[发明专利]变刚度三维隔震方法和装置

权利要求书

1.一种变刚度三维隔震装置，其特征是，包括上部的竖向隔震系统、下部的叠层橡胶支座及连接部件；竖向隔震系统包括竖向隔震器顶部连接板、滚珠、四周侧板、纵向加劲肋、上部限位块、一层主弹簧、中间层连接板、中间层弹簧、下层连接板、下层钢块、底部限位块、底层弹簧、中部限位块、高强螺栓、竖向隔震器底部连接板；叠层橡胶支座包括叠层橡胶支座上连接板、钢板层、橡胶层、叠层橡胶支座下连接板；竖向隔震器底部连接板与叠层橡胶支座上连接板连接；竖向隔震器顶部连接板四周开设圆槽，滚珠嵌在圆槽中，并且滚珠能够上下滚动；滚珠和四周侧板相互接触但不连接；四周侧板和纵向加劲肋连接；一层主弹簧上部和竖向隔震器顶部连接板连接，一层主弹簧下部和中间层连接板连接；上部限位块和四周侧板连接；中间层弹簧上部和中间层连接板连接，中间层弹簧下部和下层连接板连接；中间层连接板和下层连接板接触但不连接；下层钢块和下层连接板连接；中部限位块和四周侧板连接，和下层连接板接触但不连接；底层弹簧上部与下层连接板连接，底层弹簧下部与竖向隔震器底部连接板连接；竖向隔震器底部连接板与四周侧板连接；竖向隔震器底部连接板与纵向加劲肋连接；钢板层和橡胶层形成叠层橡胶层，叠层橡胶层上部与叠层橡胶支座上连接板连接，叠层橡胶层下部与叠层橡胶支座下连接板连接；所述竖向隔震器底部连接板和叠层橡胶支座的上连接板贴合连接采用M30摩擦型高强螺栓；其中，在正常使用时下层连接板在底层弹簧的预压力作用下被顶在中部限位块上，保持静止，不参与工作；当下层钢块与底部限位块相互接触时，下层连接板运动到极限位置，通过控制下层连接板是否运动来控制底层弹簧是否参与工作，从而起到变刚度作用。

2.如权利要求1所述的变刚度三维隔震装置，其特征是，所述装置的四周侧板和纵向加劲肋通过焊接直接连接；四周侧板和竖向隔震器底部连接板通过焊接直接连接；纵向加劲肋和竖向隔震器底部连接板通过焊接直接连接；

所述装置的弹簧的固定方式为焊接或者螺纹连接；或不固定弹簧，仅让弹簧与连接板之间在弹簧内力作用下紧密接触连接；

所述装置的上部限位块和四周侧板通过焊接直接连接；中部限位块和四周侧板通过焊接直接连接；底部限位块和竖向隔震器底部连接板通过焊接直接连接；所有限位块的制作均为外部包裹一层橡胶的钢板；

所述装置的下层连接板和下层钢块通过焊接直接连接。

3.一种变刚度三维隔震方法，其特征是，利用权利要求1或权利要求2所述的变刚度三维隔震装置实现，其中，设置三维隔震装置在竖向只承受恒载和活载，只有一层主弹簧参与工作；下层连接板在底层弹簧的预压力作用下被顶在中部限位块上，保持静止，不参与工作，底层弹簧也不参与工作；中间层连接板在中间层弹簧的预压力作用和一层主弹簧的压力作用下保持静止，中间层弹簧不参与工作；在上部结构受到向下的地震作用时，三维隔震装置受到向下的力增大，当受到向下的力突破底层弹簧的预压力时，下层连接板向下运动，底层弹簧和一层主弹簧形成串联，同时工作，从而起到变刚度的作用；当下层钢块与底部限位块接触时，底层弹簧的运动到达极限位置，此时底层弹簧退出工作，一层主弹簧继续工作，从而起到变刚度作用，限制装置的竖向位移；在上部结构受到向上的地震作用时，三维隔震装置受到向上的力，当中间层弹簧的预压力和向上的地震力之和大于三维隔震装置所承受的竖向恒载时，中间层连接板和下层连接板脱开，中间层弹簧和一层主弹簧形成串联，同时工作，从而起到变刚度的作用；当中间层连接板与上部限位块接触时，中间层弹簧的运动到达极限位置，此时中间层弹簧退出工作，一层主弹簧继续工作，从而起到变刚度作用，限制装置的竖向位移；四周侧板用于限制竖向隔震器的水平运动，其中，在正常使用时下层连接板在底层弹簧的预压力作用下被顶在中部限位块上，保持静止，不参与工作；当下层钢块与底部限位块相互接触时，下层连接板运动到极限位置，通过控制下层连接板是否运动来控制底层弹簧是否参与工作，从而起到变刚度作用。

4.如权利要求3所述的变刚度三维隔震方法，其特征是，所述方法是利用不同弹簧的组合从而改变竖向隔震器的竖向刚度，达到变刚度控制效果；在正常使用阶段，只有一层主弹簧参与工作，支座的竖向刚度通过下式进行计算；

K₁ = nk₁

式中，K₁表示只有一层主弹簧工作时的支座的竖向刚度；随着地震作用的变化，底层弹簧/中间层弹簧参与工作，支座的竖向刚度也发生改变，此时根据下式计算支座的竖向刚度：

式中，K₂表示底层弹簧/中间层弹簧参与工作时支座的竖向刚度，k₁表示一层主弹簧的刚度，n表示一层主弹簧的总数，k₂表示底层弹簧/中间层弹簧的刚度，m表示底层弹簧/中间层弹簧的总数。