一种非线性水平隔震装置

技术领域

本发明涉及隔震领域，具体涉及一种非线性水平隔震装置。

背景技术

隔震技术是一种降低地震灾害的经济有效的技术手段，已成为地震工程最重要的成果之一。现有的水平隔震装置主要有铅芯橡胶隔震支座、摩擦摆隔震支座等，前者适用于重型结构，不适用于轻型结构；后者抗扭稳定性较差，摩擦面的设计要求较高，实现较为困难。

发明内容

为了提高隔震装置的隔震性能，提高隔震装置的适用范围，更好地保护结构在地震作用下的安全性，本发明提供了一种非线性水平隔震装置，包括面板、与所述面板固定连接的上导轨副、底板、与所述底板固定连接的下导轨副、拉杆阻尼器和球铰连接件；

所述面板与受保护结构固定连接，所述底板与地面或非保护结构固定连接；

所述球铰连接件上端与所述上导轨副固定连接，下端与所述下导轨副固定连接；

所述拉杆阻尼器的一端与球铰连接件铰接，另一端与受保护结构、地面或非保护结构铰接。

优选的，所述球铰连接件包括上球铰板、球铰连接组件和下球铰板；

所述上球铰板与所述上导轨副固定连接，所述下球铰板和所述下导轨副固定连接；

所述上球铰板和所述下球铰板通过所述球铰连接组件固定连接。

优选的，所述上球铰板的底面开设有球形凹槽，且所述上球铰板上开设有第一沉头孔；

所述下球铰板的顶面上固定设置有与所述上球铰板的所述球形凹槽半径相同的球形凸块，所述球形凸块的凸起高度大于所述上球铰板的所述球形凹槽的深度；

所述下球铰板上开设有与所述上球铰板的所述第一沉头孔相对应的第二沉头孔。

优选的，所述上球铰板的底面和所述下球铰板的顶面之间设置有中部橡胶环；

所述中部橡胶环与所述第一沉头孔和所述第二沉头孔同心设置，且所述中部橡胶环的厚度大于所述上球铰板和所述下球铰板平行放置时的间隙高度；

所述上球铰板的第一沉头孔设置有上部橡胶环，所述下球铰板的第二沉头孔设置有下部橡胶环。

优选的，所述球铰连接组件包括将所述上球铰板和所述下球铰板固定连接的球铰连接螺栓和球铰连接螺母。

优选的，所述拉杆阻尼器包括上部拉杆阻尼器和下部拉杆阻尼器；

所述上部拉杆阻尼器和所述下部拉杆阻尼器均包括运动杆端部和固定杆端部；

所述上部拉杆阻尼器的运动杆端部与所述上球铰板铰接，固定杆端部与受保护结构铰接；

所述下部拉杆阻尼器的运动杆端部与所述下球铰板铰接，固定杆端部与地面或非保护结构铰接。

优选的，所述上导轨副包括上部弧形导轨和与所述上部弧形导轨滑动连接的上部滑块；

所述下导轨副包括下部弧形导轨和与所述下部弧形导轨滑动连接的下部滑块；

所述上球铰板与所述上部滑块固定连接，所述下球铰板与所述下部滑块固定连接；

所述上部弧形导轨和所述下部弧形导轨在水平投影面上正交设置。

优选的，所述上部弧形导轨设置为导轨中部位置最高，导轨两端位置最低且高度相等；

所述下部弧形导轨设置为导轨中部位置最低，导轨两端位置最高且高度相等。

优选的，所述面板上设置有用于安装所述上部弧形导轨的上部安装槽，所述底板上设置有用于安装所述下部弧形导轨的下部安装槽；

所述上部安装槽内设置有与所述上部弧形导轨贴合安装的上部弧面，所述下部安装槽内设置有与所述下部弧形导轨贴合安装的下部弧面。

优选的，所述上部弧形导轨固定连接于所述面板的其中一个方向对角线上，所述下部弧形导轨固定连接于所述底板的另一方向的对角线上。

优选的，所述滑块可设置为滚动体滑块或滑动体滑块。

优选的，还包括设置于所述面板和所述底板之间的拉伸弹簧。

优选的，所述拉伸弹簧包括多支上部拉伸弹簧和多支下部拉伸弹簧；

所述上部拉伸弹簧一端与所述上球铰板连接，另一端与所述面板或固定于所述面板的连接件连接；

所述下部拉伸弹簧一端与所述下球铰板连接，另一端与所述底板或固定于所述底板的连接件连接。

优选的，还包括通过连接构件经所述非线性水平隔震装置的面板将多个所述非线性水平隔震装置固定连接成一个整体；

所述非线性水平隔震装置的数量至少为3个。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供了一种非线性水平隔震装置，包括面板、与所述面板固定连接的上导轨副、底板、与所述底板固定连接的下导轨副、拉杆阻尼器和球铰连接件；所述面板与受保护结构固定连接，所述底板与地面或非保护结构固定连接；所述球铰连接件上端与所述上导轨副固定连接，下端与所述下导轨副固定连接；所述拉杆阻尼器的一端与球铰连接件铰接，另一端与受保护结构、地面或非保护结构铰接。本发明提出一种高隔震性能、组装加工难度低的水平隔震装置。

拉杆阻尼器在受拉和受压的状态均能提供阻尼力，其自身不向隔震装置提供额外的刚度，在上下导轨副的各自的平行侧设置拉杆阻尼器，吸收非线性水平隔震装置往复运动的动能并将其转化为热能，从而实现减少位移、耗散能量的效果。

2、在恢复力不足的情况下，拉伸弹簧可以提供额外的恢复力。

拉伸弹簧提供的恢复力是非线性的，在非线性水平隔震装置处于初始位置时，拉伸弹簧对隔震装置的附加刚度为零，随着位移增大，拉伸弹簧对隔震装置的附加刚度也随之提高。

3、上部弧形导轨和下部弧形导轨设置为弧形，增加整体装置的自复位功能。

4、同时在多个非线性水平隔震装置之上安装受保护结构，使多个非线性水平隔震装置可以适用于不同重量结构。

在地震作用下，受保护结构和与受保护结构固定连接的面板相对于底板发生运动时，上下层导轨副将面板的位移分解成各自方向的位移，而由于受保护结构与多个面板同时固定连接，因此限制着面板相对于底板产生转动，即安装于面板的弧形导轨也不会相对于底板产生转动，但滑块在弧形导轨的滑动轨迹为半径R值的圆弧，即滑块安装平面的法线一直指向圆弧的圆心，从而，上部滑块和下部滑块在运动过程中，其安装平面的法线与竖直方向产生夹角α，而球铰连接件允许上球铰板与下球铰板形成摆角来抵消夹角α，因此，与受保护结构固定连接的面板相对于底板的运动方式为同上同下的平移运动。

附图说明

图1为实施例一的非线性水平隔震装置的整体结构示意图；

图2为实施例一的非线性水平隔震装置的俯视图；

图3为实施例一的球铰连接件和拉杆阻尼器的整体结构示意图；

图4为实施例二的非线性水平隔震装置的整体结构示意图；

图5为实施例二的非线性水平隔震装置的俯视图；

图6为实施例三的四组非线性水平隔震装置的整体结构示意图；

图7为实施例三的无拉伸弹簧的四组非线性水平隔震装置的俯视图；

图8为实施例三的有拉伸弹簧的四组非线性水平隔震装置的俯视图；

图9为实施例四的六组非线性水平隔震装置的整体结构示意图；

其中：1、面板；2、底板；3、上球铰板；4、下球铰板；5、上部弧形导轨；6、下部弧形导轨；7、上部滑块；8、下部滑块；9、上部拉杆阻尼器；10、下部拉杆阻尼器；11、上部阻尼连接件；12、下部阻尼连接件；13、球铰连接螺栓；14、球铰连接螺母；15、上部橡胶环；16、下部橡胶环；17、中部橡胶环；18、上部拉伸弹簧；19、下部拉伸弹簧；20、上部三角连接件；21、下部三角连接件。

具体实施方式

本发明公开了一种非线性水平隔震装置，该装置实现了高隔震性能、组装加工难度低、可以适用于不同重量结构的效果。

实施例1

如图1、图2和图3所示，一种非线性水平隔震装置，包括面板1、与面板1固定连接的上导轨副、底板2、与底板2固定连接的下导轨副、拉杆阻尼器和球铰连接件；

面板1与受保护结构固定连接，底板2与地面或非保护结构固定连接；球铰连接件上端与上导轨副固定连接，下端与下导轨副固定连接。

上导轨副包括上部弧形导轨5和与上部弧形导轨5滑动连接的上部滑块7；下导轨副包括下部弧形导轨6和与下部弧形导轨6滑动连接的下部滑块8。

上部弧形导轨5和下部弧形导轨6设置为弧形导轨；滑块可设置为滚动体滑块，也可设置为滑动体滑块，在此以滑动体滑块为例，滑块的滑动轨迹为半径R的圆弧形，滑动轨迹的半径R的范围为2米至无穷大。

面板1与底板2呈正方形设置，面板1上开设有上部安装槽，上部安装槽顶面设置为上部弧面，上部弧形导轨5固定连接于上部安装槽内，且与上部弧面贴合；底板2上开设有下部安装槽，下部安装槽底面设置为下部弧面，下部弧形导轨6固定连接于下部安装槽内，且与下部弧面贴合。上部弧形导轨5和下部弧形导轨6在水平投影面上正交设置，上部弧形导轨5固定连接于面板1的其中一个方向对角线上，下部弧形导轨6固定连接于底板2的另一方向的对角线上。

球铰连接件包括上球铰板3、球铰连接组件和下球铰板4；上球铰板3的底面中心位置开设有球形凹槽，且上球铰板3的四周开设有四个第一沉头孔；下球铰板4的顶面中心位置处固定设置有与上球铰板3的球形凹槽半径相同的球形凸块，球形凸块的凸起高度大于上球铰板3的球形凹槽的深度，下球铰板4的四周开设有与上球铰板3的第一沉头孔相对应的四个第二沉头孔。上球铰板3和下球铰板4通过球铰连接组件固定连接。

上球铰板3安装于下球铰板4上方，下球铰板4的球形凸块嵌于上球铰板3的球形凹槽内，上球铰板3的底面与下球铰板4的顶面存在间隙，球形凸块与球形凹槽可相对滑动，可使上球铰板3与下球铰板4形成摆角。

上球铰板3的底面和下球铰板4的顶面之间设置有四个中部橡胶环17，中部橡胶环17与第一沉头孔和第二沉头孔同心设置，中部橡胶环17的厚度大于上球铰板3和下球铰板4平行放置时的间隙高度；上球铰板3上的每个第一沉头孔均同心安装有一个上部橡胶环15，下球铰板4上的每个第二沉头孔均同心安装有一个下部橡胶环16。

球铰连接组件包括球铰连接螺栓13和球铰连接螺母14，通过四个球铰连接螺栓13根据设定紧固力分别依次穿过上部橡胶环15、上球铰板3上的第一沉头孔、中部橡胶环17、下球铰板4上的第二沉头孔、下部橡胶环16和球铰连接螺母14，从而将上球铰板3和下球铰板4固定连接，上部橡胶环15和下部橡胶环16在设定紧固力作用下受压产生设定压缩位移，同时位于上球铰板3和下球铰板4之间的四个中部橡胶环17的上表面贴紧上球铰板3的底面、下表面贴紧下球铰板4的顶面。

上部滑块7通过螺栓固定连接于上球铰板3的顶面，下部滑块8固定连接于下球铰板4的底面。

拉杆阻尼器包括上部拉杆阻尼器9和下部拉杆阻尼器10；上部拉杆阻尼器9和下部拉杆阻尼器10均包括运动杆端部和固定杆端部；上部拉杆阻尼器9与上部弧形导轨5在水平面投影为平行布置，上部拉杆阻尼器9的运动杆端部通过水平放置的连接销与上球铰板3铰接，连接销两端通过螺母收紧固定，固定杆端部同样通过水平放置的连接销与上部阻尼连接件11铰接，上部阻尼连接件11与受保护结构通过螺栓固定连接。

下部拉杆阻尼器10与下部弧形导轨6在水平面投影为平行布置，下部拉杆阻尼器10的运动杆端部通过水平放置的连接销与下球铰板4铰接，连接销两端通过螺母收紧固定，固定杆端部同样通过水平放置的连接销与下部阻尼连接件12铰接，下部阻尼连接件12与地面或非保护结构通过螺栓固定连接。

实施例2

如图4和图5所示，在恢复力不足的情况下，可增设拉伸弹簧，拉伸弹簧包括四支上部拉伸弹簧18和四支下部拉伸弹簧19。四支上部拉伸弹簧18以上部弧形导轨5的轴线作为对称线对称布置，且上部弧形导轨5的轴线与上部拉杆阻尼器9的轴线在平面内平行，上部弧形导轨5的两侧各有两支上部拉伸弹簧18。隔震装置在初始位置时，上部拉伸弹簧18与上部弧形导轨5在水平面投影为正交布置。

面板1通过螺栓固定连接有上部三角连接件20，上球铰板3上开设有用于连接拉伸弹簧的第一通孔，上部拉伸弹簧18一端转动连接于上球铰板3的第一通孔，且上部拉伸弹簧18的另一端通过螺栓和压片固定连接于上部三角连接件20。

四支下部拉伸弹簧19以下部弧形导轨6的轴线作为对称线对称布置，下部弧形导轨6的两侧各有两支下部拉伸弹簧19。隔震装置在初始位置时，下部拉伸弹簧19与下部弧形导轨6在水平面投影为正交布置。

底板2通过螺栓固定连接有下部三角连接件21，下球铰板4上开设有用于连接拉伸弹簧的第二通孔，下部拉伸弹簧19一端转动连接于下球铰板4的第二通孔，且下部拉伸弹簧19的另一端通过螺栓和压片固定连接于下部三角连接件21。

隔震装置在初始位置时，上部拉伸弹簧18和下部拉伸弹簧19在水平面投影为正交布置，且拉伸弹簧在非线性水平隔震装置位于初始位置时已处于拉伸状态。

实施例3

为保持被保护结构平衡，且非线性水平隔震装置受力分布合理的情况下，非线性水平隔震装置在使用时的使用数量为3个或以上。

如图6、图7和图8所示，在实例1和实例2中提到的非线性水平隔震装置可按照2×2排列组装成一个2×2型非线性水平隔震装置，2×2型非线性水平隔震装置的四个上部弧形导轨5在水平面投影为平行布置，其中，一条对角线的两个上部弧形导轨5在水平面投影为一条直线；另外，四个下部弧形导轨6在水平面投影为平行布置，其中，一条对角线的两个下部弧形导轨6在水平面投影为一条直线。

面板1和底板2的周侧开设有螺纹孔，用于四个非线性水平隔震装置的组装。本实施例中用于连接四个非线性水平隔震装置的连接构件以方钢为例。通过螺栓和方钢固定连接四个非线性水平隔震装置的面板1，使四个非线性水平隔震装置组合成一个整体。

拉杆阻尼器可安装于2×2型非线性水平隔震装置的内部，上部拉杆阻尼器9与上部弧形导轨5在水平面投影为平行布置，其中，上部拉杆阻尼器9的运动杆端部与在水平投影面成一条直线的其中一个上部弧形导轨5所对应的上球铰板3通过连接销铰接、固定杆端部与在水平投影面成一条直线的另一个上部弧形导轨5所对应的面板1通过上部阻尼连接件11铰接，且上部拉杆阻尼器9布置在水平投影面成一条直线的两个上部弧形导轨5的同一侧。

下部拉杆阻尼器10与下部弧形导轨6在水平面投影为平行布置，下部拉杆阻尼器10的运动杆端部与在水平投影面成一条直线的其中一个下部弧形导轨6所对应的下球铰板4用连接销铰接、固定杆端部与在水平投影面成一条直线的另一个下部弧形导轨6所对应的底板2通过下部阻尼连接件12铰接，且下部拉杆阻尼器10布置在水平投影面成一条直线的两个下部弧形导轨6的同一侧。

实施例4

如图1、图4和图9所示，在实例1和实例2中提到的非线性水平隔震装置可按照2×3排列组装成一个2×3型非线性水平隔震装置，2×3型非线性水平隔震装置的六个上部弧形导轨5在水平面投影为平行布置，另外，六个下部弧形导轨6在水平面投影为平行布置。

面板1和底板2的周侧开设有螺纹孔，用于六个非线性水平隔震装置的组装。本实施例中用于连接六个非线性水平隔震装置的连接构件以方钢为例。通过螺栓和方钢固定连接六个非线性水平隔震装置的面板1，从水平投影面看，非线性水平隔震装置两两紧靠固定连接，从而形成3组1×2型组合，然后3组1×2型组合两两等间距排列，并通过方钢固定连接面板1，使六个非线性水平隔震装置组合成一个整体，六个底板2分别与地面或非保护结构固定连接。

两个上部拉杆阻尼器9分别安装于对角线两端的非线性水平隔震装置之上，上部拉杆阻尼器9与上部弧形导轨5在水平面投影为平行布置，上部拉杆阻尼器9的运动杆端部与非线性水平隔震装置的上部弧形导轨5所对应的上球铰板3通过连接销铰接，固定杆端部通过水平放置的连接销与上部阻尼连接件11铰接，上部阻尼连接件11与受保护结构通过螺栓固定连接；

两个下部拉杆阻尼器10分别安装于另一对角线两端的非线性水平隔震装置之上，下部拉杆阻尼器10与下部弧形导轨6在水平面投影为平行布置，下部拉杆阻尼器10的运动杆端部与非线性水平隔震装置的下部弧形导轨6所对应的下球铰板4通过连接销铰接、固定杆端部通过水平放置的连接销与下部阻尼连接件12铰接，下部阻尼连接件12与地面或非保护结构通过螺栓固定连接。

实施例5

本发明还提供了一种非线性水平隔震装置的使用方法，具体如下：

地震发生时，与被保护结构固定连接的面板1通过连接上导轨副和下导轨副的球铰连接件相对于与地面或非保护结构固定连接的底板2产生水平方向的位移，并通过与球铰连接件连接的拉杆阻尼器将水平方向位移产生的动能转化为热能，耗散地震能量，增加被保护结构的稳定性。

与被保护结构固定连接的面板1通过连接上导轨副和下导轨副的球铰连接件相对于与地面或非保护结构固定连接的底板2产生水平方向的位移，具体包括：

与上导轨副固定连接的球铰连接件的上球铰板3和与下导轨副固定连接的球铰连接件的下球铰板4形成摆角。

与上导轨副固定连接的球铰连接件的上球铰板3和与下导轨副固定连接的球铰连接件的下球铰板4形成摆角，具体包括：

与上球铰板3固定连接的上导轨副的上部滑块7在与面板1固定连接的上部滑轨的上部弧形导轨5上滑动。

与下球铰板4固定连接的下导轨副的下部滑块8在与底板2固定连接的下部滑轨的下部弧形导轨6上滑动，且上部弧形导轨5与下部弧形导轨6在水平投影面上正交设置，从而将水平地震作用分解成两个正交方向的地震作用，进而隔离水平地震作用、削弱受保护结构地震反应。

弧形导轨的作用是调整非线性水平隔震装置的固有频率从而达到降低受保护结构固有频率的目的并且能提供满足使用要求的恢复力，其中，弧形导轨副是以重力作为恢复力。

弧形导轨副调整固有频率的原理与单摆原理一致，其恢复周期T

通过上述公式计算，重力恢复力不足的情况下，可在面板1与上球铰板3之间和底板2与下球铰板4之间增设拉伸弹簧，拉伸弹簧以其自身的拉伸弹力作为恢复力。

在非线性水平隔震装置处于初始位置时，拉伸弹簧与其对应的弧形导轨在水平面投影为正交布置，此时拉伸弹簧提供的刚度为0；地震发生时，随着位移增大，拉伸弹簧向非线性水平隔震装置提供的刚度增大，其恢复周期T

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。