專利名稱：豎向變剛度隔震支座的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種豎向變剛度隔震支座，屬于結(jié)構(gòu)振動控制領(lǐng)域。
技術(shù)背景一般認(rèn)為，水平地震對結(jié)構(gòu)破壞起控制作用，但大量的地震震害表明，豎 向地震對結(jié)構(gòu)物的影響是不容忽視的，尤其是高聳結(jié)構(gòu)、大跨結(jié)構(gòu)與質(zhì)量、 剛度豎向分布不均勻的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的豎向剛度一般偏小，豎向固有周期 與豎向地震動卓越周期相近，因而在地震中極易發(fā)生諧振而破壞，如何控制 豎向地震動成為各國學(xué)者研究的熱點(diǎn)?；A(chǔ)隔震技術(shù)是通過在建筑物底部和基礎(chǔ)頂面之間設(shè)置剛度較小的隔震 層，以降低結(jié)構(gòu)振動的基本頻率，延長其振動周期，從而避開地震動的主要 能量頻帶，使上部結(jié)構(gòu)與地面振動隔離，減小上部結(jié)構(gòu)反應(yīng)，達(dá)到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部設(shè)施不受破壞的目的。自上世紀(jì)90年代至今，隔震技術(shù)在日本、 中國、美國、意大利、新西蘭等20多個國家得到了迅速發(fā)展與應(yīng)用，世界上 己經(jīng)有2000多棟結(jié)構(gòu)采用了此項(xiàng)技術(shù)。然而，目前隔震技術(shù)主要為水平隔震，對豎向地震動沒有控制效果，這 對結(jié)構(gòu)安全是極為不利的；另外，結(jié)構(gòu)豎向隔震技術(shù)發(fā)展緩慢，原因在于隔 震裝置首先要承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)巨大的自重荷載，又要求具有較小的豎向剛度， 同時要保證上部結(jié)構(gòu)在一般荷載(如環(huán)境振動和風(fēng)荷載)作用下的穩(wěn)定性， 這三者之間的矛盾很難調(diào)和，因此，新型豎向隔震裝置的研發(fā)成為一項(xiàng)世界 難題。對于結(jié)構(gòu)的豎向隔震問題，國內(nèi)外學(xué)者曾提出過一些隔震裝置，有些裝 置由于豎向剛度較大，變形小，有限的變形范圍內(nèi)難以提供足夠的阻尼力， 隔震效果欠佳；有些裝置豎向剛度足夠小，但變形過大，難以保證上部結(jié)構(gòu) 在一般荷載作用下的穩(wěn)定性，因此很難得以應(yīng)用和推廣。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有豎向隔震裝置的上述缺陷，提供一種豎向變 剛度隔震支座，該支座在豎直方向上具有較大的初始剛度和較小的屈服剛度， 具有足夠的豎向變形能力和復(fù)位能力，并能夠在鉛屈服后根據(jù)支座的豎向變 形調(diào)節(jié)支座的豎向剛度，因此可以有效隔離豎向地震動并在無地震時保持穩(wěn)定；水平方向上，支座剛度非常大，幾乎無變形；本發(fā)明構(gòu)造簡單，易加工 制作，還可與其他水平隔震支座組合形成三維隔震支座。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是支座包括有鋼筒、橡膠、 鉛芯和變剛度導(dǎo)向裝置，變剛度導(dǎo)向裝置包括有軸、頂板和錐形的變剛度曲 面板，其中，軸截面面積較大的一端與頂板固定連接，錐形的變剛度曲面板 的一端與頂板固定連接，另一端與軸的側(cè)面固定連接，按照橫截面面積由小 到大的順序，多層橡膠和多個鋼筒沿徑向依次相間固定在變剛度曲面板以下 的軸的側(cè)面上，水平布置的鉛芯穿過多層鋼筒與橡膠相交于軸，所有的橡膠 和鋼筒的下端面形成一個上端口小下端口大(以下簡稱上小下大)的錐形空 間。所述的錐形變剛度曲面板的上端口的形狀、面積與所有橡膠和鋼筒的下 端面形成的錐形空間的下端口的形狀、面積相同，且兩個錐形的高度相同。所述的軸、鋼筒和橡膠的橫截面為圓形或?yàn)榉叫位驗(yàn)槎噙呅?。所述的鋼筒和橡膠均為上端口面積大于下端口面積的錐形筒，軸與橡膠 之間以及鋼筒與橡膠之間采用硫化技術(shù)粘接或其他粘接技術(shù)粘接。所述的軸為上端面面積大于下端面面積的錐形軸。所述的鋼筒由其它金屬或合金制成的金屬筒所替換。所述的橡膠為普通天然橡膠，也可為高阻尼橡膠。所述的鉛芯的個數(shù)為1個，且鉛芯7與軸1正交。所述的鉛芯的個數(shù)大于l，沿軸的圓周方向均勻布置，且鉛芯7與軸1正交。所述的變剛度曲面板的曲率可以為零，也可以為常數(shù)，也可以沿軸向外方向依次增加或減小。所述的鉛芯與軸正交。本支座可用于建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)隔震層，隔離豎向地震動。當(dāng)無地震作用，僅有環(huán)境振動或一般的風(fēng)荷載時，支座中的鉛芯處于結(jié) 晶狀態(tài)，具有很大的剛度，因此橡膠中的應(yīng)力不發(fā)生變化，整個支座不產(chǎn)生豎向變形，保持穩(wěn)定；當(dāng)?shù)卣饋砼R時，劇烈的地面運(yùn)動使支座頂板受到上部結(jié)構(gòu)巨大的慣性力， 這種慣性力通過變剛度導(dǎo)向裝置分配到每一層橡膠和鋼筒，使靠近軸位置的 橡膠最先產(chǎn)生豎向剪切變形，并帶動鋼筒發(fā)生豎向剪切運(yùn)動，在橡膠和鋼筒 的剪切作用下，靠近軸位置的鉛首先屈服，剛度迅速降低，隨著豎向變形的 增加，橡膠沿軸向外方向依次發(fā)生剪切變形，鉛也沿軸向外方向依次屈服， 有效的隔離了地面運(yùn)動能量向上部結(jié)構(gòu)的傳輸。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1) 本發(fā)明采用變剛度設(shè)計(jì)，可使隔震效果更佳。主要體現(xiàn)在以下三個方 面第一，鉛芯變剛度，采用鉛芯提供阻尼力，具有較大的初始剛度和較小 的屈服剛度，能夠保證上部結(jié)構(gòu)在一般荷載作用下的穩(wěn)定性，在地震作用下 屈服，消耗地震能量；第二，多圈橡膠變剛度，靠近軸位置的橡膠的豎向剪 切面積較小，剛度較小，遠(yuǎn)離軸的橡膠的豎向剪切面積較大，剛度也較大， 當(dāng)支座豎向變形增加時，本支座的剛度也逐漸增大，這種結(jié)構(gòu)可以避免支座 在隨機(jī)地震動作用下因剛度恒定而發(fā)生諧振破壞；第三，導(dǎo)向裝置變剛度，利用變剛度曲面板曲率的變化實(shí)現(xiàn)變剛度，變剛度曲面板的曲率可根據(jù)不同 地區(qū)不同結(jié)構(gòu)的抗震要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且變剛度曲面板能將支座的豎向變形 按其曲率的變化分配到各層鋼板和橡膠，防止局部橡膠剪切變形過大發(fā)生破 壞。2) 本發(fā)明具有較大的豎向變形能力和耗能能力。3) 本發(fā)明支座采用的鋼筒可以提供一定的豎向支持力，因此，支座具有 足夠的豎向承載力。


圖1為本發(fā)明的立面圖； 圖2為圖1的A-A剖視圖； 圖3為圖1的B-B剖視圖；圖4為變剛度導(dǎo)向裝置立面圖； 圖5為頂板平面圖；圖6為本發(fā)明的實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)簡圖；圖7為本發(fā)明的實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)簡圖；圖中1、軸，2、頂板，3、變剛度曲面板，4、螺栓孔，5、鋼筒，6、 橡膠，7、鉛芯，8、蓋板，9、鉛芯孔，10、支腳，11、疊層橡膠鉛芯隔震支 座。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明 實(shí)施例l:如圖2所示，本支座包括有變剛度導(dǎo)向裝置、鉛芯7和多個鋼筒5和橡 膠6 (此處的橡膠6為具有一定厚度的橡膠圈)，鋼筒5和橡膠6為上端口面 積大于下端口面積的圓錐形。變剛度導(dǎo)向裝置的結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括有軸1、 頂板2和變剛度曲面板3三部分，變剛度曲面板3的曲率為零。軸1直徑大 的一端與頂板2固定連接，錐形的變剛度曲面板3的一端與頂板2固定連接， 另一端與軸1的側(cè)面固定連接。軸1外部包有一圈一定厚度的橡膠6，橡膠6 外部套有一個鋼筒5，多層橡膠6與多個鋼筒5 (如圖2所示)沿軸l的徑向 依次粘接形成支座的承重主體，軸1與橡膠6之間以及鋼筒5與橡膠6之間 均采用硫化技術(shù)粘接。支座內(nèi)部水平方向上有正交的四根鉛芯7穿過多層鋼 筒5與橡膠6，與軸l正交(如圖3所示)。鉛芯7的具體加工方法為每一 個鋼筒5上設(shè)有四個大小相同的鉛芯孔9，鋼筒5安裝過程中須確保每個鋼筒 5的鉛芯孔9 (見圖1、圖2)相互對齊，待鋼筒5與橡膠6硫化粘結(jié)完成之 后，向鉛芯孔9中灌鉛，鉛完全冷卻之后，將蓋板8蓋上并擰緊密封。本發(fā)明采用鉛芯7提供阻尼力，具有較大的初始剛度和較小的屈服剛度，能夠保 證上部結(jié)構(gòu)在一般荷載作用下的穩(wěn)定性，并能夠在地震作用下屈服，消耗地 震能量。本實(shí)施例中鉛芯7的大小和條數(shù)可視實(shí)際工程所需的阻尼而定，可為水平正交分布四條，也可為兩條，或均勻?qū)ΨQ分布的更多條。軸1和鋼筒5的橫截面可以為圓形或?yàn)榉叫位驗(yàn)檎噙呅巍Ｋ械南鹉z6 和鋼板5的下端面形成一個上小下大的錐形空間(見圖2)。鋼筒5上下端口的直徑之比、橡膠6的厚度、曲率為零的變剛度曲面板 所圍的錐形上下端面直徑之差與錐形的高之比以及鉛芯7的大小、條數(shù)須根 據(jù)支座的豎向荷載、允許變形、隔震剛度和所需阻尼力進(jìn)行設(shè)計(jì)。鋼筒5也 可以由其他硬質(zhì)金屬或合金制成的筒所替代。沿軸1的徑向向外(本實(shí)施例以軸1的軸心線為中心，以遠(yuǎn)離軸1軸心 線的方向?yàn)橥?，鋼筒5的直徑逐漸增大，筒高依次增高，靠近軸l位置的橡 膠6直徑與高度均較小，可承受的豎向剪力也較小，因此，當(dāng)軸1受到豎向 作用力時，靠近軸1位置的橡膠6首先發(fā)生剪切變形，并迫使靠近軸1位置 的鉛7首先屈服。變剛度導(dǎo)向裝置的變剛度曲面板3與頂板2所圍成的上端口大小端口小 (以下簡稱上大下小)的圓錐形的大小與無受力狀態(tài)時支座下部鋼筒5與橡 膠6形成的上小下大的圓錐形空間的高度相同，且兩個圓錐形空間的大端口 均為相同直徑的圓形。這種結(jié)構(gòu)有兩個優(yōu)點(diǎn)第一，在較大的豎向荷載作用 下，可以使支座變形均勻分布到每一層橡膠，避免局部橡膠剪切變形過大而 破壞；第二，使支座的豎向剛度隨著豎向變形的增加而不斷增大，避免支座 在隨機(jī)地震動作用下因剛度恒定而發(fā)生諧振破壞。所有鋼筒5與軸1均為上大下小的錐形設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法可以增加支 座的豎向承載力，減小橡膠在剪切變形時發(fā)生受拉破壞；當(dāng)軸l向下運(yùn)動時， 周圍的橡膠6將產(chǎn)生剪切變形，外部錐形鋼筒5可以防止橡膠6在剪切變形 中產(chǎn)生水平拉力，而且能提供一定向上的支持力，支持力的大小與鋼筒5的高成正比，與鋼筒5上下端口直徑之比成正比，即鋼筒5越高，可提供的支 持力越大，鋼筒5上下端口直徑之比越大，可提供的支持力也越大，反之則 越小。 實(shí)施例2:圖6為本發(fā)明的另一種實(shí)施例，本實(shí)施例與實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)基本相同， 不同之處僅在于變剛度導(dǎo)向裝置中的變剛度曲面板3的曲率不為零，而是沿 軸1向外方向不斷增加的。這種設(shè)計(jì)可使隔震結(jié)構(gòu)在遭受罕遇地震時，支座 的剛度隨著豎向變形的增大非線性增加，即變形越大，支座的豎向剛度增加 越快，因此可以進(jìn)一步確保支座不會產(chǎn)生過大的變形而發(fā)生剪切破壞。變剛度導(dǎo)向裝置中的變剛度曲面板3的曲率可根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)而定。圖7為本發(fā)明中的豎向支座與疊層橡膠鉛芯隔震支座11串聯(lián)形成的三維 隔震支座，其中的豎向支座與以上實(shí)施例結(jié)構(gòu)相同，三維隔震支座可以同時 隔離水平和豎向的地震動，水平和豎向均具有較大的初始剛度和較小的屈服 剛度，變形大且復(fù)位能力強(qiáng)。本發(fā)明支座還可與其他水平隔震支座組合形成三維隔震支座，如與金屬 摩擦滑移隔震支座串聯(lián)組成三維隔震支座，其中的豎向支座與以上實(shí)施例結(jié) 構(gòu)相同。
權(quán)利要求
1. 豎向變剛度隔震支座，其特征在于包括有鋼筒(5)、橡膠(6)、鉛芯(7)和變剛度導(dǎo)向裝置；變剛度導(dǎo)向裝置包括有軸(1)、頂板(2)和錐形的變剛度曲面板(3)；其中，軸(1)的上端與頂板(2)固定連接，錐形的變剛度曲面板(3)的一端與頂板(2)固定連接，另一端與軸(1)的側(cè)面固定連接，多層橡膠(6)和多個鋼筒(5)沿徑向依次相間固定在變剛度曲面板(3)以下的軸(1)上；水平布置的鉛芯(7)穿過多層鋼筒(5)與橡膠(6)與軸(1)相交；所有的橡膠(6)和鋼筒(5)的下端面形成一個上端口小下端口大的錐形空間。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的豎向變剛度隔震支座，其特征在于所述的錐形變 剛度曲面板(3)的上端口的形狀、面積與所有橡膠(6)和鋼筒(5)的下端 面形成的錐形空間的下端口的形狀、面積相同，且兩個錐形的高度相同。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的豎向變剛度隔震支座，其特征在于 所述的軸(1)、鋼筒(5)和橡膠(6)的橫截面為圓形或?yàn)榉叫位驗(yàn)槎噙呅巍?br> 4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的豎向變剛度隔震支座，其特征在于所述的鋼筒(5) 可由銅或合金制成的金屬筒所替換。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2或權(quán)利要求4所述的豎向變剛度隔震支座， 其特征在于所述的鋼筒(5)和橡膠(6)為上端口面積大于下端口面積的 錐形，*軸(1)與橡膠(6)之間以及鋼筒(5)與橡膠(6)之間采用硫化技 術(shù)粘接。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2或權(quán)利要求4所述的豎向變剛度隔震支座， 其特征在于所述的橡膠(6)為普通天然橡膠或?yàn)楦咦枘嵯鹉z。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2或權(quán)利要求4所述的豎向變剛度隔震支座， 其特征在于所述的鉛芯(7)的個數(shù)為一個，且鉛芯(7)與軸(1)正交。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2或權(quán)利要求4所述的豎向變剛度隔震支座， 其特征在于所述的鉛芯(7)的個數(shù)大于1并沿軸(1)的圓周方向均勻布 置，且鉛芯(7)與軸(1)正交。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的豎向變剛度隔震支座，其特征在于所述的變剛度 曲面板(3)的曲率為零或?yàn)槌?shù)或沿軸(1)按由里向外的方向逐漸增加或 減小。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的豎向變剛度隔震支座，其特征在于所述的軸(1) 為上端面面積大于下端面面積的錐形。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種豎向變剛度隔震支座，屬于結(jié)構(gòu)振動控制領(lǐng)域。本支座包括有鋼筒、橡膠、鉛芯和變剛度導(dǎo)向裝置。變剛度導(dǎo)向裝置包括有軸、頂板和錐形的變剛度曲面板，其中，軸的上端與頂板固定連接，錐形的變剛度曲面板的一端與頂板固定連接，另一端與軸的側(cè)面固定連接，多層橡膠和多個鋼筒依次間隔沿徑向布置在變剛度曲面板以下的軸上，水平方向布置的鉛芯穿過多層鋼筒與橡膠與軸相交，所有的橡膠和鋼板的下端面形成一個上端口小下端口大的錐形空間。本發(fā)明支座在豎直方向上具有較大的初始剛度和較小的屈服剛度，且具有足夠的豎向變形能力和復(fù)位能力，鉛屈服后能根據(jù)豎向變形調(diào)節(jié)豎向隔震剛度，因此可以有效隔離豎向地震動并在無地震時保持穩(wěn)定。
文檔編號E04B1/98GK101275442SQ20081011167
公開日2008年10月1日 申請日期2008年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月16日
發(fā)明者珉 任, 周福霖, 樂 常, 閆維明 申請人:北京工業(yè)大學(xué)