一种具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置

1.本发明涉及土木工程抗震技术领域，尤其是涉及一种具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置。


背景技术：

2.随着人们对地铁振动危害等以及竖向地震危害的普遍认知提高，竖向隔振/震成为了目前所关注的热点，现阶段对于竖向隔振/震装置研究大多数都是基于准零刚度系统，其中类型有屈曲梁准零刚度系统、斜弹簧准零刚度系统、x型准零刚度系统、磁环准零刚度系统等，但这些准零刚度系统都是基于非线性负刚度装置进行研究，使得准零刚度区域有限且刚度实时变化。
3.因此，急需一种具有线性负刚度且负刚度区域可控的新型准零刚度装置，从而实现振动过程中恒定零刚度或准零刚度。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供一种具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置，该装置具有动态全区域线性负刚度、可设定恒定零刚度或恒准零刚度区域等功能，以解决现有准零刚度装置对竖向振/震动的问题。
5.本发明提供一种具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置，包括第一盖板、正刚度系统、负刚度系统以及第二盖板；所述正刚度系统包括正刚度外套筒、正刚度内套筒以及弹性件；所述正刚度外套筒与所述第一盖板的下表面连接，所述正刚度外套筒套设于所述正刚度内套筒外，所述正刚度内套筒内置所述弹性件，所述正刚度内套筒与第二盖板上表面连接；所述负刚度系统包括弹簧传力块、弹簧限制器、限位器螺栓、水平弹簧系统以及弹簧水平位移块；所述弹簧限制器通过所述限位器螺栓与所述弹簧传力块相连接，且所述弹簧限制器用于限制所述水平弹簧系统随着所述弹簧传力块一起运动；所述弹簧传力块顶部设有一螺栓孔以及侧旁设有两螺栓孔，侧旁底部设有梯形凹槽与所述水平弹簧系统相接触；所述弹簧传力块顶部螺栓孔用于与所述第一盖板所对应的螺栓孔通过弹簧传力块顶部固定螺栓连接；所述弹簧限制器设有两螺栓孔，且底部设有空心圆柱套孔用于限制所述水平弹簧系统；所述弹簧水平位移块设有滑道与所述水平弹簧系统相接触，所述弹簧水平位移块底部具有一螺栓孔用于与所述第二盖板处螺栓孔通过弹簧水平位移块底部固定螺栓相连接。
6.进一步，所述弹性件为正刚度竖向弹簧、正刚度碟簧、正刚度环形弹簧中的一种，且所述弹性件在安装后的任意时刻都处于压缩状态。
7.进一步，所述水平弹簧系统包括第一水平弹簧部、水平弹簧和第二水平弹簧部；所述水平弹簧设置于所述第一水平弹簧部和所述第二水平弹簧部之间。
8.进一步，所述第一水平弹簧部包括第一水平弹簧部斜面块、第一水平弹簧部内层外套筒和第一水平弹簧部外层外套筒，所述第一水平弹簧部内层外套筒和所述第一水平弹
簧部外层外套筒同轴设置，且二者均固定设置在所述第一水平弹簧部斜面块上。
9.进一步，所述第二水平弹簧部包括第二水平弹簧部斜面块、第二水平弹簧部外层内套筒和第二水平弹簧部内层内套筒，所述第二水平弹簧部外层内套筒和所述第二水平弹簧部内层内套筒同轴设置，且二者均固定设置在所述第二水平弹簧部斜面块上。
10.进一步，所述弹簧传力块的梯形凹槽与所述水平弹簧系统的所述第一水平弹簧部斜面块接触，且两接触面斜率相同。
11.进一步，所述第二水平弹簧部斜面块、所述弹簧传力块的梯形凹槽以及所述弹簧水平位移块滑道的各接触斜面斜率绝对值均相同。
12.进一步，所述弹簧传力块侧旁螺栓孔与所述弹簧限制器的螺栓孔相对应且直径相同；所述限位器螺栓与所述弹簧传力块侧旁螺栓孔与所述弹簧限制器螺栓孔相配合并将二者相连接。
13.进一步，所述弹簧限制器的空心圆柱套孔用于套住所述水平弹簧系统的所述第一水平弹簧部外层外套筒，且限制所述水平弹簧系统跟随所述弹簧传力块一起上下运动，同时带动所述第二水平弹簧部斜面块在所述弹簧水平位移块滑道上滑动。
14.进一步，所述正刚度系统至少具有一个；所述负刚度系统对称分布且数量没有限制。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
16.可在振动过程中始终提供线性负刚度，与现有准零刚度装置相比，能实现可设定恒定零刚度或恒准零刚度，且构造简单，机理清晰，易于安装和拆卸，可与水平隔振/震装置进行组合，在水平与竖向解耦，形成三维隔振/震装置。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置的剖视图；
19.图2为本发明实施例具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置的一种状态下的运动机理剖视图；
20.图3为本发明实施例具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置的另一种状态下的运动机理剖视图；
21.图4为本发明实施例具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置俯视图；
22.图5为本发明实施例具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置仰视图；
23.图6为本发明实施例具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置正视图；
24.图7为本发明实施例具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置局部内
视图；
25.图8为本发明实施例负刚度系统元件的非限制组合顺序图一；
26.图9为本发明实施例负刚度系统元件的非限制组合顺序图二；
27.图10为本发明实施例的一种正刚度系统图；
28.图11为本发明实施例的另一种正刚度系统图；
29.图12为本发明实施例的又一种正刚度系统图；
30.图13为本发明实施例橡胶支座的三维隔振/震装置三维图；
31.图14为本发明实施例摩擦摆支座的三维隔振/震装置三维图。
32.附图标记说明：
33.1：弹簧传力块顶部固定螺栓；2：弹簧水平位移块底部固定螺栓；3：第一盖板；4：第二盖板；5：正刚度外套筒；6：正刚度内套筒；7：弹簧传力块；8：弹簧限制器；9：限位器螺栓；10：水平弹簧系统；11：弹簧水平位移块；12：第一水平弹簧部；13：水平弹簧；14：第二水平弹簧部；15：第一水平弹簧部斜面块；16：第一水平弹簧部内层外套筒；17：第一水平弹簧部外层外套筒；19：第二水平弹簧部斜面块；20：第二水平弹簧部外层内套筒；21：第二水平弹簧部内层内套筒；22：正刚度竖向弹簧；23：第一盖板固定螺栓；24：第二盖板固定螺栓；25：正刚度环形弹簧；26：正刚度碟簧；27：橡胶支座；30：摩擦摆支座。
具体实施方式
34.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
36.此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.如图1至图14所示，本发明提供一种具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置，适于在上下方向上发生弹性形变，其包括第一盖板3、正刚度系统、负刚度系统和第二盖板4，其运动机理参照图1至图3。
38.正刚度系统包括正刚度外套筒5、正刚度内套筒6以及弹性件。正刚度外套筒5与第一盖板3的下表面连接，正刚度外套筒5套设于正刚度内套筒6外，正刚度内套筒6内置弹性
件，正刚度内套筒6与第二盖板4上表面连接。
39.第一盖板1上设置有八个螺栓孔，其中间四个螺栓孔用于连接弹簧传力块顶部固定螺栓1与弹簧传力块7，四角部分四个螺栓孔用于连接第一盖板固定螺栓23与上部结构。
40.弹性件为正刚度竖向弹簧22、正刚度碟簧26、正刚度环形弹簧25中的一种，且弹性件在安装后的任意时刻都处于压缩状态。其中，正刚度竖向弹簧22为线性弹簧，只产生正刚度；正刚度碟簧26产生正刚度由其高厚比所控制；正刚度环形弹簧25可以是双层环形弹簧或三层环形弹。
41.如图8所示，负刚度系统包括弹簧传力块7、弹簧限制器8、限位器螺栓9、水平弹簧系统10以及弹簧水平位移块11。弹簧限制器8通过限位器螺栓9与弹簧传力块7相连接，且弹簧限制器8用于限制水平弹簧系统10随着弹簧传力块7一起运动。
42.如图8所示，弹簧传力块7顶部具有一螺栓孔用于与第一盖板3处螺栓孔通过弹簧传力块顶部固定螺栓1相连接，弹簧传力块7右侧具有两个螺栓孔用于与弹簧限制器8通过限位器螺栓9进行连接，弹簧传力块7底部具有与第一水平弹簧部斜面块15相契合的梯形凹槽。弹簧限制器8设有两螺栓孔，且底部设有空心圆柱套孔用于限制水平弹簧系统10。弹簧水平位移块11设有滑道与水平弹簧系统10相接触，弹簧水平位移块11底部具有一螺栓孔用于与第二盖板4处螺栓孔通过弹簧水平位移块底部固定螺栓2相连接。
43.水平弹簧系统10包括第一水平弹簧部12、水平弹簧13和第二水平弹簧部14。水平弹簧13设置于第一水平弹簧部12和第二水平弹簧部14之间。
44.如图9所示，第一水平弹簧部12包括第一水平弹簧部斜面块15、第一水平弹簧部内层外套筒16和第一水平弹簧部外层外套筒17，第一水平弹簧部内层外套筒16和第一水平弹簧部外层外套筒17同轴设置，且二者均固定设置在第一水平弹簧部斜面块15上。
45.如图9所示，第二水平弹簧部14包括第二水平弹簧部斜面块19、第二水平弹簧部外层内套筒20和第二水平弹簧部内层内套筒21，第二水平弹簧部外层内套筒20和第二水平弹簧部内层内套筒21同轴设置，且二者均固定设置在第二水平弹簧部斜面块19上。
46.水平弹簧系统10随着弹簧传力块7一起运动时第二水平弹簧部斜面块19在弹簧水平位移块11滑道上运动，此时使水平弹簧系统10内水平弹簧13发生水平位移变化量。
47.水平弹簧13位于第一水平弹簧部内层外套筒16和第一水平弹簧部外层外套筒17以及第二水平弹簧部外层内套筒20和第二水平弹簧部内层内套筒21之间，且水平弹簧13左右两边分别与第一水平弹簧部斜面块15内面以及第二水平弹簧部斜面块19内面相连接。
48.水平弹簧系统10中的第一水平弹簧部外层外套筒17与弹簧限制器8底部空心圆柱套孔相契合，第一水平弹簧部斜面块15与弹簧传力块7梯形凹槽相契合，第二水平弹簧部斜面块19与弹簧水平位移块11内置滑道相接触。
49.如图8所示，弹簧水平位移块11斜面处设有滑道，用于与第二水平弹簧部斜面块19相接触，弹簧水平位移块11底部具有一螺栓孔用于与第二盖板4处螺栓孔通过弹簧水平位移块底部固定螺栓2相连接。
50.本领域的技术人员可以理解的是，弹簧传力块7的梯形凹槽与水平弹簧系统10的第一水平弹簧部斜面块15相接触，当具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置上下振动，水平弹簧系统10与弹簧传力块7一起上下振动，此时只需考虑水平弹簧系统10传给弹簧传力块7的力。
51.本领域的技术人员可以理解的是，弹簧水平位移块11斜面滑道与水平弹簧系统10的第二水平弹簧部斜面块19相接触，当具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置上下振动带动第二水平弹簧部斜面块19弹簧水平位移块11斜面滑道面上下运动，此时只需考虑水平弹簧系统10内水平弹簧13的水平位移变化。
52.弹簧传力块7的梯形凹槽与水平弹簧系统10的第一水平弹簧部斜面块15接触，且两接触面斜率相同。第二水平弹簧部斜面块19、弹簧传力块7的梯形凹槽以及弹簧水平位移块11滑道的各接触斜面斜率绝对值均相同。
53.弹簧传力块7侧旁螺栓孔与弹簧限制器8的螺栓孔相对应且直径相同；限位器螺栓9与弹簧传力块7侧旁螺栓孔与弹簧限制器8螺栓孔相配合并将二者相连接。
54.本领域的技术人员可以理解的是，正刚度装置数量不唯一，可根据实时的承载重量以及刚度需求进行数量分配，负刚度装置对称分布且数量没有限制，可根据正刚度装置刚度进行数量分配。
55.本领域的技术人员可以理解的是，水平弹簧系统10由于弹簧限制器8的限制只允许其随着本发明装置上下振动而振动，且水平弹簧系统10内的水平弹簧13在具有本发明装处于任意时刻时一直处于压缩状态；而正刚度系统内的正刚度竖向弹簧22/正刚度碟簧26/正刚度环形弹簧25同样在本发明装处于任意时刻时一直处于压缩状态。通过正刚度系统和负刚度系统两者相互作用，使得装置在承受竖向荷载时始终提供精准且稳定的动态零刚度或准零刚度，进而使得装置更能适应建筑隔震/振的的频域需求。
56.本发明的一种具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置，其第二盖板4包含八个螺栓孔，其四边中心位置处弹簧水平位移块底部固定螺栓2用于与弹簧水平位移块11连接，四角部分第一盖板固定螺栓24用于与下部结构连接。
57.本领域的技术人员可以理解的是，各个螺栓孔均有其相配合的螺栓，确保各个螺栓部件处的元件可拆卸地相连，且各个螺栓及螺栓孔的大小不唯一，可根据需求自我设计,不受示例图中大小限制。
58.本领域的技术人员可以理解的是，水平隔振/震装置不限于实施例中的橡胶支座27和摩擦摆支座30。
59.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置，其特征在于，包括第一盖板(3)、正刚度系统、负刚度系统以及第二盖板(4)；所述正刚度系统包括正刚度外套筒(5)、正刚度内套筒(6)以及弹性件；所述正刚度外套筒(5)与所述第一盖板(3)的下表面连接，所述正刚度外套筒(5)套设于所述正刚度内套筒(6)外，所述正刚度内套筒(6)内置所述弹性件，所述正刚度内套筒(6)与第二盖板(4)上表面连接；所述负刚度系统包括弹簧传力块(7)、弹簧限制器(8)、限位器螺栓(9)、水平弹簧系统(10)以及弹簧水平位移块(11)；所述弹簧限制器(8)通过所述限位器螺栓(9)与所述弹簧传力块(7)相连接，且所述弹簧限制器(8)用于限制所述水平弹簧系统(10)随着所述弹簧传力块(7)一起运动；所述弹簧传力块(7)顶部设有一螺栓孔以及侧旁设有两螺栓孔，侧旁底部设有梯形凹槽与所述水平弹簧系统(10)相接触；所述弹簧传力块(7)顶部螺栓孔用于与所述第一盖板(3)所对应的螺栓孔通过弹簧传力块顶部固定螺栓(1)连接；所述弹簧限制器(8)设有两螺栓孔，且底部设有空心圆柱套孔用于限制所述水平弹簧系统(10)；所述弹簧水平位移块(11)设有滑道与所述水平弹簧系统(10)相接触，所述弹簧水平位移块(11)底部具有一螺栓孔用于与所述第二盖板(4)处螺栓孔通过弹簧水平位移块底部固定螺栓(2)相连接。2.根据权利要求1所述的具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置，其特征在于，所述弹性件为正刚度竖向弹簧(22)、正刚度碟簧(26)、正刚度环形弹簧(25)中的一种，且所述弹性件在安装后的任意时刻都处于压缩状态。3.根据权利要求1所述的具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置，其特征在于，所述水平弹簧系统(10)包括第一水平弹簧部(12)、水平弹簧(13)和第二水平弹簧部(14)；所述水平弹簧(13)设置于所述第一水平弹簧部(12)和所述第二水平弹簧部(14)之间。4.根据权利要求3所述的具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置，其特征在于，所述第一水平弹簧部(12)包括第一水平弹簧部斜面块(15)、第一水平弹簧部内层外套筒(16)和第一水平弹簧部外层外套筒(17)，所述第一水平弹簧部内层外套筒(16)和所述第一水平弹簧部外层外套筒(17)同轴设置，且二者均固定设置在所述第一水平弹簧部斜面块(15)上。5.根据权利要求4所述的具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置，其特征在于，所述第二水平弹簧部(14)包括第二水平弹簧部斜面块(19)、第二水平弹簧部外层内套筒(20)和第二水平弹簧部内层内套筒(21)，所述第二水平弹簧部外层内套筒(20)和所述第二水平弹簧部内层内套筒(21)同轴设置，且二者均固定设置在所述第二水平弹簧部斜面块(19)上。6.根据权利要求4所述的具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置，其特征在于，所述弹簧传力块(7)的梯形凹槽与所述水平弹簧系统(10)的所述第一水平弹簧部斜面块(15)接触，且两接触面斜率相同。7.根据权利要求6所述的具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置，其特征在于，所述第二水平弹簧部斜面块(19)、所述弹簧传力块(7)的梯形凹槽以及所述弹簧水平位移块(11)滑道的各接触斜面斜率绝对值均相同。
8.根据权利要求1所述的具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置，其特征在于，所述弹簧传力块(7)侧旁螺栓孔与所述弹簧限制器(8)的螺栓孔相对应且直径相同；所述限位器螺栓(9)与所述弹簧传力块(7)侧旁螺栓孔与所述弹簧限制器(8)螺栓孔相配合并将二者相连接。9.根据权利要求5所述的具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置，其特征在于，所述弹簧限制器(8)的空心圆柱套孔用于套住所述水平弹簧系统(10)的所述第一水平弹簧部外层外套筒(17)，且限制所述水平弹簧系统(10)跟随所述弹簧传力块(7)一起上下运动，同时带动所述第二水平弹簧部斜面块(19)在所述弹簧水平位移块(11)滑道上滑动。10.根据权利要求1所述的具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置，其特征在于，所述正刚度系统至少具有一个；所述负刚度系统对称分布且数量没有限制。

技术总结
本发明提供了一种具有动态全域线性负刚度的恒准零刚度震振双控装置，包括第一盖板、正刚度系统、负刚度系统以及第二盖板；正刚度系统包括正刚度外套筒、正刚度内套筒以及弹性件；正刚度外套筒与第一盖板的下表面连接，正刚度外套筒套设于正刚度内套筒外，正刚度内套筒内置弹性件，正刚度内套筒与第二盖板上表面连接；负刚度系统包括弹簧传力块、弹簧限制器、限位器螺栓、水平弹簧系统以及弹簧水平位移块，弹簧限制器通过限位器螺栓与弹簧传力块相连接，且弹簧限制器用于限制水平弹簧系统随着弹簧传力块一起运动。本发明可在振动过程中始终提供线性负刚度，能实现可设定恒定零刚度或恒准零刚度。恒准零刚度。恒准零刚度。


技术研发人员：马玉宏 吴高振 赵桂峰 杨恒 孔思华
受保护的技术使用者：广州大学
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/10/8