蝶形弹簧组合式减震支座的结构设计

谢宝玲++刘迪

[摘要]新型蝶形弹簧组合式减震支座的材料提高了抗腐蚀性、抗老化性等缺陷，利用蝶形弹簧、橡胶、铅芯设计一种新型蝶形弹簧组合式减震支座，通过合理安排蝶形弹簧的组合状态，力求达到减震的功能且能够降低支座的结构高度，以小变形承受大载荷，并用SolidWorks软件完成蝶形弹簧组合式支座的三维实体建模。

[关键词]蝶形弹簧组；减震；结构高度；SolidWorks

[DOI]1013939/jcnkizgsc201704202

未來20年甚至更长一段时间内，我国城市公共交通等基础设施建设将会继续保持高速发展的趋势，城市高架桥、城际铁路、高速铁路将成为国家综合经济实力和现代化建设的卓越体现。因此，建筑行业对减隔震装置的需求量将不断增大，对减隔震装置的技术性能和经济性能的要求也将不断提高。研究并开发性能可靠、经济性好的新型减隔震装置显然是非常必要的。目前国内外最常用的减隔震装置有四种：弹塑性阻尼装置、液压阻尼装置、钟摆式隔震支座和橡胶隔震支座。本文研究的是一种生产维护费用低、能够控制竖直高度、采用具有抗腐蚀和抗老化性能材料的蝶形弹簧组合式支座。

1蝶形弹簧组合式减震支座的基本要求

（1）竖向刚度：竖向刚度Kσ应比上部结构的竖向刚度小许多，延长结构的竖向自震周期，避开地震波卓越周期，从而降低上部结构的地震反应。同时保证在载荷作用下具有足够的竖向刚度，不产生较大的竖向位移，不影响上部结构的正常使用。基于以上两点，蝶形装置必须有合适的竖向刚度。

（2）竖向承载力：隔震装置应具有较大的竖向承载力，在结构物正常使用的情况下，安全地支撑着上部结构的所有载荷。

（3）有效位移：所有弹簧的有效变形都是有限度的。作为具有减震功能的组合式蝶形弹簧减震装置除了应满足在使用载荷下的变形要求外，还应预留足够的有效位移以满足在罕遇地震下的变形要求。

（4）高度和直径：从稳定性和施工的可行性考虑，减震装置的高度不宜过高，直径不宜过大。

2蝶形弹簧组合式支座的结构设计

利用蝶形弹簧、橡胶、铅芯设计一种具有减震功能的蝶形弹簧组合式减震支座，如图1所示，底座上安装蝶形弹簧组，弹簧组里面装有短导杆，胶皮套分为内、外两层，管状铅芯嵌入两层胶皮套中，整体置于减震器底座的中央圆筒形结构中，蝶形弹簧组置于胶皮套内层，隔震单元置于底座圆筒结构上部，4个外定位活动销连接上端盖和底座，安装时保证4个外定位活动销插入四个橡胶导向块孔中。隔震单元为非主要承重部件，采用橡胶和薄钢板的叠加结构，减震器安装到桥梁后，受到桥板本身的自重使上端盖下表面和隔震单元结合，防止隔震单元在减震器正常使用时因压力过大而失效。上端盖内径尺寸与底座圆筒结构内径尺寸存在尺寸公差；外定位活动销长杆部分尺寸与底座销孔尺寸存在尺寸差，这种结构给予减震器上端盖水平方向自由度，使隔震单元吸收横向振动的功能在桥梁受地震横波影响时得以发挥。同时，在底座的4个销孔部分开凹槽，4个橡胶导向块置于凹槽中，其内孔尺寸与外定位活动销长杆部分外径相等，由此保证装配的准确性和结构的相对稳定性。

图1蝶形弹簧组合式支座的结构示意

注：1隔震单元；2上端盖；3外定位活动销；4橡胶导向块；5底座；6铅芯；7胶皮套；8蝶形弹簧组；9短导杆。

这种减震支座的结构具有良好的纵向和横向的吸震效果，引入通用机械中的蝶形弹簧，提升减震支座吸收纵向大振幅冲击振动的能力。其技术关键是使铅芯、橡胶和蝶形弹簧组受力达到一个协调，而不是互相制约，在结构上该支座生产维护费用低、能够控制竖直高度。

图2蝶形弹簧组合支座的三维实体设计

21隔震单元

组合式支座的主要减震原件为隔震单元，隔震单元的每个构件以及节点均离散化为三维有限单元，适合结构微小部位的详细研究，在地震反应的非线性分析中，能够达到简单和精确。

隔震支座单元力学模型：采用线弹性模型模拟竖向的拉压刚度异性。

22蝶形弹簧组的设计

蝶形弹簧组是一种由钢板冲压而成蝶形的薄板弹簧，又因外形似碗碟状，故称蝶形弹簧，它由LRBelleville于1867年在巴黎取得了专利。一般来说，蝶形是通过相当数量的叠加来提供足够弹性伸展，组合使用而发挥作用的。薄板弹簧，又因外形似碗碟状，故称蝶形弹簧，它由LRBelleville于1867年在巴黎取得了专利。一般来说，蝶形是通过相当数量的叠加来提供足够弹性伸展，组合使用而发挥作用的。

蝶形弹簧成圆锥形盘状，既可以单个使用，又可以多个串联或并联使用，在上内缘和下外缘处承受沿轴向作用的静态或动态载荷，被压缩后产生变形，直至被压平，以储存能量形式作为活载荷。在必要时自动转化为密封所需要的附加压缩载荷，来降低垫片、填料使用中对上紧的持续要求。

221蝶形弹簧组合方式和特性

①叠合组合弹簧。②对合组合弹簧。③复合组合弹簧。蝶形组能使弹簧特性在很大的范围内变化。在对合、复合、叠合中采用叠合方式，叠合面存在摩擦阻尼，吸震和耗能作用更为显著。相对于同一变形，蝶形数越多则载荷越大。

222蝶形弹簧组的使用具有的特点

（1）蝶形组具有小变形高承载能力，刚度大，蝶形单位体积变形能力较大，所以缓冲吸震能力强，适合于轴向空间要求小的场合，节省空间。通过合理安排蝶形弹簧组合可获得理想的加载特性。蝶形都在工厂内经过喷丸处理，以消除残余应力，所以具有高疲劳寿命。

（2）蝶簧组具有很好的耐磨性，拥有的使用寿命更加得长。因为采用的制作材料是更加讲究的，并且在生产加工的过程中进行反复的实验，能够较好地确保它是比较耐磨的，即使是使用很长的时间，它的外表也不会受到任何的影响。

（3）蝶簧组具有良好的耐高温性能，对环境的适应能力更加得强。即使是温度很高的环境下工作，它也能够很好地保持它的性能而不会受到影响。

相当数量蝶形叠加形成弹形弹簧组，在地震所产生的动荷载作用下，蝶形弹簧组在一定加载频率以上能够保持较好的耗能能力。随着预压量的增大，组合蝶形弹簧件耗能能力增强。在偏心压力作用下水平滞回耗能、水平运动与竖向运动解耦方面均优于同类型支座。

3结论

本文论述了设计蝶形弹簧组合式减震支座的必要性，以及选用了具有减震功能的蝶形弹簧组合—铅芯—橡胶作为隔震单元。分析了隔震单元的力学性能和蝶形弹簧组的排列。设计了一种全新的减隔震支座，通过三维实体建模完成减震支座的结构设计。

参考文献：

[1]中国国家标准化管理委员会中华人民共和国国家标准蝶形弹簧规范[EB/OL]http：//wwwdoc88com/p-77043440493.html

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[4]熊世树三维基础隔震系统的理论与试验研究[D].湖北：华中科技大学，2004

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