本發(fā)明屬于土木工程以及機(jī)械工程振動控制領(lǐng)域和隔震
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種具有足夠豎向承載力與豎向變剛度控制能力，同時水平向也具有適宜剛度的新型變剛度液壓三維隔震裝置及方法，適用于工業(yè)與民用建筑、橋梁、地鐵工程等領(lǐng)域，同時，也可以用于機(jī)械設(shè)備、儀器等的隔震(振)。
背景技術(shù)：
：我國位于環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，是一個地震多發(fā)國。如何減振、隔震以提高建筑、橋梁的抗震性能是進(jìn)行建筑、橋梁設(shè)計的重要問題。在相關(guān)
技術(shù)領(lǐng)域：
中，采用隔震支座是實現(xiàn)以上目的的有效方法。目前國內(nèi)外隔震方面的研究主要集中在水平隔震上，隔震裝置包括橡膠隔震支座、滑移隔震支座、摩擦擺支座、滾動隔震裝置等。已有震害資料和試驗表明，豎向地震對結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞有著明顯的影響?？紤]到日益提高的結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計需求，研究新型多維隔震技術(shù)勢在必行。地震作用下，結(jié)構(gòu)的豎向振動控制相對于水平振動控制具有更大的難度。由于結(jié)構(gòu)的豎向剛度一般較大，普通的減振措施(如各類阻尼器)較難發(fā)揮有效作用。另外，樓板的振動在結(jié)構(gòu)的豎向振動中存在較大影響，但由于結(jié)構(gòu)開敞空間的需求，較難對樓板施加減振措施。通過在現(xiàn)有的水平隔震基礎(chǔ)上，開發(fā)三維隔震技術(shù)成為解決結(jié)構(gòu)豎向振動的重要途徑。在三維隔震方面，國外已有利用密封氣體等流體介質(zhì)實現(xiàn)三維隔震的相關(guān)研究，如采用橡膠隔震支座與密封型空氣彈簧構(gòu)成的組合式三維隔震裝置。在這些研究中為實現(xiàn)隔震裝置的長周期而采取的特別構(gòu)造等使得支座造價昂貴，主要應(yīng)用于核工業(yè)設(shè)施隔震，較難在工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域進(jìn)行廣泛推廣。在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，國內(nèi)三維隔震支座的研究主要以蝶形彈簧作為豎向隔震元件。目前，相關(guān)的研究還處于理論與試驗階段缺乏實際的工程運用。同時該類裝置一般為彈性變形裝置，較難實現(xiàn)復(fù)雜情況下的分階段控制，無法兼顧不同周期地震作用下的隔震效果。豎向隔震要求結(jié)構(gòu)豎向剛度盡可能低以延長結(jié)構(gòu)周期，同時結(jié)構(gòu)巨大的自重又完全依靠低剛度的豎向隔震裝置承受，增大了隔震支座的設(shè)計難度，使得目前研究的三維隔震支座構(gòu)造較為復(fù)雜。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種具有足夠豎向承載力與豎向變剛度控制能力，同時水平向也具有適宜剛度的新型變剛度液壓三維隔震裝置及方法，其旨在解決現(xiàn)有隔震支座的不足，即解決常規(guī)隔震支座無法隔離豎向地震的問題；解決現(xiàn)有組合式多維隔震裝置構(gòu)造復(fù)雜、造價昂貴等問題。同時利用閾值控制手段，實現(xiàn)支座豎向隔震的多級變剛度控制以兼顧不同周期地震作用下的隔震效果。該裝置具有合理的連接構(gòu)造措施防止三維隔震裝置發(fā)生較大的水平向和豎向位移；同時由于豎向隔震裝置的存在，使得支座所承受的豎向力減小，水平向疊層橡膠支座部分的豎向抗拉承載力足以保證三維隔震裝置的整體穩(wěn)定性和工作安全性。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種變剛度液壓三維隔震裝置，包括上部的豎向隔震系統(tǒng)、下部的疊層橡膠支座、減壓缸和增壓缸及連接部件；豎向隔震系統(tǒng)包括豎向隔震器上聯(lián)結(jié)板1、豎向?qū)к?、主缸活塞桿3、主缸限位導(dǎo)向套4、主缸底部活塞串聯(lián)壓簧5、主缸底部活塞串聯(lián)拉簧6、豎向隔震器下聯(lián)結(jié)板8、和主缸頂部封板24；疊層橡膠支座包括疊層橡膠支座上聯(lián)結(jié)板10、鋼板層11、橡膠層12、疊層橡膠支座下聯(lián)結(jié)板13；減壓缸包括活減壓缸塞串聯(lián)壓簧14、減壓缸緩沖墊層15、減壓缸導(dǎo)向套16、減壓缸活塞桿17、減壓缸支撐環(huán)18和減壓缸頂部封板25；增壓缸包括增壓缸活塞串聯(lián)壓簧19、增壓缸緩沖墊層20、增壓缸導(dǎo)向套21、增壓缸活塞桿22、增壓缸支撐環(huán)23和增壓缸頂部封板26；豎向隔震器下聯(lián)結(jié)板8和疊層橡膠支座上聯(lián)結(jié)板10連接；導(dǎo)軌2頂部與豎向隔震器上聯(lián)結(jié)板1連接，導(dǎo)軌2底部與豎向隔震器下聯(lián)結(jié)板8連接；主缸活塞桿3頂部與豎向隔震器上聯(lián)結(jié)板1連接，主缸頂部活塞下部直接接觸液壓油并進(jìn)行密封，主缸底部活塞上部與壓簧5串聯(lián)，壓簧5頂部與主缸頂部封板24固定，主缸底部活塞下部與拉簧6串聯(lián)，拉簧6底部與豎向隔震器下聯(lián)結(jié)板8固定；主缸頂部活塞以下腔體與底部活塞以下腔體聯(lián)通；主缸導(dǎo)向套4與主缸缸壁連接；鋼板層11與橡膠層12形成疊層橡膠層、上部與疊層橡膠支座上聯(lián)結(jié)板10連接，下部與聯(lián)結(jié)板13連接；減壓缸活塞上部與壓簧14串聯(lián)，底部支承于支撐環(huán)18；彈簧底部與活塞連接，彈簧頂部與減壓缸頂部封板25連接；活塞下部腔體與主缸液壓油腔體聯(lián)通，活塞桿置于壓簧14內(nèi)部并且與減壓缸導(dǎo)向套16協(xié)同工作，減壓缸緩沖墊層15、減壓缸導(dǎo)向套16均與減壓缸頂部封板25固定；支撐環(huán)18與缸壁固定；增壓缸活塞上部與壓簧19串聯(lián)，增壓缸活塞桿22頂部支承于增壓缸緩沖墊層20；彈簧底部與活塞連接，彈簧頂部與增壓缸頂部封板26連接；活塞下部腔體與主缸液壓油腔體聯(lián)通，活塞桿置于壓簧19內(nèi)部并且與增壓缸導(dǎo)向套21協(xié)同工作，增壓缸緩沖墊層20、增壓缸導(dǎo)向套21均與增壓缸頂部封板26固定；支撐環(huán)23與缸壁固定。所述裝置的豎向隔震器下聯(lián)結(jié)板8和疊層橡膠支座上聯(lián)結(jié)板10貼合連接采用高強(qiáng)螺栓或焊接方式連接；或者直接加工成一塊聯(lián)接板。所述裝置的導(dǎo)軌2與豎向隔震器上聯(lián)結(jié)板1、豎向隔震器下聯(lián)結(jié)板8通過焊接直接連接或直接通過螺栓連接；主缸活塞桿3頂部與豎向隔震器上聯(lián)結(jié)板通過焊接直接連接。所述裝置的彈簧的固定方式為焊接或螺紋連接；或不固定壓簧，僅讓壓簧與端板之間在彈簧內(nèi)力作用下緊密接觸連接；各液壓缸腔體直接通過軟油管或固定的硬管道連接；主缸導(dǎo)向套與主缸缸壁，減壓缸與增壓缸內(nèi)部的導(dǎo)向套、緩沖墊層、支撐環(huán)均通過螺栓或螺紋連接。所述裝置的主缸、增壓缸、減壓缸數(shù)量的組合比例通過多級變剛度的設(shè)計要求靈活布置，主缸、減壓缸、增壓缸的數(shù)量以及每個缸內(nèi)部的腔體個數(shù)設(shè)為一個或多個。本發(fā)明的裝置進(jìn)行變剛度液壓三維隔震方法，減壓缸內(nèi)腔均與主缸內(nèi)腔聯(lián)通，正常使用時減壓缸活塞在壓簧14與內(nèi)部液壓油壓力的作用下被頂在支撐環(huán)18上，保持靜止，不參與工作；當(dāng)活塞桿17與緩沖墊層15相接觸時，減壓缸活塞運動到極限位置；通過控制減壓缸活塞是否運動來控制液壓缸內(nèi)部液體壓強(qiáng)的變化，從而起到變剛度作用；增壓缸內(nèi)腔均與主缸內(nèi)腔聯(lián)通，正常使用時活塞桿22在壓簧19與內(nèi)部液壓油壓力的作用下被壓在緩沖墊層20上，保持靜止，不參與工作；當(dāng)增壓缸活塞與支撐環(huán)23相接觸時，增壓缸活塞運動到極限位置；通過控制減壓缸活塞是否運動來控制液壓缸內(nèi)部液體壓強(qiáng)的變化，從而起到變剛度作用；在不同階段控制不同數(shù)量的增壓/減壓缸參與工作實現(xiàn)豎向剛度的多級變化；導(dǎo)軌2用于限制豎向隔震器的水平運動。所述方法是利用增壓缸/減壓缸活塞的運動，增大主工作缸底部活塞的等效面積從而改變主工作缸頂部活塞出的剛度，達(dá)到變剛度控制效果；對主缸而言，其剛度通過下式進(jìn)行計算：式中，keq1表示主缸頂部活塞的等效豎向剛度，aup表示主缸頂部活塞的面積，n表示主缸底部活塞腔體總數(shù)，adi表示第i個主缸底部活塞的面積，kdi表示第i個主缸底部活塞腔體中彈簧的總剛度；當(dāng)僅主缸參與工作時，支座的豎向剛度等于主缸的等效豎向剛度；隨著各階段參與工作的增壓/減壓缸數(shù)量發(fā)生變化，支座的等效豎向剛度也發(fā)生改變，此時可根據(jù)下式計算支座的等效豎向剛度：式中，keq2表示有增壓/減壓缸參與工作時主缸頂部活塞的等效豎向剛度，aup表示主缸頂部活塞的面積，n表示主缸底部活塞腔體總數(shù)，adi表示第i個主缸底部活塞的面積，kdi表示第i個主缸底部活塞腔體中彈簧的總剛度，m表示增壓/減壓缸的個數(shù)，qj表示第j個增壓/減壓缸內(nèi)部腔體數(shù)，ajk表示第j個增壓/減壓缸內(nèi)第k個腔體中的活塞面積，kjk表示第j個增壓/減壓缸內(nèi)第k個腔體中的彈簧總剛度。本發(fā)明的變剛度液壓三維隔震裝置安放于民用建筑、橋梁、地下建筑等的隔震層中，隔震裝置以上的結(jié)構(gòu)的自重以及增壓/減壓缸內(nèi)部彈簧以及限位裝置，實現(xiàn)在不同情況下隔震裝置豎向的自復(fù)位；發(fā)生向下的位移時減壓缸內(nèi)部彈簧彈力克服自重作用，提供豎向向上的恢復(fù)力；發(fā)生向上的位移時結(jié)構(gòu)自重克服增壓缸內(nèi)部彈簧彈力，提供豎向向下的恢復(fù)力。本發(fā)明的減壓缸和增壓缸均與主缸直接通過軟油管或硬管道就近或遠(yuǎn)程連接，以滿足不同大小隔震層空間的使用要求；同時減壓缸和增壓缸可水平或豎向放置。下面以主缸包含兩個底部活塞腔體同時具有兩個增壓缸和兩個減壓缸的三維隔震裝置為例，進(jìn)一步闡述該發(fā)明：其包括豎向隔震器上聯(lián)結(jié)板1、豎向?qū)к?、主缸活塞桿3、主缸限位導(dǎo)向套4、主缸底部活塞串聯(lián)壓簧5、主缸底部活塞串聯(lián)拉簧6、聯(lián)接螺栓墊層7、豎向隔震器下聯(lián)結(jié)板8、高強(qiáng)螺栓9、疊層橡膠支座上聯(lián)結(jié)板10、鋼板層11、橡膠層12、疊層橡膠支座下聯(lián)結(jié)板13、減壓缸活塞串聯(lián)壓簧14、減壓缸緩沖墊層15、減壓缸導(dǎo)向套16、減壓缸活塞桿17、減壓缸支撐環(huán)18、增壓缸活塞串聯(lián)壓簧19、增壓缸緩沖墊層20、增壓缸導(dǎo)向套21、增壓缸活塞桿22、增壓缸支撐環(huán)23、主缸頂部封板24、減壓缸頂部封板25、增壓缸頂部封板26。高強(qiáng)螺栓9將豎向隔震器下聯(lián)結(jié)板8、疊層橡膠支座上聯(lián)結(jié)板10可靠連接，或通過焊接方式連接或者直接加工成一塊聯(lián)接板。導(dǎo)軌2頂部與豎向隔震器上聯(lián)結(jié)板1通過焊接或螺栓連接固定，導(dǎo)軌2底部與豎向隔震器下聯(lián)結(jié)板8通過焊接或螺栓連接固定。主缸活塞桿3頂部與豎向隔震器上聯(lián)結(jié)板1通過焊接固定，主缸頂部活塞下部直接接觸液壓油并進(jìn)行密封，主缸底部活塞上部與壓簧5串聯(lián)，壓簧5頂部與主缸頂部封板24固定，主缸底部活塞下部與拉簧6串聯(lián)，拉簧6底部與豎向隔震器下聯(lián)結(jié)板8固定；彈簧的固定方式為焊接或螺紋連接；或為方便更換，不固定壓簧，僅讓壓簧與端板之間在彈簧內(nèi)力作用下緊密接觸。主缸頂部活塞以下腔體與底部活塞以下腔體聯(lián)通，通過軟油管或固定的硬管道連接；主缸內(nèi)部腔體數(shù)量及活塞數(shù)量可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計。主缸導(dǎo)向套4通過螺栓或螺紋與主缸缸壁連接。鋼板層11與橡膠層12共同形成疊層橡膠層、兩者上部與疊層橡膠支座上聯(lián)結(jié)板10，下部與疊層橡膠支座下聯(lián)結(jié)板13連接。減壓缸活塞上部與壓簧14串聯(lián)，底部支承于支撐環(huán)18；彈簧底部與活塞連接，彈簧頂部與減壓缸頂部封板25連接；連接方式為焊接或螺紋連接，或為方便更換，僅讓彈簧與兩者在彈簧內(nèi)力作用下緊密接觸，在整個工作過程中不分離?；钊虏壳惑w與主缸液壓油腔體通過軟油管或固定的硬管道連接，其活塞桿置于壓簧14內(nèi)部并且與減壓缸導(dǎo)向套16協(xié)同工作，減壓缸緩沖墊層15、減壓缸導(dǎo)向套16均與減壓缸頂部封板25通過螺栓或螺紋連接固定；支撐環(huán)18通過焊接或螺紋與缸壁固定。減壓缸內(nèi)部腔體與活塞數(shù)量可根據(jù)設(shè)計設(shè)置為一個或多個，同時也可布置不同數(shù)量的減壓缸與主缸協(xié)同工作。增壓缸活塞上部與壓簧19串聯(lián)，增壓缸活塞桿22頂部支承于增壓缸緩沖墊層20；彈簧底部與活塞連接，彈簧頂部與增壓缸頂部封板26連接；連接方式為焊接或螺紋連接，或為方便更換，僅讓彈簧與兩者在彈簧內(nèi)力作用下緊密接觸，在整個工作過程中不分離?；钊虏壳惑w與主缸液壓油腔體通過軟油管或固定的硬管道連接，其活塞桿置于壓簧19內(nèi)部并且與增壓缸導(dǎo)向套21協(xié)同工作。增壓缸各部件之間的連接方式與減壓缸相同。增壓缸內(nèi)部腔體與活塞等數(shù)量可根據(jù)設(shè)計設(shè)置為一個或多個，同時也可布置不同數(shù)量的減壓缸與主缸協(xié)同工作。減壓缸內(nèi)腔均與主缸內(nèi)腔聯(lián)通，正常使用時減壓缸活塞在壓簧14與內(nèi)部液壓油壓力的作用下被頂在支撐環(huán)18上，保持靜止，不參與工作；當(dāng)活塞桿17與緩沖墊層15相接觸時，減壓缸活塞運動到極限位置。通過控制減壓缸活塞是否運動來控制液壓缸內(nèi)部液體壓強(qiáng)的變化，從而起到變剛度作用。增壓缸內(nèi)腔均與主缸內(nèi)腔聯(lián)通，正常使用時活塞桿22在壓簧19與內(nèi)部液壓油壓力的作用下被壓在緩沖墊層20上，保持靜止，不參與工作；當(dāng)增壓缸活塞與支撐環(huán)23相接觸時，增壓缸活塞運動到極限位置。通過控制減壓缸活塞是否運動來控制液壓缸內(nèi)部液體壓強(qiáng)的變化，從而起到變剛度作用?？筛鶕?jù)設(shè)計在不同階段控制不同數(shù)量的增壓/減壓缸參與工作可實現(xiàn)豎向剛度的多級變化。主缸內(nèi)部液體與減壓/增壓缸內(nèi)部通過軟油管或固定的硬管道聯(lián)通，在正常使用時僅主缸三個活塞運動即僅主缸參與工作。主缸底部活塞連接的拉簧與壓簧能夠提供足夠的豎向承載能力和適宜的豎初始向剛度，主缸內(nèi)部的壓簧與主缸頂部封板和底部活塞連接，拉簧與豎向隔震器下聯(lián)結(jié)板和活塞連接；彈簧的固定方式為焊接或螺紋連接；或為方便更換，不固定壓簧，僅讓壓簧與端板之間在彈簧內(nèi)力作用下緊密接觸。主缸豎向內(nèi)部有足夠空間保證彈簧徑向自由變形。豎向隔震器上聯(lián)結(jié)板與主缸限位導(dǎo)向套共同作用限制突發(fā)情況下豎向隔震器向下運動的最大位移，主缸頂部活塞與主缸限位導(dǎo)向套共同作用提供抗拉措施，限制突發(fā)情況下豎向隔震器向上運動的最大位移，三者共同作用防止突發(fā)的較大豎向位移對隔震裝置造成的破壞。對主缸而言，在整個過程中其剛度可以通過下式進(jìn)行計算：式中，keq1表示僅主缸工作時主缸頂部活塞的等效豎向剛度，aup表示主缸頂部活塞的面積，ad表示主缸底部活塞的面積，kd表示一個主缸底部活塞腔體中彈簧的總剛度。當(dāng)僅主缸參與工作時，支座的豎向剛度等于主缸的等效豎向剛度。減壓缸下腔與主缸通過軟油管或固定的硬管道聯(lián)通，自重下減壓缸活塞在彈簧彈力、液壓油壓力的作用下達(dá)到平衡位置，此時該活塞被彈簧頂在減壓缸支撐環(huán)上。彈簧預(yù)壓力通過設(shè)計施加，控制高壓閾值，彈簧底部與活塞連接，彈簧頂部與減壓缸頂部封板連接；彈簧的固定方式為焊接或螺紋連接；或為方便更換，不固定壓簧，僅讓壓簧與端板之間在彈簧內(nèi)力作用下緊密接觸。彈簧剛度與減壓缸活塞面積共同決定高壓變剛度后豎向隔震器的豎向剛度。彈簧內(nèi)圈設(shè)置減壓缸導(dǎo)向套與緩沖墊層，兩者均通過焊接或螺紋連接與減壓缸頂部封板可靠連接。減壓缸活塞桿運動到與緩沖墊層接觸后減壓缸活塞停止運動，減壓缸退出工作。緩沖墊層用于防止過大的位移對裝置以及隔震對象造成的破壞。減壓缸緩沖墊層與減壓缸活塞桿之間的距離控制減壓位移閾值。減壓缸參與工作之后，支座的等效豎向剛度可以通過下式計算：式中，keq2表示減壓缸參與工作時主缸頂部活塞的等效豎向剛度，aup表示主缸頂部活塞的面積，ad表示主缸底部活塞的面積，kd表示一個主缸底部活塞腔體中彈簧的總剛度，aj表示減壓缸活塞的面積，kj表示減壓缸活塞腔體中彈簧的總剛度。增壓缸下腔與主缸通過軟油管或固定的硬管道聯(lián)通，自重下增壓缸活塞在彈簧彈力、液壓油壓力的作用下達(dá)到平衡位置，此時該活塞被液壓油壓力頂在緩沖墊層上。彈簧剛度與增壓缸活塞面積共同決定低壓變剛度后豎向隔震器的豎向剛度。彈簧預(yù)壓力通過設(shè)計施加，控制低壓閾值。彈簧底部與活塞連接，彈簧頂部與增壓缸頂部封板連接；彈簧的固定方式可為焊接或螺紋連接；或為方便更換，不固定壓簧，僅讓壓簧與端板之間在彈簧內(nèi)力作用下緊密接觸。彈簧內(nèi)圈設(shè)置增壓缸導(dǎo)向套與緩沖墊層，兩者均通過焊接或螺紋連接與增壓缸頂部封板可靠連接。增壓缸活塞運動到與支撐環(huán)接觸后增壓缸活塞停止運動，增壓缸退出工作。支撐環(huán)用于防止過大的位移對裝置以及隔震對象造成的破壞。增壓缸活塞與支撐環(huán)之間的距離控制增壓位移閾值。增壓缸參與工作之后，支座的等效豎向剛度可以通過下式計算：式中，keq3表示增壓缸參與工作時主缸頂部活塞的等效豎向剛度，aup表示主缸頂部活塞的面積，ad表示主缸底部活塞的面積，kd表示一個主缸底部活塞腔體中彈簧的總剛度，ak表示增壓缸活塞的面積，kk表示增壓缸活塞腔體中彈簧的總剛度。該發(fā)明通過上部結(jié)構(gòu)自重以及增壓/減壓缸內(nèi)部彈簧以及限位裝置，實現(xiàn)在不同情況下隔震裝置豎向的自復(fù)位。發(fā)生向下的位移時減壓缸內(nèi)部彈簧彈力克服自重作用，提供豎向向上的恢復(fù)力；發(fā)生向上的位移時結(jié)構(gòu)自重克服增壓缸內(nèi)部彈簧彈力，提供豎向向下的恢復(fù)力。與目前其他研究成果相比，自復(fù)位原理、構(gòu)造簡單，易于實施，造價低廉且更加安全可靠。同時其余缸體與主缸直接通過軟油管或硬管道就近或遠(yuǎn)程連接。其它缸體可以水平放置或者依據(jù)實際情況布置，配合使用油管等可以不與主缸布置在同一個地方，適用于不同的空間等。在液壓缸外部設(shè)置豎向?qū)к?，?dǎo)軌上部與豎向隔震器上聯(lián)結(jié)板通過焊接或螺栓連接，下部與豎向隔震器下聯(lián)結(jié)板通過焊接或螺栓連接，限制豎向隔震器上聯(lián)結(jié)板僅能沿豎向運動，同時豎向隔震器下聯(lián)結(jié)板傳遞結(jié)構(gòu)的水平剪力，保證液壓缸的軸向受力。設(shè)置高強(qiáng)螺栓連接豎向隔震器以及疊層橡膠支座，有效地將上部的水平剪力傳遞給底部疊層橡膠支座。本發(fā)明中，疊層橡膠支座在傳遞豎向力的同時增大結(jié)構(gòu)的水平周期，隔離水平向地震。橡膠部分有足夠的豎向抗壓、抗拉承載力以及剛度以承受豎向荷載，且能將上部結(jié)構(gòu)的壓力有效地傳遞給墩臺或基礎(chǔ)；有良好的彈性以適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動；有較大的剪切變形以滿足上部結(jié)構(gòu)的水平位移。當(dāng)在地震作用下三維隔震裝置受拉時，主缸頂部活塞將在主缸導(dǎo)向套4的作用下停止運動，同時通過導(dǎo)向套4將拉力傳遞給主缸缸壁繼而傳遞給下部疊層橡膠支座。由于豎向隔震裝置的存在，疊層橡膠支座部分在地震中所承受的豎向力大大減小，疊層橡膠支座的抗拉承載力足以滿足三維隔震裝置的整體穩(wěn)定性和工作安全性的要求。發(fā)明的變剛度液壓三維隔震裝置具有以下優(yōu)點：1、水平隔震措施采用研究和應(yīng)用都較為成熟的疊層橡膠支座來滿足水平隔震目的。適宜的水平剛度可以有效地隔離水平地震作用，避免強(qiáng)烈水平地震作用下結(jié)構(gòu)及設(shè)備等發(fā)生嚴(yán)重破壞。同時由于上部豎向隔震裝置的存在，疊層橡膠支座部分承受的豎向壓力變化受到豎向隔震效果的控制，變化較小，豎向壓力對其水平向隔震的力學(xué)性能影響較小，水平向隔震效果比傳統(tǒng)疊層橡膠支座更加穩(wěn)定；疊層橡膠支座的抗拉承載力足以滿足三維隔震裝置的整體穩(wěn)定性和工作安全性的要求。2、本發(fā)明中液壓缸部分承擔(dān)豎向荷載并隔離豎向地震。在正常使用以及隔震時均具有足夠的豎向承載力，同時具有很強(qiáng)的自復(fù)位能力。發(fā)生向下的位移時減壓缸內(nèi)部彈簧彈力克服自重作用，提供豎向向上的恢復(fù)力；發(fā)生向上的位移時結(jié)構(gòu)自重克服增壓缸內(nèi)部彈簧彈力，提供豎向向下的恢復(fù)力。與目前其他研究成果相比，自復(fù)位原理、構(gòu)造簡單，易于實施，造價低廉且更加安全可靠。3、本發(fā)明中液壓缸部分通過彈簧的預(yù)壓力設(shè)置高壓、低壓控制閾值的被動控制手段，控制增壓、減壓缸的工作狀態(tài)，實現(xiàn)豎向隔震的多級變剛度控制?？梢酝ㄟ^簡單調(diào)節(jié)活塞截面、增/減壓缸的數(shù)量，調(diào)整各級剛度以及變剛度級數(shù)。該控制方式增加了裝置隔震效果的同時還實現(xiàn)了類似于智能控制的效果。在高強(qiáng)度高頻地震作用下，減壓/增壓缸與主缸共同工作，支座豎向處于低剛度隔震階段，減小結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。同時在長周期地震作用下，為防止支座處于低剛度階段與地震作用產(chǎn)生共振，當(dāng)支座位移達(dá)到一定程度時，限位裝置(支撐環(huán)與緩沖墊層)開始工作，增壓/減壓缸退出工作，支座豎向剛度升高，減小長周期地震對隔震支座與結(jié)構(gòu)的不利影響。4、在低幅值地震作用下，僅主缸參與工作，主缸內(nèi)部彈簧剛度滿足在正常使用下的初始剛度要求，使結(jié)構(gòu)在活荷載、風(fēng)荷載、低幅值地震等作用下不產(chǎn)生較大豎向位移和振動。5、其余缸體與主缸直接可以通過軟油管或硬管道就近或遠(yuǎn)程連接。其它缸體可以水平放置或者依據(jù)實際情況布置，配合使用油管等可以不與主缸布置在同一個地方，適用于不同的空間等。6、通過設(shè)置豎向隔震器上聯(lián)結(jié)板與主缸導(dǎo)向套的距離以及主缸導(dǎo)向套與主缸上部活塞的距離，可以靈活限制豎向隔震器的極限變形，避免其發(fā)生過大的豎向位移而破壞，提高了裝置的整體工作安全性。7、主工作缸頂部活塞桿與支座端板串聯(lián)，端板直接與上部結(jié)構(gòu)連接。本發(fā)明中的液壓缸部分僅傳遞和控制豎向力，水平力部分由端板傳遞到導(dǎo)軌，最后由導(dǎo)軌傳遞到下部疊層橡膠支座部分，裝置中各部分分工更加明確，易于設(shè)計。8、該三維隔震裝置構(gòu)造較為簡單，制作加工方便，具有同時完成三維隔震效果，并且具有良好的整體穩(wěn)定性和工作安全性。附圖說明圖1(a)為發(fā)明的一種新型變剛度液壓三維隔震支座的總體結(jié)構(gòu)示意圖，上部為豎向隔震部分，下部為疊層橡膠支座。圖1(b)為該新型裝置的三維立體圖。圖2為該裝置豎向隔震器部分的平面布置圖。圖3(a)為該裝置減壓缸未進(jìn)入工作狀態(tài)時的剖面圖，圖3(b)是減壓缸運動到極限位置的剖面圖。圖4(a)為該裝置增壓缸未進(jìn)入工作狀態(tài)時的剖面圖，圖4(b)是增壓缸運動到極限位置的剖面圖。圖中：1豎向隔震器上聯(lián)結(jié)板、2豎向?qū)к墶?主缸活塞桿、4主缸限位導(dǎo)向套、5主缸底部活塞串聯(lián)壓簧、6主缸底部活塞串聯(lián)拉簧、7聯(lián)接螺栓墊層、8豎向隔震器下聯(lián)結(jié)板、9高強(qiáng)螺栓、10疊層橡膠支座上聯(lián)結(jié)板、11鋼板層、12橡膠層、13疊層橡膠支座下聯(lián)結(jié)板、14減壓缸活塞串聯(lián)壓簧、15減壓缸緩沖墊層、16減壓缸導(dǎo)向套、17減壓缸活塞桿、18減壓缸支撐環(huán)、19增壓缸活塞串聯(lián)壓簧、20增壓缸緩沖墊層、21增壓缸導(dǎo)向套、22增壓缸活塞桿、23增壓缸支撐環(huán)、24主缸頂部封板、25減壓缸頂部封板、26增壓缸頂部封板。具體實施方式下面結(jié)合附圖以主缸包含兩個底部活塞腔體同時具有兩個增壓缸和兩個減壓缸的三維隔震裝置為例：詳細(xì)說明。以主缸包含兩個底部活塞腔體同時具有兩個增壓缸和兩個減壓缸的三維隔震裝置在50m跨度的單層球面網(wǎng)殼中進(jìn)行三維隔震為例，結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實施例，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解。該50m跨度的單層球面網(wǎng)殼水平向和豎向基本周期分別為0.318s以及0.284s。使用本發(fā)明對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維隔震，豎向基本周期均隔震到原本周期的3倍；采取豎向三階段變剛度控制機(jī)制進(jìn)行設(shè)計，取第一階剛度與第三階段剛度對應(yīng)結(jié)構(gòu)豎向周期為1.5倍基本周期，第二階段剛度對應(yīng)豎向周期為3倍基本周期。通過有限元計算，對豎向而言，每個支座的三階段豎向剛度分別取為1500kn/m、345kn/m以及1500kn/m。同時根據(jù)結(jié)構(gòu)在活荷載、風(fēng)荷載、低幅值地震等作用下不產(chǎn)生較大豎向位移和振動，通過有限元計算，確定三階段變剛度控制機(jī)制的高壓控制閾值與抵押控制閾值所對應(yīng)的豎向力分別為55kn和65kn。所以減壓缸和增壓缸內(nèi)部彈簧的預(yù)壓力分別為65kn和55kn。根據(jù)工程經(jīng)驗，取最大豎向隔震位移為100mm(包含第三階段限位階段20mm)。對主缸進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)其高度要求1500kn/m，又下式反算出主缸內(nèi)部一個底部活塞腔內(nèi)彈簧的總剛度：然后根據(jù)傳統(tǒng)工業(yè)用彈簧設(shè)計方法彈簧即可。以主缸頂部活塞直徑200mm，底部活塞直徑160mm的主缸為例，則通過螺旋彈簧設(shè)計方法，得出主缸頂部活塞需配置的彈簧參數(shù)如下表。表1主缸彈簧參數(shù)表位置彈簧外徑d/mm簧絲直徑d/mm有效圈數(shù)n總?cè)?shù)nl彈簧剛度k/kn/m主缸拉簧15028612557主缸壓簧1402546634材料：油回硅錳a(60si2mn)主缸拉簧與活塞以及主缸底部直接通過拉簧兩端的非有效簧絲進(jìn)行連接。壓簧直接與活塞以及主缸端蓋接觸，在預(yù)壓力作用下協(xié)調(diào)工作。主缸各腔體直接通過m42的油口外接軟油管進(jìn)行連接。主缸壁厚取10mm，缸壁上加工有螺栓絲扣，絲扣高度長度20mm。主缸頂部封板、導(dǎo)向套、底板均加工有相應(yīng)絲扣，通過絲扣與缸壁連接。對減壓缸進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)其高度要求345kn/m，又下式反算出減壓缸內(nèi)部彈簧的總剛度：然后根據(jù)傳統(tǒng)工業(yè)用彈簧設(shè)計方法彈簧即可。以減壓缸活塞直徑250mm為例，則通過螺旋彈簧設(shè)計方法，得出主缸頂部活塞需配置的彈簧參數(shù)如下表。表2減壓缸彈簧參數(shù)表位置彈簧外徑d/mm簧絲直徑d/mm有效圈數(shù)n總?cè)?shù)nl彈簧剛度k/kn/m減壓缸壓簧240483.55.52116材料：油回硅錳a(60si2mn)減壓缸彈簧與活塞以及減壓缸頂部封板直接接觸，在預(yù)壓力作用下協(xié)調(diào)工作。減壓缸與主缸內(nèi)腔通過m60的油口外接油管進(jìn)行連接。減壓缸彈簧內(nèi)部設(shè)置有導(dǎo)向套與緩沖墊層，導(dǎo)向套的厚度為10mm，直接為彈簧內(nèi)徑減去5mm。減壓缸活塞桿長度與缸內(nèi)緩沖墊層之間的距離為減壓位移閾值，可通過所選取的最大隔震位移以及限位段位移確定?；钊麠U的長度與導(dǎo)向套的長度可以通過實際導(dǎo)向需求確定，只需滿足活塞桿與緩沖墊層之間的距離要求即可。緩沖墊層與導(dǎo)向套均事先焊接在減壓缸頂部封板上，頂部封板于缸壁之間通過高度為20mm的螺栓絲扣連接。對增壓缸進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)其高度要求345kn/m，又下式反算出減壓缸內(nèi)部彈簧的總剛度：然后根據(jù)傳統(tǒng)工業(yè)用彈簧設(shè)計方法彈簧即可。以增壓缸活塞直徑220mm為例，則通過螺旋彈簧設(shè)計方法，得出主缸頂部活塞需配置的彈簧參數(shù)如下表。表3增壓缸彈簧參數(shù)表位置彈簧外徑d/mm簧絲直徑d/mm有效圈數(shù)n總?cè)?shù)n1彈簧剛度k/kn/m增壓缸壓簧21038351348材料：油回硅錳a(60si2mn)增壓缸彈簧與活塞以及增壓缸頂部封板直接接觸，在預(yù)壓力作用下協(xié)調(diào)工作。增壓缸與主缸內(nèi)腔通過m60的油口外接油管進(jìn)行連接。增壓缸彈簧內(nèi)部設(shè)置有導(dǎo)向套與緩沖墊層，導(dǎo)向套的厚度為10mm，直接為彈簧內(nèi)徑減去5mm。增壓缸活塞與缸內(nèi)支撐環(huán)之間的距離為增壓位移閾值，可通過所選取的最大隔震位移以及限位段位移確定?；钊麠U的長度與緩沖墊層的長度和等于初始狀態(tài)時增壓缸彈簧的長度，兩者的具體值可以通過實際導(dǎo)向需求確定。緩沖墊層與導(dǎo)向套均事先焊接在增壓缸頂部封板上，頂部封板于缸壁之間通過高度為20mm的螺栓絲扣連接。通過m30摩擦型高強(qiáng)螺栓9將豎向隔震器下聯(lián)結(jié)板8、疊層橡膠支座上聯(lián)結(jié)板10可靠連接。導(dǎo)軌2頂部與豎向隔震器上聯(lián)結(jié)板1以及豎向隔震器下聯(lián)結(jié)板8通過一級對接焊縫連接。主缸活塞桿3頂部與豎向隔震器上聯(lián)結(jié)板1通過螺栓連接固定，主缸頂部活塞下部直接接觸液壓油并進(jìn)行密封，主缸底部活塞上部與壓簧5串聯(lián)，下部與拉簧6串聯(lián)；通過拉簧兩端的非有效簧絲進(jìn)行連接。為方便更換，不固定壓簧，僅讓壓簧與端板之間在彈簧內(nèi)力作用下緊密接觸。主缸頂部活塞以下腔體與底部活塞以下腔體聯(lián)通，通過m42油口以及軟管連接。主缸導(dǎo)向套4通過螺栓絲扣與主缸缸壁連接。鋼板層11與橡膠層12共同形成疊層橡膠層、兩者之間通過膠合粘接等方式連接。減壓缸活塞上部與壓簧14串聯(lián)，底部支承于支撐環(huán)18；為方便更換，僅讓彈簧與活塞和減壓缸頂部封板在彈簧內(nèi)力作用下緊密接觸，在整個工作過程中不分離?；钊虏壳惑w與主缸液壓油腔體通過m60油口軟管連接，其活塞桿置于壓簧14內(nèi)部并且與減壓缸導(dǎo)向套16協(xié)同工作，減壓缸緩沖墊層15、減壓缸導(dǎo)向套16均與減壓缸頂部封板25通過提前焊接固定；支撐環(huán)18通過螺栓與缸壁固定。增壓缸活塞上部與壓簧19串聯(lián)，增壓缸活塞桿22頂部支承于增壓缸緩沖墊層20；為方便更換，僅讓彈簧與活塞和減壓缸頂部封板在彈簧內(nèi)力作用下緊密接觸，在整個工作過程中不分離。活塞下部腔體與主缸液壓油腔體通過m60油口軟管連接，其活塞桿置于壓簧19內(nèi)部并且與增壓缸導(dǎo)向套21協(xié)同工作。增壓缸各部件之間的連接方式與減壓缸相同。減壓缸內(nèi)腔均與主缸內(nèi)腔聯(lián)通，正常使用時減壓缸活塞在壓簧14與內(nèi)部液壓油壓力的作用下被頂在支撐環(huán)18上，保持靜止，不參與工作；當(dāng)活塞桿17與緩沖墊層15相接觸時，減壓缸活塞運動到極限位置。通過控制減壓缸活塞是否運動來控制液壓缸內(nèi)部液體壓強(qiáng)的變化，從而起到變剛度作用。增壓缸內(nèi)腔均與主缸內(nèi)腔聯(lián)通，正常使用時活塞桿22在壓簧19與內(nèi)部液壓油壓力的作用下被壓在緩沖墊層20上，保持靜止，不參與工作；當(dāng)增壓缸活塞與支撐環(huán)23相接觸時，增壓缸活塞運動到極限位置。通過控制減壓缸活塞是否運動來控制液壓缸內(nèi)部液體壓強(qiáng)的變化，從而起到變剛度作用?？筛鶕?jù)設(shè)計在不同階段控制不同數(shù)量的增壓/減壓缸參與工作可實現(xiàn)豎向剛度的多級變化。如圖1(a)所示，豎向隔震器上聯(lián)結(jié)板1與結(jié)構(gòu)底部相連，主缸活塞桿2直接承受結(jié)構(gòu)豎向力，內(nèi)部液壓油通過油路與減壓缸以及增壓缸相通。如圖3(a)、4(a)所示，減壓與增壓缸在正常使用時均不參與工作。此時減壓缸活塞被彈簧的預(yù)壓力緊緊頂在支撐環(huán)18上，保持靜止。增壓缸活塞在液壓油壓力作用下也被頂在緩沖墊層20上，保持靜止。減壓與增壓缸中的彈簧預(yù)壓力控制支座的高壓和低壓控制閾值。當(dāng)液體內(nèi)部壓力即支座的支座反力高于低壓控制閾值而低于高壓控制閾值時，兩控制缸的活塞將始終保持靜止，使得控制缸不參與工作。此時支座的豎向隔震部分只有主缸參與工作，主缸底部活塞與主缸底部活塞串聯(lián)壓簧5、主缸底部活塞串聯(lián)拉簧6連接提供正常使用時結(jié)構(gòu)所需的豎向剛度以及全過程豎向所必要的承載力，支座的豎向剛度為較大的初始剛度即一級剛度，確保結(jié)構(gòu)在活荷載、風(fēng)荷載、低幅值地震等作用下不產(chǎn)生較大豎向位移和振動。此時支座的豎向剛度可通過權(quán)力要求書中對應(yīng)的公式計算。當(dāng)?shù)卣鹬薪Y(jié)構(gòu)的支座反力過大即液壓缸內(nèi)部液壓油壓力超過高壓控制閾值時，減壓控制缸的活塞將在液壓油壓力作用下，克服彈簧14的彈力開始運動，此時主工作底部活塞的等效面積發(fā)生改變，使得支座的豎向剛度大大減小。此時支座的豎向剛度為減壓二級剛度，可通過權(quán)力要求書中對應(yīng)的公式計算。該剛度由主缸底部活塞串聯(lián)的主缸底部活塞串聯(lián)壓簧5、主缸底部活塞串聯(lián)拉簧6和減壓缸活塞串聯(lián)的彈簧14共同提供；可根據(jù)設(shè)計，靈活調(diào)整控制缸活塞面積以得到不同的控制效果。該階段支座的豎向剛度的減小主要是為了延長結(jié)構(gòu)豎向周期，降低地震作用下結(jié)構(gòu)包括加速度、內(nèi)力在內(nèi)的各種響應(yīng)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計目標(biāo)。當(dāng)與減壓缸活塞桿17運動到與緩沖墊15接觸的時候，活塞將停止運動，此后減壓控制缸退出工作。此時減壓缸的剖面圖如圖3(b)所示。同樣由于主缸底部等效活塞面積發(fā)生變化，支座豎向剛度發(fā)生改變，變?yōu)闇p壓三級剛度。該剛度主要是為了避免共振、減小隔震層位移，防止支座發(fā)生破壞。減壓缸緩沖墊層15與減壓缸活塞桿17之間的距離控制減壓位移閾值。高壓控制閾值與減壓位移閾值可根據(jù)隔震需要靈活設(shè)計，實現(xiàn)豎向減壓的多級變剛度控制。當(dāng)?shù)卣鹬薪Y(jié)構(gòu)的支座反力過小即液壓缸內(nèi)部液壓油壓力低于低壓控制閾值時，增壓控制缸的活塞將在彈簧19的彈力作用下，克服液壓油壓力開始運動，此時主工作底部活塞的等效面積發(fā)生改變，使得支座的豎向剛度大大減小。此時支座的豎向剛度為增壓二級剛度可通過權(quán)力要求書中對應(yīng)的公式計算。該剛度由主缸底部活塞串聯(lián)的主缸底部活塞串聯(lián)壓簧5、主缸底部活塞串聯(lián)拉簧6和減壓缸活塞串聯(lián)的彈簧19共同提供；可根據(jù)設(shè)計，靈活調(diào)整控制缸活塞面積以得到不同的控制效果。該階段支座的豎向剛度的減小主要是為了延長結(jié)構(gòu)豎向周期，降低地震作用下結(jié)構(gòu)包括加速度、內(nèi)力在內(nèi)的各種響應(yīng)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計目標(biāo)。當(dāng)與增壓缸活塞運動到與支撐環(huán)23接觸的時候，活塞將停止運動，此后增壓控制缸退出工作。此時增壓缸的剖面圖如圖4(b)所示。同樣由于主缸底部等效活塞面積發(fā)生變化，支座豎向剛度發(fā)生改變，變?yōu)闇p壓三級剛度。該剛度主要是為了避免共振、減小隔震層位移，防止支座發(fā)生破壞。增壓缸支撐環(huán)23與減壓缸活塞之間的距離控制增壓位移閾值。低壓控制閾值與增壓位移閾值可根據(jù)隔震需要靈活設(shè)計，實現(xiàn)豎向增壓的多級變剛度控制。疊層橡膠支座由疊層橡膠支座上聯(lián)結(jié)板10、疊層橡膠支座下連接板13以及中間的鋼板層11和橡膠層12組成。由于豎向隔震部分的存在，使得整個隔震過程中水平隔震部分承受的豎向壓力變化幅值較小，使得其水平隔震性能更加穩(wěn)定。疊層橡膠支座的抗拉承載力足以滿足三維隔震裝置的整體穩(wěn)定性和工作安全性的要求。導(dǎo)軌2與上聯(lián)結(jié)板1和下聯(lián)結(jié)板8固定，且通過高強(qiáng)螺栓9將上部豎向隔震器與疊層橡膠支座可靠連接。結(jié)構(gòu)底部承受的剪力傳遞到豎向隔震器上聯(lián)結(jié)板1，然后通過導(dǎo)軌2直接傳遞到下聯(lián)結(jié)板8，然后通過高強(qiáng)螺栓9傳遞到下部的疊層橡膠支座部分。以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書原理及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的
技術(shù)領(lǐng)域：
，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁12