一种竖向早期刚度能调节的三维隔震装置的制作方法

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早期刚度，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早期刚度；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竖向早期刚度能调节的三维隔震装置，该三维隔震装置不仅既可压缩耗能减振，又可拉伸耗能减振，而且还保持了竖向隔震支座中圆柱形螺旋压缩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：

一种竖向早期刚度能调节的三维隔震装置，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索；所述抗拉钢索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两块上下两块端板，所述的两块端板之间设有圆柱形螺旋压缩弹簧，其中一块端板上固定设有导向杆，该导向杆沿所述圆柱形螺旋压缩弹簧的中心孔穿出另一端板；所述的叠层橡胶隔震支座的下连接板与所述竖向隔震支座的上端板固定连接；其特征在于，

所述的两块端板之间还设有反压装置，该反压装置包括数量分别至少为三根的两组预压钢索、两块浮动压板和数量为所述两组预压钢索数量之和的钢索自锁张紧锚具，其中，

所述的两块浮动压板分别套设在一块端板与圆柱形螺旋压缩弹簧之间的导向杆上；

所述的钢索自锁张紧锚具由第一自定心锁紧夹具、第二自定心锁紧夹具、防扭压缩弹簧和平面轴承组成，其中：

A)所述的第一自定心锁紧夹具具有一连接座，该连接座一端的中部设有轴向延伸的圆柱形凸台，该凸台的体内沿轴心线设有由3～5瓣爪片组成的第一锥形夹爪，外周面套设有张紧螺套；其中，所述第一锥形夹的小头指向连接座，所述张紧螺套的外周面为正六边形；

B)所述的第二自定心锁紧夹具具有一锥套，该锥套的体内沿轴线依次设有由3～5瓣爪片组成的第二锥形夹爪和空心螺栓，其中，所述的空心螺栓的头部与第二锥形夹爪的大头相对，所述锥套的外周面为正六边形；

C)所述的平面轴承由滚珠—保持架组件和分别设在张紧螺套与锥套相对的端面上的环形滚道构成，其中所述的环形滚道与滚珠—保持架组件中的滚珠相匹配；

D)所述第二自定心锁紧夹具位于所述张紧螺套头部的外侧，且第二锥形夹爪小头与第一锥形夹爪小头的指向一致；所述的平面轴承位于所述张紧螺套与锥套之间，所述的防扭压缩弹簧设在张紧螺套的内孔中；当预压钢索由第一锥形夹爪的爪片之间经防扭压缩弹簧与平面轴承的中心孔以及第二锥形夹爪的爪片之间穿出后，在预压钢索张力作用下，所述防扭压缩弹簧的一头作用在第一锥形夹爪上，另一头作用在锥套上；

所述的两组预压钢索分别绕导向杆的轴线以直线状态对称分布于所述圆柱形螺旋压缩弹簧的四周，且，每一组预压钢索的一头分别固定在一块浮动压板上，另一头分别穿过另一块浮动压板由所述的钢索自锁张紧锚具锚固在与该浮动压板相邻的端板上；

所述的浮动压板上在穿过所述预压钢索的位置分别设有穿设该预压钢索的通孔，该通孔的孔径大于所穿设的预压钢索的直径；

张紧两组预压钢索，使两块浮动压板之间的距离等于将圆柱形螺旋压缩弹簧压缩至预设竖向早期刚度的长度；

将所述抗拉钢索张紧，为叠层橡胶垫提供等于设计静载荷的预压力。

上述方案中，所述的抗拉钢索和预压钢索可以是钢丝绳，也可以是预应力钢铰线。

上述三维隔震装置竖向隔震的工作原理如下：当竖向动载荷沿导向杆的轴线相对作用时，压力经由叠层橡胶隔震支座传递到上端板，使上下两块端板先对移动压缩圆柱形螺旋压缩弹簧；当动载荷沿导向杆的轴线相背作用时，拉力经由抗拉钢索传递到上端板，上下两块端板相背移动，并通过两组预压钢索分别牵拉两块浮动压板相对移动压缩圆柱形螺旋压缩弹簧。由此可见，轴向动载荷无论相对还是相背作用在三维隔震装置上，都能压缩圆柱形螺旋压缩弹簧，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索与所述浮动压板上的通孔的孔壁不能产生摩擦，否则就会干扰浮动压板的上下移动，因此所述通孔直径比所述预压钢索的直径大多少，应以不干扰和影响浮动压板的上下移动为宜。

本发明所述的竖向早期刚度能调节的三维隔震装置，其中所述的预压钢索固定在浮动压板上的一头可采用常规的方法锚固，也可采用类似于吊环螺钉或由钢筋弯曲的U形构件系接固定。

本发明的竖向早期刚度能调节的三维隔震装置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早期刚度的抵御能力后，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)只要改变两组预压钢索的长度即可改变整个装置的竖向早期刚度，外力在克服该竖向早期刚度之前无法使隔震装置产生竖向变形，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)预设早期刚度过程中，所述圆柱形螺旋压缩弹簧的有效工作长度不变，不会改变圆柱形螺旋压缩弹簧原有的特性参数。

(5)采用钢索自锁张紧锚具锚固将预压钢索的另一头，一是可对预压钢索的长度进行调节，二是利用防扭压缩弹簧和第一自定心锁紧夹具的联合作用，可有效防止预压钢索在进行长度调节的过程中扭动而改变钢索的特性参数。

(6)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振装置的一个具体实施例的结构示意图，其中，图1为主视图(剖视)，图2为图1的A-A剖视图，图3为图1的B-B剖视图，图4为C-C剖视图，图5为图1中局部Ⅰ的放大图，图6为图1中局部Ⅱ的放大图。

图7～11为图1～6所示实施例中钢索自锁张紧锚具的结构示意图，其中，图7为主视图(剖视)，图中虚线表示预压钢索，图8为仰视图，图9为图7的D-D剖面图，图10为图7的E-E剖面图，图11为图7的F-F剖视图。

图12～14为本发明所述三维隔震装置的第二个具体实施例的结构示意图，其中，图12为主视图(剖视)，图13为图12的G-G剖视图，图14为图12的H-H剖视图。

图15～17为本发明所述三维隔振装置的第三个具体实施例的结构示意图，其中，图15为主视图(剖视)，图16为图15的I-I剖视图，图17为图15的J-J剖视图。

具体实施方式

例1

参见图1，本例中的三维隔震装置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14、下连接板15、夹持在上下连接板之间的叠层橡胶垫17和六根抗拉钢索16；其中，所述的上连接板14和下连接板15均呈圆盘状，上连接板14的边缘设有安装孔13；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与至硫化连接在一起的联结钢板17-4，所述两块联结钢板17-4分别与上连接板14和下连接板15通过螺钉固定连接在一起。所述的六根抗拉钢索16绕叠层橡胶垫17的中轴线对称分布在其四周，每一根抗拉钢索16的一头由吊环螺钉12固定在上连接板14上，另一头由吊环螺钉12固定在下连接板15上。每一根抗拉钢索16张紧，使六根抗拉钢索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，每一根抗拉钢索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包括上端板2和下端板3，上下端板之间设有圆柱形螺旋压缩弹簧4；其中，所述下端板3的中部向上隆起呈倒置的脸盆状，其边缘设有安装孔13，上表面的中部固定设有一圆管状的导向杆1，该导向杆1的下端与所述下端板3的中部焊接在一起，上端垂直向上延伸；所述上端板2的中部向下凹陷呈脸盆状；所述导向杆1沿圆柱形螺旋压缩弹簧4的中心孔穿出上端板2向下凹陷的中部。所述上端板2与所述导向杆1动配合；所述叠层橡胶隔震支座的下连接板15与所述上端板2的边缘通过螺钉固定连接，并在所述下连接板15的下表面和上端板2向下凹陷的中部的上表面之间形成供所述导向杆1的上端伸缩的活动空间11。

参见图1～6，所述上端板2和下端板3之间设有反压装置，该反压装置包括两组预压钢索、两块浮动压板和八只钢索自锁张紧锚具18；其中，所述的两组预压钢索为由五根预压钢索组成的第一组预压钢索8和由三根预压钢索组成的第二组预压钢索7；所述的两块浮动压板为套设在所述下端板3与圆柱形螺旋压缩弹簧4之间的导向杆上的第一浮动压板6和套设在上端板2与圆柱形螺旋压缩弹簧4之间的导向杆上的第二浮动压板5，该两块浮动压板分别与所述的导向杆1的外壁动配合。

参见图7～11，每一钢索自锁张紧锚具18由第一自定心锁紧夹具、第二自定心锁紧夹具、防扭压缩弹簧18-1和平面轴承18-2组成，其中：

所述的第一自定心锁紧夹具具有一连接座18-3，该连接座18-3的边缘设有安装孔18-12，下端的中部设有轴向延伸的圆柱形凸台18-4，该凸台18-4的体内沿轴心线设有第一锥孔18-5，该锥孔内设有由3瓣爪片组成的第一锥形夹爪18-7，所述凸台18-4的外周面套设有张紧螺套18-6，二者之间螺纹连接；其中，所述第一锥形夹18-7的小头指向连接座18-3，所述张紧螺套18-6的外周面为正六边形；

所述的第二自定心锁紧夹具具有一锥套18-8，该锥套18-8的体内沿轴线依次设有一段第二锥孔18-13和一段螺纹孔；其中，第二锥孔18-13内设有由3瓣爪片组成的第二锥形夹爪18-9，所述的螺纹孔内设有空心螺栓18-10，空心螺栓18-10的头部与第二锥形夹爪18-9的大头相对，所述锥套18-8的外周面为正六边形；

所述的平面轴承18-2由滚珠—保持架组件18-11和分别设在张紧螺套18-6与锥套18-8相对的端面上的环形滚道构成，其中所述的环形滚道与滚珠—保持架组件18-11中的滚珠相匹配；

所述第二自定心锁紧夹具位于张紧螺套18-6头部的外侧，且第二锥形夹爪18-9的小头与第一锥形夹爪18-7小头的指向一致；所述的平面轴承18-2位于所述张紧螺套18-6与锥套18-8之间，所述的防扭压缩弹簧18-1设在张紧螺套18-6的内孔中。当预压钢索由第一锥形夹爪18-7的爪片之间经防扭压缩弹簧18-1与平面轴承18-2的中心孔以及第二锥形夹爪18-9的爪片之间穿出后，在预压钢索张力作用下，所述防扭压缩弹簧18-1的一头作用在第一锥形夹爪18-7上，另一头作用在锥套18-8上。

参见图1～6，所述两组预压钢索分别以直线状态绕导向杆1轴线对称分布在所述圆柱形螺旋压缩弹簧4的四周，每一根预压钢索均平行于导向杆1轴线，且第一组预压钢索8距导向杆轴线的距离等于第二组预压钢索7距导向杆轴线的距离；其中，所述第一组预压钢索8的上头分别由吊环螺钉12固定在第二浮动压板5上，下头分别穿过第一浮动压板6由由一只钢索自锁张紧锚具18锚固在所述下端板3上；所述第二组预压钢索7的下头分别由吊环螺钉12固定在第一浮动压板6上，上头穿过第二浮动压板5由一只钢索自锁张紧锚具18锚固在上端板2上；所述第一浮动压板6上在每一根第一组预压钢索8穿过的位置设有供其穿越的第一通孔10，该第一通孔10的孔径大于所述第一组预压钢索8的直径；所述的下端板3上，在每一根第一组预压钢索8穿过位置均设有锚固该第一组预压钢丝绳8的第一锚固孔3-1。所述第二浮动压板5上在每一根第二组预压钢索7穿过的位置设有供其穿越的第二通孔9，该第二通孔9的孔径大于所述第二组预压钢索7的直径；所述的上端板2上，在每一根第二组预压钢索7穿过位置均设有锚固第二组预压钢丝绳7的第二锚固孔2-1。所述的预压钢索由吊环螺钉固定在相应构件上的方法为：将吊环螺钉12固定在相应的构件上，然后将预压钢索的一头系接在吊环螺钉的吊环上，并由钢丝绳夹(图中未画出)固定死。

参见图1，所述钢索自锁张紧锚具18的连接座18-3由螺钉固定在下端板3的下表面或上端板2的上表面。

本例中的所述的抗拉钢索和预压钢索可以是钢丝绳，也可以是预应力钢铰线，具体实施时，可根据实际需要自行选取。

参见图1～3，为了实现可预设竖向早期刚度的目的，上述三维隔震装置安装方法如下：(1)先根据预设的竖向早期刚度和圆柱形螺旋压缩弹簧4的特性参数，计算出圆柱形螺旋压缩弹簧4满足竖向早期刚度时的长度；(2)按图1将竖向隔震支座组装好，使每一根预压钢索的另一头自相应的钢索自锁张紧锚具18的第一锥形夹爪18-7、第二锥形夹爪18-9和空心螺栓18-10的中心孔中穿出；然后，(3)把露出的预压钢索的绳头系接在牵引张拉机上，并在牵引张拉的同时监视两块浮动压板之间的距离；当两块浮动压板之间的距离等于将圆柱形螺旋压缩弹簧4压缩至满足竖向早期刚度的长度时，向前挪动第二自定心锁紧夹具，同时调节拧动张紧螺套18-6，使得平面轴承18-2被紧紧夹在所述张紧螺套18-6与锥套18-8之间，且防扭压缩弹簧18-1被压缩，其所产生的张力推动第一锥形夹爪18-7前移将预压钢索夹紧，尔后拧动所述的空心螺栓18-10将位于第二锥形夹爪18-9内预压钢索夹死；最后，移除牵引张拉机，截断多余的预压钢索，即可将圆柱形螺旋压缩弹簧4始终夹持在两块浮动压板之间。(4)此后装上叠层橡胶隔震支座，即得所述三维隔震装置。

预设竖向早期刚度时，两组预压钢索的张力之和需大于等于所述三维隔震装置所承受的竖向静载荷。

参见图1和图7～11，在安装三维隔震装置的施工过程中或日常维护过程中，如果发现某预压钢索的张力不足，即可拧动钢索自锁张紧锚具18中的张紧螺套18-6进行调节。

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，本例三维隔震装置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早期刚度时，如果该动载荷沿导向杆1的轴线上推下端板3，上端板2的反作用力便向下压缩圆柱形螺旋压缩弹簧4，下端板3随地面上移而建筑物不动；如果该动载荷沿导向杆1的轴线下拉下端板3，所述两组预压钢索分别牵拉两块浮动压板相对移动压缩圆柱形螺旋压缩弹簧4，而下端板3则远离上端板2随地面下移，此时建筑物仍然不动。由此可见，当地震纵波使地面发生上下振动时均可压缩圆柱形螺旋压缩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装置产生的动载荷是拉力还是压力均可压缩圆柱形螺旋压缩弹簧产生弹性变形而耗能。

例2

本例与例1具有如下区别：

参见图12～14，所述第一组预压钢索8和第二组预压钢索7均由三根预压钢索组成。所述的钢索自锁张紧锚具18的数量为六只，分别用于固定每一根预压钢索的另一头。

参见图12～14，为防止灰尘与其它杂物落到圆柱形螺旋压缩弹簧4上而影响阻尼器的正常工作，在反压装置外侧包裹一层橡胶的保护套19，该保护套19的两头分别与第一浮动压板6和第二浮动压板5的外周面粘接在一起。所述护套19的长度大于上端板2上表面与下端板3下表面之间的距离，以免影响阻尼器的工作。

本例上述以外的实施方法与例1相同。

例3

参见图15～17，本例与例2的区别在于所述的导向杆1的上端与所述上端板2的中部焊接在一起，下端向下沿着圆柱形螺旋压缩弹簧4的中心孔延伸至穿出下端板3向上隆起的中部；所述下端板3与导向杆1的外表面动配合。在所述下端板3隆起的中部的下表面的下端板3边缘的下表面之间形成供所述导向杆1下端伸缩的活动空间11。所述第一组预压钢索8和第二组预压钢索7均由五根预压钢索组成；所述的钢索自锁张紧锚具18的数量为十只，分别用于固定每一根预压钢索的另一头。

本例上述以外的其它实施方式与例2相同。