專利名稱：一種隔絕地震動(dòng)能之建筑物免震結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)于一種建筑物免震結(jié)構(gòu)。此種免震結(jié)構(gòu)構(gòu)筑于建筑物及地基之間，其包括上下表面設(shè)置有多數(shù)球座的支撐隔絕層，及對應(yīng)該球座的多數(shù)滾球，這些滾球放置并壓觸于前述球座之間，而可作摩擦系數(shù)極小的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使得地震引起的水平振動(dòng)力幾無法施加于支撐隔絕層及其上的建筑物，另外，在支撐隔絕層及建筑物之間又筑設(shè)有多數(shù)連桿避震器，藉著連桿作用，即可將地震傳來的垂直振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成滑塊的水平運(yùn)動(dòng)能量，再經(jīng)過杠桿裝置的杠桿作用，即可以緩沖彈簧吸收巨大的滑塊動(dòng)能，藉此而保障建筑物的安全。
根據(jù)我們所知，人們所居住之地殼，其厚度僅有薄薄的幾十公里，其下則為熾熱之液態(tài)巖漿，由于地殼板塊之漂移運(yùn)動(dòng)，或互相擠壓，造成激烈磨擦，或互相錯(cuò)動(dòng)，產(chǎn)生斷層現(xiàn)象，皆會釋出龐大之能量，傳至地表，即造成地震現(xiàn)象。此種大自然災(zāi)害對建筑物所帶來之巨大摧毀力量，自古以來，即深為吾人所畏懼，而其造成之慘重災(zāi)害，更是史不絕書。(如日本關(guān)東大地震、墨西哥大地震、中國大陸唐山大地震……等)。時(shí)至今日，盡管建筑技術(shù)與建筑材料已極為發(fā)達(dá)進(jìn)步，然而建筑物在對抗地震方法上，卻仍僅停留于耐震階段，鮮能于建筑設(shè)計(jì)思想上，作一革命性之創(chuàng)新突破。按目前一般傳統(tǒng)性之建筑，無論是高樓大廈或是普通房屋，均是將建筑物固定于地盤上，其間如有對抗地震之考慮時(shí)，再于設(shè)計(jì)或施工上加強(qiáng)其結(jié)構(gòu)，期能于地震時(shí)，由建筑物接受地震動(dòng)能后，再由建筑物把這些動(dòng)能吸收起來。發(fā)明人認(rèn)為，以此種傳統(tǒng)建筑方法對抗地震，實(shí)為一不高明之辦法。依據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)力學(xué)之慣性定律一(一物體如不受外力影響，其動(dòng)者恒動(dòng)，靜者恒靜)，吾人可由此理論得知以下之情況一個(gè)固定于地盤上之建筑物，如無外力影響(指地震所知之動(dòng)能)絕不會自行由靜變動(dòng)，再如無外力影響(指地震停止，動(dòng)能來源斷絕)亦絕不會由動(dòng)變靜，此種建筑物由靜而動(dòng)，再由動(dòng)而靜，全隨地殼之?dāng)[布支配，其主要原因，乃是建筑物本來就固定于地殼上，其勢不得不然！而如果地震威力強(qiáng)大，地面擺動(dòng)劇烈，建筑物本身抗震結(jié)構(gòu)不足以吸收其動(dòng)能時(shí)，則倒塌傾頹亦是必然之結(jié)局，此亦為地震對建筑物造成破壞之主要原因。由以上之論述，吾人可得知欲使建筑物免于受地震之破壞，其最有效之方法乃是使建筑物不直接受地盤之影響，并設(shè)法斷絕地震加諸建筑物之動(dòng)能，亦即設(shè)法使建筑物處于恒靜或接近恒靜之狀態(tài)。至于如何來達(dá)成此即為本發(fā)明之目的。
首先請參閱

圖1，本發(fā)明中之建筑物免震結(jié)構(gòu)系筑設(shè)在建筑物(4)及地盤(1)上的建筑地基(2)之間。在地基(2)上鋪設(shè)有多數(shù)個(gè)滾球軸承(3)，各該滾球軸承(3)上又設(shè)置有一滾球(6)。滾球(6)的上面則再鋪設(shè)一層上下表面皆具有凹曲面球座(5)的支撐隔絕層(S1)，使該滾球(6)壓觸于其下表面之凹曲面球座(5)內(nèi)。同理，在其上表面之凹曲面球座(5)內(nèi)，再置入滾球(6)，然后可按同樣方法依序鋪設(shè)支撐隔絕層(S2)，(S3)。支撐隔絕層(S3)與建筑物底部之間則固設(shè)有數(shù)具連桿避震器(L)，藉此，支撐隔絕層(S3)及其上面之建筑物(4)與隔絕層(S2)，(S1)和地基(2)之間即可全部處于可滑動(dòng)之接觸狀態(tài)，而作水平方向的相對位移。
另外，地基(2)系構(gòu)筑于地基線(7)以下的凹坑(8)內(nèi)，并與凹坑(8)之側(cè)壁(9)保持適當(dāng)?shù)拈g隔。在側(cè)壁(9)上裝設(shè)有緩沖橡膠(10)(或其它彈性緩沖裝置，如彈簧或輪胎等)，以作為建筑物(4)與地基(2)之間相對位移過大時(shí)之緩沖安全裝置。
同時(shí)，為了防止雨水流入凹坑(8)而污染銹蝕滾球軸承(3)等設(shè)施，在凹坑(8)之周圍及內(nèi)部分別設(shè)有排水渠(12)及(11)，以充分排除大量之雨水。
至于位處臺風(fēng)或颶風(fēng)帶之較輕型建筑采用本免震結(jié)構(gòu)時(shí)，為了防止遭受強(qiáng)風(fēng)風(fēng)襲而搖晃過度，可在建筑物(4)附近之地盤或地基上構(gòu)筑若干地錨，并以纜索或鐵鏈將建筑物與地錨相連結(jié)，但須能容許建筑物與地基作安全限度內(nèi)的相對位移。又，建筑物(4)與地盤(1)間所設(shè)之管路(如電線、水管等)均可采用具有伸縮性之軟管或S形之彈性管，以避免地震時(shí)，因建筑物與地基之相對位移所造成的管路斷裂。
請參閱圖3及圖4，前述滾球軸承(3)及滾球(6)約鞍記媲蜃 )皆由極具剛性材料制成，而其表面弧度極為精密、平滑，因此其彼此間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)趨近于零，也就是說，縱使在地震時(shí)地基(2)產(chǎn)生水平振動(dòng)，透過此種幾近零摩擦的滾動(dòng)作用，支撐隔絕層(S1)(S2)及(S3)幾乎完全不受地基(2)水平振動(dòng)之影響，而即使存在些微影響，其程度亦由下而上逐層依等比級數(shù)衰減，因此，傳至建筑物之震動(dòng)能量已微乎其微而可以忽略，藉此即達(dá)免震的效果。
如第二圖所示，在建筑物下方可以平均布設(shè)多組滾球軸承(3)或滾球(6)，藉以平均承載建筑物的重量。
請?jiān)賲㈤唸D3，其為圖1中滾球軸承(3)之放大剖面圖。其包含一滾球座(13)及設(shè)于座中的小滾球(14)。滾球(6)則置于小滾球(14)上而受小滾球(14)之支承，其間之摩擦系數(shù)極小。球座(5)具有內(nèi)凹之曲面，當(dāng)平時(shí)無地震作用時(shí)，滾球(6)之頂點(diǎn)必然與曲面之中央點(diǎn)(M)接觸，使得其上的建筑物(4)位于最低、最穩(wěn)定的位置。同樣的，圖4顯示的是夾壓于上下兩內(nèi)凹曲面球座(5a)及(5b)間的滾球(6)。在平時(shí)，滾球(6)之最高點(diǎn)及最低點(diǎn)必然分別與上球座(5a)之曲面最高點(diǎn)(M1)及下球座(5b)之曲面最低點(diǎn)(M2)接觸。而發(fā)生地震時(shí)，若地盤發(fā)生水平運(yùn)動(dòng)，圖3及圖4中的接觸情形會有所改變。滾球(6)將沿著球座(5)，(5a)及(5b)的曲面作幾近零摩擦的滾動(dòng)而滾向曲面?zhèn)扰?，此時(shí)支撐隔絕層由于幾乎未遭受任何水平摩擦推力，因此對地球心而言，其水平相對位置亦幾乎保持不動(dòng)狀態(tài)，即使其位置有移動(dòng)，但在地震結(jié)束后，滾球(6)又會回到原中心接觸點(diǎn)而形成自動(dòng)歸位作用。
圖5所示為另一種自動(dòng)歸位之設(shè)計(jì)。兩球座(5a)及(5b)為平面形狀，但滾球(6)則呈橢圓體，其長軸為(a)，短軸為(b)，當(dāng)?shù)卣鸾Y(jié)束后，滾球(6)之知軸(b)上下兩端點(diǎn)(N1)及(N2)必然分別與球座(5a)及(5b)接觸。
以上的三種自動(dòng)歸位設(shè)計(jì)均能使建筑物在地震結(jié)束后自動(dòng)回歸至最低及最穩(wěn)定的位置。當(dāng)球座(5)，(5a)及(5b)等之曲面曲率越大時(shí)，其對滾球(6)之滾動(dòng)阻力也愈大，但其自動(dòng)歸位及定位的作用亦愈有效及正確。吾人可在設(shè)計(jì)時(shí)視實(shí)際需要作適當(dāng)?shù)倪x擇。如圖5所示，當(dāng)a與b之差愈小時(shí)，阻力愈小，但歸位也愈不準(zhǔn)確。反之，a與b之差愈大時(shí)，則阻力亦愈大，但歸位愈準(zhǔn)確。
請進(jìn)一步參閱圖6圖6-1，及圖7。本發(fā)明中的連桿避震器(L)包括上下兩組四連桿，此兩組四連桿各包括四條相同且互相垂直的連桿臂(15)，(16)及分別樞接該連桿臂(15)，(16)的樞接座(20)及樞接板(20′)。上連桿臂(15)較下連桿臂(16)為長，而每一上連桿臂(15)及下連桿臂(16)之另一端均樞接在滑塊(17)上，每兩個(gè)相對滑塊(17)又各穿設(shè)在一支滑桿(21)的兩端，并以可滑動(dòng)的方式與一條固設(shè)在支撐隔絕層(S)上而與滑桿(21)呈平行的滑軌(24)相接合，藉此，滑塊(17)即可受滑桿(21)及滑軌(24)的引導(dǎo)而在其上滑動(dòng)?；瑝K(17)之前端(22)系抵住于杠桿(18)接近支點(diǎn)處，該杠桿(18)之兩端則分別抵住兩緩沖弓形彈簧(23)，同時(shí)杠桿(18)后方適當(dāng)處設(shè)有止檔塊(19)，藉以防止杠桿(18)遭受太大的推力而導(dǎo)致弓形彈簧(23)在超過其安全負(fù)荷時(shí)遭到破壞。
依以上的安排，當(dāng)支撐隔絕層(S3)與建筑物(4)之間發(fā)生垂直方向的相對位移時(shí)(不論是因地震或其它因素而引起)，該連桿避震器(L)將經(jīng)由連桿作用使相對滑塊(17)順著滑桿(21)及滑軌(24)向外推擠杠桿(18)而壓迫緩沖彈簧(23)，藉著彈簧(23)對支點(diǎn)之力臂大于滑塊(17)對支點(diǎn)之力臂，即可運(yùn)用杠桿原理使緩沖彈簧(23)以一定倍數(shù)比率吸收由滑塊(17)傳來的巨大推力。
如圖1及圖8所示，當(dāng)?shù)卣鹪斐傻鼗?2)對支撐隔絕層(S1)，(S2)及(S3)以及建筑物(4)的水平相對位移時(shí)，地震傳向建筑物之動(dòng)能(水平振動(dòng)動(dòng)能)將透過每一層滾球軸承或滾球之低摩擦滾動(dòng)作用，作由下而上的逐層衰減，其最后所能傳至建筑物之水平振動(dòng)動(dòng)能將微乎其微，因此上層之建筑物(4)即可受到最佳，最可靠的免震保護(hù)。該支撐隔絕層層數(shù)越多，其免震效果愈佳。另外由于滾球軸承(3)或滾球(6)在凹曲面球座(5)上滾動(dòng)，所以原水平運(yùn)動(dòng)會轉(zhuǎn)換出垂直方向的運(yùn)動(dòng)，此垂直方向的運(yùn)動(dòng)能量亦會由連桿避震器(L)轉(zhuǎn)換成滑塊(17)之水平動(dòng)能，再藉由杠桿作用，而由緩沖彈簧(23)吸收此動(dòng)能并轉(zhuǎn)變成其彈性位能，如此，建筑物即不會承受巨大動(dòng)能的沖擊而搖晃或塌裂，因而得以保轄ㄖ踩
權(quán)利要求
1.一種隔絕地震動(dòng)能之建筑物免震結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)構(gòu)筑于建筑物底部及地基之間，包括數(shù)層支撐隔絕層，各該隔絕層之上下表面設(shè)置有多數(shù)球座；多數(shù)滾球，該滾球布設(shè)并壓觸于前述隔絕層之上下表面球座中，而能作幾近零摩擦的滾動(dòng)，使地震傳來之水平振動(dòng)動(dòng)能無法傳遞至支撐隔絕層及建筑物；及多數(shù)設(shè)置于支撐隔絕層及建筑物底部之間的連桿避震器，該連桿避震器具有連桿臂及樞接該連桿臂的樞接座及滑塊，以及引導(dǎo)該滑塊滑動(dòng)的裝置，滑塊一進(jìn)步抵住一種杠桿裝置，該杠桿兩端又連結(jié)著緩沖彈簧，藉著連桿臂的連桿作用可將垂直方向的振動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換成滑塊的水平動(dòng)能，再藉由杠桿作用，由緩沖彈簧以一定倍數(shù)比率吸收此滑塊之水平動(dòng)能并轉(zhuǎn)變成其彈性位能，以上建筑物免震結(jié)構(gòu)均可容許地基對其上的每一支撐隔絕層及最上層之建筑物作水平方向及垂直方向之相對位移。
2.一種如權(quán)利要求1所述之建筑物免震結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括多數(shù)滾球軸承，在該滾球軸承上可置入滾球，然后將其連同滾球布設(shè)在地基上而使?jié)L球壓觸在支撐隔絕層之球座內(nèi)，或布設(shè)在支撐隔絕層與支撐隔絕層之間，利用滾球與滾球軸承及球座間的極低滾動(dòng)摩力的特性，即可隔絕由地基傳來的地震水平振動(dòng)動(dòng)能，使支撐隔絕層及建筑物保持幾乎靜止不動(dòng)。
3.一種如權(quán)利要求1或2所述之建筑物免震結(jié)構(gòu)，其中該滾球?yàn)楦叨染_之圓球形，而球座則為極光滑之內(nèi)凹曲面，而滾球軸承，滾球及球座皆由極具剛性之材料制成，因此其彼此間的滾動(dòng)摩系數(shù)趨近于零，也就是說，縱使在地震時(shí)，地基產(chǎn)生水平振動(dòng)，透過此種幾近零摩擦的滾動(dòng)作用，支撐隔絕層以及其上面之建筑物可幾乎不受地基水平振動(dòng)的影響。
4.一種如權(quán)利要求1所述之建筑物免震結(jié)構(gòu)，其特征是滾球設(shè)計(jì)成橢圓體形，而球座設(shè)計(jì)成平面形。
5.一種如權(quán)利要求1所述之建筑物免震結(jié)構(gòu)，其特征是該滾球設(shè)計(jì)成橢圓體形，而球座設(shè)計(jì)成內(nèi)凹曲面。
6.一種如權(quán)利要求1所述之建筑物免震結(jié)構(gòu)，其特征是該連桿避震器包括上下兩組四連桿，此兩組四連桿各包括四條相同且互相垂直的連桿臂及分別樞接該連桿臂的樞接座及樞接板，每一上連桿臂及下連桿臂之另一端均樞接在滑塊上，每兩個(gè)相對滑塊又各穿設(shè)在一支滑桿的兩端，并以可滑動(dòng)的方式與一條設(shè)在支撐隔絕層上的滑軌相接合，藉此，滑塊即可受滑桿及滑軌的引導(dǎo)而在其上滑動(dòng)?；瑝K之前端系抵于杠桿接近支點(diǎn)處，該杠桿之兩端則分別抵住兩緩沖彈簧，藉此，由地基傳來的地震垂直振動(dòng)動(dòng)能可經(jīng)同連桿作用轉(zhuǎn)換成滑塊在滑桿及滑軌上的水平滑動(dòng)動(dòng)能，再藉著杠桿作用，即可由該緩沖彈簧吸收巨大的滑塊滑動(dòng)動(dòng)能，并將之轉(zhuǎn)變成彈性位能。
7.一種如權(quán)利要求6所述之建筑物免震結(jié)構(gòu)，其特征是緩沖彈簧與杠桿支點(diǎn)的力臂長度遠(yuǎn)大于滑塊與杠桿支點(diǎn)的距離，所以依據(jù)杠桿定律，緩沖彈簧可以吸收遠(yuǎn)大于其負(fù)荷限度的滑塊滑動(dòng)力。
8.一種如權(quán)利要求1所述之建筑物免震結(jié)構(gòu)，其中該緩沖彈簧系一種弓形彈簧。
9.一種如權(quán)利要求1所述之建筑物免震結(jié)構(gòu)，其特征是支撐隔絕層可以多層設(shè)置，使地震所傳遞廢平振動(dòng)動(dòng)能由下向上逐層依等比級數(shù)衰減，如此，傳送至建筑物的能量將微乎其微，而得以保障建筑物之安全。
10.一種如權(quán)利要求3所述之建筑物免震結(jié)構(gòu)，其特征是該內(nèi)凹曲面球座及圓形滾球，在地震結(jié)束后，圓形滾球會自動(dòng)氐角孀行慕喲サ?，而使建筑午澰懾怔v笞遠(yuǎn)氐狡渥畹妥釵榷ǖ奈恢謾
11.一種如權(quán)利要求4或5所述之建筑物免震結(jié)構(gòu)，其特征是其中之平面形及內(nèi)凹曲面形球座和其橢圓形滾球，在地震結(jié)束后，其橢圓形滾球之短軸會回歸至垂直狀態(tài)，其短軸之兩端將與兩平面形球座及兩巾凹曲面球座之最低點(diǎn)接觸，而使建筑物在地震后自動(dòng)回到最低最穩(wěn)定之位置。
12.一種如權(quán)利要求3所述之建筑物免震結(jié)構(gòu)，其特征是滾球軸承或滾球在凹曲面球座上滾動(dòng)時(shí)，原水平運(yùn)動(dòng)會轉(zhuǎn)換出垂直方向的運(yùn)動(dòng)，但此垂直方向的運(yùn)動(dòng)能量亦會由該連桿避震器轉(zhuǎn)換成滑塊之水平動(dòng)能，再藉由杠桿作用，而由緩沖彈簧吸收此動(dòng)能，并轉(zhuǎn)變成其彈性位能。
全文摘要
本發(fā)明有關(guān)于一種建筑物免震結(jié)構(gòu)，此種免震結(jié)構(gòu)構(gòu)筑于建筑物及地基之間，其包括上下表面設(shè)置有多數(shù)球座的支撐隔絕層，及對應(yīng)該球座的多數(shù)滾球，這些滾球放置并壓觸于前述球座之間，而可作摩擦系數(shù)極小的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使得地震引起的水平振動(dòng)力幾無法施加于支撐隔絕層及其上的建筑物。
文檔編號E04H9/02GK1037374SQ8910257
公開日1989年11月22日 申請日期1989年4月25日 優(yōu)先權(quán)日1988年4月25日
發(fā)明者吳全忠 申請人:吳全忠