CN101086189A - 摩擦－弹簧三维复合隔震支座 - Google Patents

Abstract

摩擦－弹簧三维复合隔震支座属隔震减震控制领域。现有的三维复合隔震支座要将其应用于大跨网格屋盖结构存在以下问题：(1)水平隔震支座与竖向隔震装置串连，支座的高度大，缺乏稳定性；(2)在地震作用下结构的水平位移较大；(3)缺乏竖向抗拔能力，支座转动能力不足。本发明的复合隔震支座主要包括水平隔震装置、竖向隔震装置两大部分，支座总体外形呈圆柱状。支座水平向采用平板滑移隔震装置，使支座高度得以降低，稳定性得到了有效保证，同时水平向还设置了复位和限位装置，使支座具有自复位和限位功能。竖向采用弹簧隔震，通过构造设计具有合理的转动能力。此外，本发明的支座整体具有抗拔性。

Description

摩擦-弹簧三维复合隔震支座

技术领域

本发明涉及一种具有水平、竖向三维复合隔震功能的支座，属建筑结构隔震减震控制领域。

背景技术

支座隔震系被动控制技术，是通过在上部结构与下部支承体系间设置隔震装置来减少上部结构的地震响应，其主要机理是使设计结构的基本周期或前几阶周期与地震作用的卓越周期错开，从而避开结构与地震作用卓越周期相接近部分的结构振动，同时减小地震动对结构的能量输入，从而降低结构的地震响应。

随着我国社会经济的快速发展，空间网格结构已广泛应用于体育馆、展览馆、会展中心、航站楼及工业厂房等建筑中。空间网格结构的跨度一般较大，结构的地震作用呈多向随机性，有些结构如网架屋盖维修机库等，水平地震作用与竖向地震作用下的响应均较强烈，适用于此类建筑的隔震支座应具有三维复合隔震功能。

具有三维复合隔震功能的支座应具备以下特点：(1)满足水平隔震要求，耗能能力好和合理的初始刚度；(2)水平自复位能力强；(3)具有一定的竖向隔震作用，由于大跨结构的空间整体性好，从现有的震害情况看，在强震作用下，空间网格屋盖结构的大多数杆件仍处于弹性工作状态，因此只要合理控制支座的竖向刚度，适当减小结构的竖向地震输入即可避免震害；(4)支座竖向刚度要适中，一方面要求具有合理的初始刚度，以满足支座竖向承载要求，同时保证结构风振和小震时不产生振动；(5)有足够的竖向抗拔和转动能力；(6)支座的高度不宜过大。

从大跨网格结构的隔震支座的研究与使用情况看，以叠层橡胶材料隔震居多。叠层橡胶支座虽然可通过延长结构的自振周期，但由于其自身的物理特性，导致存在以下缺陷：只能隔离水平地震作用，无法实现多维隔震；自身阻尼较小，致使结构在地震作用下会出现较大的水平位移；竖向抗拔能力较差；震后的自复位能力不足。上述问题的存在，使隔震技术在大跨结构中的应用受到了一定的约束。

随着形状记忆合金(SMA)在土木工程中应用研究的深入，针对上述不足，国内外学者利用形状记忆合金的形状记忆效应、超弹性和高阻尼特性，开发出了一批具有自复位功能的被动控制和半主动控制的复合支座，并对其性能进行了理论分析和试验研究。大跨空间结构的隔震研究在水平隔震方面取得了大量的成果，有些隔震***已应用于实际工程，并取得了良好的效果，但能满足三维复合隔震要求的装置相对匮乏。

目前三维复合隔震的研究多是针对多层结构，所采取的技术措施为水平隔震利用叠层橡胶，竖向则采用与阻尼器并联或利用液压***隔震。上述***在多层结构中具有可行性，但要将其应用于大跨网格屋盖结构存在以下问题：(1)水平隔震支座与竖向隔震装置串连，使支座的高度大大增加，在支座偏心附加弯矩的作用下，支座的稳定性难以得到足够的保证；(2)水平隔震采用橡胶支座，由于水平阻尼较小，在地震作用下结构的水平位移较大；(3)缺乏竖向抗拔能力，支座转动能力不足。

发明内容

本发明为空间网格结构的复合隔震提供一种三维隔震支座。

本发明的技术方案见附图1，复合隔震支座主要包括水平隔震装置、竖向隔震装置两大部分，支座总体外形呈圆柱状。

其特征在于，包括水平隔震装置、竖向隔震装置两大部分，支座总体外形呈圆柱状；

水平隔震装置位于支座的上部，包括水平承托构件、复位弹簧、滑移层、水平抗拔构件和限位构件；水平承托构件由从上到下依次由上连接板1、圆形短柱2和底封板3构成，且它们的形心相互重合；水平承托构件位于外护筒5的内部，外护筒5为圆管，外护筒5轴线与水平承托构件的竖向轴线重合；水平复位弹簧4位于圆形短柱2与外护筒5间，沿圆形短柱2的径向辐射布置；水平复位弹簧4的一端与外护筒5的内壁连接，另一端与圆形短柱2的外壁固定；

滑移层设在底封板3的下部，自上而下依次包括滑移面6、圆形碟片7和衔接水平与竖向隔震装置的竖向弹簧承压板8；滑移片6复合在封底板3的下表面；圆形碟片7固定在竖向弹簧承压板8的上表面；水平抗拔构件由限位板9和限位挡板10构成，限位板9为一环形板，限位板9的内环固定于圆形短柱2的外壁；限位挡板10均匀对称布置在外护筒5的顶端，与外护筒5筒壁固定；水平限位构件11为一环形钢圈，固定于竖向弹簧承压板8的上表面，并在水平限位构件11内壁敷设缓冲垫12；

竖向隔震装置位于支座的下部，包括导向筒、隔震弹簧及弹簧预压限位器；导向筒由共心的滑筒13插接在导筒14共同构成，滑筒13的筒壁竖剖面呈T形，其上端固定在竖向弹簧承压板8的下表面，导筒14的筒壁竖剖面呈U形，下端固定在底部连接板15的上表面，并在导筒14底部设置竖向承压垫16；隔震弹簧17均匀对称地安装在导向筒内，隔震弹簧17上部与竖向弹簧承压板8的下表面连接，下端与底部连接板15的上表面固定；弹簧预压限位器18位于竖向弹簧承压板8的上部，插接于外护筒5筒壁的预留孔内，预留孔在外护筒5筒壁上均匀开设；

竖向弹簧承压板8与护筒5内壁间预留间隙。

本发明的支座水平向采用平板滑移隔震装置，其竖向高度得以降低，从而使支座的总体高度减小，因此支座的稳定性得到了有效保证。为了克服现有支座水平滑动位移较大和震后复位的问题，本发明的支座在水平隔震装置中增设了水平复位弹簧4，并设计了水平限位构件11，以保证支座在水平地震作用下的复位能力和工作安全性。此外，本发明的支座的限位板9和限位挡板10的共同作用使支座的水平隔震装置具有抗拔能力，弹簧预压限位器18使竖向隔震装置也具有抗拔能力，因而支座整体具有抗拔性。

为使支座能提供局部转动能力，直径为d₂的竖向弹簧承压板8与护筒5内壁间预留间隙s₁，从构造上满足支座的转动要求。

竖向隔震弹簧根据支座所受的荷载大小选用不同类别的弹簧，当支座压力不大时，可选用柱状螺旋压缩弹簧，当支座压力较大时，则可采用环形弹簧。

附图说明

图1(a)、水平复位装置平面；；

图1(b)、抗拔限位板布置平面；

图1(c)、竖向隔震装置平面；

图1(d)、支座竖向A-A剖面；

图1(e)、支座竖向B-B剖面；

图2、支座竖向剖面几何尺寸图；

图中：D为护筒外径，H为护筒高度，H₁为支座高度。

1、上连接板；2、圆形短柱；3、底封板；4、水平复位弹簧；5、外护筒；6、滑移片；7、圆形碟片；8、竖向弹簧承压板；9、限位板；10、限位挡板；11、水平限位构件；12、缓冲垫；13、滑筒；14、导筒；15、底部连接板；16、竖向承压垫；17、隔震弹簧；18、弹簧预压限位器。

具体实施方式

本发明的实施依据为图1，依据支座构造和组装程序可按六类主要部件进行加工。部件I由固定在底部连接板15上的外护筒5和导筒14共同构成，部件II为隔震弹簧17，部件III包括竖向弹簧承压板8和滑筒13，滑筒13固定在竖向弹簧承压板8的下表面，部件IV为竖向弹簧限位器，部件V为水平承托构件、水平复位弹簧4和限位板9，部件VI为限位挡板10。首先将各主要部件加工完毕，然后进行组装，组装次序由下而上，主要步骤可概括为：

(1)在部件I中安装竖向隔震弹簧；

(2)安装部件II；

(3)安装部件III；

(4)在部件III上施加竖向压力预压隔震弹簧17，然后安装部件IV；

(5)安装部件V；

(6)安装部件VI。

隔震弹簧17按支座所受的荷载大小选用不同类别的弹簧，当支座压力不大时，可选用柱状螺旋压缩弹簧，当支座压力较大时，则应采用环形弹簧。

本发明的支座有两种工作状态，即静力作用工作状态和动力作用工作状态。支座的隔震功能主要体现在动力工作状态，支座的具体实施方式也是针对动力作用展开的。由于本发明的支座具有水平与竖向复合隔震功能，可同时在水平向与竖向对结构隔震，因此实施方式阐述与支座的构造和工作原理密切相关。

水平采用滑移隔震，当支座受水平地震激励作用时，水平承托构件的底封板3的下表面与圆形碟片7间产生滑动，出现水平相对位移，实现水平隔震。同时，水平复位弹簧4被拉伸或压缩，为水平承托构件提供震后复位所需的回复力。为保证支座具有足够的滑移性能和抗拔能力，水平滑移装置的尺寸相关性应满足如下关系：

[U_h，max]≤(d₃-d₁)/2＜s₂

式中[U_h，max]为最大单向允许水平滑移量，d₁、d₃分别为圆形碟片7和水平限位构件11的直径，s₂为最大水平滑移时限位板10与限位挡板11的最小叠合尺寸。

竖向采用弹簧隔震，竖向隔震装置位于支座的下部。在竖向激励作用下，隔震弹簧17在导向筒内上下运动。由于隔震弹簧17可使支座的特征频率避开输入激励的共振频域，从而实现竖向隔震。由于导向筒的极值行程小于隔震弹簧17的弹性极限压缩量，且导筒底部设置了竖向承压垫16，从而可确保隔震弹簧17始终处于弹性状态。弹簧在压缩或拉伸后均产生弹性回复力，因而支座的竖向震后复位可由隔震弹簧17保证。此外，由于支座所受动力荷载的瞬态往复特征，都有利于支座的复位。弹簧预压限位器18位于竖向弹簧承压板8的上部，插接于外护筒5筒壁的预留孔内，故预压弹簧限位18使支座在竖向具有抗拔功能。

支座在水平与竖向地震作用下，为使支座具有可靠的工作性能，在构造上要求支座在水平与竖向实现“刚度解耦”。“刚度解耦”反映的是支座水平刚度与竖向刚度的非相关性，实现刚度解耦的关键是使支座的水平和竖向位移为一对正交量，位移的正交由支座的构造实现。在水平向，由于弹簧预压限位器18的存在使竖向弹簧处于预压状态，从而确保支座的滑移面6与圆形碟片7总处于紧密接触状态，确保水平位移，同时水平隔震装置的轴向刚度比隔震弹簧17的刚度大，故竖向刚度取决于竖向隔震装置的刚度；在竖向，由于导向筒的水平刚度比滑移面的水平刚度大得多，因此滑移刚度为支座的控制刚度。

直径d₂的竖向弹簧承压板8与外护筒5内壁间隙s₁的存在，使支座具备局部转动能力，从而满足支座的转动要求。

Claims (1)

1、摩擦-弹簧三维复合隔震支座，其特征在于，包括水平隔震装置、竖向隔震装置两大部分，支座总体外形呈圆柱状；

水平隔震装置位于支座的上部，包括水平承托构件、复位弹簧、滑移层、水平抗拔构件和限位构件；水平承托构件由从上到下依次由上连接板(1)、圆形短柱(2)和底封板(3)构成，且它们的形心相互重合；水平承托构件位于外护筒(5)的内部，外护筒(5)为圆管，外护筒(5)轴线与水平承托构件的竖向轴线重合；水平复位弹簧(4)位于圆形短柱(2)与外护筒(5)间，沿圆形短柱(2)的径向辐射布置；水平复位弹簧(4)的一端与外护筒(5)的内壁连接，另一端与圆形短柱(2)的外壁固定；

滑移层设在底封板(3)的下部，自上而下依次包括滑移面(6)、圆形碟片(7)和衔接水平与竖向隔震装置的竖向弹簧承压板(8)；滑移片(6)复合在封底板(3)的下表面；圆形碟片(7)固定在竖向弹簧承压板(8)的上表面；水平抗拔构件由限位板(9)和限位挡板(10)构成，限位板(9)为一环形板，限位板(9)的内环固定于圆形短柱(2)的外壁；限位挡板(10)均匀对称布置在外护筒(5)的顶端，与外护筒(5)筒壁固定；水平限位构件(11)为一环形钢圈，固定于竖向弹簧承压板(8)的上表面，并在水平限位构件(11)内壁敷设缓冲垫(12)；

竖向隔震装置位于支座的下部，包括导向筒、隔震弹簧及弹簧预压限位器；导向筒由共心的滑筒(13)插接在导筒(14)共同构成，滑筒(13)的筒壁竖剖面呈T形，其上端固定在竖向弹簧承压板(8)的下表面，导筒(14)的筒壁竖剖面呈U形，下端固定在底部连接板(15)的上表面，并在导筒(14)底部设置竖向承压垫(16)；隔震弹簧(17)均匀对称地安装在导向筒内，隔震弹簧(17)上部与竖向弹簧承压板(8)的下表面连接，下端与底部连接板(15)的上表面固定；弹簧预压限位器(18)位于竖向弹簧承压板(8)的上部，插接于外护筒(5)筒壁的预留孔内，预留孔在外护筒(5)筒壁上均匀开设；

竖向弹簧承压板(8)与护筒(5)内壁间预留间隙。

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