一种变曲率自行复位保护三维减隔震耗能支座.pdf

本发明涉及一种变曲率自行复位保护三维减隔震耗能支座，属于结构隔震控制与振动控制技术领域。该支座结构为：将变曲率底座、下连接板、限位板组合，变曲率底座表面涂有摩擦涂层，在变曲率底座与限位板之间设置高弹橡胶圈，将滑块置于变曲率底座中心，其上贴合中连接板，中连接板上装有凸轴和中心轴桶，凸轴上套有碟形弹簧叠合件，碟形弹簧叠合件之间设有阻尼材料，外侧包有钢圈，中心轴桶间设置阻尼器，凸轴和中心轴桶深入上连接板，并与上连接板之间留有空隙。本发明能够同时隔离和抑制水平地震波和竖向地震波，有效消除扭转及P－Δ效应对上部结构的不利影响，且能限位保护，承压力大，自动复位，耗能能力强，适合建筑物及仪器、设备隔震减震。

1.  一种变曲率自行复位保护三维减隔震耗能支座，其特征在于：该支座主要由变曲率底座(1)、限位板(2)、下连接板(3)、滑块(4)、高弹橡胶圈(6)、摩擦涂层(7)、中连接板(9)、碟形弹簧叠合件(10)、钢圈(12)、凸轴(13)、中心轴桶(14)、上连接板(15)和阻尼器(16)组成；其中，将下连接板(3)设置于基础(18)之上，下连接板(3)上设置变曲率底座(1)和限位板(2)，变曲率底座(1)套于限位板(2)内侧，通过螺栓(5)将下连接板(3)和限位板(2)与基础(18)相固定；变曲率底座(1)表面设有摩擦涂层(7)，限位板(2)上边缘向内凸出，与变曲率底座(1)之间形成凹槽，变曲率底座(1)与限位板(2)凹槽间设置高弹橡胶圈(6)；将滑块(4)置于变曲率底座(1)曲面中心，其上贴合中连接板(9)，滑块(4)与中连接板(9)之间可以自由转动；中连接板(9)上固接凸轴(13)和中心轴桶(14)，凸轴(13)上套有碟形弹簧叠合件(10)，与凸轴(13)动配合，碟形弹簧叠合件(10)之间设有阻尼材料(11)，碟形弹簧叠合件(10)外侧包有钢圈(12)；中心轴桶间(14)设置阻尼器(16)，阻尼器(16)分别通过定位螺栓(8)与中连接板(9)和上连接板(15)相连接，碟形弹簧叠合件(10)与钢圈(12)和中心轴桶(14)间留有空隙；阻尼器(16)和碟形弹簧叠合件(10)与上连接板(15)相连接，凸轴(13)和中心轴桶(14)伸入上连接板(9)，并与上连接板(9)之间留有空隙，使凸轴(13)、中心轴桶(14)与上连接板(15)之间动配合；上连接板(15)通过螺栓(5)固定于上部结构(17)。

2.  根据权利要求1所述的一种变曲率自行复位保护三维减隔震耗能支座，其特征在于：碟形弹簧叠合件(10)的对合个数至少为两个，串连碟形弹簧叠合件(10)组数至少为两组。

3.  根据权利要求1所述的一种变曲率自行复位保护三维减隔震耗能支座，其特征在于：阻尼器(16)可为普通油阻尼器或电流变/磁流变阻尼器，阻尼器(16)高度大于等于碟形弹簧叠合件(10)总高度，阻尼器(16)活塞(19)应置于阻尼器(16)中间位置。

4.  根据权利要求1所述的一种变曲率自行复位保护三维减隔震耗能支座，其特征在于：摩擦涂层(7)可涂有耐磨树脂或聚四氟乙烯材料。

5.  根据权利要求1所述的一种变曲率自行复位保护三维减隔震耗能支座，其特征在于：变曲率底座(1)曲面为两种曲面的结合，中间曲面为大半径圆弧曲面，两侧曲面为椭圆曲面。

6.  根据权利要求1所述的一种变曲率自行复位保护三维减隔震耗能支座，其特征在于：所述滑块(4)为不锈钢半球形，其底面圆弧状凸面密切贴合于摩擦涂层(7)，圆弧半径与变曲率底座(1)中心圆弧曲面半径一致。

7.  根据权利要求1所述的一种变曲率自行复位保护三维减隔震耗能支座，其特征在于：所述中连接板(9)与滑块(4)贴合处曲面为圆弧凹面，圆弧半径同滑块(4)上表面圆弧半径，滑块(4)上表面球面密切贴合于中连接板(9)圆弧凹面。

8.  根据权利要求1或2所述的一种变曲率自行复位保护三维减隔震耗能支座，其特征在于：阻尼器(16)、凸轴(13)和中心轴桶(14)与上连接板(15)空隙应大于等于nh，这里n为碟形弹簧叠合件(10)串连组数，h为每组碟形弹簧叠合件(10)之间的距离。

9.  根据权利要求1或2所述的一种变曲率自行复位保护三维减隔震耗能支座，其特征在于：钢圈(12)与上连接板(15)距离应大于等于nh，这里n为碟形弹簧叠合件(10)串连组数，h为每组碟形弹簧叠合件(10)之间的距离。

10.  根据权利要求1所述的一种变曲率自行复位保护三维减隔震耗能支座，其特征在于：高弹橡胶圈(6)的厚度大于变曲率底座(1)与限位板(2)间的凹槽宽度。

一种变曲率自行复位保护三维减隔震耗能支座
技术领域
本发明涉及一种变曲率自行复位保护三维减隔震耗能支座，主要用于房屋及桥梁等建筑物的基础隔震，也可用于仪器、设备的隔振减振，属于结构隔震控制与振动控制技术领域。
背景技术
在桥梁、建筑结构的设计施工中，必须考虑到地震、振动等对工程结构造成的影响。支座是工程建设中大量应用的一种结构隔震装置，其不但要把建筑结构的上部结构的重量传递给下部结构，而且还要具有减隔震的作用。
隔震是结构振动控制中研究最早、应用最广的一项减震技术。它的基本原理在于通过设置隔震装置使得结构体系的水平刚度降低，使其自振周期延长，远离上部结构的自振周期和场地卓越周期，从而把地面运动有效的隔离开来，达到减震的效果。基础隔震是在上部结构和基础之间设置隔震层，通过隔震层的隔震系统来限制和吸收传入结构的地震能量。理论研究与工程实践表明，基础隔震技术是建筑物抵御地震灾害的最有效方法之一。现有的安装在建筑物上部结构与基础之间的隔震支座很多，常见的如由薄橡胶板和薄钢板交替叠合而成的叠层橡胶支座，由砂垫层、石磨层、不锈钢板和聚缩醛树脂为滑动材料构成的普通滑动支座等等，这些隔震支座的缺点或是对材料要求高、制作难度大，或是成本昂贵，不具备自动复位的性能。
目前，在工程结构隔震研究中，国内外学者对于水平隔震的研究开展了很多工作，而对竖向隔震的研究涉及较少。一般认为，水平地震对结构的破坏起控制作用，因此对隔震的研究长期以来集中在水平隔震上，并且在这方面已经取得了很多成果，尤其是叠层钢板橡胶支座基础隔震技术应用最多。但大量地震震害表明，竖向地震对结构物地影响有时是不能忽视的，它的作用有时会超过水平地震作用。特别对一些高烈度区和震中附近的区域，竖向地震分量非常明显，有时达到水平地震分量的2/3以上。由于结构竖向刚度大，其竖向固有周期与竖向地震波卓越周期相近，因而结构的竖向震动特性值得关注和研究。
另外，不论是在建筑物还是桥梁采用隔震手段，共同的特点就是在强震过程中以隔震装置集中产生大变形来换取结构产生较小的变形，甚至仍保持在弹性范围内。同时，当地震较强时，由于低频部分含有的能量也相应增加，结构反应将会明显增大，特别当地震动能量集中在低频段时，容易与隔震结构发生共振现象，结构反应会更大。因此为防止隔震装置变形过大而导致滚翻失稳现象发生，又必须对其进行限位防护并使其远离低频共振区域。因此，急需开发一种既能限位又能时时远离共振区域的水平和竖向三维减隔震耗能体系。
同样，机械振动也严重影响结构的安全、人员的身体健康和人们的生产生活。目前虽然有较多的隔振减振器，但几乎都是单方面隔振器，并且承载力较小，缺少大承载力的三维隔振耗能减振器。
发明内容
本发明为了克服现有技术不能同时隔离与抑制水平和竖向地震作用、不能自动复位、不能限位保护、不能时时远离共振区域以及承载力小的不足之处，提高隔震支座的隔震性能及适用范围，防止支座变形失稳；基于传统的隔震技术、控制方法及机械原理，提出一种能够自动复位、承载力大、隔震周期能动可变并带软碰撞限位保护的变曲率自行复位保护三维减隔震耗能支座。
本发明提供了一种变曲率自行复位保护三维减隔震耗能支座。该支座主要包括有变曲率底座1、限位板2、下连接板3、滑块4、高弹橡胶圈6、摩擦涂层7、中连接板9、碟形弹簧叠合件10、钢圈12、凸轴13、中心轴桶14、上连接板15和阻尼器16。将下连接板3设置于基础18之上，下连接板3上设置变曲率底座1和限位板2，将变曲率底座1套于限位板2内侧，通过螺栓5将下连接板3和限位板2与基础18相固定；变曲率底座1表面设有摩擦涂层7，限位板2上边缘向内凸出，与变曲率底座1之间形成凹槽，变曲率底座1与限位板2凹槽间设置高弹橡胶圈6；将滑块4置于变曲率底座1曲面中心，其上贴合中连接板9，滑块4与中连接板9之间可以自由转动；中连接板9上固接凸轴13和中心轴桶14，凸轴13上套有碟形弹簧叠合件10，与凸轴13动配合，碟形弹簧叠合件10之间设有阻尼材料11，碟形弹簧叠合件10外侧包有钢圈12；中心轴桶间14设置阻尼器16，阻尼器16分别通过定位螺栓8与中连接板9和上连接板15相连接，碟形弹簧叠合件10与钢圈12和中心轴桶14间留有空隙；阻尼器16和碟形弹簧叠合件10与上连接板15相连接，凸轴13和中心轴桶14伸入上连接板9，并与上连接板9之间留有空隙，使凸轴13、中心轴桶14与上连接板15之间动配合；上连接板15通过螺栓5固定于上部结构17。
所述碟形弹簧叠合件10的对合个数至少为两个，串连碟形弹簧叠合件10组数至少为两组。
所述阻尼器16可为普通油阻尼器或电流变/磁流变阻尼器，阻尼器16高度大于等于碟形弹簧叠合件10总高度，阻尼器16活塞19应置于阻尼器16中间位置。
所述摩擦涂层7可涂有耐磨树脂或聚四氟乙烯材料。
所述变曲率底座1曲面为两种曲面的结合，中间曲面为大半径圆弧曲面，两侧曲面为椭圆曲面。
所述滑块4为不锈钢半球形，其底面圆弧状凸面密切贴合于摩擦涂层7，圆弧半径与变曲率底座1中心圆弧曲面半径一致。
所述中连接板9与滑块4贴合处曲面为圆弧凹面，圆弧半径同滑块4上表面圆弧半径，滑块4上表面球面密切贴合于中连接板9圆弧凹面。
所述阻尼器16、凸轴13和中心轴桶14与上连接板15空隙应大于等于nh，这里n为碟形弹簧叠合件10串连组数，h为每组碟形弹簧叠合件10之间的距离。
所述钢圈12与上连接板15距离应大于等于nh，这里n为碟形弹簧叠合件10串连组数，h为每组碟形弹簧叠合件10之间的距离。
所述高弹橡胶圈6的厚度应大于变曲率底座1与限位板2间的凹槽宽度。
本发明的工作原理如下所述：当受风荷载作用下，由于滑块4与摩擦涂层7之间的摩擦力使得滑块4不能克服最大静摩擦力而保持静止不动，因而能有效控制上部结构17在风荷载作用下的变形和稳定性；当受小震或中震作用时，滑块4克服最大静摩擦力开始在摩擦涂层7上的中间圆弧曲面滑动，由于圆弧曲面半径较大且结构水平自振周期仅与圆弧曲面曲率半径有关，因此建筑物水平自振周期延长，有效隔离与抑制了水平地面运动，并通过摩擦力耗散了地震能量；同样，在地震作用下，阻尼器16和碟形弹簧叠合件10也随同竖向地面运动压缩和拉伸，延长了建筑物竖向自振周期，有效隔离与抑制了竖向地面运动，并通过碟形弹簧叠合件10间的阻尼材料11以及中心轴桶14间的阻尼器16有效的吸收和耗散了竖向地震能量；当遭遇地震波中的低频成分或者大震时，滑块4滑动位移继续增大，当滑动到椭圆曲面上时，由于椭圆曲面曲率不断变化，致使隔震周期不断改变，且滑块位移越大，隔震周期越长，从而有效远离低频共振区，减小了滑块4的过大位移；但如果滑块4位移过大，超过变曲率底座1的限制范围时，滑块4则与高弹橡胶圈6发生软碰撞保护，有效的防止了隔震装置由于大震或低频激励下变形过大而导致的滚翻失稳现象发生，耗散了地震能量，且防止了硬碰撞对上部结构17的不利影响。
本发明的优点在于，该支座可用于隔离与抑制水平和竖向地震波引起的土木工程结构震动，大幅提高工程抗震能力，适用范围广。其具体优点如下：
1.该支座同时具有三向适宜刚度和阻尼性能，单个支座承载力大，且承载力、刚度和阻尼容易调整。
2.该支座可在上部结构自身重力作用下自行复位，并能有效防止上部建筑物扭转及P-Δ效应。
3.该支座水平和竖向变形能力好，结构简单，使用寿命长，抗磨损，性能稳定，加工制作容易。
附图说明
图1是本发明一种实施例的结构示意图；
图2是本发明图1的A-A剖面图；
图3是本发明图1的B-B剖面图；
图4是本发明图1中变曲率底座1曲面示意图；
图中1、变曲率底座，2、限位板，3、下连接板，4、滑块，5、螺栓，6、高弹橡胶圈，7、摩擦涂层，8、定位螺栓，9、中连接板，10、碟形弹簧叠合件，11、阻尼材料，12、钢圈，13、凸轴，14、中心轴桶，15、上连接板，16、阻尼器，17、上部结构，18、基础，19、活塞。
具体实施方式
按照图1～图4所示本发明的一种变曲率自行复位保护三维减隔震耗能支座的技术方案将市售和设计加工的部件组装为一体，实现该支座。该支座中，各部件之间均采用常规螺栓、螺纹连接方式。
本实施例中，碟形弹簧叠合件10的对合个数为两个，串连碟形弹簧叠合件10组数为两组；阻尼器16为普通油阻尼器，阻尼器16高度大于碟形弹簧叠合件10总高度，活塞19置于阻尼器16中间位置；摩擦涂层7为耐磨聚四氟乙烯材料；阻尼器16、凸轴13和中心轴桶14与上连接板15空隙大于nh；钢圈12与上连接板15距离大于等于nh；高弹橡胶圈6的厚度为两倍的变曲率底座1与限位板2间的凹槽宽度；变曲率底座1圆弧曲面半径R＝1米，两侧椭圆曲面长轴a＝0.3米，b＝0.09米，如图4所示。