CN107366367B - 分梯段金属屈服耗能型隔震装置及安装方法 - Google Patents

分梯段金属屈服耗能型隔震装置及安装方法 Download PDF

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Abstract

分梯段金属屈服耗能型隔震装置及安装方法，相互平行的上连接板（2）和下连接板（3）的中心区域固定天然橡胶支座（1），上连接板（2）和下连接板（3）的四周布设四组U形钢阻尼器（4），通过在天然橡胶支座（1）的上连接板（2）和下连接板（3）之间增设可以实现分梯段屈服的U形钢阻尼器（4），方法的步骤为：组装隔震装置，将隔震装置放置实际结构中，将装置的上连接板（2）、下连接板（3）分别与上预埋板（8）、下预埋板（9）及预埋套筒（10）固定连接，再将上预埋板（8）、下预埋板（9）分别与上支墩（6）、下支墩（7）的钢筋笼通过焊接固定并进行整体浇筑。

Description

分梯段金属屈服耗能型隔震装置及安装方法
技术领域
本发明涉及工程结构减隔震技术，主要用于建筑结构的耗能及隔震。
背景技术
我国是世界上地震频繁、震灾最为严重的国家之一。近年来，随着建筑物趋于高大化、复杂化的发展，建筑结构抵抗地震等外部荷载的能力要求也越来越高，更多的学者开始关注减隔震技术的发展。国内外多次地震经验表明，采用隔震技术可有效提高建筑结构的抗震能力，使建筑结构及其内部设施免遭地震损害；同时，隔震是一种非常有效、经济和实用的结构抗震技术，具有广阔的发展前景。
常用于建筑工程的隔震支座有天然橡胶支座和铅芯橡胶支座等。其中，天然橡胶支座水平刚度小，容易产生较大的水平位移；铅芯橡胶支座受力性能好，耗能性能稳定，但其耗能能力与铅芯直径相关。目前，我国隔震建筑的数量约为六千幢，应用了大量的铅芯橡胶支座，国家相关政策也积极鼓励在抗震设防区优先考虑使用隔震建筑，所以我国隔震建筑的数量一直在增加。
铅是一种有毒重金属，摄入过量容易导致神经机能失调等。美国一项最新研究显示，人在幼年时遭受铅污染，会导致以后患老年痴呆症的风险增高。国内也曾有媒体报道，台湾某铅场退休工人患老年痴呆症的几率明显高于其他行业同龄人。铅芯橡胶支座的大量使用耗费了大量的铅棒，加之部分铅芯橡胶支座在出厂检验时又被试验损坏，若不及时回收又容易造成铅的二次污染。所以，铅的大量生产和使用给社会及环境带来了诸多负面问题。然而，随着隔震技术的广泛应用，国内外学者开始关注铅阻尼器的环境风险问题，日本学者最先尝试用金属锡替代金属铅，尽管锡阻尼器的耗能性能很好，也无毒，但锡十分昂贵，很不经济。
发明内容
本发明的目的是提供一种分梯段金属屈服耗能型隔震装置及安装方法。
本发明是分梯段金属屈服耗能型隔震装置及安装方法，分梯段金属屈服耗能型隔震装置，包括天然橡胶支座1、上连接板2、下连接板3、U形钢阻尼器4、挡推机构5，相互平行的上连接板2和下连接板3的中心区域固定天然橡胶支座1，上连接板2和下连接板3的四周布设四组U形钢阻尼器4，U形钢阻尼器4的上端设连接板与上连接板2通过高强螺栓固定连接，中部弯曲成U形，下端与挡推机构5嵌套连接；每组U形钢阻尼器4包括一个第一U形钢阻尼器4-1和两个第二U形钢阻尼器4-2，均垂直上下连接板且沿其中心线两侧对称布置。
以上所述的分梯段金属屈服耗能型隔震装置的安装方法，其步骤为：
（1）将天然橡胶支座1通过高强螺栓固定在上连接板2和下连接板3的中心区域，将挡推机构5通过高强螺栓固定在下连接板3上；
（2）在上连接板2的四周固定四组U形钢阻尼器4，每组包括一个第一U形钢阻尼器4-1和两个第二U形钢阻尼器4-2，第一U形钢阻尼器4-1布置在中间，第二U形钢阻尼器4-2布置在两侧，均垂直上下连接板且沿其中心线两侧对称布置；
（3）将上述组装的隔震装置放置实际结构中，将装置的上连接板2、下连接板3分别与上预埋板8、下预埋板9通过高强螺栓及预埋套筒10固定连接，再将上预埋板8、下预埋板9分别与上支墩6、下支墩7的钢筋笼通过焊接固定并进行整体浇筑。
本发明的有益之处为：（1）耗能能力强。本发明利用U形钢阻尼器圆弧段的弯曲变形和天然橡胶支座的剪切变形协同工作、共同提高了装置的耗能能力，并充分利用金属材料进入弹塑性变形以后良好的耗能性能控制结构的动力响应，从而保护主体结构。
（2）实现分梯段耗能。本发明中U形钢阻尼器与挡推机构的连接构造方式比较特殊，可使装置实现分梯段耗能的功能。如结构有特殊需要，可通过增加阻尼器的数量，重新设计阻尼器与挡推机构的嵌套连接方式，同理可实现多梯段屈服耗能的功能，给隔震层提供更大的抗侧刚度及抗侧力。
（3）受力简单，耗能明确。相关研究表明，平面内受力的U形钢阻尼器能提供更大的屈服力，具有更强的耗能能力。本发明中U形钢阻尼器始终在U形平面内发生受拉或受压变形，几乎不会发生U形平面外的压-扭或拉-扭破坏，所以U形钢阻尼器受力明确，而且耗能能力也强。
（4）结构简单。本发明将U形钢阻尼器、钢板等金属材料通过高强螺栓与天然橡胶支座的上、下连接板连接，工艺成熟，操作简单，也方便更换。
（5）环保性强。本发明用U形钢阻尼器替代铅棒，以减少重金属铅的使用，防止其危害人体健康及污染环境。
（6）经济性好。与锡、铅等重金属相比，软钢价格低廉，经济效益明显。
附图说明
图1为分梯段金属屈服耗能型隔震装置的结构示意图，图2为图1的剖面图（垂直于上下连接板竖直剖切），图3为图1的剖面图（平行于上下连接板水平剖切），图4为分梯段金属屈服耗能型隔震装置的应用示意图，图5 为挡推机构5的结构示意图，图6为U形钢阻尼器4端板与挡推机构5嵌套连接的构造详图，图7为第一U形钢阻尼器4-1的结构示意图，图8为第二U形钢阻尼器4-2的结构示意图，图9为上连接板2的结构示意图，图10为下连接板3的结构示意图。附图标记及对应名称为：1-天然橡胶支座，2-上连接板，3-下连接板，4- U形钢阻尼器，4-1-第一U形钢阻尼器，4-2-第二U形钢阻尼器，5-挡推机构，6-上支墩 ，7-下支墩，8-上预埋板，9-下预埋板，10-高强螺栓及预埋套筒，D1-第一U形钢阻尼器4-1两端板距挡推机构两侧钢板的距离，D2-第二U形钢阻尼器4-2端板距挡推机构两侧钢板的距离。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示，本发明是分梯段金属屈服耗能型隔震装置及安装方法，分梯段金属屈服耗能型隔震装置，包括天然橡胶支座1、上连接板2、下连接板3、U形钢阻尼器4、挡推机构5，相互平行的上连接板2和下连接板3的中心区域固定天然橡胶支座1，上连接板2和下连接板3的四周布设四组U形钢阻尼器4，U形钢阻尼器4的上端设连接板与上连接板2通过高强螺栓固定连接，中部弯曲成U形，下端与挡推机构5嵌套连接；每组U形钢阻尼器4包括一个第一U形钢阻尼器4-1和两个第二U形钢阻尼器4-2，均垂直上下连接板且沿其中心线两侧对称布置。
以上所述的分梯段金属屈服耗能型隔震装置，如图1、图5、图6、图7、图8所示，挡推机构5是一个截面为矩形的钢槽，一侧开设矩形长孔，其底板与下连接板3通过高强螺栓固定连接；第一U形钢阻尼器4-1的下端设有两个端板，两端板距挡推机构5前后两侧钢板的距离D1相同，第二U形钢阻尼器4-2只有一个端板，端板距挡推机构5前后两侧钢板的距离D2也相同，且D1小于D2。
以上所述的分梯段金属屈服耗能型隔震装置，如图9、图10所示，上连接板2的四周各有一块凸起的矩形钢板，其上预设螺栓孔，用于固定U形钢阻尼器4；下连接板3的四周各有三块等间距分布的凸起的矩形钢板，其上也预设螺栓孔，用于固定挡推机构5。
以上所述的分梯段金属屈服耗能型隔震装置，如图9所示，所述的上连接板2的中央位置设有一圈螺栓孔，用于固定天然橡胶支座1，四周各有一块凸起的带孔的矩形钢板，用于固定U形钢阻尼器4。
以上所述的分梯段金属屈服耗能型隔震装置，如图10所示，所述的下连接板3的中央位置也设有一圈螺栓孔，用于固定天然橡胶支座1，四周各有三块凸起的等间距分布的带孔的矩形钢板，用于固定挡推机构5。
以上所述的分梯段金属屈服耗能型隔震装置的安装方法，如图1~图10所示，其步骤为：
（1）将天然橡胶支座1通过高强螺栓固定在上连接板2和下连接板3的中心区域，将挡推机构5通过高强螺栓固定在下连接板3上；
（2）在上连接板2的四周固定四组U形钢阻尼器4，每组包括一个第一U形钢阻尼器4-1和两个第二U形钢阻尼器4-2，第一U形钢阻尼器4-1布置在中间，第二U形钢阻尼器4-2布置在两侧，均垂直上下连接板且沿其中心线两侧对称布置；
（3）将上述组装的隔震装置放置实际结构中，将装置的上连接板2、下连接板3分别与上预埋板8、下预埋板9通过高强螺栓及预埋套筒10固定连接，再将上预埋板8、下预埋板9分别与上支墩6、下支墩7的钢筋笼通过焊接固定并进行整体浇筑。
以上所述的分梯段金属屈服耗能型隔震装置的安装方法，上连接板2、下连接板3均由普通钢板制作，第一U形钢阻尼器4-1和第二U形钢阻尼器4-2均由锰钢制作，第一U形钢阻尼器4-1的变形能力大于第二U形钢阻尼器4-2的变形能力，第二U形钢阻尼器4-2的屈服力大于第一U形钢阻尼器4-1的屈服力。
本发明中U形钢阻尼器4始终在U形平面内发生受拉或受压变形，几乎不会发生U形平面外的压-扭或拉-扭变形。即当结构沿纵向或横向移动时，由于垂直运动方向布置的两组U形钢阻尼器4的端板在挡推机构5内可水平移动，所以只在运动方向上布设的两组U形钢阻尼器4发挥作用；当结构沿任意方向移动时，由于钢板的摩擦系数较小，端板与挡推机构5几乎为光滑接触，所以正交布设的四组U形钢阻尼器4之间的相互约束很小，从而保证了U形钢阻尼器4几乎处于单向受拉或受压变形状态。
本发明装置可实现分梯段耗能的功能，现以隔震结构发生横向运动为例，对其设计目标和分梯段耗能的工作机理进行详细说明：
地震作用下，隔震结构的变形主要集中在隔震层，而上部结构几乎处于整体平动状态。小震作用下，上部结构的水平位移较小，此时隔震层仅依靠天然橡胶支座1发生弹性变形进行耗能；当水平位移继续增大且等于D1时，第一U形钢阻尼器4-1的端板首先与挡推机构5接触，此时沿横向布设的两个第一U形钢阻尼器4-1同时被“卡住”，开始发挥作用，将协同天然橡胶支座1共同耗能。在中震作用下，上部结构将产生较大的水平位移，两个第一U形钢阻尼器4-1首先发生弹性变形并充分耗能，当水平位移继续增大且等于D2时，第二U形钢阻尼器4-2的端板与挡推机构5接触，此时同方向布设的四个第二U形钢阻尼器4-2同时也被“卡住”，也开始发挥作用，产生弹性变形并协同天然橡胶支座1、第一U形钢阻尼器4-1共同变形、耗能；中震阶段第一U形钢阻尼器4-1可能会进入弹塑性变形耗能状态，但第二U形钢阻尼器4-2仅处于弹性耗能状态。在大震或极大震作用下，上部结构的水平位移很大，此时沿横向布设的六个U形钢阻尼器与天然橡胶支座1协同工作、共同耗能；位移过大时第一U形钢阻尼器4-1将发生塑性变形，甚至发生塑性破坏并退出工作，第二U形钢阻尼器4-2将发生弹塑性变形，甚至进入塑性变形状态，但不能发生塑性破坏，防止天然橡胶支座1的水平位移超限而发生破坏。结构沿纵向移动时该装置的工作原理与横向完全相同。结构沿任意方向移动时，因为上下连接板不会发生板平面内的转动，所以可将结构沿任意方向的平动分解为结构沿纵向和横向的平动，又正交布设的阻尼器之间相互约束很小，故其工作原理与结构沿纵向或横向发生平动时亦相同。
按照上述要求施工完毕后，该装置才能发挥作用。如图3、图6所示，由于第一U形钢阻尼器4-1的两端板距挡推机构5前后两侧钢板的距离D1相同且较小，第二U形钢阻尼器4-2的端板距挡推机构5前后两侧钢板的距离D2相同且较大，上部结构发生平动时，U形钢阻尼器4也随上连接板2一起发生平动，当水平位移等于D1时，第一U形钢阻尼器4-1的端板与挡推机构5接触，首先被“卡住”，开始发挥作用；当水平位移继续增大且等于D2时，第二U形钢阻尼器4-2也被“卡住”，也开始发挥作用，将协同天然橡胶支座1、第一U形钢阻尼器4-1共同变形、耗能，从而起到控制隔震层变形过大，保护隔震结构的作用。

Claims (6)

1.分梯段金属屈服耗能型隔震装置，包括天然橡胶支座（1）、上连接板（2）、下连接板（3）、U形钢阻尼器（4）、挡推机构（5），其特征在于相互平行的上连接板（2）和下连接板（3）的中心区域固定天然橡胶支座（1），上连接板（2）和下连接板（3）的四周布设四组U形钢阻尼器（4），U形钢阻尼器（4）的上端设连接板与上连接板（2）通过高强螺栓固定连接，U形钢阻尼器（4）中部弯曲成U形，下端与挡推机构（5）嵌套连接；每组U形钢阻尼器（4）包括一个第一U形钢阻尼器（4-1）和两个第二U形钢阻尼器（4-2），第一U形钢阻尼器（4-1）布置在中间，第二U形钢阻尼器（4-2）布置在两侧，均垂直上下连接板且沿上下连接板中心线两侧对称布置；挡推机构（5）是一个截面为矩形的钢槽，在靠近U形钢阻尼器（4）U形段一侧的钢槽侧壁的中间水平位置开设矩形长孔，U形钢阻尼器（4）下部的端板通过矩形长孔嵌入钢槽内部，钢槽底板与下连接板（3）通过高强螺栓固定连接；第一U形钢阻尼器（4-1）的下端设有两个端板，靠近前侧钢板的端板距离挡推机构（5）前侧钢板的距离D1和靠近后侧钢板的端板距离挡推机构（5）后侧钢板的距离D1相同，第二U形钢阻尼器（4-2）只有一个端板，端板距挡推机构（5）前后两侧钢板的距离D2也相同，且D1小于D2。
2.根据权利要求1所述的分梯段金属屈服耗能型隔震装置，其特征在于上连接板（2）的四周各有一块凸起的矩形钢板，上连接板（2）上预设螺栓孔，用于固定U形钢阻尼器（4）；下连接板（3）的四周各有三块等间距分布的凸起的矩形钢板，下连接板（3）上也预设螺栓孔，用于固定挡推机构（5）。
3.根据权利要求1所述的分梯段金属屈服耗能型隔震装置，其特征在于所述的上连接板（2）的中央位置设有一圈螺栓孔，用于固定天然橡胶支座（1），四周各有一块凸起的带孔的矩形钢板，用于固定U形钢阻尼器（4）。
4.根据权利要求1所述的分梯段金属屈服耗能型隔震装置，其特征在于所述的下连接板（3）的中央位置也设有一圈螺栓孔，用于固定天然橡胶支座（1），四周各有三块凸起的等间距分布的带孔的矩形钢板，用于固定挡推机构（5）。
5.权利要求1所述的分梯段金属屈服耗能型隔震装置的安装方法，其特征在于，分梯段金属屈服耗能型隔震装置的安装步骤为：
（1）将天然橡胶支座（1）通过高强螺栓固定在上连接板（2）和下连接板（3）的中心区域，将挡推机构（5）通过高强螺栓固定在下连接板（3）上；
（2）在上连接板（2）的四周固定四组U形钢阻尼器（4），每组包括一个第一U形钢阻尼器（4-1）和两个第二U形钢阻尼器（4-2），第一U形钢阻尼器（4-1）布置在中间，第二U形钢阻尼器（4-2）布置在两侧，均垂直上下连接板且沿上下连接板中心线两侧对称布置；
（3）将上述组装的隔震装置放置实际结构中，将装置的上连接板（2）、下连接板（3）分别与上预埋板（8）、下预埋板（9）通过高强螺栓及预埋套筒（10）固定连接，再将上预埋板（8）、下预埋板（9）分别与上支墩（6）、下支墩（7）的钢筋笼通过焊接固定并进行整体浇筑。
6.根据权利要求5所述的分梯段金属屈服耗能型隔震装置的安装方法，其特征在于上连接板（2）、下连接板（3）均由普通钢板制作，第一U形钢阻尼器（4-1）和第二U形钢阻尼器（4-2）均由锰钢制作，第一U形钢阻尼器（4-1）的变形能力大于第二U形钢阻尼器（4-2）的变形能力，第二U形钢阻尼器（4-2）的屈服力大于第一U形钢阻尼器（4-1）的屈服力。
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