一种能调节竖向早期刚度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能调节竖向早期刚度的三维隔震支座，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：
一种能调节竖向早期刚度的三维隔震支座，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，
所述的弹簧为圆柱形橡胶弹性体，该圆柱形橡胶弹性体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数量之和的钢索自锁张紧
锚具，其中，
所述的两块浮动压板，一块设在所述驱动压板与圆柱形橡胶弹性体之间，另一块
设在底座与圆柱形橡胶弹性体之间；
所述的钢索自锁张紧锚具由第一自定心锁紧夹具、第二自定心锁紧夹具、防扭压
缩弹簧和平面轴承组成，其中：
A)所述的第一自定心锁紧夹具具有一连接座，该连接座一端的中部设有轴向延伸
的圆柱形凸台，该凸台的体内沿轴心线设有由3～5瓣爪片组成的第一锥形夹爪，外周面套
设有张紧螺套；其中，所述第一锥形夹的小头指向连接座，所述张紧螺套的外周面为正六边
形；
B)所述的第二自定心锁紧夹具具有一锥套，该锥套的体内沿轴线依次设有由3～5
瓣爪片组成的第二锥形夹爪和空心螺栓，其中，所述的空心螺栓的头部与第二锥形夹爪的
大头相对，所述锥套的外周面为正六边形；
C)所述的平面轴承由滚珠—保持架组件和分别设在张紧螺套与锥套相对的端面
上的环形滚道构成，其中所述的环形滚道与滚珠—保持架组件中的滚珠相匹配；
D)所述第二自定心锁紧夹具位于所述张紧螺套头部的外侧，且第二锥形夹爪小头
与第一锥形夹爪小头的指向一致；所述的平面轴承位于所述张紧螺套与锥套之间，所述的
防扭压缩弹簧设在张紧螺套的内孔中；当预压钢索由第一锥形夹爪的爪片之间经防扭压缩
弹簧与平面轴承的中心孔以及第二锥形夹爪的爪片之间穿出后，在预压钢索张力作用下，
所述防扭压缩弹簧的一头作用在第一锥形夹爪上，另一头作用在锥套上；
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由所述的钢索自锁张紧锚具锚固在底座上；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由所述的
钢索自锁张紧锚具锚固在驱动压板上；
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圆柱形橡胶弹性体压缩至
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，使之下移压缩圆柱形橡胶弹性体；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圆柱形橡胶弹性体。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，都能压缩圆柱形橡胶弹性体，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。
本发明所述的能调节竖向早期刚度的三维隔震支座，其中所述的预压钢索固定在
浮动压板上的一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。
为防止所述圆柱形橡胶弹性体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，所述圆柱形橡胶弹性体的两
头分别嵌在所述的定位环内。
本发明的能调节竖向早期刚度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)预设早期刚度过程中，所述圆柱形橡胶弹性体的有效工作长度不变，不会改变
圆柱形橡胶弹性体原有的特性参数。
(5)采用钢索自锁张紧锚具锚固将预压钢索的另一头，一是可对预压钢索的长度
进行调节，二是利用防扭压缩弹簧和第一自定心锁紧夹具的联合作用，可有效防止预压钢
索在进行长度调节的过程中扭动而改变钢索的特性参数。
(6)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3为图1的B-B剖视图，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1中局部Ⅲ的放大图。
图8～12为图1～7所示实施例中钢索自锁张紧锚具的结构示意图，其中，图8为主
视图(剖视)，图中虚线表示预压钢索，图9为仰视图，图10为图8的D-D剖面图，图11为图8的
E-E剖面图，图12为图8的F-F剖视图。
图13～15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13为主视图(剖视)，图14为图13的G-G剖视图，图15为图13的H-H剖视图。
图16～18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16为主视图(剖视)，图17为图16的I-I剖视图，图18为图16的J-J剖视图。
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、圆柱形橡胶弹性体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的中部向上隆起呈倒置的脸盆状，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隆起的中部的上表面。
参见图1～3，所述圆柱形橡胶弹性体4由一块圆柱形的实心橡胶块4-1和设在实心
橡胶块两端的两块端板4-2组成，所述两块端板4-2分别与实心橡胶块4-1的两头硫化连接
在一起。所述的圆柱形橡胶弹性体4同轴设在导向套1内，该圆柱形橡胶弹性体4的上端设有
与所述导向套1动配合的驱动压板5。所述圆柱形橡胶弹性体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
块浮动压板和八只钢索自锁张紧锚具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与圆柱形橡胶弹性体4之间的第一浮动压板6和设在底座3与圆柱形橡
胶弹性体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8～12，每一钢索自锁张紧锚具19由第一自定心锁紧夹具、第二自定心锁紧
夹具、防扭压缩弹簧19-1和平面轴承19-2组成，其中：
所述的第一自定心锁紧夹具具有一连接座19-3，该连接座19-3的边缘设有安装孔
19-12，下端的中部设有轴向延伸的圆柱形凸台19-4，该凸台19-4的体内沿轴心线设有第一
锥孔19-5，该锥孔内设有由3瓣爪片组成的第一锥形夹爪19-7，所述凸台19-4的外周面套设
有张紧螺套19-6，二者之间螺纹连接；其中，所述第一锥形夹19-7的小头指向连接座19-3，
所述张紧螺套19-6的外周面为正六边形；
所述的第二自定心锁紧夹具具有一锥套19-8，该锥套19-8的体内沿轴线依次设有
一段第二锥孔19-13和一段螺纹孔；其中，第二锥孔19-13内设有由3瓣爪片组成的第二锥形
夹爪19-9，所述的螺纹孔内设有空心螺栓19-10，空心螺栓19-10的头部与第二锥形夹爪19-
9的大头相对，所述锥套19-8的外周面为正六边形；
所述的平面轴承19-2由滚珠—保持架组件19-11和分别设在张紧螺套19-6与锥套
19-8相对的端面上的环形滚道构成，其中所述的环形滚道与滚珠—保持架组件19-11中的
滚珠相匹配；
所述第二自定心锁紧夹具位于张紧螺套19-6头部的外侧，且第二锥形夹爪19-9的
小头与第一锥形夹爪19-7小头的指向一致；所述的平面轴承19-2位于所述张紧螺套19-6与
锥套19-8之间，所述的防扭压缩弹簧19-1设在张紧螺套19-6的内孔中。当预压钢索由第一
锥形夹爪19-7的爪片之间经防扭压缩弹簧19-1与平面轴承19-2的中心孔以及第二锥形夹
爪19-9的爪片之间穿出后，在预压钢索张力作用下，所述防扭压缩弹簧19-1的一头作用在
第一锥形夹爪19-7上，另一头作用在锥套19-8上。
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由一只钢索自锁张紧
锚具19锚固在所述驱动压板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由一只钢索自锁张紧锚具19锚固在底座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；所述的驱动压板5上，在每一根第一组
预压钢索8穿过位置均设有锚固该第一组预压钢丝绳8的第一锚固孔5-1。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；所述的底座3上，在每一根第二组预压钢索9穿过位
置均设有锚固第二组预压钢丝绳9的第二锚固孔3-1。所述的抗拉钢索和预压钢索由吊环螺
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。
参见图1，所述钢索自锁张紧锚具19的连接座19-3由螺钉固定在第底座3的下表面
或驱动压板5的上表面。其中固定在驱动压板5上表面的钢索自锁张紧锚具19的顶部与环形
封盖2之间设有大于振幅的间隙。
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
与圆柱形橡胶弹性体4的端板4-2外径相匹配的定位环18，所述圆柱形橡胶弹性体4两头的
端板4-2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)先根据预设的竖向早期刚度和圆柱形橡胶弹性体4的特性参数，计算出圆柱形橡
胶弹性体4满足竖向早期刚度时的长度；(2)按图1将竖向隔震支座的圆柱形橡胶弹性体4、
反压装置和驱动压板5组装好，使每一根预压钢索的另一头自相应的钢索自锁张紧锚具19
的第一锥形夹爪19-7、第二锥形夹爪19-9和空心螺栓19-10的中心孔中穿出；然后，(3)把露
出的预压钢索的绳头系接在牵引张拉机上，并在牵引张拉的同时监视圆柱形橡胶弹性体4
的压缩量(即为张拉距离)，以便确定两块浮动压板之间的距离；当两块浮动压板之间的距
离等于将圆柱形橡胶弹性体4压缩至满足竖向早期刚度的长度时，向前挪动第二自定心锁
紧夹具，同时调节拧动张紧螺套19-6，使得平面轴承19-2被紧紧夹在所述张紧螺套19-6与
锥套19-8之间，且防扭压缩弹簧19-1被压缩，其所产生的张力推动第一锥形夹爪19-7前移
将预压钢索夹紧，尔后拧动所述的空心螺栓19-10将位于第二锥形夹爪19-9内预压钢索夹
死；此后，移除牵引张拉机，截断多余的预压钢索，即可将圆柱形橡胶弹性体4始终夹持在两
块浮动压板之间；(4)将上一步得到的部件套入导向套1，再依次装上环形封盖2和叠层橡胶
隔震支座的下连接板18；(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18的上方，即得所述三维隔震装置。
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装置所
承受的竖向静载荷。
参见图1和图8～12，在安装阻尼器的施工过程中或日常维护过程中，如果发现某
预压钢索的张力不足，即可拧动钢索自锁张紧锚具19中的张紧螺套19-6进行调节。
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圆柱形橡胶弹性体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
缩圆柱形橡胶弹性体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圆柱形橡胶弹性体产生弹性变形而耗
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圆柱形橡胶弹性体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13～15，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。所述的钢索自锁张紧锚具19的数量为六只，分别用于固定每一根预压钢索的另一头。
参见图13，为增加圆柱形橡胶弹性体4的承载能力，防止其由于轴向长度过大而在
水平方向失稳，本例中的圆柱形橡胶弹性体4由两层实心橡胶块4-1和一层钢板4-3交替叠
合硫化连接形成弹性体，弹性体的两端设有端板4-2。
本例上述以实施方法与例1相同。
例3
参见图16～18，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。所述的钢索自锁张紧锚具19的数量为十只，分别用于固定每一根
预压钢索的另一头。
本例上述以外的其它实施方式与例2相同。