基础设施大承载多方向隔减振装置及其防灾方法

技术领域

本发明属于轨道交通、核电站等基础设施防灾减振技术领域，具体涉及基础设施大承载多方向隔减振装置及其防灾方法。

背景技术

轨道交通、核电站等重要基础设施在运营期间承受较大的动力荷载，其中包括由列车、发电机组等设备引起的竖向动力荷载和由地震作用引起的水平向激励。高速铁路和城市轨道交通一般采用板式轨道结构，列车运行时，轨道不平顺等轮轨激扰作用引起轨道和列车振动，影响列车运行的安全性和舒适性，此外，振动能量与噪声沿轨道结构向下传递，引发铁路桥梁、隧道、地下结构及近邻建筑物的二次振动和噪声。核电站的发电机组等重型设备在运行过程中激励核电站结构产生振动，影响核电站结构正常使用。地震作用是工程中频发的自然灾害之一，会引起结构的剧烈震动、破坏和倒塌。多方向有害振动威胁结构的使用性能和安全性，甚至会引起人员伤亡、核泄漏等灾难性事故。隔减振装置是控制结构振动的一种有效措施，因其构造简单、强鲁棒性和高稳定性的优点被广泛应用。

目前常用的轨道结构隔减振措施主要有钢轨减振扣件、橡胶垫层和钢弹簧隔振器，都以竖向隔振为主要目的。减振扣件提供的参振质量有限，隔振效果较低。橡胶垫层的阻尼性能受温度影响大，长期在野外工作时易老化且耐腐蚀性差，无法达到与金属材料相同的使用寿命和隔振效果。钢弹簧隔振器造价较高，广泛用于博物馆、精密仪器实验室、医院等需要较高减振降噪要求的特殊地段，但钢弹簧隔振器的阻尼比较小，耗能能力差，易导致轨道垂向位移过大，对列车运行安全性影响大。

目前常用的核电站隔减振措施主要有铅芯橡胶支座、螺旋钢弹簧隔振支座或二者的组合体。铅芯橡胶支座能够较好地消耗水平向地震作用，但竖向刚度较大，竖向减振能力弱。螺旋钢弹簧隔振支座能够将重型设备隔离，在一定程度上阻止振动传向主体结构，但其阻尼比较小，耗能能力差，刚度较低，承载能力较弱。

粘弹性材料的阻尼比通常较大，通过剪切或压缩变形将振动能量以热能的形式耗散，具有优越的减振能力，尤其在拉压变形模式下具有较长的使用寿命。金属材料通常具有耐高低温、长使用寿命和隔振能力，由金属材料制成的碟形弹簧具有优越的承载能力。因此，针对轨道结构、桥梁结构及核电站等承受较大动力荷载的工程结构，发明一种充分利用粘弹性材料拉压耗能和金属材料稳定性的基础设施大承载多方向隔减振装置，极具工程应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基础设施大承载多方向隔减振装置，该装置承载能力强，阻尼大，减振耗能性能好，能够同时在水平方向、竖直方向及扭转方向起到减振作用，能够保证主体结构的各向位移均在允许范围内。此外，该装置中各部件拆卸方便，便于维护和更换。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段为：

基础设施大承载多方向隔减振装置，包括上、下对置的底座和上端盖，所述上端盖包括：

顶板；

压筒，竖向连接在所述顶板下表面。

所述底座包括：

底板；

导筒，位于底板上表面中心，且嵌套在所述压筒内部，所述导筒外壁与压筒内壁之间留有一定距离，为装置水平变形提供一定空间；

导筒端板，位于所述导筒顶面，且中间预留孔道。

竖向减振部，用于装置的竖向减振和承载，包括：

压轴，其具有竖向连接杆和横向压板，其中，所述竖向连接杆的上端与所述顶板的下表面固定连接，下端向下延伸至所述导筒内腔与所述横向压板连接；

耗能减振块，位于导筒内腔，并被所述压轴挤压；

限位台，位于导筒内腔底部，围绕所述耗能减振块设置，对耗能减振块的压缩高程进行限位；

弹性支撑单元，竖向套接在所述导筒的筒壁上并被所述压筒挤压。

水平向减震部，包括多个，安装在底板上表面且围绕所述导筒轴线均匀对称设置，用于耗散水平方向的振动能量。

所述耗能减振块为高耗散耗能减振块，成对设置在所述压轴的横向压板上下位置，包括位于横向压板下部的第一耗能减振块和位于横向压板上部的第二耗能减振块；第二耗能减振块顶面与所述导筒端板底面接触，并在中心设孔供所述压轴穿过，底面与所述压轴的横向压板顶面接触；第一耗能减振块顶面与所述压轴的横向压板底面接触，底面与所述底板接触；

所述限位台内壁与所述耗能减振块外壁之间留有一定距离，所述限位台顶面与所述压轴的横向压板底面留有距离a，为耗能减振块提供变形空间；

所述弹性支撑单元为碟形弹簧；

所述水平向减震部包括：

滑轨，包括四个，设置在底板上表面且围绕所述导筒轴线均匀对称设置，每个滑轨上滑动设置有一个支撑底座；

每个支撑底座上连接一个水平向减震单元，每个水平向减震单元包括：

第一球铰，设置在所述支撑底座上，第一球铰的左、右两端分别通过压杆与两个水平向布置的筒形减震单元连接，两个筒形减震单元的另一端与固定在底板上的固定端板连接；

第二球铰，设置在所述顶板的下表面，第二球铰通过传力单元与所述第一球铰连接。

所述传力单元为刚性压杆。

所述传力单元为筒形减震单元。

还包括螺旋钢弹簧，所述螺旋钢弹簧套接在所述筒形减震单元的外部，一端与所述支撑底座外壁连接，另一端与所述固定端板连接。

所述筒形减震单元包括：

套筒；

压板，设置在所述套筒内部，并且可以与所述套筒内壁之间相对滑动；

粘弹性减振材料，设置在所述套筒内且位于所述压板的一侧，供所述压板压缩。

所述滑轨的端部设有对所述支撑底座进行限位用的限位部。

所述水平向减震部包括：

固定端板，固定在所述底板的上表面；

筒形减震单元，呈水平向布置，包括：

套筒，套筒的一端与所述固定端板连接；

压板，设置在所述套筒内部，并且可以与所述套筒内壁之间相对滑动；

粘弹性减振材料，设置在所述套筒内且位于所述压板的两侧，供所述压板压缩；

压杆，一端与所述压板连接，另一端伸出所述套筒与一连接臂一端连接，连接臂另一端与设置在顶板上的滑槽栓接。

一种基于所述基础设施大承载多方向隔减振装置的防灾方法，上端盖用以支撑主体结构，底座固定在支撑结构上，安装时先对装置进行预压缩，

装置在竖向分阶段受力过程明确，具有分段刚度和阻尼特征，弹性支撑单元直接承受大部分荷载，为装置提供大承载能力；

无动荷载作用时，在结构静载作用下，受压的弹性支撑单元恢复部分变形，同时压轴上升，第二耗能减振块受压；

第二球铰随上端盖移动，通过传力单元带动第一球铰在所述支撑底座上绕水平轴转动，为装置提供竖向变形空间；弹性支撑单元仍处于压缩状态，为隔减振装置提供预压量，提高装置隔减振性能；

当竖向动载作用时，所述压筒挤压弹性支撑单元，压轴往复交替挤压第二耗能减振块和第一耗能减振块，弹性支撑单元和耗能减振块共同对竖向振动进行隔离和减弱，提高装置的耗能能力；

当竖向动载过大时，上端盖的竖向位移增大，直到压轴将第一耗能减振块完全压进限位台，限位台阻止压轴的位移继续增大，使主体结构的竖向位移始终在允许范围内；

当所述装置受到某一水平方向地震作用时，上端盖通过第二球铰带动传力单元产生水平向位移，传力单元通过第一球铰带动筒形减震单元以及支撑底座发生水平方向的移动，筒形减震单元中的粘弹性减振材料通过压缩变形进行耗能；

在传力单元带动下，另一水平方向上筒形减震单元的压杆沿径向挤压粘弹性减振材料进行耗能，使传力单元在地震方向上发生小范围水平移动，为装置提供一定的水平变形空间；

当所述装置受到偏载作用时，压轴、压筒与导筒之间互相嵌合，在空间上均匀分布的传力单元约束上端盖的侧覆，为装置提供了抗倾覆能力，确保装置受到偏载作用时可以保持正常工作，增强了结构的稳定性。

一种基于所述基础设施大承载多方向隔减振装置的防灾方法，上端盖用以支撑主体结构，底座固定在支撑结构上，安装时先对装置进行预压缩，

装置在竖向分阶段受力过程明确，具有分段刚度和阻尼特征，弹性支撑单元直接承受大部分荷载，为装置提供大承载能力。

无动荷载作用时，在结构静载作用下，受压的弹性支撑单元恢复部分变形，同时压轴上升，第二耗能减振块受压；

连接臂一端随上端盖移动，带动所述压杆在所述筒形减震单元内绕筒形减震单元的轴向水平轴转动，为装置提供竖向变形空间；弹性支撑单元仍处于压缩状态，为隔减振装置提供预压量，提高装置隔减振性能；

当竖向动载作用时，所述压筒挤压弹性支撑单元，压轴往复交替挤压第二耗能减振块和第一耗能减振块，弹性支撑单元和耗能减振块共同对竖向振动进行隔离和减弱，提高装置的耗能能力；

当竖向动载过大时，上端盖的竖向位移增大，直到压轴将第一耗能减振块完全压进限位台，限位台阻止压轴的位移继续增大，使主体结构的竖向位移始终在允许范围内；

当所述装置受到某一水平向地震作用时，上端盖通过连接臂带动水平方向布置的筒形减震单元产生水平向位移，筒形减震单元中的粘弹性减振材料压缩变形进行耗能，另一水平方向上筒形减震单元的压杆沿径向挤压粘弹性减振材料，为装置提供一定的水平变形空间；

当所述装置受到偏载作用时，在空间上均匀分布的连接臂约束上端盖的侧覆，为装置提供了抗倾覆能力，确保装置受到偏载作用时可以保持正常工作。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果为：

一、该装置充分利用粘弹性材料拉压变形耗能能力和金属材料稳定性进行综合隔减振，工作性能稳定，粘弹性材料位于护筒内，不易被腐蚀。克服传统减振垫层因高温和材料老化导致减振性能差的缺点，克服传统钢弹簧隔振器阻尼小、耗能能力差的缺点，克服传统橡胶支座仅单向减振和传统螺旋弹簧隔振支座承载能力弱、耗能小的缺点。

二、在竖向动力作用下，竖向减振部的碟形弹簧与耗能减振块产生压缩变形，共同提供具有良好的隔振性能和耗能能力，同时设有竖向限位距离a，使主体结构竖向位移始终在允许范围内。碟形弹簧作为承受竖向荷载的主要部件，克服了传统隔振器承载能力有限的缺点，使装置具有大承载能力。

三、在水平地震作用下，水平向减震部中的粘弹性减振材料块发生往复压缩变形，大量耗散振动能量，克服了传统轨道减振措施水平向减震能力弱的缺点，克服了传统核电站减振措施仅单向耗能的缺点，使装置具有多方向耗能减振（震）能力。

四、传力单元传递上端盖和底座之间的水平位移，并通过空间布置约束装置的扭转侧翻，增强结构稳定性。减震形式的传力单元在水平向、竖向或偏载作用下均能发挥一定耗能作用，进一步提高装置的减振（震）性能。

五、该装置压轴、压筒与导筒之间互相嵌合，传力单元在空间上均匀分布，既为装置提供一定的变形空间，又在变形过大时起限位保护作用，为装置提供抗倾覆能力，保证该装置受到偏载作用时仍能正常工作。此外，该装置各部件拆卸方便，便于维护和更换。

附图说明

图1为本发明基础设施大承载多方向隔减振装置的结构剖面图。

图2为本发明基础设施大承载多方向隔减振装置的结构示意图。

图3为本发明基础设施大承载多方向隔减振装置的装配结构爆炸图。

图4为本发明基础设施大承载多方向隔减振装置的底座结构示意图。

图5为本发明基础设施大承载多方向隔减振装置水平向减震部结构剖面图。

图6为本发明基础设施大承载多方向隔减振装置的实施例3示意图。

图7为本发明基础设施大承载多方向隔减振装置的实施例3剖面图。

图8为本发明基础设施大承载多方向隔减振装置实施例的3水平向减震部剖面图。

图中，1、上端盖；1-1、顶板；1-2、压轴；1-3、压筒；1-4、预留连接件；2、底座；2-1、底板；2-2、导筒；2-3、导筒端板；2-4、滑轨；2-5、支撑底座；3、竖向减振部；3-1、限位台；3-2、碟形弹簧；3-3、第一耗能减振块；3-4、第二耗能减振块；4、水平向减震部；4-1、筒形减震单元；4-1-1、套筒；4-1-2、压杆；4-1-3、压板；4-1-4、粘弹性减振材料；4-2、传力单元；4-3、第一球铰；4-4、第二球铰；5、螺旋钢弹簧；6、螺栓；7、固定端板；

8-1、连接臂；

8-2、连接臂一端。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

实施例1

如图1、图2和图3所示，本发明所描述的是一种基础设施大承载多方向隔减振装置，由上端盖1、底座2、竖向减振部3、水平向减震部4和螺旋钢弹簧5，五大部分组成。竖向减振部3位于底座2中心处，起到竖直方向减振作用。水平向减震部4在水平方向上成对设置，均匀分布在竖向减振部3外侧，通过螺栓6和固定端板7与底座2相连。螺旋钢弹簧5套在水平向减震部4上，共同起到水平方向减震作用。

如图1和图2所示，所述上端盖1包括顶板1-1、压轴1-2、压筒1-3和预留连接件1-4。

所述压轴1-2位于顶板1-1中心，为T字型，底部设有压板，压板顶面和底面分别与第二耗能减振块3-4和第一耗能减振块3-3接触，装置产生竖向位移时压轴1-2挤压高耗散耗能减振块；所述压筒1-3围在压轴1-2外部，始终挤压碟形弹簧3-2，确保装置具有足够的竖向支撑和隔振能力。

如图1和图3所示，所述竖向减振部3用于耗散竖向振动能量、承受竖向荷载，包括限位台3-1、碟形弹簧3-2、第一耗能减振块3-3和第二耗能减振块3-4。

所述限位台3-1位于导筒2-2内部，在装置承受过大荷载时起限位作用；所述碟形弹簧套在导筒2-2外部，是承受竖向荷载的主要元件，为装置提供大承载能力；所述第一耗能减振块3-3放置在限位台3-1内部，与限位台内壁有一定距离，其顶面高出限位台高度a；所述第二耗能减振块3-4中间设柱状孔，套在压轴1-2上，其外径小于导筒2-2内径，为耗能减振块受压变形提供空间。

如图1和图4所示，所述底座2包括底板2-1、导筒2-2、导筒端板2-3、滑轨2-4和支撑底座2-5。所述导筒2-2位于底板2-1中心，嵌套在压轴1-2外部和压筒1-3内部，并与压筒1-3内壁之间留有一定间距；所述导筒端板2-3位于导筒2-2顶部，中间设孔供压轴1-2穿过，导筒端板2-3底面与所述第一耗能减振块3-3顶面接触，导筒端板2-3顶面与所述第二耗能减振块3-4底面接触；所述支撑底座2-5在前后和左右方向上各设一对，底部设有与滑轨2-4匹配的滑槽，使支撑底座2-5在可水平方向上发生小幅值移动。

如图1和图5所示，所述水平减振部4用于耗散水平方向的振动能量，包括套筒4-1-1、压杆4-1-2、压板4-1-3、粘弹性减振材料4-1-4、传力单元4-2、第一球铰4-3和第二球铰4-4。所述压杆4-1-2插入套筒4-1-1中，并设有直径与所述套筒4-1-1内径相同的压板4-1-3；所述粘弹性减振材料4-1-4套在压杆4-1-2上，位于套筒4-1-1端部和压板4-1-3之间，并与套筒4-1-1内壁之间有一定间隙，为粘弹性减振材料4-1-4的变形提供空间；压杆4-1-2和压板4-1-3与套筒4-1-1内壁在水平方向上可以相对滑动，从而能够在水平向地震作用下挤压粘弹性减振材料4-1-4。套筒4-1-1、压杆4-1-2、压板4-1-3和粘弹性减振材料4-1-4共同组成所述筒形减震单元4-1，在每个水平向减震部中成对设置。压杆4-1-2可带动压板4-1-3绕水平轴自由转动，当装置受到某一方向水平作用时，确保另一方向的水平减震部不阻碍装置的水平位移。所述传力单元4-2通过所述第一球铰4-3和第二球铰4-4分别与筒形减震单元4-1和上端盖1相连，传递上端盖1和底座2之间的水平位移，并通过空间布置约束装置的侧翻、倾覆，增强结构稳定性；传力单元4-2可采用筒形减震单元4-1的形式来增强装置耗能能力，也可设为刚性压杆，当装置水平位移过大时，传力单元4-2起到限位作用；第一球铰4-3嵌入支撑底座2-4内，球铰4-3嵌入连接件1-4内。

进一步的，如图2和图3所示，所述螺旋钢弹簧5套在筒形减震单元4-1外部，端部分别支撑在支撑底座2-5和所述固定端板7上，与筒形减震单元4-1共同对水平方向的能量进行隔离和耗散。固定端板7与套筒4-1-1端部采用焊接等方式刚性连接，并通过所述螺栓6与底座2相连，对水平向减震部4和螺旋钢弹簧5起支撑和限位作用。

本发明实例1基础设施大承载多方向隔减振装置的工作方法是：

上端盖1用以支撑主体结构，底座2固定在支撑结构上，安装时先对装置进行大幅值压缩；

无动荷载时，在结构静载作用下，受压的碟形弹簧3-2恢复部分变形；压轴1-2上升，第二耗能减振块3-4受压；第一耗能减振块3-3恢复变形至顶面高出限位台顶面a；传力单元4-2顶部随上端盖1移动，带动所述压杆4-1-2及压板4-1-3绕各自的水平轴转动，为装置提供竖向变形空间；碟型弹簧3-2仍处于压缩状态，为隔减振装置提供预压量，提高装置隔减振性能；

当竖向动载作用时，压筒1-3挤压碟形弹簧3-2，压轴1-2往复交替挤压第二耗能减振块3-4和第一耗能减振块3-3，上端盖的竖向位移小于a；碟形弹簧3-2和耗能减振块共同对竖向振动进行隔离和减弱，提高装置的耗能能力；

当竖向动载过大时，上端盖1的竖向位移增大，直到压轴1-2将第一耗能减振块3-3完全压进限位台3-1，限位台阻止压轴1-2的位移继续增大，确保上端盖1的竖向位移不超过a，使主体结构的竖向位移始终在允许范围内；

当所述装置受到某一水平方向作用时，上端盖1通过水平向减震部4的第二球铰4-4带动传力单元4-2产生水平向位移，传力单元4-2通过第一球铰4-3带动压杆4-1-2、压板4-1-3以及支撑底座2-5发生水平方向的移动，粘弹性减振材料4-1-4和螺旋钢弹簧5通过压缩变形进行耗能；另一方向上一对水平向减震部4的压杆4-1-2和压板4-1-3在传力单元4-2的作用下绕各自的水平轴转动，为装置提供一定的水平变形空间；当水平位移过大时，滑轨2-4端部限位块和垂直方向的水平向减震部4阻止装置位移进一步增大；

当所述装置受到偏载作用时，压轴1-2、压筒1-3与导筒2-2之间互相嵌合，在空间上均匀分布的传力单元4-2约束上端盖1的侧覆，为装置提供了抗倾覆能力，确保装置受到偏载作用时可以保持正常工作，增强结构的稳定性；

当所述装置的传力单元4-2采用与筒形减震单元4-1相同的形式时，在水平向、竖向或偏载作用下，传力单元4-2均能发挥一定耗能作用，进一步提高装置的减振性能。

实施例2

本实施例中，取消所述螺旋钢弹簧5。

实施例3

本实施例中，所述水平向减震部4替换为单筒受压形式，同时取消所述滑轨2-4、所述支撑底座2-5、所述第一球铰4-3和所述螺旋钢弹簧5；所述第二球铰4-4和预留连接件1-4均用滑槽替换，并采用螺栓连接，在保证有效位移传递的同时为装置提供了一定的水平及竖向变形空间，如图6、图7和图8所示。

本实施例装置的工作方法中装置承受竖向力的工作方法与实施例1相同，不同点在于受水平方向振动时，

当所述装置受到某一水平向地震作用时，上端盖1通过连接臂带动水平方向布置的筒形减震单元4-1产生水平向位移，筒形减震单元中的粘弹性减振材料4-1-4压缩变形进行耗能，另一水平方向上筒形减震单元4-1的压杆沿径向挤压粘弹性减振材料4-1-4，为装置提供一定的水平变形空间；

当所述装置受到偏载作用时，在空间上均匀分布的连接臂约束上端盖1的侧覆，为装置提供了抗倾覆能力，确保装置受到偏载作用时可以保持正常工作。