润滑叠层钢板滤波隔震垫的制作方法
【专利摘要】油润滑叠层钢板滤波隔震垫，属一种建筑基础隔震装置，是消除地震波对建筑物的破坏作用的隔震装置。利用钢板单位面积承受荷载量大和钢板间油润滑摩擦系数较小的特点，用多层凸凹面吻合的弧形钢板重叠组合成隔震垫，体积小、隔震效率高。它由顶座(1)、四层中间活动板(2)、底座(3)、弹簧-钢丝绳(4)、橡胶密封外套(5)组成。底座固定在建筑物地下室的箱基础上，顶座支撑在建筑结构底层的荷载柱下。地震时，基础和底座一起往返水平运动，底座水平运动的位移振幅通过多个润滑摩擦面的重复减小、发生量变到质变的改变，实现顶座和建筑结构在地震中不发生水平运动，保护建筑物地震安全的目标。
【专利说明】润滑叠层钢板滤波隔震垫
[0001]
【技术领域】
[0002]本专利涉及一种润滑叠层钢板滤波隔震垫，属于消除地震波对建筑物的破坏作用的基础隔震装置。
一、技术背景
[0003]我国是个地震灾害严重的国家，预防地震灾害是社会发展和保护人民的生命和财产安全的需要。地震波对建筑物的破坏主要来自横波和面波的水平运动。地震破坏烈度达12度，一般民宅的抗震设防最高只达9度，把11度至12度界定为不可抗拒、只能避让的地震活动断层破坏带，还有大于9度至小于11度范围属抗震空白。目前隔震技术有多种，橡胶隔震垫(铅芯橡胶钢板)隔震技术，是唯一纳入《建筑抗震设计规范》、法定推广应用的隔震技术，但因造价太高，每平方米建筑面积要增加2000元造价，大大超出广大民众经济承受能力而不能为广大民众服务，且橡胶隔震垫还存在老化失效和共振破坏隐患缺陷。进入21世纪，从汶川特大地震灾害到玉树、盈江、彝良地震等，目前地震灾害依然严重，需要解决灾害问题。叠层滚动摩擦的层式滤波隔震垫虽然能使建筑物在地震中不发生水平运动、消除地震波破坏作用，目前尚未获行业许可应用。此隔震装置受钢球安全荷载限制，存在单位面积承受荷载量小的缺点，要求隔震垫的荷载面积较大，制造、运用不便，耗材较多。
二、
【发明内容】
[0004]为达到高效 隔震、低成本、制造、安装运用简便等目的，特别为解决乡镇城市化建设广大民宅建筑的大震安全和经济承受能力需要。在借鉴前人研究成果的基础上，根据隔震模拟实验证明的隔震原理(叠层滚动摩擦对地震水平运动力具有重复累积衰减作用)和建筑物在地震中不发生水平运动的隔震衰减比临界值(1.33/1000)，设计了润滑叠层钢板滤波隔震垫，按建筑结构抗震设计钢材的抗拉强度每平方厘米20千牛设计隔震垫荷载面积，隔震垫的荷载面积可减小为层式滤波隔震垫的1/10。
[0005](一 )部件组成
[0006]润滑叠层钢板滤波隔震垫的部件设计，控制满足单柱或结点荷载和地面水平运动位移振幅两项指标的相互配套需要。
[0007]隔震垫设计为上小、下大的圆台形，由顶座、四层中间活动板、底座、弹簧-钢丝绳、橡胶密封套组成。顶座设计直径20厘米可满足单柱或结点荷载600吨以下的多层建筑、设计直径30厘米可满足单柱或结点荷载1000吨以下的小高层建筑、设计直径50厘米可满足单柱荷载3000吨以下的高层、超高层建筑需要。地面水平运动位移振幅在1、II类建筑场地设计为10厘米，III类场地设计为20厘米。
[0008]顶座分上下两段，上段设置为筒中筒空腔，中心筒直径6厘米至10厘米、高8厘米至12厘米、为弹簧安放腔。顶座下段设置为短柱形、柱底面为向下凸的弧面。弹簧安放腔底留穿过弧面中心的通孔。内外筒筒壁厚均为6厘米，筒壁间呈“十”形连接，厚与筒壁相等，筒壁间空腔用C60混凝土填平。顶座上面，根据荷载柱形态面积需要设荷载板、用螺钉与顶座相连。中间活动板设制为上面凹、下面凸、等厚的双工作面弧形板，曲率为1-2厘米，四层中间活动板叠置加顶座、底座组合可有5个摩擦面。自上而下，第一、第二层中间活动板厚I厘米至2厘米、直径比顶座直径增大2厘米，第三、第四层中间活动板厚3厘米、直径比顶座直径增大4厘米至6厘米。上三层中间活动板中心设倒“V”形通孔，通孔直径4-8厘米，由上往下逐曾层增大，最下面的第四层中间活动板中心设钢丝绳固定的螺孔；底座顶面设制为凹弧面、底面水平。中间活动板的上凹弧面与顶座下凸弧面吻合、下凸弧面与底座上凹弧面吻合。细丝钢绳上端固定在弹簧上端、下端穿过弹簧中心从顶座底面通孔引出和中间活动板连为一体。氯丁橡胶密封套分成三个不同形体段，上段厚I厘米、为圆筒形、内径与顶座相同，下段厚3厘米、为圆筒形、内径与底座相同，橡胶中加入轮胎开发丝增强抗变形强度，中段为两极台阶的圆筒。橡胶密封套上段套在顶座外圈、下端套在底座外圈，把顶座和底座连为一体，用环箍和螺钉固定。钢板间用磁化机油或机油与聚四氟乙烯粉调和剂润滑。弹簧设计压缩量使钢丝绳可伸长长度满足最下层中间活动板运动最大位移振幅，弹簧压缩模量小于建筑结构在地震中不发生水平运动的隔震临界值。钢丝绳用多节铅环套保护，防止钢板在高频振动时与钢丝绳发生硬性碰撞。
[0009]中间活动钢板叠成的中心倒“V”形孔空腔用润滑剂充填，最下面的第四层中间活动半中心设多个供油通孔给最下一个摩擦面供润滑油，最下的第四层中间活动板通过强磁场磁化，增加与底座的附着力。
[0010]性能:
[0011]1、铅直支撑性能:按荷载需要设计隔震垫断面积，满足乡镇民宅和城市高层建筑需要。
[0012]2、水平变形性能:满足位移振幅10-20厘米的1、11类和III类场地地震响应特征周期。1985年墨西哥大地震中，距震中400公里的墨西哥城厚大软土层上记录到面波的运动加速度为0.18g、运动周期为2秒。此运动周期是当今世界上最长的地面运动周期，依此计算得地面运动峰值振幅为17.88厘米、有效峰值为12.65厘米。表明实际应用中，隔震垫的位移振幅设计为15厘米即足够安全，因为峰值振幅与有效峰值的比值只有3分贝，峰值振幅高于有效峰值的部分无破坏作用。
[0013]3、变形恢复性能:弧形凸凹吻合面具有静载自动复位作用，弹簧-钢丝绳和橡胶套变形后的回复微力、借助地震波衰减过程，对隔震垫复位起引导作用。
[0014]4、耐久性-钢板镀防腐保护膜，外用氯丁橡胶套密封防腐。
[0015](二)隔震作用
[0016]隔震垫的顶座与结构连为一体，底座与地面基础连为一体。油润滑钢板间的动摩擦系数为0.05至0.1，聚四氟乙烯的摩擦系数为0.04。每两层钢板间的摩擦面用机油或机油与聚四氟乙烯调合作为润滑剂。4层中间活动钢板加顶座、底座重叠组合成的隔震垫有5个润滑摩擦面，如同建筑结构与基础间存在5个光滑断层面。
[0017]运动是物体间相对位置的改变，有运动就有摩擦力。隔震模拟实验证明:三层钢板夹两层钢球的隔震装置，对由下向上传播的水平运动力和位移距离具有重复累积衰减作用，同理，多层钢板润滑重叠成的隔震装置，对由下向上传播的水平运动力和位移距离也具有重复累积衰减作用，只是由于摩擦方式和摩擦系数的不同存在衰减效率的不同。按照库仑摩擦力公式，每个摩擦面间的摩擦力均为= ymg公斤。地面建筑荷载为mg，有荷载的运动必然做功。由于底座和基础连为一体，基础和底座地震水平运动的位移振幅为A厘米时，底座运动做功量G = Amg公斤-厘米；底座上覆第一层中间活动板，受底座水平运动摩擦力驱动产生水平运动、运动位移做功量G1 = Aymg公斤-厘米，运动位移振幅为A1 ;同时第二层中间活动板受下伏第一层中间活动板运动摩擦力驱动产生水平运动位移做功量G2 = A1 μ mg公斤-厘米，运动位移振幅为A2 ;第三层中间活动板受下伏第二层板运动摩擦力驱动产生水平运动位移做功量G3 = A2Umg公斤-厘米，运动位移振幅为A3,……Gn =
An μ mg公斤-厘米,运动位移振幅为An。当μ等于I时,则G1 = G2 = G3......Gn = G, A1 =
A2 = A3……An = Α，各中间活动板和底座连基础同时一起运动；当μ小于I时，则G > G1 >G2 > G3……> Gn，A > A1 > A2 > A3……> An，各中间活动板在底座上滑动、各层板之间也有逐渐减小的错位滑动。
[0018]当地震地面水平运动位移振幅A = 20厘米、叠层钢板间的润滑摩擦系数μ = 0.1时，底座随地面水平运动位移20厘米的做工量G为20mg公斤-厘米。底座上的第一层中间活动板受底座水平运动摩擦力驱动产生水平运动、运动位移做功量G1为2mg公斤-厘米，mg不变，该中间活动板的位移振幅A1为2厘米；同时第二层中间活动板受下面第一层中间板水平运动摩擦力驱动产生水平运动的位移做功量G2为0.2mg公斤-厘米、位移振幅A2为
0.2厘米；第三层中间活动板受第二层中间活动板运动摩擦力驱动产生水平运动位移的做功量G3为0.02mg公斤-厘米、位移振幅A3为0.02厘米，则有A1A = A2A1 = A3A2 = 0.1，荷载mg和摩擦系数μ 不变，即每个摩擦面的摩阻力相同，中间活动板水平运动做功量的减少是位移振幅的减小造成。地震地面水平运动位移振幅在隔震垫内垂直向上传播的衰减为夂/A = A2A1 = A3A2……=Αη+1/Αη。这表明润滑叠层钢板滤波隔震垫中，由下向上传播的水平运动位移振幅的衰减比与摩擦系数μ呈等量关系(Αη = Αμη)，摩擦系数越小、水平运动位移振幅的裳减比值越小、隔震效率越闻。
[0019]当地震地面水平运动20厘米的位移振幅通过隔震垫减小到小于0.02厘米时，表明位移振幅发生了量变到质变的改变，上部结构已不会发生水平运动，滤波隔震目标实现。
[0020]用磁性润滑油(Castrol)与聚四氟乙烯粉调和成膏状做润滑剂，油对钢板的磁性吸附力把聚四氟乙烯粉粘附在摩擦面上，可使摩擦系数再减小。地震时，底座与中间活动板间随地面运动发生错位，中心空腔内的润滑剂会补充在每个错位的滑动面上。
[0021]三、社会效益经济效益分析
[0022]如果2008年汶川特大地震中，北川县7度设防的幼儿园教室在10度至11度破坏的横波传到前，经受纵波竖向震动未受破坏的实例可资运用，隔震作用解决了建筑物在地震中不发生水平运动问题，则7度设防的结构可满足10度至11度破坏的地震动安全。运用本隔震技术，如果允许按7度水平地震影响系数设计结构，8度设防区可节约20%的成本，9度设防区可节约成本40%。8度设防区高层、超高层建筑按每平方米用钢材75kg计算，节约20%就是15kg。每根柱按承受每层楼45m2的荷载计算,可节约钢材675kg,40层楼可节约钢材27000kg。其中10%用于隔震垫支出，不增加成本，还可大大提高建筑物的安全储备。目前大多数民众都要靠按揭贷款购房，说明人们的购买力还有限，降低建筑成本是社会大多数人的需要。建筑成本降低必然降低建筑资源消耗。节约建筑成本也相当于节约钢材、水泥，节约20%至40%的钢材水泥相当于可减少消耗10%至30%的燃煤和石灰岩消耗造成的二氧化碳排放。少燃烧1.2吨炭，可少排放4.4吨二氧化碳。石灰岩是钢铁冶炼的主要熔剂和水泥生产的主原料，石灰岩的主要成分碳酸钙中含44%的二氧化碳，少消耗一吨含50%碳酸钙的石灰岩就少排放220公斤的二氧化碳。能提高防震效率、能节约建筑资源和燃料能源、能减少二氧化碳排放的隔震新技术，符合国家节能减排的产业发展导向。虽然大震对中震的比值的优势分布只有1.8倍，比中震对小震的比值优势分布的3倍少1.2倍，但是，按照地震级差释放能量的30进位制，一次7级地震释放能量相当于30次6级地震，大震灾害是破坏性灾害损失的主体。地震危险性分析表明，我国存在15个8.5级潜在震源区，71个8级潜在震源区，151个7.5级潜在震源区，这表明区域性大震分布是将来主要地震灾害，防御大震灾害比防御中震灾害更有价值，成功防御一次大震灾害相当于成功防御了 30次中震灾害。解决了建筑物在地震中不发生水平运动问题，按多遇地震设防标准的建筑结构，只要满足竖向地震动荷载、自重荷载、风荷载就能抵御罕遇地震破坏，高层建筑结构可设计成变形柱(L、T、十形)剪力墙结构，增加使用空间；核电站也就有可能建设在电力需要量最大的地方，减少输电成本。当按多遇地震设防烈度标准建造的乡镇民宅能满足罕于遇地震安全，广大民众的经济能力就能承受，大震无害的目标就能实现。
[0023]四、生产与运用要求
[0024]( 一 )生产要求
[0025]1、制造用的钢材应有足够强度，无空洞内伤和裂纹。
[0026]2、每块中间活动板厚度误差小于0.1mm。弧形工作面精度误差小于0.1mm,抛光、并做电镀防腐处理。
[0027]3、橡胶密封套下段用轮胎开发丝做骨架。
[0028](二)运用要求:
[0029]1、按《建筑抗震设计规范》规定距离，避开可能对基础持力层到地面土层产生的剪切错动、张开合拢、推覆揉搓、两盘差异升降等破坏的地震活动断层带和潜在地震造成或诱发地陷、崩塌、滑坡、泥石流、巨型滚石、海嘯等不可抗拒的地震次生灾害危险场地。
[0030]2、隔震垫安放于地下室底层地面与荷载柱脚之间，水平安放单件误差不超过1_。隔震垫安放到位后，用砌体围限圈固，再在隔震垫上顺序建造荷载柱和地梁、地面楼板。地面楼板固结养护期满后，用树根式钢丝绳和上、下定滑轮组合把地面层或隔震层下的承重梁与箱基和四周基坑壁牵固为一体，钢丝绳用量按风荷载计算值的2倍设置。定滑轮设有平时锁定地震触发自动打开装置，地震时，箱基和钢绳、地基在隔震垫下随地面水平运动，建筑结构在隔震垫上保持不动，地震停止后，人工合上定滑轮锁定栓。合理利用箱基底面和基坑护壁桩做牵固受力点，可降低成本。地面以上建筑施工要求严格按从中心向四周对称增加荷载顺序施工完成各层建设。为控制避免地震扭转效应，建筑结构通过概念设计控制平面形体布局尽量呈等轴状。
[0031]3、燃气、水、电、通讯供应管、线在隔震层用塑性材料连接，按振幅3倍留有足够防振动扯断长度。隔震垫安放位置及地下室牵固措施，如图8示意。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1为润滑叠层钢板滤波隔震垫结构图[0033]图2为润滑叠层钢板滤波隔震垫剖视图
[0034]图3为顶座结构图
[0035]图4为中间活动板结构图
[0036]图5为底座结构图
[0037]图6为弹簧-钢丝绳结构图
[0038]图7为橡胶密封套结构图
[0039]图8为隔震垫安放和抗风荷载牵固不意图
【权利要求】
1.一种润滑叠层钢板滤波隔震垫，为上小下大的圆台形，由顶座(I)、四层中间活动板(2)、底座(3)、弹簧-钢丝绳(4)、氯丁橡胶密封套(5)组成。顶座分上下两段，上段为筒中筒，中心筒为弹簧安放腔，腔底面设通孔，外筒用混凝土充填，下段为短柱，柱底面为凸弧面；中间活动板均设置成下凸上凹吻合的等厚弧形板，凹弧面于顶座凸弧面吻合；底座上面设置为凹弧面、凹面与中间活动板下凸弧面吻合。共组合成5个摩擦面，用润滑剂使每个摩擦面的摩擦阻力减小。上三层中间活动板中心设直径4至8厘米的通孔，第四层中间活动板中心设钢丝绳固定螺孔。上两层中间活动板各厚2厘米、直径比顶座直径大2厘米，下两层中间活动板各厚3厘米，直径比顶座大4厘米至6厘米；底座厚4厘米，直径比顶座大20厘米至40厘米，满足位移振幅10厘米至20厘米，中心设钢丝绳固定螺孔；弹簧可压缩长度满足第四层中间活动板位移振幅3厘米，弹簧竖直安放，钢丝绳上端固定在弹簧上端，下端从弹簧中心向下引出，穿过顶座和三层中间活动板中心通孔固定在第四层中间活动板中心，中间活动板叠置于底座弧形凹面上；氯丁橡胶密封套上段直径与顶座相同，中段设2道阶梯状弯折台阶，下段直径与底座相同，上端套在顶座四周、下端套在底座四周，通过外圈箍与顶座和底座连接牢实。
2.如权利I要求，润滑剂用机油或机油与聚四氟乙烯粉调合剂，减小叠层钢板间的摩擦阻力。
3.如权利I要求，弹簧-钢丝绳串连顶座和中间活动板、不与底座相连，保障底座水平运动最大位移振幅距离内运动不受限制。
4.如权利I要求，弹簧安放腔设于顶座正中，节省制造用材。
5.如权利I要求，氯丁橡胶密封套的阶梯状弯折台阶伸直长度满足底座水平运动最大位移振幅不受限制。
【文档编号】E02D31/08GK103993616SQ201310053547
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2013年2月19日 优先权日:2013年2月19日
【发明者】娄霓 申请人:娄霓