中下侧连有的抗弯弹性锥身部（20）组成，所述头部（19）的四周与内凹接触穴（17）的侧壁环向接触，头部的高度小于内凹接触穴（17）的高度，使头部（19）的顶端与内凹接触穴（17）的穴底保证留有防撞空隙，所述抗弯弹性锥身部（20）的顶部的外径小于头部（19）的外径，并且也伸入内凹接触穴（17）之内、与内凹接触穴（17）的侧壁保证留有防撞空隙，抗弯弹性锥身部（20）的底部与下支座板（9）固定连接。

2.  根据权利要求1所述的一种万向水平弹性支座，其特征在于：所述内凹接触穴均布于上支座板的下侧表面。

3.  根据权利要求1所述的一种万向水平弹性支座，其特征在于：所述上支座板（1）的下侧表面、相邻两个内凹接触穴之间开有连槽，所述连槽的开槽深度小于头部（19）伸入内凹接触穴（17）之内的深度。

4.  根据权利要求1或2所述的一种万向水平弹性支座，其特征在于：所述内凹接触穴（17）呈倒U型，分为顶部球冠面（21）和侧部圆柱面（22），顶部球冠面的最大圆直径与侧部圆柱面的横截面圆直径相等。

5.  根据权利要求4所述的一种万向水平弹性支座，其特征在于：所述头部为球体，头部的直径与侧部圆柱面的横截面圆直径相等，所述抗弯弹性锥身部为上小下大的圆台，上表面的外径小于头部的直径。

万向水平弹性支座
技术领域
本发明属于地震技术工程领域，特别是一种使用于大跨度结构中水平的万向弹性支座。
背景技术
现有的双向弹簧铰支座是在双向滑动支座的基础上发展而来，广泛应用于大跨结构，可以实现以下功能：一、具有各方向的转动能力；二、能够将上部结构产生的竖向荷载传递到下部支承结构；三、通过设计合适的弹簧刚度能够将上部结构产生的某一方向的水平荷载部分传递到下部支承结构；四、能够允许结构在此水平方向进行有限的滑动。
双向弹簧铰支座的构造如附图1-3所示，主要由上支座板1、第一不锈钢板2、第一聚四氟乙烯平面滑板3、中间球面板4、聚四氟乙烯球面滑板5、中间主体6、第二聚四氟乙烯平面滑板7、第二不锈钢板8、下支座板9、箱体10、板弹簧11、防尘罩12、螺栓13和第三不锈钢板14组成。该支座形式通过板弹簧实现上述的第三、四项功能，即采用板弹簧对抗上部结构产生的垂直于板弹簧方向的水平荷载，同时通过对板弹簧的刚度进行设计，使支座可以顺板弹簧方向有限滑动。由于板弹簧只能提供单方向的弹簧刚度，此类双向弹簧支座采用板弹簧构造，只能在两个方向上进行运动，如果是在受力复杂或存在安装偏差的情况下，此支座在滑动过程中会产生支座卡住、丧失有限弹簧刚度以及滑动功能受限的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种万向水平弹性支座，要解决现有的弹簧支座可能产生的弹簧卡住、丧失有限弹簧刚度以及滑动功能受限的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种万向水平弹性支座，包括与上部结构连接的上支座板、与下部结构连接的下支座板以及上支座板和下支座板之间设有的水平弹性装置，所述上支座板的下侧表面开有一组按规律布置的内凹接触穴，所述水平弹性装置是一组与内凹接触穴一一对应的竖向的悬臂钢棒，所述悬臂钢棒是由伸入内凹接触穴的头部和头部的正中下侧连有的抗弯弹性锥身部组成，所述头部的四周与内凹接触穴的侧壁环向接触，头部的高度小于内凹接触穴的高度，使头部的顶端与内凹接触穴的穴底保证留有防撞空隙，所述抗弯弹性锥身部的顶部的外径小于头部的外径，并且也伸入内凹接触穴之内、与内凹接触穴的侧壁保证留有防撞空隙，抗弯弹性锥身部的底部与下支座板固定连接。
所述内凹接触穴均布于上支座板的下侧表面。
所述上支座板的下侧表面、相邻两个内凹接触穴之间开有连槽，所述连槽的开槽深度小于头部伸入内凹接触穴之内的深度。
所述内凹接触穴呈倒U型，分为顶部球冠面和侧部圆柱面，顶部球冠面的最大圆直径与侧部圆柱面的横截面圆直径相等。
所述头部为球体，头部的直径与侧部圆柱面的横截面圆直径相等，所述抗弯弹性锥身部为上小下大的圆台，上表面的外径小于头部的直径。
与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：
本发明支座结构是由两块支座板和中间的水平弹性装置组成，同现有的弹簧支座相比，取消了能够将上部结构产生的竖向荷载传递到下部支承结构的构造，即中间球面板、聚四氟乙烯球面滑板、不锈钢板、聚四氟乙烯平面滑板、中间主体以及板弹簧，使用水平弹性装置的悬臂钢棒代替板弹簧，悬臂钢棒下端连接于下支座板，悬臂钢棒的头部与内凹接触穴接触，上部结构产生的任意方向的水平荷载均可通过内凹接触穴传递到悬臂钢棒，并通过悬臂钢棒传递到下部结构。
本发明通过设计悬臂钢棒的直径和高度实现不同的弹簧刚度，即调节悬臂棒的抗弯刚度实现不同的弹簧刚度，由于悬臂钢棒任意水平抗弯刚度相等，因此可实现支座沿任意方向有限刚度，通过上支座板内的内凹接触穴与悬臂钢棒的接触，上部结构产生的任意方向的水平荷载均可通过悬臂钢棒将部分水平力传递到下部结构，实现上支座板任意方向的有限滑动的功能，最终实现万向水平弹性支座的功能。
本发明构造简单、传力明确，彻底消除了现有双向弹簧支座可能卡住的问题，可广泛应用于建筑上的双向弹簧支座连接，尤其适用于大跨度结构中屋顶结构和下部支承结构的铰接连接。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1是现有的双向弹簧铰支座的结构Y向示意图。
图2是现有的双向弹簧铰支座的结构Z向示意图。
图3是现有的双向弹簧铰支座的结构双向运动示意图。
图4是本发明万向水平弹性支座的结构示意图。
图5是图4的剖面结构示意图。
图6是本发明的使用状态图。
图7是图6的剖面结构示意图。
图8是本发明万向水平弹性支座为受力之前的状态图。
图9是图8在受到水平方向作用力后支座变形状态图。
图10是内凹接触穴处的局部放大图。
附图标记：1－上支座板、2－第一不锈钢板、3－第一聚四氟乙烯平面滑板、4－中间球面板、5－聚四氟乙烯球面滑板、6－中间主体、7－第二聚四氟乙烯平面滑板、8－第二不锈钢板、9－下支座板、10－箱体、11－板弹簧、12－防尘罩、13－螺栓、14－第三不锈钢板、15－上部结构、16－下部结构、17－内凹接触穴、18－悬臂钢棒、19－头部、20－抗弯弹性锥身部、21－顶部球冠面、22－侧部圆柱面。
具体实施方式
实施例参见图4-10所示，一种万向水平弹性支座，包括与上部结构15连接的上支座板1、与下部结构16连接的下支座板9以及上支座板1和下支座板9之间设有的水平弹性装置，所述上支座板1的下侧表面开有一组按规律布置的内凹接触穴17，所述水平弹性装置是一组与内凹接触穴17一一对应的竖向的悬臂钢棒18，所述悬臂钢棒是由伸入内凹接触穴17的头部19和头部19的正中下侧连有的抗弯弹性锥身部20组成，所述头部19的四周与内凹接触穴17的侧壁环向接触，头部的高度小于内凹接触穴17的高度，使头部19的顶端与内凹接触穴17的穴底保证留有防撞空隙，保证头部不承受上部结构的竖向力。所述抗弯弹性锥身部20的顶部的外径小于头部19的外径，并且也伸入内凹接触穴17之内、与内凹接触穴17的侧壁保证留有防撞空隙，抗弯弹性锥身部20的底部与下支座板9固定连接。
所述内凹接触穴均布于上支座板的下侧表面。所述上支座板1的下侧表面、相邻两个内凹接触穴之间也可以开有连槽，所述连槽的开槽深度小于头部19伸入内凹接触穴17之内的深度。
参见图10所示，所述内凹接触穴17呈倒U型，分为顶部球冠面21和侧部圆柱面22，顶部球冠面的最大圆直径与侧部圆柱面的横截面圆直径相等。所述头部为球体，头部的直径与侧部圆柱面的横截面圆直径相等，所述抗弯弹性锥身部为上小下大的圆台，上表面的外径小于头部的直径。
本实施例中，上支座板1与上部结构15通过螺栓或者焊接连接，下支座板9与下部结构16通过螺栓或者焊接连接。悬臂钢棒2与下支座板3焊接。
以某工程支座设计过程为例，具体阐述万向水平弹性支座的制作。
某核心筒顶部弹簧支座总刚度为k₀=24000kN/m，根据核心筒顶部空间布置6个弹性支座，单个弹性支座的水平弹性刚度为k₁=4000kN/m。根据建筑空间确定支座安装总高度为H=770mm，由构造确定上支座板中内凹接触穴的穴底至板体上侧的厚度a₁=20mm，头部与穴底的防撞空隙的高度a₂=10mm，头部底端至上支座板的下侧的距离a₃=30mm。根据头部与内凹接触穴的侧壁之间局部承压及构造要求确定头部圆球直径d₃=45mm，则悬臂钢棒的高度为h=697.5mm。
根据核心筒顶部宽度，上支座板与下支座板均为方形板，长度和宽度均为B=800mm，在满足上支座板开穴、悬臂钢棒与下支座板焊接的操作空间前提下，钢棒间距为S₂=150mm，钢棒中心与支座板边距为S₁=100mm，钢棒数量为n=25根。
支座设计位移限值为50mm，钢棒材料为Q460建筑结构用钢，根据悬臂钢棒上端截面抗剪承载力及构造要求确定悬臂钢棒的上表面宽度d1=20mm。单个悬臂钢棒的水平刚度为k_i，根据弹簧刚度并联的计算原则k₁=nk_i，。
设，悬臂棒顶点位移，当P=1时，则悬臂棒的形常数为，。
因此：，。
结论：1、头部与内凹接触穴的接触构造实现了水平力有效传递。2、悬臂钢棒为圆形钢棒、各向同性，水平各向的水平刚度相等，避免了蝶形弹簧在非主方向弹簧刚度过大，可能出现支座卡槽等问题。3、本发明真正实现了各向水平等弹簧刚度、不卡槽、可转动的目标。