CN112240062A - 一种三维隔震结构体系 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维隔震结构体系，包括基础，在基础上依次固定叠设有若干水平隔震装置，竖向隔震装置、刚性楼板和上部结构；在隔离若干所述水平隔震装置周围的基础上固定设置有若干侧向挡板，所述侧向挡板通过负刚度连接装置与所述刚性楼板相连接。本发明提供的三维隔震结构体系通过三维隔震系统形成三维六向刚度自适应能力，使其具有隔离三维三向地铁振动及三维六向地震震动的能力，保证建筑物在地铁振动作用下的舒适度性能，以及地震作用下建筑物的抗震安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维隔震结构体系，主要用于建筑结构的地铁隔振及地震隔震，属于建筑技术领域。
背景技术
随着我国经济的迅速发展，交通问题日益凸显，地铁以其运量大、速度快、占地小、安全可靠等优点，成为解决交通问题的重要手段；但是地铁列车运行产生的环境振动问题也日益凸显，主要表现在地铁列车运行对临近建筑物、地下管道、精密仪器和设备等产生了不可忽略的影响。为了降低地铁交通振动的负面影响，学术界和工程界已采取多种措施对地铁交通引起的振动和噪声进行减振降噪，主要措施包括设置三维隔振装置、浮置楼板、减振沟、减振道板、排孔和排桩隔振等。在众多减振降噪措施中，在建筑底部设置三维隔振装置是较为有效的一种，研究表明，设置三维隔振装置能够有效提高建筑物的居住舒适度，保证建筑中重要仪器设备的正常运行。
地震是困扰人类的一大自然灾害，为了减少地震造成的生命和财产损失，人类与之进行了长期不懈的斗争。随着科学技术和工程技术的进步，地震工程的理论和实践得到了较快的发展。众多研究表明，采用三维隔震技术能够有效提高建筑结构的抗震能力，尽可能减轻地震作用下建筑结构自身的损伤，提高建筑的抗震安全性。
三维隔震技术在地铁沿线建筑当中的应用旨在提高建筑的居住舒适度以及抗震安全性。目前，三维隔震装置在地铁沿线建筑结构中的应用面临以下挑战：三维隔震装置难以同时具有隔离地铁振动和地震震动的能力；地震作用下，三维隔震结构的抗扭转/抗摇摆/抗倾覆能力的进一步提升，仍是制约三维隔震技术发展的瓶颈。(三维三向地铁振动包括2个水平分量，1个竖向分量；三维六向地震震动包括2个水平分量，1个竖向分量，2个摇摆分量，1个扭转分量。)
针对上述挑战，提出构造措施简单、同时具有隔离三维三向地铁振动和三维六向地震震动能力的三维隔震装置及其结构体系，显著提高其抗扭转/抗摇摆/抗倾覆能力，具有重要的理论和现实意义。
发明内容
本发明的目的是针对建筑结构地铁隔振及地震隔震的现实需要，提供一种既能满足建筑的正常使用要求，又同时具有隔离三维三向地铁振动和三维六向地震震动能力的三维隔震结构体系。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种三维隔震结构体系，包括基础7，所述基础7上依次固定叠设有若干水平隔震装置4，竖向隔震装置3、刚性楼板5和上部结构8；在隔离若干所述水平隔震装置4周围的基础7上固定设置有若干侧向挡板6，所述侧向挡板6通过负刚度连接装置2与所述刚性楼板5相连接。
进一步优选，所述所述水平隔震装置4的数量与排列方式与所述上部结构8设有的柱的数量和排列相对应。
进一步优选，所述所述竖向隔震装置3的数量与排列方式和所述水平隔震装置4的数量与排列方式相同。
进一步优选，所述负刚度连接装置2由碟形弹簧9、外套筒10、内导杆11、中间挡板12、万向铰13、端部翼缘14构成，所述外套筒10为一端连接开设有中心孔的端部翼缘14，另一端连接带有小于外套筒10小圆筒的端部翼缘14的圆筒体，所述内导杆11穿插在所述外套筒10中，所述内导杆11上依次套装有若干碟形弹簧9和中间挡板12；所述外套筒10一端的内导杆11通过所述万向铰13与所述侧向挡板6相连接，另一端的小圆筒通过所述万向铰13与所述刚性楼板5相连接。
进一步优选，所述端部翼缘14与所述内导杆11之间还设置有密封圈15。
进一步优选，所述外套筒10内还灌入硅油16。
所述碟形弹簧9为两两镜像设置。
进一步优选，所述所述竖向隔震装置3为碟形弹簧竖向隔震支座或空气弹簧隔震支座；所述水平隔震装置4为常规的铅芯橡胶支座或高阻尼橡胶支座。
进一步优选，所述侧向挡板6和刚性楼板5均采用钢板或混凝土板。
所述上部结构8为框架结构、剪力墙结构或框架-剪力墙结构；所述基础7为筏形基础。
本发明的三维隔震结构体系与传统三维隔震结构体系相比，其优点和有益效果是:
(1)本发明的三维隔震结构体系具有三维六向刚度自适应特性，即该结构体系在六个方向均能实现一定程度的刚度自适应，六个方向包括结构运动的2个水平方向、1个竖直方向、2个摇摆方向、1个扭转方向。
(2)正常使用荷载工况下，本发明的三维隔震结构体系在水平/竖向/摇摆/扭转方向均具有足够的刚度，使得三维隔震结构能够承受结构的正常使用荷载而不发生较大的变形。
(3)当动荷载较小时(地铁振动、风振或多遇地震)，负刚度连接装置提供负刚度，本发明的三维隔震结构体系在水平/竖向/摇摆/扭转方向刚度均较小，使得新型三维隔震结构能够隔离较宽频率范围的地铁振动和地震震动，极大地优于传统的三维隔震/振结构体系。
(4)当动荷载较大时(罕遇地震)，负刚度连接装置提供正刚度，本发明的三维隔震结构体系在水平/竖向/摇摆/扭转方向刚度较大，其抗扭转/抗摇摆/抗倾覆能力也相应较好，从而降低了罕遇地震下三维隔震结构的整体位移。
(5)本发明的三维隔震结构体系中的水平隔震支座、竖向隔震支座、负刚度连接装置均可消耗地震震动的输入能量和地铁振动的输入能量。
(6)在外荷载作用下，负刚度连接装置发生变形时，外套筒内对硅油发生流动，提供一定的粘滞阻尼耗能；此外，相邻碟形弹簧间发生相互摩擦，提供一定的摩擦阻尼耗能。
本发明的三维隔震结构体系，水平隔震支座的刚度和阻尼主要由上部结构的质量、刚度以及地震动水平分量的频谱特性决定，竖向隔震支座的刚度和阻尼主要由上部结构的质量、刚度及地震动的竖向分量的频谱特性决定。负刚度连接装置的预压力、受压刚度及阻尼主要由水平及竖向地铁振动的频谱特性决定。负刚度连接装置的受拉刚度及阻尼主要由地震动的摇摆及扭转分量的频谱特性确定。
附图说明：
图1为本发明实施例的结构构造示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为本发明实施例中负刚度连接装置的结构构造示意图；
图中：2为负刚度连接装置、3为竖向隔震装置、4为水平隔震装置、5为刚性楼板、6为侧向挡板、7为基础、8为上部结构、9为碟形弹簧、10为外套筒、11为内导杆、12为挡板、13为万向铰、14为端部翼缘、15为密封圈、16为硅油。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、图2和图3所示，为本发明的一种三维隔震结构体系，包括基础7，所述基础7上依次固定叠设有若干水平隔震装置4，竖向隔震装置3、刚性楼板5和上部结构8；在隔离若干所述水平隔震装置4周围的基础7上固定设置有若干侧向挡板6，所述侧向挡板6通过负刚度连接装置2与所述刚性楼板5相连接。
其中，所述所述水平隔震装置4的数量与排列方式与所述上部结构8设有的柱的数量和排列相对应。
所述所述竖向隔震装置3的数量与排列方式和所述水平隔震装置4的数量与排列方式相同。
所述负刚度连接装置2由碟形弹簧9、外套筒10、内导杆11、中间挡板12、万向铰13、端部翼缘14构成，所述外套筒10为一端连接开设有中心孔的端部翼缘14，另一端连接带有小于外套筒10小圆筒的端部翼缘14的圆筒体，所述内导杆11穿插在所述外套筒10中，所述内导杆11上依次套装有若干碟形弹簧9和中间挡板12；所述外套筒10一端的内导杆11通过所述万向铰13与所述侧向挡板6相连接，另一端的小圆筒通过所述万向铰13与所述刚性楼板5相连接。
其中，所述端部翼缘14与所述内导杆11之间还设置有密封圈15。所述外套筒10内还灌入硅油16。所述碟形弹簧9为两两镜像设置。
所述所述竖向隔震装置3为碟形弹簧竖向隔震支座；所述水平隔震装置4为高阻尼橡胶支座。
所述侧向挡板6和刚性楼板5均采用混凝土板。
所述上部结构8为框架结构；所述基础7为筏形基础。
作用原理：
三维隔震系统1中水平隔震装置4主要隔离水平方向的地铁振动和地震震动，竖向隔震装置3主要隔离竖向的地铁振动和地震震动。负刚度连接装置2处于受压状态时提供负刚度，负刚度连接装置2处于受拉状态时提供正刚度。当三维隔震系统1处于初始状态时，负刚度连接装置2受到预压力作用，处于受压状态，提供负刚度，降低结构的自振频率，从而能够隔离较宽频率范围内的地铁振动和地震震动。当三维隔震系统1受到较大荷载时，负刚度连接装置2的受压预压力得到释放，处于受拉状态，提供正刚度，使其能够限制结构在极限荷载(强震)下的位移。
负刚度连接装置2具有较好的受拉/受压承载能力和耗能能力。当负刚度连接装置2处于受拉/受压极限状态时，负刚度连接装置2中的受压碟形弹簧9处于压平状态，从而阻止其发生更大的变形。在外荷载作用下，负刚度连接装置发生变形时，外套筒内对硅油发生流动，提供一定的粘滞阻尼耗能；此外，相邻碟形弹簧间发生相互摩擦，提供一定的摩擦阻尼耗能。
三维隔震结构体系具有三维六向刚度自适应特性，即该结构体系在六个方向均能实现一定程度的刚度自适应：(1)正常使用荷载工况下，三维隔震结构体系在水平/竖向/摇摆/扭转方向均具有足够的刚度，使得三维隔震结构能够承受结构的正常使用荷载而不发生较大的变形。(2)当动荷载较小时(地铁振动、风振或多遇地震)，负刚度连接装置2提供负刚度，三维隔震结构体系在水平/竖向/摇摆/扭转方向刚度均较小，使得三维隔震结构能够隔离较宽频率范围的地铁振动和地震震动。(3)当动荷载较大时(罕遇地震)，负刚度连接装置2提供正刚度，三维隔震结构体系在水平/竖向/摇摆/扭转方向刚度较大，其抗扭转/抗摇摆/抗倾覆能力也相应较好，从而降低了罕遇地震下三维隔震结构的整体位移。
以上为本发明的具体说明，仅为本发明的最佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神及原则之内的修改、等同替换和改进等，应均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种三维隔震结构体系，包括基础(7)，其特征在于：所述基础(7)上依次固定叠设有若干水平隔震装置(4)，竖向隔震装置(3)、刚性楼板(5)和上部结构(8)；在隔离若干所述水平隔震装置(4)周围的基础(7)上固定设置有若干侧向挡板(6)，所述侧向挡板(6)通过负刚度连接装置(2)与所述刚性楼板(5)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种三维隔震结构体系，其特征在于：所述所述水平隔震装置(4)的数量与排列方式与所述上部结构(8)设有的柱的数量和排列相对应。
3.根据权利要求1所述的一种三维隔震结构体系，其特征在于：所述所述竖向隔震装置(3)的数量与排列方式和所述水平隔震装置(4)的数量与排列方式相同。
4.根据权利要求1所述的一种三维隔震结构体系，其特征在于：所述负刚度连接装置(2)由碟形弹簧(9)、外套筒(10)、内导杆(11)、中间挡板(12)、万向铰(13)、端部翼缘(14)构成，所述外套筒(10)为一端连接开设有中心孔的端部翼缘(14)，另一端连接带有小于外套筒(10)小圆筒的端部翼缘(14)的圆筒体，所述内导杆(11)穿插在所述外套筒(10)中，所述内导杆(11)上依次套装有若干碟形弹簧(9)和中间挡板(12)；所述外套筒(10)一端的内导杆(11)通过所述万向铰(13)与所述侧向挡板(6)相连接，另一端的小圆筒通过所述万向铰(13)与所述刚性楼板(5)相连接。
5.根据权利要求4所述的一种三维隔震结构体系，其特征在于：所述端部翼缘(14)与所述内导杆(11)之间还设置有密封圈(15)。
6.根据权利要求4所述的一种三维隔震结构体系，其特征在于：所述外套筒(10)内还灌入硅油(16)。
7.根据权利要求4所述的一种三维隔震结构体系，其特征在于：所述碟形弹簧(9)为两两镜像设置。
8.根据权利要求1-3任一所述的一种三维隔震结构体系，其特征在于：所述所述竖向隔震装置(3)为碟形弹簧竖向隔震支座或空气弹簧隔震支座；所述水平隔震装置(4)为常规的铅芯橡胶支座或高阻尼橡胶支座。
9.根据权利要求1-3任一所述的一种三维隔震结构体系，其特征在于：所述侧向挡板(6)和刚性楼板(5)均采用钢板或混凝土板。
10.根据权利要求1-3任一所述的一种三维隔震结构体系，其特征在于：所述上部结构(8)为框架结构、剪力墙结构或框架-剪力墙结构；所述基础(7)为筏形基础。
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