技术领域

本发明涉及结构抗震抗风领域， 特别涉及一种利用重力负刚度的可控刚度 隔震支座。

背景技术 隔震技术应用于结构工程以降低地震的危害已 是一种成熟的技术。 日本在 这方面的研究、 应用比较早。 中国近二十年也开展这方面的应用研究， 且已建 成一定数量的隔震建筑。 中国的现行抗震设计规范也有隔震设计的内容 。 目前国内外隔震结构采用的隔震支座都是橡胶 支座。 橡胶支座一般为圆柱形， 其竖向承载力为 N = = ^l/， ^为支座的橡胶 水平面积， /为橡胶的抗压强度， β为支座直径。 圆柱形橡胶支座的水平刚度近 似为 = ^， E为橡胶的弹性模量， J = ^为橡胶水平截面的惯性矩， h为支 h ³ 64 座的橡胶总厚度， 故 = ^^。 这样， 圆柱形橡胶支座的水平刚度 与竖向承

16k 载力 N的关系为 ^ = ^x ^N。 由于 E和/为常数， A也不能太大， 也不能太

4/ h 小， 故橡胶隔震支座的水平刚度不可能太小， 因而还有较大一部分地震能量通 过橡胶隔震支座传至上部结构。 对于结构隔震而言， 隔震支座的水平刚度和阻尼越小， 其隔震效果就越好。 但如果隔震支座的水平刚度为零， 地震过后， 隔震支座不存在恢复力， 上部结 构不会恢复到原始状态， 故隔震支座还要保留一定的水平刚度。 因此， 理想的隔震支座是能有较大的竖向承载力， 可控制的水平刚度， 足 够的抗侧移承载力， 较小的阻尼。 发明内容 本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足 ， 提供一种重力负刚度的可 控刚度隔震支座。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种利用重力负刚度的可控刚度隔震支座， 包括与上部结构相连的上板、 与底部基础结构相连的下板、 纵向设置在上板和下板之间的 κ个支承柱， 支承 柱分别与上板、下板球铰连接，支承柱之间横 向设置 L个弹性连接板，其中 K≥3， L≥NX K，N≥1。

所述的支承柱分别与上板、 下板球铰连接， 具体为支承柱的两端设置为凹 球面， 上板、 下板连接处设置对应的凸球面， 或者支承柱的两端设置为凸球面， 上板、 下板连接处设置对应的凹球面。 优选将支承柱的两端设置为凹球面； 当 支承柱的两端设置为凸球面时， 在隔震层的层高一定时， 球心间的距离变小， 隔震性能变差。

所述的连接板为折叠型。 折叠型连接板能够减小连接板的抗弯刚度， 从而 提高连接板的抗弯承载力， 进而提高隔震支座的抗侧移承载力。

所述的球铰， 其接触面上涂有润滑剂或聚四氟乙烯。 是为了在摩擦转动部 分减小摩擦力。

所述的上板、 下板、 支承柱均为高强度的金属材料制成， 所述的连接板为 高强弹性材料制成。 本发明的工作原理：

1. 刚度为 质量为 的单自由度体系的无阻尼圆频率为《 = J V^。

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2. 图 1所示的单摆， 其重力的作用是使质点恢复到平衡位置， 其等效刚度 是正刚度。 该单摆在重力作用下的无阻尼圆频率为《 = Ji = J^ = J^， 故 该单摆的等效刚度 = ， 可称其为重力刚度。

H

3. 图 2所示的体系是在普通单摆的基础上增加一弹� �， 其重力和弹簧的作 用都是使质点恢复到平衡位置， 重力等效刚度和弹簧的刚度都是正刚度。 这种 组合单摆的无阻尼圆频率为 ω = I^ H m- = + =

V mH m J V ^mg/ m ^{H + k} ， 故这种组合单摆 的等效刚度 = +

H

4. 图 3所示的体系是将单摆的重量放在上面， 重力加速度由质点指向摆的 转轴， 并有一弹簧维持质点的稳定。 这种组合单摆的重力作用是使质点偏离平 衡位置， 其等效刚度 = - 为负刚度， 可称其为重力负刚度； 弹簧的作用使质

H

点恢复到平衡位置， 其刚度为正刚度。 这种组合单摆的无阻尼圆频率为 ω = ^ί = ^Ξ^ , 故这种组合单摆的等效刚度 - ; 显然， 一定 m H m H H 时， 调整弹簧的刚度 便可调整该系统的等效刚度， 达到调整圆频率为《的目 的。

5. 图 4所示的体系由图 3所示的体系演变而来。 这种组合体系的质量块因连 杆的限制作用， 只能平动， 不能转动， 且可忽略其竖向运动， 仅研究其水平运 动。这种组合体系的重力作用也是使质量块偏 离平衡位置， 其等效刚度 =-

H

亦为负刚度； 弹簧的作用使质点恢复到平衡位置， 其刚度为正刚度； 这种组合 体系的无阻尼圆频率也是 ω = =

m H J V ^k — ^m m ^g/H ，故这种组合体系的等效刚度亦 为 k _d = k - 。 同样， 一定时， 调整弹簧的刚度 ^ 便可调整该系统的等效刚

H H

度， 达到调整圆频率为《的目的。

6. 图 5所示的体系由图 4所示的体系演变而来。 去掉水平弹簧后， 在连杆之 间增加刚性连接的梁， 利用梁弯曲变形产生的弯矩能使质量块恢复到 平衡位置， 其作用也等价于增加一水平弹簧。 这种组合体系的无阻尼圆频率同样可表示为 ω = ^ = βΞ^Ι ， 故这种组合体系的等效刚度 - 。 为梁、 连杆 组合结构形成的等效水平刚度。 调整梁的截面尺寸、 数量， 便可调整该系统的 等效刚度，达到调整圆频率《的目的。本发明 所述的一种利用重力负刚度的可控 刚度隔震支座，其力学模型就是图 5所示模型，通过调整弹性连接板的截面尺寸� � 弹性连接板的数量，即可调整该系统的等效刚 度，从而达到调整圆频率《的目的。

本发明与现有技术相比， 具有如下优点和有益效果：

A、 对隔离地震的作用而言， 隔震层水平刚度越小， 其隔震效果越好。 但传 统的橡胶隔震支座， 其水平刚度与其竖向承载力相关， 故还是有较大一部分地 震能量通过橡胶隔震支座传至上部结构。 而本发明的隔震支座， 在保证结构稳 定的前提下， 可将其水平刚度设计的非常小， 其隔震效果比橡胶支座要好很多。

B、 传统的橡胶隔震支座存在橡胶老化的问题， 故而必须考虑支座的更换， 而本发明的隔震支座采用金属材料制造， 只要处理好金属材料的防锈 （镀锌）， 支座就不会失效。

C、 本发明的隔震支座的水平刚度很容易控制： 利用隔震层上部结构的重力 负刚度， 叠加上可调控的隔震层的正刚度， 从而达到控制隔震层刚度的目的。 具体做法是在隔震层用承载力很高的金属柱支 承上部结构， 在柱间用弹簧连接 板刚性连接形成钢框架。 与传统柱不同的是， 柱的上下采用球铰连接而不是刚 性连接。 这样， 在重力的作用下就形成了所谓的重力负刚度， 其值为 =- 。

H

而柱与连接板形成钢框架有一等效的水平刚 度 。 隔震层的实际刚度为 k _d = k _{e +} k _b = k _e - 。 调节 就可控制隔震层的实际刚度为 k _d 。

H

D、 可与刚度控制机构配合使用： 由于本发明隔震支座的水平刚度与竖向承 载力均可控制， 必要时配合使用刚度控制机构， 不仅可很好地隔震， 而且能很 好地抵抗风荷载。

刚度控制机构的刚度与隔震支座的刚度并联。 在非地震作用的正常使用中， 刚度控制机构的刚度非常大， 风荷载等水平作用的水平力经刚度控制机构传 递 到基础； 而在地震作用下， 地面运动的加速度触发刚度控制机构动作， 使刚度 控制机构的水平刚度突变为零， 隔震层的刚度就只有隔震支座的刚度， 地震能 量被有效隔离。

附图说明 图 1为单摆模型示意图； 图 2为单摆加弹簧模型示意图； 图 3为重力负刚度单摆加弹簧模型示意图； 图 4为双连杆重力负刚度加弹簧模型示意图； 图 5为双连杆重力负刚度加等效弹簧模型示意图� � 图 6为本发明所述的一种利用重力负刚度的可控� �度隔震支座的仰视图； 图 7为图 6所述支座的 A-A方向剖视图； 图 8为本发明所述的一种利用重力负刚度的可控� �度隔震支座的俯视图； 图 9为图 8所述支座的 B-B方向剖视图； 图 10为没有设置球铰的可控刚度隔震支座。 具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一歩详细 的描述， 但本发明的实施方 式不限于此。

实施例一：

如图 6、 7、 8、 9， 一种利用重力负刚度的可控刚度隔震支座， 包括与上部 结构相连的上板 1、 与底部基础结构相连的下板 2、 纵向设置在上板 1和下板 2 之间的 K个支承柱 3， 支承柱 3分别与上板 1、 下板 2通过球铰 4连接， 支承柱 3之间横向设置 L个弹性连接板 5， 其中 K≥3， L>N X K, N> 1 ;

所述的支承柱 3分别与上板 1、下板 2通过球铰 4连接， 具体为支承柱 3的 两端设置为凹球面， 上板 1、 下板 2连接处设置对应的凸球面；

所述的连接板 5为折叠型；

所述的球铰 4， 其接触面上涂有润滑剂或聚四氟乙烯； 所述的上板 1、 下板 2、 支承柱 3均为高强度的金属材料制成， 所述的连接 板 5为高强弹性材料制成。

具体地， 图 6、 图 7中上板 1、 下板 2之间无相对位移； 图 8、 图 9中上板 1、 下板 2之间有相对位移， 此时折叠型连接板弯曲变形。

相邻柱之间不设弹性连接板， 支承柱只对上部结构提供竖向支承力， 不提 供水平约束力。 这样， 在竖向荷载作用下， 结构处于不稳定平衡状态。 只要上 部结构有一很小的水平干扰力使其出现水平位 移， 支承柱便会倾斜， 重力荷载 将使倾斜进一歩加剧， 上部结构便会倒塌。 这就是所谓的结构失稳。 为避免上 部结构失稳， 必须依靠相邻柱间的弹性连接板与柱形成的框 架提供足够的水平 刚度和水平承载力。 当框架水平刚度提供的恢复力大于、 等于、 小于重力荷载 的倾覆力时， 结构处于稳定、 随遇平衡、 不稳定状态。 当结构处于稳定状态时， 调整相邻柱间的弹性连接板的刚度， 就可控制结构的水平刚度和水平承载力。

实施例二：

除以下所述与实施例一不同， 其余部分均与实施例一相同：

支承柱的两端设置为凸球面， 上板、 下板连接处设置对应的凹球面。

实施例三：

除以下所述与实施例一不同， 其余部分均与实施例一相同：

如图 10， 竖向承载力不高的隔震支座， 也可以不用球铰， 在隔震层采用承 载力很高的材料制成侧移刚度不大的单层框架 。 考虑这种框架的几何非线性， 其上部结构的重力也会形成重力负刚度。 调节框架本身的刚度， 同样可以达到 控制隔震层实际刚度的目的。 这种隔震支座的弹簧连接板也可以制造成折叠 形 以提高支座的隔震性能。 上述实施例为本发明较佳的实施方式， 但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制， 其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下 所作的改变、 修饰、 替代、 组合、 简化， 均应为等效的置换方式， 都包含在本发明的保护范围之内。