蝶形彈簧組合式減震支座的結構設計

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，力求達到減震的功能且能夠降低支座的結構高度，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。

[關鍵詞]蝶形彈簧組；減震；結構高度；SolidWorks

[DOI]1013939/jcnkizgsc201704202

未來20年甚至更長一段時間內，我國城市公共交通等基礎設施建設將會繼續保持高速發展的趨勢，城市高架橋、城際鐵路、高速鐵路將成為國家綜合經濟實力和現代化建設的卓越體現。因此，建筑行業對減隔震裝置的需求量將不斷增大，對減隔震裝置的技術性能和經濟性能的要求也將不斷提高。研究并開發性能可靠、經濟性好的新型減隔震裝置顯然是非常必要的。目前國內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維護費用低、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應比上部結構的豎向剛度小許多，延長結構的豎向自震周期，避開地震波卓越周期，從而降低上部結構的地震反應。同時保證在載荷作用下具有足夠的豎向剛度，不產生較大的豎向位移，不影響上部結構的正常使用?；谝陨蟽牲c，蝶形裝置必須有合適的豎向剛度。

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

（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滿足在使用載荷下的變形要求外，還應預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構設計

利用蝶形彈簧、橡膠、鉛芯設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桿，膠皮套分為內、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構中，蝶形彈簧組置于膠皮套內層，隔震單元置于底座圓筒結構上部，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構，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。上端蓋內徑尺寸與底座圓筒結構內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，這種結構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揮。同時，在底座的4個銷孔部分開凹槽，4個橡膠導向塊置于凹槽中，其內孔尺寸與外定位活動銷長桿部分外徑相等，由此保證裝配的準確性和結構的相對穩定性。

圖1蝶形彈簧組合式支座的結構示意

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

這種減震支座的結構具有良好的縱向和橫向的吸震效果，引入通用機械中的蝶形彈簧，提升減震支座吸收縱向大振幅沖擊振動的能力。其技術關鍵是使鉛芯、橡膠和蝶形彈簧組受力達到一個協調，而不是互相制約，在結構上該支座生產維護費用低、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，隔震單元的每個構件以及節點均離散化為三維有限單元，適合結構微小部位的詳細研究，在地震反應的非線性分析中，能夠達到簡單和精確。

隔震支座單元力學模型：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，蝶形是通過相當數量的疊加來提供足夠彈性伸展，組合使用而發揮作用的。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，蝶形是通過相當數量的疊加來提供足夠彈性伸展，組合使用而發揮作用的。

蝶形彈簧成圓錐形盤狀，既可以單個使用，又可以多個串聯或并聯使用，在上內緣和下外緣處承受沿軸向作用的靜態或動態載荷，被壓縮后產生變形，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復合組合彈簧。蝶形組能使彈簧特性在很大的范圍內變化。在對合、復合、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，蝶形數越多則載荷越大。

222蝶形彈簧組的使用具有的特點

（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，適合于軸向空間要求小的場合，節省空間。通過合理安排蝶形彈簧組合可獲得理想的加載特性。蝶形都在工廠內經過噴丸處理，以消除殘余應力，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，并且在生產加工的過程中進行反復的實驗，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，對環境的適應能力更加得強。即使是溫度很高的環境下工作，它也能夠很好地保持它的性能而不會受到影響。

相當數量蝶形疊加形成彈形彈簧組，在地震所產生的動荷載作用下，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。隨著預壓量的增大，組合蝶形彈簧件耗能能力增強。在偏心壓力作用下水平滯回耗能、水平運動與豎向運動解耦方面均優于同類型支座。

3結論

本文論述了設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性能和蝶形彈簧組的排列。設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構設計。

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