CN117052000B - 一种竖向腔体隔减振/震装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种竖向腔体隔减振/震装置，包括载板和螺旋弹簧，载板分为上载板和下载板，螺旋弹簧设置于上载板和下载板之间，螺旋弹簧内设置有纵截面为H型的腔体，腔体分为上腔体和下腔体，腔体内侧面设置为粗糙面，上腔体和下腔体内对应设置有与腔体内壁紧密贴合的上、下部粘弹性阻尼块，上述粘弹性阻尼块对应与上载板和下载板固定连接；上部粘弹性阻尼块外表面设为粗糙面，并且在静载状态下与上腔体底部互不接触，下部粘弹性阻尼块与下腔体内壁以及顶部硫化为一个整体。有益效果：将粘弹性阻尼材料应用于弹簧隔振系统上，实现有效隔减振，通过机构设计实现摩擦、拉压及剪切多阶段、多类型耗能，提升装置的性能稳定性、鲁棒性和易实施性。

Description

一种竖向腔体隔减振/震装置

技术领域

本发明涉及一种结构振动控制装置，特别涉及一种竖向腔体隔减振/震装置。

背景技术

结构隔振控制是一种有效的减小结构（建筑、机械）的振动的技术措施，能够通过设置隔振装置等来消耗或隔离振/震动能量。在建筑振动控制领域，竖向隔振难以有效兼顾降低刚度和自身承载两种需求之间的矛盾。常用的弹簧隔振系统工作状态下近似线弹性，自身不具备阻尼特性较难耗散能量，达到较好的隔振效果往往同时会造成较大的竖向位移，另外，弹簧隔振系统还存在摇摆效应。有学者提出在一定隔振基础上，添加阻尼耗散能量并控制竖向位移变形。通过增加粘滞阻尼或粘弹性阻尼能够改善弹簧隔振系统的阻尼性能，但粘滞阻尼材料多为流体，密封性存在较大问题。粘弹性阻尼材料为隔振系统增加耗能能力提供了新思路，解决了粘滞阻尼密封性差性能不稳定的问题，其在外力作用下，同时存在弹性和粘性两种力学特性，在较宽的频带范围内均具有较高的阻尼且能够提供一定刚度。粘弹性阻尼材料的剪切耗能能力较优，但在结构静载（自重等）下产生的位移以及长期动力荷载作用下易导致阻尼层撕裂脱开而失效。大部分装置未能考虑实际工作状态下，结构静载产生的静位移对粘弹性材料变形的不利影响，或虽考虑了实际情况但设计过于复杂。

专利公开号CN107605060B的中国专利提供了一种竖向协同隔减振/震装置及其使用方法，通过设置组合式粘弹性圆筒阻尼器包括同轴套装的内套筒、外套筒和高温硫化于内、外套筒之间的粘弹性阻尼层进行耗能以达到隔振、减振的效果，该专利的技术方案是在动载状态下通过粘弹性阻尼层剪切耗能的方式来达到减振作用，耗能不够全面，且单阶段耗能鲁棒性弱。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种竖向腔体隔减振/震装置。本发明通过应用粘弹性阻尼材料于常规弹簧减振系统中，在工作过程中通过摩擦耗能、拉压耗能以及剪切耗能三种耗能方式，多阶段耗能为系统提供良好的减振效果，提升装置的性能稳定性、鲁棒性和易实施性。

技术方案：一种竖向腔体隔减振/震装置，包括载板和螺旋弹簧，所述载板分为上载板和下载板，所述螺旋弹簧竖向设置于上载板和下载板之间，其特征在于：所述螺旋弹簧内竖向设置有纵截面为H型的腔体，所述载板和腔体采用耐高温且具有较强刚度的金属材料，所述腔体分为上腔体和下腔体，所述腔体内侧面设置为粗糙面，所述上腔体和下腔体内对应设置有与腔体内壁紧密贴合的上部粘弹性阻尼块和下部粘弹性阻尼块，所述上部粘弹性阻尼块和下部粘弹性阻尼块对应与上载板和下载板固定连接，所述上部粘弹性阻尼块外表面设置为粗糙面，所述上部粘弹性阻尼块在静载状态下与上腔体底部互不接触，所述下部粘弹性阻尼块与下腔体内壁以及顶部硫化为一个整体。

载板与腔体的材料选择耐高温且具有较强刚度的金属材料，是为了提供更强的刚度以提升装置的隔振效果，同时具有耐高温的特性便于粘弹性阻尼块与载板和腔体之间的硫化；纵截面为H型的腔体将粘弹性阻尼块分为上下两个部分，上部分粘弹性阻尼块外表面设置为粗糙面，与同样设置为粗糙面的腔体内侧面在装置静载状态下产生轻微位移；在动载状态下，装置上载板下移，上部粘弹性阻尼块下移与腔体内壁摩擦耗能，同时下部粘弹性阻尼块拉压耗能，由于下部粘弹性阻尼块与腔体内壁硫化处理，在受力的同时产生剪切耗能，即在动载状态下该装置通过三种方式的耗能以达到较好的减振效果。

所述下部粘弹性阻尼块高度大于下腔体高度。

延长下部粘弹性阻尼块的长度，使得装置承重时拥有更多的拉压耗能，更进一步提升了装置隔减振的效果。

所述腔体的上、下翼缘在装置静载时与载板之间存在可压缩变形距离，且可压缩变形距离之和不大于静载状态下螺纹套筒在上载板和下载板之间的最小距离；所述可压缩变形距离之和不小于静载状态下上部粘弹性阻尼块距离上腔体底部的距离与下部粘弹性阻尼块超出下腔体的高度之和。

进一步对腔体距离载板的距离做限定，使装置能够最大程度的承受竖向的压缩变形但是不超过装置所能承受的范围，且在粘弹性阻尼块全部压缩进腔体后才会与上、下载板接触，进一步提升装置的稳定性和安全性。

所述载板与上部粘弹性阻尼块和下部粘弹性阻尼块连接处设有凹槽，所述上部粘弹性阻尼块和下部粘弹性阻尼块与凹槽硫化为一体。

在上载板以及下载板与上、下部粘弹性阻尼块连接处设置凹槽，两者之间接触面更大，通过硫化处理使得载板与上、下部粘弹性阻尼块的连接更加稳固。

所述上载板的下端面和下载板的上端面分别设置有位置对应的抗侧装置。.

设置抗侧装置避免了装置在承重过程中产生的摇摆效应带来的不利影响，进一步提升了装置的稳定性。

所述抗侧装置为螺纹套筒，所述螺纹套筒在靠近载板一端的内侧面设有螺纹，另一端的内径大于螺纹外径，所述螺纹套筒与螺旋弹簧通过螺纹连接。

螺纹套筒是一种常见的抗侧装置，也可以选用档杆、挡片等根据具体情况作出不同的选择，螺纹套筒靠近载板一端内侧设置螺纹，螺旋弹簧旋拧在螺纹套筒中，另一端内径大于螺纹外径，未设置螺纹的部分为弹簧形变提供压缩变形范围，同时为螺旋弹簧提供一定的抗侧刚度。

所述上载板和下载板上分别设有与上腔体和下腔体腔壁端部对应的限位槽。

设置限位槽，装置在动载状态下，压缩变形距离增大，腔体侧壁端部嵌入限位槽中，起到抗侧作用，防止装置发生侧偏，造成不利后果。

有益效果：本发明的竖向腔体隔减振/震装置，将耗能能力优异的粘弹性阻尼材料应用于弹簧隔振系统上，实现有效隔减振，并通过机构设计实现摩擦、拉压及剪切多阶段、多类型耗能，提升装置的性能稳定性、鲁棒性和易实施性。

具体体现在以下几个方面：

(1) 本发明装置更易获得较小的竖向刚度达到更优的竖向隔振效果，而增设的粘弹性阻尼具有较大的阻尼比，使得装置既能隔振又能减振，同时粘弹性阻尼材料同时具有阻尼和刚度，性能更加稳定，且不存在粘滞阻尼密封性不良的问题，更加适于工程应用。

(2) 兼顾竖向承载及振动控制需求，设计装置为多阶段工作机制：静载下，主要由螺旋弹簧进行承担，同时上腔体内的上部粘弹性阻尼块也随着螺旋弹簧运动产生位移，但仍未到达上腔体底部，此时动载作用下部粘弹性阻尼块与上腔体内侧产生相对位移，摩擦耗能，而下部粘弹性阻尼块有少量的剪切和拉压变形，耗散少部分能量；当动载较大，上部粘弹性阻尼块运行至上部腔体底部，此时动载作用下上部粘弹性阻尼块拉压耗能，而下部粘弹性阻尼块进一步上下运动，由于下部粘弹性阻尼块与下腔体内部硫化连接，所以动载作用下，下部粘弹性阻尼块同时剪切和拉压耗能，螺旋弹簧和上部、下部粘弹性阻尼块共同贡献刚度，刚度增大，避免产生过大位移。这种工作机制一方面提供了多种阻尼，改善了单一阻尼耗能能力不足的问题，另一方面，这种设计使得粘弹性阻尼材料受力更加合理，避免了静载及疲劳动载下常用的剪切耗能模式易发生界面撕裂脱开的问题。

(3) 设计上、下限位装置提高装置抗侧刚度，改善弹簧隔振系统摇摆问题。首先螺纹套筒的设置实现了螺旋弹簧与装置上下载板连为整体，由于上下两端存在约束，水平作用下能够增加螺旋弹簧侧向刚度；另一方面，装置上、下钢板两端设有圆形限位槽，位置应与腔体的上下翼缘在垂向对应，在较大荷载作用下腔体上下翼缘能够卡入限位槽中，保证装置不产生过大的位移变形，并进一步增大了装置的抗侧性能，提升装置稳定性。

(4)腔体的H型设计，能够将粘弹性阻尼块分成两部分，一方面是为了实现多阶段工作机制，另一方面较小高度的粘弹性阻尼块与装置上下钢板的连接更加牢固且阻尼块运动下与腔体界面的摩擦、剪切性能更加稳定。同时，上下载板与上部、下部粘弹性阻尼块连接处设置凹槽，增大硫化粘结力，保证上部、下部粘弹性阻尼块与上下载板的有效连接。

附图说明

图1为本发明的剖面图。

图2为本发明的上、下粘弹性阻尼块与腔体的装配图，及1-1剖面图。

图3为本发明与水平隔减振/震装置连接构成多维隔减振/震装置示意图。

图4为本发明增设竖向截面后的整体剖面图，及2-2剖面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1、2所示，一种竖向腔体隔减振/震装置，包括水平设置的上载板11、下载板12，竖向夹置在上下载板之间的螺旋弹簧2、同轴置于螺旋弹簧2内的腔体3，及置于上腔体31、下腔体32内的上部粘弹性阻尼块41和下部粘弹性阻尼块42。

上载板11、下载板12上设有抗侧装置，抗侧装置为螺纹套筒15，上、下螺纹套筒15各自在靠近上载板11、下载板12一端的内周设有螺纹，另一端的内径大于螺纹外径，每对上、下螺纹套筒15之间供一个螺旋弹簧2旋拧于其中，固定螺旋弹簧2位置，提供一定的抗侧刚度。

上载板11、下载板12与上部粘弹性阻尼块41、下部粘弹性阻尼块42的连接处设置凹槽14，以保证粘弹性阻尼块与上载板11、下载板12的有效硫化连接。

本发明中的腔体是一个纵截面为H型的圆柱腔体，如图2所示，上腔体31、下腔体32内放置大小紧密贴合的上部粘弹性阻尼块41、下部粘弹性阻尼块42，腔体3的上、下翼缘应与上载板11、下载板12有一定距离以保证变形空间，其距离范围最大不超过上、下螺纹套筒15之间的最小距离，最小不小于上部粘弹性阻尼块41与上腔体31底部的距离与下部粘弹性阻尼块42超出下腔体32的距离之和。

其中，腔体3内侧表面和上部粘弹性阻尼块41外表面做粗糙处理，以保证上部粘弹性阻尼块41上下移动的同时实现有效的摩擦耗能。同时，上腔体31底面和腔体3内的上部粘弹性阻尼块41应留有一定位移空间，保证在动载状态下，上部粘弹性阻尼块41首先发生摩擦耗能，然后发生拉压耗能。下部粘弹性阻尼块42侧表面与下腔体32内表面硫化为一体，且下部粘弹性阻尼块42高度大于下腔体32高度，使得下部粘弹性阻尼块42在上部荷载作用下发生剪切和拉压变形。

上载板11和下载板12的两端设有圆形限位槽13，位置应与腔体3的上下翼缘在垂向对应，在较大荷载作用下腔体3上下翼缘能够卡入限位槽13中。

另外，本发明装置主要针对竖向振动控制，但可通过连接水平隔振装置（如叠层橡胶支座等）构成多维隔减振装置，如图3所示，本装置自身也可并联成为一个大的隔减振装置，这在实际工程中也是完全可行的。

如图4所示，可在上腔体31、下腔体32的纵向增设竖向截面，而不仅仅局限于H型截面，所增设的竖向截面与粘弹性阻尼块之间可选择的做粗糙处理还是硫化处理，其目的都是为增加接触面积进而增加摩擦耗能或者剪切耗能，进一步增强装置的减振效果。

工作原理：装置兼具隔振和减振功能，适合竖向振动控制，且易于实施。腔体将粘弹性阻尼块分成上、下两部分，并与螺旋弹簧并联，实现了多阶段工作机制：当装置安置于结构底部，在结构自重等静载作用下将产生静位移，此时装置刚度主要由螺旋弹簧提供，上腔体内的上部粘弹性阻尼块随螺旋弹簧向下产生运动，提供小部分摩擦刚度；静载作用下上部粘弹性阻尼块仍与上腔体底部留有一定空间，此时动载作用下上部粘弹性阻尼块与上腔体内侧产生相对位移，摩擦耗能，而下部粘弹性阻尼块有少量的剪切和拉压变形，也能够耗散能量；当动载较大，上部粘弹性阻尼块运行至上腔体底部，上部粘弹性阻尼块拉压耗能，此时动载作用下下部粘弹性阻尼块进一步上下运动，由于下部粘弹性阻尼块与腔体内部硫化连接，所以动载作用下下部粘弹性阻尼块同时剪切和拉压耗能，螺旋弹簧和上、下部粘弹性阻尼块共同贡献刚度，刚度增大，避免产生过大位移。若荷载进一步增大，腔体的上下翼缘将卡入上、下载板的限位槽中，保证装置具有足够的竖向承载力，并增强装置的抗侧能力，提升稳定性。

所设计装置能够兼顾竖向承载及振动控制需求，其机制能够提供多种阻尼，改善了单一阻尼耗能能力不足的问题，也提升了装置的鲁棒性，避免出现单一耗能模式失效后性能大幅降低的问题；另一方面，该设计使得剪切耗能模式仅在动载作用下参与工作，实现耗能减振目的的同时改善了粘弹性阻尼层在静载产生过大变形易撕裂脱开的问题。同时，多种构造措施保证了装置的竖向承载力和抗侧刚度。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种竖向腔体隔减振/震装置，包括载板（1）和螺旋弹簧（2），所述载板（1）分为上载板（11）和下载板（12），所述螺旋弹簧（2）竖向设置于上载板（11）和下载板（12）之间，其特征在于：所述螺旋弹簧（2）内竖向设置有纵截面为H型的腔体（3），所述载板（1）和腔体（3）采用耐高温且具有较强刚度的金属材料，所述腔体（3）分为上腔体（31）和下腔体（32），所述腔体（3）内侧面设置为粗糙面，所述上腔体（31）和下腔体（32）内对应设置有与腔体（3）内壁紧密贴合的上部粘弹性阻尼块（41）和下部粘弹性阻尼块（42），所述上部粘弹性阻尼块（41）和下部粘弹性阻尼块（42）对应与上载板（11）和下载板（12）固定连接，所述上部粘弹性阻尼块（41）外表面设置为粗糙面，所述上部粘弹性阻尼块（41）在静载状态下与上腔体（31）底部互不接触，所述下部粘弹性阻尼块（42）与下腔体（32）内壁以及顶部硫化为一个整体。

2.根据权利要求1所述的竖向腔体隔减振/震装置，其特征在于：所述下部粘弹性阻尼块（42）高度大于下腔体（32）高度。

3.根据权利要求1所述的竖向腔体隔减振/震装置，其特征在于：所述腔体（3）的上、下翼缘在装置静载时与载板（1）之间存在可压缩变形距离，所述可压缩变形距离之和不大于静载状态下螺纹套筒（15）之间的最小距离，所述可压缩变形距离之和不小于静载状态下上部粘弹性阻尼块（41）距离上腔体（31）底部的距离与下部粘弹性阻尼块（42）超出下腔体（32）的高度之和。

4.根据权利要求1所述的竖向腔体隔减振/震装置，其特征在于：所述载板（1）与上部粘弹性阻尼块（41）和下部粘弹性阻尼块（42）连接处设有凹槽（14），所述上部粘弹性阻尼块（41）和下部粘弹性阻尼块（42）与凹槽（14）硫化为一体。

5.根据权利要求1所述的竖向腔体隔减振/震装置，其特征在于：所述上载板（11）的下端面和下载板（12）的上端面分别设置有位置对应的抗侧装置。

6.根据权利要求5所述的竖向腔体隔减振/震装置，其特征在于：所述抗侧装置为螺纹套筒（15），所述螺纹套筒（15）在靠近载板（1）一端的内侧面设有螺纹，另一端的内径大于螺纹外径，所述螺纹套筒（15）与螺旋弹簧（2）通过螺纹连接。

7.根据权利要求1所述的竖向腔体隔减振/震装置，其特征在于：所述上载板（11）和下载板（12）上分别设有与上腔体（31）和下腔体（32）腔壁端部对应的限位槽（13）。