技术领域

本发明涉及结构抗震抗风领域， 特别涉及一种适应结构隔震抗风的变刚度 隔震层刚度控制机构。

背景技术 建筑物抵抗地震有两个途径， 其一是抗， 即增加结构的强度， 使结构在预 期烈度的地震作用下， 保证结构的安全 (如图 1、 图 3) ; 另一种是放， 即在主体 结构和基础结构之间设置水平刚度很小的隔震 层， 使主体结构与大地在水平方 向基本隔离， 地震的能量不易传到主体结构， 从而避免主体结构破坏 （如图 2、 图 4， 图 2、 图 4中隔震层 26设置在主体结构 27和基础结构 28之间）。 对主体 结构而言， 隔震层的水平刚度越小， 上部结构的地震反应越小。 也就是说， 对 地震作用而言， 隔震层的水平刚度越小对上部结构越有利 （如图 4)。 其中， 在 图 3、 图 4中， 发生地震时地面横向来回运动。 另一方面， 结构是要抵抗风荷载的。 且结构遭遇强风的概率比遭遇强震的 概率要高得多。 对结构抗风来说， 设置隔震层是不利的， 隔震层的水平刚度越 小对上部结构越不利 （如图 5、 图 6)。 因此， 采用普通隔震层的隔震结构， 隔 震层的水平刚度是兼顾结构隔震和抗风两方面 而取一个折中值。 发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足 ， 提供一种适应结构隔震抗 风的变刚度隔震层刚度控制机构。 本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种适应结构隔震抗风的变刚度隔震层刚度控 制机构， 包括与上部结构相 连的上法兰盘、 与底部基础结构相连的下法兰盘、 设置在上法兰盘和下法兰盘 中空部之间的销键， 所述销键能在上法兰盘、 下法兰盘中空部之间上下移动且 销键的高度大于上法兰盘与下法兰盘之间的间 隔距离， 以及固定销键不动或者 控制销键向下运动的控制装置。 这些装置构成刚度控制机构。 刚度控制机构的 刚度与隔震支座的刚度并联。

所述的控制装置包括设置在上法兰盘和下法兰 盘之间间隔处的用于夹持销 键的弹性支架、 卡住弹性支架的首尾端的活动卡件、 固定在下法兰盘上的支杆、 置于支杆上的钢球， 以及连接钢球与活动卡件的软绳， 所述软绳的长度大于活 动卡件与钢球的垂直距离， 小于活动卡件与钢球的垂直距离、 支杆的高度之和， 所述弹性支架与下法兰盘固定连接。 其中的钢球还可以为其他质量较大、 其他 形状的物体， 选择钢球的原因是因为钢的密度较大， 在同等质量的情况下其体 积较小， 置于支杆上状态较稳定， 同时钢材比较普遍， 价格较低， 选择球状是 因为球状体对水平的扰动更敏感， 在发生地震时能从支杆上滚落下来， 完成预 设动作； 活动卡件卡住弹性支架后， 弹性支架夹持住销键， 对销键形成有效的 支撑， 此时上法兰盘、 下法兰盘之间的中空部均有销键， 上法兰盘、 下法兰盘 之间的相对水平位移被限制， 二者之间的水平刚度非常大， 有利于抵抗强风， 适用于地震未发生的状态； 当地震发生时， 由于支杆仅向钢球提供竖向支承作 用， 在地震的作用下， 钢球失稳从支杆上跌落， 带动活动卡件从弹性支架的首 尾端脱落， 弹性支架失去对销键的夹持， 销键失去支撑则下落至下法兰盘， 上 法兰盘中空部此时没有销键， 上法兰盘、 下法兰盘之间的相对水平位移则不再 被限制， 二者之间的水平刚度变小， 有利于防震， 地震的能量不易传到主体结 构， 从而避免主体结构破坏。

所述的支杆顶部设置一个与钢球大小相适应的 浅槽。 钢球置于浅槽中， 能 有效避免非地震的轻微水平扰动所导致的误判 ， 同时槽较浅， 又不会在地震真 正发生时， 钢球不从支杆上滚落下来， 不完成预设动作。

所述的弹性支架为对称曲线形， 在活动卡件将其卡住时能将销键固定在上、 下法兰盘之间； 当活动卡件与其脱离时能自动张开， 失去固定销键的作用。 弹 性支架的设置为对称曲线形， 其目的是使夹持销键的效果更好， 同时活动卡件 与弹性支架脱离时释放销键更方便。

所述的控制装置包括下法兰盘开有的 κ个横向小孔、 置于 K个小孔中的 K 个限位滑杆、 在下法兰盘的外侧 κ个横向小孔的出口处设置内侧带有条形槽的 限位环、 与限位环底部连接的 M个电磁铁、 包裹电磁铁下部的电磁铁线圈、 与 电磁铁线圈相连的电路， 以及压在电路常开开关上的球， 其中 K≥2， Μ > Κ ο 其中 限位小孔中的限位滑杆在限位环的约束下不能 向外侧移动， 从而形成对销键的 有效支承， 而使上法兰盘、 下法兰盘之间的中空部同时存在销键， 同时销键的 重力作用使得限位滑杆有向外移动的趋势及作 用力， 该作用力阻止带有条形槽 的限位环下滑， 此时上法兰盘、 下法兰盘之间的相对位移被限制， 二者之间的 水平刚度非常大， 有利于抗风； 在地震发生时， 地面的振动、 摇摆使压在电力 常开开关上的钢球滚落， 常开开关导通， 电路工作， 电磁铁线圈通电， 电磁铁 铁芯受到向下的电磁力， 在电磁铁铁芯重力和电磁力的共同作用下， 电磁铁铁 芯带着与之连接的限位环向下运动， 限位环被拉下后， 限位滑杆失去限位环的 约束并在销键的重力作用下向外滑动， 进而销键因失去限位滑杆的支承作用而 落入下法兰盘的中空部， 此时上法兰盘中空部此时没有销键， 上法兰盘、 下法 兰盘之间的相对水平位移则不再被限制， 二者之间的水平刚度变小， 有利于防 震， 地震的能量不易传到主体结构， 从而避免主体结构破坏。

所述的电路， 还串联一个常闭开关， 常闭开关位于销键的正下方。 当销键 下落后， 常闭开关在销键的重力作用下断开， 电磁铁线圈的电源被切断二停止 工作， 避免了电能的浪费。

所述的控制装置包括销键中间设置的内孔、 穿过内孔且内侧带有螺纹的支 承销键装置、 与内侧螺纹相适应的丝杆、 与丝杆相连接的歩进电机、 控制歩进 电机工作的计算机， 以及与计算机相连的加速度传感器， 还包括限制销键相对 于下法兰盘自由旋转的装置、 限制支承销键装置在内孔中自由旋转的装置。 在 正常情况下， 丝杆旋接于销键纵向开的内侧带螺纹的小孔， 此时上法兰盘、 下 法兰盘之间的中空部同时存在销键， 上法兰盘、 下法兰盘之间的相对位移被限 制， 二者之间的水平刚度非常大， 有利于抗风； 当地震发生时， 地面振动信息 被加速度传感器捕捉， 并传输至计算机， 当加速度值达到一定的值以后， 计算 机发出指令， 歩进电机工作， 歩进电机带动丝杆回缩， 直至完全脱离销键， 销 键失去支承而下落至下法兰盘的中空部， 此时上法兰盘中空部此时没有销键， 上法兰盘、 下法兰盘之间的相对水平位移则不再被限制， 二者之间的水平刚度 变小， 有利于防震， 地震的能量不易传到主体结构， 从而避免主体结构破坏。

所述的歩进电机， 设置在丝杆的正下方， 所述的销键下部设置有与歩进电 机大小相对应的凹槽。 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。 但设 置隔震层对于抗风而言是不利的。 故对抗风而言， 隔震支座水平刚度越大越好。 传统隔震结构的隔震层既要兼顾隔震效果， 又要兼顾抗风效果， 故其水平刚度 既不能太大， 也不能太小。 这样， 传统隔震结构在地震作用下结构性能虽优于 普通结构， 但在风荷载的作用下， 其结构性能反而不如普通结构。 本发明的变 刚度隔震层在风荷载作用下， 隔震支座不起隔震作用， 结构性能与普通结构相 同； 而在水平地震作用下， 隔震支座起着隔震作用， 结构的性能等同于隔震结 构。 另外， 因在风荷载作用下隔震层不起作用， 故可将隔震支座的水平刚度设 计得尽可能小， 以尽可能减小结构的地震反应。 这样， 本发明的变刚度隔震层 既可以在在地震作用下尽可能地隔离水平地震 的作用， 又可保证不影响结果承 受风荷载的性能。

B、 传统隔震结构用增加隔震支座阻尼的方法来减 小结构在风荷载下的反 应， 以弥补隔震支座对结构抗风的不利影响。 但隔震支座的阻尼会影响隔震效 果， 阻尼越大， 隔震效果越差。 增加隔震支座的阻尼不仅增加隔震支座的造价 ， 而且会影响隔震效果。 本发明的变刚度隔震支座在风荷载作用下等价 于普通结 构， 不需要特意增大其阻尼来改善结构的抗风性能 。

C、 为使隔震支座有一定的阻尼， 传统的隔震层一般采用橡胶支座。 由于橡 胶的强度不高， 故支座尺寸较大。 橡胶还存在老化问题， 必须考虑支座的维修、 替换。 本发明的变刚度隔震支座不需要隔震层提供阻 尼， 既可以是传统的橡胶 隔震支座， 也可以高强度金属材料制造的、 用机械运动的方式形成位移的隔震 支座。 由于金属材料的强度高， 故支座的尺寸相对于橡胶支座可小很多。 采用 不锈钢、 耐候钢、 表面镀锌处理的高强钢等金属材料制造的隔震 支座可保持长 期性能不变， 一般可不必虑支座的维修、 替换。

附图说明

图 1为现有技术中一般墙体的结构示意图；

图 2为现有技术中设有隔震装置的墙体结构示意� �；

图 3为图 1所述墙体在地震作用下的变形示意图；

图 4为图 2所述墙体在地震作用下的变形示意图；

图 5为图 1所述墙体在风荷载下的变形示意图；

图 6为图 2所述墙体在风荷载下的变形示意图；

图 7为含有本发明所述的一种适应结构隔震抗风� �变刚度隔震层刚度控制 机构的结构示意图；

图 8为图 7所述刚度控制机构在风荷载作用下的变形示� �图；

图 9为图 7所述刚度控制机构在地震作用下的变形示意� �；

图 10为本发明所述的一种适应结构隔震抗风的变� ��度隔震层刚度控制机构 在销键处于工作状态的示意图；

图 11为图 10所述刚度控制机构的 A-A面示意图；

图 12为图 10所述刚度控制机构在销键处于非工作状态下� ��示意图； 图 13为图 12所述刚度控制机构的 C-C面示意图；

图 14为本发明所述的一种适应结构隔震抗风的变� ��度隔震层的刚度控制机 构在销键处于工作状态的示意图；

图 15为图 14所述刚度控制机构的 E-E面示意图； 图 16为图 14所述刚度控制机构的局部放大图； 图 17为本发明所述的一种适应结构隔震抗风的变� ��度隔震层刚度控制机构 在销键处于非工作状态的示意图； 图 18为本发明所述的一种适应结构隔震抗风的变� ��度隔震层刚度控制机构 在销键处于工作状态的示意图； 图 19为图 18所述刚度控制机构的 L-L面示意图； 图 20为本发明所述的一种适应结构隔震抗风的变� ��度隔震层刚度控制机构 在销键处于非工作状态的示意图； 其中， 图： Γ图 9中， De为地面位移， Db为结构底部绝对位移， Dg为隔震 支座位移， Dda为结构顶部绝对位移， Ddf 为结构顶部相对位移。 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 1

如图 13， 一种适应结构隔震抗风的变刚度隔震层刚度控 制机构， 包括与 上部结构相连的上法兰盘 1、 与底部基础结构相连的下法兰盘 2、 设置在上法兰 盘 1和下法兰盘 2中空部之间的销键 3， 所述销键 3能在上法兰盘 1、 下法兰盘 2中空部之间上下移动且销键 3的高度大于上法兰盘 1与下法兰盘 2之间的间隔 距离， 以及固定销键 3不动或者控制销键 3向下运动的控制装置；

其中所述的控制装置包括设置在上法兰盘 1和下法兰盘 2之间间隔处的用 于夹持销键的弹性支架 4、 卡住弹性支架 4的首尾端的活动卡件 5、 固定在下法 兰盘 2上的支杆 6、 置于支杆 6上的钢球 7， 以及连接钢球 7与活动卡件 5的软 绳 8， 所述软绳 8的长度大于活动卡件 5与钢球 7的垂直距离， 小于活动卡件 5 与钢球 7的垂直距离、 支杆 6的高度之和， 所述弹性支架 4与上法兰盘 1或下 法兰盘 2固定连接；

所述的支杆 6顶部设置一个与钢球大小相适应的浅槽； 所述的弹性支架 4为对称曲线形。

图 7中隔震层 26、刚度控制机构 29均设置在主体结构 27和基础结构 28之 间

图 8中， 销键处于工作状态， 刚度控制机构 29的刚度非常大， 抗风能力强; 图 9中， 销键处于非工作状态， 刚度控制机构 29的刚度接近零， 能有效隔离地 震作用。

实施例 2

如图 14〜17， 本实施例除以下部分与实施例 1不同外， 其余部分与实施例 1 均相同。

所述的控制装置包括下法兰盘 2开有的 3个横向小孔 9、置于 3个小孔中的 3个限位滑杆 10、 在下法兰盘 2的外侧 3个横向小孔 9的出口处设置内侧带有 条形槽的限位环 11、 与限位环 11底部连接的 3个电磁铁 17、 包裹电磁铁 17下 部的电磁铁线圈 18、 与电磁铁线圈 18相连的电路， 以及压在电路常开开关 12 上的球 13 ;

所述的电路， 还串联一个常闭开关 14， 常闭开关 14位于销键 3的正下方。 实施例 3

如图 18〜20， 本实施例除以下部分与实施例 1不同外， 其余部分与实施例 1 均相同。

控制装置包括销键中间设置的内孔 19、 穿过内孔 19且内侧带有螺纹 20的 支承销键装置 21、 与内侧螺纹相适应的丝杆 22、 与丝杆 22相连接的歩进电机 23、 控制歩进电机 23工作的计算机， 以及与计算机相连的加速度传感器， 并设 有限制销键 3相对于下法兰盘 2自由旋转的装置；

所述的限制销键 3相对于下法兰盘自由旋转的装置为上法兰盘� � 下法兰盘 中空部内侧设置的 1个以上的纵向凸起物 24，销键对应位置设置与凸起物 24大 小相适应的凹槽 25或者直接将销键 3的横截面设置为非圆形， 容纳销键 3的中 空部设置为与销键 3相适应的非圆形， 同样可以达到限制销键 3相对于下法兰 盘自由旋转的目的； 同时支承销键装置 21与销键 3之间设置有限制支承销键装 置 21在销键 3内孔 19自由旋转的装置； 限制销键相对于下法兰盘自由旋转的 装置、 限制支承销键装置在内孔中自由旋转的装置可 以一样， 也可以不一样； 所述的歩进电机 23， 设置在丝杆 22的正下方， 所述的销键 3下部设置有与 歩进电机 23大小相对应的凹槽， 该凹槽也属于销键中间设置的内孔的一部分。 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。