一种竖向隔震装置

1.一种竖向隔震装置，其特征在于，包括上部连接板（1）、下部连接板（2）、上部固定支座（3）、下部固定支座（4）、上部滑动支座（5）、下部滑动支座（6）、第一刚性杆（7）、第二刚性杆（8）、弹簧（9）、摩擦板（10）；所述上部固定支座（3）固定在上部连接板（1）上，所述上部滑动支座（5）与摩擦板（10）连接，共同内嵌于上部连接板（1）的滑槽内，上部滑动支座（5）能够在滑槽内水平滑动，所述下部固定支座（4）固定在下部连接板（2）上，所述下部滑动支座（6）与摩擦板（10）连接，共同内嵌于下部连接板（2）的滑槽内，下部滑动支座（6）能够在滑槽内水平滑动，所述第一刚性杆（7）两端分别铰接在上部固定支座（3）与下部滑动支座（6）内，所述第二刚性杆（8）两端分别铰接在下部固定支座（4）与上部滑动支座（5）内，所述第一刚性杆（7）与第二刚性杆（8）中间连接部分为铰接；所述弹簧（9）一端固定且另一端与下部滑动支座（6）连接。
2.根据权利要求1所述的竖向隔震装置，其特征在于，所述弹簧（9）为变刚度弹簧；所述摩擦板（10）的接触面采用摩擦材料。

一种竖向隔震装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及环境振动和抗震、减震技术领域，具体涉及一种竖向隔震装置，用于在普通建筑物、特殊结构、桥梁、以及机械设备减震/振。\n背景技术\n[0002] 强烈地震是威胁人类的严重自然灾害之一。隔震结构体系通过延长上部结构的自振周期增大结构阻尼，降低了结构的地震反应，确保上部结构在大地震时仍可处于弹性状态，或保持在弹塑性变形的初期状态。隔震技术不但保证了结构本身的安全，也保护了结构内部设备、设施。然而水平隔震设计时，各国学者一般都重视水平地震作用，忽视竖向地震作用，目前普遍使用的隔震元件只能隔离水平地震，对于竖向地震没有隔离效果。并且会放大竖向地震响应。因此在竖向地震作用较大的高烈度地区，采用隔震技术后虽然水平地震作用可以大大降低，但竖向地震作用有可能成为结构反应的主要控制因素而导致安全度降低。\n[0003] 地震震害宏观现象表明，竖向地震作用的影响也很明显，其量值也很可观。结构竖向地震作用主要由地震纵波引起，纵波的传播速度一般较横波快，所以地震发生的中心区人们的感觉是，先上下颠簸，后左右晃动。在地震中心区，建筑物首先遭受竖向震害，再承受水平地震作用，且地震时竖向分量一般都先于水平向达到其最大值。在高烈度地震区(尤其是震中区)，地震震害现象表明，地震动竖向加速度分量对建筑物的破坏状态和破坏程度的影响是明显的。地震监测表明，存在竖向地震峰值加速度达到甚至超过水平峰值加速度的地震记录。从强震观测资料看，强地震动的竖向分量比水平分量具有更多的高频成分。近些年来，已获得了竖向峰值加速度达到甚至超过水平峰值加速度的地震记录。因此竖向地震对结构物的影响是不能忽视的，它的作用有时超过水平地震，又由于结构竖向刚度大，其竖向固有周期与竖向地震波卓越周期相近，因而结构的竖向震动特性备受关注。\n[0004] 与水平隔震的减震机理相似，为了达到明显的竖向减震效果，竖向隔震支座既要具有较低的竖向刚度，又要具有较高的竖向承载力和竖向阻尼，还应能发生较大的竖向变形。对于同时隔离地震和振动的三维隔震装置，由于水平和竖向振动作用的耦联，使得该隔震装置已成为国际难题。目前，对于通过发明一个未定的三维隔震支座来减轻水平和竖向地震作用已经有过很多的尝试。很多三维隔震装置都具有良好的竖向隔震性能或阻尼性能，但这些设备的缺点也不能忽略不计，因为它们非常昂贵，而且相对来说形状比较大，从而限制了其大规模生产的可能性。\n发明内容\n[0005] 现有的普通隔震支座对于竖向地震反应基本无减少，竖向隔震的难点在于装置较小的竖向刚度与较大的支撑力之间的矛盾。为了解决现有技术问题，提供一种竖向隔震装置，只要合理选择水平支撑弹簧的刚度，该装置即可在一定范围内克服较小的竖向刚度与较大的支撑力之间的矛盾，将竖向质量和重力解耦。正常状态下，支座竖向支持力与重力平衡，体系处于静力平衡状态，竖向地震作用下，支座在平衡位置发生附加变形，产生回复力，用于平衡上部结构的竖向惯性力，在一定的竖向变形范围内，体系始终处于动力平衡状态，从而实现竖向隔震。该支座与普通隔震支座组合后，能同时隔震三向地震动和环境振动，采用该支座的被保护结构或设备，在地震/振动作用下的震/振动响应及震/振动传递得到了有效控制，保护地震/振动作用下的安全。\n[0006] 为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案：\n[0007] 一种竖向隔震装置，包括上部连接板、下部连接板、上部固定支座、下部固定支座、上部滑动支座、下部滑动支座、第一刚性杆、第二刚性杆、弹簧、摩擦板；所述上部固定支座固定在上部连接板上，所述上部滑动支座与摩擦板连接，共同内嵌于上部连接板的滑槽内，上部滑动支座能够在滑槽内水平滑动，所述下部固定支座固定在下部连接板上，所述下部滑动支座与摩擦板连接，共同内嵌于下部连接板的滑槽内，下部滑动支座能够在滑槽内水平滑动，所述第一刚性杆两端分别铰接在上部固定支座与下部滑动支座内，所述第二刚性杆两端分别铰接在下部固定支座与上部滑动支座内，所述第一刚性杆与第二刚性杆中间连接部分为铰接；所述弹簧一端固定且另一端与下部滑动支座连接。\n[0008] 所述弹簧为变刚度弹簧，或为任何一种变刚度并能够提供回复力的装置；所述摩擦板的接触面采用摩擦材料，不同材料的摩擦系数在一定范围内可变。\n[0009] 本发明的原理如下：\n[0010] 刚性杆与水平线所夹锐角为θ，假设上部结构作用在装置上的力为Q，弹簧提供的反力为F，刚性杆长为l。在竖向地震作用下装置产生的竖向位移为△，由几何关系和静力平衡条件可以推出以下公式：\n[0011]\n[0012]\n[0013]\n[0014] 由上述函数关系可知，当装置的竖向位移在0.2m 0.5m的范围内，刚性杆水平夹角~\n30°53°的范围内，能达到竖向隔震的理想效果。\n~\n[0015] 与现有技术相比较，本发明具有如下实质性特点和进步：\n[0016] 本竖向隔震装置在发生一定范围的竖向位移内，装置可保持较小的刚度，具有良好的竖向变形能力，并且可以提供稳定的竖向支持力，构造简单，造价低廉。本竖向隔震装置可用于竖向地震作用较大地区的桥梁工程及建筑结构的振动控制。\n附图说明\n[0017] 图1为竖向隔震装置初始状态剖面示意图。\n[0018] 图2为竖向隔震装置临界滑动状态剖面示意图。\n[0019] 图3为竖向隔震装置竖向支持力与竖向位移△之间的关系。\n具体实施方式\n[0020] 本发明的优选实施例结合附图说明如下：\n[0021] 如图1所示，一种竖向隔震装置，包括上部连接板1、下部连接板2、上部固定支座3、下部固定支座4、上部滑动支座5、下部滑动支座6、第一刚性杆7、第二刚性杆8、弹簧9、摩擦板10；所述上部固定支座3固定在上部连接板1上，所述上部滑动支座5与摩擦板10连接，共同内嵌于上部连接板1的滑槽内，上部滑动支座5能够在滑槽内水平滑动，所述下部固定支座4固定在下部连接板2上，所述下部滑动支座6与摩擦板10连接，共同内嵌于下部连接板2的滑槽内，下部滑动支座6能够在滑槽内水平滑动，所述第一刚性杆7两端分别铰接在上部固定支座3与下部滑动支座6内，所述第二刚性杆8两端分别铰接在下部固定支座4与上部滑动支座5内，所述第一刚性杆7与第二刚性杆8中间连接部分为铰接；所述弹簧9一端固定且另一端与下部滑动支座6连接。\n[0022] 所述弹簧9为变刚度弹簧，或为任何一种变刚度并能够提供回复力的装置；所述摩擦板10的接触面采用摩擦材料。本竖向隔震装置可在结构底部放置一排或几排，以满足不同的工程需求。\n[0023] 本发明的使用过程如下：\n[0024] 在正常状态下，上部结构传来的荷载作用在上部连接板1上，上部连接板1受到的竖向作用力与弹簧9提供的回复力平衡，装置处于静力平衡状态。\n[0025] 如图2所示，第二刚性杆8与水平地面的夹角为θ，当结构遭遇地震动作用时，在竖向地震作用下，上部连接板1产生竖向位移，第二刚性杆8与水平地面的夹角θ减小，上部滑动支座5与下部滑动支座6均向右滑移，下部滑动支座6滑移后弹簧9压缩发生附加变形，产生回复力，用于平衡上部结构的竖向惯性力，同时起到耗能效果。整个装置在一定的竖向变形范围内，体系始终处于动力平衡状态，从而实现竖向隔震。装置具有良好的竖向变形能力，并且可以保持稳定的较小的刚度，实现对外界竖向激励的延迟响应和缓冲传递。\n[0026] 竖向隔震装置的竖向支持力F与竖向位移△之间的关系如图3所示，可以看出当竖向位移大于20cm，水平夹角θ大于35°时，装置在提供一个较稳定的支持力同时具有良好的竖向变形能力，从而实现竖向隔震。