蝶形彈簧組合式減震支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計

謝寶玲++劉迪

[摘要]新型蝶形彈簧組合式減震支座的材料提高了抗腐蝕性、抗老化性等缺陷，利用蝶形彈簧、橡膠、鉛芯設(shè)計一種新型蝶形彈簧組合式減震支座，通過合理安排蝶形彈簧的組合狀態(tài)，力求達(dá)到減震的功能且能夠降低支座的結(jié)構(gòu)高度，以小變形承受大載荷，并用SolidWorks軟件完成蝶形彈簧組合式支座的三維實體建模。

[關(guān)鍵詞]蝶形彈簧組；減震；結(jié)構(gòu)高度；SolidWorks

[DOI]1013939/jcnkizgsc201704202

未來20年甚至更長一段時間內(nèi)，我國城市公共交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將會繼續(xù)保持高速發(fā)展的趨勢，城市高架橋、城際鐵路、高速鐵路將成為國家綜合經(jīng)濟(jì)實力和現(xiàn)代化建設(shè)的卓越體現(xiàn)。因此，建筑行業(yè)對減隔震裝置的需求量將不斷增大，對減隔震裝置的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能的要求也將不斷提高。研究并開發(fā)性能可靠、經(jīng)濟(jì)性好的新型減隔震裝置顯然是非常必要的。目前國內(nèi)外最常用的減隔震裝置有四種：彈塑性阻尼裝置、液壓阻尼裝置、鐘擺式隔震支座和橡膠隔震支座。本文研究的是一種生產(chǎn)維護(hù)費(fèi)用低、能夠控制豎直高度、采用具有抗腐蝕和抗老化性能材料的蝶形彈簧組合式支座。

1蝶形彈簧組合式減震支座的基本要求

（1）豎向剛度：豎向剛度Kσ應(yīng)比上部結(jié)構(gòu)的豎向剛度小許多，延長結(jié)構(gòu)的豎向自震周期，避開地震波卓越周期，從而降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。同時保證在載荷作用下具有足夠的豎向剛度，不產(chǎn)生較大的豎向位移，不影響上部結(jié)構(gòu)的正常使用。基于以上兩點(diǎn)，蝶形裝置必須有合適的豎向剛度。

（2）豎向承載力：隔震裝置應(yīng)具有較大的豎向承載力，在結(jié)構(gòu)物正常使用的情況下，安全地支撐著上部結(jié)構(gòu)的所有載荷。

（3）有效位移：所有彈簧的有效變形都是有限度的。作為具有減震功能的組合式蝶形彈簧減震裝置除了應(yīng)滿足在使用載荷下的變形要求外，還應(yīng)預(yù)留足夠的有效位移以滿足在罕遇地震下的變形要求。

（4）高度和直徑：從穩(wěn)定性和施工的可行性考慮，減震裝置的高度不宜過高，直徑不宜過大。

2蝶形彈簧組合式支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用蝶形彈簧、橡膠、鉛芯設(shè)計一種具有減震功能的蝶形彈簧組合式減震支座，如圖1所示，底座上安裝蝶形彈簧組，彈簧組里面裝有短導(dǎo)桿，膠皮套分為內(nèi)、外兩層，管狀鉛芯嵌入兩層膠皮套中，整體置于減震器底座的中央圓筒形結(jié)構(gòu)中，蝶形彈簧組置于膠皮套內(nèi)層，隔震單元置于底座圓筒結(jié)構(gòu)上部，4個外定位活動銷連接上端蓋和底座，安裝時保證4個外定位活動銷插入四個橡膠導(dǎo)向塊孔中。隔震單元為非主要承重部件，采用橡膠和薄鋼板的疊加結(jié)構(gòu)，減震器安裝到橋梁后，受到橋板本身的自重使上端蓋下表面和隔震單元結(jié)合，防止隔震單元在減震器正常使用時因壓力過大而失效。上端蓋內(nèi)徑尺寸與底座圓筒結(jié)構(gòu)內(nèi)徑尺寸存在尺寸公差；外定位活動銷長桿部分尺寸與底座銷孔尺寸存在尺寸差，這種結(jié)構(gòu)給予減震器上端蓋水平方向自由度，使隔震單元吸收橫向振動的功能在橋梁受地震橫波影響時得以發(fā)揮。同時，在底座的4個銷孔部分開凹槽，4個橡膠導(dǎo)向塊置于凹槽中，其內(nèi)孔尺寸與外定位活動銷長桿部分外徑相等，由此保證裝配的準(zhǔn)確性和結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定性。

圖1蝶形彈簧組合式支座的結(jié)構(gòu)示意

注：1隔震單元；2上端蓋；3外定位活動銷；4橡膠導(dǎo)向塊；5底座；6鉛芯；7膠皮套；8蝶形彈簧組；9短導(dǎo)桿。

這種減震支座的結(jié)構(gòu)具有良好的縱向和橫向的吸震效果，引入通用機(jī)械中的蝶形彈簧，提升減震支座吸收縱向大振幅沖擊振動的能力。其技術(shù)關(guān)鍵是使鉛芯、橡膠和蝶形彈簧組受力達(dá)到一個協(xié)調(diào)，而不是互相制約，在結(jié)構(gòu)上該支座生產(chǎn)維護(hù)費(fèi)用低、能夠控制豎直高度。

圖2蝶形彈簧組合支座的三維實體設(shè)計

21隔震單元

組合式支座的主要減震原件為隔震單元，隔震單元的每個構(gòu)件以及節(jié)點(diǎn)均離散化為三維有限單元，適合結(jié)構(gòu)微小部位的詳細(xì)研究，在地震反應(yīng)的非線性分析中，能夠達(dá)到簡單和精確。

隔震支座單元力學(xué)模型：采用線彈性模型模擬豎向的拉壓剛度異性。

22蝶形彈簧組的設(shè)計

蝶形彈簧組是一種由鋼板沖壓而成蝶形的薄板彈簧，又因外形似碗碟狀，故稱蝶形彈簧，它由LRBelleville于1867年在巴黎取得了專利。一般來說，蝶形是通過相當(dāng)數(shù)量的疊加來提供足夠彈性伸展，組合使用而發(fā)揮作用的。薄板彈簧，又因外形似碗碟狀，故稱蝶形彈簧，它由LRBelleville于1867年在巴黎取得了專利。一般來說，蝶形是通過相當(dāng)數(shù)量的疊加來提供足夠彈性伸展，組合使用而發(fā)揮作用的。

蝶形彈簧成圓錐形盤狀，既可以單個使用，又可以多個串聯(lián)或并聯(lián)使用，在上內(nèi)緣和下外緣處承受沿軸向作用的靜態(tài)或動態(tài)載荷，被壓縮后產(chǎn)生變形，直至被壓平，以儲存能量形式作為活載荷。在必要時自動轉(zhuǎn)化為密封所需要的附加壓縮載荷，來降低墊片、填料使用中對上緊的持續(xù)要求。

221蝶形彈簧組合方式和特性

①疊合組合彈簧。②對合組合彈簧。③復(fù)合組合彈簧。蝶形組能使彈簧特性在很大的范圍內(nèi)變化。在對合、復(fù)合、疊合中采用疊合方式，疊合面存在摩擦阻尼，吸震和耗能作用更為顯著。相對于同一變形，蝶形數(shù)越多則載荷越大。

222蝶形彈簧組的使用具有的特點(diǎn)

（1）蝶形組具有小變形高承載能力，剛度大，蝶形單位體積變形能力較大，所以緩沖吸震能力強(qiáng)，適合于軸向空間要求小的場合，節(jié)省空間。通過合理安排蝶形彈簧組合可獲得理想的加載特性。蝶形都在工廠內(nèi)經(jīng)過噴丸處理，以消除殘余應(yīng)力，所以具有高疲勞壽命。

（2）蝶簧組具有很好的耐磨性，擁有的使用壽命更加得長。因為采用的制作材料是更加講究的，并且在生產(chǎn)加工的過程中進(jìn)行反復(fù)的實驗，能夠較好地確保它是比較耐磨的，即使是使用很長的時間，它的外表也不會受到任何的影響。

（3）蝶簧組具有良好的耐高溫性能，對環(huán)境的適應(yīng)能力更加得強(qiáng)。即使是溫度很高的環(huán)境下工作，它也能夠很好地保持它的性能而不會受到影響。

相當(dāng)數(shù)量蝶形疊加形成彈形彈簧組，在地震所產(chǎn)生的動荷載作用下，蝶形彈簧組在一定加載頻率以上能夠保持較好的耗能能力。隨著預(yù)壓量的增大，組合蝶形彈簧件耗能能力增強(qiáng)。在偏心壓力作用下水平滯回耗能、水平運(yùn)動與豎向運(yùn)動解耦方面均優(yōu)于同類型支座。

3結(jié)論

本文論述了設(shè)計蝶形彈簧組合式減震支座的必要性，以及選用了具有減震功能的蝶形彈簧組合—鉛芯—橡膠作為隔震單元。分析了隔震單元的力學(xué)性能和蝶形彈簧組的排列。設(shè)計了一種全新的減隔震支座，通過三維實體建模完成減震支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)蝶形彈簧規(guī)范[EB/OL]http：//wwwdoc88com/p-77043440493.html

[2]嚴(yán)慧，董石麟板式椽膠支座節(jié)點(diǎn)的設(shè)計與研究[J].空間結(jié)構(gòu)，1995，1（2）：33-40

[3]周曉峰，陳福江，董石麟粘彈性阻尼材料支座在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)減震控制中的性能研究[J].空間結(jié)構(gòu)，2000，6（4）：21-27

[4]熊世樹三維基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的理論與試驗研究[D].湖北：華中科技大學(xué)，2004

[5]黃河三維復(fù)合隔震支座的蝶形彈簧試驗與應(yīng)用研究[D].北京：北京大學(xué)，2013