一种多维波面厚粘弹性层隔减振/震装置

摘要

本发明提供了一种多维波面厚粘弹性层隔减振/震装置，包括上钢板、下钢板及夹置在上钢板和下钢板之间的波面粘弹性支座，所述波面粘弹性支座包括固定在上钢板下表面的顶板、固定在下钢板上表面的底板以及位于顶板和底板之间的波面叠层支座，所述波面叠层支座由粘弹性材料层和上下表面具有椭球状突起的钢板依次交替叠合硫化而成。本发明在水平方向能够在保证水平隔振效果的情况下提高了装置水平向的抗极限变形能力；在竖向保证承载力情况下，降低竖向刚度改善隔振效果，且通过截面设计获得了较大的竖向阻尼。

说明书

技术领域

本发明涉及一种结构振动控制装置，具体涉及一种多维隔减振/震装置。

背景技术

随着经济的发展和社会的进步，高层建筑、大跨结构、重要建筑设施以及造型不规则的结构（如含有长悬挑结构）日益增多；与此同时，城市轨道交通蓬勃发展，高速铁路、地下铁路等大面积兴建。动力荷载（地震、强风、轨道运行下振动荷载等）作用下，建筑结构产生振动，极易造成结构舒适度下降、安全度降低甚至发生破坏，如何减小复杂多变的振动效应成为一个重要课题。结构振动控制是一种新型的抗振/震措施，它是通过在结构中设置减振/震或隔振/震装置来消耗或隔离振/震动能量，或者施加外部的能量以抵消外部激励对结构的作用。隔减振/震装置作为被动振动控制的一种常见形式，具有构造相对简单，无需人工干预，强鲁棒性和稳定性的优点而被广泛应用。

传统的多维隔减振/震装置存在三个主要问题：（1）水平隔振可以实现较好效果，但往往带来过大的底部位移，造成装置中钢板与粘弹性材料层接合面脱开破坏，尽管目前提出通过加设阻尼器以提供底部大阻尼来改善这一问题，但却造成上部结构及层间加速度变大，导致内部结构或设施的振动；（2）对竖向振动的控制较为薄弱，例如在建筑隔震领域，隔震装置一方面需要具有较大的竖向刚度以提供足够的竖向承载力，另一方面，需要通过降低竖向刚度以延长竖向周期以此达到隔震效果。但这两方面存在一定不可协调的矛盾，使得现有的多维隔震装置依旧难以实现理想的竖向隔震效果；（3）目前传统多维隔减振/震装置大多阻尼较低，几乎没有耗能能力，而单纯的厚粘弹性层支座尽管可以降低竖向刚度，但阻尼值并没有增加，这意味着装置无法利用阻尼降低共振峰值，限制了多维隔减振/震装置在宽频振动激励下的应用。除此之外，目前的多维隔减振/震装置设计在解决上述三个问题时，往往通过附加组合其他装置以实现功能多样化，但这往往会带来制作安装过于复杂，需要更多的安装空间等问题，并不利于工程应用。

粘弹性材料是一种十分有效的高耗能阻尼材料，其在外力作用下，同时存在弹性和粘性两种力学特性，在较宽的频带范围内均具有较高的阻尼。在振动控制领域中，常常利用粘弹性材料的往复剪切变形，将振动能量以材料热能的形式耗散掉，使得结构阻尼加大，在土木、机械、航空航天等诸多领域都得到了广泛应用。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种多维波面厚粘弹性层隔减振/震装置，在无需加设阻尼器或限位装置的情况下，实现装置在水平方向高效隔振/震的同时，提高装置的水平抗极限变形能力；改善装置的竖向隔振/震性能；在无需加设阻尼器的情况下，获得竖向阻尼，提升竖向耗能能力；一体化式设计，构造简单，易于工业化生产。

技术方案：本发明提供了一种多维波面厚粘弹性层隔减振/震装置，包括上钢板、下钢板及夹置在上钢板和下钢板之间的波面粘弹性支座，所述波面粘弹性支座包括固定在上钢板下表面的顶板、固定在下钢板上表面的底板以及位于顶板和底板之间的波面叠层支座，所述波面叠层支座由粘弹性材料层和上下表面具有椭球状突起的钢板依次交替叠合硫化而成。

进一步，所述钢板之间相互平行。

进一步，每层所述钢板上、下表面的椭球状突起交替出现。

进一步，上下相邻的两层所述钢板，上层钢板的下表面椭球状突起与下层钢板的上表面椭球状突起交替出现。

进一步，所述椭球状突起围绕钢板的中心发散，并以钢板的中心呈中心对称布置。

进一步，所述钢板上下表面做粗糙处理。

进一步，所述粘弹性材料层和钢板的厚度具有2~6的厚度比。

进一步，所述钢板在无椭球状突起的最小截面处厚度为2~3mm，包含椭球状突起的最大截面处厚度为4~8mm，且最大截面处厚度不超过粘弹性材料层的厚度。

有益效果：本发明的多维波面厚粘弹性层隔减振/震装置，在水平方向能够在保证水平隔振效果的情况下提高了装置水平向的抗极限变形能力；在竖向保证承载力情况下，降低竖向刚度改善隔振效果，且通过截面设计获得了较大的竖向阻尼。同时，本发明通过简单的一体化设计而不是通过一味的装置组合实现了上述功能：

首先，在水平振动作用下，一方面波面粘弹性支座作为刚度薄弱层构成隔振机制从而隔离振动，且粘弹性阻尼材料与钢板产生相对位移而剪切耗能，在不需加设阻尼器的情况下具有良好的水平隔振和耗能能力；另一方面，波面粘弹性支座中薄钢板为上下表面带有椭球状突起的钢板而不再为传统的平钢板，这种波状表面设计使得钢板与粘弹性材料能够更为紧密的粘结，可以约束粘弹性材料层的过大变形；第三方面，上下表面带有椭球状突起的波面钢板与粘弹性材料层叠合，由于椭球状突起的存在，使得两者在水平振动作用下的剪切受力面由钢板与粘弹性材料的接合面转变为粘弹性材料本身中的某个横截面，由于粘弹性材料自身的抗剪切变形能力远大于两种材料（钢板与粘弹性材料）的粘合力，所以在不减小剪切变形面积（保证耗能能力）的情况下使得抗剪切变形能力显著提高，从而大大改善装置的水平向抗极限变形能力，有效避免装置在大水平变形下的脱开破坏。

其次，竖向振动作用下，一方面本装置相较于传统隔振/震支座，粘弹性材料层与波面钢板具有更大的厚度比，从而具有较小的竖向刚度和较好的竖向隔振/震性能；另一方面，波面粘弹性支座中薄钢板不再为传统的平钢板，钢板的上下表面具有椭球状突起，从而构成了波状表面，这种波状表面设计创新性地构造出钢板与粘弹性材料层的竖向剪切面，从而实现竖向振动下的剪切耗能，大大增加装置的竖向阻尼，从而有效地减小共振峰值。

总的来讲，装置中钢板及粘弹性阻尼材料的设计，使得隔振/震支座无需增设阻尼器即可在多方向均达到良好的隔振/震及耗能能力，并改善了水平向抗极限变形能力。

附图说明

图1为本发明装置的俯视图；

图2为图1中A-A剖面的剖面示意图；

图3为本发明装置中波面粘弹性支座的钢板板面示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：如图1、2所示，一种多维波面厚粘弹性层隔减振/震装置，包括上下水平设置的上钢板1、下钢板2，以及设置在上钢板1和下钢板2之间的波面粘弹性支座9。波面粘弹性支座9包括顶板3、底板4以及位于顶板3和底板4之间的波面叠层支座，顶板3通过螺栓7固定贴合在上钢板1的下表面，底板4通过螺栓7固定贴合在下钢板2的上表面，波面叠层支座由粘弹性材料层5和钢板6依次交替叠合硫化而成。

具体地，每个钢板6的上下表面皆具有椭球状突起8，如图3所示，椭球状突起8围绕钢板6的中心开始发散，并以钢板6的中心呈中心对称布置，从而构成了波状表面，以保证对平面内各方向的振动有一致效果。位于同一层钢板6上、下表面的椭球状突起8交替出现，以避免钢板6厚度过大。上下相邻的两层钢板6，上层钢板6的下表面椭球状突起8与下层钢板6的上表面椭球状突起8交替出现，以保证粘弹性材料层5厚度均匀。

钢板6上椭球状突起8的主要作用为：（1）提供竖向剪切面，提高装置竖向隔减振/震能力；（2）提升粘弹性材料层5和钢板6的粘合度，防止粘弹性材料层5在较大水平变形时与钢板6脱开；（3）利用钢板6上的椭球状突起8，将装置在水平振动作用下的剪切受力面从钢板6与粘弹性材料的接合面转变为粘弹性材料本身中的某个横截面，由于粘弹性材料自身的抗剪切变形能力远大于两种材料（钢板6与粘弹性材料）的粘合力，所以在不减小剪切变形面积的情况下使得抗剪切变形能力显著提高，从而大大改善装置的水平向抗极限变形能力，有效避免装置在大水平变形下的脱开破坏。所以，椭球状钢板6与粘弹性材料层5的设计应从这三个方面考虑但不应局限于此，比如，为了获得大的竖向剪切面可将椭球状突起8尺寸加大，并增加粘弹性材料层5的厚度。为了严格控制水平向变形，可增加椭球状突起8的个数，并可在特殊位置加大椭球状突起8的尺寸。一般来讲，钢板6在无椭球状突起8的最小截面处厚度为2~3mm，包含椭球状突起8的最大截面处厚度为4~8mm，且最大截面处不应超过粘弹性材料层55的厚度（一般为6~12mm），粘弹性材料层5和钢板6的厚度具有较大的厚度比。

钢板6的制作可采用机床整体加工，再与粘弹性材料层5高温硫化成叠层支座，以保证性能的稳定性。若采用将椭球状突起8单独制作，再焊接于平钢板6时，粘弹性材料层5与钢板6可考虑胶粘成整体，以避免高温硫化对焊缝的不利影响。钢板6上下表面做粗糙处理，增加与粘弹性材料5的粘结力。

本实施例装置的工作原理包括以下几个方面：

水平振动作用下：首先，波面粘弹性支座9因具有较小的水平刚度以减小结构自振频率而实现隔振；其次，具有阻尼性能的粘弹性材料层5和钢板6发生剪切变形耗散振动能量而实现减振。第三，波面粘弹性支座9中钢板6的上下表面带有椭球状突起8，能够与粘弹性材料层5更为紧密的粘结，可以约束粘弹性材料层5的过大变形；同时，装置在水平振动作用下的剪切受力面从钢板6与粘弹性材料的接合面将转变为粘弹性材料本身中的某个横截面，由于粘弹性材料自身的抗剪切变形能力远大于两种材料（钢板6与粘弹性材料）的粘合力，所以在不减小剪切变形面积（保证耗能能力）的情况下装置抗剪切变形能力显著提高，具备优良的水平向抗极限变形能力，有效避免装置在大水平变形下的脱开破坏。

竖向振动作用下：首先，粘弹性支座9中粘弹性材料层5与钢板6具有较大的厚度比，而相对于传统的隔振支座具有更小的竖向刚度，从而可以有效改善系统的竖向隔振性能。其次，钢板6中椭球状突起8的存在构成了波状表面，使得装置受到竖向振/震动作用时，波面钢板6与粘弹性材料层5也能够形成剪切面而通过剪切变形耗散振动能量，大大增加了装置的竖向阻尼，能够有效降低结构的振动能量。

钢板6上下表面带有椭球状突起的设计使得装置无需设置附加装置即可获得较大阻尼及提升水平向抗极限变形能力；同时，无需额外设置竖向阻尼器即可实现竖向减振耗能；钢板6和粘弹性材料层5的共同协作，使得装置在水平向和竖向均实现了隔振/震和减振/震，设计简单，鲁棒性强。