三维隔震装置及其制作方法

1.本发明涉及建筑桥梁隔震技术领域，尤其涉及一种三维隔震装置及其制作方法。


背景技术：

2.隔震技术的基本原理是通过设置隔震装置，延长结构自振周期、增大结构阻尼，从而有效降低结构地震响应。目前工程上已应用较多的隔震装置主要包括叠层橡胶支座、滑动支座等。
3.地震动分为水平向地震动与竖向地震动。如上所述，针对水平向地震动的隔震研究已经发展得较为成熟，大量隔震支座已成功应用于工程实践；而对于竖向地震动的隔震研究则相对较少，缺乏简单有效的隔减震技术。历次地震统计研究表明，部分地震动的竖向地震动分量甚至大于其水平向地震动分量，所以同时考虑水平地震动隔震、竖向地震动隔震的三维隔震显得非常重要。
4.现有技术中，国内外三维隔震系统主要分为四种形式：(1)厚层橡胶支座隔震系统；(2)叠层橡胶支座与螺旋弹簧或蝶形弹簧串联组合系统；(3)叠层橡胶支座与空气弹簧串联组合系统；(4)叠层橡胶支座与竖向调谐质量阻尼器(tmd)组合系统。低压缩刚度的厚层橡胶支座隔震系统在结构重力荷载作用下竖向变形很大；叠层橡胶支座与螺旋弹簧或蝶形弹簧串联组合系统，其竖向高度较大，容易导致失稳；叠层橡胶支座与空气弹簧串联组合系统存在气体泄露的风险；叠层橡胶支座与竖向tmd组合系统只能在固定的地震频率段起到耗能作用，一旦超过其设计频率范围，该组合系统反而会加大结构的竖向地震动响应。
5.因此，如何提供一种三维隔震装置，在保证支座水平向隔震性能不受影响的前提下，能够可靠地控制竖向变形，提高竖向地震动隔震效果，成为本领域技术人员所要解决的重要技术问题。


技术实现要素：

6.本发明提供一种三维隔震装置及其制作方法，通过在上、下连接板上设置相互垂直的导向结构，保证螺杆对支座水平向隔震性能无影响。再通过螺杆对低压缩刚度橡胶支座施加预压力，使得新型装置竖向具备两阶段刚度。其中，第一阶段初始刚度比低压缩刚度支座显著提高数倍，确保支座在结构重力荷载作用下变形很小；在地震来临时，支座较低的第二阶段刚度使其具备较强的竖向隔震能力。因此，该新型装置实现了竖向与水平向的三维隔震，同时能很好地控制竖向变形，具有很强的应用前景。
7.本发明的第一方面提供一种三维隔震装置，包括：
8.上层连接构件和下层连接构件，二者相对应设置，并且所述上层连接构件和所述下层连接构件的对应面相互平行；
9.低压缩刚度橡胶支座，连接于所述上层连接构件和所述下层连接构件之间；
10.所述上层连接构件设置有一对相平行的第一导向结构，一对所述第一导向结构分别对应设置在所述低压缩刚度橡胶支座相对的两旁侧位置；
11.所述下层连接构件设置有一对相平行的第二导向结构，一对所述第二导向结构与一对所述第一导向结构一一对应设置，并且所述第一导向结构与所述第二导向结构的延伸方向相垂直；
12.一对刚性螺杆组件，每个所述刚性螺杆组件的两端分别与对应设置的所述第一导向结构和所述第二导向结构相配合，所述刚性螺杆组件用于拉紧所述上层连接构件和所述下层连接构件。
13.根据本发明提供的三维隔震装置，所述上层连接构件包括上连接板和上t型板，所述上t型板连接于所述上连接板的上板面；所述下层连接构件包括下连接板和下t型板，所述下t型板连接于所述下连接板的下板面；所述上连接板的下板面与所述下连接板的上板面相对应并且相平行，所述低压缩刚度橡胶支座设置于所述上连接板和所述下连接板之间，所述第一导向结构设置在所述上连接板，所述第二导向结构设置在所述下连接板。
14.根据本发明提供的三维隔震装置，所述第一导向结构包括设置在所述上连接板的第一条形孔，所述第二导向结构包括设置在所述下连接板的第二条形孔，所述第一条形孔和所述第二条形孔的延伸方向相垂直。
15.根据本发明提供的三维隔震装置，所述上t型板包括上翼板和上腹板，所述上腹板与所述上连接板的上板面固定连接，所述上翼板设置于所述上腹板的上端，且所述上翼板的横截面大于所述上腹板的横截面，所述上翼板用于与建筑体连接。
16.根据本发明提供的三维隔震装置，所述下t型板包括下翼板和下腹板，所述下腹板与所述下连接板的下板面固定连接，且所述下腹板与上腹板的延伸方向相垂直；所述下翼板设置于所述下腹板的下端，且所述下翼板的横截面大于所述下腹板的横截面，所述下翼板用于与下部墩体或地基连接。
17.根据本发明提供的三维隔震装置，所述刚性螺杆组件包括螺杆和一对螺母，所述螺杆的两端部设置有外螺纹，一对所述螺母对应装配于所述螺杆的两端部，所述螺母的外径大于所述第一条形孔和所述第二条形孔的宽度。
18.根据本发明提供的三维隔震装置，所述低压缩刚度橡胶支座包括厚层橡胶支座或者织物纤维增强橡胶支座。
19.根据本发明提供的三维隔震装置，所述上连接板和所述下连接板均设置有预留螺栓孔，所述低压缩刚度橡胶支座的上下两端分别通过内六角螺栓与所述上连接板和所述下连接板相连接；所述上t型板和所述下t型板相对应地焊接在所述上连接板和所述下连接板上。
20.本发明的第二方面提供一种三维隔震装置，基于如上任意一项所述的三维隔震装置，包括步骤：
21.制作所需尺寸的低压缩刚度橡胶支座，并根据所述低压缩刚度橡胶支座尺寸制作合适的上连接板、下连接板与上t型板、下t型板；
22.将所述上t型板、下t型板分别和所述上连接板、下连接板焊接，将所述上连接板、下连接板与所述低压缩刚度橡胶支座通过螺栓连接；
23.将螺杆贯穿所述上连接板、下连接板上的所述第一条形孔和所述第二条形孔；
24.将所述三维隔震装置放置在压力机上，施加预压力fp后，将所述螺杆上的螺母拧紧，此时螺杆处于拉紧状态，再卸载所施加的压力，所述三维隔震装置成型。
25.本发明的第一方面提供一种三维隔震装置，包括上层连接构件、下层连接构件、低压缩刚度橡胶支座、以及刚性螺杆组件，其中上层连接构件和下层连接构件二者相对应设置，并且上层连接构件和下层连接构件的对应面相互平行。低压缩刚度橡胶支座连接于上层连接构件和下层连接构件的对应面之间。上层连接构件设置有一对相平行的第一导向结构，一对第一导向结构分别对应设置在低压缩刚度橡胶支座相对的两旁侧位置；下层连接构件设置有一对相平行的第二导向结构，一对第二导向结构与一对第一导向结构一一对应设置，并且第一导向结构与第二导向结构的延伸方向相垂直；一对刚性螺杆组件，每个刚性螺杆组件的两端分别与对应设置的第一导向结构和第二导向结构相配合，螺杆组件用于拉紧上层连接构件和下层连接构件。
26.本发明提供的三维隔震装置，其制作过程的原理如下所述：
27.向所述上层连接构件施加预压力f
p
，使所述低压缩刚度橡胶支座被压缩，并产生竖向变形量x
p
，此时三维隔震装置的抗压刚度即为低压缩刚度橡胶支座的抗压刚度k2；
28.拧紧刚性螺杆上的螺母，此时螺杆处于拉紧状态；
29.卸载所述预压力f
p
，所述低压缩刚度橡胶支座被压缩的竖向变形量恢复为x
r
，对应的卸载刚度为k1。
30.由于卸载时，低压缩刚度橡胶支座回弹的同时刚性螺杆组件受拉，因此卸载刚度k1数倍于低压缩刚度橡胶支座的刚度k2。
31.三维隔震装置制作成型，将其应用于工程中时，上层连接构件用于和建筑体连接，下层连接构件用于和下部墩体或地基连接。当竖向压力小于f
p
时，显然三维隔震装置的第一阶段压缩刚度为k1；超过f
p
后，此时刚性螺杆组件的拉应力消失，三维隔震装置继续受压时仅低压缩刚度橡胶支座抗压，此时该三维隔震装置的竖向刚度即为低压缩刚度橡胶支座的压缩刚度k2。需要说明的是，支座预压力f
p
应小于该装置所承载的结构重力f
d
，由此可确保在结构自重作用下，装置受压平衡点附近刚度为k2。当发生地震时，装置较低的第二阶段刚度使其具备较强的竖向隔震能力，同时第一阶段压缩刚度k1使得装置在结构重力荷载作用下竖向变形量x
d1
远小于仅采用低压缩刚度橡胶支座的竖向变形x
d
。
32.因此，本发明提供的三维隔震装置，能够可靠地控制竖向变形，提高竖向地震隔震效果，同时结合装置的水平隔震性能，很好的实现了竖向与水平向的三维隔震，具有很强的应用前景。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1是本发明实施例中的三维隔震装置的俯视图；
35.图2是图1中a
‑
a截面图；
36.图3是本发明实施例中的三维隔震装置的立体图；
37.图4是本发明实施例中的三维隔震装置在发生水平向运动时的状态图；
38.图5是本发明实施例中三维隔震装置在制作过程中竖向力与竖向位移的关系曲线
图；
39.图6是本发明实施例中三维隔震装置在工程应用中竖向力与竖向位移的关系曲线图；
40.附图标记：
41.1：上连接板；
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2：上t型板；
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3：第一导向结构；
42.4：刚性螺杆组件；
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5：下连接板；
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6：下t型板；
43.7：低压缩刚度橡胶支座； 8：内六角螺栓；
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9：第二导向结构。
具体实施方式
44.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
45.下面结合图1
‑
图6以及各个实施例对本发明提供的三维隔震装置进行详细说明。
46.本发明的一种实施例中，三维隔震装置包括上层连接构件、下层连接构件、低压缩刚度橡胶支座7、以及刚性螺杆组件4。
47.其中上层连接构件和下层连接构件二者相对应设置，即上层连接构件位于下层连接构件的上方位置，并且二者相对应。其中，上层连接构件用于和建筑体连接，下层连接构件用于连接在下部墩体或地基上。具体地，上层连接构件和下层连接构件可设置有连接孔，以便上层连接构件和下层连接构件分别与建筑体和下部墩体或地基连接。
48.低压缩刚度橡胶支座7连接于上层连接构件和下层连接构件的对应面之间，即低压缩刚度橡胶支座7被夹设在上层连接构件和下层连接构件的对应面之间，并且低压缩刚度橡胶支座7分别与上层连接构件和下层连接构件相连接。
49.此外，上层连接构件设置有一对相平行的第一导向结构3，一对第一导向结构3分别对应设置在低压缩刚度橡胶支座7相对的两旁侧位置，比如，两个第一导向结构3可分别设置在低压缩刚度橡胶支座7的左右两侧位置。下层连接构件设置有一对相平行的第二导向结构9，一对第二导向结构9与一对第一导向结构3一一对应设置，即每个第二导向结构9与一个第一导向结构3上下对应。并且第一导向结构3与第二导向结构9的延伸方向相垂直。
50.刚性螺杆组件4也为一对，每个刚性螺杆组件4的两端分别与对应设置的第一导向结构3和第二导向结构9相配合，刚性螺杆组件4用于拉紧上层连接构件和下层连接构件。刚性螺杆组件4的两端分别与第一导向结构3和第二导向结构9相连接，当刚性螺杆组件4将上层连接构件和下层连接构件拉紧时，在水平方向的外力的作用下，刚性螺杆组件4能产生沿导向结构的位移。
51.本实施例中的三维隔震装置，通过在上层连接构件和下层连接构件设置相互垂直的第一导向结构3和第二导向结构9，保证了刚性螺杆组件4不会对低压缩刚度橡胶支座7的水平向隔震性能造成影响。如图4所示，当产生水平向地震动，刚性螺杆组件4通过在第一导向结构3或第二导向结构9内的水平位移，以及低压缩刚度橡胶支座7在水平向上的变形，能够有效起到水平向隔震的效果。
52.本实施例中的三维隔震装置，包括如下步骤：
53.制作所需尺寸的低压缩刚度橡胶支座7，并根据支座尺寸制作合适的上连接板1、下连接板5、上t型板2与下t型板6；
54.将上连接板1、下连接板5分别和上t型板2与下t型板6焊接，将上连接板1、下连接板5与低压缩刚度橡胶支座7通过螺栓连接；
55.将刚性螺杆组件4贯穿上连接板1与下连接板5上的条形孔；
56.将装置整体放置在压力机上，施加预压力f
p
后，将螺杆上的螺母拧紧，此时螺杆处于拉紧状态，再卸载所施加的压力，装置成型。
57.三维隔震装置制作过程的原理如下所述：
58.向所述上层连接构件施加预压力f
p
，使所述低压缩刚度橡胶支座7被压缩，并产生竖向变形量x
p
，此时三维隔震装置的抗压刚度即为低压缩刚度橡胶支座7的抗压刚度k2，如图5所示；
59.拧紧刚性螺杆组件4上的螺母，此时螺杆处于拉紧状态；
60.卸载预压力f
p
，低压缩刚度橡胶支座7被压缩的竖向变形量恢复为x
r
，对应的卸载刚度为k1。
61.由于卸载时，低压缩刚度橡胶支座7回弹的同时刚性螺杆组件4受拉，因此卸载刚度k1数倍于低压缩刚度橡胶支座7的刚度k2。
62.三维隔震装置制作成型，将其应用于工程中时，上层连接构件用于和建筑体连接，下层连接构件用于和和下部墩体或地基连接。请参考图6，当竖向压力小于f
p
时，显然三维隔震装置的第一阶段压缩刚度为k1；超过f
p
后，此时刚性螺杆组件4的拉应力消失，三维隔震装置继续受压时仅低压缩刚度橡胶支座7抗压，此时该三维隔震装置的竖向刚度即为低压缩刚度橡胶支座7的压缩刚度k2。需要说明的是，支座预压力f
p
应小于该装置所承载的结构重力f
d
，由此可确保在结构自重作用下，装置受压平衡点附近刚度为k2。当发生地震时，装置较低的第二阶段刚度使其具备较强的竖向隔震能力，同时第一阶段压缩刚度k1使得装置在结构重力荷载作用下竖向变形量x
d1
远小于仅采用低压缩刚度橡胶支座7的竖向变形x
d
。
63.需要强调的是，上连接板1与下连接板5上所设置的相互垂直的第一导向结构3与第二导向结构9，使得刚性螺杆组件4可以通过孔道对拉的同时，也可以适应低压缩刚度橡胶支座7在水平两个方向的剪切变形，从而不影响装置的水平隔震性能。
64.因此，本实施例提供的三维隔震装置，能够可靠地控制竖向变形，提高竖向地震隔震效果，同时结合装置未受影响的水平隔震性能，很好的实现了竖向与水平向的三维隔震，具有很强的应用前景。
65.在进一步的实施例中，上层连接构件包括上连接板1和上t型板2，上t型板2连接于上连接板1的上板面；下层连接构件包括下连接板5和下t型板6，下t型板6连接于下连接板5的下板面；上连接板1的下板面与下连接板5的上板面相对应、并且相平行，低压缩刚度橡胶支座7设置于上连接板1和下连接板5之间，第一导向结构3设置在上连接板1，第二导向结构9设置在下连接板5。
66.上连接板1和下连接板5可具体为钢板结构，具体可以为长方形板状结构，当然在其它实施例中也可为其它形状，比如，圆形、多边形等。上t型板2和下t型板6也可为钢质材料。上t型板2和下t型板6的面积可小于上连接板1和下连接板5，以便在上连接板1和下连接板5上布置第一导向结构3和第二导向结构9。
67.具体地，上述第一导向结构3包括设置在上连接板1的第一条形孔，第二导向结构9包括设置在下连接板5的第二条形孔，第一条形孔和第二条形孔的延伸方向相垂直。
68.第一条形孔将上连接板1贯通，第二条形孔将下连接板5贯通，并且第一条形孔和第二条形孔的长度方向相垂直。刚性螺杆组件4的两端可分别与第一条形孔和第二条形孔相连接。
69.在进一步的实施例中，上述刚性螺杆组件4包括螺杆和一对螺母，螺杆的两端部设置有外螺纹，一对螺母对应装配于螺杆的两端部，螺母的外径大于第一条形孔和第二条形孔的宽度。
70.螺杆的两端分别插入第一条形孔和第二条形孔中，通过旋紧螺母可使上连接板1和下连接板5夹紧。
71.上层连接构件包括上连接板1和上t型板2，下层连接构件包括下连接板5和下t型板6。其中，上t型板2包括上翼板和上腹板，上腹板与上连接板1的上板面固定连接，上翼板设置于上腹板的上端，且上翼板的横截面大于上腹板的横截面，上翼板用于与建筑体连接。
72.如此设置，上t型板2为t型结构，在上翼板的四周设置连接孔，可方便地与建筑体实现连接。
73.同样，上述下t型板6包括下翼板和下腹板，下腹板与下连接板5的下板面固定连接，且所述下腹板与上腹板的延伸方向相垂直；下翼板设置于下腹板的下端，且下翼板的横截面大于下腹板的横截面，下翼板用于与地基连接。
74.如此设置，下t型板6也设置为t型结构，在下翼板的四周分布有连接孔，方便与地基的连接。
75.在一些实施例中，上述低压缩刚度橡胶支座7可以为厚层橡胶支座，或者，也可为其它低压缩刚度的支座，比如，还可以为织物纤维增强橡胶支座。
76.为了方便上连接板1和下连接板5与低压缩刚度橡胶支座7的连接，在上连接板1和下连接板5均设置有预留螺栓孔，低压缩刚度橡胶支座7的上下两端分别通过装配于预留螺栓孔内的内六角螺栓8与上连接板1和下连接板5相连接；上t型板2和下t型板6相对应地焊接在上连接板1和下连接板5上。
77.组装时，可首先通过装配在预留螺栓孔内的内六角螺栓8将低压缩刚度橡胶支座7连接在上连接板1和下连接板5之间，然后将上t型板2和下t型板6焊接在上连接板1和下连接板5上，如此，可实现整个装置的可靠连接。
78.为了不影响三维隔震装置的水平向隔震性能，此装置通过在上连接板1与下连接板5上设置相互垂直的第一导向结构3与第二导向结构9，使得刚性螺杆组件4可以适应低压缩刚度橡胶支座7在水平两个方向的剪切变形。具体的过程如下：低压缩刚度橡胶支座7沿着一个方向(比如x方向，如图4所示)剪切变形时，刚性螺杆组件4则沿着下连接板5上的第二导向结构9移动；而当低压缩刚度橡胶支座7再沿着另外一个方向剪切变形时，刚性螺杆组件4则沿着上连接板1上的第一导向结构3移动。也即低压缩刚度橡胶支座7在水平向发生任何方向的剪切变形，刚性螺杆组件4都可通过在第一导向结构3、第二导向结构9对应的移动适应其变形，刚性螺杆组件4始终保持竖直状态，从而对低压缩刚度橡胶支座7的水平隔震性能不产生影响。
79.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管
参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。