CN104563294B - 多轴隔振支座*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多轴隔振支座***，其包括能够实现沿X轴方向平动、沿Y轴方向平动和绕Z轴转动这三个自由度的上层支座和能够实现沿Z轴方向平动、绕X轴转动和绕Y轴转动这三个自由度的下层支座；上层支座包括其中设置有上层基座的上层基座板、能够沿X轴方向施加作用力而控制上层基座板的X轴方向作动器、能够沿Y轴方向施加作用力而控制上层基座板的Y轴方向作动器；下层支座包括其中设置有下层基座的下层基座板、能够沿Z轴方向施加作用力而控制下层基座板的Z轴方向作动器；上层支座和下层支座之间通过中层固定板相连接。本发明的混合控制的支座***可有效地对外界干扰进行多方向控制，控制精度高，具有显著的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种双层隔振支座***。
背景技术
伴随着工程结构体型的日趋复杂，水平向，竖向，扭转等空间六自由度的多轴振动，在地震中或者其他震源引起结构的振动中，都会使工程结构激发多轴振动。而这些振动轻则会影响使用者的舒适度，重则会导致工程结构的破坏，造成人员伤亡，因此有必要设计一种可以实现多轴控制的支座***来降低震动对工程结构的影响。
然而，传统隔震设计方法得到的铅芯橡胶隔震支座，由于支座的屈服荷载较小，在多遇地震与中震时隔震支座进入屈服阶段，屈服后变形发展较快，容易引起结构的过大变形，故在中小地震后发生后，需要对线路的养护维修投入大量的人力和物力，带来不必要的经济损失，并且无法保证中小地震时工程结构上运行的安全性。而采用增加铅芯直径的方法来提高支座的初始刚度和屈服强度十分有限，铅芯直径过大，将影响支座的复位能力，其控制效果也非常有限，采用混合控制方案可以更好的提高其控制效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑对工程结构的多轴控制，使其能够在各种外界自然环境激励下，达到控制结构的振动使其达到规定的要求，满足使用者的舒适度的多轴隔振支座***。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种多轴隔振支座***，具有分别沿相互垂直的X轴、Y轴、Z轴平动的自由度和分别绕X轴、Y轴、Z轴转动的自由度，其包括能够实现沿X轴方向平动、沿Y轴方向平动和绕Z轴转动这三个自由度的上层支座和能够实现沿Z轴方向平动、绕X轴转动和绕Y轴转动这三个自由度的下层支座；
所述的上层支座包括其中设置有上层基座的上层基座板、能够沿X轴方向施加作用力而控制所述的上层基座的X轴方向作动器、能够沿Y轴方向施加作用力而控制所述的上层基座的Y轴方向作动器；
所述的下层支座包括其中设置有下层基座的下层基座板、能够沿Z轴方向施加作用力而控制所述的下层基座的Z轴方向作动器；
所述的上层支座和所述的下层支座之间通过中层固定板相连接。
优选的，所述的上层基座为四个且水平对称布置，所述的X轴方向作动器为两个，且二者分布于Z轴的两侧；所述的Y轴方向作动器为一个；
所述的下层基座为四个且水平对称布置，每个所述的下层基座均配备有一个所述的Z轴方向作动器。
优选的，所述的Z轴方向作动器设置于所述的中层固定板与所述的下层基座板之间。
优选的，所述的X轴方向作动器的输出杆与所述的上层基座板之间、所述的Y轴方向作动器的输出杆与所述的上层基座板之间、所述的Z轴方向作动器的输出杆与所述的下层基座板之间均采用滑动连接结构相连接；
所述的滑动连接结构包括开设于所述的上层基座板或所述的下层基座板上的滑动槽、卡入所述的滑动槽中并能够在所述的滑动槽中移动的滑动盘，所述的X轴方向作动器的输出杆或所述的Y轴方向作动器的输出杆或所述的Z轴方向作动器的输出杆与所述的滑动盘相连接，所述的滑动盘的移动方向与其所连接的所述的X轴方向作动器的输出杆的轴向或所述的Y轴方向作动器的输出杆的轴向或所述的Z轴方向作动器的输出杆的轴向相垂直。
优选的，所述的X轴方向作动器、所述的Y轴方向作动器、所述的Z轴方向作动器分别与其所连接的所述的滑动盘相铰接。
优选的，所述的上层基座和所述的下层基座均为橡胶基座。
优选的，所述的上层基座和所述的下层基座中分别设置有加劲钢板。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：1、本发明的混合控制的支座***，可以有效地对外界干扰的各个频段进行控制，同时主动作动器的主动控制能力可以有效地限制橡胶支座进入屈服阶段过大的变形；2、本发明的支座***方案能对外界干扰的多方向进行控制，混合控制的控制精度也较单纯的被动控制精度高；3、该多轴隔振支座***在结构减隔震设计中具有显著的经济效益。
附图说明
附图1为本发明的多轴隔振支座***的分析模型示意图。
附图2为本发明的多轴隔振支座***的分析模型的俯视示意图。
附图3为本发明的多轴隔振支座***的下层支座的结构示意图。
附图4为本发明的多轴隔振支座***的下层支座的结构俯视示意图。
附图5为本发明的多轴隔振支座***的上层支座的结构俯视示意图。
附图6为本发明的多轴隔振支座***的滑动连接结构的示意图。
以上附图中：1、上层支座；2、下层支座；3、中层固定板；4、下层基座板；5、Z轴方向作动器；6、下层基座；7、滑动槽；8、Z轴方向作动器的输出杆；9、上层基座板；10、X轴方向作动器；11、Y轴方向作动器；12、上层基座；14、滑动盘；15、X轴方向作动器的输出杆；16、Y轴方向作动器的输出杆。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：参见附图1和附图2所示。一种多轴隔振支座***，其包括上层支座1和下层支座2，上层支座1和下层支座2之间通过中层固定板3相连接。该多轴隔振支座***共具有6个自由度，分别为沿相互垂直的X轴、Y轴、Z轴平动的3个自由度和分别绕X轴、Y轴、Z轴转动的3个自由度。这里，X轴、Y轴位于一水平面上并相互垂直，而Z轴则沿上层支座1和下层支座2分布的竖直方向。
参见附图3和附图4所示，下层支座2包括其中设置有下层基座6的下层基座板4、能够沿Z轴方向施加作用力而控制下层基座板4的Z轴方向作动器5。该下层支座2能够实现沿Z轴方向平动、绕X轴转动和绕Y轴转动这三个自由度。具体的，下层基座板4内设置有四个水平对称布置的下层基座6，且每个下层基座6均配备有一个Z轴方向作动器5，这些Z轴方向作动器5均设置于中层固定板3与下层基座板4之间，且每个Z轴方向作动器5均位于其所对应的下层基座6的侧部。Z轴方向作动器的输出杆8与下层基座板4之间采用滑动连接结构相连接。参见附图6所示，该滑动连接结构包括开设于下层基座板4上的滑动槽7、卡入滑动槽7中并能够在滑动槽7中任意滑动而不脱出的滑动盘14，例如滑动槽7呈圆形且其口部较底部面积小，Z轴方向作动器的输出杆8与滑动盘14相铰接，而滑动盘14则在垂直于Z轴方向作动器的输出杆8的方向上在滑动槽7内任意滑动，以适应下层基座板4在Z轴方向作动器的输出杆8的驱动下而转动时，二者在水平方向上的相对位移。
参见附图5以及附图2所示，上层支座1包括其中设置有上层基座12的上层基座板9、能够沿X轴方向施加作用力而控制上层基座板9的X轴方向作动器10、能够沿Y轴方向施加作用力而控制上层基座板9的Y轴方向作动器11。该上层支座1能够实现沿X轴方向平动、沿Y轴方向平动和绕Z轴转动这三个自由度。具体的，上层基座板9内设置四个水平对称布置的上层基座12。X轴方向作动器10为两个，且二者对称分布于Z轴的两侧。Y轴方向作动器11为一个，并与Z轴位于同一竖直平面中。X轴方向作动器10的输出杆15与上层基座板9之间、Y轴方向作动器11的输出杆16与上层基座板9之间也通过如附图6所示的滑动连接结构相连接，具体的，在上层基座板9的两侧面分别开设滑动槽7，在滑动槽7中设置可活动而不脱出滑动槽7的滑动盘14，再将X轴方向作动器10的输出杆15或Y轴方向作动器11的输出杆16分别与对应的滑动盘14相铰接，使得在X轴方向作动器10或Y轴方向作动器11的控制方向的垂直方向上，X轴方向作动器10、Y轴方向作动器11通过滑动盘14实现相对与上层基座板9的滑动。各个上层基座12还可以连接弹簧和阻尼器。
上述上层基座12和下层基座6均采用橡胶基座，进一步的，上层基座12和下层基座6采用的橡胶基座中分别设置有加劲钢板，即上层基座12和下层基座6均为带有加劲钢板的铅芯橡胶基座。带有加劲钢板的铅芯橡胶基座可以实现水平向、竖直向以及绕水平轴的转动，但是绕竖直轴的转动靠单个橡胶基座很难实现，故而本方案中设计多个橡胶基座协同实现。
该支座***是由主动控制装置和被动控制装置共同参与的平台***。其中，被动控制装置即基座（包括具有上层基座12的上层基座板9和具有下层基座6的下层基座板4），其主要用于高频振动控制，需根据结构的规模和位移大小选用。而主动控制装置则包括多个作动器（X轴方向作动器10、Y轴方向作动器11和Z轴方向作动器5），其主要用于低频控制。支座***所需的六个自由度是属于三个相互垂直方向的，是相互制约的，若将他们在同一个平面上实现控制则极大的增加了控制实施的难度，也因此设计两个实施平面。从支座***整体而言，各个作动器的布置分布在两个相互垂直方向上，即水平方向和竖直方向上，因此本方案提出双层支座，上层支座1由水平向布置的作动器即可实现水平方向控制，即X向，Y向和绕Z轴转动，而下层支座2由竖直方向布置的作动器即可实现竖直方向控制即Z向，绕X轴转动和绕Y轴转动。该多自由度混合隔振支座的控制设计将分别按照两层，每层三个自由度耦合进行控制设计，实现整体六自由度控制，大大简化了计算，提高了计算效率以及控制的精确度。
分析该多轴隔振支座***的理论模型可知，由于沿竖直方向Z向，绕X轴转动，绕Y轴转动仅需要作动器在竖直方向上施加作用力即可实现对该三个自由度的控制，因此对于下层平台多自由度的设计考虑的是对竖直方向Z向，绕X轴转动，绕Y轴转动这三个方向的控制。从结构设计的角度来看，对于转动方向的处理，借鉴AMD装置设计时采用的双向滑道实现X向和Y向的同时控制的经验，作动器输出杆与下层基座4的连接点位置采用附图6所示的滑动连接结构，其滑动范围以转动控制所引起的水平位移计算，不考虑水平振动引起的位移变形，该位移变形在下层将被限制。
对于双层平台的支座***实现六自由度的设计，在下层支座2实现了竖直方向Z向，绕X轴转动，绕Y轴转动三个自由度的设计之后，上层支座1将实现剩余的三个自由度的设计，但是水平方向X向和Y向出现了相互制约，故而设计控制上层基座板9的所有作动器采用如附图5所示的方式。这种方式可以解决当作动器在一个方向运动时不被与其垂直方向的橡胶支座运动时的影响。首先在X轴方向上设计了两个相互平行的X轴方向作动器10，用来对绕Z轴转动的方向进行控制，同时该方向布置的作动器也同时对沿X向进行了控制。另外在Y轴方向布置一个Y轴方向作动器11对上层基座板9在Y向的运动进行控制。在上层基座板9上布置这三个作动器即可实现对水平方向X向，Y向和绕Z轴转动这三个耦合的自由度的控制。作动器采用在其控制方向铰接（作动器的输出杆相对于滑动盘可以转动，但没有相对位移），垂直方向滑动连接的连接方式，通过对作动器的控制，使中小地震作用下，能够有效避免橡胶支座进入屈服阶段，避免屈服后变形发展较快所容易引起结构的过大变形；而在罕遇地震作用下，通过对主动作动器的控制释放铅芯橡胶基座的位移量。在这两个阶段，橡胶支座对外界干扰的高频进行控制，作动器对外界干扰的低频进行控制。支座发挥隔震作用，减小地震传到结构的能量，作动器和橡胶支座同时起到振动控制的作用，有效减小中小地震，罕遇地震及其他外界干扰作用下工程结构的位移。
该多轴隔振支座***的功能如下：
（1）在多方向外部干扰作用下，下层支座2对竖向振动进行控制，利用下层基座6和Z轴方向作动器5竖向作用在下层基座6上运动的不同步，实现绕X轴和Y轴的转动。由于下层基座6的转动，引起的水平偏移，可以通过滑动连接结构来实现。该滑动连接结构的范围仅由转动造成的位移量来设计，而不考虑水平振动引起的可能的位移量。
（2）上层支座1中，被动装置上层基座12可以产生水平方向上任一方位位移，可以实现水平向X向控制和Y向控制。同时不同支座的位移在不同方向的相互协作，可以实现绕Z轴转动。主动控制装置作动器，在X向布置了两台，Y向布置了一台，这两个方向各能实现水平控制。两个相互垂直方向在控制时，通过滑动连接避免相互干扰。同时绕Z轴转动时，利用X向布置的两台作动器的和Y向布置的一台作动器的相位差实现转动，由于转动引起的水平位移也可由附图6所示的滑动连接机构来抵消。
（3）由于下层支座2限制了水平振动，同时下层支座2通过被动和主动控制装置实现了对竖向和绕X轴、绕Y轴的转动的控制，所以传到上层支座1的振动，只剩下水平向和绕Z轴转动的控制，所以各层可以相互独立的计算，同时又协同实现多轴控制。而被动控制主要实现高频控制，主动控制主要实现低频控制，所以基本上可以满足对外部激励各个频段的控制。同时主动控制又可以避免橡胶支座的屈服而引起的过大位移。所以该支座的设计，能较全面解决振动控制的问题。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种多轴隔振支座***，具有分别沿相互垂直的X轴、Y轴、Z轴平动的自由度和分别绕X轴、Y轴、Z轴转动的自由度，其特征在于：其包括能够实现沿X轴方向平动、沿Y轴方向平动和绕Z轴转动这三个自由度的上层支座和能够实现沿Z轴方向平动、绕X轴转动和绕Y轴转动这三个自由度的下层支座；
所述的上层支座包括其中设置有上层基座的上层基座板、能够沿X轴方向施加作用力而控制所述的上层基座板的X轴方向作动器、能够沿Y轴方向施加作用力而控制所述的上层基座板的Y轴方向作动器；
所述的下层支座包括其中设置有下层基座的下层基座板、能够沿Z轴方向施加作用力而控制所述的下层基座板的Z轴方向作动器；
所述的上层支座和所述的下层支座之间通过中层固定板相连接；
所述的X轴方向作动器的输出杆与所述的上层基座板之间、所述的Y轴方向作动器的输出杆与所述的上层基座板之间、所述的Z轴方向作动器的输出杆与所述的下层基座板之间均采用滑动连接结构相连接；
所述的滑动连接结构包括开设于所述的上层基座板或所述的下层基座板上的滑动槽、卡入所述的滑动槽中并能够在所述的滑动槽中移动的滑动盘，所述的X轴方向作动器的输出杆或所述的Y轴方向作动器的输出杆或所述的Z轴方向作动器的输出杆与所述的滑动盘相连接，所述的滑动盘的移动方向与其所连接的所述的X轴方向作动器的输出杆的轴向或所述的Y轴方向作动器的输出杆的轴向或所述的Z轴方向作动器的输出杆的轴向相垂直。
2.根据权利要求1所述的多轴隔振支座***，其特征在于：所述的上层基座为四个且水平对称布置，所述的X轴方向作动器为两个，且二者分布于Z轴的两侧；所述的Y轴方向作动器为一个；
所述的下层基座为四个且水平对称布置，每个所述的下层基座均配备有一个所述的Z轴方向作动器。
3.根据权利要求1或2所述的多轴隔振支座***，其特征在于：所述的Z轴方向作动器设置于所述的中层固定板与所述的下层基座板之间。
4.根据权利要求1所述的多轴隔振支座***，其特征在于：所述的X轴方向作动器、所述的Y轴方向作动器、所述的Z轴方向作动器分别与其所连接的所述的滑动盘相铰接。
5.根据权利要求1或2所述的多轴隔振支座***，其特征在于：所述的上层基座和所述的下层基座均为橡胶基座。
6.根据权利要求5所述的多轴隔振支座***，其特征在于：所述的上层基座和所述的下层基座中分别设置有加劲钢板。
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