阅读说明：本技术 带自平衡的三维隔震抗摇摆装置及方法 (Self-balancing three-dimensional shock-isolation anti-swing device and method ) 是由 石运东 王旋 董文青 刘宏睿 于 2019-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明属于土木工程以及机械工程领域和隔震技术领域,为提出一种具有足够竖向承载力和抗摇摆能力,并且能够实在自平衡的三维隔震装置及方法。为此,本发明采取的技术方案是,带自平衡的三维隔震抗摇摆装置及方法,包括左部液压系统,右部液压系统,平衡缸以及连接部件；左部液压系统包括:上部销座、销轴、上部销头、活塞杆、液压缸体、排气孔、活塞、阻尼孔、液压油、油口、左部液压系统连接导管、底部销座、下部销头、液压缸上盖板；平衡缸包括：平衡缸活塞、平衡缸缸体、平衡缸活塞杆、平衡缸左油口、平衡缸右油口、平衡缸排气孔、平衡缸上盖板。本发明主要应用于设计制造场合。(The invention belongs to the fields of civil engineering and mechanical engineering and the technical field of shock insulation, and provides a three-dimensional shock insulation device and a method which have enough vertical bearing capacity and anti-swing capacity and can realize self-balancing. Therefore, the invention adopts the technical scheme that the three-dimensional shock-insulation and swing-resistant device with self-balancing function and the method thereof comprise a left hydraulic system, a right hydraulic system, a balancing cylinder and a connecting part; the left hydraulic system comprises an upper pin boss, a pin shaft, an upper pin head, a piston rod, a hydraulic cylinder body, an exhaust hole, a piston, a damping hole, hydraulic oil, an oil port, a left hydraulic system connecting guide pipe, a bottom pin boss, a lower pin head and a hydraulic cylinder upper cover plate; the balance cylinder includes: the balance cylinder comprises a balance cylinder piston, a balance cylinder body, a balance cylinder piston rod, a balance cylinder left oil port, a balance cylinder right oil port, a balance cylinder exhaust hole and a balance cylinder upper cover plate. The invention is mainly applied to design and manufacture occasions.)

带自平衡的三维隔震抗摇摆装置及方法

技术领域

本实发明属于土木工程以及机械工程领域和隔震技术领域，具体涉及带自平衡的三维隔震抗摇摆装置及方法。

背景技术

我国是世界大国，地理位置处于环太平洋和亚欧地震带两大地震带之间，几乎所有的地区都发生过六级以上的破坏性强震，地震带来的灾难和后果是十分严重的。因此，为了消除和减弱地震等带给人们的生命和财产的巨大威胁，设计安全可靠，便于使用，易于维护，成本低廉的隔震装置显得十分重要。目前，水平方向隔震技术的研究和发展较为成熟，近年来有广大学者和专家对其展开了研究。水平隔震装置包括有橡胶隔震支座、摩擦摆隔震支座、滚动隔震装置，滑移隔震支座等。但是，地震来临时，地面运动是复杂的三向运动，地震加速度既有水平方向的分量，又有竖直方向的分量甚至在实际地震中曾多次实测到地震动竖直加速度峰值超过水平加速度峰值，地震动的竖向作用分量成为导致结构倒塌破坏的主要原因。另外，研究与实际震害发现，地震中虽然结构并未严重破坏，但竖向地震作用可能造成内部非结构物的严重损坏，从而造成结构重要功能缺失并引发经济上的巨大损失，甚至阻碍地震中人类的逃生。因此，对结构竖向震动的控制十分重要。

国内外许多学者已经开始了三维隔震技术的研究，这些研究大多时伴随三维支座的开发研究进行的，目前国内外三维隔震支座主要有厚层橡胶叠层橡胶支座隔震系统、铅芯叠层橡胶支座与螺旋弹簧或空气弹簧的串联组合系统、铅芯叠层橡胶支座与液压油缸的串联组合系统以及铅芯叠层橡胶支座与隔震楼板的组合系统等形式。另外，传统三维隔震装置需要同时兼顾限制自重与活载作用下的变形与延长地震时的隔震周期的不同需求，使得目前研究的三维隔震装置较为复杂不便于设计制作，进而导致价格昂贵，不利于三维隔震装置的推广。

地震作用下，结构的竖向震动控制相对于水平震动控制具有更大的难度。由于结构的竖向刚度相对更大，普通的减震措施(如各类阻尼器)较难发挥有效作用。同时，当地震来临时，随着建筑物的每一个支撑点上下移动，结构会出现不可抑制晃动，即引起建筑物的摇摆，此类摇摆对建筑的危害随着建筑高度的增加而更加严重，由此可见，有必要研发可以同时实现水平隔震和竖向隔震和抑制结构摇摆的三维隔震装置。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种具有足够竖向承载力和抗摇摆能力，并且能够实在自平衡，无需外部供能的带自平衡的三维隔震装置及方法。为此，本发明采取的技术方案是，带自平衡的三维隔震抗摇摆装置，包括左部液压系统，右部液压系统，平衡缸以及连接部件；左部液压系统包括:上部销座、销轴、上部销头、活塞杆、液压缸体、排气孔、活塞、阻尼孔、液压油、油口、左部液压系统连接导管、底部销座、下部销头、液压缸上盖板；平衡缸包括：平衡缸活塞、平衡缸缸体、平衡缸活塞杆、平衡缸左油口、平衡缸右油口、平衡缸排气孔、平衡缸上盖板；右部液压系统包括：上部销座、销轴、销头、活塞杆、液压缸体、排气孔、活塞、阻尼孔、液压油、右部液压系统连接导管、底部销座、下部销头、右部液压系统油口；上部销座通过销轴与销头连接，销头与活塞杆连接，活塞杆另一端与活塞上部连接，活塞下部直接接触液压油并进行密封，活塞下部腔体与开设油口的腔体通过阻尼孔联通，下部销座通过销轴与销头连接；平衡缸活塞下部与平衡缸活塞杆连接，平衡缸活塞下部直接接触液压油并进行密封，平衡缸活塞杆与液压油直接接触。

所述装置的上部销头与活塞杆连接采用螺纹连接、焊接或者作为整体式；活塞杆与活塞上部采用螺纹连接或非螺纹连接；

所示装置的液压缸上盖板设有排气孔，活塞杆通过液压缸上盖板，与液压缸缸盖板直接接触并保证可上下移动的同时具有密封性；

所示装置的阻尼孔设置缸体内部，阻尼孔的位置不随活塞的移动而改变。

所示装置的平衡缸活塞杆和平衡缸活塞螺纹连接或非螺纹连接，平衡缸活塞杆通过平衡缸上下腔间隔板，与上下两个腔中的液压油直接接触；平衡缸上盖板设有平衡缸排气孔。

所示装置的左部液压系统、平衡缸、右部液压系统数量的组合比例通过不同的设计要求布置，左部液压系统、平衡缸、右部液压系统以及每个缸内部腔体的个数设为两个或多个。

所示装置的左部液压系统与平衡缸直接通过左部液压系统连接导管就近或远程连接，右部液压系统与平衡缸通过右部液压系统连接导管就近或远程连接，以满足不同大小隔震层空间的使用要求；连接导管可选为软油管或硬管道，左部液压系统、平衡缸和右部液压系统可水平或竖直放置。

本发明装置进行带自平衡三维隔震抗摇摆的方法，在正常使用时，带自平衡三维隔震抗摇摆装置在竖向只承受恒载和活载，左部液压系统、平衡缸和右部液压系统协同工作，活塞和平衡缸活塞均处于静止状态；在上部结构受到向下的地震作用时，左部液压系统销座、销轴、销头连同活塞杆和活塞向下运动，液压缸中的液压油经阻尼孔自上而下流动，液压油流经阻尼孔产生阻尼力，消耗部分地震力，经阻尼孔流下的液压油从油口排出经左部液压系统连接导管从油口流入平衡缸油腔上部腔体，液压油的流入使平衡缸活塞连同平衡缸活塞杆向上运动，同时右部液压系统左部液压系统销座、销轴、销头连同活塞杆和活塞向下运动，液压缸中的液压油经阻尼孔自上下流动，液压油流经阻尼孔产生阻尼力，消耗部分地震力，经阻尼孔流下的液压油从油口排出经右部液压系统连接导管从油口流入平衡缸油腔下部腔体，液压油的流入使平衡缸活塞杆带动活塞向上移动，此时平衡缸油口与油口流入的液压油共同使平衡缸活塞与平衡缸活塞杆向上移动；当上部结构出现摇摆，左部液压系统受到向下的地震作用，右部液压系统受到向上的地震作用时，左部液压系统销座、销轴、销头连同活塞杆和活塞向下运动，液压缸中的液压油经阻尼孔自上下流动，液压油流经阻尼孔产生阻尼力，消耗部分地震力，经阻尼孔流下的液压油从油口排出经左部液压系统连接导管从平衡缸左油口流入平衡缸油腔上部腔体，液压油的流入使平衡缸活塞连同平衡缸活塞杆产生向上运动的趋势，右部液压系统销座、销轴、销头以及活塞杆和活塞向上移动，此时液压油需从平衡缸下部从平衡缸右油口经右部液压系统连接导管、右部液压系统油口流入液压缸腔体，然后由下往上经阻尼孔向上流动，才能使右部液压系统销座、销轴、活塞杆和活塞向上移动，而此时的平衡缸上部腔体需有液压油流入使平衡缸活塞杆以及活塞有向上移动的趋势，平衡缸下部腔体需有液压油流出使平衡缸活塞杆以及活塞有向下移动的趋势，两种趋势相互抵抗使得左部液压系统以及右部液压系统不会出现大幅度下降，抑制了上部结构由于地震所产生的摇摆，实现装置的自平衡。

所述方法时利用液压缸中设置阻尼孔产生阻尼力，达到耗散地震力的作用；在正常使用阶段，阻尼孔提供的阻尼力通过下式计算

式中F表示阻尼孔产生的阻尼力，π表示圆周率，V表示活塞运动的速度，l表示阻尼孔的长度，k表示液压油的稠度系数，m表示液压油的非牛顿指数，D表示液压缸体的内径，d表示阻尼孔的直径，N表示每个液压缸内阻尼孔的个数。

本发明的特点及有益效果是：

1、本发明中，采用液压系统进行隔震。液压系统的功率重量比大、体积小、易于调节，不仅能够在建筑工程中使用，还可以适应放射性、高温等其他恶劣的工作环境。

2、本发明中，平衡缸的设置有效抑制上部结构的摇摆。平衡缸的设计增加了装置的安全性以及适用性，相比其他液压隔震装置稳定性更强，耗能能力增加。

3、本发明中，不仅能够提供竖向刚度还能抑制结构摇摆。地震作用来临时，此装置不仅能够提供竖向阻尼力，减轻竖向地震作用对结构的危害，还能通过左部液压系统，右部液压系统以及平衡缸的共同作用有效抑制结构的摇摆，解决了传统隔震方式无法抑制上部结构摇摆的特点，拓展了隔震装置的功能。

4、本发明中，将阻尼孔设置在液压缸内缸体上，使液压缸建造更方便，简洁。此新型自带平衡的三维液压隔震装置将阻尼孔设置在液压缸的内缸体上，一方面可以消散地震的能量，另一方面可以有效降低液压缸的高度，节约资源，降低成本。

5、该新型自带平衡的三维隔震抗摇摆装置构造较为简单，制作加工方便，在隔震的同时有效抑制结构摇摆，并且具有良好的整体稳定性和工作安全性。

附图说明：

图1为本发明带自平衡的三维隔震抗摇摆装置的总体结构示意图。

图2为该新型装置的三维立体图。

图3为该新型装置的顶视图。

图中各部件标记如下：1上部销座、2销轴、3上部销头、4活塞杆、5液压缸体、6排气、7活塞、8阻尼孔、9液压油、10油口、11左部液压系统连接导管、12平衡缸活塞、13平衡缸缸体、14平衡缸活塞杆、15平衡缸左油口、16左部液压系统连接导管、17平衡缸右油口、 18底部销座、19平衡缸排气孔、20下部销头、21液压缸上盖板、22平衡缸上盖板、23右部液压系统油口。

具体实施方式

本发明属于土木工程以及机械工程领域和隔震技术领域，涉及一种具有足够竖向承载力和抗摇摆能力，并且能够实现自平衡，无需外部供能的的新型带自平衡的三维隔震抗摇摆装置及方法，适用于工业与民用建筑、桥梁、地下建筑等领域的隔震。

本发明的目的在于提出一种具有足够竖向承载力和抗摇摆能力，并且能够实在自平衡，无需外部供能的带自平衡的三维隔震装置及方法，其旨在解决现有隔震装置的不足，即解决现有的水平隔震支座无法隔离竖向地震作用的问题；传统竖向隔震支座无法抑制建筑摇摆的问题，解决现有多维隔震装置构造复杂、价格昂贵、设计安装专业性强等问题。同时利用液压缸的组合，使三维隔震装置同时兼顾限制自重与活载作用下的变形与延长地震时的隔震周期的不同需求，容易实现自动控制，在地震时不需要任何辅助能源输入，以地震能量作为能源输入，为结构物提供很大的阻尼力，达到降低地震反应的作用。

本发明的技术方案如下：

一种带自平衡的三维隔震抗摇摆装置，包括左部液压系统，右部液压系统，平衡缸以及连接部件；左部液压系统包括上部销座1、销轴2、上部销头3、活塞杆4、液压缸体5、排气孔6、活塞7、阻尼孔8、液压油9、油口10、左部液压系统连接导管11、底部销座18、下部销头20、液压缸上盖板21；平衡缸包括平衡缸活塞12、平衡缸缸体13、平衡缸活塞杆 14、平衡缸左油口15、平衡缸右油口17、平衡缸排气孔19、平衡缸上盖板22；右部液压系统包括上部销座1、销轴2、上部销头3、活塞杆4、液压缸体5、排气孔6、活塞7、阻尼孔 8、液压油9、右部液压系统连接导管16、底部销座18、下部销头20、右部液压系统油口23、液压缸上盖板21；上部销座1通过销轴2与销头3连接，销头3与活塞杆4连接，活塞杆4 另一端与活塞7上部连接，活塞下部直接接触液压油并进行密封，活塞下部腔体与开设油口的腔体通过阻尼孔9联通，下部销座18通过销轴2与销头20连接；平衡缸活塞12下部与平衡缸活塞杆14连接，平衡缸活塞12下部直接接触液压油并进行密封，平衡缸活塞杆14与液压油直接接触。

所述装置的上部销头3与活塞杆4连接采用螺纹连接、焊接或者作为整体式；活塞杆4与活塞7上部采用螺纹连接或非螺纹连接。

所示装置的液压缸上盖板21设有排气孔6；活塞杆4通过液压缸上盖板21，与液压缸缸盖板21直接接触并保证可上下移动的同时具有密封性。

所示装置的阻尼孔8设置缸体内部，而非活塞上，阻尼孔8的位置不随活塞的移动而改变。

所示装置的平衡缸活塞杆13和平衡缸活塞12螺纹连接或非螺纹连接，平衡缸活塞杆14 通过平衡缸上下腔间隔板，与上下两个腔中的液压油直接接触；平衡缸上盖板22设有平衡缸排气孔19

所示装置的左部液压系统、平衡缸、右部液压系统数量的组合比例通过不同的设计要求灵活布置，左部液压系统、平衡缸、右部液压系统以及每个缸内部腔体的个数设为两个或多个。

所示装置的左部液压系统与平衡缸直接通过左部液压系统连接导管11就近或远程连接，右部液压系统与平衡缸通过右部液压系统连接导管16就近或远程连接，以满足不同大小隔震层空间的使用要求；连接导管可选为软油管或硬管道，左部液压系统、平衡缸和右部液压系统可水平或竖直放置。

本发明装置进行带自平衡三维隔震抗摇摆的方法，其特征是在正常使用时，带自平衡三维隔震抗摇摆装置在竖向只承受恒载和活载，左部液压系统、平衡缸和右部液压系统协同工作，活塞7和平衡缸活塞12均处于静止状态；在上部结构受到向下的地震作用时，左部液压系统销座1、销轴2、销头3连同活塞杆4和活塞7向下运动，液压缸中的液压油9经阻尼孔 8自上而下流动，液压油流经阻尼孔产生阻尼力，消耗部分地震力，经阻尼孔8流下的液压油9从油口10排出经左部液压系统连接导管11从平衡缸左油口15流入平衡缸油腔上部腔体，液压油9的流入使平衡缸活塞12连同平衡缸活塞杆14向上运动，同时右部液压系统左部液压系统销座1、销轴2、销头3连同活塞杆4和活塞7向下运动，液压缸中的液压油9经阻尼孔8自上下流动，液压油9流经阻尼孔8产生阻尼力，消耗部分地震力，经阻尼孔8流下的液压油从油口10排出经右部液压系统连接导管16从平衡缸右油口17流入平衡缸油腔下部腔体，液压油的流入使平衡缸活塞杆14带动活塞12向上移动，此时平衡缸左油口15与平衡缸右油口17流入的液压油共同使平衡缸活塞12与平衡缸活塞杆14向上移动；当上部结构出现摇摆，左部液压系统受到向下的地震作用，右部液压系统受到向上的地震作用时，左部液压系统销座1、销轴2、销头3连同活塞杆4和活塞7向下运动，液压缸中的液压油9经阻尼孔 8自上下流动，液压油9流经阻尼孔8产生阻尼力，消耗部分地震力，经阻尼孔8流下的液压油9从油口10排出经左部液压系统连接导管11从平衡缸左油口15流入平衡缸油腔上部腔体，液压油9的流入使平衡缸活塞12连同平衡缸活塞杆14产生向上运动的趋势，右部液压系统销座1、销轴2、销头3以及活塞杆4和活塞7向上移动，此时液压油9需从平衡缸下部从平衡缸右油口17经右部液压系统连接导管16、右部液压系统油口23流入液压缸腔体，然后由下往上经阻尼孔8向上流动，才能使右部液压系统销座1、销轴2、活塞杆4和活塞7向上移动，而此时的平衡缸上部腔体需有液压油流入使平衡缸活塞杆14以及活塞12有向上移动的趋势，平衡缸下部腔体需有液压油流出使平衡缸活塞杆14以及活塞12有向下移动的趋势，两种趋势相互抵抗使得左部液压系统以及右部液压系统不会出现大幅度下降，抑制了上部结构由于地震所产生的摇摆，实现装置的自平衡。

所述方法时利用液压缸中设置阻尼孔产生阻尼力，达到耗散地震力的作用；在正常使用阶段，阻尼孔8提供的阻尼力通过下式计算

式中V表示活塞7运动的速度，π表示圆周率，表示阻尼孔8的长度，k表示液压油9的稠度系数，m表示液压油9的非牛顿指数，D表示液压缸体5的内径，d表示阻尼孔8的直径， N表示每个液压缸内阻尼孔8的个数。

本发明的带自平衡的三维隔震抗摇摆装置安放于民用建筑、桥梁、地下建筑等承受地震作用或其他动力作用的结构底部，隔震装置以上的结构发生向下的位移时左部液压系统和右部液压系统联合平衡缸发挥作用，通过阻尼孔8提供向上的阻尼力；发生向上的位移时左部液压系统和右部液压系统联合平衡缸发挥作用，通过阻尼孔8提供向下的阻尼力；当隔震装置以上的结构发生倾角时，左部液压系统和右部液压系统联合平衡缸发挥作用，抑制结构倾角；在此装置工作时，不需要外部能量的供给，在地震结束后，可恢复原有状态，装置可实现自平衡。

下面结合附图对本发明带自平衡三维隔震抗摇摆装置实施进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。

其左部液压系统包括上部销座1、销轴2、上部销头3、活塞杆4、液压缸体5、排气孔6、活塞7、阻尼孔8、液压油9、油口10、左部液压系统连接导管11、底部销座18、下部销头 20、液压缸上盖板21。上部销座1与上部销头3通过销轴2进行连接，销头3与活塞杆4通过螺栓连接或者螺纹连接或焊接，活塞杆4通过液压缸上盖板21，与液压缸上盖板21密封接触但不连接，排气孔6设置液压缸上盖板21上，贯通液压缸上盖板21并设置在适当位置，活塞杆4和活塞7通过螺纹连接或非螺纹连接，活塞下部直接接触液压油9并进行密封，阻尼孔8设置在液压缸内隔板上，贯通并充满液压油9，阻尼孔8可设置一个或多个，油口10 设置在液压缸最下部腔体侧壁处，左部液压系统连接导管11与油口10以及平衡缸左油口15 密封连接并保证在强震状态下不漏油、不脱落，下部销头20与液压缸底部连接，可为焊接或为整体式，左部液压系统底部销座18与底部销头20通过销轴2进行连接，底部销座18可与其他结构或装置进行螺栓连接或焊接。

在正常使用下上部销座1、销轴2、上部销头3、活塞杆4以及活塞7共同向上或者向下运动，运动时要保证液压油始终充满液压缸中部腔体和下部腔体，当活塞7运动到阻尼孔8 所在的液压缸内部中间隔板处时，活塞7运动到极限位置。

平衡缸包括平衡缸包括平衡缸活塞12、平衡缸缸体13、平衡缸活塞杆14、平衡缸左油口15、平衡缸右油口17、平衡缸排气孔19。平衡缸排气孔19设置在平衡缸上盖板22的适当位置，平衡缸活塞12下部与平衡缸活塞杆14进行螺连接或者螺栓连接，平衡缸活塞12下部直接接触液压油并进行密封，平衡缸活塞杆14通过平衡缸中间隔板，与中间隔板密封接触，并且与平衡缸底部保持一段安全距离。

在正常使用下，平衡缸活塞12以及平衡缸活塞杆14共同进行向上或者向下的运动，向上运动时，平衡缸活塞12接触到平衡缸上盖板22为运动极限，同时应保证，平衡缸活塞12 接触到平衡缸上盖板22时，平衡缸活塞杆14最下方仍处于平衡更最下方腔中；向下运动时，以平衡缸活塞12接触到平衡缸内部中间隔板达到极限状态，同时应保证，平衡缸活塞12接触到平衡缸内部中间隔板时，平衡缸活塞杆14不与平衡缸底部接触，平衡缸左油口15以及平衡缸右油口17分别设置在平衡缸中部和下部两个腔中。

右部液压系统包括上部销座1、销轴2、上部销头3、活塞杆4、液压缸体5、排气孔6、活塞7、阻尼孔8、液压油9、右部液压系统连接导管16、底部销座18、下部销头20、液压缸上盖板21，右部液压系统油口23。右部液压系统油口23设置在液压缸最下部腔体侧壁处，右部液压系统连接导管16与右部液压系统油口23以及油口17密封连接并保证在强震状态下不漏油、不脱落，右部液压系统其余设置与左部液压系统相同，不予赘述。

左部液压系统与平衡缸通过左部液压系统连接导管连接11连接，左部液压系统连接导管一端与油口10连接，另一端与平衡缸左油口15连接，使得左部液压系统内腔与平衡缸内腔连通；右部液压系统与平衡缸通过左部液压系统连接导管连接16连接，油口液压系统连接导管一端与右部液压系统油口23连接，另一端与平衡缸右油口17连接，使得右部液压系统内腔与平衡缸内腔连通。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，应注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，凡是利用本说明书原理及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。