一种能预设竖向早期刚度的三维隔震装置技术领域
本发明涉及一种建筑防振动(或震动)装置，具体涉及一种由夹层钢板橡胶垫与竖
向隔震支座串联的三维隔震装置。
背景技术
隔震装置是设在建筑与基础之间的防震隔离装置。早期的隔震装置主要是由橡胶
与薄钢板交替叠合构成的二维隔震支座(叠层橡胶隔震支座)，只能隔离地震波的水平分
量。随着人们对地震多维特性认识的提高，三维隔震装置逐渐受到本领域研究者的重视。最
常见的三维隔震装置就是由叠层橡胶隔震支座与既有的竖向隔震支座串联而成。
公开号为CN 102409777 A的发明专利申请公开了一种结构三维隔震和抗倾覆装
置，该装置的主体机构由叠层橡胶隔震支座14与弹簧隔震支座15串联构成，所述主体结构
的上、下侧分别设置有上连接板1和下连接板18，其特征在于：所述上连接板1和下连接板18
之间设置有绕主体结构四周错位均布的抗拉钢丝绳16，所述抗拉钢丝绳16沿水平方向的极
限变形量大于主体机构的水平剪切弹性变形量。该专利申请所述方案虽然可提高三维隔震
装置的抗拉强度,以抵御地震中高层建筑物的摇摆甚至倾覆所产生的巨大拉力，但仍然存
在以下的不足：1、所述的弹簧隔震支座只能压缩耗能减震，不能拉伸耗能减震；2、所述的弹
簧隔震支座不能预设早期刚度，不便于预设地震烈度降低隔震成本。
公开号为CN1932324A的发明专利申请公开了一种“可调节碟形弹簧机械式减震阻
尼器”，该阻尼器包括外壳、设在外壳内的载荷连接杆和两组碟形弹簧，所述，所述载荷连接
杆的中部设有与之固连的调节齿轮，所述调节齿轮两侧的载荷连接杆上分别设有与载荷连
接杆螺纹配合的左旋螺母和右旋螺母，所述两组碟形弹簧分别设在所述左旋螺母和右旋螺
母的外侧，并分别被夹持在所述左旋螺母或右旋螺母与外壳端部的封板之间。只需拨转载
荷连接杆上的调节齿轮，使所述左旋螺母和右旋螺母相互靠拢或远离即可调节两组碟形弹
簧的预紧力从而调节阻尼器的阻尼系数，以满足不同频率和不同振幅的使用需求。然而该
发明仍具有如下不足：1、所述载荷连接杆是在两组碟形弹簧的共同作用下保持平衡的，两
组碟形弹簧的预紧力虽然能够调节，但是无论如何调节，两组碟形弹簧对载荷连接杆的作
用力都是一组大小相等，方向相反的力，只需在载荷连接杆上施加任何外力都会破坏这种
平衡，使两组碟形弹簧发生变形，所以所述的阻尼器无法预设早期刚度；2、该发明中必须配
合使用两组碟形弹簧，才能在阻尼器受到压或拉荷载时都提供阻尼，这不仅造成了一定的
浪费，还使得阻尼器的长度大大的增加。
公开号为CN101457553A的发明专利申请公开了一种“弹簧刚度可调式调谐质量减
振器”，该减振器是一种复合阻尼器，通过改变质量块的厚度改变其特征频率，通过改变粘
滞阻尼器的工作介质的流量改变其阻尼比，通过改变弹簧的有效工作长度改变其刚度，其
中改变弹簧的有效工作长度的手段有三种，一是采用固化材料将弹簧位于固化筒内的一段
固化，二是往螺旋弹簧的中心内塞入约束块，并二者过盈配合，使与约束块接触的一段弹簧
失效，三是在约束块表面设置螺旋状凸起，将螺旋状凸起卡在弹簧丝之间，使弹簧丝之间卡
有螺旋状凸起的一段弹簧失效。由此可见，该专利申请方案中的弹簧虽然可改变刚度，但所
述的弹簧不仅有效工作长度明显缩短，而且只能压缩耗能减振，不能拉伸耗能减振。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能预设竖向早期刚度的三维隔震装置，该
三维隔震装置不仅既可压缩耗能减振，又可拉伸耗能减振，而且还保持了竖向隔震支座中
碟形弹簧组的有效工作长度。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种能预设竖向早期刚度的三维隔震装置，该三维隔震装置包括上下依次串接的
叠层橡胶隔震支座和竖向隔震支座；其中，
所述的叠层橡胶隔震支座包括上连接板、下连接板、夹持在上下连接板之间的叠
层橡胶垫和至少三根均布在叠层橡胶垫四周的抗拉钢索；所述抗拉钢索的一头固定在上连
接板上，另一头固定在下连接板上，且上下两固定点的连线平行于所述叠层橡胶垫的中轴
线；
所述的竖向隔震支座包括两块上下两块端板，所述的两块端板之间设有碟形弹簧
组，其中一块端板上固定设有导向杆，该导向杆沿所述碟形弹簧组的中心孔穿出另一端板；
所述的碟形弹簧组由一组碟形弹簧叠合组成；所述的叠层橡胶隔震支座的下连接板与所述
竖向隔震支座的上端板固定连接；其特征在于，
所述的两块端板之间还设有反压装置，该反压装置包括数量分别至少为三根的两
组预压钢索和两块浮动压板，其中，
所述的两块浮动压板分别套设在一块端板与碟形弹簧组之间的导向杆上；
所述的两组预压钢索分别绕导向杆的轴线以直线状态对称分布于所述碟形弹簧
组的四周，且，每一组预压钢索的一头分别固定在一块浮动压板上，另一头分别穿过另一块
浮动压板固定在与该浮动压板相邻的端板上；
所述的浮动压板上在穿过所述预压钢索的位置分别设有穿设该预压钢索的通孔，
该通孔的孔径大于所穿设的预压钢索的直径；
张紧两组预压钢索，使两块浮动压板之间的距离等于将碟形弹簧组压缩至预设竖
向早期刚度的长度；
将所述抗拉钢索张紧，为叠层橡胶垫提供等于设计静载荷的预压力。
上述方案中，所述的抗拉钢索和预压钢索可以是钢丝绳，也可以是预应力钢铰线。
上述三维隔震装置竖向隔震的工作原理如下：当竖向动载荷沿导向杆的轴线相对
作用时，压力经由叠层橡胶隔震支座传递到上端板，使上下两块端板先对移动压缩碟形弹
簧组；当动载荷沿导向杆的轴线相背作用时，拉力经由抗拉钢索传递到上端板，上下两块端
板相背移动，并通过两组预压钢索分别牵拉两块浮动压板相对移动压缩碟形弹簧组。由此
可见，轴向动载荷无论相对还是相背作用在三维隔震装置上，都能压缩碟形弹簧组，使其发
生弹性变形而耗能。
由上述工作原理可见，工作过程中所述的预压钢索与所述浮动压板上的通孔的孔
壁不能产生摩擦，否则就会干扰浮动压板的上下移动，因此所述通孔直径比所述预压钢索
的直径大多少，应以不干扰和影响浮动压板的上下移动为宜。
本发明所述的能预设竖向早期刚度的三维隔震装置，其中所述的预压钢索两头可
采用常规的方法锚固，也可采用类似于吊环螺钉或由钢筋弯曲的U形构件系接固定，因此，
如果将所述的预压钢索的两头都采用锚固或吊环螺钉系接固定死，那么要达到预设竖向早
期刚度的目的，就必须预先计算并严格控制所述预压钢索的长度才能预设的张力，进而达
到预设竖向早期刚度的目的。但是，在实际生产调试过程中，要采用控制所述预压钢索长度
的方法达到预设竖向早期刚度的目的则存在下述两大难题，一是锚固或系接的过程会产生
误差，二是即使控制了锚固或系接的过程所产生误差，但预压钢索在切断、放置过程中还会
导致其特性参数的变化。为了解决上述技术难题，本发明的一个改进方案是：
所述竖向隔震支座的两组预压钢索的另一头分别由钢索自锁锚具固定在相应的
端板上；所述的钢索自锁锚具由安装孔、夹爪和防松螺栓构成，其中，
所述的安装孔设在与浮动压板相邻的端板上；所述的安装孔由一段锥孔和一段螺
纹孔组成，其中所述锥孔位于靠近浮动压板的一侧，且尖头指向浮动压板，所述螺纹孔位于
远离浮动压板的一侧；
所述的夹爪为与所述锥孔相匹配圆锥形，并由3～5瓣组成，其体内沿轴线设有夹
持预压钢索的装夹孔；
所述的防松螺栓与所述螺纹孔相匹配，且体内沿轴线设有直径大于所述预压钢索
直径的圆孔；
所述的夹爪安装在所述锥孔内，防松螺栓安装在所述螺纹孔内。
由上述改进方案可见，将所述两组预压钢索的一头分别固定在所述的浮动压板
上，另一头分别由所述的钢索自锁锚具的装夹孔和圆孔中穿出，这样即可把露出的绳头系
接在牵引张拉机上，在牵引张拉的同时监测两块浮动压板之间的距离；当两块浮动压板之
间的距离等于将碟形弹簧组压缩至满足竖向早期刚度的长度时，拧动防松螺栓即可推动所
述夹爪将预压钢索夹紧并锁死，即使在振动过程中两组预压钢索反复张紧、松驰的情况下
也不会松动。
本发明的能预设竖向早期刚度的三维隔震装置较现有技术具有以下效果：
(1)在竖直方向上，即可压缩耗能减震，又可拉伸耗能减震；能有效的耗减高层建
筑物由于摇摆而对建筑基础产生的巨大拉力；且只需一组碟形弹簧，竖向长度小，稳定性
好。
(2)当竖向动载荷大于预设的竖向早期刚度的抵御能力后，本发明中竖向隔震支
座的双向弹性变形对称，因此不因竖向载荷的正负方向的变化而影响其压缩变形耗能的效
果；
(3)只要改变两组预压钢索的长度即可改变整个装置的竖向早期刚度，外力在克
服该竖向早期刚度之前无法使隔震装置产生竖向变形，有效的抑制了建筑物在小地震和弱
风振的作用下产生晃动，可预设建筑物的抗风防震等级，显著降低抗风防震成本；
(4)预设早期刚度过程中，所述碟形弹簧组的有效工作长度不变，不会改变碟形弹
簧组原有的特性参数。
(5)可有效缓冲建筑的物摇晃趋势对建筑物基础产生的拉伸和压缩冲击，进一步
降低建筑物倾覆的风险。
附图说明
图1～6为本发明所述三维隔振装置的一个具体实施例的结构示意图，其中，图1为
主视图(剖视)，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C-C剖视图，图5为图1
中局部Ⅰ的放大图，图6为图2中局部Ⅱ的放大图。
图7～9为本发明所述三维隔震装置的第二个具体实施例的结构示意图，其中，图7
为主视图(剖视)，图8为图7的D-D剖视图，图9为图7的E-E剖视图。
图10～12为图7～9所示实施例中钢索自锁锚具的结构示意图，其中，图10为主视
图(剖视图，图中双点划线示意预压钢索)，图11为俯视图，图12为图10的F-F剖视图。
图13～15为本发明所述三维隔振装置的第三个具体实施例的结构示意图，其中，
图13为主视图(剖视)，图14为图13的G-G剖视图，图15为图13的H-H剖视图。
具体实施方式
例1
参见图1，本例中的三维隔震装置由上下串联的叠层橡胶隔震支座和竖向隔震支
座组成。
参见图1和图4，所述的叠层橡胶隔震支座包括上连接板14、下连接板15、夹持在上
下连接板之间的叠层橡胶垫17和六根抗拉钢索16；其中，所述的上连接板14和下连接板15
均呈圆盘状，上连接板14的边缘设有安装孔13；所述叠层橡胶垫17的主体由一层橡胶17-1
与一层钢板17-2交替叠合后模压硫化构成，且在模压硫化的过程中其周边自然形成橡胶保
护层17-3。所述叠层橡胶垫17主体的上下两端面均设有与至硫化连接在一起的联结钢板
17-4，所述两块联结钢板17-4分别与上连接板14和下连接板15通过螺钉固定连接在一起。
所述的六根抗拉钢索16绕叠层橡胶垫17的中轴线对称分布在其四周，每一根抗拉钢索16的
一头由吊环螺钉12固定在上连接板14上，另一头由吊环螺钉12固定在下连接板15上。每一
根抗拉钢索16张紧，使六根抗拉钢索16的张力之和等于本例所述三维隔振装置竖向的设计
静载荷，且张紧后，每一根抗拉钢索16均平行于叠层橡胶垫17的中轴线。
参见图1～6，所述竖向隔震支座包括包括上端板2和下端板3，上下端板之间设有
碟形弹簧组4；其中，下端板3呈圆盘状，其边缘设有安装孔13，上表面的中部固定设有一垂
直向上延伸的导向杆1；所述上端板2的中部向下凹陷呈脸盆状；所述导向杆1沿碟形弹簧组
4的中心孔穿出上端板2向下凹陷的中部。所述的碟形弹簧组4由十二块碟形弹簧叠合组成；
所述上端板2与所述导向杆1动配合；所述叠层橡胶隔震支座的下连接板15与所述上端板2
的边缘通过螺钉固定连接，并在所述下连接板15的下表面和上端板2向下凹陷的中部的上
表面之间形成供所述导向杆1的上端伸缩的活动空间11。
参见图1～6，所述上端板2和下端板3之间设有反压装置，该反压装置包括两组预
压钢索和两块浮动压板；其中，所述的两组预压钢索为由五根预压钢索组成的第一组预压
钢索8和由三根预压钢索组成的第二组预压钢索7；所述的两块浮动压板为套设在所述下端
板3与碟形弹簧组4之间的导向杆上的第一浮动压板6和套设在上端板2与碟形弹簧组4之间
的导向杆上的第二浮动压板5。
参见图1～6，所述两组预压钢索分别以直线状态绕导向杆1轴线对称分布在所述
碟形弹簧组4的四周，每一根预压钢索均平行于导向杆1轴线，且第一组预压钢索8距导向杆
轴线的距离等于第二组预压钢索7距导向杆轴线的距离；其中，所述第一组预压钢索8的上
头分别由吊环螺钉12固定在第二浮动压板5上，下头分别穿过第一浮动压板6由吊环螺钉12
固定在所述下端板3上；所述第二组预压钢索7的下头分别由吊环螺钉12固定在第一浮动压
板6上，上头穿过第二浮动压板5由吊环螺钉12固定在上端板2上；所述第一浮动压板6上在
每一根第一组预压钢索8穿过的位置设有供其穿越的第一通孔10，该第一通孔10的孔径大
于所述第一组预压钢索8的直径；所述第二浮动压板5上在每一根第二组预压钢索7穿过的
位置设有供其穿越的第二通孔9，该第二通孔9的孔径大于所述第二组预压钢索7的直径；所
述的预压钢索的两头由吊环螺钉固定在相应构件上的方法为：将吊环螺钉12固定在相应的
构件上，然后将预压钢索的一头系接在吊环螺钉的吊环上，并由钢丝绳夹(图中未画出)固
定死。
本例中的所述的抗拉钢索和预压钢索可以是钢丝绳，也可以是预应力钢铰线，具
体实施时，可根据实际需要自行选取。
参见图1～3，为了实现可预设竖向早期刚度的目的，上述三维隔震装置安装方法
如下：(1)按图1～6将本例所述隔震装置中除所述两组预压钢索以外的其他构件全部组装
好；(2)对步骤(1)所得部件的两头施加压力，使所述碟形弹簧组4压缩至满足竖向早期刚度
的长度(此长度可根据碟形弹簧组4的特性参数以及需预设的早期刚度计算得到)；(3)用常
见的钢丝绳夹(图中没显示)将每一根预压钢索的两头系接到对应的吊环螺钉12上，使每一
根预压钢索张紧，然后撤消步骤(2)中所施加的压力，所述两组预压钢索就会将所述碟形弹
簧组4始终夹持在第一浮动压板6与第二浮动压板5之间。
预设竖向早期刚度时，两组预压钢索的张力之和需大于等于所述三维隔震装置所
承受的竖向静载荷。
在理想的条件下，地震的竖向波通过隔震装置向建筑传递时建筑物应该不会发生
位移。基于此，本例三维隔震装置竖向隔震的工作原理如下：参见图1，当地震的竖向波所产
生的动载荷克服了所述竖向早期刚度时，如果该动载荷沿导向杆1的轴线上推下端板3，上
端板2的反作用力便向下压缩碟形弹簧组4，下端板3随地面上移而建筑物不动；如果该动载
荷沿导向杆1的轴线下拉下端板3，所述两组预压钢索分别牵拉两块浮动压板相对移动压缩
碟形弹簧组4，而下端板3则远离上端板2随地面下移，此时建筑物仍然不动。由此可见，当地
震纵波使地面发生上下振动时均可压缩碟形弹簧组产生弹性变形而耗能。同理，建筑物在
风振或水平地震波的作用下摇晃时，无论对其对所述三维隔震装置产生的动载荷是拉力还
是压力均可压缩碟形弹簧组产生弹性变形而耗能。
例2
本例与例1具有如下区别：
参见图7～9，所述第一组预压钢索8和第二组预压钢索7均由三根预压钢索组成。
参见图7～9，所述的第一组预压钢索8的下头和第二组预压钢索7的上头分别采用
钢索自锁锚具18替代例1中的吊环螺钉固定在所述下端板3和上端板2上。所述的下端板3的
中部增厚并向上隆起呈倒置的脸盆状，以便于安装钢索自锁锚具18。为防止灰尘与其它杂
物落到碟形弹簧组4上而影响阻尼器的正常工作，在反压装置外侧包裹一层橡胶的保护套
19，该保护套19的两头分别与第一浮动压板6和第二浮动压板5的外周面粘接在一起。所述
护套19的长度大于上端板2上表面与下端板3下表面之间的距离，以免影响阻尼器的工作。
参见图10～12，并结合图7，所述的钢索自锁锚具18由设置在安装板18-1上的安装
孔、夹爪18-2和防松螺栓18-4构成，其中，所述安装板18-1即为下端板3或上端板2。所述的
安装孔的轴线与相应的预压钢索所在的直线共线；所述的安装孔由一段锥孔和一螺纹孔组
成，其中所述锥孔位于靠浮动压板的一侧，且尖头指向所述浮动压板，螺纹孔位于远离浮动
压板的另一侧。所述的夹爪18-2为与所述锥孔相匹配圆锥形，并由3瓣组成，其体内沿轴线
设有夹持相应预压钢索的装夹孔18-3。所述的防松螺栓18-4与所述螺纹孔相匹配，且体内
沿轴线设有直径大于相应预压钢索直径的圆孔18-5。所述的夹爪18-2安装在所述锥孔内，
防松螺栓18-4安装在所述螺纹孔内；相应的预压钢索的另一头被夹持在所述的装夹孔18-3
内，且末端自对应防松螺栓18-4的圆孔18-5穿出。
按本例的方案制作组装好所述竖向隔震支座后，把露出的第一组预压钢索8和第
二组预压钢索7的绳头系接在牵引张拉机上，在牵引张拉的同时监测两块浮动压板之间的
距离；当两块浮动压板之间的距离等于将碟形弹簧组4压缩至满足竖向早期刚度的长度时，
拧动防松螺栓18-4即可推动所述夹爪18-2将预压钢索夹紧并锁死，从而将碟形弹簧组4始
终夹持在第一浮动压板6与第二浮动压板5之间；此后装上所述叠层橡胶隔震支座，即得本
例所述的三维隔震装置。
本例上述以外的实施方法与例1相同。
例3
参见图13～15，本例与例2的区别在于所述第一组预压钢索8和第二组预压钢索7
均由五根预压钢索组成。所述的导向杆1的上端与所述上端板2的下表面的中部固定连接成
一体，下端向下沿着碟形弹簧组4的中心孔延伸至穿出下端板3向上隆起的中部；所述下端
板3与导向杆1的外表面动配合。在所述下端板3隆起的中部的下表面的下端板3边缘的下表
面之间形成供所述导向杆1下端伸缩的活动空间11。
本例上述以外的其它实施方式与例2相同。