一種豎向初始剛度可預設的三維隔震裝置的製作方法
2023-06-12 17:40:59 2
本發明涉及一種建築防振動(或震動)裝置，具體涉及一種由夾層鋼板橡膠墊與豎向隔震支座串聯的三維隔震裝置。
背景技術：
隔震裝置是設在建築與基礎之間的防震隔離裝置。早期的隔震裝置主要是由橡膠與薄鋼板交替疊合構成的二維隔震支座(疊層橡膠隔震支座)，只能隔離地震波的水平分量。隨著人們對地震多維特性認識的提高，三維隔震裝置逐漸受到本領域研究者的重視。最常見的三維隔震裝置就是由疊層橡膠隔震支座與既有的豎向隔震支座串聯而成。
公開號為CN 102409777 A的發明專利申請公開了一種結構三維隔震和抗傾覆裝置，該裝置的主體機構由疊層橡膠隔震支座14與彈簧隔震支座15串聯構成，所述主體結構的上、下側分別設置有上連接板1和下連接板18，其特徵在於：所述上連接板1和下連接板18之間設置有繞主體結構四周錯位均布的抗拉鋼絲繩16，所述抗拉鋼絲繩16沿水平方向的極限變形量大於主體機構的水平剪切彈性變形量。該專利申請所述方案雖然可提高三維隔震裝置的抗拉強度,以抵禦地震中高層建築物的搖擺甚至傾覆所產生的巨大拉力，但仍然存在以下的不足：1、所述的彈簧隔震支座只能壓縮耗能減震，不能拉伸耗能減震；2、所述的彈簧隔震支座不能預設初始剛度，不便於預設地震烈度降低隔震成本。
公開號為CN1932324A的發明專利申請公開了一種「可調節碟形彈簧機械式減震阻尼器」，該阻尼器包括外殼、設在外殼內的載荷連接杆和兩組碟形彈簧，所述，所述載荷連接杆的中部設有與之固連的調節齒輪，所述調節齒輪兩側的載荷連接杆上分別設有與載荷連接杆螺紋配合的左旋螺母和右旋螺母，所述兩組碟形彈簧分別設在所述左旋螺母和右旋螺母的外側，並分別被夾持在所述左旋螺母或右旋螺母與外殼端部的封板之間。只需撥轉載荷連接杆上的調節齒輪，使所述左旋螺母和右旋螺母相互靠攏或遠離即可調節兩組碟形彈簧的預緊力從而調節阻尼器的阻尼係數，以滿足不同頻率和不同振幅的使用需求。然而該發明仍具有如下不足：1、所述載荷連接杆是在兩組碟形彈簧的共同作用下保持平衡的，兩組碟形彈簧的預緊力雖然能夠調節，但是無論如何調節，兩組碟形彈簧對載荷連接杆的作用力都是一組大小相等，方向相反的力，只需在載荷連接杆上施加任何外力都會破壞這種平衡，使兩組碟形彈簧發生變形，所以所述的阻尼器無法預設初始剛度；2、該發明中必須配合使用兩組碟形彈簧，才能在阻尼器受到壓或拉荷載時都提供阻尼，這不僅造成了一定的浪費，還使得阻尼器的長度大大的增加。
公開號為CN101457553A的發明專利申請公開了一種「彈簧剛度可調式調諧質量減振器」，該減振器是一種複合阻尼器，通過改變質量塊的厚度改變其特徵頻率，通過改變粘滯阻尼器的工作介質的流量改變其阻尼比，通過改變彈簧的有效工作長度改變其剛度，其中改變彈簧的有效工作長度的手段有三種，一是採用固化材料將彈簧位於固化筒內的一段固化，二是往螺旋彈簧的中心內塞入約束塊，並二者過盈配合，使與約束塊接觸的一段彈簧失效，三是在約束塊表面設置螺旋狀凸起，將螺旋狀凸起卡在彈簧絲之間，使彈簧絲之間卡有螺旋狀凸起的一段彈簧失效。由此可見，該專利申請方案中的彈簧雖然可改變剛度，但所述的彈簧不僅有效工作長度明顯縮短，而且只能壓縮耗能減振，不能拉伸耗能減振。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種豎向初始剛度可預設的三維隔震裝置，該三維隔震裝置不僅既可壓縮耗能減振，又可拉伸耗能減振，而且還保持了豎向隔震支座中碟形彈簧組的有效工作長度。
本發明解決上述技術問題的技術方案是：
一種豎向初始剛度可預設的三維隔震裝置，該三維隔震裝置包括上下依次串接的疊層橡膠隔震支座和豎向隔震支座；其中，
所述的疊層橡膠隔震支座包括上連接板、下連接板、夾持在上下連接板之間的疊層橡膠墊和至少三根均布在疊層橡膠墊四周的抗拉鋼絲繩；所述抗拉鋼絲繩的一頭固定在上連接板上，另一頭固定在下連接板上，且上下兩固定點的連線平行於所述疊層橡膠墊的中軸線；
所述的豎向隔震支座包括底座，該底座的上表面設有向上延伸的導向套；所述導向套內部同軸設有碟形彈簧組，該碟形彈簧組的上頭設有驅動壓板；所述的疊層橡膠隔震支座的下連接板下表面的中部向所述導向套內延伸一凸起，該凸起與所述的驅動壓板固定連接；所述碟形彈簧組由一組碟形彈簧疊合組成；
其特徵在於，
所述豎向隔震支座的導向套內還設有反壓裝置，該反壓裝置包括三根以上的預壓鋼絲繩、與預壓鋼絲繩數量相等的鋼絲繩變向元件和一塊浮動反壓鋼板，其中，
所述的浮動反壓鋼板設在碟形彈簧組與底座之間；
所述的鋼絲繩變向元件繞所述的導向套的軸線對稱固定所述的驅動壓板上；
所述的預壓鋼絲繩以折線狀態分布在碟形彈簧組的中心孔內，且每一根預壓鋼絲繩的一頭繞所述的導向套的軸線對稱固定在浮動反壓鋼板上，另一頭穿繞過相對的一個鋼絲繩變向元件後折回，然後所有的預壓鋼絲繩並列為繩束，從浮動反壓鋼板上導向套軸線經過的點穿過浮動反壓鋼板固定在所述底座上；所述的浮動反壓鋼板上，在所述繩束穿過的位置設有穿過所述繩束的通孔，該通孔的孔徑大於所述繩束的直徑；
將預壓鋼絲繩張緊至預設豎向初始剛度所需張力，使所述的碟形彈簧組始終夾持在驅動壓板與浮動反壓鋼板之間；
將所述抗拉鋼絲繩張緊為疊層橡膠墊提供等於設計靜載荷的預壓力。
上述三維隔震裝置豎向隔震的工作原理如下：當豎向動載荷沿導向套的軸線相對作用時，壓力經由疊層橡膠隔震支座傳遞到驅動壓板，使之下移壓縮碟形彈簧組；當動載荷沿導向套的軸線相背作用時，拉力經由抗拉鋼絲繩傳遞到驅動壓板，驅動壓板上移，而預壓鋼絲繩則通過鋼絲繩變向元件反向吊起浮動反壓鋼板壓縮碟形彈簧組。由此可見，軸向動載荷無論相對還是相背作用在三維隔震裝置上，都能壓縮碟形彈簧組，使其發生彈性變形而耗能。
由上述工作原理可見，工作過程中所述的預壓鋼絲繩與所述浮動反壓鋼板上的通孔的孔壁不能產生摩擦，否則就會干擾浮動反壓鋼板的上下移動，因此所述通孔直徑比所述預壓鋼絲繩並列組成的繩束的直徑大多少，應以不幹擾和影響浮動反壓鋼板的上下移動為宜。
上述方案中，所述的鋼絲繩變向元件為常見的定滑輪或類似變向功能的吊環形構件，如吊環螺釘、U形構件等。
本發明所述的豎向初始剛度可預設的三維隔震裝置，其中所述的預壓鋼絲繩兩頭可採用焊接固定，也可採用類似吊環螺釘系接固定，但是，如果兩頭都採用焊接或吊環螺釘系接固定死，那麼要達到預設初始剛度的目的，就必須預先計算並嚴格控制所述預壓鋼絲繩的長度才能預設張力，進而達到預設初始剛度的目的。但是，在實際生產調試過程中，要採用控制所述預壓鋼絲繩長度的方法達到預設初始剛度的目的則存在下述兩大難題，一是焊接或系接的過程會產生誤差，二是即使控制了焊接或系接的過程所產生誤差，但鋼絲繩在切斷、放置過程中還會導致其特性參數的變化。為了解決上述技術難題，本發明的一個改進方案是：
所述豎向隔震支座的預壓鋼絲繩的另一頭並列組成的繩束由鋼絲繩自鎖錨具固定在底座上；所述的鋼絲繩自鎖錨具由安裝孔、夾爪和防松螺栓構成，其中，
所述的安裝孔設在底座上；所述的安裝孔由一段錐孔和一段螺紋孔組成，其中所述錐孔位於靠導向套的一側，且尖頭指向所述導向套內，所述螺紋孔位於遠離導向套的另一側；
所述的夾爪為與所述錐孔相匹配圓錐形，並由3～5瓣組成，其體內沿軸線設有夾持預壓鋼絲繩的裝夾孔；
所述的防松螺栓與所述螺紋孔相匹配，且體內沿軸線設有直徑大於相應的預壓鋼絲繩直徑的圓孔；
所述的夾爪安裝在所述錐孔內，防松螺栓安裝在所述螺紋孔內。
由上述改進方案可見，將預壓鋼絲繩的一頭固定在浮動反壓板上，另一頭並列組成繩束由所述的鋼絲繩自鎖錨具的裝夾孔和圓孔中穿出，這樣即可把露出的繩頭系接在牽引張拉機上，在牽引張拉的同時採用張力檢測儀監視張力。當所述預壓鋼絲繩張緊至預設豎向初始剛度所需張力時，擰動防松螺栓即可推動所述夾爪將預壓鋼絲繩夾緊並鎖死，即使預壓鋼絲繩在反覆張弛的振動過程中也不會鬆動。
本發明的豎向初始剛度可預設的三維隔震裝置較現有技術具有以下效果：
(1)在豎直方向上，即可壓縮耗能減震，又可拉伸耗能減震；能有效的耗減高層建築物由於搖擺而對建築基礎產生的巨大拉力；且只需一組碟形彈簧，豎向長度小，穩定性好。
(2)當豎向動載荷大於預設的豎向初始剛度的抵禦能力後，本發明中豎向隔震支座的雙向彈性變形對稱，因此不因豎向載荷的正負方向的變化而影響其壓縮變形耗能的效果；
(3)只要改變預壓鋼絲繩的長度即可改變整個裝置的豎向初始剛度，外力在克服該初始剛度之前無法使隔震裝置產生豎向變形，有效的抑制了建築物在小地震和弱風振的作用下產生晃動，可預設建築物的抗風防震等級，顯著降低抗風防震成本；
(4)預設初始剛度過程中，所述碟形彈簧組的有效工作長度不變，不會改變碟形彈簧組原有的特性參數。
(5)可利用蝶形彈簧的特性合理選擇預設初始剛度，進而選擇隔震裝置的特徵頻域範圍，避開建築結構固有頻域範圍和豎向地震波的頻域範圍，防止共振。
(6)可有效緩衝建築的物搖晃趨勢對建築物基礎產生的拉伸和壓縮衝擊，進一步降低建築物傾覆的風險。
附圖說明
圖1～6為本發明所述三維隔震裝置的一個具體實施例的結構示意圖，其中，圖1為主視圖(圖3的D—D旋轉剖)，圖2為圖1的A—A剖視圖(省略預壓鋼絲繩)，圖3為圖1的B—B剖視圖(省略預壓鋼絲繩)，圖4為圖1的C—C剖視圖(省略抗拉鋼絲繩)，圖5為圖1局部Ⅰ的結構放大圖，圖6為圖1局部Ⅱ的結構放大圖。
圖7～12為本發明所述三維隔震裝置的第二個具體實施例的結構示意圖，其中，圖7為主視圖(剖視)，圖8為圖7的E—E剖視圖(省略預壓鋼絲繩)，圖9為圖7的F—F剖視圖(省略預壓鋼絲繩)，圖10為圖8的G—G剖視放大圖，圖11為圖7局部Ⅲ的結構放大圖，圖12為圖11的H—H剖視放大圖。
圖13～17為本發明所述三維隔震裝置的的第三個具體實施例的結構示意圖，其中，圖13為主視圖(剖視)，圖14為圖13的I—I剖視圖(省略預壓鋼絲繩)，圖15為圖13的J—J剖視圖(省略預壓鋼絲繩)，圖16為圖13局部Ⅳ的結構放大圖，圖17為圖13局部Ⅴ的結構放大圖。
具體實施方式
例1
參見圖1，本例中的三維隔震支座由上下串聯的疊層橡膠隔震支座和豎向隔震支座組成。
參見圖1和圖4，所述的疊層橡膠隔震支座包括上連接板15、下連接板8、夾持在上下連接板之間的疊層橡膠墊17和六根抗拉鋼絲繩16；其中，所述的上連接板15和下連接板8均呈圓盤狀，上連接板15的邊緣設有安裝孔6；所述疊層橡膠墊17的主體由一層橡膠17-1與一層鋼板17-2交替疊合後模壓硫化構成，且在模壓硫化的過程中其周邊自然形成橡膠保護層17-3。所述疊層橡膠墊17主體的上下兩端面均設有聯結鋼板17-4，所述兩塊聯結鋼板17-4分別與上連接板15和下連接板8焊接固定在一起。所述的六根抗拉鋼絲繩16繞疊層橡膠墊17的中軸線對稱分布在其四周，每一根抗拉鋼絲繩16的一頭由吊環螺釘10固定在上連接板15上，另一頭由吊環螺釘10固定在下連接板8上。每一根抗拉鋼絲繩16張緊，使六根抗拉鋼絲繩16的張力之和等於本例所述三維隔振裝置豎向的設計靜載荷，且張緊後，每一根抗拉鋼絲繩16均平行於疊層橡膠墊17的中軸線。
參見圖1～6，所述豎向隔震支座包括導向套1、底座3、碟形彈簧組4和反壓裝置。
參見圖1～3，所述的導向套1為圓管狀，其上端向內徑向收縮形成起限位和導向作用的環形翼緣2，下端向外徑向延伸形成一法蘭盤5。所述的底座3為圓盤狀，四周的邊緣設有安裝孔6，所述的導向套1通過下端所設的法蘭盤5固定在其上表面的中部。
參見圖1～3，所述的碟形彈簧組4設在導向套1內，該碟形彈簧組4的上端設有與所述導向套1動配合的驅動壓板7，其中所述碟形彈簧組4由16片碟形彈簧兩兩相對豎向疊合而成，所述下連接板8下表面的中部向所述導向套1內延伸一圓柱形的凸起，該凸起與所述的驅動壓板7通過螺釘固定連接在一起。
參見圖1，下連接板8與環形翼緣2之間設有大于振幅的間隙14；為了避免振動過程中所述驅動壓板7與環形翼緣2之間產生撞擊，所述驅動壓板7與環形翼緣2之間設有防撞間隙13。
參見圖1～3，所述的反壓裝置設在導向套1內，其具體方案如下：
參見圖1～6，所述的反壓裝置由三根預壓鋼絲繩9、三隻作為鋼絲繩變向元件的吊環螺釘10、一塊浮動反壓鋼板11和固定預壓鋼絲繩9的另四隻吊環螺釘10組成。其中，
所述的浮動反壓鋼板11設在碟形彈簧組4與底座3之間；
所述的三隻作為鋼絲繩變向元件的吊環螺釘10繞所述的導向套1的軸線對稱固定所述驅動壓板7上；
所述浮動反壓鋼板11上繞導向套1的軸線對稱設有三隻吊環螺釘10，所述底座3上在導向套1軸線經過的位置另設有一隻吊環螺釘10；三根預壓鋼絲繩9均以折線狀態設在碟形彈簧組4的中心孔內，且每一根預壓鋼絲繩9的一頭系接固定在浮動反壓鋼板11上所設的吊環螺釘10上，另一頭穿繞過相對的作為鋼絲繩變向元件的吊環螺釘10後折回，然後三根預壓鋼絲繩9的繩頭並列為繩束從浮動反壓鋼板11上導向套1軸線經過的點穿過浮動反壓鋼板11系接固定在底座3上所設吊環螺釘10上；所述的浮動反壓鋼板11上，在所述繩束穿過的位置設有穿過所述繩束的通孔12，該通孔12的孔徑大於所述繩束的直徑。
參見圖1～3，為了實現可預設豎向初始剛度的目的，上述三維隔震裝置安裝方法如下：(1)先根據需預設的豎向初始剛度和碟形彈簧組4的彈性係數確定碟形彈簧組4壓縮量，進而計算出每一根預壓鋼絲繩9滿足豎向初始剛度要求的長度；(2)按圖1～3將碟形彈簧組4、所述反壓裝置和驅動壓板7連接好後，先壓縮碟形彈簧組4，露出浮動反壓鋼板11上的三隻吊環螺釘10和底座3上的通孔12，再反覆調節，使每一根預壓鋼絲繩9的實際長度與計算長度相等，然後並列為繩束系接在底座3上的吊環螺釘10上，並用常見的鋼絲繩夾(圖中沒顯示)固定死，將碟形彈簧組4始終夾持在所述驅動壓板7與浮動反壓鋼板11之間；(3)將步驟(2)裝配好的部件放入導向套1內，並將導向套1與底座3固定在一起，將所述下連接板8與驅動壓板7固定在一起；(4)最後按圖1和4將疊層橡膠隔震支座安裝在所述下連接板8的上方，即得所述三維隔震裝置。
預設豎向初始剛度時，三根預壓鋼絲繩9的張力之和需大於等於所述三維隔震裝置所承受的豎向靜載荷。
在理想的條件下，地震的豎向波通過隔震裝置向建築傳遞時建築物應該不會發生位移。基於此，本例三維隔震裝置豎向隔震的工作原理如下：參見圖1，當地震的豎向波所產生的動載荷克服了所述豎向初始剛度時，如果該動載荷沿導向套1的軸線上推底座3，驅動壓板7的反作用力便向下壓縮碟形彈簧組4，底座3隨地面上移而建築物不動；如果該動載荷沿導向套1的軸線下拉底座3，預壓鋼絲繩9則通過作為鋼絲繩變向元件的吊環螺釘10反向吊起浮動反壓鋼板11，向上壓縮碟形彈簧組4，底座3隨地面下移，但建築物仍然不動。由此可見，當地震縱波使地面發生上下振動時均可壓縮碟形彈簧組產生彈性變形而耗能。同理，建築物在風振或水平地震波的作用下搖晃時，無論對其對所述三維隔震裝置產生的動載荷是拉力還是壓力均可壓縮碟形彈簧組產生彈性變形而耗能。
例2
參見圖7～12，本例在例1的基礎上主要進行了如下幾點改進：(1)將預壓鋼絲繩9由三根增至六根；(2)將作為鋼絲繩變向元件的吊環螺釘10替換為U形構件19；(3)將固定預壓鋼絲繩9另一頭的吊環螺釘10替換為鋼絲繩自鎖錨具18；(4)將底座3的中部增厚並向上隆起形成倒置的臉盆狀，以便於安裝鋼絲繩自鎖錨具18；(5)將所述的反壓裝置相應地改變為：
所述的反壓裝置由六根預壓鋼絲繩9、六隻作為鋼絲繩變向元件的U形構件19、一塊浮動反壓鋼板11、六隻固定預壓鋼絲繩9一頭的吊環螺釘10和一隻固定預壓鋼絲繩9另一頭的鋼絲繩自鎖錨具18組成；其中，
浮動反壓鋼板11設在碟形彈簧組4與底座3之間；
六隻作為鋼絲繩變向元件的U形構件19繞所述的導向套1的軸線對稱固定所述驅動壓板7上；參見圖10，所述的U形構件19由圓鋼彎曲構成，所述驅動壓板7上，在設置U形構件19的相應位置設有與U形構件19兩條側邊相匹配的圓孔，所述U形構件19插在該圓孔內，二者焊接固定在一起；
所述浮動反壓鋼板11上繞導向套1的軸線對稱設有六隻吊環螺釘10，所述底座3上在導向套1軸線經過的位置設有一隻鋼絲繩自鎖錨具18；六根預壓鋼絲繩9均以折線狀態設在碟形彈簧組4的中心孔內，且每一根預壓鋼絲繩9的一頭系接固定在浮動反壓鋼板11上所設的吊環螺釘10上，另一頭穿繞過相對的作為鋼絲繩變向元件的U形構件19後折回，然後六根預壓鋼絲繩9的繩頭並列為繩束從浮動反壓鋼板11上導向套1軸線經過的點穿過浮動反壓鋼板11由鋼絲繩自鎖錨具18固定在底座3上；所述的浮動反壓鋼板11上，在所述繩束穿過的位置設有穿過所述繩束的通孔12，該通孔12的孔徑大於所述繩束的直徑。
參見圖11和圖12，上述反壓裝置中，所述的鋼絲繩自鎖錨具18由安裝孔18-1、夾爪18-2和防松螺栓18-3構成，其中，所述的安裝孔18-1設在底座3上；所述的安裝孔由一段錐孔和一螺紋孔組成，其中所述錐孔位於導向套1內的一側，且尖頭指向所述導向套1內，所述螺紋孔位於導向套1外的一側；所述的夾爪18-2為與所述錐孔相匹配的圓錐形，並由3瓣組成，其體內沿軸線設有夾持預壓鋼絲繩9的裝夾孔；所述的防松螺栓18-3與所述螺紋孔相匹配，且體內沿軸線設有直徑大於相應預壓鋼絲繩9直徑的圓孔；所述的夾爪18-2安裝在所述錐孔內，防松螺栓18-3安裝在所述螺紋孔內。
按圖7～12將所述三維隔震裝置組裝好，使相應預壓鋼絲繩9的另一頭並列組成的繩束自夾爪18-2體內的裝夾孔和防松螺栓18-3的圓孔內穿出。然後把露出的預壓鋼絲繩9的繩頭系接在牽引張拉機上，並在牽引張拉的同時採用張力檢測儀監視預壓鋼絲繩9的張力。當所述預壓鋼絲繩9張緊至預設豎向初始剛度所需張力時，擰動防松螺栓18-3即可推動所述夾爪18-2將預壓鋼絲繩9夾緊並鎖死，從而將碟形彈簧組4始終夾持在浮動反壓鋼板11與驅動壓板7之間。
本例上述以外的其它實施方法與例1相同。
本例所述三維隔震裝置的工作原理與例1相同，公眾可參照例1自行分析。
例3
參見圖13～17，本例在例2的基礎上主要進行了如下改進：(1)將作為鋼絲繩變向元件的U形構件19替換為定滑輪；(2)將所述的反壓裝置相應地改變為：
所述反壓裝置由四根預壓鋼絲繩9、四隻作為鋼絲繩變向元件的定滑輪20、一塊浮動反壓鋼板11、四隻固定預壓鋼絲繩9一頭的吊環螺釘10和一隻固定預壓鋼絲繩9另一頭的鋼絲繩自鎖錨具18組成。其中，
浮動反壓鋼板11設在碟形彈簧組4與底座3之間；
四隻作為鋼絲繩變向元件的定滑輪20繞所述的導向套1的軸線對稱固定所述驅動壓板7上位於所述碟形彈簧組4中心孔內的下表面；其中，所述的定滑輪20鉸接在支架上，該支架焊接在驅動壓板7上；
所述浮動反壓鋼板11上繞導向套1的軸線對稱設有四隻吊環螺釘10，所述底座3上在導向套1軸線經過的位置設有一隻鋼絲繩自鎖錨具18；四根預壓鋼絲繩9均以折線狀態設在碟形彈簧組4的中心孔內，且每一根預壓鋼絲繩9的一頭系接固定在浮動反壓鋼板11上所設的吊環螺釘10上，另一頭穿繞過相對的作為鋼絲繩變向元件的定滑輪20後折回，然後四根預壓鋼絲繩9的繩頭並列為繩束從浮動反壓鋼板11上導向套1軸線經過的點穿過浮動反壓鋼板11由鋼絲繩自鎖錨具18固定在底座3上；所述的浮動反壓鋼板11上，在所述繩束穿過的位置設有穿過所述繩束的通孔12，該通孔12的孔徑大於所述繩束的直徑。
本例上述以外的其它實施方法與例2相同。
本例所述三維隔震裝置的工作原理與例1相同，公眾可參照例1自行分析。