一种带准零刚度特性的三维隔震/振支座的制作方法
【专利摘要】本发明为一种带有准零刚度特性的三维隔震/振支座，包括上、中、下作板，螺旋弹簧和碟形弹簧。三块作板采用高强度低碳钢制作，具有较高的承载力，三块作板的相互接触面均采用聚四氟乙烯材料层，以期在具有较大压力时具有较低的摩擦系数。上、中作板通过运动导向装置锁死水平和转动自由度，上作板、螺旋弹簧和碟形弹簧并联承压组成竖向准零刚度的隔震/振系统。中、下作板组成水平向隔震系统。经合理的初始设计，支座安装到建筑隔震/振层时，碟形弹簧刚好处于压平状态，竖向隔震/振系统处于准零刚度状态，能起到隔离竖向振动或地震目的。本发明属于一种被动的振动控制手段，可用于轨道交通上盖建筑或其他受振影响建筑，在起到隔离振动的同时可以具有隔离地震的效果。
【专利说明】
一种带准零刚度特性的三维隔震/振支座
技术领域
[0001]本发明涉及一种带准零刚度特性的三维隔震/振支座，属于建筑结构隔震/振领域。
【背景技术】
[0002]基础隔震技术是一种通过设置水平刚度较小的隔震层，减小上部结构地震加速度响应，吸收并消耗地震能量，提高结构可恢复性的结构被动控制体系。现代隔震技术已有近50年的发展历史，现有的隔震支座形式分为了叠层橡胶支座，滑动支座和滚动支座三种主要的形式。1985年，加州大学伯克利分校的Zayas等首次提出摩擦摆支座。此种隔震体系通过滑动面的设计周期来延长结构物的自振周期，通过滑动摩擦来耗散地震能量，属于滑动支座类别中的一种。
[0003]随着城市经济的不断发展，地铁等城市轨道交通带来的环境振动影响建筑物居住舒适性问题不断加剧。采用隔振技术来解决环境振动问题为一种理想的手段。所谓隔振，是指在振源与被隔振物体之间插入适当的隔振装置来隔离振动的直接传递，本质是在振源和被隔振系统之间安装一个隔振器。从是否需要外界的能量，隔振技术分为了主动隔振、半主动隔振和被动隔振。根据隔振系统自身特性和描述振动的数学模型不同，被动隔振又可分为线性隔振系统和非线性隔振系统。其中，准零刚度隔振系统为一种强刚度非线性的隔振系统，能够很好地解决普通线性隔振系统隔振起始频率与承载力之间的矛盾。同时，准零刚度隔振体系是一种被动的非线性隔振系统，不需要外界提供能量，还可以通过适当的调节系统参数来获得较高的静态刚度和较高的动态刚度，从而在保证承载力的基础上具有良好的低频隔振性能，对于地铁等环境振动有较好的隔振效果。
[0004]本发明根据摩擦摆基础隔震技术和准零刚度隔振技术，提出了一种带准零刚度特性的三维隔震/振支座。支座的水平方向参考摩擦摆隔震支座进行设计，形成水平向的隔离地震系统。支座的竖向，利用螺旋弹簧和碟形弹簧并联，形成竖向的准零刚度系统，以隔离振动和竖向地震。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于设计一种新型的三维隔震/振支座，能在隔离地震的同时起到隔离地铁等轨道交通环境振动的效果。
[0006]本发明提出的带准零刚度特性的三维隔震/振支座，包括竖向准零刚度的隔震/振系统、水平向隔震系统和聚四氟乙烯材料层，其中:
竖向准零刚度的隔震/振系统由上作板、螺旋弹簧、碟形弹簧和防失稳杆组成，上作板底部均匀分布有防失稳杆，螺旋弹簧和碟形弹簧均套于防失稳杆外，螺旋弹簧和碟形弹簧为平行关联布置，且螺旋弹簧从碟形弹簧中心孔洞穿过；
水平向隔震系统由中作板和下作板组成，中作板顶部设置有若干运动导向装置；中作板底部设有凸块，下作板为圆盘结构，圆盘内设有向内凹的圆弧滑动面； 上作板、中作板和下作板自上而下分布，上作板底部的螺旋弹簧和碟形弹簧位于中作板顶部的运动导向装置内，运动导向装置将上作板和中作板之间的相对水平位移和转角位移锁死，使上作板和中作板之间仅能产生竖向位移；中作板底部凸块位于下作板的圆弧滑动面上，凸块能在圆弧滑动面上来回滑动；中作板和下作板组成的水平向隔震系统，可提供回复力，并通过摩擦来消耗输入的地震能量；
所述上作板与中作板接触处设有聚四氟乙烯材料层，所述中作板与下作板接触处设有聚四氟乙烯材料层。
[0007]本发明中，通过预先承载变形设计，使三维隔震/振支座安装到隔震/振之后，碟形弹簧位于处于压平状态，此时三维隔震/振支座竖向具有准零刚度的特性，能够高效地隔离振动和竖向地震;在三维隔震/振支座水平方向，下作板上的圆弧滑动面使得三维隔震/振支座在产生水平位移时，能够提供水平向回复力，同时摩擦力能够起到耗散地震能量的作用。
[0008]本发明中，在三维隔震/振支座支座竖向，由螺旋弹簧和碟形弹簧并联承载，具有较高的竖向承载力。当支座安装到隔震/振层，碟形弹簧接近压平，支座处于工作状态。此时，碟形弹簧提供竖向的负刚度，螺旋弹簧提供正刚度，两者叠加后使系统竖向处于零刚度状态。处于竖向零刚度状态的系统能够高效地隔离建筑环境振动和竖向地震。
[0009]本发明中，在三维隔震/振支座的水平向，采用摩擦摆的形式进行水平向隔震。当支座产生水平位移，由于下作板的圆弧滑动面的设置，能够为三维隔震/振支座提供回复力。滑移过程中，摩擦力做功，能够有效耗散地震输入能量。
[0010]本发明中，上作板和中作板通过运动导向装置，保留足够的接触面积，将水平和转动自由度锁死，实现水平向和竖向运动的解耦。支座上作板和中作板之间仅能发生竖向相对位移，而中作板和下作板之间能发生水平位移和转角(即采用摩擦摆形式进行水平隔震)。运动解耦的目的在于保证支座的稳定性，避免支座在地震作用时产生过大的摇摆作用。
[0011]本发明中，上作板和中作板之间，中作板和下作板之间接触面采用聚四氟乙烯材料层。目的在于实现较低的接触面摩擦系数，在接触面有较大的压力情况下能确保顺畅的滑动。
[0012]随着城市交通引起的环境振动问题愈发引起人们的关注，本发明有着很好的应用前景，能够同时应对建筑的抗震设计和对振动的控制要求。螺旋弹簧的型号、碟形弹簧的厚度及尺寸，下作板的圆弧滑动面的曲率半径等参数，均可根据工程实际和不同的抗震设防目标及振动控制需求进行设计，有着较强的灵活性。
[0013]本发明中，竖向准零刚度隔振系统(螺旋弹簧和碟形弹簧)的设计需要参考其承压设计值。目的一是为了保证其竖向的承载能力，二是为了使支座安装到隔震/振层之后，碟形弹簧正好处于压平位移附近，能够形成零刚度体系。
[0014]本发明中，利用防失稳杆将螺旋弹簧和碟形弹簧串联，防止螺旋弹簧在承压情况下的失稳。
[0015]本发明中，水平向隔震系统的设计需要满足结构的抗震设防要求。竖向需要满足竖向承压要求，下作板的圆弧等效曲率半径直接决定了隔震结构的自振周期，等效半径的选取应结合隔震结构的设计分析进行。
[0016]本发明中，上作板和中作板之间通过构造将水平向相对位移和转角位移锁死，确保支座运动的解耦。两者的接触部位应确保足够的接触面积以保证锁死效果。支座运动解耦的目的在于使支座在地震作用下，上作板和中作板之间没有相对水平向位移和转角，避免支座过大的摇摆作用。
[0017]新型带准零刚度特性的三维隔震/振支座与传统隔震支座(例如橡胶隔震支座，摩擦摆隔震支座等)相比，本发明的优点是:
(I)竖向隔震/振系统，具有准零刚度的特性，能起到隔离环境振动的效果。
[0018](2)竖向隔震/振系统，由于竖向刚度较小，能起到隔离竖向地震的效果。
[0019]新型带准零刚度特性的三维隔震/振支座与传统建筑结构隔振措施(例如厚肉隔振支座，隔振沟等)相比，本发明的优点是:
(I)在地震作用下，支座的竖向产生微量变形后，由于其较强的刚度非线性，竖向刚度能显著增大。由此可以避免传统的竖向隔振措施在地震作用下，结构可能产生的过大的摇摆问题。
[0020](2)传统的线性隔振措施在建筑结构隔振上有着承载力较低和低频激励隔震效果不明显问题。通过螺旋弹簧和碟形弹簧的并联，准零刚度的隔振系统有着较高的竖向承载力。同时，由于系统在静力平衡位置附近做微幅振动时，其动态刚度趋近于零，其固有频率趋近于零，从而实现了较低的隔振起始频率，使系统具有良好的隔振性能。
【附图说明】
[0021 ]图1为本发明三维隔震(振)支座处于初始状态的剖面图；
图2为本发明三维隔震(振)支座立体装配图；
图3为本发明安装于隔震(振)层的构造示意图；
图中标号上作板，2螺旋弹簧，3碟形弹簧，4中作板，5下作板，6运动导向装置，7聚四氟乙烯材料层，8防失稳杆，9圆弧滑动面，10隔震/振层上柱，11隔震/振层下柱，12预埋连接板。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图所示实施例对本发明作进一步说明。
[0023]实施例1:
图1所示，本发明由上作板I，螺旋弹簧2，碟型弹簧3，中作板4，下作板5，运动导向装置6，聚四氟乙烯材料层7和防失稳杆8组成。上作板I和中作板4之间通过运动导向装置6相互接触，实现竖向相对滑动。螺旋弹簧2与碟形弹簧3并联放置于上作板I和中作板4之间起承压作用，并由防失稳杆穿过，起到固定和保护作用。中作板4的下部凸块之上的聚四氟乙烯材料层7和下作板5的凹进圆弧滑动面接触，可实现水平向滑动。
[0024]在隔震/振层的设计阶段，应分为水平隔震系统和竖向隔震/振系统分别进行设计。水平向隔震设计应根据建筑结构抗震需求，决定支座尺寸及圆弧面曲率半径。竖向隔震/振设计应根据隔振需求及竖向承载需求，决定螺旋弹簧和碟形弹簧的搭配和数量。
[0025]图2为本发明的立体装配图，图3为本发明安装于隔震/振层的构造示意图。当支座安装用于隔震/振层时，三作板分别独立安装。上作板I与隔震/振层上柱10固定，下作板5与隔震/振层下柱11固定，均通过预埋连接板12采用高强螺栓进行连接。预埋连接板在隔震/振层混凝土工程浇筑时，分别浇筑到上、下柱中。中作板4放置在下作板5之上，通过聚四氟乙烯材料层7相互接触。中作板4与上作板I之间，竖向由螺旋弹簧2和碟形弹簧3平行并联放置，螺旋弹簧从碟形弹簧中心孔洞穿过，并通过上作板上的防失稳杆8串在一起。
[0026]以上是本发明的典型实例，本发明的实施不限于此。
【主权项】
1.一种带准零刚度特性的三维隔震/振支座，包括竖向准零刚度的隔震/振系统、水平向隔震系统和聚四氟乙烯材料层，其特征在于: 竖向准零刚度的隔震/振系统由上作板、螺旋弹簧、碟形弹簧和防失稳杆组成，上作板底部均匀分布有防失稳杆，螺旋弹簧和碟形弹簧均套于防失稳杆外，螺旋弹簧和碟形弹簧为平行关联布置，且螺旋弹簧从碟形弹簧中心孔洞穿过； 水平向隔震系统由中作板和下作板组成，中作板顶部设置有若干运动导向装置；中作板底部设有凸块，下作板为圆盘结构，圆盘内设有向内凹的圆弧滑动面； 上作板、中作板和下作板自上而下分布，上作板底部的螺旋弹簧和碟形弹簧位于中作板顶部的运动导向装置内，运动导向装置将上作板和中作板之间的相对水平位移和转角位移锁死，使上作板和中作板之间仅能产生竖向位移；中作板底部凸块位于下作板的圆弧滑动面上，凸块能在圆弧滑动面上来回滑动；中作板和下作板组成的水平向隔震系统，可提供回复力，并通过摩擦来消耗输入的地震能量； 所述上作板与中作板接触处设有聚四氟乙烯材料层，所述中作板与下作板接触处设有聚四氟乙烯材料层。2.根据权利要求1所述的带准零刚度特性的三维隔震/振支座，其特征在于:通过预先承载变形设计，在三维隔震/振支座装到隔震/振层后，碟形弹簧接近压平，支座处于工作状态;此时，碟形弹簧提供竖向的负刚度，螺旋弹簧提供正刚度，两者叠加后使系统竖向处于零刚度状态。3.根据权利要求1所述的带准零刚度特性的三维隔震/振支座，其特征在于:在三维隔震/振支座的水平向，当三维隔震/振支座产生水平位移，下作板的圆弧滑动面能够为三维隔震/振支座提供回复力，滑移过程中，摩擦力做功，能够有效耗散地震输入能量。4.根据权利要求1所述的带准零刚度特性的三维隔震/振支座，其特征在于:上作板和中作板通过运动导向装置，将水平和转动自由度锁死，实现水平向和竖向运动的解耦;使上作板和中作板之间仅能发生竖向相对位移，中作板和下作板采用摩擦摆形式进行水平隔震，使中作板和下作板之间能发生水平位移和转角。
【文档编号】E04B1/98GK106049686SQ201610599158
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月28日 公开号201610599158.4, CN 106049686 A, CN 106049686A, CN 201610599158, CN-A-106049686, CN106049686 A, CN106049686A, CN201610599158, CN201610599158.4
【发明人】周颖, 陈鹏, 王承佑
【申请人】同济大学