一种基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统

本发明属于工程结构抗震技术领域，具体涉及一种基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统。

背景技术：

我国地震活动频率高、强度大，且分布地区广。随着经济发展，各种大跨度建筑结构的数量不断增多，例如体育馆、候机厅、博物馆等，往往此类建筑会成为地标性公共建筑，人口密集，流动大。

国内学者经过多年对大跨度结构体系的系统研究，已提出对此类结构体系较为完备的抗震设计方法，并用于工程实践当中。然而，现有的设计方法大多出于大跨度结构自身的抗震能力，在多次强震中大跨度上部结构与下部结构的连接处受到的震害明显，且竖向地震作用对大跨度结构体系的影响不可忽略。现有应用广泛的橡胶支座与滑动支座着眼于实现水平隔震，不具备竖向隔震能力，无法为大跨度空间结构提供竖向隔震功能。少量能够提供竖向减隔震功能的竖向隔震支座，其对上部结构的竖向周期延长效果有限。

例如，授权公告号为cn106835958b的中国发明专利，其公开了一种三维隔震支座，其包括中部支撑平台、上部支撑平台及两者之间的结构组成的临界解锁竖向隔震单元可以在保证三维隔震支座具有较强的竖向隔震功能的同时，保证该三维隔震支座的竖向承载能力与稳定性。水平隔震单元同时具有水平滑板支座与阻尼器的功能，使得支撑平台内部空间得以充分利用；且在水平面任意方向地震作用下，该水平隔震单元均可实现耗能隔震；该水平隔震单元对水平地震与竖向地震的综合作用时，具有较大的竖向承载力和抗拉拔能力，用于高层建筑的隔震时可抗摇摆防倾覆。但该发明中水平隔震单元的自复位能力较弱。

又如，公布号为cn108842919a的中国发明专利申请，其公开了一种三维隔震支座，包括竖向叠放在一起的水平隔震部和竖直隔震部，所述水平隔震部包括铅芯叠层橡胶以及包覆并贴合在所述铅芯叠层橡胶四周的橡胶保护层、分别固接在所述铅芯叠层橡胶顶面和底面的上连接层和下连接层；所述竖直隔震部包括厚肉橡胶支座、分别固接在所述厚肉橡胶支座顶面和底面的上连接层和下连接层。铅芯叠层橡胶的隔离侧向震动的效果是不言而喻的，厚肉橡胶适合制成竖向通孔，所述竖向通孔中设有竖直阻尼结构辅助吸收能量。但该发明中采用厚肉橡胶支座时水平方向上刚度较小，而且抗拉拔能力不足。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统，其中，预压螺旋弹簧具备极高的初始刚度，可有效支承上部结构的自重，在受到竖向地震作用时，该隔震装置以较低的次级刚度能够有效延长结构竖向周期，以隔离结构受到的竖向地震作用，同时，与预压螺旋弹簧配合使用的黏滞阻尼器可在竖向提供耗能能力，以控制预压弹簧柱的轴向变形。上述竖向隔震耗能系统可与现有水平方向隔震装置组合在一起使用，起到三维减隔震的效果，也可单独使用，仅发挥竖向减隔震的功效。水平向隔震装置与竖向隔震顶板之间可采用螺栓或焊接等形式连接。

本发明提出的多阶段竖向隔震耗能系统包括竖向隔震顶板、预压弹簧柱基座、预压弹簧柱固定连接件、黏滞阻尼器基座、黏滞阻尼器固定连接件、预压弹簧柱、黏滞阻尼器、限位轴、限位轴连接件；其中预压弹簧柱包括连接轴、顶板、上部套筒、螺旋弹簧、抗剪螺栓、底部套筒、底板、螺母。

见图12所示，将圆柱螺旋弹簧用作竖向隔震装置的基本元件，以顶板、底板、导向杆和上部套筒将单个螺旋弹簧初步定位，继而，利用与导向杆相连的连接轴对螺旋弹簧组合施加预压力，并通过紧固导向杆底部的螺母以及安装底部套筒将预压螺旋弹簧嵌入在封闭空间中，由此产生极大的初始抗力和初始刚度，二者可用于静力支承。当传递给预压弹簧柱的竖向荷载不超过所施加的预压力时，预压弹簧柱的轴向变形极为微小，具备非常大的初始刚度；当传递给预压弹簧柱的竖向荷载超过预压力时，预压弹簧柱的轴向刚度为螺旋弹簧自身的特性刚度，此时预压弹簧柱刚度可作为隔震阶段刚度；当传递给预压弹簧柱的竖向荷载持续增大，预压弹簧柱轴向变形也越来越大，限位轴也会越来越接近框架柱顶面。当达到轴向设计位移时，限位轴与框架柱顶面接触，起到对预压弹簧柱的限位保护作用。可见，此竖向隔震装置在侧向受到套筒的约束，因而近似体现为刚性，同时，套筒内的预压限位弹簧可产生轴向变形以便发挥承重与隔震作用。

当地震发生时，竖向隔震顶板产生轴向运动，将荷载传递给预压弹簧柱，随后预压弹簧柱进入工作状态，由于弹簧柱与预压弹簧柱基座组合在一起，故此弹簧柱将竖向荷载传递给预压弹簧柱基座后，由预压弹簧柱基座将竖向荷载传递给框架柱；当竖向位移过大时，限位轴与框架柱顶面接触，防止竖向隔震组件产生过大变形。当竖向隔震顶板发生垂直方向运动时，同时会带动粘滞阻尼器一起运动，起到消耗地震动能量的作用。

优选的是，竖向隔震顶板的两端固定连接预压弹簧柱和粘滞阻尼器；竖向隔震顶板的中心部位的下方与与限位轴连接件组装在一起，限位轴由于限位轴连接件的约束作用只能竖直方向运动；限位轴可限制支座过大的竖向位移，保护预压弹簧柱免受破坏。

在上述任一方案中优选的是，所述预压弹簧柱通过套筒固定连接件、基座与框架柱固定连接；框架柱的中心部位的顶部固定连接限位轴连接件。

预压弹簧柱具有多阶段刚度，既能够抵抗重力作用下的支座沉降，又能有效隔离竖向地震作用。

在上述任一方案中优选的是，所述预压弹簧柱包括连接轴、顶板、螺旋弹簧、上部套筒、底部套筒和底板，其中顶板与上部套筒之间、底板与上部套筒之间采用二硫化钼作润滑剂。

在上述任一方案中优选的是，所述螺旋弹簧的上端通过顶板抵靠在上部套筒的顶部；螺旋弹簧的下端抵靠在上部套筒的底板上，底板的下方设有螺母。

在上述任一方案中优选的是，所述上部套筒套设在底部套筒内，两者之间设有抗剪螺栓。

在上述任一方案中优选的是，所述预压弹簧柱选用螺旋弹簧或碟形弹簧。采用不同种类的弹簧时，预压弹簧柱的力学行为和空间体积各有不同。

附图说明

图1为按照本发明的基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统的结构示意图。

图2为按照本发明的图1所示的基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统与摩擦摆隔震支座组合使用的正视图。

图3为按照本发明的图1所示的基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统与摩擦摆隔震支座组合使用的左视图。

图4为按照本发明的图1所示的基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统与摩擦摆隔震支座组合使用的俯视图。

图5为按照本发明的图1所示的基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统中预压弹簧柱的结构示意图,其中弹簧种类为圆截面材料圆柱螺旋压缩弹簧。

图6为按照本发明的图1所示的基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统中限位轴与限位轴连接件组合方式示意图。

图7为按照本发明的图1所示的基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统中预压弹簧柱的结构示意图,其中弹簧种类为碟形弹簧。

图8为按照本发明的图1所示的基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统中竖向隔震组件的预压弹簧柱工作示意图，其中弹簧种类为圆截面材料圆柱螺旋压缩弹簧。

图9为按照本发明的图1所示的基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统与复摩擦摆隔震支座组合使用的示意图。

图10为按照本发明的图1所示的基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统与三重摩擦摆隔震支座组合使用的示意图。

图11为按照本发明的图1所示的基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统与铅芯叠层橡胶支座组合使用的示意图。

图12为按照本发明的图1所示的基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统中预压限位螺旋弹簧安装示意图。

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：

如图1-图4所示，本发明提供一种基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统，将该隔震耗能系统与水平向隔震装置组合在一起使用，其中水平向隔震装置为摩擦摆隔震支座。另外该隔震耗能系统包括竖向隔震顶板1、预压弹簧柱基座2、预压弹簧柱固定连接件3、黏滞阻尼器基座4、黏滞阻尼器固定连接件5、预压弹簧柱6、黏滞阻尼器7、限位轴8、限位轴连接件9、框架柱1-1和框架梁1-2；该隔震耗能系统能够有效解决施工阶段支座沉降，能够提供目标刚度、足够的承载力和变形量，达到减轻结构受到的地震作用的目的。

在本实施例中，如图4所示，所述预压弹簧柱6的个数为4个，粘滞阻尼器7的个数为2个。

摩擦摆隔震支座底板与竖向隔震顶板1之间采用螺栓或焊接等形式连接。

在本实施例中，所述预压弹簧柱基座2、预压弹簧柱固定连接件3、黏滞阻尼器基座4、黏滞阻尼器固定连接件5与框架柱1-1固定连接。

在本实施例中，所述预压弹簧柱6通过预压弹簧柱基座2、预压弹簧柱固定连接件3与框架柱1-1固定连接；黏滞阻尼器7通过黏滞阻尼器基座4、黏滞阻尼器固定连接件5与框架柱1-1固定连接；框架柱1-1的中心部位的顶部固定连接限位轴连接件9(见图6所示)。

在本实施例中，所述竖向隔震顶板1位于摩擦摆底板的下方；竖向隔震顶板1的两端固定连接预压弹簧柱6和粘滞阻尼器7；竖向隔震顶板1下方的与限位轴8与限位轴连接件9组装在一起(见图6所示)，限位轴8由于限位轴连接件9的约束作用只能竖直方向运动；限位轴8可限制支座过大的竖向位移，保护预压弹簧柱免受破坏。

预压弹簧柱6具有不同阶段的刚度，其中，较高的初始刚度可用于支承上部结构自重，使预压上述预压弹簧柱仅产生微小的静力压缩变形，较低的隔震刚度可用于发挥有效的竖向隔震作用。

如图5所示，按照本发明的图1所示的基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统中预压弹簧柱的结构示意图。

在本实施例中，所述预压弹簧柱6包括连接轴10、顶板11、上部套筒12、螺旋弹簧13、抗剪螺栓14、底部套筒15、底板16、螺母17；其中顶板11与上部套筒12之间、底板16与上部套筒12之间、连接轴10与顶板11之间、连接轴10与底板16之间采用二硫化钼作润滑剂。

在本实施例中，所述螺旋弹簧13的上端通过顶板11抵靠在上部套筒12的顶部；螺旋弹簧13的下端抵靠在上部套筒12的底板16上，底板16的下方设有螺母17。

在本实施例中，所述上部套筒12套设在底部套筒15内，两者之间设有抗剪螺栓14。

在本实施例中，所述预压弹簧柱6选用螺旋弹簧，采用不同几何尺寸和弹簧材料的螺旋弹簧，预压弹簧柱的力学行为和空间体积各有不同。

最后参阅图8所示，按照本发明的图1所示的基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统中竖向隔震组件的预压弹簧柱可承受轴向拉压作用。

当地震发生时，摩擦摆隔震支座产生水平向相对滑动，同时会带动竖向隔震顶板1产生竖直方向运动，由于限位轴8及限位轴连接件9(见图6所示)的约束作用，竖向隔震顶板1相对于框架柱1-1柱顶不发生水平方向的相对位移，但是不约束竖向相对位移；当竖向隔震顶板1发生垂直方向运动时，将荷载传递给预压弹簧柱6和粘滞阻尼器7，随后预压弹簧柱6和粘滞阻尼器7进入工作状态，其中预压弹簧柱6工作状态示意图如图8所示，由于预压弹簧柱6与预压弹簧柱基座2组合在一起，故此预压弹簧柱6将竖向荷载传递给预压弹簧柱基座2后，由预压弹簧柱基座2将竖向荷载传递给框架柱1-1；当竖向位移过大时，限位轴8与框架柱1-1顶面接触，为竖向隔震组件提供限位保护作用。

实施例二：

一种基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统，与实施例一不同的是：在本实施例中，所述水平向隔震装置选用复摩擦摆支座(见图9所示)。

实施例三：

一种基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统，与实施例一不同的是：在本实施例中，所述水平向隔震装置选用三重摩擦摆隔震支座(见图10所示)。

实施例四：

一种基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统，与实施例一不同的是：在本实施例中，所述水平向隔震装置选用铅芯叠层橡胶支座(见图11所示)。

实施例五：

一种基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统，与实施例一不同的是：在本实施例中，所述预压弹簧柱6的个数和粘滞阻尼器7的个数可根据工程实际需要进行确定。

实施例六：

一种基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统，与实施例一不同的是：在本实施例中，所述预压弹簧柱中弹簧种类为碟形弹簧(见图7所示)。

实施例七：

一种基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统，与实施例一不同的是：在本实施例中，所述预压弹簧柱中弹簧种类为矩形截面材料圆柱螺旋压缩弹簧。

实施例八：

一种基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统，与实施例一不同的是：在本实施例中，所述预压弹簧柱中弹簧种类为扁截面材料圆柱螺旋压缩弹簧。

实施例九：

一种基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统，与实施例一不同的是：在本实施例中，所述预压弹簧柱中弹簧种类为不等节距圆柱螺旋压缩弹簧。

实施例十：

一种基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统，与实施例一不同的是：在本实施例中，所述预压弹簧柱中弹簧种类为多股螺旋弹簧。

实施例十一：

一种基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统，与实施例一不同的是：在本实施例中，所述预压弹簧柱中弹簧采用螺旋弹簧与螺旋弹簧嵌套组合在一起使用的方式。

实施例十二：

一种基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统，与实施例一不同的是：在本实施例中，所述预压弹簧柱中弹簧采用碟形弹簧与螺旋弹簧组合在一起使用的方式。

本领域技术人员不难理解，本发明的基于预压螺旋弹簧与黏滞阻尼器的多阶段竖向隔震耗能系统包括本说明书中各部分的任意组合。限于篇幅且简明起见，在此没有将这些组合一一详细地介绍，但阅读本说明书后，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。