一种适应结构隔震抗风的变刚度隔震层刚度控制机构技术领域
本发明涉及结构抗震抗风领域，特别涉及一种适应结构隔震抗风的变刚度隔震层
刚度控制机构。
背景技术
建筑物抵抗地震有两个途径，其一是抗，即增加结构的强度，使结构在预期烈度的
地震作用下，保证结构的安全(如图1、图3)；另一种是放，即在主体结构和基础结构之间设
置水平刚度很小的隔震层，使主体结构与大地在水平方向基本隔离，地震的能量不易传到
主体结构，从而避免主体结构破坏(如图2、图4、图2、图4中隔震层26设置在主体结构27和基
础结构28之间)。对主体结构而言，隔震层的水平刚度越小，上部结构的地震反应越小。也就
是说，对地震作用而言，隔震层的水平刚度越小对上部结构越有利(如图4)。其中，在图3、图
4中，发生地震时地面横向来回运动。
另一方面，结构是要抵抗风荷载的。且结构遭遇强风的概率比遭遇强震的概率要
高得多。对结构抗风来说，设置隔震层是不利的，隔震层的水平刚度越小对上部结构越不利
(如图5、图6)。因此，采用普通隔震层的隔震结构，隔震层的水平刚度是兼顾结构隔震和抗
风两方面而取一个折中值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种适应结构隔震抗风的变
刚度隔震层刚度控制机构。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种适应结构隔震抗风的变刚度隔震层刚度控制机构，包括与上部结构相连的上
法兰盘、与底部基础结构相连的下法兰盘、设置在上法兰盘和下法兰盘中空部之间的销键，
所述销键能在上法兰盘、下法兰盘中空部之间上下移动且销键的高度大于上法兰盘与下法
兰盘之间的间隔距离，以及固定销键不动或者控制销键向下运动的控制装置。这些装置构
成刚度控制机构。刚度控制机构的刚度与隔震支座的刚度并联。
所述的控制装置包括设置在上法兰盘和下法兰盘之间间隔处的用于夹持销键的
弹性支架、卡住弹性支架的首尾端的活动卡件、固定在下法兰盘上的支杆、置于支杆上的钢
球，以及连接钢球与活动卡件的软绳，所述软绳的长度大于活动卡件与钢球的垂直距离，小
于活动卡件与钢球的垂直距离、支杆的高度之和，所述弹性支架与下法兰盘固定连接。其中
的钢球还可以为其他质量较大、其他形状的物体，选择钢球的原因是因为钢的密度较大，在
同等质量的情况下其体积较小，置于支杆上状态较稳定，同时钢材比较普遍，价格较低，选
择球状是因为球状体对水平的扰动更敏感，在发生地震时能从支杆上滚落下来，完成预设
动作；活动卡件卡住弹性支架后，弹性支架夹持住销键，对销键形成有效的支撑，此时上法
兰盘、下法兰盘之间的中空部均有销键，上法兰盘、下法兰盘之间的相对水平位移被限制，
二者之间的水平刚度非常大，有利于抵抗强风，适用于地震未发生的状态；当地震发生时，
由于支杆仅向钢球提供竖向支承作用，在地震的作用下，钢球失稳从支杆上跌落，带动活动
卡件从弹性支架的首尾端脱落，弹性支架失去对销键的夹持，销键失去支撑则下落至下法
兰盘，上法兰盘中空部此时没有销键，上法兰盘、下法兰盘之间的相对水平位移则不再被限
制，二者之间的水平刚度变小，有利于防震，地震的能量不易传到主体结构，从而避免主体
结构破坏。
所述的支杆顶部设置一个与钢球大小相适应的浅槽。钢球置于浅槽中，能有效避
免非地震的轻微水平扰动所导致的误判，同时槽较浅，又不会在地震真正发生时，钢球不从
支杆上滚落下来，不完成预设动作。
所述的弹性支架为对称曲线形，在活动卡件将其卡住时能将销键固定在上、下法
兰盘之间；当活动卡件与其脱离时能自动张开，失去固定销键的作用。弹性支架的设置为对
称曲线形，其目的是使夹持销键的效果更好，同时活动卡件与弹性支架脱离时释放销键更
方便。
所述的控制装置包括下法兰盘开有的K个横向小孔、置于K个小孔中的K个限位滑
杆、在下法兰盘的外侧K个横向小孔的出口处设置内侧带有条形槽的限位环、与限位环底部
连接的M个电磁铁、包裹电磁铁下部的电磁铁线圈、与电磁铁线圈相连的电路，以及压在电
路常开开关上的球，其中K≥2，M≥K。其中限位小孔中的限位滑杆在限位环的约束下不能向
外侧移动，从而形成对销键的有效支承，而使上法兰盘、下法兰盘之间的中空部同时存在销
键，同时销键的重力作用使得限位滑杆有向外移动的趋势及作用力，该作用力阻止带有条
形槽的限位环下滑，此时上法兰盘、下法兰盘之间的相对位移被限制，二者之间的水平刚度
非常大，有利于抗风；在地震发生时，地面的振动、摇摆使压在电力常开开关上的钢球滚落，
常开开关导通，电路工作，电磁铁线圈通电，电磁铁铁芯受到向下的电磁力，在电磁铁铁芯
重力和电磁力的共同作用下，电磁铁铁芯带着与之连接的限位环向下运动，限位环被拉下
后，限位滑杆失去限位环的约束并在销键的重力作用下向外滑动，进而销键因失去限位滑
杆的支承作用而落入下法兰盘的中空部，此时上法兰盘中空部此时没有销键，上法兰盘、下
法兰盘之间的相对水平位移则不再被限制，二者之间的水平刚度变小，有利于防震，地震的
能量不易传到主体结构，从而避免主体结构破坏。
所述的电路，还串联一个常闭开关，常闭开关位于销键的正下方。当销键下落后，
常闭开关在销键的重力作用下断开，电磁铁线圈的电源被切断二停止工作，避免了电能的
浪费。
所述的控制装置包括销键中间设置的内孔、穿过内孔且内侧带有螺纹的支承销键
装置、与内侧螺纹相适应的丝杆、与丝杆相连接的步进电机、控制步进电机工作的计算机，
以及与计算机相连的加速度传感器，还包括限制销键相对于下法兰盘自由旋转的装置、限
制支承销键装置在内孔中自由旋转的装置。在正常情况下，丝杆旋接于销键纵向开的内侧
带螺纹的小孔，此时上法兰盘、下法兰盘之间的中空部同时存在销键，上法兰盘、下法兰盘
之间的相对位移被限制，二者之间的水平刚度非常大，有利于抗风；当地震发生时，地面振
动信息被加速度传感器捕捉，并传输至计算机，当加速度值达到一定的值以后，计算机发出
指令，步进电机工作，步进电机带动丝杆回缩，直至完全脱离销键，销键失去支承而下落至
下法兰盘的中空部，此时上法兰盘中空部此时没有销键，上法兰盘、下法兰盘之间的相对水
平位移则不再被限制，二者之间的水平刚度变小，有利于防震，地震的能量不易传到主体结
构，从而避免主体结构破坏。
所述的步进电机，设置在丝杆的正下方，所述的销键下部设置有与步进电机大小
相对应的凹槽。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
A、对隔离地震的作用而言，隔震层水平刚度越小，其隔震效果越好。但设置隔震层
对于抗风而言是不利的。故对抗风而言，隔震支座水平刚度越大越好。传统隔震结构的隔震
层既要兼顾隔震效果，又要兼顾抗风效果，故其水平刚度既不能太大，也不能太小。这样，传
统隔震结构在地震作用下结构性能虽优于普通结构，但在风荷载的作用下，其结构性能反
而不如普通结构。本发明的变刚度隔震层在风荷载作用下，隔震支座不起隔震作用，结构性
能与普通结构相同；而在水平地震作用下，隔震支座起着隔震作用，结构的性能等同于隔震
结构。另外，因在风荷载作用下隔震层不起作用，故可将隔震支座的水平刚度设计得尽可能
小，以尽可能减小结构的地震反应。这样，本发明的变刚度隔震层既可以在在地震作用下尽
可能地隔离水平地震的作用，又可保证不影响结果承受风荷载的性能。
B、传统隔震结构用增加隔震支座阻尼的方法来减小结构在风荷载下的反应，以弥
补隔震支座对结构抗风的不利影响。但隔震支座的阻尼会影响隔震效果，阻尼越大，隔震效
果越差。增加隔震支座的阻尼不仅增加隔震支座的造价，而且会影响隔震效果。本发明的变
刚度隔震支座在风荷载作用下等价于普通结构，不需要特意增大其阻尼来改善结构的抗风
性能。
C、为使隔震支座有一定的阻尼，传统的隔震层一般采用橡胶支座。由于橡胶的强
度不高，故支座尺寸较大。橡胶还存在老化问题，必须考虑支座的维修、替换。本发明的变刚
度隔震支座不需要隔震层提供阻尼，既可以是传统的橡胶隔震支座，也可以高强度金属材
料制造的、用机械运动的方式形成位移的隔震支座。由于金属材料的强度高，故支座的尺寸
相对于橡胶支座可小很多。采用不锈钢、耐候钢、表面镀锌处理的高强钢等金属材料制造的
隔震支座可保持长期性能不变，一般可不必虑支座的维修、替换。
附图说明
图1为现有技术中一般墙体的结构示意图；
图2为现有技术中设有隔震装置的墙体结构示意图；
图3为图1所述墙体在地震作用下的变形示意图；
图4为图2所述墙体在地震作用下的变形示意图；
图5为图1所述墙体在风荷载下的变形示意图；
图6为图2所述墙体在风荷载下的变形示意图；
图7为含有本发明所述的一种适应结构隔震抗风的变刚度隔震层刚度控制机构的
结构示意图；
图8为图7所述刚度控制机构在风荷载作用下的变形示意图；
图9为图7所述刚度控制机构在地震作用下的变形示意图；
图10为本发明所述的一种适应结构隔震抗风的变刚度隔震层刚度控制机构在销
键处于工作状态的示意图；
图11为图10所述刚度控制机构的A-A面示意图；
图12为图10所述刚度控制机构在销键处于非工作状态下的示意图；
图13为图12所述刚度控制机构的C-C面示意图；
图14为本发明所述的一种适应结构隔震抗风的变刚度隔震层的刚度控制机构在
销键处于工作状态的示意图；
图15为图14所述刚度控制机构的E-E面示意图；
图16为图14所述刚度控制机构的局部放大图；
图17为本发明所述的一种适应结构隔震抗风的变刚度隔震层刚度控制机构在销
键处于非工作状态的示意图；
图18为本发明所述的一种适应结构隔震抗风的变刚度隔震层刚度控制机构在销
键处于工作状态的示意图；
图19为图18所述刚度控制机构的L-L面示意图；
图20为本发明所述的一种适应结构隔震抗风的变刚度隔震层刚度控制机构在销
键处于非工作状态的示意图；
其中，图3～图9中，De为地面位移，Db为结构底部绝对位移，Dg为隔震支座位移，
Dda为结构顶部绝对位移，Ddf为结构顶部相对位移。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限
于此。
实施例1
如图7～13，一种适应结构隔震抗风的变刚度隔震层刚度控制机构，包括与上部结
构相连的上法兰盘1、与底部基础结构相连的下法兰盘2、设置在上法兰盘1和下法兰盘2中
空部之间的销键3，所述销键3能在上法兰盘1、下法兰盘2中空部之间上下移动且销键3的高
度大于上法兰盘1与下法兰盘2之间的间隔距离，以及固定销键3不动或者控制销键3向下运
动的控制装置；
其中所述的控制装置包括设置在上法兰盘1和下法兰盘2之间间隔处的用于夹持
销键的弹性支架4、卡住弹性支架4的首尾端的活动卡件5、固定在下法兰盘2上的支杆6、置
于支杆6上的钢球7，以及连接钢球7与活动卡件5的软绳8，所述软绳8的长度大于活动卡件5
与钢球7的垂直距离，小于活动卡件5与钢球7的垂直距离、支杆6的高度之和，所述弹性支架
4与上法兰盘1或下法兰盘2固定连接；
所述的支杆6顶部设置一个与钢球大小相适应的浅槽；
所述的弹性支架4为对称曲线形。
图7中隔震层26、刚度控制机构29均设置在主体结构27和基础结构28之间
图8中，销键处于工作状态，刚度控制机构29的刚度非常大，抗风能力强；图9中，销
键处于非工作状态，刚度控制机构29的刚度接近零，能有效隔离地震作用。
实施例2
如图14～17，本实施例除以下部分与实施例1不同外，其余部分与实施例1均相同。
所述的控制装置包括下法兰盘2开有的3个横向小孔9、置于3个小孔中的3个限位
滑杆10、在下法兰盘2的外侧3个横向小孔9的出口处设置内侧带有条形槽的限位环11、与限
位环11底部连接的3个电磁铁17、包裹电磁铁17下部的电磁铁线圈18、与电磁铁线圈18相连
的电路，以及压在电路常开开关12上的球13；
所述的电路，还串联一个常闭开关14，常闭开关14位于销键3的正下方。
实施例3
如图18～20，本实施例除以下部分与实施例1不同外，其余部分与实施例1均相同。
控制装置包括销键中间设置的内孔19、穿过内孔19且内侧带有螺纹20的支承销键
装置21、与内侧螺纹相适应的丝杆22、与丝杆22相连接的步进电机23、控制步进电机23工作
的计算机，以及与计算机相连的加速度传感器，并设有限制销键3相对于下法兰盘2自由旋
转的装置；
所述的限制销键3相对于下法兰盘自由旋转的装置为上法兰盘、下法兰盘中空部
内侧设置的1个以上的纵向凸起物24，销键对应位置设置与凸起物24大小相适应的凹槽25
或者直接将销键3的横截面设置为非圆形，容纳销键3的中空部设置为与销键3相适应的非
圆形，同样可以达到限制销键3相对于下法兰盘自由旋转的目的；同时支承销键装置21与销
键3之间设置有限制支承销键装置21在销键3内孔19自由旋转的装置；限制销键相对于下法
兰盘自由旋转的装置、限制支承销键装置在内孔中自由旋转的装置可以一样，也可以不一
样；
所述的步进电机23，设置在丝杆22的正下方，所述的销键3下部设置有与步进电机
23大小相对应的凹槽，该凹槽也属于销键中间设置的内孔的一部分。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的
限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，
均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。