一种可预设竖向初始刚度的三维隔震支座的制作方法

本发明涉及一种建筑防振动(或震动)装置，具体涉及一种由夹层钢板橡胶垫与竖向隔震支座串联的三维隔震装置。

背景技术：

隔震装置是设在建筑与基础之间的防震隔离装置。早期的隔震装置主要是由橡胶与薄钢板交替叠合构成的二维隔震支座(叠层橡胶隔震支座)，只能隔离地震波的水平分量。随着人们对地震多维特性认识的提高，三维隔震装置逐渐受到本领域研究者的重视。最常见的三维隔震装置就是由叠层橡胶隔震支座与既有的竖向隔震支座串联而成。

公开号为CN 102409777 A的发明专利申请公开了一种结构三维隔震和抗倾覆装置，该装置的主体机构由叠层橡胶隔震支座14与弹簧隔震支座15串联构成，所述主体结构的上、下侧分别设置有上连接板1和下连接板18，其特征在于：所述上连接板1和下连接板18之间设置有绕主体结构四周错位均布的抗拉钢丝绳16，所述抗拉钢丝绳16沿水平方向的极限变形量大于主体机构的水平剪切弹性变形量。该专利申请所述方案虽然可提高三维隔震装置的抗拉强度,以抵御地震中高层建筑物的摇摆甚至倾覆所产生的巨大拉力，但仍然存在以下的不足：1、所述的弹簧隔震支座只能压缩耗能减震，不能拉伸耗能减震；2、所述的弹簧隔震支座不能预设初始刚度，不便于预设地震烈度降低隔震成本。

公开号为CN1932324A的发明专利申请公开了一种“可调节碟形弹簧机械式减震阻尼器”，该阻尼器包括外壳、设在外壳内的载荷连接杆和两组碟形弹簧，所述，所述载荷连接杆的中部设有与之固连的调节齿轮，所述调节齿轮两 侧的载荷连接杆上分别设有与载荷连接杆螺纹配合的左旋螺母和右旋螺母，所述两组碟形弹簧分别设在所述左旋螺母和右旋螺母的外侧，并分别被夹持在所述左旋螺母或右旋螺母与外壳端部的封板之间。只需拨转载荷连接杆上的调节齿轮，使所述左旋螺母和右旋螺母相互靠拢或远离即可调节两组碟形弹簧的预紧力从而调节阻尼器的阻尼系数，以满足不同频率和不同振幅的使用需求。然而该发明仍具有如下不足：1、所述载荷连接杆是在两组碟形弹簧的共同作用下保持平衡的，两组碟形弹簧的预紧力虽然能够调节，但是无论如何调节，两组碟形弹簧对载荷连接杆的作用力都是一组大小相等，方向相反的力，只需在载荷连接杆上施加任何外力都会破坏这种平衡，使两组碟形弹簧发生变形，所以所述的阻尼器无法预设初始刚度；2、该发明中必须配合使用两组碟形弹簧，才能在阻尼器受到压或拉荷载时都提供阻尼，这不仅造成了一定的浪费，还使得阻尼器的长度大大的增加。

公开号为CN101457553A的发明专利申请公开了一种“弹簧刚度可调式调谐质量减振器”，该减振器是一种复合阻尼器，通过改变质量块的厚度改变其特征频率，通过改变粘滞阻尼器的工作介质的流量改变其阻尼比，通过改变弹簧的有效工作长度改变其刚度，其中改变弹簧的有效工作长度的手段有三种，一是采用固化材料将弹簧位于固化筒内的一段固化，二是往螺旋弹簧的中心内塞入约束块，并二者过盈配合，使与约束块接触的一段弹簧失效，三是在约束块表面设置螺旋状凸起，将螺旋状凸起卡在弹簧丝之间，使弹簧丝之间卡有螺旋状凸起的一段弹簧失效。由此可见，该专利申请方案中的弹簧虽然可改变刚度，但所述的弹簧不仅有效工作长度明显缩短，而且只能压缩耗能减振，不能拉伸耗能减振。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种可预设竖向初始刚度的三维隔震支座，该三维隔震装置既可压缩耗能减振，又可拉伸耗能减振；而且还保持了竖向隔震支座中弹簧的有效工作长度。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种可预设竖向初始刚度的三维隔震支座，该三维隔震装置包括上下依次串接的叠层橡胶隔震支座和竖向隔震支座；其中，

所述的叠层橡胶隔震支座包括上连接板、下连接板、夹持在上下连接板之间的叠层橡胶垫和至少三根均布在叠层橡胶垫四周的抗拉钢丝绳；所述抗拉钢丝绳的一头固定在上连接板上，另一头固定在下连接板上，且上下两固定点的连线平行于所述叠层橡胶垫的中轴线；

所述的竖向隔震支座包括底座，该底座的上表面设有向上延伸的导向套；所述导向套内部同轴设有弹簧，该弹簧的上头设有驱动压板；所述的叠层橡胶隔震支座的下连接板下表面的中部向所述导向套内凹陷形成一凸起，该凸起与所述的驱动压板固定连接；

其特征在于，

所述的弹簧为橡胶空气弹簧，该橡胶空气弹簧的外径小于导向套的内径，二者之间形成一环形空间；

所述竖向隔震支座的导向套内还设有反压装置；所述反压装置包括三根以上的预压钢丝绳、与预压钢丝绳数量相等的钢丝绳变向元件和一块浮动反压钢板，其中，

所述的浮动反压钢板设在橡胶空气弹簧与底座之间；

所述的钢丝绳变向元件绕所述的导向套的轴线对称固定所述的驱动压板上；

所述预压钢丝绳以折线状态分布在所述的环形空间内，且每一根预压钢丝绳的一头绕所述的导向套的轴线对称固定在浮动反压钢板上，另一头穿绕过相对的一个钢丝绳变向元件后折回，然后从该预压钢丝绳在浮动反压钢板上的固定点旁穿过浮动反压钢板固定在所述底座上；所述的浮动反压钢板上，在每一根预压钢丝绳穿过位置均设有穿过预压钢丝绳的通孔，该通孔的孔径大于所述预压钢丝绳的直径；

所述的导向套与驱动压板及浮动反压钢板之间分别采用动配合；

将预压钢丝绳张紧至预设竖向初始刚度所需张力，使所述的橡胶空气弹簧始终夹持在驱动压板与浮动反压钢板之间；

将所述抗拉钢丝绳张紧为叠层橡胶垫提供等于设计静载荷的预压力。

上述三维隔震支座竖向隔震的工作原理如下：当竖向动载荷沿导向套的轴线相对作用时，压力经由叠层橡胶隔震支座传递到驱动压板，使之下移压缩橡胶空气弹簧；当动载荷沿导向套的轴线相背作用时，拉力经由抗拉钢丝绳传递到驱动压板，驱动压板上移，而预压钢丝绳则通过钢丝绳变向元件反向吊起浮动反压钢板压缩橡胶空气弹簧。由此可见，轴向动载荷无论相对还是相背作用在隔震支座上，都能压缩橡胶空气弹簧，使其发生弹性变形而耗能。

由上述工作原理可见，工作过程中所述的预压钢丝绳与所述浮动反压钢板上的通孔的孔壁不能产生摩擦，否则就会干扰浮动反压钢板的上下移动，因此所述通孔直径比所述预压钢丝绳的直径大多少，应以不干扰和影响浮动反压钢板的上下移动为宜。

上述方案中，所述的钢丝绳变向元件为常见的定滑轮或类似变向功能的吊环形构件，如吊环螺钉、U形构件等。

本发明所述的可预设竖向初始刚度的三维隔震支座，其中所述的预压钢丝 绳两头可采用焊接固定，也可采用类似吊环螺钉系接固定，但是，如果两头都采用焊接或吊环螺钉系接固定死，那么要达到预设初始刚度的目的，就必须预先计算并严格控制所述预压钢丝绳的长度才能预设张力，进而达到预设初始刚度的目的。但是，在实际生产调试过程中，要采用控制所述预压钢丝绳长度的方法达到预设初始刚度的目的则存在下述两大难题，一是焊接或系接的过程会产生误差，二是即使控制了焊接或系接的过程所产生误差，但钢丝绳在切断、放置过程中还会导致其特性参数的变化。为了解决上述技术难题，本发明的一个改进方案是：

所述竖向隔震支座的预压钢丝绳的另一头由钢丝绳自锁锚具固定在底座上；所述的钢丝绳自锁锚具由安装孔、夹爪和防松螺栓构成，其中，

所述的安装孔设在底座上；所述的安装孔由一段锥孔和一段螺纹孔组成，其中所述锥孔位于靠导向套的一侧，且尖头指向所述导向套内，所述螺纹孔位于远离导向套的另一侧；

所述的夹爪为与所述锥孔相匹配圆锥形，并由3～5瓣组成，其体内沿轴线设有夹持预压钢丝绳的装夹孔；

所述的防松螺栓与所述螺纹孔相匹配，且体内沿轴线设有直径大于相应的预压钢丝绳直径的圆孔；

所述的夹爪安装在所述锥孔内，防松螺栓安装在所述螺纹孔内。

由上述改进方案可见，将每一根预压钢丝绳的一头固定在浮动反压板上，另一头由所述的钢丝绳自锁锚具的装夹孔和圆孔中穿出，这样即可把露出的绳头系接在牵引张拉机上，在牵引张拉的同时采用张力检测仪监视张力。当所述预压钢丝绳张紧至预设初始刚度所需张力时，拧动防松螺栓即可推动所述夹爪将预压钢丝绳夹紧并锁死，即使预压钢丝绳在反复张弛的振动过程中也不会 松动。

为防止所述橡胶空气弹簧两头在所述驱动压板和浮动反压钢板上滑动，本发明的另一个改进方案是：所述驱动压板与浮动反压钢板相对的表面均设有一定位环，所述橡胶空气弹簧的两头分别嵌在所述定位环内。

本发明的可预设竖向初始刚度的三维隔震支座较现有技术具有以下效果：

(1)在竖直方向上，即可压缩耗能减震，又可拉伸耗能减震；能有效的耗减高层建筑物由于摇摆而对建筑基础产生的巨大拉力；且只需一只橡胶空气弹簧，竖向长度小，稳定性好。

(2)当竖向动载荷大于预设的竖向初始刚度的抵御能力后，本发明中竖向隔震支座的双向弹性变形对称，因此不因竖向载荷的正负方向的变化而影响其压缩变形耗能的效果；

(3)只要改变预压钢丝绳的长度即可改变整个支座的竖向初始刚度，外力在克服该初始刚度之前无法使隔振支座产生竖向变形，有效的抑制了建筑物在小地震和弱风振的作用下产生晃动，可预设建筑物的抗风防震等级，显著降低抗风防震成本；

(4)预设初始刚度过程中，所述橡胶空气弹簧的有效工作长度不变，不会改变橡胶空气弹簧原有的特性参数。

(5)可有效缓冲建筑的物摇晃趋势对建筑物基础产生的拉伸和压缩冲击，进一步降低建筑物倾覆的风险。

附图说明

图1～6为本发明所述三维隔震支座的一个具体实施例的结构示意图，其中，图1为主视图(图3的D—D旋转剖)，图2为图1的A—A剖视图(省略预压钢丝绳)，图3为图1的B—B剖视图(省略预压钢丝绳)，图4为图1的C—C剖视图(省略抗 拉钢丝绳)，图5为图1局部Ⅰ的结构放大图，图6为图1局部Ⅱ的结构放大图。

图7～12为本发明所述三维隔震支座的第二个具体实施例的结构示意图，其中，图7为主视图(剖视)，图8为图7的E—E剖视图(省略预压钢丝绳)，图9为图7的F—F剖视图(省略预压钢丝绳)，图10为图8的G—G剖视放大图，图11为图7局部Ⅲ的结构放大图，图12为图11的H—H剖视放大图。

图13～16为本发明所述三维隔震支座的的第三个具体实施例的结构示意图，其中，图13为主视图(剖视)，图14为图13的I—I剖视图(省略预压钢丝绳)，图15为图13的J—J剖视图(省略预压钢丝绳)，图16为图13局部Ⅳ的结构放大图。

具体实施方式

例1

参见图1，本例中的三维隔震支座由上下串联的叠层橡胶隔震支座和竖向隔震支座组成。

参见图1和图4，所述的叠层橡胶隔震支座包括上连接板15、下连接板8、夹持在上下连接板之间的叠层橡胶垫17和六根抗拉钢丝绳16；其中，所述的上连接板15和下连接板8均呈圆盘状，上连接板15的边缘设有安装孔6；所述叠层橡胶垫17的主体由一层橡胶17-1与一层钢板17-2交替叠合后模压硫化构成，且在模压硫化的过程中其周边自然形成橡胶保护层17-3。所述叠层橡胶垫17主体的上下两端面均设有联结钢板17-4，所述两块联结钢板17-4分别与上连接板15和下连接板8通过螺栓固定在一起。所述的六根抗拉钢丝绳16绕叠层橡胶垫17的中轴线对称分布在其四周，每一根抗拉钢丝绳16的一头由吊环螺钉10固定在上连接板15上，另一头由吊环螺钉10固定在下连接板8上。每一根抗拉钢丝绳16张紧，使六根抗拉钢丝绳16的张力之 和等于本例所述三维隔振装置竖向的设计静载荷，且张紧后，每一根抗拉钢丝绳16均平行于叠层橡胶垫17的中轴线。

参见图1～6，所述竖向隔震支座包括导向套1、底座3、橡胶空气弹簧4和反压装置。

参见图1～3，所述的导向套1为圆管状，其上端向内径向收缩形成起限位和导向作用的环形翼缘2，下端向外径向延伸形成一法兰盘5。所述的底座3为圆盘状，四周的边缘设有安装孔6，所述的导向套1通过下端所设的法兰盘5固定在其上表面的中部。

参见图1～3，所述橡胶空气弹簧4的囊壁4-1由两个串连在一起的曲囊形成，两曲囊过渡处的外壁箍设有腰环4-2，所述囊壁4-1两头由密封端板4-3密封，该密封端板4-3配合连接法兰4-4将囊壁4-1端部的边缘夹持在两者之间，所述囊壁4-1内充有压缩空气。所述的橡胶空气弹簧4同轴设在导向套1内，该橡胶空气弹簧4的上端设有与所述导向套1动配合的驱动压板7。所述橡胶空气弹簧4的外径小于导向套1的内径，在两者之间形成一环形空间。所述下连接板8下表面的中部向所述导向套1内凹陷形成一茶杯状的凸起8-1，该凸起8-1与所述的驱动压板7通过螺钉固定连接在一起。

参见图1，下连接板8与环形翼缘2之间设有大于振幅的间隙14；为了避免振动过程中所述驱动压板7与环形翼缘2之间产生撞击，所述驱动压板7与环形翼缘2之间设有防撞间隙13。

参见图1～3，所述的反压装置设在所述环形空间内，其具体方案如下：

参见图1～6，所述的反压装置由三根预压钢丝绳9、三只作为钢丝绳变向元件的吊环螺钉10、一块浮动反压钢板11和固定预压钢丝绳9的另六只吊环螺钉10组成。其中，

所述的浮动反压钢板11设在橡胶空气弹簧4与底座3之间，并与所述导向套1动配合；

所述的三只作为钢丝绳变向元件的吊环螺钉10绕所述的导向套1的轴线对称固定所述驱动压板7上；

所述浮动反压钢板11上绕导向套1的轴线对称设有三只吊环螺钉10，所述底座3上在浮动反压钢板11上在所设三只吊环螺钉10的相对位置旁相应设有另三只吊环螺钉10；三根预压钢丝绳9均以折线状态分布在所述环形空间内，且，每一根预压钢丝绳9的一头系接固定在浮动反压钢板11上所设的一只吊环螺钉10上，另一头绕过相对的作为钢丝绳变向元件的吊环螺钉10后折回，然后该预压钢丝绳9从其在浮动反压钢板11上的固定点旁对应底座3上所设吊环螺钉10的位置穿过浮动反压钢板11，系接固定在底座3上所设吊环螺钉10上；所述的浮动反压钢板11上，在每一根预压钢丝绳9穿过位置均设有穿过预压钢丝绳9的通孔12，该通孔12的孔径大于所述预压钢丝绳9的直径。

所述驱动压板7与浮动反压钢板11相对的表面均设有内径与橡胶空气弹簧4的密封端板4-3外径相匹配的定位环18，所述橡胶空气弹簧4两头的密封端板4-3分别嵌在驱动压板7和浮动反压钢板11上的定位环18内。

参见图1～3，为了实现可预设竖向初始刚度的目的，上述三维隔震支座安装方法如下：(1)先根据需预设的竖向初始刚度和橡胶空气弹簧4的弹性系数确定橡胶空气弹簧4压缩量，进而计算出每一根预压钢丝绳9满足竖向初始刚度要求的长度；(2)按图1～3将橡胶空气弹簧4、所述反压装置和驱动压板7连接好后，再反复调节，使每一根预压钢丝绳9的实际长度与计算长度 相等，然后系接在底座3上的吊环螺钉10上，并用常见的钢丝绳夹(图中没显示)固定死，将橡胶空气弹簧4始终夹持在所述驱动压板7与浮动反压钢板11之间；(3)将步骤(2)装配好的部件放入导向套1内，并将导向套1与底座3固定在一起，将所述下连接板8与驱动压板7固定在一起；(4)最后按图1和4将叠层橡胶隔震支座安装在所述下连接板8的上方，即得所述三维隔震支座。

预设竖向初始刚度时，三根预压钢丝绳9的张力之和需大于等于所述三维隔震支座所承受的竖向静载荷。

在理想的条件下，地震的竖向波通过隔震装置向建筑传递时建筑物应该不会发生位移。基于此，本例三维隔震支座竖向隔震的工作原理如下：参见图1，当地震的竖向波所产生的动载荷克服了所述竖向初始刚度时，如果该动载荷沿导向套1的轴线上推底座3，驱动压板7的反作用力便向下压缩橡胶空气弹簧4，底座3随地面上移而建筑物不动；如果该动载荷沿导向套1的轴线下拉底座3，预压钢丝绳9则通过作为钢丝绳变向元件的吊环螺钉10反向吊起浮动反压钢板11，向上压缩橡胶空气弹簧4，底座3随地面下移，但建筑物仍然不动。由此可见，当地震纵波使地面发生上下振动时均可压缩橡胶空气弹簧产生弹性变形而耗能。同理，建筑物在风振或水平地震波的作用下摇晃时，无论对其对所述三维隔震支座产生的动载荷是拉力还是压力均可压缩橡胶空气弹簧产生弹性变形而耗能。

例2

参见图7～12，本例在例1的基础上主要进行了如下几点改进：(1)将预压钢丝绳9由三根增至四根；(2)将作为钢丝绳变向元件的吊环螺钉10替换为U形构件19；(3)将固定预压钢丝绳9另一头的吊环螺钉10替 换为钢丝绳自锁锚具20；(4)将底座3的中部增厚并向上隆起形成倒置的脸盆状，以便于安装钢丝绳自锁锚具20；(5)将所述的反压装置相应地改变为：

所述的反压装置由四根预压钢丝绳9、四只作为钢丝绳变向元件的U形构件19、一块浮动反压钢板11、四只固定预压钢丝绳9一头的吊环螺钉10和四只固定预压钢丝绳9另一头的钢丝绳自锁锚具20组成；其中，

浮动反压钢板11设在橡胶空气弹簧4与底座3之间，并与所述导向套1动配合；

四只作为钢丝绳变向元件的U形构件19绕所述的导向套1的轴线对称固定所述驱动压板7上；参见图10，所述的U形构件19由圆钢弯曲构成，所述驱动压板7上，在设置U形构件19的相应位置设有与U形构件19两条侧边相匹配的圆孔，所述U形构件19插在该圆孔内，二者焊接固定在一起；

所述浮动反压钢板11上绕导向套1的轴线对称设有四只吊环螺钉10，所述底座3上在浮动反压钢板11上所设四只吊环螺钉10的相对位置旁相应设有四只钢丝绳自锁锚具20；四根预压钢丝绳9均以折线状态分布在所述环形空间内，且，每一根预压钢丝绳9的一头由吊环螺钉10固定在浮动反压钢板11上，另一头穿绕过相对的作为钢丝绳变向元件的U形构件19后折回，然后该预压钢丝绳9从其在浮动反压钢板11上的固定点旁对应底座3上所设钢丝绳自锁锚具20的位置穿过浮动反压钢板11，由钢丝绳自锁锚具20固定在底座3上；所述的浮动反压钢板11上，在每一根预压钢丝绳9穿过位置均设有穿过预压钢丝绳9的通孔12，该通孔12的孔径大于所述预压钢丝绳9的直径。

参见图11和图12，上述反压装置中，所述的钢丝绳自锁锚具20由安装孔20-1、夹爪20-2和防松螺栓20-3构成，其中，所述的安装孔20-1设在底座3上；所述的安装孔由一段锥孔和一段螺纹孔组成，其中所述锥孔位于导向套1内的一侧，且尖头指向所述导向套1内，所述螺纹孔位于导向套1外的一侧；所述的夹爪20-2为与所述锥孔相匹配的圆锥形，并由3瓣组成，其体内沿轴线设有夹持预压钢丝绳9的装夹孔；所述的防松螺栓20-3与所述螺纹孔相匹配，且体内沿轴线设有直径大于预压钢丝绳9直径的圆孔；所述的夹爪20-2安装在所述锥孔内，防松螺栓20-3安装在所述螺纹孔内。

按图7～12将所述三维隔震支座组装好，使相应预压钢丝绳9的另一头自对应的夹爪20-2体内的装夹孔和防松螺栓20-3的圆孔内穿出。然后把露出的预压钢丝绳9的绳头系接在牵引张拉机上，并在牵引张拉的同时采用张力检测仪监视预压钢丝绳9的张力。当所述预压钢丝绳9张紧至预设竖向初始刚度所需张力时，拧动防松螺栓20-3即可推动所述夹爪20-2将预压钢丝绳9夹紧并锁死，从而将橡胶空气弹簧4始终夹持在浮动反压钢板11与驱动压板7之间。

本例上述以外的其它实施方法与例1相同。

本例所述三维隔震支座的工作原理与例1相同，公众可参照例1自行分析。

例3

参见图13～16，本例在例2的基础上主要进行了如下改进：(1)将作为钢丝绳变向元件的U形构件19替换为定滑轮21；(2)将所述的反压装置相应地改变为：

所述反压装置由六根预压钢丝绳9、六只作为钢丝绳变向元件的定滑轮20、一块浮动反压钢板11、六只固定预压钢丝绳9一头的吊环螺钉10和六只固定预压钢丝绳9另一头的钢丝绳自锁锚具20组成。其中，

浮动反压钢板11设在橡胶空气弹簧4与底座3之间，并与所述导向套1动配合；

六只作为钢丝绳变向元件的定滑轮21绕所述的导向套1的轴线对称固定所述驱动压板7上位于所述橡胶空气弹簧4四周的下表面；其中，所述的定滑轮21铰接在支架上，该支架焊接在驱动压板7上；

所述浮动反压钢板11上绕导向套1的轴线对称设有六只吊环螺钉10，所述底座3上在浮动反压钢板11上所设六只吊环螺钉10的相对位置旁相应设有六只钢丝绳自锁锚具20；六根预压钢丝绳9均以折线状态分布在所述环形空间内，且，每一根预压钢丝绳9的一头由吊环螺钉10固定在浮动反压钢板11上，另一头穿绕过相对的作为钢丝绳变向元件的定滑轮21后折回，然后该预压钢丝绳9从其在浮动反压钢板11上的固定点旁对应底座3上所设钢丝绳自锁锚具20的位置穿过浮动反压钢板11，由钢丝绳自锁锚具20固定在底座3上；所述的浮动反压钢板11上，在每一根预压钢丝绳9穿过位置均设有穿过预压钢丝绳9的通孔12，该通孔12的孔径大于所述预压钢丝绳9的直径。

本例上述以外的其它实施方法与例2相同。

本例所述三维隔震支座的工作原理与例1相同，公众可参照例1自行分析。