一种弹簧阻尼协同隔减振/震装置的制作方法

本发明涉及一种结构振动控制装置，具体涉及一种竖向隔减振/震装置。

背景技术：

结构振动控制是一种新型的抗振/震措施，它是通过在结构中设置减振/震或隔振/震装置来消耗或隔离振/震动能量，或者施加外部的能量以抵消外部激励对结构的作用。隔减振/震装置作为被动振动控制的一种常见形式，具有构造相对简单，无需人工干预，强鲁棒性和稳定性的优点而被广泛应用。

在建筑振动控制领域，竖向隔振一直是难以解决的问题。在设计规范中，常规建筑在常遇地震下可不考虑竖向地震作用，但对于高层建筑、大跨结构、重要建筑设施以及造型不规则的结构，必须考虑竖向地震作用。同时城市轨道交通蓬勃发展，高速铁路、地下铁路等大面积兴建，产生了的不容忽视的交通荷载。不同于地震作用，交通荷载主要以持续性竖向动力激励为主，对邻近建筑产生了不可忽视的振动影响，造成舒适度降低、影响灵敏仪器性能并对古建筑产成了不利影响，竖向振动控制问题亟待解决。目前常用的橡胶隔振/震叠层支座的竖向隔振/震性能远低于水平向隔振/震性能，难以满足实际结构中的有效竖向振动控制；螺旋弹簧隔振系统更易获得较低的竖向刚度而具有相对较优的竖向隔振性能，但螺旋弹簧隔振系统工作状态下近似线弹性，自身不具备任何阻尼特性，意味着其无法耗散能量。有学者提出增设粘滞阻尼改善螺旋弹簧隔振系统的阻尼特性，但粘滞阻尼多为液体，密封性存在较大问题，且性能不稳定。另外，螺旋弹簧隔振系统还存在摇摆效应问题。

粘弹性材料是一种十分有效的高耗能阻尼材料，其在外力作用下，同时存在弹性和粘性两种力学特性，在较宽的频带范围内均具有较高的阻尼且具有刚度。在振动控制领域中，常常利用粘弹性材料的往复剪切变形，将振动能量以材料热能的形式耗散掉，使得结构阻尼加大。粘弹性材料为螺旋弹簧隔振系统增加耗能能力提供了新思路，解决了粘滞阻尼密封性差性能不稳定的问题，但由于建筑竖向隔振/震机构不仅要承受动荷载还需要首先满足静荷载（如建筑自重等），粘弹性材料在静载下长期承受变形容易导致撕裂脱落，影响结构性能。大部分装置未能考虑实际工作状态下，建筑静载产生的静位移对粘弹性材料变形的不利影响。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种弹簧阻尼协同隔减振/震装置，将粘弹性阻尼应用于螺旋弹簧隔振系统，并设计静载动载双工作机制，实现高效的竖向隔振、耗能。

技术方案：本发明提供了一种弹簧阻尼协同隔减振/震装置，包括水平设置的上钢板和下钢板、竖向夹装于上下钢板之间的螺旋弹簧、同轴置于螺旋弹簧中的倒刺型粘弹性圆筒阻尼器，所述倒刺型粘弹性圆筒阻尼器包括与上钢板固定的上内套筒、同轴套装的下内套筒和下外套筒、夹置于下内套筒和下外套筒之间的粘弹性阻尼层、沿截面卡箍于下内套筒中的位置控制板，所述下外套筒的底部固定于下钢板上；

其中，所述上内套筒的外径小于下内套筒的内径，且所述上内套筒的底端内周设有斜上伸出的上置倒刺，所述下内套筒的顶端外周设有斜下伸出的下置倒刺，当上内套筒向下内套筒中滑动后，上、下置倒刺咬合锁定，上内套筒的底面抵靠于位置控制板上。

进一步，所述粘弹性阻尼层高温硫化于下内套筒和下外套筒之间的空隙中。

进一步，所述上、下钢板的对置面上分别固定有对应的上、下螺纹套筒，所述上、下螺纹套筒在靠近上、下钢板一端的内周设有螺纹，另一端的内径大于螺纹内径，每对上、下螺纹套筒之间供一个螺旋弹簧旋拧于其中。

为了留有足够工作空间保证螺旋弹簧的自由工作变形，所述上、下螺纹套筒之间的距离不小于隔减振/震装置上部受控结构的最大竖向受压变形。

为了保证倒刺型粘弹性圆筒阻尼器在弹簧内部起到导杆的作用，所述倒刺型粘弹性圆筒阻尼器的外周与螺旋弹簧的内壁之间留有2~10mm的间隙。

为了留有一定相对运动空间，所述下内套筒和粘弹性阻尼层的底端高于下外套筒的底端5~15mm。

为了便于隔减振/震装置受压后，上内套筒能够顺利的下移至下内套筒中并使两者的倒刺稳固的咬合，所述上内套筒的外径比下内套筒的内径小一个上置倒刺截面水平宽度，为2~5mm。

为了实现多维隔减振，所述下钢板还可与水平隔振装置相连。

进一步，所述上内套筒具有弹性恢复力或沿轴向均匀开设槽口。

进一步，所述上置倒刺和下置倒刺由高强耐疲劳材料制成，如高强合金钢。所述上置倒刺和下置倒刺的截面为对应的钝角三角形，大小相等，各边相互平行。

有益效果：本发明装置在螺旋弹簧隔振系统的基础上，解决了系统低阻尼问题，从大阻尼比、性能稳定、密封性好、适于工程应用的角度选取粘弹性阻尼材料提升装置系统耗能能力，并设计了适于竖向承重结构承受竖向激励的完整弹簧阻尼协同工作系统，解决了系统低阻尼问题，发挥优异的隔振、减振作用，具体体现在以下几个方面：

一方面，本发明装置更易获得较小的竖向刚度达到更优的竖向隔振效果，而增设的粘弹性阻尼具有较大的阻尼比，圆筒阻尼器具有更大的剪切面积，从而显著提高了装置的阻尼比，使得装置既能隔振又能减振，同时粘弹性阻尼具有优异的剪切耗能能力，同时具有阻尼和刚度，性能更加稳定，且不存在粘滞阻尼密封性不良的问题，更加适于工程应用。

另一方面，考虑螺旋弹簧、粘弹性阻尼特性及建筑竖向承载机制，设计了对应的完整螺旋弹簧阻尼协同工作系统，阻尼器中的倒刺结构设计实现了装置的双工作机制：静力荷载下螺旋弹簧独立承重，动力荷载下螺旋弹簧内部倒刺型粘弹性圆筒阻尼器进入工作状态与螺旋弹簧协同工作。这种设计一方面使得装置的工作机理更加清晰，另一方面使得阻尼器内的粘弹性阻尼材料受力更加合理，保护其在静载下不受过大变形，并提升了粘弹性阻尼层的疲劳受力性能。

第三方面，螺旋弹簧连接套筒一端带有螺纹，另一端具有更大的内径且无螺纹，实现了螺旋弹簧与装置上下钢板连为整体，由于上下两端存在约束，水平作用下能够增加螺旋弹簧侧向刚度，有效改善螺旋弹簧隔振系统的摇摆效应问题。

附图说明

图1为本发明装置的俯视图；

图2为图1中a-a剖面的剖面示意图；

图3为单组螺旋弹簧和倒刺型粘弹性圆筒阻尼器的局部放大图；

图4（a）（b）为倒刺型粘弹性圆筒阻尼器工作示意图；

图5为本装置与水平隔振/震机构的连接构成多维隔减振/震结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种弹簧阻尼协同隔减振/震装置，如图1、2所示，包括上下对应且水平设置的上钢板1和下钢板2、以及均匀分布夹置于上、下钢板1、2之间的若干组螺旋弹簧3和倒刺型粘弹性圆筒阻尼器5。

上钢板1的底面均匀分布有若干个上螺纹套筒4，下钢板2的顶面也均匀分布有若干个与上螺纹套筒4位置对应的下螺纹套筒4，上、下螺纹套筒4各自在靠近上、下钢板1、2一端的内周设有螺纹，套筒4另一端的内径相较于螺纹内径更大，且无螺纹，能够增加螺旋弹簧3的侧向刚度。每对上、下螺纹套筒4之间供一个螺旋弹簧3置于其中，螺旋弹簧3的两端与上、下螺纹套筒4内的螺纹旋拧紧固，从而与上、下钢板1、2连接成为整体。上、下螺纹套筒4之间的距离应根据具体的工程实际并结合工程规范确定，不应小于装置上部受控结构的最大竖向受压变形，以保证螺旋弹簧3具有足够的变形工作空间。

每个螺旋弹簧3内同轴安装一个倒刺型粘弹性圆筒阻尼器5，倒刺型粘弹性圆筒阻尼器5由连接机构和耗能机构构成，如图3所示。连接机构包括紧贴上钢板1底面并与上钢板1通过螺栓14固定的上连接板6、固定在上连接板6底面的上内套筒7，耗能机构包括同轴套装的下内套筒11和下外套筒12和高温硫化于下下内套筒11和下外套筒12之间的粘弹性阻尼层13，下外套筒12的底部通过螺栓14固定于下钢板2上。倒刺型粘弹性圆筒阻尼器5的外周与螺旋弹簧3的内壁之间留有2~10mm的间隙。下内套筒11的内壁预留有卡槽，位置控制板10嵌入卡槽可沿下内套筒11的截面即水平方向固定于下内套筒11中。

其中，上内套筒7的底端外周均布有斜上伸出的上置倒刺8，下内套筒11的顶端内周对应的设有斜下伸出的下置倒刺9，具体的，上置倒刺8和下置倒刺9的截面为对应的钝角三角形，大小相等，各边相互平行。此外，上内套筒7的外径比下内套筒11的内径小一个上置倒刺8截面水平宽度，约2~5mm。当上钢板1受压，带动上内套筒7向下进入下内套筒11中，上置倒刺8和下置倒刺9之间产生相对位移，使得上、下置倒刺9咬合锁定，上下倒刺间无空隙。位置控制板10的位置应根据实际结构在静载作用下能够产生的位移确定，使得上内套筒7在静载作用下刚好抵靠住位置控制板10，如图4（a）所示。下内套筒11和粘弹性阻尼层13的底端高于下外套筒12的底端5~15mm，使得下内套筒11有向下受力运动空间，与粘弹性阻尼层13产生相对位移，实现粘弹性阻尼材料剪切耗能，如图4（b）所示。

倒刺型粘弹性圆筒阻尼器5中上置倒刺8和下置倒刺9根据实际情况设计圈数和间距，同时考虑到长期受到动荷载作用，建议采用高强耐疲劳材料支座倒刺，同时倒刺应与上内套筒7具有牢固的连接。另外，上内套筒7应具有良好的弹性恢复力，在倒刺咬合过程中，倒刺结构沿平行的斜面逐渐挤压直至倒刺尖角相对，此时产生最大位移形变，继续下压上置倒刺将卡进下置倒刺下方，由于上置倒刺与下置倒刺截面平行大小一致，此时咬合挤压力减小为零，上内套筒7受挤压产生的弹性位移形变将恢复至初始位置，所以上内套筒7的材料应兼具良好的柔韧性和弹性恢复性，也可以考虑采用沿纵向长度方向隔一定距离开槽等方法，改善其性能，主要目的是减小上内套筒7的环侧刚度但并不减小其受拉能力。

另外，本发明装置只要针对竖向振动控制，但可通过连接水平隔振装置16构成多维隔减振/震装置，如示意图5，这在实际工程中也是完全可行的。

本实施例装置的工作原理包括以下几个方面：

本发明装置由螺旋弹簧3与倒刺型粘弹性圆筒阻尼器5并联构成，从总体性能上讲，螺旋弹簧3具有较小的竖向刚度可以获得更优的隔振效果，倒刺型粘弹性圆筒阻尼器5提供大阻尼，提高了装置阻尼比，实现耗散能量减小振动。同时，倒刺型粘弹性圆筒阻尼器5的设置使得装置更加适合竖向承载机制，既满足了结构承载要求，又实现了动力激励下阻尼器高效工作的要求。

当装置安置于结构底部，在结构自重作用下将产生一定的静位移，这一部分静载作用由螺旋弹簧3独自承担，螺旋弹簧3也将产生相应的位移变形。此时螺旋弹簧3内部的倒刺型粘弹性圆筒阻尼器5的上部连接机构和下部耗能机构由初始的完全分离状态变为倒刺交叉卡合状态，也即上部连接机构在竖向静载作用下下移，上置倒刺8完全卡合入下部倒刺9，同时上内套筒7下端刚好抵住位置控制板10。此时装置整体处于静载下的稳定状态。

存在竖向振动外激励（如轨道交通激励、地震激励，等）时，装置将进入动力荷载下的工作状态。由于倒刺型粘弹性圆筒阻尼器5的上部连接机构和下部耗能机构连接成为一个整体，螺旋弹簧3和倒刺型粘弹性圆筒阻尼器5将共同受拉受压，协同工作。当外激励为向上的拉力时，由于倒刺结构的基本特性，卡合的倒刺结构将带动下内套筒向上运动，粘弹性阻尼层13将与下内套筒11、下外套筒12产生相对位移，耗能减振。当外激励为向下的压力时，由于上内套筒7已经抵住位置控制板10，约束住上置倒刺8的向下运动，通过位置控制板10带动下内套筒11向下运动，粘弹性阻尼层13将与下内套筒11、下外套筒12产生相对位移，耗能减振。本装置的设计，使得粘弹性阻尼层仅在动力激励下产生相对变形，保证了其阻尼性能实现耗能减振目的的同时也保护了其在静载下不产生过大变形避免其撕裂脱开，更加适合于竖向振动控制。