一种集水平隔震竖向隔振为一体的支座及应用构造
技术领域
本发明涉及建筑结构及机械振动控制技术领域，具体涉及用于地铁上盖等领域的建筑隔震和隔振方案。
背景技术
随着城市发展的不断深入，城市土地资源日渐紧缺，合理开发利用地铁上盖的土地资源，是城市发展的一个重要方向，在地铁上盖上建造房屋就是土地资源的再次利用。
目前地铁上盖的房屋设计，就抗震设计而言，主要是采用隔震技术。隔震技术的应用较为成熟，已成为结构抗震设计的重要手段。现有的隔震技术在房屋设计中的应用，已经受了多次实际地震考验，隔震效果良好。但地铁上盖的房屋在平时正常使用时，会受到地铁(或轨道交通)在运营时的振动噪声影响，振动噪声通过固体传声会影响到人们的正常的生活和工作环境，这就需要采用隔振措施，将振动噪声降低到人们正常的生活环境指标以内。
常用的隔震技术是通过在建筑物或结构底部设置具有较小刚度的隔震层，延长结构的自振周期并增加阻尼来避开以短周期为主的地震作用。但是，现有建筑隔震技术只是隔离水平地震作用，常忽略了竖向地震带来的影响。研究结果表明现有建筑隔震技术对水平减震有明显的效果，而对竖向地震和振动反而有一定的放大作用。由此可见，由于建筑隔震技术的工作原理不同，不能有效地隔振，所以它不能代替建筑隔振。
现有地铁上盖的建筑设计是以建筑抗震为主，忽略了在使用过程中会受到地铁运营时高速轮轨振动影响，这种振动影响往往会超过人们正常生活和工作环境的需要，不能满足绿色、环保的人们居住条件的要求。
由于地铁上盖开发需求越来越大，基于地铁上盖的位置特殊性，地铁上盖结构一方面要解决在地震作用下减小上部结构对地铁造成的不利影响，另一方面需要解决地铁振动对上部结构的影响。其中减震需要解决的是水平抗震的问题，而地铁振动则是解决竖向减振的问题。由此，如何使得地铁上盖的建筑可同时进行水平抗震和竖向减振，为本领域亟需解决的问题。
发明内容
针对现有地铁上盖的建筑在建筑隔震以及隔振方面所存在的问题，需要一种使得地铁上盖的建筑同时具备水平减震和竖向减振性能的方案。
为此，本发明的目的在于提供一种集水平隔震、竖向隔振为一体的支座，其同时具备“水平减震”和“竖向振动”性能；在此基础上，本发明还提供一种采用该支座的应用构造，可有效解决现有建筑减震方案不能隔离竖向振动的问题。
为了达到上述目的，本发明提供的集水平隔震竖向隔振为一体的支座，包括水平隔震单元，竖向弹性隔振单元，以及容纳箱体，所述竖向弹性隔振单元安置在容纳箱体内，所述水平隔震单元置于容纳箱体内的竖向弹性隔振单元上部，所述容纳箱体对其内的竖向弹性隔振单元以及竖向弹性隔振单元与水平隔震单元之间的配合结构形成限位。
进一步地，所述水平隔震单元包括水平隔震支座，所述水平隔震支座上设置有第一连接组件。
进一步地，所述竖向弹性隔振单元与水平隔震单元之间固定串接。
进一步的，所述竖向弹性隔振单元的一端通过第二连接组件与水平隔震单元之间固定连接；所述竖向弹性隔振单元的另一端与容纳箱体固定连接；所述第二连接组件与所述容纳箱体配合形成水平限位结构。
进一步地，所述竖向弹性隔振单元包括若干隔振弹簧和可变形填充体组成，所述可变形填充体填充并包裹若干隔振弹簧。
进一步地，所述若干隔振弹簧之间均匀分布。
进一步地，所述容纳箱体的内侧壁上设置有一层低摩擦层。
进一步地，所述容纳箱体的外侧壁上设置有加强装置。
为了达到上述目的，本发明提供的集水平隔震竖向隔振的应用构造，包括上述的支座以及若干连接部件，所述支座中水平隔震单元的伸出端通过若干连接部件连接第一结构件，所述支座中容纳箱体的底部通过若干连接部件连接第二结构件。
进一步地，所述容纳箱体位于第二结构件的上部或嵌入第二结构件中。
进一步地，所述连接部件为栓钉，锚杆，螺杆，钢筋中的一种或多种。
本发明提供的方案集水平隔震和竖向隔振为一体，将由地震作用的地震波通过隔震支座(如橡胶支座)进行水平隔震，与此同时在不影响水平隔震性能的情况下，可将如由地铁运营时的振动噪声，通过竖向弹性隔振支座(弹簧+变形填料组合体)进行竖向隔振，有效解决地铁上盖的建筑隔震和隔振问题。本方案针对地震波和高速轮轨的振动的能量形式不同，频域范围不同，传播方式不同，其集成式方案中的两种类型的支座单元可以在相互配合合理解决地铁上盖的建筑物隔震和隔振需求。
再者，本发明提供的方案在具体应用时，相对于现有技术还具有以下优点：
1、本发明的方案通过在水平隔振震支座的下部设置竖向隔振的弹簧和橡胶结合体从而实现了支座的三维隔振功能，力学原理明确，受力合理，整体成熟可靠，结构巧妙且容易实现，成本相对较低；
2、本发明的方案将弹簧与橡胶的结合体置于下部的容纳箱体内，实现了防止弹簧在水平和竖向力作用时容易失稳和破坏的问题，解决了竖向隔振/震部件水平受力不稳定的问题；
3、本发明的方案通过容纳箱体设置可以确保隔振弹簧始终在箱体内上下运动，不会导致支座的倾覆破坏；
4、本发明的方案安装便捷，连接可靠，与常规的橡胶隔振(震)支座安装方法基本一致。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为本发明实例中三维隔振及隔震支座的爆炸示意图；
图2为本发明实例中三维隔振及隔震支座一种安装结构的正截面结构示意图；
图3为图2采用方形箱体时在A-A方向的剖面示意图；
图4为图2采用圆形箱体时在A-A方向的剖面示意图；
图5为本发明实例中三维隔振及隔震支座的竖向力学模型；
图6为本发明实例中三维隔振及隔震支座的水平力学模型；
图7为本发明实例中三维隔振及隔震支座另一种安装结构的正截面结构示意图；
图8为图7所示方案采用方形箱体嵌入方形结构构件时在A-A方向的剖面示意图；
图9为图7所示方案采用方形箱体嵌入圆形结构构件时在A-A方向的剖面示意图；
图10为图7所示方案采用圆形箱体嵌入方形结构构件时在A-A方向的剖面示意图；
图11为图7所示方案采用圆形箱体嵌入圆形结构构件时在A-A方向的剖面示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
由于地震波和高速轮轨的振动的能量形式不同，频域范围不同，传播方式不同，故需要采用不同的方式来进行隔震以及隔振。对于由地震作用产生的地震波需要进行水平隔震方法，对于由地铁运营时的高速轮轨产生的振动噪声，则需要进行竖向隔振方法。
为了能够实现有效的水平隔震，所采用的水平隔震方案需要水平刚度弱，竖向刚度大；为了能够实现有效的竖向隔振，所采用的竖向隔振方案需要竖向刚度相对水平刚度要弱。由此可见，水平隔震方案与竖向隔振方案的实现原理不同，两者相互矛盾。
基于上述的技术矛盾，本案通过大量创造性的工作，有效的克服技术矛盾，创新的将两种性能相反的方案进行有机组合，即在水平隔震方案下方设置竖向隔振方案，采用上、下串接固定的方式将两者进行有机组合，集成为一体，这样能够保证水平隔震方案充分有效地发挥减、隔震的效果，同时通过位于下部的竖向隔振方案隔断固体传声的传播通道，从而有效防止地铁轮轨产生的振动通过固体传声而影响到上部建筑，这样先隔振后再隔震，实现同时达到水平隔震和竖向隔振性能。
据此，本实例具体给出一种三维隔振及隔震支座同时具备水平隔震和竖向隔振功能，可有效以解决现有隔震支座、摩擦摆支座等不能隔离竖向振/震动的问题。
参见图1，其所示为本实例给出的三维隔振及隔震支座的爆炸示例图。由图可知，该三维隔振/隔震支座100(包括110，111，112，120,121，130,131，140,150)主要通过集成水平隔震单元110和竖向弹性隔振单元120形成一种具有水平隔震和竖向隔振功能的复合隔振/震结构。
其中，水平隔震单元110为一种水平隔震元件(即水平隔震单元)，其水平刚度小且竖向刚度大，主要用于减小结构的水平作用力，并提供一定的附加阻尼比，实现水平隔震功能。
竖向弹性隔振单元120，其竖向刚度小，并集成在水平隔震单元110的一端，为结构提供较大的竖向承载力和较小的竖向刚度，实现竖向隔振功能。
在此基础上，本实例在设置一容纳箱体130，以用于容置竖向弹性隔振单元120，以及竖向弹性隔振单元120与水平隔震单元110之间的配合结构112，并形成限位。
由此形成的方案中，竖向弹性隔振单元120通过相应的配合结构112与水平隔震单元110之间可靠连接；与此同时，两者之间的配合结构整体置入箱体130内一定的深度，且该配合结构与箱体130之间紧密接触，配合结构112在箱体130内水平方向限制移动，而在竖直方向上配合结构可以在箱体内自由移动。
作为举例，本实例方案在具体实现时，本实例中的水平隔震单元110优选为水平隔震支座机构，如可采用橡胶支座、铅芯橡胶支座方案。
本实例中采用橡胶支座或铅芯橡胶支座来构成水平隔震单元110，使得整个水平隔震单元110的受力性能稳定，变形能力强。另外，橡胶支座或铅芯橡胶支座在水平各方向上的刚度和出力一致，具有较好的适用性。
再者，橡胶支座或铅芯橡胶支座的水平方向上的力远远小于混凝土柱和箱体的水平抗剪承载力，由此形成的水平隔震单元110可以避免钢板112(即竖向弹性隔振单元120与水平隔震单元110之间的配合结构)与箱体130之间的接触内力过大造成支座的失稳破坏。
如此结构的橡胶支座110(即水平隔震单元110)在具体实施时，其两端分别设置有第一连接组件111和第二连接组件112，用于橡胶支座110的安装和应用。
作为举例，这里的第一连接组件111和第二连接组件112由相应的连接钢板构成，如图所示方案，第一连接组件111和第二连接组件112可分别由第一连接钢板111和第二连接钢板112来构成，对于第一连接钢板111和第二连接钢板112的具体形状可根据实际需求而定，此处不加以限定，如可以为方形或圆形或正多边形等。
其中作为第一连接组件111的第一连接钢板111固设在第一连接钢板111的一端，用于与连接部件140连接，以实现与第一结构件200(如隔震层的上支墩(柱))进行固定连接。
作为第二连接组件112的第二连接钢板112固设在第一连接钢板111的另一端，用于与竖向弹性隔振单元120固定连接，形成竖向弹性隔振单元120与水平隔震单元110之间的配合结构；同时该第二连接钢板112还作为限位滑动盖板整体置于容纳箱体130内，以与容纳箱体130配合，形成限位结构，以实现可靠传递水平力。
作为优选，橡胶支座110上的第二连接钢板112与容纳箱体之间紧密贴合在一起，保证传递水平力的可靠性。
再者，橡胶支座110上的第二连接钢板112与竖向弹性隔振单元120中的竖向弹簧连接为一体，作为举例，具体的连接方式可以为螺栓连接、焊接等，如此可以防止橡胶支座发生倾覆破坏。
本实例中竖向弹性隔振单元120优选为竖向隔振弹簧组件120，主要包括若干竖向隔振弹簧121和可变形填充体122两部分。
其中，若干竖向隔振弹簧121优先均匀分布，并整体竖向设置在容纳箱体130内，其一端与容纳箱体的底部固定连接，另一端与第二连接钢板112固定连接。
对于若干竖向隔振弹簧121的具体分布形式与相应的结构件和/或容纳箱的结构形式相对应。如在容纳箱体130内按矩阵式排列，这样能够让若干竖向隔振弹簧121均匀承受上部荷载。这里的竖向隔振弹簧121，其能够满足竖向承载力要求，同时刚度可调；再者，该竖向隔振弹簧121可通过调整相应的竖向刚度来调整相应的隔振效果。
作为举例，本竖向隔振弹簧121在具体实施时，可以采用螺旋弹簧或碟簧，根据刚度和竖向承载力的要求选择合适的大小。
在此基础上，为了提高若干竖向隔振弹簧的稳定性，本实例将弹簧和可变形填充体122组合形成一个组合整体，使两者共同作用，同时再由容纳箱体对弹簧和橡胶可变形填充体122的结合体形成一定约束作用防止其发生竖向失稳。
具体的，本实例中的可变形填充体122采用橡胶等有变形能力的材料构成，本实例方案采用橡胶来形成相应的填充体。
据此，本实例对位于箱体内的若干竖向隔振弹簧121填充相应的填充橡胶122，使得填充橡胶122能够填充并包裹若干竖向隔振弹簧121，从与若干竖向隔振弹簧121结合形成一个整体结构的结合体。同时，该结合体整体安置于容纳箱体130内，并填充整个容纳箱体130内腔，与容纳箱体130内腔配合，(如图2所示)。由此构成的竖向隔振弹簧组件120，其将若干竖向隔振弹簧和橡胶结合在一起使两者共同作用，若干竖向隔振弹簧的两端分别与容纳箱体的底部和第二连接钢板112固定连接，与此同时，橡胶填充体填充若干竖向隔振弹簧之间的间隙并包裹住每个竖向隔振弹簧，使得若干竖向隔振弹簧之间连接形成一个整体，从而有效的提高了弹簧的稳定性；同时由容纳箱体130对弹簧和橡胶的结合体形成一定约束作用防止其发生竖向失稳。
作为举例，本实例中的可变形填充体122在具体实施时，可以采用橡胶或其它类型具有弹性材料融化后注入安置有若干的竖向隔振弹簧121的容纳箱体130内；此时融化状态的弹性材料将填充容纳箱体130，以及其内若干的竖向隔振弹簧121中的空隙；如此填充的融化状态的弹性材料在固化后将形成弹性可变形填充体122，且其紧密包裹住每个竖向隔振弹簧121，与若干竖向隔振弹簧121形成，基于自身的弹性可变形，将与若干竖向隔振弹簧121一起动作。
由弹性可变形填充体122与若干竖向隔振弹簧121组合形成的竖向弹性隔振单元120，可以避开振动激励的卓越频率，避免上部结构与激励产生共振从而减小上部结构的振动。
本实例中的容纳箱体130用于安置在竖向弹性隔振单元120，并与第二连接钢板112配合，将竖向弹性隔振单元120整体安置在容纳箱体130内，其中竖向弹性隔振单元120中的竖向隔振弹簧的两端分别与容纳箱体130的底部以及位于容纳箱体130内的第二连接钢板112固定连接(如图2所示)。与此同时，容纳箱体130的内壁与第二连接钢板112紧密贴合在一起，这样通过第二连接钢板112与容纳箱体130之间的接触挤压力传力，保证传递水平力的可靠性。
作为举例，本实例中优选采用钢箱体，该钢箱体内设置有相应的安置腔，其大小形状与竖向弹性隔振单元120以及第二连接钢板112对应配合。作为举例，该容纳箱体可以为一上部开口的四面体或圆柱体(如图3和图4所示)，当然还可以为其它多面体。同时该钢箱体的上边缘高出橡胶支座上第二连接钢板112一定的距离，即使得橡胶支座110上的第二连接钢板112与竖向隔振弹簧121之间结合结构位于钢箱体内，对两者的连接结构形成限位和移动导向，保证两者结合的可靠性。
另外，该钢箱体130的下部同样设置一定数量的连接部件150，以用于与其他部件连接，如与第二结构件300(如隔震层的上支墩(柱))进行固定连接。
另外，必要时可以在容纳箱体130的外围设置加强装置，如加劲肋，环箍等，以提高整个结构的可靠性和强度，这里加强装置的具体设置方案可根据实际需求而定，此处不加以限定。
再者，本实例方案中，为了减小支座竖向振(震)动时橡胶支座与钢箱体的摩擦可在钢箱体的内壁设置一层低摩擦层131。作为举例，该低摩擦层131可以由聚四氟乙烯等材料构成，但并不限于此。据此低摩擦层131能够有效减小摩擦力对竖向隔振单元减振效果的影响。
本方案中采用到的连接部件140、150，其可以采用栓钉，锚杆，螺杆，钢筋等形式，具体可根据实际需求而定。
参见图5和图6，其所示为本实例给出的三维隔振/震支座100的力学模型，其中F表示力，D表示位移。由图可知，在平面内本实例给出的三维隔振/震支座100可以呈现非线性力学性能，支座进入屈服状态后能够明显减小水平力对上部结构的作用。在竖向该支座表现为弹性的力学性能，通过刚度调节减小结构的竖向刚度，隔断能量的竖向传播，避免结构的竖向共振。
由此构成的三维隔振/震支座100同时具备水平隔震和竖向隔振性能，在在具体应用时，既能解决“水平减震”问题，又能解决“竖向振动”问题。
如图2和图7所示，本三维隔振/震支座100在具体应用时，整体设置第一结构件200、第二结构件300之间，如隔震层上支墩或柱和隔震层下支墩或柱之间。
同时该三维隔振/震支座100中橡胶支座110上的第一连接钢板111通过连接部件140(如锚杆)与第一结构件200(如隔震层上支墩或柱)进行固定连接；而三维隔振/震支座100中容纳箱体130的底部则通过连接部件150(如锚杆)与第二结构件300(如隔震层下支墩或柱)进行固定连接，由此对第一结构件200和第二结构件300形成水平隔震和竖向隔振。
再者，具体实现时，容纳竖向隔振弹簧的容纳箱体130的底部通过相应的连接部件150与隔震层第二结构件300的连接件连接，而该容纳箱体130可直接位于隔震层第二结构件300上(如图2-图4)；根据需要该容纳箱体130也可以整体埋入隔震层下部的结构构件(如隔震层第二结构件300)中，即整体嵌设在隔震层下部的结构构件中(如图7-图11)。
在具体实现时，容纳箱体130如上所述可以采用圆形或方形，而与之配合的结构构件(如隔震层第二结构件300)也可以为圆形或方形，这样可以形成如图8至图11的嵌入设置方案。
由此形成的集水平隔震竖向隔振的应用构造中，其集水平隔震和竖向隔振为一体，将由地震作用的地震波通过水平隔震支座(如橡胶支座)进行水平隔震，与此同时在不影响水平隔震性能的情况下，可将如由地铁运营时的振动噪声，通过竖向弹性隔振支座(竖向隔振弹簧+变形填料组合体)进行竖向隔振，从而有效解决地铁上盖的建筑隔震和隔振问题。
本方案针对地震波和高速轮轨的振动的能量形式不同，频域范围不同，传播方式不同，其集成式方案中的两种类型的支座单元可以在相互配合合理解决地铁上盖的建筑物隔震和隔振需求。
在水平方向上水平隔震单元水平刚度相对较小，竖向刚度较大，当水平地震(或振动)作用时，水平隔震单元会产生较大变形，大幅度减小传到上部结构的作用力，而竖直方向上的作用力无法减小。在竖直方向上，竖向隔振单元的竖向刚度较小，可以大幅度减小竖向作用力。这样在两种单元的共同作用下使整个支座同时具有水平和竖向隔震(振)功能。
由上可知，本方案具有力学原理明确，受力合理，技术上成熟可靠，结构上简单容易实现，成本相对较低等优点，可以应用于建筑物、设备、轨道等的三维振(震)动控制。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
