准零刚度竖向隔震器及其设计方法、三维隔震装置与流程

1.本发明涉及一种准零刚度竖向隔震器及其设计方法、三维隔震装置，属于工程结构隔震/振领域。


背景技术：

2.为满足大跨度空间结构的隔震要求，三维隔震支座应具有：1）竖向承载力要求；2）水平隔震性能，水平方向有一定的初始刚度和耗能能力；3）竖向隔震性能，竖向刚度满足承载力要求，并竖向耗能；4）自复位能力；5）一定扭转能力；6）良好的稳定性和耐久性；7）结构简单，加工方便的优点。目前三维隔震支座大多采用水平隔震器和竖向隔震器串联组成，部分利用黏滞阻尼器来提高支座的耗能能力。其中，水平隔震器主要采用橡胶支座、滑动摩擦支座和摩擦摆支座。竖向隔震器大多采用圆柱螺旋弹簧、碟簧及其与黏滞阻尼器的组合装置，而竖向隔震器关键在于竖向刚度的设计，既要满足竖向承载力的要求，又不能因竖向动刚度过大影响装置的竖向隔震性能，同时还要考虑装置的稳定性，避免装置因高度过大而发生倾覆。为了解决竖向动刚度过大的问题，可以采用非线性准零刚度设计理念。准零刚度隔震器利用负刚度机构与正刚度机构并联设计，形成一种稳定的准零刚度平衡系统，实现了高静刚度低动刚度特性。准零刚度隔震器大多采用圆柱螺旋弹簧、碟簧及其与黏滞阻尼器的组合装置，其中圆柱螺旋弹簧构造简单、加工方便、成本低廉等，但这种弹簧受力特性为线性，竖向阻尼较小，且竖向承载力较小，难以在大跨度空间结构中提供可靠的支承。而碟簧具有变刚度、竖向承载力较大，吸振和耗能较好的特性，可在大跨度空间结构的竖向隔震器中进行推广，但单一尺寸碟簧组件竖向阻尼较小，需要额外附加阻尼器，造成竖向隔震器设计复杂且结构不简单，同时在工程结构中推广应用具有一定的局限性。


技术实现要素：

3.本发明提供的准零刚度竖向隔震器，中碟簧组、小碟簧组件和大碟簧组从内至外依次布置，降低竖向隔震器的高度，提高稳定性，不需额外增设阻尼器，可满足大跨度空间结构的竖向隔震要求，提高竖向隔震器的竖向阻尼，增大竖向行程，不仅竖向承载能力较好而且竖向隔震性能优越，提升竖向隔震能力和低频隔震能力。本发明还提供一种三维隔震装置和准零刚度竖向隔震器的设计方法。
4.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：准零刚度竖向隔震器，包括底板、设置于底板上方的盖板、在变形过程中具有正刚度特性的正刚度弹性元件和与正刚度弹性元件并联且在变形过程中具有负刚度特性的负刚度弹性元件，正刚度弹性元件和负刚度弹性元件分别预压缩在底板和盖板之间，其特征在于：所述的正刚度弹性元件和负刚度弹性元件均为碟形弹簧组合而成的碟簧组，正刚度弹性元件包括设置在底板中心的中碟簧组、位于中碟簧组外周的小碟簧组，负刚度弹性元件为位于正刚度弹性元件外周的大碟簧组，小碟簧组、中碟簧组和大碟簧组中的碟形弹簧半径依次增大。
5.优选的，所述的底板上固定与中碟簧组相对应的中导向安装筒组件、与小碟簧组相对应的小导向安装筒组件，中导向安装筒组件和小导向安装筒组件分别与底板垂直，中碟簧组定位在中导向安装筒组件中，小碟簧组定位在小导向安装筒组件中，盖板上固定与中导向安装筒组件导向配合的中压紧导管、与小导向安装筒组件导向配合的小压紧导管，小压紧导管伸入至小导向安装筒组件中将小碟簧组压紧，中压紧管伸入至中导向安装筒组件中将中碟簧组压紧。
6.优选的，所述的小导向安装筒组件包括套有耐磨套的小导向柱和同轴设置在小导向柱外周的的小导向筒，中导向安装筒组件包括套有耐磨套的中导向柱和同轴设置在中导向柱外周的中导向筒，小碟簧组套在小导向柱上且位于小导向柱和小导向筒之间，中碟簧组套在中导向柱上且位于中导向柱和中导向筒之间，中压紧导管伸入中导向筒中且与小导向柱导向配合，小压紧导管伸入小导向筒中且与小导向柱导向配合。
7.优选的，所述的小碟簧组为小碟形弹簧叠合再对合而成的复合组合弹簧，中碟簧组为中碟形弹簧叠合再对合而成的复合组合弹簧，小碟簧组中的小碟形弹簧的叠合片数为n，对合片数为i，中碟簧组中的中碟形弹簧的叠合片数为n，对合片数为m，n≥2，i≥2，m≥2，m《i。
8.优选的，所述的小碟簧组中最上层的小碟形弹簧上垫有小碟簧垫板，小碟簧垫板的底面为与小碟形弹簧顶面配合的斜面，顶面为与小压紧导管底面配合的平面，中碟簧组中最上层的中碟形弹簧上垫有中碟簧垫板，中碟簧垫板的底面为与中碟形弹簧顶面配合的斜面，顶面为与中压紧导管底面配合的平面。
9.优选的，所述的中碟簧组的数量为一组，小碟簧组的数量为至少两组，底板上具有同轴设置在中导向筒外周的外定位筒，盖板上具有同轴伸入外定位筒中的内定位筒，中导向安装筒组件和小导向安装筒组件均伸入至内定位筒中，大碟簧组的数量为一组，定位在外定位筒和内定位筒之间，大碟簧组由至少一个大碟形弹簧叠合而成，内定位筒上具有与大碟簧组内端配合的内定位环形槽，外定位筒上具有与大碟簧组外端配合的外定位环槽。
10.三维隔震装置，包括水平隔震器、固定在水平隔震器底部的竖向隔震器和固定在竖向隔震器底部的锚碇钢棒组，其特征在于：所述的竖向隔震器为以上所述的准零刚度竖向隔震器，水平隔震器为铅芯橡胶支座。
11.优选的，所述的水平隔震器包括与竖向隔振器固定的下连接板、设置在下连接板上方的上连接板、夹在上连接板和下连接板之间的铅芯、套在铅芯外且夹在上连接板和下连接板之间的橡胶层，橡胶层中硫化有金属钢板，下连接板、下连接板和橡胶层通过螺栓连接成整体。
12.以上所述的准零刚度竖向隔震器的设计方法，其特征在于：首先根据准零刚度竖向隔震器中底板与盖板之间的安装空间大小，设计小碟簧组、中碟簧组和大碟簧组的个数以及分布位置；然后根据小碟簧组、中碟簧组和大碟簧组的个数以及零刚度竖向隔震器的竖向承载需求、竖向行程需求，设计小碟簧组、中碟簧组和大碟簧组中碟形弹簧的尺寸、极限变形位移、自由高度、承载力和组合形式；之后根据小碟簧组、中碟簧组和大碟簧组的个数，设计小碟簧组、中碟簧组的正刚度特性，大碟簧组件的负刚度特性，使低频承载过程中正刚度弹性元件与负刚度弹性元件合并的动态刚度趋于零。
13.优选的，“根据小碟簧组、中碟簧组和大碟簧组的个数，设计小碟簧组、中碟簧组的
正刚度特性，大碟簧组件的负刚度特性，使低频承载过程中正刚度弹性元件与负刚度弹性元件合并的动态刚度趋于零”是指，根据小碟簧组的个数a，中碟簧组的个数b和大碟簧组的个数c，设计小碟簧组、中碟簧组和大碟簧组的预压变形量，以确定小碟簧组的静刚度d，中碟簧组的静刚度e和大碟簧组的静刚度f，（a
×
d b
×
e）－c
×
f=g，0≤g≤10 kn/mm。
14.发明的有益效果是：1.本发明的准零刚度竖向隔震器中正刚度弹性元件与负刚度弹性元件并联，形成一种稳定的准零刚度平衡系统，静刚度不变，但其动刚度大幅减小，甚至趋近于零，实现了高静刚度低动刚度特性，中碟簧组、小碟簧组件和大碟簧组从内至外依次布置，降低竖向隔震器的高度，提高稳定性，用小碟簧组和中碟簧组构成正刚度弹性元件，减少正刚度弹性元件的空间体积，为大碟簧组提供足够的安装空间，不需额外增设阻尼器，可满足大跨度空间结构的竖向隔震要求，利用碟簧具有非线性刚度、竖向承载力较大，吸振和耗能较好的特性，提高竖向隔震器的竖向阻尼，增大竖向行程，不仅竖向承载能力较好而且竖向隔震性能优越，提升竖向隔震能力和低频隔震能力。
15.2.底板上具有对小碟簧组进行定位的小导向安装筒组件以及对中碟簧组进行定位的中导向安装筒组件，盖板上的小压紧导管与小导向安装筒组件导向配合压紧小碟簧组，中压紧导管与中导向安装筒组件导合配合压紧中碟簧组，保证小碟簧组和中碟簧组沿竖向同步预压以及在承载过程中沿竖向同步变形，保证正刚度弹性元件沿竖向承载变形不偏斜；大碟簧组定位在外定位筒和内定位筒之间，用内、外定位筒对大碟簧组定位，保证负刚度弹性元件沿竖向承载变形不偏斜，内定位筒、小压紧导管和中压紧导管均设置在盖板上，使小碟簧组、中碟簧组和大碟簧组同步承载变形，保证非线性正刚度和非线性刚度同步变化，形成稳定的准零刚度系统。
16.3.本发明的三维隔震装置中水平隔震器为铅芯橡胶支座，隔震性能更稳定，耐久性更良好，同时对控制风反应和抵抗地基的微振动有利，提高三维隔震装置的水平隔震能力、耐久性及稳定性，竖向隔震器为由多种碟簧并联而成的准零刚度竖向隔震器，从而可满足大跨度空间结构的水平隔震要求与竖向隔震要求。
17.4.本发明的设计方法，根据安装空间、竖向承载、行程需求设计小碟簧组、中碟簧组和大碟簧组的个数、分布位置及性能参数，再根据小碟簧组、中碟簧组和大碟簧组的个数，设计小碟簧组、中碟簧组的正刚度特性，大碟簧组件的负刚度特性，满足不同工况和安装空间下准零刚度竖向隔震器的承载和竖向隔震需求。
附图说明
18.图1为准零刚度竖向隔震器的示意图。
19.图2为中导向安装筒组件和小导向安装筒组件在底板上的示意图。
20.图3为三维隔震装置的示意图。
21.图4为水平隔震器的示意图。
具体实施方式
22.下面结合图1~4对本发明的实施例做详细说明。
23.准零刚度竖向隔震器，包括底板1、设置于底板1上方的盖板2、在变形过程中具有
正刚度特性的正刚度弹性元件和与正刚度弹性元件并联且在变形过程中具有负刚度特性的负刚度弹性元件，正刚度弹性元件和负刚度弹性元件分别预压缩在底板1和盖板2之间，其特征在于：所述的正刚度弹性元件和负刚度弹性元件均为碟形弹簧组合而成的碟簧组，正刚度弹性元件包括设置在底板1中心的中碟簧组3、位于中碟簧3组外周的小碟簧组4，负刚度弹性元件为位于正刚度弹性元件外周的大碟簧组5，小碟簧组4、中碟簧组3和大碟簧组5中的碟形弹簧半径依次增大。
24.以上所述的准零刚度竖向隔震器中正刚度弹性元件与负刚度弹性元件并联，形成一种稳定的准零刚度平衡系统，静刚度不变，但其动刚度大幅减小，甚至趋近于零，实现了高静刚度低动刚度特性，中碟簧组3、小碟簧组件4和大碟簧组5从内至外依次布置，降低竖向隔震器的高度，提高稳定性，用小碟簧组4和中碟簧组3构成正刚度弹性元件，减少正刚度弹性元件的空间体积，为大碟簧组5提供足够的安装空间，不需额外增设阻尼器，可满足大跨度空间结构的竖向隔震要求，利用碟簧具有非线性刚度、竖向承载力较大，吸振和耗能较好的特性，提高竖向隔震器的竖向阻尼，增大竖向行程，不仅竖向承载能力较好而且竖向隔震性能优越，提升竖向隔震能力和低频隔震能力。
25.优选的，所述的底板1上固定与中碟簧组3相对应的中导向安装筒组件6、与小碟簧组4相对应的小导向安装筒组件7，中导向安装筒组件6和小导向安装筒组件7分别与底板1垂直，中碟簧组3定位在中导向安装筒组件中6，小碟簧组4定位在小导向安装筒组件7中，盖板2上固定与中导向安装筒组件6导向配合的中压紧导管8、与小导向安装筒组件7导向配合的小压紧导管9，小压紧导管9伸入至小导向安装筒组件7中将小碟簧组4压紧，中压紧管8伸入至中导向安装筒组件6中将中碟簧组3压紧。底板1上具有对小碟簧组4进行定位的小导向安装筒组件7以及对中碟簧组3进行定位的中导向安装筒组件6，盖板2上的小压紧导管9与小导向安装筒组件7导向配合压紧小碟簧组4，中压紧导管8与中导向安装筒组件6导合配合压紧中碟簧组3，保证小碟簧组4和中碟簧组3沿竖向同步预压以及在承载过程中沿竖向同步变形，保证正刚度弹性元件沿竖向承载变形不偏斜。
26.优选的，所述的小导向安装筒组件7包括套有耐磨套的小导向柱71和同轴设置在小导向柱71外周的的小导向筒72，中导向安装筒组件6包括套有耐磨套的中导向柱61和同轴设置在中导向柱61外周的中导向筒62，小碟簧组4套在小导向柱71上且位于小导向柱71和小导向筒72之间，中碟簧组3套在中导向柱61上且位于中导向柱61和中导向筒62之间，中压紧导管8伸入中导向筒62中且与小导向柱61导向配合，小压紧导管9伸入小导向筒72中且与小导向柱71导向配合。中压紧导管8沿中导向柱61运动，使中碟簧组沿竖向运动，中导向筒62和中导向柱61对中碟簧组3进行径向定位，保证中碟簧组3只能沿中导向柱61做竖向运动，小压紧导管9沿小导向柱71运动，使小碟簧组4沿竖向运动，小导向筒72和小导向柱71对小碟簧组4进行径向定位，保证小碟簧组4只能沿小导向柱71做竖向运动，而中压紧导管8与中导向柱61导向配合，小压紧导管9与小导向柱71导向配合，保证中碟簧组3和小碟簧组4同步沿同一方位的承载，形成组合成一体的正刚度弹性元件，保证正刚度弹性元件的结构可靠性。
27.优选的，所述的小碟簧组4为小碟形弹簧叠合再对合而成的复合组合弹簧，中碟簧组3为中碟形弹簧叠合再对合而成的复合组合弹簧，小碟簧组4中的小碟形弹簧的叠合片数为n，对合片数为i，中碟簧组3中的中碟形弹簧的叠合片数为n，对合片数为m，n≥2，i≥2，m
≥2，m《i。中碟簧组3和小碟簧组4均采用碟形弹簧叠合与对合的相结合的组合方式，提高正刚度弹性元件的承载能力和非线性刚度特性，用小碟簧组4和中碟簧组3组合成正刚度弹性元件，减少正刚度弹性元件的空间体积，在上盖2和底板1之间为负刚度弹性元件预留出足够的安装空间，小碟簧组4和中碟簧组3中碟形弹簧的叠合片数根据承载需求确定，对合片数根据竖向行程需求确定。
28.优选的，所述的小碟簧组4中最上层的小碟形弹簧上垫有小碟簧垫板10，小碟簧垫板10的底面为与小碟形弹簧顶面配合的斜面，顶面为与小压紧导管9底面配合的平面，中碟簧组3中最上层的中碟形弹簧上垫有中碟簧垫板11，中碟簧垫板11的底面为与中碟形弹簧顶面配合的斜面，顶面为与中压紧导管底面配合的平面。小碟簧垫片10夹在小碟簧组4和小压紧导管9之间，保证小碟簧组4均匀承载，中碟簧垫片11夹在中碟簧组3与中压紧导管8之间，保证中碟簧组4均匀承载，从而保证正刚度弹性元件均匀承载。
29.优选的，所述的中碟簧组3的数量为一组，小碟簧组4的数量为至少两组，底板1上具有同轴设置在中导向筒62外周的外定位筒12，盖板1上具有同轴伸入外定位筒12中的内定位筒13，中导向安装筒组件6和小导向安装筒组件7均伸入至内定位筒13中，大碟簧组5的数量为一组，定位在外定位筒12和内定位筒13之间，大碟簧组5由至少一个大碟形弹簧叠合而成，内定位筒13上具有与大碟簧组内端配合的内定位环形槽131，外定位筒12上具有与大碟簧组外端配合的外定位环槽121。大碟簧组5定位在外定位筒12和内定位筒13之间，用内、外定位筒对大碟簧组5定位，保证负刚度弹性元件沿竖向承载变形不偏斜，内定位筒13、小压紧导管9和中压紧导管8均设置在盖板2上，使小碟簧组4、中碟簧组3和大碟簧组5同步承载变形，保证非线性正刚度和非线性正刚度同步变化，形成稳定的准零刚度系统。对准零刚度竖向隔震器进行组装时在小碟簧组4和中碟簧组3安装并预压到位后，在保证小碟簧组4和中碟簧组3的预压不变的情况下，再对大碟簧组5进行安装并预压，使小碟簧组4、中碟簧组3和大碟簧组5在预设的预压量下安装到位。
30.三维隔震装置，包括水平隔震器100、固定在水平隔震器底部的竖向隔震器101和固定在竖向隔震器101底部的锚碇钢棒组102，其特征在于：所述的竖向隔震器101为以上所述的准零刚度竖向隔震器，水平隔震器100为铅芯橡胶支座。水平隔震器100为铅芯橡胶支座，隔震性能更稳定，耐久性更良好，同时对控制风反应和抵抗地基的微振动有利，提高三维隔震装置的水平隔震能力、耐久性及稳定性，竖向隔震器101为由多种碟簧并联而成的准零刚度竖向隔震器，从而可满足大跨度空间结构的水平隔震要求与竖向隔震要求。
31.优选的，所述的水平隔震器100包括与竖向隔振器固定的下连接板200、设置在下连接板上方的上连接板201、夹在上连接板200和下连接板201之间的铅芯202、套在铅芯202外且夹在上连接板200和下连接板201之间的橡胶层203，橡胶层203中硫化有金属钢板204，下连接板200、下连接板201和橡胶层203通过螺栓连接成整体。硫化有金属钢板204的橡胶层203套在铅芯202外，用螺栓连接上、下连接板和橡胶层，形成整体结构的铅芯橡胶支座，组装结构简单，具有良好的水平隔震能力。
32.以上所述的准零刚度竖向隔震器的设计方法，其特征在于：首先根据准零刚度竖向隔震器中底板1与盖板2之间的安装空间大小，设计小碟簧组4、中碟簧组3和大碟簧组5的个数以及分布位置；然后根据小碟簧组4、中碟簧组3和大碟簧组5的个数以及零刚度竖向隔震器的竖向承载需求、竖向行程需求，设计小碟簧组4、中碟簧组3和大碟簧组5中碟形弹簧
的尺寸、极限变形位移、自由高度、承载力和组合形式；之后根据小碟簧组4、中碟簧组3和大碟簧组5的个数，设计小碟簧组4、中碟簧组3的正刚度特性，大碟簧组件5的负刚度特性，使低频承载过程中正刚度弹性元件与负刚度弹性元件合并的动态刚度趋于零。以上所述的设计方法根据安装空间、竖向承载、行程需求设计小碟簧组4、中碟簧组3和大碟簧组5的个数、分布位置及性能参数，再根据小碟簧组4、中碟簧组3和大碟簧组5的个数，设计小碟簧组、中碟簧组的正刚度特性，大碟簧组件的负刚度特性，满足不同工况和安装空间下准零刚度竖向隔震器的承载和竖向隔震需求。
33.优选的，“根据小碟簧组4、中碟簧组3和大碟簧组5的个数，设计小碟簧组4、中碟簧组3的正刚度特性，大碟簧组件5的负刚度特性，使低频承载过程中正刚度弹性元件与负刚度弹性元件合并的动态刚度趋于零”是指，根据小碟簧组4的个数a，中碟簧组3的个数b和大碟簧组5的个数c，设计小碟簧组4、中碟簧组3和大碟簧组5的预压变形量，以确定小碟簧组3的静刚度d，中碟簧组4的静刚度e和大碟簧组5的静刚度f，（a
×
d b
×
e）－c
×
f=g，0≤g≤10 kn/mm。a
×
d b
×
e为正刚度弹性元件的静刚度值，c
×
f为负刚度弹性元件的静刚度值，两者的差值为g，g 的取值为0~10 kn/mm，低频承载过程中负刚度和正刚度合并的动态刚度趋近于零，低频竖向振动频率传递至准零刚度竖向隔震器时，正刚度弹性元件和负刚度弹性元件合并成的动态刚度会趋近于零，正刚度弹性元件和负刚度弹性元件的刚度均呈非线性变化，正刚度弹性元件和负刚度弹性元件在承载变形过程中的阻尼大，吸振和耗能的效率高，可有效提升竖向隔震能力和低频隔震能力。
34.以上结合附图对本发明的实施例的技术方案进行完整描述，需要说明的是所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。