集合球竖向隔震筒的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种集合球竖向隔震筒，它包括一端封闭一端开放的下筒、至少一个独立球体构成的球集合体、隔板和一端封闭一端开放的上导筒组成，所述的球集合体装在下筒的筒体内，所述隔板直接平放在集合球体的顶部；所述上导筒套入下筒内。该隔震筒既可以单独作为竖向隔震使用，又可以与现有的水平隔震装置组合，形成三维隔震的复合支座。该隔震筒不但隔震性能良好，而且构造简单、耐久性好、造价低廉、有一定的抗倾覆能力，特别适用于核电站、生命线工程、高耸高层、大跨度、长悬臂等对竖向隔震敏感的建筑，以及适用于需要隔离竖向环境振动的工程结构。
【专利说明】集合球竖向隔震筒
【技术领域】
[0001]本发明属于结构工程和地震工程领域，具体涉及一种用于建筑结构或其它工程结构减轻竖向地震作用或者竖向环境振动的新式竖向隔震减震支座，特别涉及一种由集合球和筒体组合而成的竖向隔震支座。
【背景技术】
[0002]无论是试验还是真实地震考验，采用隔震技术的工程结构都表现出比传统抗震结构显著优越的抗震性能，因此以叠层橡胶隔震支座为主导的隔震技术在近几十年内得到了迅速发展。隔震支座是设在建筑物与基础之间的隔震装置，目前广泛使用的各种隔震支座都是以隔离地震波的水平分量为主要目的的。然而，地震时地面运动是复杂三向运动的组合，地面加速度既有水平方向运动分量，也有竖直方向的运动分量。传统观点认为，水平地震力对结构破坏起决定性作用，竖向地震作用微不足道。但研究表明，竖向地震作用对结构破坏状态和破坏程度的影响是不容忽视的，如在2008年岩手.宫城内陆地震中，在KiK-net一关西观察站记录到接近4000gal的强烈竖向加速度，此外还曾多次实测到地震的竖向加速度峰值大于水平加速度峰值。在多次地震中现有的隔震支座无法有效地减少地震竖向分量对建筑结构的影响，不能实现竖向隔震或者三维隔震。因此国内外不少学者对水平隔震支座进行改造，从二维隔震向三维隔震迈进。近年来，已有不少新型三维隔震支座方案相继被提出，大多数都由竖向隔震支座与水平隔震支座组合而成，但存在着以下缺点:
[0003]1、支座所提供的阻尼不能满足竖向隔震的要求，竖向振动的耗能仅限于钢材之间的相互摩擦，如碟形弹簧组成的支座。
[0004]2、采用某些竖向隔震装置的建筑结构在地震作用下，其竖向反应与非隔震结构相比反而放大了，如加厚橡胶层的叠层橡胶隔震支座。
[0005]3、造价昂贵、加工精度要求高、维护费用高、容易在地震作用下产生摇摆，如空气弹黃支座。
[0006]4、耐久性差、维护费用高是目前大部分的竖向隔震支座或三维隔震装置的通病，因此难以广泛应用于实际工程结构。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种具备较高竖向承载力、满足正常使用功能要求，并且在地震中能够有效地隔离竖向震动、消耗竖向振动能量的支座——集合球竖向隔震筒。该支座既可以单独作为竖向隔震使用，又可以与现有的水平隔震支座组合，形成三维隔震的复合支座。该支座不但隔震性能良好，而且构造简单、耐久性好、造价低廉、有一定的抗倾覆能力，特别适用于核电站、生命线工程、高耸高层、大跨度、长悬臂等对竖向隔震敏感的建
Λ-Α-巩。
[0008]为了达到以上目的，本发明采取如下解决方案:
[0009]本发明的一种集合球竖向隔震筒，它包括一端封闭一端开放的下筒、至少一个独立球体构成的球集合体、隔板和一端封闭一端开放的上导筒组成，所述的球集合体装在下筒的筒体内，所述隔板直接平放在球集合体的顶部；所述上导筒套入下筒内。
[0010]它还包括阻尼填充体，所述阻尼填充体充满球集合体的空隙中。所述阻尼填充体可以是阻尼油和/或阻尼脂，可以根据所需阻尼的大小选用不同的黏度。所述阻尼油、阻尼脂可以是单一多种黏度的，也可以是各种不同黏度组合。
[0011]所述隔板上开有小通孔。
[0012]所述上导筒外固定套设一个一端封闭一端开放的外套筒，所述外套筒与上导筒同轴，外套筒的高度大于上导筒的高度但小于下筒的高度，外套筒的内径大于下筒的外径。
[0013]所述上导筒的筒内底部固定套设有至少一个与上导筒同轴的内套管，内套管的高度与上导筒的高度相同；所述下筒嵌套入上导筒与外套筒之间的间隙中，上导筒及内套管架在隔板上。以实现对本隔震筒进行水平方向的限位，防止隔震筒在地震时发生侧向倾覆，保证隔震筒的抗倾覆能力。
[0014]所述上导筒、外套筒、内套管与下筒的高度还应该满足竖向位移的需要，使建筑结构在地震时沿竖向能够做上下平动，且保证在罕遇地震作用下，外套筒不与下筒的安装面接触，下筒不与上导筒的安装面接触。当内套管大于一个时，其中最里层内套管的外径为所述隔板的直径之1/3，上导筒外径略小于下筒的内径，并与各层内套管的高度相同；外套筒的高度大于内套管的高度但小于下筒的高度，外套筒的内径大于下筒的外径。上导筒、外套筒、内套管与下筒的直径和高度，取决于上导筒、下筒之间的行程以及球集合体的体积。
[0015]所述下筒和外套筒的封闭端分别向外延伸至一个与筒轴线垂直的安装面，所述安装面上开有安装孔，以便与建筑物的上部结构连接。
[0016]所述球集合球体是由至少一个独立的实心和/或空心球组成；所述球的材料是超弹性或粘弹性材料，如:天然橡胶、合成橡胶、高阻尼橡胶、掺入高强纤维的橡胶、硅胶等，或者由前述至少两种材料分层复合而成；可根据实际需要来调整材料的强度和变形模量；球的直径根据设计要求来确定，可以采用多种不同的直径组成级配，也可以全部球采用相同直径。球的数量根据设计要求确定。
[0017]所述阻尼填充体是阻尼油和/或阻尼脂；所述下筒、隔板、上导筒、外套筒、内套管和安装面，所用材料均是钢材、高强合金、高强钢筋混凝土，或者前述至少两种材料的组合。其尺寸要根据使用要求来确定。为了提高耐久性，如果材料有锈蚀的可能性，需要做防锈处理。
[0018]所述下筒、上导筒、外套筒、内套管均为圆柱形，所述隔板为圆形，隔板直径略小于下筒的内径。
[0019]为了提高耐久性，所述集合球隔震筒还包括橡胶护套，所述橡胶护套罩在隔震筒夕卜，其两端分别固定在安装面上；所述橡胶护套的总长度大于集合球隔震筒的高度加集合球隔震筒最大位移行程之和，直径大于下筒外径，厚度为5?10_。
[0020]本集合球隔震筒的组装步骤是:①把下筒的开口端朝上放置；②把球全部放入下筒内形成球集合体，使筒内球集合体的表面基本平整；③在下筒内注入阻尼油或阻尼脂；④在球集合体的上面放入隔板；⑤把上导筒的开口端朝下，套在下筒的上方，上导筒及内套管压在隔板的上面。组装完成。可见集合球隔震筒组装方法非常简单。
[0021]本发明的集合球隔震筒在仅用于竖向隔震时的使用方法:把上导筒的安装面与建筑物上部结构的底部通过螺栓相连，下筒的安装面与建筑物的基础通过螺栓相连。
[0022]本发明的集合球隔震筒用于三维隔震时的使用方法:把上导筒的安装面与建筑物上部结构的底部通过螺栓相连，下筒的安装面与水平隔震支座的上连接板通过螺栓相连，水平隔震支座的下连接板与建筑物的基础通过螺栓相连。
[0023]本发明的集合球竖向隔震筒在正常使用状态下的工作原理是:上部结构的荷载通过上导筒及内套管传递到隔板，隔板把荷载均匀地传递到球集合体(由于球集合体受到下筒的约束，所以每个球都均处于三向受压状态)，球集合体再通过下筒把荷载传递到下面的水平隔震支座或者建筑物基础上。当没有地震或者只发生水平地震时，集合球竖向隔震筒只起传递上部结构荷载的作用。
[0024]本发明的集合球竖向隔震筒在竖向地震发生时的工作原理是:在地面发生竖向震动时，上导筒及内套管将会相对于下筒做上下往复的运动。当上导筒及内套管相对于下筒做向上运动时，没有任何约束，使上部结构可以自由地往上运动，释放了竖向震动引起的结构拉力，这时球集合体受到的压力会减小，球体发生一定的回弹，隔板往上移动一定的距离，阻尼油或阻尼脂通过隔板与下筒之间的缝隙和隔板上的小通孔往下流；当上导筒及内套管相对于下筒做向下运动时，对球集合体产生冲击和挤压，使球体之间的空隙被压缩，其中的阻尼油或阻尼脂被挤出并通过隔板与下筒之间的缝隙和隔板上的小通孔往上流，球体之间产生的摩擦和阻尼油或阻尼脂的挤出增加了系统运动的阻尼，同时把地震运动的动能转化成热能而消耗掉，使上部结构的竖向震动迅速衰减。
[0025]本发明提供的技术方案的优点:
[0026]I)利用受三向约束且浸泡在阻尼油或阻尼脂等阻尼填充体里的由独立球体构成的球集合体作为竖向隔震支座的核心，球体在下筒内始终处于三向受压状态，保证了集合球竖向隔震筒能够提供很高的竖向承载力。
[0027]2)可以通过球体材料的变形模量以及球体的直径、级配和数量来调节集合球竖向隔震筒的竖向刚度，能够很方便地满足不同的竖向刚度需求。
[0028]3)性能稳定、耐久性好、结构简单、造价低廉，安装和更换都非常简易。
[0029]4)总之，本发明有广泛的适用性，适用于房屋、桥梁、核电站等工程结构的竖向隔震和减震，也适用于地铁轨道的减振降噪。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为下筒的结构示意图；
[0031]图2是图1的A-A剖面图；
[0032]图3为上导筒的结构示意图；
[0033]图4为图3的B-B剖面图；
[0034]图5为隔板结构示意图；
[0035]图6为图5的俯视图；
[0036]图7为集合球竖向隔震筒的装配示意图；
[0037]图8为集合球竖向隔震筒的剖视图；
[0038]图9为集合球竖向隔震筒作为三维隔震装置时的安装示意图；
[0039]图10为集合球竖向隔震筒作为竖向隔震装置时的安装示意图。
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
[0041]如图1?10所示是本发明的一种集合球竖向隔震筒的优选实施例之一，
[0042]它包括一端封闭一端开放的圆柱形下筒1、多个独立的弹性球体31构成的球集合体3、直径略小于下筒内径的圆形隔板4、阻尼填充体5、一端封闭一端开放的圆柱形上导筒2组成和橡胶护套6组成，所述上导筒2外固定套设一个一端封闭一端开放的圆柱形外套筒21，所述外套筒21与上导筒2同轴，外套筒21的高度大于上导筒2的高度，小于下筒I的高度；所述上导筒2的筒内底部固定套设有一个与上导筒2同轴的圆柱形内套管22，内套管22的高度与上导筒2的高度相同；所述的球集合体3装在下筒I的筒体内，所述隔板4直接平放在球集合体3的顶部；所述下筒I嵌套入上导筒2与外套筒21之间的间隙中，上导筒2和内套管22架在隔板4上；所述隔板4上均匀开有多个小通孔41，所述阻尼填充体5充满球集合体3的空隙中。所述阻尼填充体5是阻尼油或阻尼脂，并可以根据所需阻尼的大小选用不同的黏度。所述阻尼油、阻尼脂可以是单一多种黏度的，也可以是各种不同黏度组合；所述下筒I和外套筒21的封闭端分别向外延伸至一个与筒轴线垂直的安装面11、23，所述安装面上开有安装孔12、24，以便与建筑物和水平隔震支座连接；所述橡胶护套罩6在隔震筒外，其两端分别固定在安装面11、23上；所述橡胶护套6的总长度大于集合球隔震筒的高度加集合球隔震筒的最大位移行程之和，直径大于下筒I外径，厚度为5?10_。
[0043]所述上导筒2、外套筒21、内套管22与下筒I的高度还应该满足竖向位移的需要，使建筑结构在地震时沿竖向能够做上下平动，且保证在罕遇地震作用下，外套筒21不与下筒I的安装面11接触，下筒I不与上导筒2的安装面23接触。当内套管大于一个时，其中最里层内套管的外径为所述隔板4的直径之1/3，上导筒2外径略小于下筒I的内径，并与各层内套管22的高度相同；外套筒21的高度大于内套管22的高度，但小于下筒I的高度。外套筒21的内径大于下筒I的外径。上导筒2、外套筒21、内套管22与下筒I的直径和高度，取决于上导筒2与下筒I之间的最大位移行程以及球集合体3的体积。
[0044]所述球体31的材料可以是天然橡胶、合成橡胶、高阻尼橡胶、掺入高强纤维的橡胶、硅胶等超弹性或粘弹性材料，或者由前述至少两种材料分层复合而成；可根据实际需要来调整材料的强度和变形模量；球体31的直径根据设计要求来确定，可以采用多种不同的直径组成级配，也可以全部球体采用相同直径。球的数量根据设计要求确定。
[0045]所述下筒1、隔板4、上导筒2、外套筒21、内套管22和安装面11、23，所用材料均可以是钢材、高强合金、高强钢筋混凝土，或者前述至少两种材料的组合，其尺寸要根据使用要求来确定。为了提高耐久性，如果材料有锈蚀的可能性，需要做防锈处理。
[0046]为了提高耐久性，所述集合球隔震筒还包括橡胶护套6，所述橡胶护套罩6在隔震筒外，其两端分别固定在安装面11、23上；所述橡胶护套6的总长度大于集合球隔震筒的高度加最大位移行程之和，直径大于下筒I外径，厚度为5?10_。
[0047]本集合球隔震筒的组装步骤是:①把下筒I的开口端朝上放置；②把独立球体31放入下筒I内，使筒内球集合体3的表面基本平整在下筒I内注入阻尼油或阻尼脂在球集合体3的上面放入隔板4 ;⑤把上导筒2的开口端朝下，套入下筒I的上方，上导筒2及内套管22压在隔板4的上面，组装完成。
[0048]本发明并不限于以上实施方式，只要是本说明书或权利要求书中记载的方案均是可以实施的。例如上述实施例中隔板上的小通孔、内套管、阻尼填充体等是可以选择性的有或没有的；球体也可以是弹性的或粘弹性的。因此以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种集合球竖向隔震筒，其特征在于:它包括一端封闭一端开放的下筒、至少一个独立球体构成的球集合体、隔板和一端封闭一端开放的上导筒组成，所述的球集合体装在下筒的筒体内，所述隔板直接平放在集合球体的顶部；所述上导筒套入下筒内。
2.根据权利要求1所述的一种集合球竖向隔震筒，其特征在于:它还包括阻尼填充体，所述阻尼填充体充满球集合体的空隙中。
3.根据权利要求2所述的一种集合球竖向隔震筒，其特征在于:所述隔板上开有小通孔。
4.根据权利要求1或2或3所述的集合球竖向隔震筒，其特征在于:所述上导筒外固定套设一个一端封闭一端开放的外套筒，所述外套筒与上导筒同轴，外套筒的高度大于上导筒的高度，小于下筒的高度。
5.根据权利要求4所述的集合球竖向隔震筒，其特征在于:所述上导筒的筒内底部固定套设有至少一个与上导筒同轴的内套管，内套管的高度与上导筒的高度相同；所述下筒嵌套入上导筒与外套筒之间的间隙中，上导筒和内套管架在隔板上。
6.根据权利要求5所述的集合球竖向隔震筒，其特征在于:当内套管大于一个时，其中最里层内套管的外径为所述隔板的直径之1/3，上导筒外径略小于下筒的内径，并与各层内套管的高度相同；外套筒的高度大于内套管的高度但小于下筒的高度，外套筒的内径大于下筒I的外径。
7.根据权利要求5所述的集合球竖向隔震筒，其特征在于:所述下筒和外套筒的封闭端分别向外延伸至一个与筒轴线垂直的安装面，所述安装面上开有安装孔。
8.根据权利要求7所述的集合球竖向隔震筒，其特征在于:所述集合球体是由至少一个独立的实心和/或空心球体组成；所述球的材料是天然橡胶、合成橡胶、高阻尼橡胶、掺入高强纤维的橡胶、硅胶、其它超弹性或粘弹性材料，或者由前述至少两种材料分层复合而成；所述阻尼填充体是阻尼油和/或阻尼脂；所述下筒、隔板、上导筒、外套筒、内套管和安装面，所用材料是钢材、高强合金、高强钢筋混凝土，或者前述至少两种材料的组合。
9.根据权利要求5所述的集合球竖向隔震筒，其特征在于:所述下筒、上导筒、外套筒、内套管均为圆柱形；所述隔板为圆形，其直径略小于下筒的内径。
10.根据权利要求1所述的集合球竖向隔震筒，其特征在于:它还包括橡胶护套，所述橡胶护套罩在隔震筒外，其两端分别固定在安装面上；所述橡胶护套的总长度大于集合球隔震筒的高度加最大位移行程之和，直径大于下筒外径，厚度为5?10_。
【文档编号】E01D19/04GK104389353SQ201410629651
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月7日 优先权日:2014年11月7日
【发明者】冼巧玲, 李嘉卿, 周福霖 申请人:广州大学