一种三维隔震减振装置及其隔震减振方法与流程

本发明涉及土木工程中的建筑结构领域，具体涉及一种三维隔震减振装置及其隔震减振方法。

背景技术：

目前，在建筑结构隔震领域，研究及成果较多的是水平向隔离地震作用的隔震支座，包括橡胶支座、摩擦摆支座等。对于轨道交通引起的以竖向为主的结构振动，有一些学者提出了隔振措施及方法，但真正在实际工程中应用的实例还未出现。

现有的三维复合隔震装置多基于隔离三向地震动，例如摩擦—弹簧三维复合隔震支座，铅芯橡胶支座—螺旋弹簧系统，铅芯橡胶支座—液压油缸串联系统，厚橡胶层三维隔震抗倾覆支座等。其中，竖向隔震元件多采用橡胶元件或弹簧元件。

然而，随着地铁运输系统的迅猛发展，轨道交通在负担城市运输任务的同时，也对沿线周围建筑物、居民产生影响。对于既能隔离水平向地震作用，又能够减小竖向轨道交通振动的装置或技术还有待开发、研究。

技术实现要素：

针对以上现有技术中隔震装置无法隔离竖向轨道交通振动的问题，本发明采用橡胶支座与碟形弹簧组串联的方式，提供了一种三维隔震减振装置，从而解决现有的隔震装置无法隔离竖向轨道交通振动的问题。

本发明的一个目的在于提供一种三维隔震减振装置。

本发明的三维隔震减振装置包括：竖向隔振装置、中间连接板和橡胶支座；其中，中间连接板设置在橡胶支座上，竖向隔振装置安装在中间连接板上；竖向隔振装置包括上支座板、约束钢管、碟形弹簧组、抗倾覆导向套筒、限位块、限位孔、中心导向组件、衬板和预留孔；抗倾覆导向套筒固定在中间连接板上，衬板位于抗倾覆导向套筒内固定在中间连接板上，中心导向组件的底端固定在衬板的中心上，抗倾覆导向套筒、衬板和中心导向组件共轴；碟形弹簧组通过中心空腔套在中心导向组件上，并且位置限定；约束钢管固定在上支座板的下表面，二者连接为一个整体，放置在碟形弹簧组上，碟形弹簧组支撑起作为整体的上支座板和约束钢管，约束钢管的管壁位于抗倾覆导向套筒与衬板之间，约束钢管的内壁与碟形弹簧组的外径之间有空隙，并且中心导向组件的外壁与碟形弹簧组的内径之间有空隙，保证蝶形弹簧组在竖向载荷作用下能够自由变形；约束钢管的内壁不小于衬板的直径，外径不大于抗倾覆导向套筒的内径；碟形弹簧组的高度大于中心导向组件的高度，从而上支座板的下表面与中心导向组件的顶端之间有距离，此距离为极限滑动距离，提供竖向变形的空间；约束钢管的底端与中间连接板的上表面之间有距离，从而在约束钢管的底端与中间连接板之间形成一圈预留孔，预留孔的高度等于极限滑动距离；抗倾覆导向套筒中开设有限位孔，在约束钢管的外壁上与限位孔相对应的位置设置有限位块，限位块伸入至抗倾覆导向套筒中相应的限位孔；限位孔的高度等于极限滑动距离；上部建筑结构连接在上支座板上，三维隔震减振装置与上部建筑结构一起构成隔震体系；橡胶支座的水平刚度小，在地震作用下，隔震体系的周期被延长，避开地震动的卓越频率，从而减小地震作用向上部建筑结构的传递，从而隔离水平向震动；竖向隔振装置采用碟形弹簧组，竖向刚度小，在地铁运行引起的地面竖向振动波作用下，降低隔震体系的竖向基频，避开地铁振动波的卓越频率，从而减小竖向振动向建筑结构的传递；同时通过碟形弹簧组的变形和恢复过程，实现弹性支承，从而将地铁振动波产生的动能转换为势能，减小结构受到的竖向振动；在变形过程中，摩擦阻力又消耗一部分振动能量，从而隔离竖向轨道交通的竖向振动。

碟形弹簧组采用多个蝶形弹簧组合在一起，蝶形弹簧采用金属弹簧材料，如钢带、钢板或锻造坯料，加工成截锥形，中间形成中心空腔，中心空腔的直径即为碟形弹簧组的内径；其材料可采用60Si2MnA或50CrVA弹簧钢，具有承受的垂直静荷载大、不易老化、维护工作量少、对环境的适应性好等特点。按组合方式划分，碟形弹簧组分为叠合组合、对合组合和复合组合三种组合方式；叠合组合承受力大变形小；对合组合承受力小变形大；复合组合承受力大变形大。

衬板的厚度大于极限滑动距离，即约束钢管的底端与中间连接板的上表面之间的距离；衬板的外侧面涂覆有润滑油，从而竖向振动发生时约束钢管的内壁沿着衬板的外侧面竖直滑动。

抗倾覆导向套筒限定约束钢管沿竖直方向运动，而不会发生倾覆。进一步，在抗倾覆导向套上设置有多个呈中心对称的限位孔，设置在约束钢管外壁上的限位块伸入至限位孔中，从而在竖向振动发生时防止上支座板在拉力作用下滑脱，限制其竖向位移，保证装置的稳定性。抗倾覆导向套筒的内表面涂覆有润滑油，从而减小摩擦，当竖向振动发生时使约束钢管在竖直方向上能够自由滑动。

中心导向组件包括导向杆和上封帽；其中，导向杆的底端固定在衬板上，导向杆的顶端设置上封帽，导向杆的直径小于碟形弹簧组的内径，上封帽的直径大于碟形弹簧组的内径，从而导向杆引导碟形弹簧组在一定高度范围内发生竖向变形，并且上封帽防止碟形弹簧组在竖向变形过程中滑脱。

上支座板上设置有多个螺栓孔，通过螺栓与上部建筑结构连接。

中间连接板包括上层钢板和下层钢板，两层钢板之间通过螺栓连接；上层钢板承接上部的竖向隔振装置，下层钢板连接下部的橡胶支座。

橡胶支座包括橡胶片、薄钢板片、铅芯和下支座板；其中，多片橡胶片和多片薄钢板片相互叠合放置，中心开一圆孔，铅芯从圆孔穿过组合在一起，固定在下支座板上。下支座板设置有多个螺栓孔，通过螺栓固定在预埋板上，与下部结构连接。

本发明的另一个目的在于提供一种三维隔震减振方法。

本发明的三维隔震减振方法，包括以下步骤：

1)根据实际场地条件及结构形式确定橡胶支座的水平刚度和碟形弹簧组的竖向刚度，通过计算、分析确定橡胶支座以及碟形弹簧组的尺寸和组合方式，并验算装置的水平变形和竖向位移是否满足规范和相关标准的要求；

2)按照规范进行加工、制作、装配、运输和现场安装，在工程场地，三维隔震减振装置通过预埋板与下部结构连接，上支座板与上部建筑结构连接，三维隔震减振装置与上部建筑结构一起构成隔震体系；

3)在地震作用下，橡胶支座能够发生水平变形，上部的建筑结构仅发生整体平动，一方面，隔震体系的周期被延长，避开地震动的卓越频率，从而减小地震作用向上部建筑结构的传递；另一方面，通过橡胶支座的往复运动，耗散地震能量，保护结构的安全，从而隔离水平向震动；

4)当地铁运行时，会产生振动波向周围的土层传播，传递到建筑结构底部后，通过碟形弹簧组实现弹性支承，降低隔震体系的竖向基频，避开地铁振动波的卓越频率，从而减小竖向振动向上部建筑结构的传递；同时，在碟形弹簧变形过程中，地铁振动波产生的动能转换为势能，摩擦阻力又消耗一部分振动能量，从而隔离竖向轨道交通的竖向振动。

本发明的优点：

本发明的三维隔震减振装置通过下部的橡胶支座来隔离水平向地震动，通过上部的竖向隔振装置隔离竖向轨道交通的竖向振动；橡胶支座水平刚度小，在地震作用下，隔震体系的周期被延长，避开地震动的卓越频率，从而减小地震作用向上部建筑结构的传递，从而隔离水平向震动；竖向隔振装置采用碟形弹簧组，竖向刚度小，在地铁运行引起的地面竖向振动波作用下，降低隔震体系的竖向基频，避开地铁振动波的卓越频率，从而阻止竖向振动向上部建筑结构的传递；同时通过碟形弹簧组的变形和恢复过程，实现了弹性支承，从而将地铁振动波产生的动能转换为势能，减小结构受到的竖向振动；在变形过程中，摩擦阻力又消耗一部分振动能量，使得结构的受力更加合理，保护结构的安全，从而隔离竖向轨道交通的竖向振动；本发明具有结构简单、隔震减振性能稳定、可靠、耐久等特点。

附图说明

图1为本发明的三维隔震减振装置的一个实施例的封装图；

图2为本发明的三维隔震减振装置的一个实施例的剖面图；

图3为本发明的三维隔震减振装置的一个实施例沿限位孔切开后的俯视剖面图；

图4为本发明的三维隔震减振装置的碟形弹簧组的组合方式图，(a)为叠合组合，(b)为对合组合，(c)为复合组合。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的三维隔震减振装置包括：竖向隔振装置、中间连接板10和橡胶支座，中间连接板设置在橡胶支座上，竖向隔振装置安装在中间连接板10上。

如图2所示，竖向隔振装置包括上支座板1、约束钢管2、碟形弹簧组3、抗倾覆导向套筒4、限位块5、限位孔6、中心导向组件7、衬板8和预留孔9；抗倾覆导向套筒4固定在中间连接板10上，衬板8位于抗倾覆导向套筒4内固定在中间连接板10上，中心导向组件7的底端固定在衬板8的中心上，抗倾覆导向套筒4、衬板8和中心导向组件7共轴；碟形弹簧组3通过中心空腔套在中心导向组件7上，并且位置限定；约束钢管2固定在上支座板1的下表面，二者连接为一个整体，放置在碟形弹簧组3上，碟形弹簧组3支撑起作为整体的上支座板1和约束钢管2，约束钢管2的管壁位于抗倾覆导向套筒4与衬板8之间，约束钢管2的内壁与碟形弹簧组3的外径之间有空隙，并且中心导向组件7的外壁与碟形弹簧组3的内径之间有空隙，保证蝶形弹簧组在竖向载荷作用下能够自由变形；约束钢管2的内壁不小于衬板8的直径，外径不大于抗倾覆导向套筒4的内径；碟形弹簧组3的高度大于中心导向组件7的高度，从而上支座板1的下表面与中心导向组件7的顶端之间有距离，此距离为极限滑动距离提供竖向变形的空间；约束钢管2的底端与中间连接板10的上表面之间有距离，从而在约束钢管2的底端与中间连接板10之间形成一圈预留孔9，预留孔9的高度等于极限滑动距离；抗倾覆导向套筒4中开设有限位孔6，在约束钢管2的外壁上与限位孔6相对应的位置设置有限位块5，限位块5伸入至抗倾覆导向套筒4中相应的限位孔6；限位孔6的高度等于极限滑动距离。橡胶支座包括橡胶片11、薄钢板片12、铅芯13和下支座板14；其中，多片橡胶片11和薄钢板片12相互叠合放置，中心开一圆孔，铅芯从圆孔13穿过组合在一起，固定在下支座板14上。上支座板11和下支座板14在X和Y方向上均开有两个螺栓孔15。

图3为沿图2中限位孔切开后的俯视剖面图。

如图4所示，碟形弹簧组采用多个蝶形弹簧组合在一起，截面为截锥形，中间形成中心空腔，中心空腔的直径即为碟形弹簧组的内径。碟形弹簧组分为叠合组合、对合组合和复合组合三种组合方式；叠合组合承受力大变形小，如图4(a)所示；对合组合承受力小变形大，如图4(b)所示；复合组合承受力大变形大，如图4(c)所示。本实施例中采用复合组合。

本实施例的三维隔震减振方法，包括以下步骤：

1)根据实际场地条件及结构形式确定橡胶支座的水平刚度和碟形弹簧组的竖向刚度，通过计算、分析确定橡胶片、薄钢板片以及碟形弹簧组的尺寸和组合方式，并验算装置的水平变形和竖向位移是否满足规范和相关标准的要求；

2)按照规范进行加工、制作、装配、运输和现场安装，在工程场地，三维隔震减振装置通过预埋板与下部结构连接，预埋板采用钢锚板，上支座板与上部建筑结构连接，构成隔震体系；

3)在地震作用下，橡胶支座能够发生水平变形，上部的建筑结构仅发生整体平动，一方面，橡胶支座延长了隔震体系的周期，避开了地震动的卓越频率，减小了地震作用；另一方面，通过橡胶支座的往复运动，耗散了地震能量，保护结构的安全，从而隔离水平向地震动；

4)当地铁运行时，会产生振动波向周围的土层传播，传递到建筑结构底部后，通过碟形弹簧组实现弹性支承，降低了隔震体系的竖向基频，避开了地铁振动波的卓越频率，减小竖向振动向上部建筑结构的传递；同时，在碟形弹簧变形过程中，地铁振动波产生的动能转换为势能，摩擦阻力又消耗一部分振动能量，从而隔离竖向轨道交通的竖向振动。

在具体工程中运用时，设计参数(包括尺寸、承载力、橡胶支座的水平刚度、碟形弹簧组的竖向刚度值等)要视具体情况而定，根据计算、分析确定并验算。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。