[发明专利]一种抗地震和其他类似灾害的防护支撑结构

说明书

技术领域

本发明公开了一种装置，其特征在于所述装置是用于大型工民建工程系统的结构件，例如建筑物、桥梁或机器及其基础，其具有下列三项功能中的至少一项：支撑所述体系的部分重量，连接体系的不同部分以保证结构的整体性，传递相连部分之间的设计外力流而不是重力，同时减缓或隔离有害震动。

所述工程系统如桥梁或建筑，基本可以分为两部分：上部结构如桥跨梁和承受设计活荷载的桥面体系；下部结构，包括桥墩、墩基和深部基础。本发明所述装置连接这类工程系统的上部结构和下部结构同时支撑上部结构和所承受活载荷的重量。

背景技术

地震是地壳内某点的构造板块的突然错动，造成向周围环境辐射的应力波其引起在地表震动。对于大型工民建结构，例如建筑物或桥梁，地震可能造成的损害主要来自两个方面：地面加速度在结构内部引起的惯性力，和可能造成结构共振时对所致惯性力的放大。显然，加速度引起的内部惯性力是导致结构破坏的关键因素。

地面加速度可分解为垂直方向(平行于地球重力的方向)和水平方向两个分量，可分别由相应的峰值来表征，在工程设计实践中称作“地面加速度峰值”(Peak Ground Acceleration，缩写为PGA)。根据以往经验，水平向的地面加速度峰值通常比垂直向大；美国当前的房屋建筑和桥梁设计规范都要求任一抗震结构应具有足以抵抗地面加速度峰值的能力，所述地面加速度峰值可美国地质勘查局(United States Geological Survey，简称USGS)公布的地质灾害图来计算，见图1。所述地质灾害图提供了美国任何一地地方的水平向地面加速度峰值的统计预测值，在未来75年内发生的地震超过这些预测值的可能性为7.5％。图2是东亚地区的水平向地面加速度峰值的预测值。

在抗震设计中，例如，在桥梁的抗震设计中，普遍认同的一个方法是在发生地震时将桥梁上部结构与直接受地面加速运动冲击的下部结构隔离。当上部和下部结构之间的连接支撑装置，例如，支座，提供刚性连接时，在整个体系中，这一连接支撑通常是结构的“最薄弱的环节”。这是因为，作为承受所有活荷载和上部结构重量的中枢，当下部结构受到地表地震计算的冲击时，这一连接支撑也是惯性力引起的外力流(inertia-induced force flow)上行的“缢口”(“neck”)。相反，当支撑为柔性连接时，当连接的某一部受到外部动态荷载冲击时，连接部分能够临时分离，相应的惯性力流将在此缢口被削弱或，理论上，截断。

在工程实践中，一般不可能百分之百地隔断惯性力流。较现实的减隔震设计实际上是为结构系统各主体部分之间的连接点提供一定的柔度或延性，以衰减惯性力流的传递和暂时转变内在共振频率，避免与地表地震波的共振。另一方面，工程实践中的某些工科也要求连接支撑提供稳固的刚性连接(robustness)，这是因为上部结构可能承受很多不同种类的活荷载，例如由飓风和海啸引起的强大的横向力。2011年3月11日日本仙台地震的一个惨痛经验是许多桥梁和建筑物在高强度的地震后幸存，但其上部结构在后到的海啸冲击下与下部结构脱离并破坏。

因此，与传统的隔离减震设计相反，“一体化设计”的概念是本发明的潜在基本内容，一体化设计在连接点和支撑点要求一定柔度以降低和减缓有害震动，同时使总体结构作为一个整体单元。

现有技术和市场产品应用的简要描述

抗震建筑和桥梁设计在土木工程行业是最活跃又具备创新性的领域之一。以一个三层建筑为例，图3简要描述了当前常用的各种技术。本发明在抗震支撑装置可以用作这一建筑左下角的抗震支座。

支座属于支撑连接件，根据其功能，支座大体可以分为三类：(i)传统机械设备中的承力连接部件，例如气缸-活塞阻尼器，凸轮-销-摩擦阻尼器等等，其减震阻尼可通过形状记忆合金和电传感器等现代技术实现；(ii)普通结构支撑，例如，弹性支座，其利用剪切弹性模量来提供横向抗力；(iii)基于摩擦摆机构的集中隔震支撑。

图4描述了一种现有技术“能量吸收器”(国际公开号为WO97/25520),其中各种锯齿形的接触面包括波浪形和V形接触面，其设计用于力的传递，同时在框架包含的芯材之间没有滑动。显然，它能用于图3的阻尼剪切力的横向支撑但其不能用于重力支撑。