一种竖向早期刚度能够调节的三维隔震支座技术领域
本发明涉及一种建筑防振动(或震动)装置，具体涉及一种由夹层钢板橡胶垫与竖
向隔震支座串联的三维隔震装置。
背景技术
隔震装置是设在建筑与基础之间的防震隔离装置。早期的隔震装置主要是由橡胶
与薄钢板交替叠合构成的二维隔震支座(叠层橡胶隔震支座)，只能隔离地震波的水平分
量。随着人们对地震多维特性认识的提高，三维隔震装置逐渐受到本领域研究者的重视。最
常见的三维隔震装置就是由叠层橡胶隔震支座与既有的竖向隔震支座串联而成。
公开号为CN 102409777 A的发明专利申请公开了一种结构三维隔震和抗倾覆装
置，该装置的主体机构由叠层橡胶隔震支座14与弹簧隔震支座15串联构成，所述主体结构
的上、下侧分别设置有上连接板1和下连接板18，其特征在于：所述上连接板1和下连接板18
之间设置有绕主体结构四周错位均布的抗拉钢丝绳16，所述抗拉钢丝绳16沿水平方向的极
限变形量大于主体机构的水平剪切弹性变形量。该专利申请所述方案虽然可提高三维隔震
装置的抗拉强度,以抵御地震中高层建筑物的摇摆甚至倾覆所产生的巨大拉力，但仍然存
在以下的不足：1、所述的弹簧隔震支座只能压缩耗能减震，不能拉伸耗能减震；2、所述的弹
簧隔震支座不能预设早期刚度，不便于预设地震烈度降低隔震成本。
公开号为CN1932324A的发明专利申请公开了一种“可调节碟形弹簧机械式减震阻
尼器”，该阻尼器包括外壳、设在外壳内的载荷连接杆和两组碟形弹簧，所述，所述载荷连接
杆的中部设有与之固连的调节齿轮，所述调节齿轮两侧的载荷连接杆上分别设有与载荷连
接杆螺纹配合的左旋螺母和右旋螺母，所述两组碟形弹簧分别设在所述左旋螺母和右旋螺
母的外侧，并分别被夹持在所述左旋螺母或右旋螺母与外壳端部的封板之间。只需拨转载
荷连接杆上的调节齿轮，使所述左旋螺母和右旋螺母相互靠拢或远离即可调节两组碟形弹
簧的预紧力从而调节阻尼器的阻尼系数，以满足不同频率和不同振幅的使用需求。然而该
发明仍具有如下不足：1、所述载荷连接杆是在两组碟形弹簧的共同作用下保持平衡的，两
组碟形弹簧的预紧力虽然能够调节，但是无论如何调节，两组碟形弹簧对载荷连接杆的作
用力都是一组大小相等，方向相反的力，只需在载荷连接杆上施加任何外力都会破坏这种
平衡，使两组碟形弹簧发生变形，所以所述的阻尼器无法预设早期刚度；2、该发明中必须配
合使用两组碟形弹簧，才能在阻尼器受到压或拉荷载时都提供阻尼，这不仅造成了一定的
浪费，还使得阻尼器的长度大大的增加。
公开号为CN101457553A的发明专利申请公开了一种“弹簧刚度可调式调谐质量减
振器”，该减振器是一种复合阻尼器，通过改变质量块的厚度改变其特征频率，通过改变粘
滞阻尼器的工作介质的流量改变其阻尼比，通过改变弹簧的有效工作长度改变其刚度，其
中改变弹簧的有效工作长度的手段有三种，一是采用固化材料将弹簧位于固化筒内的一段
固化，二是往螺旋弹簧的中心内塞入约束块，并二者过盈配合，使与约束块接触的一段弹簧
失效，三是在约束块表面设置螺旋状凸起，将螺旋状凸起卡在弹簧丝之间，使弹簧丝之间卡
有螺旋状凸起的一段弹簧失效。由此可见，该专利申请方案中的弹簧虽然可改变刚度，但所
述的弹簧不仅有效工作长度明显缩短，而且只能压缩耗能减振，不能拉伸耗能减振。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种竖向早期刚度能够调节的三维隔震支座，
该三维隔震支座不仅既可压缩耗能减振，又可拉伸耗能减振，而且还保持了竖向隔震支座
中弹簧的有效工作长度。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种竖向早期刚度能够调节的三维隔震支座，该三维隔震支座包括上下依次串接
的叠层橡胶隔震支座和竖向隔震支座；其中，
所述的叠层橡胶隔震支座包括上连接板、下连接板、夹持在上下连接板之间的叠
层橡胶垫和至少三根均布在叠层橡胶垫四周的抗拉钢索；所述抗拉钢索的一头固定在上连
接板上，另一头固定在下连接板上，且上下两固定点的连线平行于所述叠层橡胶垫的中轴
线；
所述的竖向隔震支座包括底座，该底座的上表面设有向上延伸的导向套；所述导
向套内部同轴设有弹簧，该弹簧的上头设有驱动压板；所述的叠层橡胶隔震支座的下连接
板的中部向所述导向套内凹陷形成一凸起，该凸起的下端与所述的驱动压板固定连接；
其特征在于，
所述的弹簧为复合弹簧(全称为橡胶金属螺旋复合弹簧)，该复合弹簧的外径小于
导向套的内径，二者之间形成一环形空间；
所述竖向隔震支座的导向套内还设有反压装置，该反压装置包括数量分别至少为
三根的两组预压钢索、两块浮动压板和数量为所述两组预压钢索之和的索具螺旋扣，其中，
所述的两块浮动压板，一块设在所述驱动压板与复合弹簧之间，另一块设在底座
与复合弹簧之间；
所述的两组预压钢索分别绕导向套的轴线以直线状态对称分布于所述环形空间
内，且，一组预压钢索的一头分别固定在与驱动压板相邻的浮动压板上，另一头分别穿过与
底座相邻的浮动压板固定在底座上；另一组预压钢索的一头分别固定在与底座相邻的浮动
压板上，另一头分别穿过与驱动压板相邻的浮动压板固定在驱动压板上；
所述的索具螺旋扣串接在所述预压钢索的中部；
所述的浮动压板上在穿过所述预压钢索的位置分别设有穿过该预压钢索的通孔，
该通孔的孔径大于所穿设的预压钢索的直径；
所述的导向套与两块浮动压板之间分别采用动配合；
张紧两组预压钢索，使两块浮动压板之间的距离等于将复合弹簧压缩至预设竖向
早期刚度的长度；
将所述抗拉钢索张紧，为叠层橡胶垫提供等于设计静载荷的预压力。
上述方案中，所述的抗拉钢索和预压钢索可以是钢丝绳，也可以是预应力钢铰线。
上述三维隔震支座竖向隔震的工作原理如下：当竖向动载荷沿导向套的轴线相对
作用时，压力经由叠层橡胶隔震支座传递到驱动压板，使之下移压缩复合弹簧；当动载荷沿
导向套的轴线相背作用时，拉力经由抗拉钢索传递到驱动压板，驱动压板上移，而两组预压
钢索则分别牵拉两块浮动压板相对移动压缩复合弹簧。由此可见，轴向动载荷无论相对还
是相背作用在三维隔震支座上，都能压缩复合弹簧，使其发生弹性变形而耗能。
由上述工作原理可见，工作过程中所述的预压钢索与所述浮动压板上的通孔的孔
壁不能产生摩擦，否则就会干扰浮动压板的上下移动，因此所述通孔直径比所述预压钢索
的直径大多少，应以不干扰和影响浮动压板的上下移动为宜。
本发明所述的竖向早期刚度能够调节的三维隔震支座，其中所述的预压钢索两头
可采用常规的方法锚固，也可采用类似于吊环螺钉或由钢筋弯曲的U形构件系接固定。
为防止所述复合弹簧两头在所述浮动压板上滑动，本发明的另一个改进方案是：
所述两块浮动压板相对的表面上分别设有一定位环，所述复合弹簧的两头分别嵌在所述的
定位环内。
本发明的竖向早期刚度能够调节的三维隔震支座较现有技术具有以下效果：
(1)在竖直方向上，即可压缩耗能减震，又可拉伸耗能减震；能有效的耗减高层建
筑物由于摇摆而对建筑基础产生的巨大拉力；且只需一只弹簧，竖向长度小，稳定性好。
(2)当竖向动载荷大于预设的竖向早期刚度的抵御能力后，本发明中竖向隔震支
座的双向弹性变形对称，因此不因竖向载荷的正负方向的变化而影响其压缩变形耗能的效
果；
(3)只要改变两组预压钢索的长度即可改变整个装置的竖向早期刚度，外力在克
服该竖向早期刚度之前无法使隔震支座产生竖向变形，有效的抑制了建筑物在小地震和弱
风振的作用下产生晃动，可预设建筑物的抗风防震等级，显著降低抗风防震成本；
(4)调节所述索具螺旋扣，即可改变预压钢索的长度，进而改变阻尼器早期刚度，
但所述复合弹簧的有效工作长度不变，不会改变复合弹簧原有的特性参数。
(5)可有效缓冲建筑的物摇晃趋势对建筑物基础产生的拉伸和压缩冲击，进一步
降低建筑物倾覆的风险。
附图说明
图1～7为本发明所述三维隔震支座的一个具体实施例的结构示意图，其中，图1为
主视图(剖视)，图2为图1的A-A剖视图(图中省略索具螺旋扣)，图3为图1的B-B剖视图(图中
省略索具螺旋扣)，图4为C-C剖视图，图5为图1中局部Ⅰ的放大图，图6为图1中局部Ⅱ的放大
图，图7为图2中局部Ⅲ的放大图。
图8～10为本发明所述三维隔震支座的第二个具体实施例的结构示意图，其中，图
8为主视图(剖视)，图9为图8的D-D剖视图(图中省略索具螺旋扣)，图10为图8的E-E剖视图
(图中省略索具螺旋扣)。
图11～13为本发明所述三维隔震支座的第三个具体实施例的结构示意图，其中，
图11为主视图(剖视)，图12为图11的F-F剖视图(图中省略索具螺旋扣)，图13为图11的G-G
剖视图(图中省略索具螺旋扣)。
具体实施方式
例1
参见图1，本例中的三维隔震支座由上下串联的叠层橡胶隔震支座和竖向隔震支
座组成。
参见图1和图4，所述的叠层橡胶隔震支座包括上连接板14、下连接板15、夹持在上
下连接板之间的叠层橡胶垫17和六根抗拉钢索16；其中，所述的上连接板14和下连接板15
均呈圆盘状，上连接板14的边缘设有安装孔13；所述叠层橡胶垫17的主体由一层橡胶17-1
与一层钢板17-2交替叠合后模压硫化构成，且在模压硫化的过程中其周边自然形成橡胶保
护层17-3。所述叠层橡胶垫17主体的上下两端面均设有与至硫化连接在一起的联结钢板
17-4，所述两块联结钢板17-4分别与上连接板14和下连接板15通过螺钉固定连接在一起。
所述的六根抗拉钢索16绕叠层橡胶垫17的中轴线对称分布在其四周，每一根抗拉钢索16的
一头由吊环螺钉12固定在上连接板14上，另一头由吊环螺钉12固定在下连接板15上。每一
根抗拉钢索16张紧，使六根抗拉钢索16的张力之和等于本例所述三维隔震支座竖向的设计
静载荷，且张紧后，每一根抗拉钢索16均平行于叠层橡胶垫17的中轴线。
参见图1～7，所述竖向隔震支座包括导向套1、底座3、复合弹簧4和反压装置。
参见图1～3，所述的导向套1为圆管状，其上端向设有起限位和导向作用的环形封
盖2。所述的底座3为圆盘状，四周的边缘设有安装孔13，所述的导向套1下端通过螺钉固定
在其上表面的中部。
参见图1～3，所述复合弹簧4由圆柱形螺旋压缩弹簧4-1和包裹在圆柱形螺旋压缩
弹簧4-1外的橡胶弹簧4-2复合硫化而成。所述的复合弹簧4同轴设在导向套1内，该复合弹
簧4的上端设有与所述导向套1动配合的驱动压板5。所述复合弹簧4的外径小于导向套1的
内径，在两者之间形成一环形空间。所述下连接板15的中部向所述导向套1内凹陷形成一茶
杯状的凸起15-1，该凸起15-1的下端与所述的驱动压板5通过螺钉固定连接在一起。
参见图1，下连接板15与环形封盖2之间以及驱动压板5与环形封盖2之间设有大于
振幅的间隙。
参见图1～7，所述的导向套1内设有反压装置，该反压装置包括两组预压钢索、两
块浮动压板和八只索具螺旋扣19；其中，所述的两组预压钢索为由三根预压钢索组成的第
一组预压钢索8和由五根预压钢索组成的第二组预压钢索9；所述的两块浮动压板为设在所
述驱动压板5与复合弹簧4之间的第一浮动压板6和设在底座3与复合弹簧4之间的第二浮动
压板7，该两块浮动压板分别与导向套1的内壁动配合；
参见图1～7，所述两组预压钢索分别以直线状态绕导向套1轴线对称分布在所述
环形空间内，每一根预压钢索均平行于导向套1轴线，且第一组预压钢索8距导向套轴线的
距离等于第二组预压钢索9距导向套轴线的距离；其中，所述第一组预压钢索8的下头分别
由吊环螺钉12固定在第二浮动压板7上，上头分别穿过第一浮动压板6由吊环螺钉12固定在
所述驱动压板5上；所述第二组预压钢索9的上头分别由吊环螺钉12固定在第一浮动压板6
上，下头穿过第二浮动压板7由吊环螺钉12固定在底座3上；所述第一浮动压板6上在每一根
第一组预压钢索8穿过的位置设有供其穿越的第一通孔10，该第一通孔10的孔径大于所述
第一组预压钢索8的直径；所述第二浮动压板7上在每一根第二组预压钢索9穿过的位置设
有供其穿越的第二通孔11，该第二通孔11的孔径大于所述第二组预压钢索9的直径；所述的
抗拉钢索和预压钢索的两头由吊环螺钉固定在相应构件上的方法为：将吊环螺钉12固定在
相应的构件上，然后将预压钢索的一头系接在吊环螺钉的吊环上，并由钢丝绳夹(图中未画
出)固定死。
参加图1，所述的八只索具螺旋扣19分别串接在每一根预压钢索的中部，串接方法
为：将每一根预压钢索自中部截断，然后将截断所形成的两个绳头系接在相应索具螺旋扣
19两头的连接环上，并用钢丝绳夹(图中为画出)固定死。
本例中的所述的抗拉钢索和预压钢索可以是钢丝绳，也可以是预应力钢铰线，具
体实施时，可根据实际需要自行选取。
参见图1～3和图6，所述第一浮动压板6和第二浮动压板7相对的表面均设有内径
与复合弹簧4的外径相匹配的定位环18，所述复合弹簧4两头分别嵌在第一浮动压板6和第
二浮动压板7上的定位环18内。
参见图1～3，为了实现可预设竖向早期刚度的目的，上述三维隔震支座安装方法
如下：(1)按图1～7将本例所述阻尼器中的反压装置、驱动压板5、底座3和复合弹簧4组装
好；(2)对步骤(1)所得的部件的两头施加压力，使所述复合弹簧4压缩，同时检测两块浮动
压板之间的距离；(3)当两块浮动压板之间的距离等于将圆柱形复合弹簧4压缩至满足竖向
早期刚度的长度(此长度可根据圆柱形复合弹簧4的特性参数以及需预设的竖向早期刚度
计算得到)时调节索具螺旋扣19，使每一根预压钢索张紧，然后撤消步骤(2)中所施加的压
力，所述两组预压钢索就会将所述复合弹簧4始终夹持在第一浮动压板6与第二浮动压板7
之间；(4)套上导向套1，然后依次装上环形封盖2和叠层橡胶隔震支座的下连接板15；(5)最
后按图1和4将叠层橡胶隔震支座的其他部件安装在所述下连接板15的上方，即得所述三维
隔震支座。
预设竖向早期刚度时，两组预压钢索的张力之和需大于等于所述三维隔震支座所
承受的竖向静载荷。
在理想的条件下，地震的竖向波通过隔震装置向建筑传递时建筑物应该不会发生
位移。基于此，本例三维隔震支座竖向隔震的工作原理如下：参见图1，当地震的竖向波所产
生的动载荷克服了所述竖向早期刚度时，如果该动载荷沿导向套1的轴线上推底座3，驱动
压板5的反作用力便向下压缩复合弹簧4，底座3随地面上移而建筑物不动；如果该动载荷沿
导向套1的轴线下拉底座3，所述两组预压钢索分别牵拉两块浮动压板相对移动压缩复合弹
簧4，而底座3则远离驱动压板5随地面下移，此时建筑物仍然不动。由此可见，当地震纵波使
地面发生上下振动时均可压缩复合弹簧产生弹性变形而耗能。同理，建筑物在风振或水平
地震波的作用下摇晃时，无论对其对所述三维隔震支座产生的动载荷是拉力还是压力均可
压缩复合弹簧产生弹性变形而耗能。
例2
本例与例1具有如下区别：
参见图8～10，所述第一组预压钢索8和第二组预压钢索9均由三根预压钢索组成。
所述索具螺旋扣19的数量减为六只，并分别串接在每一根预压钢索的中部。
本例上述以实施方法与例1相同。
例3
参见图11～13，本例与例2的区别在于所述第一组预压钢索8和第二组预压钢索9
均由五根预压钢索组成。所述索具螺旋扣19的数量减为十只，并分别串接在每一根预压钢
索的中部。
本例上述以外的其它实施方式与例2相同。