CN105297903B - 一种大震与小震刚度切换减震球型支座及其减震方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大震与小震刚度切换减震球型支座及其减震方法。本发明采用了位移箱、减震板簧和限位销，实现了小震与大震作用下刚度切换，分别抵抗不同水平地震作用的目的；当地震发生且侧向力超过水平地震力阈值时，限位销被剪断，限位约束被解除，滑板可自由滑动，中支架成为弹性支撑能够平动和转动，从而将地震产生的动能转换为势能；同时，在滑移过程中，摩擦阻力又消耗一部分地震能量，延长了结构周期，达到减震的效果。与现有的减震球型支座相比，本发明最大的优点是实现了球型支座在小震与大震条件下的刚度切换，能够显著减小大震作用下结构的内力，具有结构简单、抗震性能稳定、可靠、耐久等特点。

Description

一种大震与小震刚度切换减震球型支座及其减震方法

技术领域

本发明涉及土木工程中的建筑结构领域，具体涉及一种大震与小震刚度切换减震球型支座及其减震方法。

背景技术

目前，在大型钢结构中广泛应用减震球型支座。球型支座可实现上部结构和下部结构间的平动和转动，并能对上部结构提供弹性支撑。现有的减震球型支座包括：上座板、上支座垫板、上平面滑板、球冠衬板、中支架、內位移箱、减震板簧和外位移箱等。

由于采用了上座板、球冠衬板、中支架、內位移箱、外位移箱和减震板簧等部件，因此现有的减震球型支座，能实现有限转动，并为水平向平动提供弹性支撑，从而在地震作用下减小地面和下部结构的震动向上部结构的传递。

然而，建筑结构中减震球型支座往往需要在正常使用及小震作用下承受一定的水平荷载而不产生位移，而在大震时又需要成为弹性支撑。而现有的减震球型支座没有考虑到小震与大震作用下刚度切换。

发明内容

针对以上现有技术中减震球型支座没有考虑小震与大震作用下刚度切换的问题，本发明对传统的减震球型支座提出改进，提供一种大震与小震刚度切换减震球型支座，从而解决现有的球型支座无法在不同水平地震作用下变换刚度的问题。

本发明的一个目的在于提供一种大震与小震刚度切换减震球型支座。

本发明的大震与小震刚度切换减震球型支座包括：上座板、上支座垫板、上平面滑板、球冠衬板、球面滑板、中支架、下支座垫板、內位移箱、减震板簧、下平面滑板、外位移箱、连接垫板和限位销；其中，上座板的底部具有空腔，为中心对称的结构；在上座板的空腔内，依次叠放有上支座垫板、上平面滑板和球冠衬板，球冠衬板的顶部具有凹槽，上平面滑板镶嵌在凹槽内；中支架包括上部的中心对称的支柱和底部的长方体的底座，支柱的顶部具有与球冠衬板的形状相对应的凹面，通过球面滑板将球冠衬板与中支架连接；中支架的顶端边缘具有凸起，卡在上座板的空腔内；中支架的底座通过下支座垫板和下平面滑板连接在外位移箱内；中支架的底座、內位移箱和外位移箱均为双轴对称的结构，即关于x轴对称并且关于y轴对称的结构，在沿x轴方向上，內位移箱与中支架的底座之间具有空隙，在中支架的底座沿x轴方向的两端分别设置减震板簧，內位移箱与外位移箱之间没有空隙，二者通过连接垫板连接；在沿y轴方向上，內位移箱与中支架的底座之间没有空隙，內位移箱与外位移箱之间具有空隙，在內位移箱沿y轴方向的两端外侧分别设置减震板簧；中支架的底座沿y轴方向的两端分别超出支柱形成凸起，在两端的凸起中分别设置有多个平行于z轴的圆孔，在下平滑板和外位移箱与圆孔相对应的位置分别设置有通孔和凹槽；多个限位销分别设置在圆孔、通孔和凹槽中，从而多个限位销嵌入中支架的底座和外位移箱中；当震动小于预先设定的水平地震力阈值时，限位销相当于保险装置，将中支架与外位移箱的相对位置固定，中支架处绕z轴任意转动以及绕x轴和y轴有限转动；当地震发生且侧向力超过水平地震力阈值时，限位销被剪断，限位约束被解除，上平面滑板、下平面滑板和球面滑板自由滑动。

在中支架的底座与外位移箱中嵌入限位销，两端各对称地设置两个以上的限位销，限位销的总数为n，n为≥4的偶数。限位销的截面为圆形；采用强度高、硬度高且无流幅的材料，如50碳结钢，此种钢强度、硬度较高且无明显流幅。限位销上对应中支架与下平滑板的界面处设置有一圈缺口，形成薄弱面，当地震发生且侧向力超过水平地震力阈值时，限位销沿薄弱面被剪断。

內位移箱具有四面围成一圈的侧壁，內位移箱在沿x轴方向上相对的一对侧壁的底部具有向外的凸起，与外位移箱的一对侧壁的顶部沿x轴方向具有向内的凸起通过连接垫板连接；內位移箱在沿y轴方向上相对的一对侧壁的顶部具有向内的凸起，与中支架的底部沿y轴方向的两端具有向外的凸起通过连接垫板连接。

上平面滑板、下平滑板和球面滑板是滑动部件，分别实现平动和转动，材料采用聚四氟乙烯。在上平面滑板、下平滑板和球面滑板的上表面分别设置有储油坑，并涂油脂以减少滑动摩擦和磨耗；油脂采用硅脂。

减振板簧通过螺栓固定在中支架沿x轴方向的两端，或者內位移箱沿y方向的两端外侧。

本发明的大震与小震刚度切换减震球型支座的平动通过减震板簧的弹性变形来实现；转动通过球冠衬板与球面滑板之间的滑动来实现。

限位销上对应中支架与下平滑板的界面处设置有一圈缺口，形成薄弱面；当震动小于预先设定的水平地震力阈值时，限位销相当于保险装置，将中支架与外位移箱的相对位置固定，中支架处可绕z轴任意转动和绕x、y轴有限转动。当地震发生且侧向力超过水平地震力阈值时，限位销沿薄弱面被剪断，保险装置被打开，限位约束被解除，上平面滑板、下平面滑板和球面滑板处可自由滑动，中支架可实现x方向和y方向两个方向的平动和各方向的转动，通过减震板簧实现弹性支承，从而将地震产生的动能转换为势能，减小结构受到的地震力；同时，在滑移过程中，摩擦阻力又消耗一部分地震能量，使得结构的受力更加合理，保护结构的安全，延长了结构周期，达到减震的效果。

本发明的另一个目的在于提供一种大震与小震刚度切换减震球型支座的减震方法。

本发明的大震与小震刚度切换减震球型支座的减震方法，包括以下步骤：

1)根据实际场地条件及结构形式确定水平地震力阈值，根据水平地震力阈值选择限位销的材料和尺寸，在限位销上对应中支架与下平滑板的界面处设置薄弱面，将限位销嵌入中支架和外位移箱中；

2)按照规范进行加工、制作、装配、运输和现场安装，在工程场地，减震球型支座的外位移箱通过预埋板(通常为钢锚板)与下部结构连接，上座板与上部结构通过螺栓连接；

3)当震动小于预先设定的水平地震力阈值时，限位销处于闭合状态，将中支架与外位移箱的相对位置固定，中支架处能够绕z轴任意转动以及绕x轴和y轴有限转动；

4)当地震发生且侧向力超过水平地震力阈值时，限位销沿薄弱面被剪断，限位约束被解除，上平面滑板、下平面滑板和球面滑板自由滑动，中支架能够实现x方向和y方向两个方向的平动和各方向的转动，通过减震板簧实现弹性支承，从而将地震产生的动能转换为势能，减小结构受到的地震力；同时，在滑移过程中，摩擦阻力又消耗一部分地震能量，实现了小震与大震作用下刚度切换。

其中，在步骤1)中，在中支架的底座与外位移箱中嵌入限位销，两端各对称地设置两个以上的限位销，限位销的总数为n，n为≥4的偶数。限位销的材料强度高、硬度高且无流幅的材料，可选50碳结钢，此种钢强度、硬度较高且无明显流幅。限位销的尺寸满足：

其中，F为水平地震力阈值(N)，n为限位销的总数，f_v为限位销的材料的剪切强度标准值(MPa)，d₁为限位销的薄弱面的直径(mm)，d₂为限位销的直径(mm)。

在步骤2)中，安装定位后在气温达到全年平均温度且各部分结构卸载完毕后再打开封装，严格对中、调平后投入使用。

本发明的优点：

本发明采用了位移箱、减震板簧和限位销，实现了小震与大震作用下刚度切换，分别抵抗不同水平地震作用的目的；当地震发生且侧向力超水平地震力阈值时，限位销被剪断，限位约束被解除，滑板可自由滑动，中支架成为弹性支撑能够平动和转动，从而将地震产生的动能转换为势能；同时，在滑移过程中，摩擦阻力又消耗一部分地震能量，延长了结构周期，达到减震的效果。与现有的减震球型支座相比，本发明最大的优点是实现了球型支座在小震与大震条件下的刚度切换，能够显著减小大震作用下结构的内力，具有结构简单、抗震性能稳定、可靠、耐久等特点。

附图说明

图1为本发明的大震与小震刚度切换减震球型支座的封装图；

图2为本发明的大震与小震刚度切换减震球型支座的剖视图，其中，(a)为x方向的剖视图，(b)为y方向的剖视图；

图3为本发明的大震与小震刚度切换减震球型支座的沿中支架切开后的俯视剖面图；

图4为本发明的大震与小震刚度切换减震球型支座的限位销的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

图1为本发明的减震球型支座的封装图。

如图2所示，本实施例的减震球型支座包括：上座板1、上支座垫板2、上平面滑板3、球冠衬板4、球面滑板5、中支架6、內位移箱7、连接垫板8、减震板簧9、下支座垫板10、下平面滑板11、外位移箱12和限位销13；其中，上座板1的底部具有空腔，为中心对称的结构；在上座板的空腔内，上支座垫板2将上平面滑板3与上座板1连接，球冠衬板4的顶部具有凹槽，上平面滑板3镶嵌在凹槽内；中支架6包括上部的中心对称的支柱和底部的长方体的底座，支柱的顶部具有与球冠衬板的形状相对应的凹面，通过球面滑板5将球冠衬板与中支架连接；中支架6的支柱顶端边缘具有凸起，卡在上座板1的空腔内；中支架6的底座通过下支座垫板10和下平面滑板11连接在外位移箱12内；中支架6的底座、內位移箱和外位移箱均为关于x轴对称并且关于y轴对称的结构，在沿x轴方向上，內位移箱与中支架的底座之间具有空隙，在中支架的底座上沿x轴方向的两端分别设置减震板簧9，內位移箱7与外位移箱12之间没有空隙，二者通过连接垫板8连接；在沿y轴方向上，內位移箱7与中支架6之间没有空隙，內位移箱7与外位移箱12之间具有空隙，在內位移箱沿y轴方向的两端外侧分别设置减震板簧9；中支架6的底座沿y轴方向的两端分别超出支柱分别形成凸起，在两端的凸起中分别设置有2个或3个平行于z轴的圆孔，在下平滑板11和外位移箱12与圆孔相对应的位置分别设置有通孔和凹槽；在圆孔、通孔和凹槽中嵌入限位销13，从而在两端各对称地设置2个或3个限位销，共4个或6个限位销。上支座垫板2、连接垫板8和下支座垫板10采用不锈钢。上平面滑板3、球面滑板5和下平面滑板11采用聚四氟乙烯。

如图3所示，中支架能够实现x方向和y方向两个方向的平动和各方向的转动，通过减震板簧实现弹性支承，从而将地震产生的动能转换为势能，减小结构受到的地震力。

图4为限位销的局部放大图，限位销13上对应中支架6与下平滑板11的界面处设置有一圈缺口，形成薄弱面。

当震动小于预先设定的水平地震力阈值时，限位销相当于保险装置，处于闭合状态，将中支架与外位移箱的相对位置固定；当地震发生且侧向力超过预先设定的水平地震力阈值时，限位销沿薄弱面被剪断，保险装置被打开，限位约束被解除，上平面滑板、下平面滑板和球面滑板可自由滑动，中支架可实现x方向和y方向两个方向的平动和各方向的转动，成为弹性支承，从而将地震产生的动能转换为势能，减小结构受到的地震力；同时，在滑移过程中，摩擦阻力又消耗一部分地震能量，使得结构的受力更加合理，保护结构的安全，延长了结构周期，达到减震的效果。

在具体工程中运用时，设计参数(包括尺寸、承载力、X向、Y向的刚度值等)要视具体情况而定，表1给出建议刚度设计值的范围：

表1大震与小震刚度切换减震球型支座的建议刚度设计值(单位：kN/m)

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种大震与小震刚度切换减震球型支座，其特征在于，所述减震球型支座包括：上座板、上支座垫板、上平面滑板、球冠衬板、球面滑板、中支架、下支座垫板、內位移箱、减震板簧、下平面滑板、外位移箱、连接垫板和限位销；其中，所述上座板的底部具有空腔，为中心对称的结构；在上座板的空腔内，依次叠放有上支座垫板、上平面滑板和球冠衬板，所述球冠衬板的顶部具有凹槽，上平面滑板镶嵌在凹槽内；所述中支架包括上部的中心对称的支柱和底部的长方体的底座，支柱的顶部具有与球冠衬板的形状相对应的凹面，通过球面滑板将球冠衬板与中支架连接；中支架的顶端边缘具有凸起，卡在上座板的空腔内；所述中支架的底座通过下支座垫板和下平面滑板连接在外位移箱内；所述中支架的底座、內位移箱和外位移箱均为双轴对称的结构，即关于x轴对称并且关于y轴对称的结构；在沿x轴方向上，內位移箱与中支架的底座之间具有空隙，在中支架的底座沿x轴方向的两端分别设置减震板簧，內位移箱与外位移箱之间没有空隙，二者通过连接垫板连接；在沿y轴方向上，內位移箱与中支架的底座之间没有空隙，內位移箱与外位移箱之间具有空隙，在內位移箱沿y轴方向的两端外侧分别设置减震板簧；所述中支架的底座沿y轴方向的两端分别超出支柱形成凸起，在两端的凸起中分别设置有多个平行于z轴的圆孔，在下平滑板和外位移箱与圆孔相对应的位置分别设置有通孔和凹槽；多个限位销设置在圆孔、通孔和凹槽中，从而限位销嵌入中支架和外位移箱中；当震动小于预先设定的水平地震力阈值时，限位销将中支架与外位移箱的相对位置固定，中支架处绕z轴任意转动以及绕x轴和y轴有限转动；当地震发生且侧向力超过水平地震力阈值时，限位销被剪断，限位约束被解除，上平面滑板、下平面滑板和球面滑板自由滑动。

2.如权利要求1所述的减震球型支座，其特征在于，在中支架的底座与外位移箱中嵌入限位销，两端各对称地设置两个以上的限位销，限位销的总数为n，n为≥4的偶数。

3.如权利要求1所述的减震球型支座，其特征在于，所述限位销上对应中支架与下平滑板的界面处设置有一圈缺口，形成薄弱面，当地震发生且侧向力超过水平地震力阈值时，限位销沿薄弱面被剪断。

4.如权利要求1所述的减震球型支座，其特征在于，所述限位销的尺寸满足：

d₂＝1.15d₁

其中，F为水平地震力阈值，单位为N；n为限位销的总数，n为≥4的偶数；为限位销的材料的剪切强度标准值，单位为MPa，为限位销的薄弱面的直径，单位为mm，为限位销的直径，单位为mm。

5.如权利要求1所述的减震球型支座，其特征在于，所述限位销的截面为圆形；采用强度高、硬度高且无明显流幅的材料。

6.如权利要求1所述的减震球型支座，其特征在于，所述內位移箱具有四面围成一圈的侧壁，內位移箱在沿x轴方向上相对的一对侧壁的底部具有向外的凸起，与外位移箱的一对侧壁的顶部沿x轴方向具有向内的凸起通过连接垫板连接；所述內位移箱在沿y轴方向上相对的一对侧壁的顶部具有向内的凸起，与中支架的底部沿y轴方向的两端具有向外的凸起通过连接垫板连接。

7.如权利要求1所述的减震球型支座，其特征在于，所述减震板簧通过螺栓固定在中支架沿x轴方向的两端，或者內位移箱沿y方向的两端外侧。

8.如权利要求1所述的减震球型支座，其特征在于，所述减震球型支座，沿x轴的刚度设计值在3000～5500之间；沿y轴的刚度设计值在1000～6500之间。

9.一种大震与小震刚度切换减震球型支座的减震方法，其特征在于，所述减震方法包括以下步骤：

1)根据实际场地条件及结构形式确定水平地震力阈值，根据水平地震力阈值选择限位销的材料和尺寸，并在限位销上对应中支架与下平滑板的界面处设置薄弱面，将限位销嵌入中支架和外位移箱中；

2)在工程场地，减震球型支座的外位移箱通过预埋板与下部结构连接，上座板与上部结构通过螺栓连接；

3)当震动小于预先设定的水平地震力阈值时，限位销处于闭合状态，将中支架与外位移箱的相对位置固定，中支架处能够绕z轴任意转动以及绕x轴和y轴有限转动；

4)当地震发生且侧向力超过水平地震力阈值时，限位销沿薄弱面被剪断，限位约束被解除，上平面滑板、下平面滑板和球面滑板自由滑动，中支架能够实现x方向和y方向两个方向的平动和各方向的转动，通过减震板簧实现弹性支承，从而将地震产生的动能转换为势能，减小结构受到的地震力；同时，在滑移过程中，摩擦阻力又消耗一部分地震能量，实现了小震与大震作用下刚度切换。

10.如权利要求9所述的减震方法，其特征在于，在步骤1)中，所述限位销的尺寸满足：

d₂＝1.15d₁

其中，F为水平地震力阈值，单位为N；n为限位销的总数，n为≥4的偶数；为限位销的材料的剪切强度标准值，单位为MPa，为限位销的薄弱面的直径，单位为mm，为限位销的直径，单位为mm。