一种超低频隔震装置及设计方法

技术领域

本发明涉及隔震领域，具体涉及一种超低频隔震装置及设计方法。

背景技术

隔震技术是工程领域为保护结构免遭地震作用破坏而能隔绝或减弱地震能量的技术，主要采用降低结构频率的方式达到隔震目的，但受制于材料性能与隔震装置安全稳定性限制，暂无可显著降低结构频率且可实现自复位功能的隔震装置。本专利旨在提出一种超低频隔震装置，装置起始隔震频率接近于零，具有一定的准零频工作行程，可显著降低地震发生时地震动能量由地面传递至上部被保护结构，准零频行程结束后进入非线性刚度区域，限制上部结构在地震作用下的位移响应，且可实现装置尺寸小型化、造价便宜，地震结束后隔震装置可恢复到初始状态。

地震时人类无法避免的自然灾害，地震引起的震动对结构破坏是毁灭性的，给生命和财产安全造成了巨大的损失。对于地震多发的国家。

历次大地震中电力设施的破坏导致国民经济损失惨重，其程度之深、范围之广已经引起人们的深切关注。在大地震中，电网供电设备受到严重破坏，造成难以估量的生命财产损失。震害调查发现，变电站内电力设施具有高、大、重等结构特点，大部分电力设施的套管结构为低强度、高脆性的电瓷材料，在地震作用下破坏现象严重。通过电力设施结构抗震优化的空间较小，附加的经济投入较大，制约了电网规划设计和稳定发展。针对电力设施的结构特点和抗震薄弱环节，有必要采用相关抗震措施降低此类设施的地震响应，保护电力设施地震安全。

传统抗震技术通过增强结构强度来抵抗地震，以结构构件本身损坏为代价消耗地震能量，经济性和安全性较差。隔震技术是在结构和基础间设置隔震装置，形成隔震层，隔离地震能量向上部结构传递，减小输入到上部结构的地震能量，同时延长上部结构的自振周期，降低上部结构的地震反应，达到预期的抗震防震要求。隔震技术是开始应用于建筑结构中，在过去的几十年中得到了历次地震检验，是近几十年来地震工程最重要成果之一，是一种经济、可靠、有效的防震减灾技术。

现有技术中专利名称：一种橡胶铅芯隔震支座，公开了：在两块钢板之间交替放置方形橡胶片和薄钢板，并通过硫化粘结在一起，把四角倒成圆角，外周与保护胶硫化成整体，在方形橡胶隔震支座的预留孔中，紧密地压入铅芯。

该专利主要利用的是橡胶低刚度特性，通过层间钢板约束橡胶变形方向，隔震支座安装在基础和被隔震结构间，地震作用下支座发生水平向剪切变形，隔震支座的水平侧刚度小，通过降低上部结构频率，从而实现隔震功能保护结构在地震作用下的安全性。橡胶铅芯隔震技术已大量应用于大型建筑结构抗震设计中。但存在如下缺点：

(1)橡胶铅芯隔震支座存在最小尺寸型号，单个支座的最小侧向刚度存在极限值，其起始隔震频率高，受力变形中刚度不够小，隔震效率受到限制，不适用于轻型结构。

(2)橡胶采用硫化技术与薄钢板粘接，装置的加工制造工艺要求较高，硫化过程存在环保污染风险。

(3)专利设计为降低地震灾害，无预防机械隔振或风振功能。

发明内容

针对现有隔震技术起始隔震频率值高、不适用轻型结构、隔震效率不足、震后无法自复位等问题，本发明提出了起始隔震频率小，具有宽频域隔震效果，隔震效率高、适用于各类轻型和重型结构，震后可自复位的隔震技术。

一种超低频隔震装置，安装于被隔震物体底部与基础之间，包括：依次设置的上层隔震装置、下层隔震装置和弹性连接件；所述上层隔震装置和下层隔震装置均具有水平方向滑动减震单元；

所述弹性连接件位于所述滑动减震单元之间。

优选的，所述上层隔震装置包括：上层钢框架(21)和第一滑动减震单元，所述第一滑动减震单元包括：上层直线导轨(12)、上层滑块和上层弹性件；

所述上层直线导轨(12)固定连接在所述上层钢框架(21)上；

所述上层滑块和所述弹性连接件布置在所述上层直线导轨(12)上；

所述上层弹性件的一端与所述上层滑块连接，另一端与所述上层钢框架(21)的内边框连接；

所述上层钢框架(21)与被隔震结构连接。

优选的，所述上层滑块和所述上层弹性件包括多个；

所述上层弹性件的个数为所述上层滑块个数的二倍。

优选的，所述下层隔震装置包括：下层钢框架(1)和第二滑动减震单元，所述第二滑动减震单元包括：下层直线导轨(2)、下层滑块、下层弹性件；

所述下层直线导轨(2)固定于所述下层钢框架(1)上；

所述下层滑块和所述弹性连接件均设置与所述下层直线导轨(2)上；

所述下层弹性件一端与所述下层滑块连接，另一端与所述下层钢框架(1)内边框连接；

所述下层钢框架(1)与基础连接。

优选的，所述下层滑块和所述下层弹性件均为多个；

所述下层弹性件的个数为所述下层滑块个数的二倍。

优选的，所述弹性连接件包括：中心滑块(3)和弹性件；

所述中心滑块(3)设置于所述上层直线导轨(12)和所述下层直线导轨(2)交汇点处；

所述弹性件包括第一弹性件和第二弹性件；

所述第一弹性件沿所述上层直线导轨(12)方向上设置，一端与所述中心滑块(3)连接，另一端与所述上层直线导轨(12)内边框连接；

所述第二弹性件沿所述下层直线导轨(2)方向上设置，一端与所述中心滑块(3)连接，另一端与所述下层钢框架(1)内边框连接。

优选的，所述第一弹性件和所述第二弹性件均包括弹簧；

所述弹簧采用同规格拉压弹簧。

优选的，所述中心滑块(3)与上层滑块和下层滑块之间的间距相同。

优选的，还包括缓冲橡胶垫；

所述上层直线导轨(12)与所述上层钢框架(21)的内边框连接处设置所述缓冲橡胶垫；

所述下层直线导轨(2)与所述下层钢框架(1)内边框连接处设置缓冲橡胶垫。

优选的，所述上层弹性件和所述下层弹性件均包括弹簧。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种超低频隔震装置的设计方法，包括：

依次确定具有水平方向滑动减震单元的上层隔震装置和下层隔震装置；

基于要满足的地震强度和安装于超低频隔震装置上的被隔震系统的位移范围，利用刚度方程确定，位于所述上层隔震装置和下层隔震装置的滑动减震单元之间的弹簧的设计参数；

其中，所述刚度方程由所述被隔震系统的位移和所述弹簧的刚度变化曲线关系确定。

优选的，所述基于要满足的地震强度和安装于超低频隔震装置上的被隔震系统的位移范围，利用刚度方程确定，位于所述上层隔震装置和下层隔震装置的滑动减震单元之间的弹簧的设计参数，包括：

基于被设计超低频隔震装置要满足的地震强度和被隔震系统的位移范围，结合被隔震系统的质量，利用系统运动方程确定刚度方程组中的刚度；

基于所述刚度方程中的刚度确定所述弹簧初始状态的刚度和长度，以及与系统中运动方向平行的弹簧刚度和长度；

其中，所述弹簧的设计参数包括：弹簧初始状态的刚度和长度，以及与系统中运动方向平行的弹簧刚度和长度。

优选的，所述刚度方程如下式所示：

式中，l为弹簧原长，d为系统位移，K

优选的，所述系统运动方程如下式所示：

式中，M是被隔震物体质量；C为系统阻尼；K为系统的动刚度；

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供了一种超低频隔震装置，安装于被隔震物体底部与基础之间，包括：依次设置的上层隔震装置、下层隔震装置和弹性连接件；所述上层隔震装置和下层隔震装置均具有水平方向滑动减震单元；所述弹性连接件位于所述滑动减震单元之间；本发明采用双层隔震装置结构，显著降低地震动能量的输入，而且还可实现复位功能。

2、本发明中在上层直线导轨(12)与所述上层钢框架(21)的内边框连接处以及下层直线导轨(2)与所述下层钢框架(1)内边框连接处，采用缓冲橡胶垫减小了滑块与内边框的碰撞。

3、本发明中的弹性连接件中的中心滑块(3)与上层滑块和下层滑块之间的间距相同，由于上层滑块或下层滑块连接的弹性件与轨道垂直，在未碰触或碰触瞬间在沿轨道方向的刚度与作用力均为零，而后位移加大时垂直弹簧逐渐发挥作用，因此不会产生对隔震不利的碰撞现象。

附图说明

图1为本发明的超低频隔震装置内部总装配图；

图2为本发明的超低频隔震装置沿A-A方向的剖面图；

图3为本发明的超低频隔震装置沿B-B方向的剖面图；

图4为本发明的超低频隔震装置的侧面图；

图5为本发明的超低频隔震装置的下层装配图；

图6为本发明的超低频隔震装置的下层装配图A-A方向的剖面图；

图7为本发明的超低频隔震装置的下层装配图B-B方向的剖面图；

图8为本发明的超低频隔震装置的上层装配图；

图9和图10为本发明的超低频隔震装置的上层剖面图；

图11为本发明的弹簧和连接件；

图12为本发明的隔震系统位移与刚度变化曲线；

图13为本发明的隔震系统恢复力曲线；

其中，1为下层钢框架，2为下层直线导轨，3为中心滑块，4、5为下层滑块，6至11和15至20为弹簧，12为上层直线导轨12，13、14为上层滑块，21为上层钢框架、22为缓冲橡胶垫。

具体实施方式

本发明给出了一种超低频隔震装置及超低频隔震装置的性能评估方法，提出了隔震装置的结构设计，安装于被隔震物体底部与基础之间，设置了两道隔震措施，初始阶段有一定线性刚度行程，该范围内刚度接近于零，该区域范围内可显著降低地震动能量的输入，当地震动能量进一步加大，装置滑动位移超过了线性刚度行程，此时进入非线性隔震范围，该范围刚度由零开始非线性增加，同样具有隔震效果，进一步减小地震动能量输入，地震结束后由于弹簧刚度作用，装置可恢复到初始状态达到复位功能。通过两道隔震措施，可显著降低隔震结构的地震动响应，装置结构尺寸和经济造价可得到较好控制，为结构隔震控制提供了安全经济的技术方案。

实施例1：

一种超低频隔震装置，安装于被隔震物体底部与基础之间，如图1、图2、图3和图4从超低频隔震装置的整体图以及不同方向的剖面图所示，包括：依次设置的上层隔震装置、下层隔震装置和弹性连接件；所述上层隔震装置和下层隔震装置均具有水平方向滑动减震单元；

所述弹性连接件位于所述滑动减震单元之间。

优选的，所述上层隔震装置包括：上层钢框架21和第一滑动减震单元，所述第一滑动减震单元包括：上层直线导轨12、上层滑块和上层弹性件；

所述上层直线导轨12固定连接在所述上层钢框架21上；

所述上层滑块和所述弹性连接件布置在所述上层直线导轨12上；

所述上层弹性件的一端与所述上层滑块连接，另一端与所述上层钢框架21的内边框连接；

所述上层钢框架21与被隔震结构连接。

优选的，所述上层滑块和所述上层弹性件包括多个；

所述上层弹性件的个数为所述上层滑块个数的二倍。

优选的，所述下层隔震装置包括：下层钢框架1和第二滑动减震单元，所述第二滑动减震单元包括：下层直线导轨2、下层滑块、下层弹性件；

所述下层直线导轨2固定于所述下层钢框架1上；

所述下层滑块和所述弹性连接件均设置与所述下层直线导轨2上；

所述下层弹性件一端与所述下层滑块连接，另一端与所述下层钢框架1内边框连接；

所述下层钢框架1与基础连接。

优选的，所述下层滑块和所述下层弹性件均为多个；

所述下层弹性件的个数为所述下层滑块个数的二倍。

优选的，所述弹性连接件包括：中心滑块3和弹性件；

所述中心滑块3设置于所述上层直线导轨12和所述下层直线导轨2交汇点处；

所述弹性件包括第一弹性件和第二弹性件；

所述第一弹性件沿所述上层直线导轨12方向上设置，一端与所述中心滑块3连接，另一端与所述上层直线导轨12内边框连接；

所述第二弹性件沿所述下层直线导轨2方向上设置，一端与所述中心滑块3连接，另一端与所述下层钢框架1内边框连接。

优选的，所述第一弹性件和所述第二弹性件均包括弹簧；

所述弹簧采用同规格拉压弹簧。

优选的，所述中心滑块3与上层滑块和下层滑块之间的间距相同。

优选的，还包括缓冲橡胶垫；

所述上层直线导轨12与所述上层钢框架21的内边框连接处设置所述缓冲橡胶垫；

所述下层直线导轨2与所述下层钢框架1内边框连接处设置缓冲橡胶垫。优选的，所述上层弹性件和所述下层弹性件均包括弹簧

实施例2：

下面结合图1至图13，对本发明做进一步介绍。此隔震装置主要由下层钢框架1，下层直线导轨2，中心滑块3，下层滑块4、5，弹簧6、7、8、9、10、11，上层直线导轨12，上层滑块13、14，弹簧15、16、17、18、19、20，上层钢框架21、缓冲橡胶垫22组成。

隔震装置为双层结构，上层隔震装置、下层隔震装置和弹性连接件；所述上层隔震装置和下层隔震装置均具有水平方向滑动减震单元；所述弹性连接件位于所述滑动减震单元之间；

如图5、图6和图7所示的下层装配图以及下层隔震装置的剖面图，其中下层隔震装置包括：下层钢框架1和第二滑动减震单元；

下层钢框架1与基础连接；第二滑动减震单元包括：下层直线导轨2、下层滑块4、下层滑块5、下层弹性件；这里的下层弹性件采用弹簧8、弹簧9、弹簧10、弹簧11；

弹性连接件包括中心滑块3、弹簧6、弹簧7、弹簧15和弹簧16；

下层直线导轨2固定连接在下层钢框架1底板上，下层直线导轨2上部布置中心滑块3和下层滑块4、下层滑块5，中心滑块3沿下层直线导轨2方向布置弹簧6、7，下层滑块4、5在垂直下层直线导轨2方向布置弹簧8、9、10、11，下层直线导轨2两端与下层钢框架1间布置缓冲橡胶垫，中心滑块3与滑块4和5布置间距为L

如图8、图9和图10所示的上层隔震装置的装配图以及剖面图，上层隔震装置包括上层钢框架21和第一滑动减震单元；第一滑动减震单元包括：上层直线导轨12、上层滑块和上层弹性件；

这里的上层弹性件包括：弹簧17、弹簧18、弹簧19、弹簧20；

上层钢框架21顶部与被隔震结构相连，上层直线导轨12固定连接在上层钢框架21底板上，上层直线导轨12上部布置中心滑块3和上层滑块13、14，中心滑块3沿上层直线导轨12方向布置弹簧15、16，上层滑块13、14在垂直下层直线导轨12方向布置弹簧17、18、19、20，上层直线导轨12两端与上层钢框架21间布置缓冲橡胶垫，中心滑块3与滑块13和14布置间距为L

如图11所示，弹簧6、弹簧7、弹簧15、弹簧16为同规格拉压弹簧，弹簧刚度K

(1)隔震性能说明

隔震装置为水平正交两层构造，可用于水平地震作用的各个方向。隔震装置的内部滑动主要分为两个状态，一是中心滑块3在未碰触到滑块4、5或13、14时，即在-L

隔震装置的滑动位移与刚度关系见公式(1)：

滑动位移与刚度变化曲线如图12所示，线刚度范围内K

设计参数K

(2)自复位功能说明

由于系统在初始状态为恢复力平衡状态如图13所示，非初始状态均为力不平衡状态，因此地震作用后装置可恢复至初始状态。正常状态下非线性功能的弹簧不受力状态，线性功能的弹簧受力较小，长期工况下弹簧可较好保持功能。

(3)适用范围说明

由于隔震装置的线刚度和非线性刚度设计，弹簧刚度可根据上部结构抗震需求变化，弹簧刚度可通过刚度变化选择或多组弹簧组合方式实现，因此不受被隔震物体重量影响，适用于各重量结构的隔震需求。隔震装置的隔震原理同样也可适用于机械振动或风致振动控制。

(4)经济性与环保优势说明

本发明主要构件为弹簧、直线导轨和滑块，构件成本低，组装方式基本为螺栓连接和焊接，工艺要求简单，装置加工成本低，对环境影响较小。

实施例3：

基于同一发明构思，本发明还提供了一种超低频隔震装置的设计方法，包括：

依次确定具有水平方向滑动减震单元的上层隔震装置和下层隔震装置；

基于要满足的地震强度和安装于超低频隔震装置上的被隔震系统的位移范围，利用刚度方程确定，位于所述上层隔震装置和下层隔震装置的滑动减震单元之间的弹簧的设计参数；

其中，所述刚度方程由所述被隔震系统的位移和所述弹簧的刚度变化曲线关系确定。

优选的，所述基于要满足的地震强度和安装于超低频隔震装置上的被隔震系统的位移范围，利用刚度方程确定，位于所述上层隔震装置和下层隔震装置的滑动减震单元之间的弹簧的设计参数，包括：

基于被设计超低频隔震装置要满足的地震强度和被隔震系统的位移范围，结合被隔震系统的质量，利用系统运动方程确定刚度方程组中的刚度；

基于所述刚度方程中的刚度确定所述弹簧初始状态的刚度和长度，以及与系统中运动方向平行的弹簧刚度和长度；

其中，所述弹簧的设计参数包括：弹簧初始状态的刚度和长度，以及与系统中运动方向平行的弹簧刚度和长度。

优选的，所述刚度方程如下式所示：

式中，l为弹簧原长，d为系统位移，K

优选的，所述系统运动方程如下式所示：

式中，M是被隔震物体质量；C为系统阻尼；K为系统的动刚度；

同时该公式可应用到有限元仿真计算中，在有限元建模时，上部为被隔震物体的有限元模型，下部建立隔震系统的有限元模型，其中隔震系统的有限元模型建立可，需依据系统运动方程选择弹簧单元(或其他可实现非线性刚度的单位)模拟，由于是非线性刚度，单元的刚度值与位移关系即系统运动方程。这也是有限元中应用分析的方法。在整体有限元模型中输入地震波，通过时程计算即可得到被隔震物体的地震响应(加速度、位移或应力等)，同样可以与无隔震系统的结构地震响应进行对比，计算隔震效率，确定隔震性能。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

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。