[发明专利]一种利用重力负刚度的可控刚度隔震支座

说明书

技术领域

本发明涉及结构抗震抗风领域，特别涉及一种利用重力负刚度的可控刚度隔震支座。

背景技术

隔震技术应用于结构工程以降低地震的危害已是一种成熟的技术。日本在这方面的研究、应用比较早。中国近二十年也开展这方面的应用研究，且已建成一定数量的隔震建筑。中国的现行抗震设计规范也有隔震设计的内容。

目前国内外隔震结构采用的隔震支座都是橡胶支座。

橡胶支座一般为圆柱形，其竖向承载力为A为支座的橡胶水平面积，f为橡胶的抗压强度，D为支座直径。圆柱形橡胶支座的水平刚度近似为E为橡胶的弹性模量，为橡胶水平截面的惯性矩，h为支座的橡胶总厚度，故这样，圆柱形橡胶支座的水平刚度K与竖向承载力N的关系为由于E和f为常数，h也不能太大，D也不能太小，故橡胶隔震支座的水平刚度不可能太小，因而还有较大一部分地震能量通过橡胶隔震支座传至上部结构。

对于结构隔震而言，隔震支座的水平刚度和阻尼越小，其隔震效果就越好。但如果隔震支座的水平刚度为零，地震过后，隔震支座不存在恢复力，上部结构不会恢复到原始状态，故隔震支座还要保留一定的水平刚度。

因此，理想的隔震支座是能有较大的竖向承载力，可控制的水平刚度，足够的抗侧移承载力，较小的阻尼。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种重力负刚度的可控刚度隔震支座。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种利用重力负刚度的可控刚度隔震支座，包括与上部结构相连的上板、与底部基础结构相连的下板、纵向设置在上板和下板之间的K个支承柱，支承柱分别与上板、下板球铰连接，支承柱之间横向设置L个弹性连接板，其中K≥3，L≥N×K,N≥1。

所述的支承柱分别与上板、下板球铰连接，具体为支承柱的两端设置为凹球面，上板、下板连接处设置对应的凸球面，或者支承柱的两端设置为凸球面，上板、下板连接处设置对应的凹球面。优选将支承柱的两端设置为凹球面；当支承柱的两端设置为凸球面时，在隔震层的层高一定时，球心间的距离变小，隔震性能变差。

所述的连接板为折叠型。折叠型连接板能够减小连接板的抗弯刚度，从而提高连接板的抗弯承载力，进而提高隔震支座的抗侧移承载力。

所述的球铰，其接触面上涂有润滑剂或聚四氟乙烯。是为了在摩擦转动部分减小摩擦力。

所述的上板、下板、支承柱均为高强度的金属材料制成，所述的连接板为高强弹性材料制成。

本发明的工作原理：

1.刚度为k，质量为m的单自由度体系的无阻尼圆频率为

2.图1所示的单摆，其重力的作用是使质点恢复到平衡位置，其等效刚度是正刚度。该单摆在重力作用下的无阻尼圆频率为故该单摆的等效刚度可称其为重力刚度。

3.图2所示的体系是在普通单摆的基础上增加一弹簧，其重力和弹簧的作用都是使质点恢复到平衡位置，重力等效刚度和弹簧的刚度都是正刚度。这种组合单摆的无阻尼圆频率为故这种组合单摆的等效刚度

4.图3所示的体系是将单摆的重量放在上面，重力加速度由质点指向摆的转轴，并有一弹簧维持质点的稳定。这种组合单摆的重力作用是使质点偏离平衡位置，其等效刚度为负刚度，可称其为重力负刚度；弹簧的作用使质点恢复到平衡位置，其刚度为正刚度。这种组合单摆的无阻尼圆频率为故这种组合单摆的等效刚度显然一定时，调整弹簧的刚度k，便可调整该系统的等效刚度，达到调整圆频率为ω的目的。

5.图4所示的体系由图3所示的体系演变而来。这种组合体系的质量块因连杆的限制作用，只能平动，不能转动，且可忽略其竖向运动，仅研究其水平运动。这种组合体系的重力作用也是使质量块偏离平衡位置，其等效刚度亦为负刚度；弹簧的作用使质点恢复到平衡位置，其刚度为正刚度；这种组合体系的无阻尼圆频率也是故这种组合体系的等效刚度亦为同样，一定时，调整弹簧的刚度k，便可调整该系统的等效刚度，达到调整圆频率为ω的目的。

6.图5所示的体系由图4所示的体系演变而来。去掉水平弹簧后，在连杆之间增加刚性连接的梁，利用梁弯曲变形产生的弯矩能使质量块恢复到平衡位置，其作用也等价于增加一水平弹簧。这种组合体系的无阻尼圆频率同样可表示为故这种组合体系的等效刚度k_e为梁、连杆组合结构形成的等效水平刚度。调整梁的截面尺寸、数量，便可调整该系统的等效刚度，达到调整圆频率ω的目的。本发明所述的一种利用重力负刚度的可控刚度隔震支座，其力学模型就是图5所示模型，通过调整弹性连接板的截面尺寸、弹性连接板的数量，即可调整该系统的等效刚度，从而达到调整圆频率ω的目的。