竖向变刚度隔震支座.pdf

本发明涉及一种竖向变刚度隔震支座，属于结构振动控制领域。本支座包括有钢筒、橡胶、铅芯和变刚度导向装置。变刚度导向装置包括有轴、顶板和锥形的变刚度曲面板，其中，轴的上端与顶板固定连接，锥形的变刚度曲面板的一端与顶板固定连接，另一端与轴的侧面固定连接，多层橡胶和多个钢筒依次间隔沿径向布置在变刚度曲面板以下的轴上，水平方向布置的铅芯穿过多层钢筒与橡胶与轴相交，所有的橡胶和钢板的下端面形成一个上端口小下端口大的锥形空间。本发明支座在竖直方向上具有较大的初始刚度和较小的屈服刚度，且具有足够的竖向变形能力和复位能力，铅屈服后能根据竖向变形调节竖向隔震刚度，因此可以有效隔离竖向地震动并在无地震时保持稳定。

1、  竖向变刚度隔震支座，其特征在于：包括有钢筒(5)、橡胶(6)、铅芯(7)和变刚度导向装置；变刚度导向装置包括有轴(1)、顶板(2)和锥形的变刚度曲面板(3)；其中，轴(1)的上端与顶板(2)固定连接，锥形的变刚度曲面板(3)的一端与顶板(2)固定连接，另一端与轴(1)的侧面固定连接，多层橡胶(6)和多个钢筒(5)沿径向依次相间固定在变刚度曲面板(3)以下的轴(1)上；水平布置的铅芯(7)穿过多层钢筒(5)与橡胶(6)与轴(1)相交；所有的橡胶(6)和钢筒(5)的下端面形成一个上端口小下端口大的锥形空间。

2、  根据权利要求1所述的竖向变刚度隔震支座，其特征在于：所述的锥形变刚度曲面板(3)的上端口的形状、面积与所有橡胶(6)和钢筒(5)的下端面形成的锥形空间的下端口的形状、面积相同，且两个锥形的高度相同。

3、  根据权利要求1或权利要求2所述的竖向变刚度隔震支座，其特征在于：所述的轴(1)、钢筒(5)和橡胶(6)的横截面为圆形或为方形或为多边形。

4、  根据权利要求1所述的竖向变刚度隔震支座，其特征在于：所述的钢筒(5)可由铜或合金制成的金属筒所替换。

5、  根据权利要求1或权利要求2或权利要求4所述的竖向变刚度隔震支座，其特征在于：所述的钢筒(5)和橡胶(6)为上端口面积大于下端口面积的锥形；轴(1)与橡胶(6)之间以及钢筒(5)与橡胶(6)之间采用硫化技术粘接。

6、  根据权利要求1或权利要求2或权利要求4所述的竖向变刚度隔震支座，其特征在于：所述的橡胶(6)为普通天然橡胶或为高阻尼橡胶。

7、  根据权利要求1或权利要求2或权利要求4所述的竖向变刚度隔震支座，其特征在于：所述的铅芯(7)的个数为一个，且铅芯(7)与轴(1)正交。

8、  根据权利要求1或权利要求2或权利要求4所述的竖向变刚度隔震支座，其特征在于：所述的铅芯(7)的个数大于1并沿轴(1)的圆周方向均匀布置，且铅芯(7)与轴(1)正交。

9、  根据权利要求1所述的竖向变刚度隔震支座，其特征在于：所述的变刚度曲面板(3)的曲率为零或为常数或沿轴(1)按由里向外的方向逐渐增加或减小。

10、  根据权利要求1所述的竖向变刚度隔震支座，其特征在于：所述的轴(1)为上端面面积大于下端面面积的锥形。

竖向变刚度隔震支座
技术领域
本发明涉及一种竖向变刚度隔震支座，属于结构振动控制领域。
背景技术
一般认为，水平地震对结构破坏起控制作用，但大量的地震震害表明，竖向地震对结构物的影响是不容忽视的，尤其是高耸结构、大跨结构与质量、刚度竖向分布不均匀的结构，这些结构的竖向刚度一般偏小，竖向固有周期与竖向地震动卓越周期相近，因而在地震中极易发生谐振而破坏，如何控制竖向地震动成为各国学者研究的热点。
基础隔震技术是通过在建筑物底部和基础顶面之间设置刚度较小的隔震层，以降低结构振动的基本频率，延长其振动周期，从而避开地震动的主要能量频带，使上部结构与地面振动隔离，减小上部结构反应，达到保护主体结构及其内部设施不受破坏的目的。自上世纪90年代至今，隔震技术在日本、中国、美国、意大利、新西兰等20多个国家得到了迅速发展与应用，世界上已经有2000多栋结构采用了此项技术。
然而，目前隔震技术主要为水平隔震，对竖向地震动没有控制效果，这对结构安全是极为不利的；另外，结构竖向隔震技术发展缓慢，原因在于隔震装置首先要承担上部结构巨大的自重荷载，又要求具有较小的竖向刚度，同时要保证上部结构在一般荷载(如环境振动和风荷载)作用下的稳定性，这三者之间的矛盾很难调和，因此，新型竖向隔震装置的研发成为一项世界难题。
对于结构的竖向隔震问题，国内外学者曾提出过一些隔震装置，有些装置由于竖向刚度较大，变形小，有限的变形范围内难以提供足够的阻尼力，隔震效果欠佳；有些装置竖向刚度足够小，但变形过大，难以保证上部结构在一般荷载作用下的稳定性，因此很难得以应用和推广。
发明内容
本发明的目的在于克服现有竖向隔震装置的上述缺陷，提供一种竖向变刚度隔震支座，该支座在竖直方向上具有较大的初始刚度和较小的屈服刚度，具有足够的竖向变形能力和复位能力，并能够在铅屈服后根据支座的竖向变形调节支座的竖向刚度，因此可以有效隔离竖向地震动并在无地震时保持稳定；水平方向上，支座刚度非常大，几乎无变形；本发明构造简单，易加工制作，还可与其他水平隔震支座组合形成三维隔震支座。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：支座包括有钢筒、橡胶、铅芯和变刚度导向装置，变刚度导向装置包括有轴、顶板和锥形的变刚度曲面板，其中，轴截面面积较大的一端与顶板固定连接，锥形的变刚度曲面板的一端与顶板固定连接，另一端与轴的侧面固定连接，按照横截面面积由小到大的顺序，多层橡胶和多个钢筒沿径向依次相间固定在变刚度曲面板以下的轴的侧面上，水平布置的铅芯穿过多层钢筒与橡胶相交于轴，所有的橡胶和钢筒的下端面形成一个上端口小下端口大(以下简称上小下大)的锥形空间。
所述的锥形变刚度曲面板的上端口的形状、面积与所有橡胶和钢筒的下端面形成的锥形空间的下端口的形状、面积相同，且两个锥形的高度相同。
所述的轴、钢筒和橡胶的横截面为圆形或为方形或为多边形。
所述的钢筒和橡胶均为上端口面积大于下端口面积的锥形筒，轴与橡胶之间以及钢筒与橡胶之间采用硫化技术粘接或其他粘接技术粘接。
所述的轴为上端面面积大于下端面面积的锥形轴。
所述的钢筒由其它金属或合金制成的金属筒所替换。
所述的橡胶为普通天然橡胶，也可为高阻尼橡胶。
所述的铅芯的个数为1个，且铅芯7与轴1正交。
所述的铅芯的个数大于1，沿轴的圆周方向均匀布置，且铅芯7与轴1正交。
所述的变刚度曲面板的曲率可以为零，也可以为常数，也可以沿轴向外方向依次增加或减小。
所述的铅芯与轴正交。
本支座可用于建筑结构的基础隔震层，隔离竖向地震动。
当无地震作用，仅有环境振动或一般的风荷载时，支座中的铅芯处于结晶状态，具有很大的刚度，因此橡胶中的应力不发生变化，整个支座不产生竖向变形，保持稳定；
当地震来临时，剧烈的地面运动使支座顶板受到上部结构巨大的惯性力，这种惯性力通过变刚度导向装置分配到每一层橡胶和钢筒，使靠近轴位置的橡胶最先产生竖向剪切变形，并带动钢筒发生竖向剪切运动，在橡胶和钢筒的剪切作用下，靠近轴位置的铅首先屈服，刚度迅速降低，随着竖向变形的增加，橡胶沿轴向外方向依次发生剪切变形，铅也沿轴向外方向依次屈服，有效的隔离了地面运动能量向上部结构的传输。
本发明的优点在于：
1)本发明采用变刚度设计，可使隔震效果更佳。主要体现在以下三个方面：第一，铅芯变刚度，采用铅芯提供阻尼力，具有较大的初始刚度和较小的屈服刚度，能够保证上部结构在一般荷载作用下的稳定性，在地震作用下屈服，消耗地震能量；第二，多圈橡胶变刚度，靠近轴位置的橡胶的竖向剪切面积较小，刚度较小，远离轴的橡胶的竖向剪切面积较大，刚度也较大，当支座竖向变形增加时，本支座的刚度也逐渐增大，这种结构可以避免支座在随机地震动作用下因刚度恒定而发生谐振破坏；第三，导向装置变刚度，利用变刚度曲面板曲率的变化实现变刚度，变刚度曲面板的曲率可根据不同地区不同结构的抗震要求进行设计，而且变刚度曲面板能将支座的竖向变形按其曲率的变化分配到各层钢板和橡胶，防止局部橡胶剪切变形过大发生破坏。
2)本发明具有较大的竖向变形能力和耗能能力。
3)本发明支座采用的钢筒可以提供一定的竖向支持力，因此，支座具有足够的竖向承载力。
附图说明
图1为本发明的立面图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为图1的B-B剖视图；
图4为变刚度导向装置立面图；
图5为顶板平面图；
图6为本发明的实施例1的结构简图；
图7为本发明的实施例2的结构简图；
图中：1、轴，2、顶板，3、变刚度曲面板，4、螺栓孔，5、钢筒，6、橡胶，7、铅芯，8、盖板，9、铅芯孔，10、支脚，11、叠层橡胶铅芯隔震支座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例1：
如图2所示，本支座包括有变刚度导向装置、铅芯7和多个钢筒5和橡胶6(此处的橡胶6为具有一定厚度的橡胶圈)，钢筒5和橡胶6为上端口面积大于下端口面积的圆锥形。变刚度导向装置的结构如图4所示，包括有轴1、顶板2和变刚度曲面板3三部分，变刚度曲面板3的曲率为零。轴1直径大的一端与顶板2固定连接，锥形的变刚度曲面板3的一端与顶板2固定连接，另一端与轴1的侧面固定连接。轴1外部包有一圈一定厚度的橡胶6，橡胶6外部套有一个钢筒5，多层橡胶6与多个钢筒5(如图2所示)沿轴1的径向依次粘接形成支座的承重主体，轴1与橡胶6之间以及钢筒5与橡胶6之间均采用硫化技术粘接。支座内部水平方向上有正交的四根铅芯7穿过多层钢筒5与橡胶6，与轴1正交(如图3所示)。铅芯7的具体加工方法为：每一个钢筒5上设有四个大小相同的铅芯孔9，钢筒5安装过程中须确保每个钢筒5的铅芯孔9(见图1、图2)相互对齐，待钢筒5与橡胶6硫化粘结完成之后，向铅芯孔9中灌铅，铅完全冷却之后，将盖板8盖上并拧紧密封。本发明采用铅芯7提供阻尼力，具有较大的初始刚度和较小的屈服刚度，能够保证上部结构在一般荷载作用下的稳定性，并能够在地震作用下屈服，消耗地震能量。
本实施例中铅芯7的大小和条数可视实际工程所需的阻尼而定，可为水平正交分布四条，也可为两条，或均匀对称分布的更多条。
轴1和钢筒5的横截面可以为圆形或为方形或为正多边形。所有的橡胶6和钢板5的下端面形成一个上小下大的锥形空间(见图2)。
钢筒5上下端口的直径之比、橡胶6的厚度、曲率为零的变刚度曲面板所围的锥形上下端面直径之差与锥形的高之比以及铅芯7的大小、条数须根据支座的竖向荷载、允许变形、隔震刚度和所需阻尼力进行设计。钢筒5也可以由其他硬质金属或合金制成的筒所替代。
沿轴1的径向向外(本实施例以轴1的轴心线为中心，以远离轴1轴心线的方向为外)，钢筒5的直径逐渐增大，筒高依次增高，靠近轴1位置的橡胶6直径与高度均较小，可承受的竖向剪力也较小，因此，当轴1受到竖向作用力时，靠近轴1位置的橡胶6首先发生剪切变形，并迫使靠近轴1位置的铅7首先屈服。
变刚度导向装置的变刚度曲面板3与顶板2所围成的上端口大小端口小(以下简称上大下小)的圆锥形的大小与无受力状态时支座下部钢筒5与橡胶6形成的上小下大的圆锥形空间的高度相同，且两个圆锥形空间的大端口均为相同直径的圆形。这种结构有两个优点：第一，在较大的竖向荷载作用下，可以使支座变形均匀分布到每一层橡胶，避免局部橡胶剪切变形过大而破坏；第二，使支座的竖向刚度随着竖向变形的增加而不断增大，避免支座在随机地震动作用下因刚度恒定而发生谐振破坏。
所有钢筒5与轴1均为上大下小的锥形设计，这种设计方法可以增加支座的竖向承载力，减小橡胶在剪切变形时发生受拉破坏；当轴1向下运动时，周围的橡胶6将产生剪切变形，外部锥形钢筒5可以防止橡胶6在剪切变形中产生水平拉力，而且能提供一定向上的支持力，支持力的大小与钢筒5的高成正比，与钢筒5上下端口直径之比成正比，即钢筒5越高，可提供的支持力越大，钢筒5上下端口直径之比越大，可提供的支持力也越大，反之则越小。
实施例2：
图6为本发明的另一种实施例，本实施例与实施例1的结构基本相同，不同之处仅在于变刚度导向装置中的变刚度曲面板3的曲率不为零，而是沿轴1向外方向不断增加的。这种设计可使隔震结构在遭受罕遇地震时，支座的刚度随着竖向变形的增大非线性增加，即变形越大，支座的竖向刚度增加越快，因此可以进一步确保支座不会产生过大的变形而发生剪切破坏。
变刚度导向装置中的变刚度曲面板3的曲率可根据具体情况设计而定。
图7为本发明中的竖向支座与叠层橡胶铅芯隔震支座11串联形成的三维隔震支座，其中的竖向支座与以上实施例结构相同，三维隔震支座可以同时隔离水平和竖向的地震动，水平和竖向均具有较大的初始刚度和较小的屈服刚度，变形大且复位能力强。
本发明支座还可与其他水平隔震支座组合形成三维隔震支座，如与金属摩擦滑移隔震支座串联组成三维隔震支座，其中的竖向支座与以上实施例结构相同。