CN115749406A - 一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座，基座的中心空腔有一可提供水平滑块套筒滑动的曲面，将曲面轴向杆、水平滑块套筒与协调弹簧组装成一个整体，与基座和顶板协同工作在一起，提供水平方向的自复位及耗能功能。在基座靠近外侧的内部空腔中，放置抗摇摆联动滑块，将竖向受压隔震弹簧夹在二者之间，起到限位及传递竖向荷载的作用。顶板内置于抗摇摆联动滑块的上部空间内，能够限制顶板绕支座任意水平轴线方向的转动，起到抗摇摆的作用。受拉隔震弹簧放置于抗摇摆联动滑块的顶面，并通过底部固定螺栓将外层套筒与基座安装在一起。本发明构造简单，易于加工和制作，有较强的工程实际应用意义。

Description

一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座

技术领域

本发明属于土木工程领域的房屋、桥梁、大跨度钢结构等建筑结构减隔震控制技术领域，具体来说涉及一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座。

背景技术

我国是一个地震频发的国家，地震灾害对人民的生命和财产安全造成了无法挽回的损失，而性能可靠的减隔震装置能够有效减轻震害的影响。减隔震装置的隔震原理在于其能够延长结构的自振周期，从而错开地震动的卓越周期，起到减轻地震动对建筑结构共振的作用。

地震对建筑结构的作用简单来说分为水平地震作用和竖向地震作用。而大多数现有减隔震支座只具有水平隔震的功能，但是对于一些特殊结构，例如大跨度空间结构、大跨度桥梁等建筑结构，其竖向地震作用不可忽略。现有的一些减隔震支座虽然具有三维减隔震能力，但是承载能力偏低、构造比较复杂。

在实际中，建筑结构会将弯矩和集中力传递给减隔震支座，其中弯矩会起到让支座产生转动的效果，但是橡胶支座、摩擦摆等常见的隔震支座无法提供足够的转动刚度。这会导致支座顶面产生转动，尤其是传统的摩擦摆支座，抵抗转动的能力非常弱，在动力作用下支座顶面可能会出现一定的摇摆现象。并且这些支座也不具备竖向隔震的效果。

在建筑结构设计中，一般将地震对建筑结构的作用理想化为水平方向和竖直方向的作用，但是实际地震对建筑结构的作用是不规律的，承重柱对支座顶面的作用也是不断变化的，偏心作用的方向也在不断变化，现有三维减隔震支座在地震力的作用下，支座的顶面会出现左右不规则的转动和“摇摆”，这降低了工程师对建筑结构在地震作用下的控制程度。并且，支座顶面的“摇摆”现象也会增加施工和维护的难度。

公告号为CN110029736A的中国发明专利公开了一种异形三维隔震支座，设于需要隔震的上下部结构之间，包括：底板，与下部结构连接；至少两个异形支座，由平行的上下封板夹着第一弹性块构成；上、下部连接角块，具有水平的底面和倾斜的顶面，且当上部连接角块倒置与下部连接角块叠加时，底面平行；水平支座，由上下板夹着第二弹性块构成；滑动面板；上部连接角块倒置地依次与异形支座和下部连接角块连接在一起后、呈中心对称分布地固定支承在底板上，滑动面板固定在倒置的上部连接角块的底面上，水平支座垂直可绕中心对称线回转地支承在滑动面板上且接触面采用摩擦材料。

公告号为CN107604810A的中国发明专利公开了一种自复位摩擦摆三维减隔震支座，在所述的下支座板的中部设有一个凹形盲孔，在该凹形盲孔的底部设有减震层与竖向减震弹簧，竖向减震弹簧的上部连接球面滑板，在球面滑板的上部设有铰接滑块，铰接滑块的上部球面位于上支座板下部的滑块容腔中；在下支座板上部的周边设有反力板，水平减震弹簧位于反力板与滑块容腔外周壁之间。

上述技术均不具备抗“摇摆”的功能，支座顶面均可沿顶面形心主轴方向发生不同程度的转动。

发明内容

现有技术中存在的问题，本发明提出一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座，在动力作用下能够保证支座的顶面只发生水平和竖向的线位移，不会产生摇摆的现象。

如图1所示，该支座包括抗摇摆联动滑块、顶板、曲面轴向杆、水平滑块套筒、协调弹簧、基座、竖向受压隔震弹簧、竖向受拉隔震弹簧、外层套筒和底部固定螺栓。其中，抗摇摆联动滑块与基座组合在一起使用时，能够保证抗摇摆联动滑块只发生沿着支座轴向的线位移，并且抗摇摆联动滑块的上部构造约束了顶板的转动。所以，支座中顶板的运动状态只能以线位移为主。同时也解决了支座在动力作用下，其顶板发生水平运动时，协调弹簧能够解决顶板向上运动而导致的水平滑块套筒滑动受限的问题。另外，环形弹簧承载能力强且具备一定的耗能能力，故选用环形弹簧为主要的竖向隔震元件。

当地震发生时，顶板的运动状态可分解为水平线位移及竖向线位移。当顶板产生竖向线位移时，顶板将所承受的一部分竖向荷载传递给抗摇摆联动滑块，随后又通过竖向受压隔震弹簧传递给基座，再由基座传递给支座底部的其他支承体系；另一部分竖向荷载可由顶板传递给曲面轴向杆，并由协调弹簧将曲面轴向杆所承受的竖向荷载传递给水平滑块套筒，再传递给基座。在此过程中，竖向受压隔震弹簧和协调弹簧处于压缩变形的运动状态，环形弹簧能够将一部分机械能通过摩擦的形式转变为热能，故能起到消耗竖向地震动能量的作用。另外，可根据工程实际需要设计好抗摇摆联动滑块底面与基座内表面之间的距离，在竖向荷载过大时，二者可直接接触并传递一部分竖向荷载，可起到保护竖向受压隔震弹簧的作用。

当顶板产生水平线位移时，顶板与曲面轴向杆的球形滑动面上存在一定的摩擦力，可以将水平荷载传递给曲面轴向杆；水平滑块套筒可允许曲面轴向杆产生轴向的运动，但是却限制了其相对于水平滑块套筒的水平运动，故曲面轴向杆将水平荷载传递给了水平滑块套筒。随后，水平滑块套筒与基座的球形接触面上存在一定的摩擦力，可将水平荷载传递给基座。在水平荷载的传递过程中，顶板与曲面轴向杆、水平滑块套筒与基座之间会产生摩擦，一部分机械能会转化为滑动过程中的热能，具备一定的耗能能力。另外可以设计好顶板侧面与抗摇摆联动滑块之间的距离，可以起到控制支座中顶板水平位移行程的作用。

所述支座也提供了抗拔的功能。当支座顶板产生竖向线位移时，顶板带动抗摇摆联动滑块一起向上运动，此时会挤压外层套筒与抗摇摆联动滑块之间的环形弹簧，能够起到一定的缓冲作用。

优选的是，所述协调弹簧优先采用环形弹簧。

在上述任一方案中优选的是，所述顶板与抗摇摆联动滑块之间、抗摇摆联动滑块与外层套筒之间、抗摇摆联动滑块与基座之间、曲面轴向杆与水平滑块套筒之间涂有一定的润滑剂。

在上述任一方案中优选的是，所述顶板与曲面轴向杆之间、曲面轴向杆与基座之间的滑动面上均涂有聚四氟乙烯摩擦材料或其他摩擦材料。

附图说明

图1为按照本发明的一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座的半结构三维示意图。

图2为按照本发明的一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座的剖面结构的平面示意图。

图3为按照本发明的图1所示的一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座中抗摇摆联动滑块的剖面结构示意图。

图4为按照本发明的图1所示的一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座中的曲面轴向杆件(3)。

图5为按照本发明的图1所示的一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座中的水平滑块套筒(4)。

图6为按照本发明的图1所示的一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座中的基座(6)。

图7为按照本发明的图1所示的一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座中的三维分解示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

实施例一：

本发明提供一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座，该支座包括：抗摇摆联动滑块(1)、顶板(2)、曲面轴向杆(3)、水平滑块套筒(4)、协调弹簧(5)、基座(6)、竖向受压隔震弹簧(7)、竖向受拉隔震弹簧(8)、外层套筒(9)和底部固定螺栓(10)，如图1和图2所示。

在加工和制作各个组成部分的过程中，其主要的技术难点在于抗摇摆联动滑块(1)的制作及抗摇摆联动滑块(1)和顶板(2)之间的安装。下面提出一种解决该技术难点的基本思路，先将抗摇摆联动滑块(1)拆分为多个规格不相同的开孔圆形钢板及钢管，随后在这些钢板和钢管焊接成抗摇摆联动滑块(1)的过程中，将抗摇摆联动滑块(1)和顶板(2)安装在一起。下面详细阐述解决该技术难点的实施过程。如图3所示，将联动滑块第三排外侧开孔钢板(21)和联动滑块第三排内侧钢板(22)分别焊接在联动滑块底部钢管(23)的外侧表面及内侧表面。注意，联动滑块第三排外侧开孔钢板(21)的内径与联动滑块底部钢管(23)的外径相同，联动滑块第三排内侧钢板(22)的外径与联动滑块底部钢管(23)的内径相同；并且焊接完成后，联动滑块第三排外侧开孔钢板(21)和联动滑块第三排内侧钢板(22)处于同一平面。接下来在联动滑块底部钢管(23)的顶面上焊接联动滑块第二排开孔钢板(19)，焊接完成后，将在联动滑块顶部钢管(20)再焊接到联动滑块第二排开孔钢板(19)上。完成该步骤后，注意接下来要将顶板(2)，放置在联动滑块第二排开孔钢板(19)上，再焊接联动滑块顶面钢板(18)。其中，联动滑块顶面开孔钢板(18)、联动滑块顶部钢管(20)和联动滑块第二排开孔钢板(19)的外径相同。此时，已经将抗摇摆联动滑块(1)与顶板(2)安装完毕。

接下来将轴向杆顶板(11)、轴向杆上板(12)和轴向杆下板(13)焊接在轴向杆(14)上，从而得到曲面轴向杆(3)，如图4所示。将水平滑块外层钢管(15)套在水平滑块内层钢管(16)的外侧，并将二者焊接在水平滑块底板(17)上，此时水平滑块套筒(4)制作完毕，如图5所示。

接下来制作曲面轴向杆(3)。将带有一定弧面的轴向杆顶板(11)、轴向杆上板(12)和轴向杆下板(13)焊接到轴向杆(14)上。其中，轴向杆上板(12)和轴向杆下板(13)均为中心处开孔的圆形刚板，其孔径大小与轴向杆(14)的直径相同。

将制作好的水平滑块套筒(4)安置在基座(6)内部的弧形滑动面上，注意基座(4)的底面与基座(6)内部的弧形滑动面具有相同的曲率半径。在水平滑块套筒(4)的内部空腔中放置协调弹簧(5)，并将曲面轴向杆(3)放置在协调弹簧(5)上。其中，基座(6)示意图如图6所示。

在基座(6)的内部放置竖向受压隔震弹簧(7)后，将抗摇摆联动滑块(1)放置在曲面轴向杆(3)上。另外，联动滑块(1)的底部能够***基座(6)底部的环状空腔中。注意，在此安装步骤中顶板(2)已经与抗摇摆联动滑块(1)组装在一起。

将竖向受拉隔震弹簧(8)放在抗摇摆联动滑块(1)的顶面上，并通过底部固定螺栓(10)将外层套筒(9)与基座(6)安装在一起。为帮助理解，所述支座的三维分解示意图如图7所示。

在本实施例中，所述顶板(2)与曲面轴向杆(3)之间的滑动面上、曲面轴向杆(3)与基座(6)之间的滑动面上均涂有聚四氟乙烯摩擦材料或其他摩擦材料。

在本实施例中，所述顶板(2)与抗摇摆联动滑块(1)之间的接触面上、抗摇摆联动滑块(1)与基座(6)之间的接触面上、曲面轴向杆(3)与水平滑块套筒(4)之间的接触面上、外层套筒(9)与抗摇摆联动滑块(1)之间的接触面上均涂有润滑剂。

在本实施例中，所述协调弹簧(5)、竖向受压隔震弹簧(7)和竖向受拉隔震弹簧(8)涂有润滑剂，保证不出现自锁现象。

实施例二：

一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座，与实施例一不同的是：在本实施例中，所述协调弹簧(5)采用螺旋弹簧。

实施例三：

一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座，与实施例一不同的是：在本实施例中，所述协调弹簧(5)采用碟形弹簧。

实施例四：

一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座，与实施例一不同的是：在本实施例中，去掉所述受拉隔震弹簧(8)。在支座受拉时，外层套筒(9)与抗摇摆联动滑块(1)直接接触，将竖向受拉荷载直接传递给外层套筒(9)。

本领域技术人员不难理解，本发明的一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座包括本说明书中各部分的任意组合。限于篇幅且为了使说明书的简明，在此没有将这些组合一一详细地介绍，但看过本说明书后，由本说明书构成的各部分的任意组合构成的本发明的范围已经不言自明，因此不加赘述。

Claims (10)

1.一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座，其特征在于：该支座由抗摇摆联动滑块(1)、顶板(2)、曲面轴向杆(3)、水平滑块套筒(4)、协调弹簧(5)、基座(6)、竖向受压隔震弹簧(7)、竖向受拉隔震弹簧(8)、外层套筒(9)和底部固定螺栓(10)组成；其中，基座(6)有两个内部空腔，其中一个空腔的位置靠近外侧；另外一个空腔位于中心处，该中心处空腔的底部为一个球形滑动面；曲面轴向杆(3)、协调弹簧(5)和水平滑块套筒(4)组合成一个整体后，放置于基座(6)的球形滑动面上；竖向受压隔震弹簧(7)放置于基座(6)外侧的内部空腔内；抗摇摆联动滑块(1)和顶板(2)组合在一起安置于基座(6)及将曲面轴向杆(3)顶面上；竖向受拉隔震弹簧(8)放置于抗摇摆联动滑块(1)的顶面上，外层套筒(9)通过底部固定螺栓(10)固定于基座(6)上。

2.如权利要求1所述的一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座，其特征在于：所述曲面轴向杆(3)由轴向杆顶板(11)、轴向杆上板(12)、轴向杆下板(13)和轴向杆(14)通过焊接的方式固定在一起，并注意焊接时要保证各个部分中心轴重合；轴向杆顶板(11)为带有一定弧度的曲面刚板；轴向杆上板(12)和轴向杆下板(13)均为中心处开孔的圆形刚板，其孔径大小与轴向杆(14)的直径相同。

3.如权利要求1所述的一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座，其特征在于：所述水平滑块套筒(4)由水平滑块外层钢管(15)、水平滑块内层钢管(16)和水平滑块底板焊接在一起得到，焊接时各个部分中心轴重合；水平滑块外层钢管(15)的内径与水平滑块内层钢管(16)的外径一致，且水平滑块外层钢管(15)的高度大于水平滑块内层钢管(16)的高度；水平滑块底板(17)为带有一定弧度的曲面钢板，且为圆形。

4.如权利要求1所述的一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座，其特征在于：所述抗摇摆联动滑块(1)由联动滑块顶面开孔钢板(18)、联动滑块第二排开孔钢板(19)、联动滑块顶部钢管(20)、联动滑块第三排外侧开孔钢板(21)、联动滑块第三排内侧钢板(22)和联动滑块底部钢管(23)焊接而成；其中，联动滑块顶面钢板(18)与联动滑块第二排钢板(19)将联动滑块顶部钢管(20)夹在中间，并焊接在一起，另外三者的外径相同；随后将联动滑块第三排外侧开孔钢板(21)焊接在联动滑块底部钢管(23)的外侧表面上，将联动滑块第三排内侧钢板(22)焊接于联动滑块底部钢管(23)的内部，并保证联动滑块第三排外侧开孔钢板(21)和联动滑块第三排内侧钢板(22)处于同一平面；另外，联动滑块第三排外侧开孔钢板(21)的内径与联动滑块底部钢管(23)的外径相同，联动滑块第三排内侧钢板(22)的外径与联动滑块底部钢管(23)的内径相同；所述联动滑块顶面开孔钢板(18)、联动滑块第二排开孔钢板(19)、联动滑块第三排外侧开孔钢板(21)、联动滑块第三排内侧钢板(22)均为中心开孔的圆形钢板。

5.如权利要求1或4所述的一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座，其特征在于：所述抗摇摆联动滑块(1)在加工时，顶板(2)就已经安置于其上部的空间内，随后再对抗摇摆联动滑块(1)进行焊接。

6.如权利要求1所述的一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座，其特征在于：所述顶板(2)与建筑结构支承体系连接并固定，能够将外部荷载传递给支座，当顶板发生水平方向的位移分量时，顶板(2)与曲面轴向杆(3)之间的接触面上存在一定的摩擦力，能够将水平荷载分量传递给曲面轴向杆(3)；水平滑块套筒(4)内部空腔中的上部内径和下部内径分别与曲面轴向杆(3)中的轴向杆上板(12)和轴向杆下板(13)的外径相同，保证水平滑块套筒(4)与曲面轴向杆(3)之间能够传递水平荷载且不会产生水平方向的相对线位移；水平滑块套筒(4)与基座(6)之间的接触面上存在摩擦力，且能够产生相对滑动；故外部的水平荷载分量输入到顶板(2)时，该水平荷载主要以摩擦力的形式传递给曲面轴向杆(3)，随后传递给水平滑块套筒(4)，再由套筒(4)与基座(6)接触面上的摩擦力传递给基座(6)；又因为顶板(2)与曲面轴向杆(3)之间、水平滑块套筒(4)与基座(6)之间的接触面为带有一定弧度的球形滑动面，当发生水平运动时，能够产生水平方向恢复力，该恢复力即为支座的自复位能力；两对接触面上存在摩擦力，能够将一部分机械能转化为热能，这为支座提供了水平耗能的功能。

7.如权利要求1所述的一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座，其特征在于：所述曲面轴向杆(3)与水平滑块套筒(4)之间有协调弹簧(5)，其作用为能够让曲面轴向杆(3)与水平滑块套筒(4)产生相对的压缩位移，能够让水平滑块套筒(4)更顺畅的滑动，为支座的各个部件之间增加协调性；如果没有协调弹簧(5)，曲面轴向杆(3)与水平滑块套筒(4)之间不会发生任何的相对位移，当水平滑块套筒(4)发生水平运动时，水平滑块套筒(4)会带动曲面轴向杆(3)顶升顶板(2)，水平滑块套筒(4)在运动时会导致曲面轴向杆(3)的顶面不在原来的水平面内，相对于原来的水平面产生向上的位移，支座所承受的竖向荷载非常大，支座大部分处于受压状态，会限制曲面轴向杆(3)向上运动的趋势，从而导致水平滑块套筒(4)的滑动受阻，最终削弱了支座水平方向隔震和耗能的能力；能够被压缩的协调弹簧(5)能够让曲面轴向杆(3)与水平滑块套筒(4)之间产生轴向的线位移，削减在水平滑块套筒(4)在运动时带动曲面轴向杆(3)向上顶升的行为，增加了水平滑块套筒(4)的滑动能力，保证了其水平运动的协调性。

8.如权利要求1所述的一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座，其特征在于：所述顶板(2)在外部水平荷载作用下导致水平分量位移过大时，顶板(2)的侧面会与抗摇摆联动滑块(1)的内壁接触，限制其过大的位移量，能够起到一定的保护作用。

9.如权利要求1所述的一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座，其特征在于：所述顶板(2)在受到外部竖向荷载分量时，会将荷载传递给抗摇摆联动滑块(1)，并借助竖向受压隔震弹簧(7)将竖向荷载分量传递给基座(6)；另外，当竖向位移过大时，抗摇摆联动滑块(1)的底面会直接与基座(6)的内壁接触，限制过大的竖向位移，起到保护支座的作用。

10.如权利要求1所述的一种自复位抗摇摆三维隔震摩擦摆支座，其特征在于：

当顶板(2)在外部荷载的作用下受拉时，会带动抗摇摆联动滑块(1)挤压竖向受拉隔震弹簧(8)，并由竖向受拉隔震弹簧(8)将竖向受拉荷载传递给外层套筒(9)，再由外层套筒(9)将荷载通过底部固定螺栓(10)传递给基座(6)；此时竖向受拉隔震弹簧(8)处于压缩状态，能够提供一定的隔震和耗能能力；

所述顶板(2)与抗摇摆联动滑块(1)之间的接触面上、抗摇摆联动滑块(1)与基座(6)之间的接触面上、曲面轴向杆(3)与水平滑块套筒(4)之间的接触面上、外层套筒(9)与抗摇摆联动滑块(1)之间的接触面上均涂有润滑剂；

当顶板(2)在受到弯矩的作用时，其运动趋势为绕着某个水平轴旋转；因抗摇摆联动滑块(1)与基座(6)之间相互接触，并且只能发生相对的竖向位移，不能发生相对转动，所以抗摇摆联动滑块(1)会限制顶板的转动和摇摆，并将该弯矩荷载传递给基座(6)；

所述竖向受压隔震弹簧(7)和竖向受拉隔震弹簧(8)为环形弹簧，在受压时不但能够提供极大的反力，而且能在弹簧对之间的接触面上产生摩擦，将一部分机械能转化为热能，能到耗能的作用。

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