CN104763066A - 一种三维隔震装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三维隔震装置，包括上盖板、水平隔震部件、竖向隔震部件、侧向钢板；所述竖向隔震部件包括过渡连接钢板，设置于过渡连接钢板下的核心联接部件，核心连接部件侧向倾斜铰接设置多个槽钢阻尼器，槽钢阻尼器的另一端与所述侧向钢板铰接；多个槽钢阻尼器在静载状态下对核心联接部件具有向上的支撑及维持平衡的作用；核心联接部件下设置的粘弹性叠层部件，粘弹性叠层部件孔中穿入的铅芯柱体，粘弹性叠层部件和核心联接部件中间开孔，带钢螺纹的铅芯柱体***孔中使侧向板挤压并与粘弹性叠层部件、核心联接部件形成整体；在动载情况下，槽钢阻尼器屈服失稳，刚度降为零，粘弹性叠层部件与铅芯柱体起纵向减震作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种隔震装置，具体来说，是一种三维隔震装置，属于建筑物减震技术领域。
背景技术
自我国汶川地震及鲁甸地震之后，隔震技术以其优良的减震效果得到工程界的关注和认可，在新建结构和既有结构的加固中得到了广泛的应用，国内外大震经验表明采用隔震技术的多层甚至高层建筑经受住了强烈地震的考验，通过实施隔震可以保证结构的安全，说明隔震是具有良好应用前景的减震技术。
已有的地震实测研究表明，竖向地震分量明显，实施水平向橡胶隔震技术后竖向反而会放大，这给大跨空间结构、桥梁、悬臂结构及建筑内的重要设备带来了安全隐患。为了消除这一影响，目前国内外已研发出来的三维隔震支座产品均分开考虑水平和竖向隔震，其中竖向隔震主要采用：(1)钢制螺旋弹簧，如文献号为CN102251472B的中国专利文献；(2)厚橡胶；(3)空气弹簧；(4)碟形弹簧，如中国专利文献：CN100353012C、CN101701478 B、CN101725190 B、CN101824862 B、CN101761147 B、CN102839751B；(5)液压机构。制约竖向隔震技术发展的关键难点在于：为了实现隔震，线性隔震***仅当(ω、ωn分别是激励频率和***的固有频率)才有隔震效果，为了获得较小的隔震频率，必须使竖向隔震元件的刚度足够小，但由于竖向隔震元件同时是承载构件，必须传递竖向荷载，因此需保持足够强度和稳定性，这样就制约了竖向隔震效果，同时由于变形能力缺乏，竖向耗能也较弱。钢制弹簧和厚橡胶依赖于竖向弹性刚度获得竖向隔震效果，因此无法避免前述的难点问题，厚橡胶也存在竖向受力易损伤破坏的问题。空气弹簧需要形成密封的空间，占据较大空间，气密稳定性要求较高。碟形弹簧虽然采用几何非线性刚度形成竖向隔震，但是为了获得较大承载力，需要提供许多片碟形弹簧，价格高昂。液压机构与空气弹簧原理相似，因此也同样存在密封稳定性问题，同时由于需要附设液压设备，代价过高，适用性较差。以上说明，虽然三维隔震技术开发已经引起关注，但竖向隔震这一世界性的工程界难题还未得到很好的解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种依靠弹塑性耗能和几何非线性刚度结合的三维隔震支座，旨在解决竖向承重和竖向隔震相互制约的技术问题。
本发明采取以下技术方案：
一种三维隔震装置，包括上盖板1、水平隔震部件、竖向隔震部件、侧向钢板11；所述竖向隔震部件包括过渡连接钢板3，设置于过渡连接钢板3下的核心联接部件5，核心连接部件5侧向倾斜铰接设置多个槽钢阻尼器8，槽钢阻尼器8的另一端与所述侧向钢板11铰接；多个槽钢阻尼器8在静载状态下对核心联接部件5具有向上的支撑及维持平衡的作用；核心联接部件5下设置的粘弹性叠层部件9，粘弹性叠层部件9孔中穿入的铅芯柱体10，粘弹性叠层部件9和核心联接部件5中间开孔，带钢螺纹的铅芯柱体***孔中使侧向板挤压并与粘弹性叠层部件9、核心联接部件5形成整体；在动载情况下，槽钢阻尼器8屈服失稳，刚度降为零，粘弹性叠层部件9与铅芯柱体10起竖向减震作用。
本技术方案的特点是：满足正常使用状态下的预定功能，在非震时状态与一般承载构件无异，能支承上部结构，也能传递轴力；在地震作用下，槽钢阻尼器屈服，刚度降为零，可以依靠铅芯橡胶和竖向支撑实现三维隔震。
进一步的，所述槽钢阻尼器8外部均套设防屈曲套钢管7，用于限制槽钢阻尼器8的屈服变形量。
进一步的，防屈曲套钢管7另一端连接的侧向钢板11、正对的一对侧向钢板11之间连接的多个高强约束套筒6、侧向钢板11下部***下盖板12。
更进一步的，高强约束套筒6穿过核心联接部件5中间开的数条条形孔13，不阻碍核心联接部件5竖向运动；下盖板12上带卡槽，卡槽***两块带孔的侧向钢板11，孔位为上下各两排，分别为高强约束套筒安装孔14和铅芯柱体安装孔15，将粘弹性叠层部件9和核心联接部件5置于侧向钢板11中间，粘弹性叠层部件9和核心联接部件5中间开孔，带钢螺纹的铅芯柱体***孔中使侧向板挤压并与粘弹性叠层部件9、核心联接部件5形成整体。
更进一步的，侧向钢板11中间附加数个耳孔16，耳孔16和槽钢阻尼器8的一端通过螺栓连接；在核心联接部件5上方连接过渡连接钢板3，为加强支撑能力，在侧向加斜向加劲板4焊接约束支撑上部水平隔震部件。
更进一步的，为保证侧向钢板11具有较高的抗侧刚度和强度，将侧向钢板11制作为截面为三角形的钢板或附加加劲板；所述水平隔震部件为水平铅芯橡胶隔震部件2。
更进一步的，防屈曲套钢管7和槽钢阻尼器8组合形成防止支撑屈曲的构件，槽钢阻尼器8能够在静载作用下就屈服，屈服之后刚度下降，降低动载下的动力刚度。
更进一步的，核心联接部件5的四周或两侧设有槽钢阻尼器8，对应的，侧向钢板11为双向或单向对称布置。
本发明的有益效果在于：
1)能依靠几何非线性负刚度结合竖向刚度叠合，一方面使竖向设置提供水平和竖向变形吸收地震能量，一方面可以依靠材料的弹塑性进行地震能量耗散。
2)竖向可隔震的频率较广，变形适应强。
3)支座不受结构主体影响，设计或工作时也不会带来上部结构的不利影响。
4)支座设计简单可行，按组装示意图按从下至上的顺序叠合而成。所需材料大部分为钢材，占据空间小，适合安装或拆卸。成本低，效果显著。
5)本发明所提出的三维隔震支座，不仅结构形式合理，使用安全可靠，稳定而且易于安装、整体性好、承载力高，竖向隔震和耗能性好，具有较好的水平和竖向的隔(减)震功能。
附图说明
图1是三维隔震支座示意图；
图2是核心联接部件的侧面视图；
图3是侧向钢板的侧面视图；
图4是采用单向布置支撑时图1中侧向钢板、槽钢支撑和核心联接部件的俯视图。
图5是采用对称布置支撑时图1中侧向钢板、槽钢支撑和核心联接部件的俯视图。
图中，1.上盖板，2.水平铅芯橡胶隔震部件，3.过渡连接钢板，4.斜向加劲板，5.核心联接部件，6.高强约束套筒，7.防屈曲套钢管，8.槽钢阻尼器，9.粘弹性叠层部件，10.铅芯柱体，11.侧向钢板，12.下盖板，13.条形孔，14.高强约束套筒安装孔，15.铅芯柱体安装孔，16.耳孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。
如图1-5所示，一种可用于重要设备、建筑及桥梁减震的三维隔震装置，包括上盖板1、水平铅芯橡胶隔震部件2及竖向隔震部件；所述的竖向隔震部件包括过渡连接钢板3，设置于过渡连接钢板3下的核心联接部件5；核心联接部件5侧向支撑的多根防屈曲套钢管7和槽钢阻尼器8，核心联接部件5下设置的粘弹性叠层部件9、粘弹性叠层部件9孔中穿入的铅芯柱体10、防屈曲套钢管7另一端连接的侧向钢板11、侧向钢板11之间连接的多个高强约束套筒6、及与侧向钢板11下部***的下盖板12组成。
如图2所示，高强约束套筒6穿过核心联接部件5，不应阻碍核心联接部件5竖向运动，为此在核心联接部件5中间开了数条条形孔13。
如图1、3及4所示，下盖板12上带卡槽，卡槽***两块带孔的侧向钢板11，孔位为上下各两排，分别为高强约束套筒6安装孔14和铅芯柱体10安装孔15，将粘弹性叠层部件9和核心联接部件5置于侧向钢板11中间，粘弹性叠层部件9和核心联接部件5中间开孔，带钢螺纹的铅芯柱体***孔中使侧向板挤压并与粘弹性叠层部件9、核心联接部件5形成整体。如图3所示，侧向钢板11中间附加数个耳孔16，耳孔16可以和槽钢阻尼器8的一端通过螺栓连接。在核心联接部件5上方连接过渡连接钢板3，为加强支撑能力，则在侧向加斜向加劲板4焊接约束支撑上部水平向叠层橡胶隔震支座。
为保证所述的侧向钢板11具有较高的抗侧刚度和强度，可将侧向钢板11制作为截面为三角形的钢板或附加加劲板，其可作为本发明实施例变换之一。
水平铅芯橡胶隔震部件2可以采用其他具有水平隔震效果的部件代替，此作为实施例的一种变换。
侧向钢板11之间连接的高强约束套筒6是为了提供预加力以抵消竖向传递给侧向钢板11的侧向压力，为了保证两者的紧密性，也可以将两者作为一个整体进行焊接，形成单独的部件，此作为实施例的一种变换。
防屈曲套钢管7和槽钢阻尼器8组合以提供防止支撑屈曲的构件，槽钢阻尼器8可在静载作用下就屈服，屈服之后刚度下降，降低动载下的动力刚度，槽钢阻尼器8可以由具有变刚度的构件替代，再外套防屈曲套钢管7以使支撑不发生屈曲变形，此作为实施例的一种变换。
核心联接部件5的截面形状为对称形式，图5给出了方形布置方式，核心联接部件5侧向支撑可以单向对称也可以双向对称布置，此作为实施例的一种变换。
粘弹性叠层部件9孔中穿入的铅芯柱体10是为了增强竖向阻尼耗能作用，也可以采用具有高阻尼的材料替代粘弹性叠层部件9中的粘弹性材料，此作为实施例的一种变换。
以下对本发明进一步说明：
低碳钢材料已经广泛应用于减振中，这种构件主要通过拉压变形实现弹塑性耗能，当轴向力大于一定数值时会进入弹塑性屈服阶段，刚度明显降低，类似于弹簧元件实现隔震的效果。选用槽型开孔钢片作为位移型阻尼器，为了使其发挥几何非线性功能，将其制作为轴向受力构件，轴向受力构件在受压过程中，支撑***会发生屈曲失稳，当外界荷载过大或不确定时极有可能产生破坏失效，这样无法有效保证元件的可靠性。屈曲失稳是一种无法充分利用构件承载力的状态，受边界条件、约束条件、构件条件等因素的影响。为了实现构件的轴线拉压受力状态，采用防屈曲外部套筒约束耗能支撑可以实现构件在受拉和受压过程中,受力核心构件因受到约束构件的约束，产生屈服而不会屈曲。将该构件斜向角度放置，斜向构件一端铰接于底座，一端铰接于核心联接部件，可根据功能对称安装若干支撑构件，核心联接部件与水平隔震支座采用螺栓联接，竖向荷载通过水平隔震支座传递给核心联接部件。
竖向隔震器变形时可以附加耗能构件，一方面减小竖向地震反应，另一方面可以控制竖向位移过大引起***不稳定性；而支撑部件采用位移型的弹塑性耗能材料可以在其屈服之后，在竖向拉压作用下实现往复滞回耗能作用，因此可以有效实现竖向隔震和竖向耗能作用。
现有三维隔震支座设计为增加变形能力，通过扩大立面尺寸，造成支座高度较高，整个支座的高宽比较大，容易造成支座整体失稳。本发明主要通过协调斜向支撑的角度来达到竖向隔震，因此高度可以得到较为理想的数值。
所述的竖向隔震控制方式如下：
竖向隔震***在静载作用下的竖向力如下：
F1＝2f1(u)sinθ+kvu+f2(u)
式中：u为静载施加所产生的变形；f1为槽钢支撑轴向受力；θ为支撑与水平线的夹角；kv为粘弹性叠层部件刚度；f2为铅芯柱的阻尼力。
当隔震***在竖向荷载作用下，由于隔震层竖向刚度与静载位移相关，当变形达到某一位置，支撑提供的竖向刚度为负刚度值，然后与竖向粘弹性叠层部件的正刚度叠加可以在某个时刻实现准零刚度状态，从而实现竖向隔震。
如果竖向刚度大于支撑的负刚度数值的绝对值，那么竖向隔震***在动载作用下的竖向力如下：
F2＝kv1x+f2(x)
式中：x为动载作用下所产生的变形；kv1为动载作用下的竖向支撑刚度。
Claims (8)
1.一种三维隔震装置，其特征在于：
包括上盖板(1)、水平隔震部件、竖向隔震部件、侧向钢板(11)；
所述竖向隔震部件包括过渡连接钢板(3)，设置于过渡连接钢板(3)下的核心联接部件(5)，核心连接部件(5)侧向倾斜铰接设置多个槽钢阻尼器(8)，槽钢阻尼器(8)的另一端与所述侧向钢板(11)铰接；多个槽钢阻尼器(8)在静载状态下对核心联接部件(5)具有向上的支撑及维持平衡的作用；
核心联接部件(5)下设置的粘弹性叠层部件(9)，粘弹性叠层部件(9)孔中穿入的铅芯柱体(10)，粘弹性叠层部件(9)和核心联接部件(5)中间开孔，带钢螺纹的铅芯柱体***孔中使侧向板挤压并与粘弹性叠层部件(9)、核心联接部件(5)形成整体；在动载情况下，槽钢阻尼器(8)屈服失稳，刚度降为零，粘弹性叠层部件(9)与铅芯柱体(10)起纵向减震作用。
2.如权利要求1所述的三维隔震装置，其特征在于：所述槽钢阻尼器(8)外部均套设防屈曲套钢管(7)，用于限制槽钢阻尼器(8)的屈服变形量。
3.如权利要求1所述的三维隔震装置，其特征在于：防屈曲套钢管(7)另一端连接的侧向钢板(11)、正对的一对侧向钢板(11)之间连接的多个高强约束套筒(6)、侧向钢板(11)下部***下盖板(12)。
4.如权利要求3所述的三维隔震装置，其特征在于：高强约束套筒(6)穿过核心联接部件(5)中间开的数条条形孔(13)，不阻碍核心联接部件(5)竖向运动；下盖板(12)上带卡槽，卡槽***两块带孔的侧向钢板(11)，孔位为上下各两排，分别为高强约束套筒安装孔(14)和铅芯柱体安装孔(15)，将粘弹性叠层部件(9)和核心联接部件(5)置于侧向钢板(11)中间，粘弹性叠层部件(9)和核心联接部件(5)中间开孔，带钢螺纹的铅芯柱体***孔中使侧向板挤压并与粘弹性叠层部件(9)、核心联接部件(5)形成整体。
5.如权利要求3所述的三维隔震装置，其特征在于：侧向钢板(11)中间附加数个耳孔(16)，耳孔(16)和槽钢阻尼器(8)的一端通过螺栓连接；在核心联接部件(5)上方连接过渡连接钢板(3)，为加强支撑能力，在侧向加斜向加劲板(4)焊接约束支撑上部水平隔震部件。
6.如权利要求3所述的三维隔震装置，其特征在于：为保证侧向钢板(11)具有较高的抗侧刚度和强度，将侧向钢板(11)制作为截面为三角形的钢板或附加加劲板；所述水平隔震部件为水平铅芯橡胶隔震部件(2)。
7.如权利要求3所述的三维隔震装置，其特征在于：防屈曲套钢管(7)和槽钢阻尼器(8)组合形成防止支撑屈曲的构件，槽钢阻尼器(8)能够在静载作用下就屈服，屈服之后刚度下降，降低动载下的动力刚度。
8.如权利要求3所述的三维隔震装置，其特征在于：核心联接部件(5)的四周或两侧设有槽钢阻尼器(8)，对应的，侧向钢板(11)为双向或单向对称布置。
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