潤滑疊層鋼板濾波隔震墊的制作方法
【專利摘要】油潤滑疊層鋼板濾波隔震墊，屬一種建筑基礎隔震裝置，是消除地震波對建筑物的破壞作用的隔震裝置。利用鋼板單位面積承受荷載量大和鋼板間油潤滑摩擦系數(shù)較小的特點，用多層凸凹面吻合的弧形鋼板重疊組合成隔震墊，體積小、隔震效率高。它由頂座(1)、四層中間活動板(2)、底座(3)、彈簧-鋼絲繩(4)、橡膠密封外套(5)組成。底座固定在建筑物地下室的箱基礎上，頂座支撐在建筑結構底層的荷載柱下。地震時，基礎和底座一起往返水平運動，底座水平運動的位移振幅通過多個潤滑摩擦面的重復減小、發(fā)生量變到質(zhì)變的改變，實現(xiàn)頂座和建筑結構在地震中不發(fā)生水平運動，保護建筑物地震安全的目標。
【專利說明】潤滑疊層鋼板濾波隔震墊
[0001]
【技術領域】
[0002]本專利涉及一種潤滑疊層鋼板濾波隔震墊，屬于消除地震波對建筑物的破壞作用的基礎隔震裝置。
一、技術背景
[0003]我國是個地震災害嚴重的國家，預防地震災害是社會發(fā)展和保護人民的生命和財產(chǎn)安全的需要。地震波對建筑物的破壞主要來自橫波和面波的水平運動。地震破壞烈度達12度，一般民宅的抗震設防最高只達9度，把11度至12度界定為不可抗拒、只能避讓的地震活動斷層破壞帶，還有大于9度至小于11度范圍屬抗震空白。目前隔震技術有多種，橡膠隔震墊(鉛芯橡膠鋼板)隔震技術，是唯一納入《建筑抗震設計規(guī)范》、法定推廣應用的隔震技術，但因造價太高，每平方米建筑面積要增加2000元造價，大大超出廣大民眾經(jīng)濟承受能力而不能為廣大民眾服務，且橡膠隔震墊還存在老化失效和共振破壞隱患缺陷。進入21世紀，從汶川特大地震災害到玉樹、盈江、彝良地震等，目前地震災害依然嚴重，需要解決災害問題。疊層滾動摩擦的層式濾波隔震墊雖然能使建筑物在地震中不發(fā)生水平運動、消除地震波破壞作用，目前尚未獲行業(yè)許可應用。此隔震裝置受鋼球安全荷載限制，存在單位面積承受荷載量小的缺點，要求隔震墊的荷載面積較大，制造、運用不便，耗材較多。
二、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為達到高效 隔震、低成本、制造、安裝運用簡便等目的，特別為解決鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市化建設廣大民宅建筑的大震安全和經(jīng)濟承受能力需要。在借鑒前人研究成果的基礎上，根據(jù)隔震模擬實驗證明的隔震原理(疊層滾動摩擦對地震水平運動力具有重復累積衰減作用)和建筑物在地震中不發(fā)生水平運動的隔震衰減比臨界值(1.33/1000)，設計了潤滑疊層鋼板濾波隔震墊，按建筑結構抗震設計鋼材的抗拉強度每平方厘米20千牛設計隔震墊荷載面積，隔震墊的荷載面積可減小為層式濾波隔震墊的1/10。
[0005](一 )部件組成
[0006]潤滑疊層鋼板濾波隔震墊的部件設計，控制滿足單柱或結點荷載和地面水平運動位移振幅兩項指標的相互配套需要。
[0007]隔震墊設計為上小、下大的圓臺形，由頂座、四層中間活動板、底座、彈簧-鋼絲繩、橡膠密封套組成。頂座設計直徑20厘米可滿足單柱或結點荷載600噸以下的多層建筑、設計直徑30厘米可滿足單柱或結點荷載1000噸以下的小高層建筑、設計直徑50厘米可滿足單柱荷載3000噸以下的高層、超高層建筑需要。地面水平運動位移振幅在1、II類建筑場地設計為10厘米，III類場地設計為20厘米。
[0008]頂座分上下兩段，上段設置為筒中筒空腔，中心筒直徑6厘米至10厘米、高8厘米至12厘米、為彈簧安放腔。頂座下段設置為短柱形、柱底面為向下凸的弧面。彈簧安放腔底留穿過弧面中心的通孔。內(nèi)外筒筒壁厚均為6厘米，筒壁間呈“十”形連接，厚與筒壁相等，筒壁間空腔用C60混凝土填平。頂座上面，根據(jù)荷載柱形態(tài)面積需要設荷載板、用螺釘與頂座相連。中間活動板設制為上面凹、下面凸、等厚的雙工作面弧形板，曲率為1-2厘米，四層中間活動板疊置加頂座、底座組合可有5個摩擦面。自上而下，第一、第二層中間活動板厚I厘米至2厘米、直徑比頂座直徑增大2厘米，第三、第四層中間活動板厚3厘米、直徑比頂座直徑增大4厘米至6厘米。上三層中間活動板中心設倒“V”形通孔，通孔直徑4-8厘米，由上往下逐曾層增大，最下面的第四層中間活動板中心設鋼絲繩固定的螺孔；底座頂面設制為凹弧面、底面水平。中間活動板的上凹弧面與頂座下凸弧面吻合、下凸弧面與底座上凹弧面吻合。細絲鋼繩上端固定在彈簧上端、下端穿過彈簧中心從頂座底面通孔引出和中間活動板連為一體。氯丁橡膠密封套分成三個不同形體段，上段厚I厘米、為圓筒形、內(nèi)徑與頂座相同，下段厚3厘米、為圓筒形、內(nèi)徑與底座相同，橡膠中加入輪胎開發(fā)絲增強抗變形強度，中段為兩極臺階的圓筒。橡膠密封套上段套在頂座外圈、下端套在底座外圈，把頂座和底座連為一體，用環(huán)箍和螺釘固定。鋼板間用磁化機油或機油與聚四氟乙烯粉調(diào)和劑潤滑。彈簧設計壓縮量使鋼絲繩可伸長長度滿足最下層中間活動板運動最大位移振幅，彈簧壓縮模量小于建筑結構在地震中不發(fā)生水平運動的隔震臨界值。鋼絲繩用多節(jié)鉛環(huán)套保護，防止鋼板在高頻振動時與鋼絲繩發(fā)生硬性碰撞。
[0009]中間活動鋼板疊成的中心倒“V”形孔空腔用潤滑劑充填，最下面的第四層中間活動半中心設多個供油通孔給最下一個摩擦面供潤滑油，最下的第四層中間活動板通過強磁場磁化，增加與底座的附著力。
[0010]性能:
[0011]1、鉛直支撐性能:按荷載需要設計隔震墊斷面積，滿足鄉(xiāng)鎮(zhèn)民宅和城市高層建筑需要。
[0012]2、水平變形性能:滿足位移振幅10-20厘米的1、11類和III類場地地震響應特征周期。1985年墨西哥大地震中，距震中400公里的墨西哥城厚大軟土層上記錄到面波的運動加速度為0.18g、運動周期為2秒。此運動周期是當今世界上最長的地面運動周期，依此計算得地面運動峰值振幅為17.88厘米、有效峰值為12.65厘米。表明實際應用中，隔震墊的位移振幅設計為15厘米即足夠安全，因為峰值振幅與有效峰值的比值只有3分貝，峰值振幅高于有效峰值的部分無破壞作用。
[0013]3、變形恢復性能:弧形凸凹吻合面具有靜載自動復位作用，彈簧-鋼絲繩和橡膠套變形后的回復微力、借助地震波衰減過程，對隔震墊復位起引導作用。
[0014]4、耐久性-鋼板鍍防腐保護膜，外用氯丁橡膠套密封防腐。
[0015](二)隔震作用
[0016]隔震墊的頂座與結構連為一體，底座與地面基礎連為一體。油潤滑鋼板間的動摩擦系數(shù)為0.05至0.1，聚四氟乙烯的摩擦系數(shù)為0.04。每兩層鋼板間的摩擦面用機油或機油與聚四氟乙烯調(diào)合作為潤滑劑。4層中間活動鋼板加頂座、底座重疊組合成的隔震墊有5個潤滑摩擦面，如同建筑結構與基礎間存在5個光滑斷層面。
[0017]運動是物體間相對位置的改變，有運動就有摩擦力。隔震模擬實驗證明:三層鋼板夾兩層鋼球的隔震裝置，對由下向上傳播的水平運動力和位移距離具有重復累積衰減作用，同理，多層鋼板潤滑重疊成的隔震裝置，對由下向上傳播的水平運動力和位移距離也具有重復累積衰減作用，只是由于摩擦方式和摩擦系數(shù)的不同存在衰減效率的不同。按照庫侖摩擦力公式，每個摩擦面間的摩擦力均為= ymg公斤。地面建筑荷載為mg，有荷載的運動必然做功。由于底座和基礎連為一體，基礎和底座地震水平運動的位移振幅為A厘米時，底座運動做功量G = Amg公斤-厘米；底座上覆第一層中間活動板，受底座水平運動摩擦力驅(qū)動產(chǎn)生水平運動、運動位移做功量G1 = Aymg公斤-厘米，運動位移振幅為A1 ;同時第二層中間活動板受下伏第一層中間活動板運動摩擦力驅(qū)動產(chǎn)生水平運動位移做功量G2 = A1 μ mg公斤-厘米，運動位移振幅為A2 ;第三層中間活動板受下伏第二層板運動摩擦力驅(qū)動產(chǎn)生水平運動位移做功量G3 = A2Umg公斤-厘米，運動位移振幅為A3,……Gn =
An μ mg公斤-厘米,運動位移振幅為An。當μ等于I時,則G1 = G2 = G3......Gn = G, A1 =
A2 = A3……An = Α，各中間活動板和底座連基礎同時一起運動；當μ小于I時，則G > G1 >G2 > G3……> Gn，A > A1 > A2 > A3……> An，各中間活動板在底座上滑動、各層板之間也有逐漸減小的錯位滑動。
[0018]當?shù)卣鸬孛嫠竭\動位移振幅A = 20厘米、疊層鋼板間的潤滑摩擦系數(shù)μ = 0.1時，底座隨地面水平運動位移20厘米的做工量G為20mg公斤-厘米。底座上的第一層中間活動板受底座水平運動摩擦力驅(qū)動產(chǎn)生水平運動、運動位移做功量G1為2mg公斤-厘米，mg不變，該中間活動板的位移振幅A1為2厘米；同時第二層中間活動板受下面第一層中間板水平運動摩擦力驅(qū)動產(chǎn)生水平運動的位移做功量G2為0.2mg公斤-厘米、位移振幅A2為
0.2厘米；第三層中間活動板受第二層中間活動板運動摩擦力驅(qū)動產(chǎn)生水平運動位移的做功量G3為0.02mg公斤-厘米、位移振幅A3為0.02厘米，則有A1A = A2A1 = A3A2 = 0.1，荷載mg和摩擦系數(shù)μ 不變，即每個摩擦面的摩阻力相同，中間活動板水平運動做功量的減少是位移振幅的減小造成。地震地面水平運動位移振幅在隔震墊內(nèi)垂直向上傳播的衰減為夂/A = A2A1 = A3A2……=Αη+1/Αη。這表明潤滑疊層鋼板濾波隔震墊中，由下向上傳播的水平運動位移振幅的衰減比與摩擦系數(shù)μ呈等量關系(Αη = Αμη)，摩擦系數(shù)越小、水平運動位移振幅的裳減比值越小、隔震效率越聞。
[0019]當?shù)卣鸬孛嫠竭\動20厘米的位移振幅通過隔震墊減小到小于0.02厘米時，表明位移振幅發(fā)生了量變到質(zhì)變的改變，上部結構已不會發(fā)生水平運動，濾波隔震目標實現(xiàn)。
[0020]用磁性潤滑油(Castrol)與聚四氟乙烯粉調(diào)和成膏狀做潤滑劑，油對鋼板的磁性吸附力把聚四氟乙烯粉粘附在摩擦面上，可使摩擦系數(shù)再減小。地震時，底座與中間活動板間隨地面運動發(fā)生錯位，中心空腔內(nèi)的潤滑劑會補充在每個錯位的滑動面上。
[0021]三、社會效益經(jīng)濟效益分析
[0022]如果2008年汶川特大地震中，北川縣7度設防的幼兒園教室在10度至11度破壞的橫波傳到前，經(jīng)受縱波豎向震動未受破壞的實例可資運用，隔震作用解決了建筑物在地震中不發(fā)生水平運動問題，則7度設防的結構可滿足10度至11度破壞的地震動安全。運用本隔震技術，如果允許按7度水平地震影響系數(shù)設計結構，8度設防區(qū)可節(jié)約20%的成本，9度設防區(qū)可節(jié)約成本40%。8度設防區(qū)高層、超高層建筑按每平方米用鋼材75kg計算，節(jié)約20%就是15kg。每根柱按承受每層樓45m2的荷載計算,可節(jié)約鋼材675kg,40層樓可節(jié)約鋼材27000kg。其中10%用于隔震墊支出，不增加成本，還可大大提高建筑物的安全儲備。目前大多數(shù)民眾都要靠按揭貸款購房，說明人們的購買力還有限，降低建筑成本是社會大多數(shù)人的需要。建筑成本降低必然降低建筑資源消耗。節(jié)約建筑成本也相當于節(jié)約鋼材、水泥，節(jié)約20%至40%的鋼材水泥相當于可減少消耗10%至30%的燃煤和石灰?guī)r消耗造成的二氧化碳排放。少燃燒1.2噸炭，可少排放4.4噸二氧化碳。石灰?guī)r是鋼鐵冶煉的主要熔劑和水泥生產(chǎn)的主原料，石灰?guī)r的主要成分碳酸鈣中含44%的二氧化碳，少消耗一噸含50%碳酸鈣的石灰?guī)r就少排放220公斤的二氧化碳。能提高防震效率、能節(jié)約建筑資源和燃料能源、能減少二氧化碳排放的隔震新技術，符合國家節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)發(fā)展導向。雖然大震對中震的比值的優(yōu)勢分布只有1.8倍，比中震對小震的比值優(yōu)勢分布的3倍少1.2倍，但是，按照地震級差釋放能量的30進位制，一次7級地震釋放能量相當于30次6級地震，大震災害是破壞性災害損失的主體。地震危險性分析表明，我國存在15個8.5級潛在震源區(qū)，71個8級潛在震源區(qū)，151個7.5級潛在震源區(qū)，這表明區(qū)域性大震分布是將來主要地震災害，防御大震災害比防御中震災害更有價值，成功防御一次大震災害相當于成功防御了 30次中震災害。解決了建筑物在地震中不發(fā)生水平運動問題，按多遇地震設防標準的建筑結構，只要滿足豎向地震動荷載、自重荷載、風荷載就能抵御罕遇地震破壞，高層建筑結構可設計成變形柱(L、T、十形)剪力墻結構，增加使用空間；核電站也就有可能建設在電力需要量最大的地方，減少輸電成本。當按多遇地震設防烈度標準建造的鄉(xiāng)鎮(zhèn)民宅能滿足罕于遇地震安全，廣大民眾的經(jīng)濟能力就能承受，大震無害的目標就能實現(xiàn)。
[0023]四、生產(chǎn)與運用要求
[0024]( 一 )生產(chǎn)要求
[0025]1、制造用的鋼材應有足夠強度，無空洞內(nèi)傷和裂紋。
[0026]2、每塊中間活動板厚度誤差小于0.1mm?；⌒喂ぷ髅婢日`差小于0.1mm,拋光、并做電鍍防腐處理。
[0027]3、橡膠密封套下段用輪胎開發(fā)絲做骨架。
[0028](二)運用要求:
[0029]1、按《建筑抗震設計規(guī)范》規(guī)定距離，避開可能對基礎持力層到地面土層產(chǎn)生的剪切錯動、張開合攏、推覆揉搓、兩盤差異升降等破壞的地震活動斷層帶和潛在地震造成或誘發(fā)地陷、崩塌、滑坡、泥石流、巨型滾石、海嘯等不可抗拒的地震次生災害危險場地。
[0030]2、隔震墊安放于地下室底層地面與荷載柱腳之間，水平安放單件誤差不超過1_。隔震墊安放到位后，用砌體圍限圈固，再在隔震墊上順序建造荷載柱和地梁、地面樓板。地面樓板固結養(yǎng)護期滿后，用樹根式鋼絲繩和上、下定滑輪組合把地面層或隔震層下的承重梁與箱基和四周基坑壁牽固為一體，鋼絲繩用量按風荷載計算值的2倍設置。定滑輪設有平時鎖定地震觸發(fā)自動打開裝置，地震時，箱基和鋼繩、地基在隔震墊下隨地面水平運動，建筑結構在隔震墊上保持不動，地震停止后，人工合上定滑輪鎖定栓。合理利用箱基底面和基坑護壁樁做牽固受力點，可降低成本。地面以上建筑施工要求嚴格按從中心向四周對稱增加荷載順序施工完成各層建設。為控制避免地震扭轉效應，建筑結構通過概念設計控制平面形體布局盡量呈等軸狀。
[0031]3、燃氣、水、電、通訊供應管、線在隔震層用塑性材料連接，按振幅3倍留有足夠防振動扯斷長度。隔震墊安放位置及地下室牽固措施，如圖8示意。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為潤滑疊層鋼板濾波隔震墊結構圖[0033]圖2為潤滑疊層鋼板濾波隔震墊剖視圖
[0034]圖3為頂座結構圖
[0035]圖4為中間活動板結構圖
[0036]圖5為底座結構圖
[0037]圖6為彈簧-鋼絲繩結構圖
[0038]圖7為橡膠密封套結構圖
[0039]圖8為隔震墊安放和抗風荷載牽固不意圖
【權利要求】
1.一種潤滑疊層鋼板濾波隔震墊，為上小下大的圓臺形，由頂座(I)、四層中間活動板(2)、底座(3)、彈簧-鋼絲繩(4)、氯丁橡膠密封套(5)組成。頂座分上下兩段，上段為筒中筒，中心筒為彈簧安放腔，腔底面設通孔，外筒用混凝土充填，下段為短柱，柱底面為凸弧面；中間活動板均設置成下凸上凹吻合的等厚弧形板，凹弧面于頂座凸弧面吻合；底座上面設置為凹弧面、凹面與中間活動板下凸弧面吻合。共組合成5個摩擦面，用潤滑劑使每個摩擦面的摩擦阻力減小。上三層中間活動板中心設直徑4至8厘米的通孔，第四層中間活動板中心設鋼絲繩固定螺孔。上兩層中間活動板各厚2厘米、直徑比頂座直徑大2厘米，下兩層中間活動板各厚3厘米，直徑比頂座大4厘米至6厘米；底座厚4厘米，直徑比頂座大20厘米至40厘米，滿足位移振幅10厘米至20厘米，中心設鋼絲繩固定螺孔；彈簧可壓縮長度滿足第四層中間活動板位移振幅3厘米，彈簧豎直安放，鋼絲繩上端固定在彈簧上端，下端從彈簧中心向下引出，穿過頂座和三層中間活動板中心通孔固定在第四層中間活動板中心，中間活動板疊置于底座弧形凹面上；氯丁橡膠密封套上段直徑與頂座相同，中段設2道階梯狀彎折臺階，下段直徑與底座相同，上端套在頂座四周、下端套在底座四周，通過外圈箍與頂座和底座連接牢實。
2.如權利I要求，潤滑劑用機油或機油與聚四氟乙烯粉調(diào)合劑，減小疊層鋼板間的摩擦阻力。
3.如權利I要求，彈簧-鋼絲繩串連頂座和中間活動板、不與底座相連，保障底座水平運動最大位移振幅距離內(nèi)運動不受限制。
4.如權利I要求，彈簧安放腔設于頂座正中，節(jié)省制造用材。
5.如權利I要求，氯丁橡膠密封套的階梯狀彎折臺階伸直長度滿足底座水平運動最大位移振幅不受限制。
【文檔編號】E02D31/08GK103993616SQ201310053547
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2013年2月19日 優(yōu)先權日:2013年2月19日
【發(fā)明者】婁霓 申請人:婁霓