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CN117052008A - 一种自复位耗能三维组合减隔震支座及其安装方法 - Google Patents

一种自复位耗能三维组合减隔震支座及其安装方法 Download PDF

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CN117052008A
CN117052008A CN202311242129.9A CN202311242129A CN117052008A CN 117052008 A CN117052008 A CN 117052008A CN 202311242129 A CN202311242129 A CN 202311242129A CN 117052008 A CN117052008 A CN 117052008A
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CN
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connecting plate
horizontal
shock
guide rod
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Application number
CN202311242129.9A
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余倩倩
顾祥林
吴洁颖
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Tongji University
Original Assignee
Tongji University
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Abstract

本发明涉及一种自复位耗能三维组合减隔震支座及其安装方法，包括上下连接的竖向减震装置(15)和水平向减震装置(16)，所述竖向减震装置(15)包括竖向上连接板(1)、弹簧(9)和竖向下连接板(2)，所述水平向减震装置(16)采用摩擦摆支座，包括水平向上连接板(3)、水平向U型阻尼器(8)和水平向下连接板(4)；所述弹簧(9)采用形状记忆合金弹簧，分别与竖向上连接板(1)和竖向下连接板(2)连接；所述水平向U型阻尼器(8)采用形状记忆合金U型阻尼器，分别与水平向上连接板(3)和水平向下连接板(4)连接。与现有技术相比，本发明既能实现结构竖向和水平向的三维减隔震，又同时具备竖向和水平向自复位能力。

Description

一种自复位耗能三维组合减隔震支座及其安装方法
技术领域
本发明属于工程结构减隔震技术领域，涉及一种自复位耗能三维组合减隔震支座及其安装方法。
背景技术
目前，现有结构抗震设计规范通常认为，地震竖向分量引起的结构响应小于水平分量，大部分建筑抗震设计时不考虑竖向分量的影响。随着近断层地震震害资料的收集，有学者研究发现，近断层地震竖向分量的加速度峰值可能与水平分量相当，甚至超过水平分量，例如Northridge地震、Chi-Chi地震和Turkey地震等。因此，竖向分量对结构的影响不可忽视，不考虑竖向分量的结构抗震设计是偏于不安全的。
隔震支座可通过延长结构自振周期的方式显著减小地震作用于结构的动力响应，从而减小地震造成的经济损失和人员伤亡。此外，由于地震灾害频发，震后结构的可恢复性能以及恢复成本越来越受到重视。目前广泛使用的隔震支座包括叠层橡胶支座、铅芯橡胶支座和摩擦摆支座等，通过支座水平变形减小地震传递给上部结构的能量。然而，传统的隔震支座在震后可能会存在较大的残余变形，影响结构的正常使用，且支座复位较困难，需花费大量的人力和成本。此外，传统隔震支座只能对结构进行水平隔震，无法实现竖向隔震，且橡胶支座和摩擦摆支座等竖向抗拉能力很低，结构存在整体倾覆破坏的潜在风险，造成严重的人员伤亡和经济损失。
专利CN107604810A公开了一种自复位摩擦摆三维减隔震支座，在下支座板的中部设有一个凹形盲孔，在凹形盲孔的底部设有减震层与竖向减震弹簧，竖向减震弹簧的上部连接球面滑板，在球面滑板的上部设有铰接滑块，铰接滑块的上部球面位于上支座板下部的滑块容腔中；在下支座板上部的周边设有反力板，水平减震弹簧位于反力板与滑块容腔外周壁之间。该专利虽然采用竖向减震弹簧受拉变形耗能，但弹簧的耗能能力较差，且装置受到的竖向荷载变化后弹簧将存在残余变形，竖向自复位性能较差。
专利CN112854470A公开了一种基于摩擦摇摆和磁流变的半主动控制三维隔震支座，包括：上连接板、中连接板、下连接板、竖向隔震系统、水平隔震系统；竖向隔震系统包括活塞筒体以及一个由环状菱形软钢、形状记忆合金弹簧组成的竖向隔震装置；水平隔震系统为四组水平隔震装置，在水平方向上分别沿纸面以及垂直于纸面两两布置。该专利虽然采用磁流变阻尼技术实现了水平和竖向地震作用的半主动控制，但该专利构造复杂，震后更换或修复困难。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的至少一种缺陷而提供一种自复位耗能三维组合减隔震支座及其安装方法，本发明既能实现结构竖向和水平向的三维减隔震，又同时具备竖向和水平向自复位能力。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的技术方案之一在于，提供一种自复位耗能三维组合减隔震支座，包括上下连接的竖向减震装置和水平向减震装置，所述竖向减震装置包括竖向上连接板、弹簧和竖向下连接板，所述水平向减震装置采用摩擦摆支座，包括水平向上连接板、水平向U型阻尼器和水平向下连接板；
所述弹簧采用形状记忆合金弹簧，具有足够的竖向刚度，分别与竖向上连接板和竖向下连接板连接；在结构自重作用下，所述形状记忆合金弹簧压缩变形，承受上部结构传递的荷载；在地震作用下，竖向荷载发生变化，所述形状记忆合金弹簧发生竖向压缩变形，实现结构的竖向隔震；此外，所述形状记忆合金弹簧具备良好的自复位能力，可有效减小竖向减震装置的残余变形，避免震后结构底部发生竖向的不均匀变形；
所述水平向U型阻尼器采用形状记忆合金U型阻尼器，分别与水平向上连接板和水平向下连接板连接；由于自复位能力有限，普通摩擦摆支座在震后可能存在较大的水平残余变形；所述形状记忆合金水平向U型阻尼器具有超弹性效应，为水平向减震装置提供良好的自复位能力，有效减小摩擦摆支座的水平残余变形。
作为优选的技术方案，所述形状记忆合金包括镍钛基形状记忆合金(Ni-Ti SMA)、铜基形状记忆合金(Cu-SMA)或铁基形状记忆合金(Fe-SMA)。
作为优选的技术方案，所述弹簧分别与竖向上连接板和竖向下连接板焊接。
作为优选的技术方案，所述水平向U型阻尼器的两端设置通孔，所述水平向上连接板和水平向下连接板的相应位置处分别设置螺纹孔，所述水平向U型阻尼器分别与水平向上连接板和水平向下连接板通过螺栓连接或铆接，方便阻尼器的安装与更换，通过螺纹孔、不设置螺母进行固定，使得水平向上连接板和水平向下连接板具有充足的水平向滑动量。
进一步地，所述竖向减震装置包括导杆、竖向挡板和传力柱，所述导杆与竖向上连接板连接，所述竖向挡板和传力柱分别与竖向下连接板连接，所述导杆内部空心，所述传力柱伸入导杆内，所述竖向挡板置于传力柱的外侧。
作为优选的技术方案，所述导杆与竖向上连接板焊接或螺栓连接，所述竖向挡板和传力柱分别与竖向下连接板焊接或螺栓连接。
进一步地，所述竖向减震装置包括弹性缓冲块，该弹性缓冲块置于导杆内；当竖向减震装置的压缩量达到限值时，所述传力柱将挤压弹性缓冲块，避免传力柱直接撞击竖向上连接板，引起结构局部抖动。
进一步地，所述导杆的端部设置导杆限位挡板，所述传力柱的端部设置传力柱限位挡板；当竖向减震装置的拉伸量达到限值时，所述导杆限位挡板与传力柱限位挡板发生碰撞，防止导杆滑出导致上部竖向荷载无法传递至基础，同时避免引起结构的倾覆。
进一步地，所述竖向减震装置包括竖向U型阻尼器，该竖向U型阻尼器分别与竖向挡板和导杆连接。
作为优选的技术方案，所述竖向U型阻尼器的两端设置通孔，所述竖向挡板的相应位置设置通孔，所述竖向U型阻尼器与竖向挡板通过螺栓和螺母连接或铆接，方便阻尼器的安装与更换。
作为优选的技术方案，所述竖向U型阻尼器的两端设置通孔，所述导杆的相应位置设置螺纹孔，所述竖向U型阻尼器与导杆通过螺栓连接或铆接，为使传力柱具有充足的竖向滑动量，该侧通过螺纹孔进行固定，不设置螺母。
作为优选的技术方案，所述竖向U型阻尼器与导杆焊接。
进一步地，所述竖向U型阻尼器采用软钢或镁铝合金U型阻尼器；当竖向上连接板和导杆发生竖向位移时，所述竖向U型阻尼器发生剪切变形，通过金属材料的塑性变形耗散地震能量，实现结构的竖向减震。
进一步地，所述水平向减震装置包括上滑动板、滑块和下滑动板，所述上滑动板与水平向上连接板连接，所述下滑动板与水平向下连接板连接，所述滑块压接在上滑动板和下滑动板之间；在地震作用下，所述滑块发生水平移动，所述水平向上连接板和水平向下连接板之间产生相对位移，引起水平向U型阻尼器剪切变形。
作为优选的技术方案，所述上滑动板与水平向上连接板焊接，所述下滑动板与水平向下连接板焊接。
进一步地，所述上滑动板的下表面设置上凹面，该上凹面设置摩擦层，所述下滑动板的上表面设置下凹面，该下凹面设置摩擦层，所述滑块压接在上凹面和下凹面之间，设置与上凹面配合的上凹槽和与下凹面配合的下凹槽，所述上凹槽和下凹槽均设置摩擦片，所述凹面的摩擦层压接相应凹槽的摩擦片。
进一步地，所述竖向减震装置和水平向减震装置的连接通过竖向下连接板和水平向上连接板的彼此连接实现。
作为优选的技术方案，所述竖向下连接板和水平向上连接板的四个端部均设置通孔，所述竖向下连接板和水平向上连接板的通孔位置相对应，通过螺栓和螺母或铆接连接竖向减震装置和水平向减震装置。
本发明的技术方案之一在于，提供一种自复位耗能三维组合减隔震支座的安装方法，该方法包括以下步骤：
S1、组装导杆与传力柱，待组装完成后连接导杆限位挡板，使导杆和传力柱连接为整体，随后将导杆连接至竖向上连接板，将传力柱连接至竖向下连接板，同时将竖向挡板连接至竖向下连接板；
S2、将竖向U型阻尼器安装在竖向挡板与导杆之间，随后将弹簧的两端分别连接至竖向上连接板和竖向下连接板，完成竖向减震装置的安装；
S3、组装上滑动板、滑块与下滑动板，随后将上滑动板连接至水平向上连接板，将下滑动板连接至水平向下连接板；
S4、将水平向U型阻尼器安装在水平向上连接板和水平向下连接板之间；
S5、连接竖向减震装置和水平向减震装置，组合形成自复位耗能三维组合减隔震支座。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明在竖向地震作用下，结构施加于支座顶面的竖向荷载发生变化，形状记忆合金弹簧压缩变形，实现结构的竖向隔震，同时形状记忆合金弹簧可在竖向发挥良好的自复位能力，减小结构竖向残余变形，避免震后结构底部发生竖向不均匀变形；
(2)本发明的竖向减震装置中上、下连接板发生相对运动时，带动U型阻尼器剪切变形，通过软钢或镁铝合金U型阻尼器的塑性变形耗散竖向地震能量，减小结构竖向响应；
(3)本发明的水平向减震装置摩擦摆支座中上、下滑动板之间设置形状记忆合金U型阻尼器，摩擦摆支座水平滑动时，形状记忆合金U型阻尼器发生平面内剪切变形或平面外扭转变形，提供一定耗能能力，同时在水平向提供良好的自复位能力，减小结构水平残余变形；
(4)本发明结构简单，方便震后更换或修复。
附图说明
图1为本发明实施例中自复位耗能三维组合减隔震支座的三维示意图；
图2为本发明实施例中竖向减震装置的三维爆炸图；
图3为本发明实施例中竖向减震装置的三维示意图；
图4为本发明实施例中水平向减震装置的三维爆炸图；
图5为本发明实施例中竖向减震装置的正视示意图；
图6为本发明实施例中水平向减震装置的正视示意图。
图中标记说明：
1—竖向上连接板、2—竖向下连接板、3—水平向上连接板、4—水平向下连接板、5—上滑动板、6—下滑动板、7—滑块、8—水平向U型阻尼器、9—弹簧、10—竖向U型阻尼器、11—螺栓、12—导杆、121—导杆限位挡板、13—传力柱、131—传力柱限位挡板、14—竖向挡板、15—竖向减震装置、16—水平向减震装置、17—弹性缓冲块。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等用来描述共同的对象，仅表示指代相同对象的不同实例，而并不是要暗示这样描述的对象必须采用给定的顺序，无论是时间地、空间地、排序地或任何其它方式。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例：
一种自复位耗能三维组合减隔震支座，如图1、图5和图6所示，包括上下连接的竖向减震装置15和水平向减震装置16，竖向减震装置15自上而下包括竖向上连接板1、弹簧9、导杆12、弹性缓冲块17、竖向挡板14、竖向U型阻尼器10、传力柱13和竖向下连接板2，水平向减震装置16采用摩擦摆支座，自上而下包括水平向上连接板3、水平向U型阻尼器8、上滑动板5、滑块7、下滑动板6和水平向下连接板4。
如图2、图3、图5和图6所示，导杆12与竖向上连接板1焊接，竖向挡板14和传力柱13分别与竖向下连接板2焊接，导杆12内部空心，传力柱13伸入导杆12内，竖向挡板14置于传力柱13的外侧，弹性缓冲块17置于导杆12内；当竖向减震装置15的压缩量达到限值时，传力柱13将挤压弹性缓冲块17，避免传力柱13直接撞击竖向上连接板1，引起结构局部抖动；
导杆12的端部设置导杆限位挡板121，传力柱13的端部同样设置传力柱限位挡板131；当竖向减震装置15的拉伸量达到限值时，导杆限位挡板121与传力柱限位挡板131发生碰撞，防止导杆12滑出导致上部竖向荷载无法传递至基础，同时避免引起结构的倾覆；
弹簧9采用形状记忆合金弹簧，形状记忆合金包括镍钛基形状记忆合金(Ni-TiSMA)、铜基形状记忆合金(Cu-SMA)或铁基形状记忆合金(Fe-SMA)，在本实施例中优选为镍钛基形状记忆合金；弹簧9具有足够的竖向刚度，分别与竖向上连接板1和竖向下连接板2焊接；在结构自重作用下，形状记忆合金弹簧9压缩变形，承受上部结构传递的荷载；在地震作用下，竖向荷载发生变化，形状记忆合金弹簧9发生竖向压缩变形，实现结构的竖向隔震；此外，形状记忆合金弹簧9具备良好的自复位能力，可有效减小竖向减震装置15的残余变形，避免震后结构底部发生竖向的不均匀变形；
竖向U型阻尼器10采用软钢或镁铝合金U型阻尼器，在本实施例优选为软钢U型阻尼器，竖向U型阻尼器10的两端设置通孔，在竖向挡板14的相应位置处设置通孔，竖向U型阻尼器10与竖向挡板14通过螺栓11和螺母连接，方便阻尼器的安装与更换；在导杆12的相应位置处设置螺纹孔，竖向U型阻尼器10与导杆12通过螺栓11连接，为使传力柱13具有充足的竖向滑动量，该侧通过螺纹孔进行固定，不设置螺母；此外，也可通过焊接的方式连接U型阻尼器10与导杆12；当竖向上连接板1和导杆12发生竖向位移时，竖向U型阻尼器10发生剪切变形，通过金属材料的塑性变形耗散地震能量，实现结构的竖向减震。
如图4至图6所示，上滑动板5与水平向上连接板3焊接，下滑动板6与水平向下连接板4焊接，上滑动板5的下表面设置上凹面，上凹面设置摩擦层，下滑动板6的上表面设置下凹面，下凹面设置摩擦层，滑块7压接在上凹面和下凹面之间，设置与上凹面配合的上凹槽和与下凹面配合的下凹槽，上凹槽和下凹槽均设置摩擦片，凹面的摩擦层压接相应凹槽的摩擦片；
水平向U型阻尼器8采用形状记忆合金U型阻尼器，形状记忆合金包括镍钛基形状记忆合金、铜基形状记忆合金或铁基形状记忆合金，在本实施例中优选为镍钛基形状记忆合金；水平向U型阻尼器8的两端设置通孔，在水平向上连接板3和水平向下连接板4的相应位置处分别设置螺纹孔，水平向U型阻尼器8分别与水平向上连接板3和水平向下连接板4通过螺栓11连接，方便阻尼器的安装与更换，通过螺纹孔、不设置螺母进行固定，使得水平向上连接板3和水平向下连接板4具有充足的水平向滑动量；在地震作用下，滑块7发生水平移动，水平向上连接板3和水平向下连接板4之间产生相对位移，引起水平向U型阻尼器8剪切变形；由于自复位能力有限，普通摩擦摆支座在震后可能存在较大的水平残余变形；形状记忆合金水平向U型阻尼器8具有超弹性效应，为水平向减震装置16提供良好的自复位能力，有效减小摩擦摆支座的水平残余变形。
竖向下连接板2和水平向上连接板3的四个端部均设置通孔，两块板的通孔位置相对应，从而通过螺栓11和螺母连接竖向减震装置15和水平向减震装置16。
在本实施例中，竖向挡板14设置一对，竖向U型阻尼器10设置三对，在导杆12的两侧呈对称分布；水平向U型阻尼器8设置四个，在滑块7的四周呈正交分布。
上述自复位耗能三维组合减隔震支座的安装方法，具体步骤如下：
S1、组装导杆12与传力柱13，待两者组装完成后焊接导杆限位挡板121，使两者连接为整体，随后将导杆12焊接至竖向上连接板1，将传力柱13焊接至竖向下连接板2，同时将竖向挡板14焊接至竖向下连接板2；
S2、将竖向U型阻尼器10安装在竖向挡板14与导杆12之间，对准孔洞位置后通过螺栓11固定，随后将弹簧9的两端分别焊接至竖向上连接板1和竖向下连接板2，完成竖向减震装置15的安装；
S3、组装上滑动板5、滑块7与下滑动板6，随后将上滑动板5焊接至水平向上连接板3，将下滑动板6焊接至水平向下连接板4；
S4、将水平向U型阻尼器8安装在水平向上连接板3和水平向下连接板4之间，对准孔洞位置后通过螺栓11固定；
S5、对准竖向下连接板2和水平向上连接板3的孔洞位置，通过螺栓11连接竖向减震装置15和水平向减震装置16，组合形成自复位耗能三维组合减隔震支座。
本实施例通过形状记忆合金弹簧9、形状记忆合金水平向U型阻尼器8、软钢竖向U型阻尼器10和摩擦摆支座形成三维组合减隔震支座，通过形状记忆合金弹簧9的竖向压缩变形实现结构的竖向隔震；通过软钢竖向U型阻尼器10的塑性变形耗散地震能量，实现结构的竖向减震；通过形状记忆合金的超弹性效应实现支座在竖向和水平向的自复位能力。本实施例将形状记忆合金材料应用于传统的摩擦摆支座，所提出的支座不仅实现竖向和水平向的三维减隔震，同时具备竖向和水平向耗能、自复位的显著特点。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自复位耗能三维组合减隔震支座，其特征在于，包括上下连接的竖向减震装置(15)和水平向减震装置(16)，所述竖向减震装置(15)包括竖向上连接板(1)、弹簧(9)和竖向下连接板(2)，所述水平向减震装置(16)采用摩擦摆支座，包括水平向上连接板(3)、水平向U型阻尼器(8)和水平向下连接板(4)；
所述弹簧(9)采用形状记忆合金弹簧，分别与竖向上连接板(1)和竖向下连接板(2)连接；
所述水平向U型阻尼器(8)采用形状记忆合金U型阻尼器，分别与水平向上连接板(3)和水平向下连接板(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种自复位耗能三维组合减隔震支座，其特征在于，所述竖向减震装置(15)包括导杆(12)、竖向挡板(14)和传力柱(13)，所述导杆(12)与竖向上连接板(1)连接，所述竖向挡板(14)和传力柱(13)分别与竖向下连接板(2)连接，所述导杆(12)内部空心，所述传力柱(13)伸入导杆(12)内，所述竖向挡板(14)置于传力柱(13)的外侧。
3.根据权利要求2所述的一种自复位耗能三维组合减隔震支座，其特征在于，所述竖向减震装置(15)包括弹性缓冲块(17)，该弹性缓冲块(17)置于导杆(12)内。
4.根据权利要求2所述的一种自复位耗能三维组合减隔震支座，其特征在于，所述导杆(12)的端部设置导杆限位挡板(121)，所述传力柱(13)的端部设置传力柱限位挡板(131)。
5.根据权利要求2所述的一种自复位耗能三维组合减隔震支座，其特征在于，所述竖向减震装置(15)包括竖向U型阻尼器(10)，该竖向U型阻尼器(10)分别与竖向挡板(14)和导杆(12)连接。
6.根据权利要求5所述的一种自复位耗能三维组合减隔震支座，其特征在于，所述竖向U型阻尼器(10)采用软钢或镁铝合金U型阻尼器。
7.根据权利要求1所述的一种自复位耗能三维组合减隔震支座，其特征在于，所述水平向减震装置(16)包括上滑动板(5)、滑块(7)和下滑动板(6)，所述上滑动板(5)与水平向上连接板(3)连接，所述下滑动板(6)与水平向下连接板(4)连接，所述滑块(7)压接在上滑动板(5)和下滑动板(6)之间。
8.根据权利要求7所述的一种自复位耗能三维组合减隔震支座，其特征在于，所述上滑动板(5)的下表面设置上凹面，该上凹面设置摩擦层，所述下滑动板(6)的上表面设置下凹面，该下凹面设置摩擦层，所述滑块(7)压接在上凹面和下凹面之间，设置与上凹面配合的上凹槽和与下凹面配合的下凹槽，所述上凹槽和下凹槽均设置摩擦片，所述凹面的摩擦层压接相应凹槽的摩擦片。
9.根据权利要求1所述的一种自复位耗能三维组合减隔震支座，其特征在于，所述竖向减震装置(15)和水平向减震装置(16)的连接通过竖向下连接板(2)和水平向上连接板(3)的彼此连接实现。
10.一种如权利要求1至9中任一所述的自复位耗能三维组合减隔震支座的安装方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、组装导杆(12)与传力柱(13)，待组装完成后连接导杆限位挡板(121)，使导杆(12)和传力柱(13)连接为整体，随后将导杆(12)连接至竖向上连接板(1)，将传力柱(13)连接至竖向下连接板(2)，同时将竖向挡板(14)连接至竖向下连接板(2)；
S2、将竖向U型阻尼器(10)安装在竖向挡板(14)与导杆(12)之间，随后将弹簧(9)的两端分别连接至竖向上连接板(1)和竖向下连接板(2)，完成竖向减震装置(15)的安装；
S3、组装上滑动板(5)、滑块(7)与下滑动板(6)，随后将上滑动板(5)连接至水平向上连接板(3)，将下滑动板(6)连接至水平向下连接板(4)；
S4、将水平向U型阻尼器(8)安装在水平向上连接板(3)和水平向下连接板(4)之间；
S5、连接竖向减震装置(15)和水平向减震装置(16)，组合形成自复位耗能三维组合减隔震支座。
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