三维隔振支座的制作方法

本发明涉及土木工程结构技术领域，尤其是涉及一种三维隔振支座。

背景技术：

目前常用的隔振支座如层叠橡胶隔振支座等，隔振支座的自振周期与上部质量相关，因此隔振性能会随上部结构质量变化而变化，不利于设计与长期使用；同时地铁振动等引起的地面竖向振动会影响建筑的使用舒适度，而目前隔震支座缺乏对环境竖向振动的隔振能力。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种三维隔振支座，可以同时实现水平方向对地震的隔振和竖直方向对环境振动的隔振，避免上部结构在地震中被破坏，同时保证了建筑在竖向振动中的使用舒适度，隔振性能好、设计简单、使用寿命长、结构简单且设置方便。

根据发明实施例的三维隔振支座，包括：

上连接板，所述上连接板用于与上部结构相连；

下连接板，所述下连接板用于与下部结构相连，所述下连接板位于所述上连接板的下方，所述下连接板与所述上连接板间隔开地相对设置且彼此可相对平动；

滑块组件，所述滑块组件设置在所述上连接板和所述下连接板之间，所述滑块组件的竖向承载力大而竖向刚度小，使得所述三维隔振支座的竖向自振周期小而用于竖向隔振；所述滑块组件可在所述上连接板和所述下连接板之间滑动，使得所述三维隔振支座的水平刚度小而用于水平隔振。

根据本发明实施例的三维隔振支座，通过上连接板和下连接板将三维隔振支座安装于结构竖向承力构件中或者设置在结构竖向承力构件的底部，一方面滑块组件设置在上连接板和下连接板之间且滑块组件的竖向承载力大而竖向刚度小，三维隔振支座的竖向自振周期小，由此，三维隔振支座可以减小竖向环境振动在上部结构中引起的响应；另一方面下连接板与上连接板间隔开地相对设置且彼此可相对平动，滑块组件可在上连接板和下连接板之间滑动，当上部结构和下部结构产生水平向运动时，上连接板与下连接板能彼此水平相对平动，滑块组件也可以在上连接板和下连接板之间滑动，由此，三维隔振支座可以减小水平地震在上部结构中引起的响应。综上，三维隔振支座可以同时实现水平方向对地震的隔振和竖直方向对环境振动的隔振，避免上部结构在地震中被破坏，同时保证了建筑在竖向振动中的使用舒适度，隔振性能好、设计简单、使用寿命长、结构简单且设置方便。

根据本发明的一个实施例，所述上连接板设有第一内凹球面，所述第一内凹球面朝下；

所述下连接板设有第二内凹球面，所述第二内凹球面朝上且与所述第一内凹球面彼此相对；

所述滑块组件包括上滑动端板、下滑动端板、导杆和弹性支撑件；所述上滑动端板设有第一外凸球面和第一水平面，所述第一水平面上设有内凹圆形槽，所述第一外凸球面与所述第一内凹球面可相对滑动地适配贴合；所述下滑动端板相对间隔开地设置在所述上滑动端板的下方，所述下滑动端板设有第二外凸球面和第二水平面，所述第二外凸球面与所述第二内凹球面可相对滑动地适配贴合，所述第二水平面与所述第一水平面彼此相对；所述导杆呈竖向设置，所述导杆的下端与所述下滑动端板的所述第二水平面固定，所述导杆的上端伸入所述上滑动端板的所述内凹圆形槽中，所述导杆与所述内凹圆形槽的内周壁之间为间隙配合；所述弹性支撑件套设在所述导杆上，所述弹性支撑件的上端与所述第一水平面接触，所述弹性支撑件的下端与所述第二水平面接触。

根据本发明进一步的实施例，所述第一内凹球面的曲率半径与所述第一外凸球面的曲率半径相同，所述第一内凹球面的面积大于所述第一外凸球面的面积；所述第二内凹球面的曲率半径与所述第二外凸球面的曲率半径相同，所述第二内凹球面的面积大于所述第二外凸球面的面积。

根据本发明进一步的实施例，所述上连接板设有向下延伸的第一挡圈，所述第一挡圈围设在所述第一内凹球面的周边；所述下连接板设有向上延伸的第二挡圈，所述第二挡圈围设在所述第二内凹球面的周边。

根据本发明进一步的实施例，所述第一内凹球面、所述第二内凹球面、所述第一外凸球面及所述第二外凸球面均经过抛光处理，所述第一内凹球面和所述第一外凸球面中至少有一个铺有聚四氟乙烯层，所述第二内凹球面和所述第二外凸球面中至少有一个铺有聚四氟乙烯层。

根据本发明进一步的实施例，所述滑块组件在轴向力作用下，所述弹性支撑件被压缩而所述导杆不承受轴向力；所述滑块组件在横向力作用下，所述导杆与所述上滑动端板接触传力而所述弹性支撑件不承受横向力。

根据本发明进一步的实施例，所述弹性支撑件的竖向刚度使所述上部结构的竖向自振周期被调整到不被环境振动激振的范围，以实现竖向隔振。

根据本发明进一步的实施例，所述弹性支撑件为碟形弹簧或弹性材料块。

根据本发明再进一步的实施例，所述弹性材料块与所述导杆之间具有间隙。

根据本发明再进一步的实施例，所述弹性材料块采用具有高受压屈服强度且低杨氏模量的材料制成。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的三维隔振支座的结构示意图，其中，弹性支撑块为碟形弹簧。

图2为本发明实施例的三维隔振支座的受力示意图。

图3为本发明实施例的三维隔振支座的尺寸示意图。

图4为本发明实施例的三维隔振支座中的上滑动端板的结构示意图。

图5为本发明实施例的三维隔振支座中的下滑动端板、导杆和弹性支撑件的装配示意图，其中，弹性支撑件为碟形弹簧。

图6为本发明实施例的三维隔振支座的上滑动端板的结构示意图。

图7为本发明实施例的三维隔振支座的结构示意图，其中，弹性支撑块为弹性材料块。

图8为本发明实施例的三维隔振支座中的下滑动端板、导杆和弹性支撑件的装配示意图，其中，弹性支撑件为弹性材料块。

附图标记：

三维隔振支座1000

上连接板1第一内凹球面11第一挡圈12第三水平面13

下连接板2第二内凹球面21第二挡圈22第四水平面23

滑块组件3

上滑动端板31第一外凸球面311第一水平面312内凹圆形槽313

下滑动端板32第二外凸球面321第二水平面322

导杆33弹性支撑件34碟形弹簧341弹性材料块342

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合图1至图8来描述本发明实施例的三维隔振支座1000。

如图1至图8所示，根据发明实施例的三维隔振支座1000，包括上连接板1、下连接板2和滑块组件3，上连接板1用于与上部结构相连；下连接板2用于与下部结构相连，下连接板2位于上连接板1的下方，下连接板2与上连接板1间隔开地相对设置且彼此可相对平动；滑块组件3设置在上连接板1和下连接板2之间，滑块组件3的竖向承载力大而竖向刚度小，使得三维隔振支座1000的竖向自振周期小而用于竖向隔振；滑块组件3可在上连接板1和下连接板2之间滑动，使得三维隔振支座1000的水平刚度小而用于水平隔振。

具体地，上连接板1用于与上部结构相连；下连接板2用于与下部结构相连，下连接板2位于上连接板1的下方，下连接板2与上连接板1间隔开地相对设置且彼此可相对平动。可以理解的是，三维隔振支座1000安装于结构竖向承力构件中或者设置在结构竖向承力构件的底部，上连接板1和下连接板2用于将三维隔振支座1000固定，这样，当上部结构和下部结构产生水平向运动时，上连接板1与下连接板2能彼此水平相对平动，滑块组件3设置在上连接板1与下连接板2之间，使得三维隔振支座1000水平刚度小而平动范围大。

滑块组件3设置在上连接板1和下连接板2之间，滑块组件3的竖向承载力大而竖向刚度小，使得三维隔振支座1000的竖向自振周期小而用于竖向隔振；滑块组件3可在上连接板1和下连接板2之间滑动，使得三维隔振支座1000的水平刚度小而用于水平隔振。可以理解的是，由于滑块组件3的竖向承载力大而竖向刚度小，使得三维隔振支座1000的竖向自振周期小，三维隔振支座1000的自振周期与滑块组件3有关，这样，三维隔振支座1000可以同时实现水平方向和竖直方向的隔振，隔振性能稳定，结构简单，设置方便。需要特别说明的是，本发明的三维隔振支座1000的水平隔振可以对很大的振动进行有效的隔振，尤其适用于地震；本发明的三维隔振支座1000的竖直隔振可以对小的振动进行有效的隔振。

根据本发明实施例的三维隔振支座1000，通过上连接板1和下连接板2将三维隔振支座1000安装于结构竖向承力构件中或者设置在结构竖向承力构件的底部，一方面滑块组件3设置在上连接板1和下连接板2之间且滑块组件3的竖向承载力大而竖向刚度小，三维隔振支座1000的竖向自振周期小，由此，三维隔振支座1000可以减小竖向环境振动在上部结构中引起的响应；另一方面下连接板2与上连接板1间隔开地相对设置且彼此可相对平动，滑块组件3可在上连接板1和下连接板2之间滑动，当上部结构和下部结构产生水平向运动时，上连接板1与下连接板2能彼此水平相对平动，滑块组件3也可以在上连接板1和下连接板2之间滑动，由此，三维隔振支座1000可以减小水平地震在上部结构中引起的响应。综上，三维隔振支座1000可以同时实现水平方向对地震的隔振和竖直方向对环境振动的隔振，避免上部结构在地震中被破坏，同时保证了建筑在竖向振动中的使用舒适度，隔振性能好、设计简单、使用寿命长、结构简单且设置方便。

根据本发明的一个实施例，上连接板1设有第一内凹球面11，第一内凹球面11朝下；下连接板2设有第二内凹球面21，第二内凹球面21朝上且与第一内凹球面11彼此相对；滑块组件3包括上滑动端板31、下滑动端板32、导杆33和弹性支撑件34；上滑动端板31设有第一外凸球面311和第一水平面312，第一水平面312上设有内凹圆形槽313，第一外凸球面311与第一内凹球面11可相对滑动地适配贴合；下滑动端板32相对间隔开地设置在上滑动端板31的下方，下滑动端板32设有第二外凸球面321和第二水平面322，第二外凸球面321与第二内凹球面21可相对滑动地适配贴合，第二水平面322与第一水平面312彼此相对；导杆33呈竖向设置，导杆33的下端与下滑动端板32的第二水平面322固定，导杆33的上端伸入上滑动端板31的内凹圆形槽313中，导杆33与内凹圆形槽313的内周壁之间为间隙配合；弹性支撑件34套设在导杆33上，弹性支撑件34的上端与第一水平面312接触，弹性支撑件34的下端与第二水平面322接触。

可以理解的是，滑块组件3在轴向力作用下弹性支撑件34压缩，导杆33不承受轴向力，上部结构的竖向荷载依次通过上连接板1、上滑动端板31、弹性支撑件34、下滑动端板32、下连接板2传递，三维隔振支座1000的竖向刚度等于弹性支撑件34的轴向刚度，弹性支撑件34具有较大的竖向承载力与较小的竖向刚度，使三维隔振支座1000具有较小的竖向自振周期，以实现竖向隔振；

当上连接板1与下连接板2彼此相对平动时，通过设置第一内凹球面11、第二内凹球面21、第一外凸球面311和第二外凸球面321，第一内凹球面11与第一外凸球面311可相对滑动地适配贴合，第二外凸球面321与第二内凹球面21可相对滑动地适配贴合，滑块组件3整体发生平动，同时，第一外凸球面311向一侧偏转，第一外凸球面311与第一内凹球面11之间发生相对滑动，对应地，第二外凸球面321向另一侧偏转，第二外凸球面321与第二内凹球面21之间发生相对滑动，滑块组件3发生转动，滑块组件3在横向力作用下导杆33与上滑动端板31接触传力，弹性支撑件34不承受横向力，水平荷载依次通过上连接板1、上滑动端板31、导杆33、下连接板2传递。

进一步地，滑块组件3的转角θ＝arcsin(x/r)≈x/r(rad)，r为摩擦摆的等效曲率半径，x为摩擦摆的位移。

需要说明的是，内凹圆形槽313设置在上滑动端板31的第一水平面312的中心，正常使用过程中结构所受水平力较小，滑块组件3位于上连接板1和下连接板2的中心位置，滑块组件3处于竖直状态；内凹圆形槽313的直径略大于导杆33，方便导杆33与内凹圆形槽313在沿导杆33轴线方向上发生相对移动。

根据本发明进一步的实施例，第一内凹球面11的曲率半径与第一外凸球面311的曲率半径相同，第一内凹球面11的面积大于第一外凸球面311的面积；第二内凹球面21的曲率半径与第二外凸球面321的曲率半径相同，第二内凹球面21的面积大于第二外凸球面321的面积。由此，第一内凹球面11和第一外凸球面311可以紧密贴合且第一外凸球面311可以顺畅地沿着第一内凹球面11转动，第二内凹球面21和第二外凸球面321可以紧密贴合且第二外凸球面321可以顺畅地沿着第二内凹球面21转动，以实现水平隔振。

根据本发明进一步的实施例，上连接板1设有向下延伸的第一挡圈12，第一挡圈12围设在第一内凹球面11的周边；下连接板2设有向上延伸的第二挡圈22，第二挡圈22围设在第二内凹球面21的周边。可以理解的是，第一挡圈12可以对第二外凸球面321进行限位，第二挡圈22可以对第二外凸球面321进行限位，避免滑块组件3位移过大而滑出第一内凹球面11或第二内凹球面21。

根据本发明进一步的实施例，第一内凹球面11、第二内凹球面21、第一外凸球面311及第二外凸球面321均经过抛光处理，第一内凹球面11和第一外凸球面311中至少有一个铺有聚四氟乙烯层，第二内凹球面21和第二外凸球面321中至少有一个铺有聚四氟乙烯层。这样，第一内凹球面11和第一外凸球面311之间及第二内凹球面21和第二外凸球面321之间在发生相对滑动时摩擦系数较低且稳定，方便三维隔振支座1000的结构设计及使用。

根据本发明进一步的实施例，上连接板1的上表面为第三水平面13，下连接板2的下表面为第四水平面23。具体地，上连接板1和下连接板2的四角处为四角平板，上连接板1的四角平板和下连接板2的四角平板均设有螺栓孔，上连接板1和下连接板2采用螺栓通过对应的螺栓孔分别固定于上部结构和下部结构。螺栓使用8.8级以上等级的螺栓，连接固定方便。

根据本发明进一步的实施例，上连接板1、下连接板2、上滑动端板31、下滑动端板32及导杆33均采用q345号以上强度的钢材制成。这样，上连接板1、下连接板2、上滑动端板31、下滑动端板32及导杆33的综合力学性能好，可以在保证刚度的同时保证滑动组件的尺寸较小。

根据本发明进一步的实施例，滑块组件3在轴向力作用下，弹性支撑件34被压缩而导杆33不承受轴向力；滑块组件3在横向力作用下，导杆33与上滑动端板31接触传力而弹性支撑件34不承受横向力。具体地，如图2所示，滑块组件3在轴向力作用下，竖向荷载n可以分解为沿第一外凸球面311的法线方向和切线方向的两个分力和第二外凸球面321的法线方向和切线方向的两个分力，同时下连接板2对下滑动端板32还有沿第二外凸球面321切线方向的摩擦力。因此滑块组件3受较大的轴向力faxis和相对较小的横向力ff，弹性支撑件34被压缩，轴向力faxis通过弹性支撑件34传递，在横向力作用下，由于导杆33的下端与下滑动端板32的第二水平面322固定，导杆33的上端伸入上滑动端板31的内凹圆形槽313中并与内凹圆形槽313壁接触，横向力ff依次通过上连接板1、上滑动端板31、导杆33、下连接板2传递。

根据本发明进一步的实施例，弹性支撑件34的竖向刚度使上部结构的竖向自振周期被调整到不被环境振动激振的范围，以实现竖向隔振。可以理解的是，三维隔振支座1000的竖向刚度等于弹性支撑件34的轴向刚度，这样，通过调整弹性支撑件34的竖向刚度可以调整三维隔振支座1000的竖向自振周期，以将上部结构的竖向自振周期被调整到不被环境振动激振的范围，以实现竖向隔振。

根据本发明进一步的实施例，弹性支撑件34为碟形弹簧341或弹性材料块342。具体地，碟形弹簧341有多个，由于碟形弹簧341在叠合和对合时力学性能不同，根据实际需要多个碟形弹簧341可以以特定的方式排列形成弹性支撑件34，弹性材料块342可以为整体或分为多块，当弹性材料块342为整体时，直接套设在导杆33上，当弹性材料块342为多块时，例如四块，将四块弹性材料块342分别安装。

需要说明的是，碟形弹簧341所用的钢材、表面情况和加工精度均满足碟形弹簧341相关规范《碟形弹簧》gb/t1972-2005的相关要求，但碟形弹簧341尺寸根据使用要求可以不符合通用规格。

根据本发明再进一步的实施例，弹性材料块342与导杆33之间具有间隙。可以理解的是，弹性材料块342套设在导杆33上，当三维隔振支座1000受到竖向压力时，弹性材料块342受压力而横向膨胀，通过在弹性材料块342与导杆33之间留有缝隙，可以为弹性材料块342提供活动空间，结构合理。

根据本发明再进一步的实施例，弹性材料块342采用具有高受压屈服强度且低杨氏模量的材料制成。具体地，弹性材料块342的受压屈服强度大于50mpa，杨氏模量低于4gpa。

根据本发明再进一步的实施例，弹性材料块342采用聚碳酸酯及其衍生物、聚甲基丙烯酸甲酯及其衍生物、聚氨酯及其衍生物、尼龙类材料、聚甲醛及其衍生物和环氧树脂中的任意一种材料制成。这样，可以根据实际情况选择不同材质的弹性材料块342。

根据本发明实施例的三维隔振支座1000，制作步骤为：

根据目标结构的自振频率确定三维隔振支座1000所需的竖向刚度和摩擦摆的等效曲率半径，并确认单个三维隔振支座1000所需的竖向荷载；

根据单个三维隔振支座1000所需的竖向载荷和竖向刚度对弹性支撑件34进行选择和设计；

确定滑块组件3的高度，并根据已经确定的滑块高度，确定第一内凹球面11、第一外凸球面311、第二内凹球面21和第二外凸球面321的曲率半径；

设计导杆33并验算导杆33的抗弯、抗剪与局部承压承载力是否满足要求。

具体地，根据目标结构的自振频率确定三维隔振支座1000所需的竖向刚度和摩擦摆的等效曲率半径，并确认单个三维隔振支座1000所需的竖向荷载。首先根据实际目标的自振频率对三维隔振支座1000所需的竖向刚度、竖向载荷和摩擦摆的等效曲率半径，假设需要使三维隔振支座1000上部结构组成的体系的竖向自振频率为fv，水平向自振频率为fh，三维隔振支座1000设置有多个，分配到单个三维隔振支座1000的上部结构的竖向荷载为n，由于上部结构的刚度显著大于三维隔振支座1000，因此在初步设计时可以将上部结构视为质量块，三维隔振支座1000所需的竖向刚度为kv＝(2πfv)²·n/g，摩擦摆的等效曲率半径为r＝g/(2πfh)²，g为重力加速度。

根据单个三维隔振支座1000所需的竖向载荷和竖向刚度对弹性支撑件34进行选择和设计。由于三维隔振支座1000的竖向性能基本不会受到水平向运动的影响，因此独立进行弹性支撑件34的设计，弹性支撑件34承载力一般取1.5n至2n，并需要使弹性支撑件34的刚度尽可能接近目标值kv。当弹性支撑件34为碟形弹簧341时，碟形弹簧341的关键参数为碟形弹簧341尺寸、碟形弹簧341叠合数m和对合数i，假设单个碟形弹簧341压平时的荷载(最大承载力)为fc，弹性压缩刚度为k1，则对碟形弹簧341组总压平荷载为fc,all＝m·fc，总弹性压缩刚度为kall＝m·k1/i，如果不满足fc,all>1.5n和kall∈[0.9kv,1.1kv]，则需要调整碟形弹簧341尺寸、叠合数m或对合数i。

需要说明的是，碟形弹簧341可能需要使用非标准规格的尺寸，当没有可靠的性能数据可供参考时，可使用力学计算与有限元模拟等方法初步确定所需单个碟形弹簧341的尺寸，并对特制碟形弹簧341试件进行实际检验。

当弹性支撑件34为弹性材料块342时，假设所选弹性材料块342的受压屈服强度为fy，杨氏模量为e，为了承受竖向荷载，弹性材料块342所需的截面积为a＝γn/fy，γ为安全系数，通常可取1.5到2.0，假设弹性材料块342的总有效高度为h，则弹性材料块342的刚度为km＝ea/h。如果不满足km∈[0.9kv,1.1kv]，则需要调整弹性材料块342的截面积、高度或者使用其他材料。

确定滑块组件3的高度，并根据已经确定的滑块组件3高度，确定第一内凹球面11、第一外凸球面311、第二内凹球面21和第二外凸球面321的曲率半径。由于三维隔振支座1000在水平方向的运动受到滑块组件3高度的影响，因此先确定滑块组件3的高度h，假设摩擦摆的等效曲率半径为r，第一内凹球面11的曲率半径为r1，第二内凹球面21的曲率半径为r2，则等效曲率半径为r＝r1+r2-h，在具体实施例中，r1和r2取相同的值，由此可以确定第一内凹球面11的曲率半径r1、第一外凸球面311的曲率半径r1、第二内凹球面21的曲率半径r2和第二外凸球面321的曲率半径r2。

设计导杆33并验算导杆33的抗弯、抗剪与局部承压承载力是否满足要求。由于滑块组件3的横向力ff均由导杆33传递，滑块组件3所受的横向荷载主要源于上连接板1与滑动组件之间及下连接板2与滑动组件之间的摩擦力和竖向荷载的分力，设摩擦系数最大为μmax，则ff,max＝γ·(μmax+xmax/r)·n,xmax是摩擦摆的设计最大位移，γ为安全系数，通常可取1.5到2.0。如图3所示，导杆33外径为dcon，内径为dcon，导杆33受力点取为导杆33与上滑动端板31的凹槽受压接触面的中心，距离下滑动端板32的距离为hcon，导杆33所用钢材的设计抗弯强度为fy，设计抗剪强度为fv。

需要验算导杆33的抗弯承载力抗剪承载力以及局部承压承载力fc,con＝fy·dcon·hcon，验算时应满足fm,con≥ff，max，fs,con≥ff，max，fc,con≥ff，max。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。