CN1007994B - 交变剪切能量吸收器 - Google Patents

Abstract

交变剪切能量吸收器利用一个中心能量吸收器核心的交变塑性形变来吸收由于两个部件间的运动所产生的能量。该核心由一个具有一个矩型横截面的限制装置所环绕。内壁的料层由弹性材料的料层分隔开来。限制元件在圆柱形孔径内受到限制，该圆柱形孔径形成在一个具有交替弹性层和刚性层的弹性支撑上。该吸收器在两个端板间受到限制。该端板能够与有关的结构部件相连接，例如：一座大桥支撑柱和一个基础。

Description

本发明是关于用于大型结构的能量吸收器，这种能量吸收器是用来减轻外界产生的运动对此类结构的影响的。

交变剪切能量吸收装置利用某些材料的超出弹性极限的交变塑性变形来吸收动能。此种吸收器很典型地被插在建筑物的支撑部件和基础部件之间，或是在两个结构支撑部件之间，这样，可以将吸收材料内的动能的一部分转化为热，从而减少外界的力量传递给建筑物的运动，如地震或强风。

日本的特开昭59-62742号公开了一种能量吸收器，用来插入两个部件之间以吸收由于这两个部分间的运动所产生的能量，这种能量吸收器具有可与上述两个部件之一接合的第一末端部分以及与上述两个部件中的另一个接合的第二末端部分，位于上述第一和第二末端部分之间的交变塑性能量吸收装置，在该吸收装置周围安有限制器，该限制器处于上述第一和第二末端部分之间的区域，该限制器包括一个挠性墙面，用以在上述两个部件之间产生运动时限制上述交变塑性能量吸收装置，同时允许上述交变塑性能量吸收装置产生变形，上述挠性墙面具有多个环绕层。其缺点为由于组成挠性墙面的毗邻层之间没有弹性料层，能量吸收核容易退化，从而影响了使用寿命。

本发明的目的是提供一个改进的交变剪切能量吸收器，以克服上述的缺点，使能量吸收核性能的退化实际上降低了，或者说，使使用寿命得以延长。

本发明包含一个改进的交变剪切能量吸收器，它在已知能量吸收器基础上具有一个更长的使用寿命，它具有原装的能量吸收的优点。

因此，本发明提供了一种交变剪切能量吸收器，用于插入两个部件之间，以便吸收由于上述两个部件间的运动所产生的能量，该能量吸收器包括一个可与上述两部件之一接合的第一端部以及可与上述两部件中的另一个接合的第二端部，在上述第一和第二端部之间有交变塑性能量吸收装置，在该能量吸收装置周围安有限制器，该限制器处于上述第一和第二端部之间的区域，该限制器包括一个挠性墙面，用以在上述两个部件之间产生运动时限制上述交变塑性能量吸收装置，同时允许上述交变塑性能量吸收装置产生变形，上述挠性墙面具有多个环绕层，其特征在于至少一部分上述组成挠性墙面的毗邻层之间设有弹性料层。

在本发明一个较好的实施例中，限制器包括一个基本上以螺旋方式围绕在能量吸收装置外部表面的扁平部件和由单独绕组层提供的挠性墙面，这一绕组层至少有一部分是由弹性材料使之与毗邻的绕层分开的。

在另一个较好的实施例中，限制器包括一系列基本上围绕在能量吸收装置外部表面的扁平部件，此扁平部件至少有一部分是由弹性材料使之与毗邻部件分隔开。

限制器最好由装配在第一和第二连接装置之间的一个弹性支撑来环绕，该弹性支撑最好能够包括一个弹性材料的，如橡胶的交替绕层，和一个坚固材料，如钢，铝或玻璃钢。在较好的几何结构里，能量吸收装置包括一个位于第一和第二连接装置的端面之间的圆柱形核心。限制器是一个以螺旋方式环绕的扁平螺旋管。弹性支撑包括橡胶和钢的矩形或四方形的绕层，它具有一个通过中心的圆柱形开孔，以接收限制器和该核心。

本发明的制作是这样进行的：组装弹性支撑，最好在一个导向夹具协助下插入限制器，如一个具有与限制器所需的内直径相等的直径的心轴以及在限制器内放置能量吸收核，其方式为用压力将核心装入限制器的空心内部或者把核心铸入限制器内部。

在一个实施例中，吸收器有末端板，是用热胶、连接等方式装在一起的，在一个与圆柱能量吸收核紧密结合在一起的一个末端板上有一个洞，制有螺纹，制有螺纹的端帽拧入该洞以压缩该核心。

在使用时，当两个联接装置处于产生水平方向位移的震荡时，弹性支撑、限制器和能量吸收核心进行同样的运动，限制器允许能量吸收核塑性变形，但同时限制该核以避免核心材料的过多机械磨损。

要想进一步了解本发明的性质和优点，应参考下面的详尽的描述和相应的图解。

图1是本发明的一个较好的实施例的透视图;

图2是沿图1中2-2线的剖面图;

图3是用以展示限制器的工作的放大的图解剖面图;

图4是一个与图2相似的剖面图，展示本发明的替代实施例;

图5是一个与图4相似的剖面图，展现本发明的另一个替代实施例;

图6是沿图5中6-6线的平面图;

图7、8、9与本发明的两个可取实施例相关：

图7是一与图2相似的剖面图，展示本发明的一个替代实施例;

图8是一个与图7相似的剖面图，展示本发明的进一步实施例;

图9是一个与图8相似的剖面图，展示本发明的另一个进一步实施例。

图1至图6的实施例可通过在至少一些限制部件的毗邻了绕层之间加入弹性材料，以使其包含本发明的特有性能而获得改进。

现在请看图，图1展示一个可取的实施例的透视图，正如该图所示，此能量吸收装置包括一个中心能量吸收核心2，其型状为圆柱体，一个围绕核心2的挠性限制器3，一个弹性支撑4以及顶端和底端连接板7和8。

正如图2所示，弹性支撑衰减器4有一个三明治形状的结构，它包含弹性材料5的可换层，最好采用诸如天然和合成橡胶那样的弹性材料， 刚性板6最好是由钢、铝、玻璃钢、纤维或其它刚性材料制成，弹性支撑4的作用相当于一个旨在通过此装置转移纵向载荷的乌金轴瓦，支撑4被典型地安装在纵向支撑梁的底部，连接在或者依附于底板8，单独层5和6被典型地复合在一起以形成一个单一的结构，最通常是用热胶的办法形成。

限制器3最好是一个螺旋形的圆柱结构，它是由合适的板条材料制成，其截面为矩形，合适的材料包括弹簧钢、软钢、铝条以及任何其它可以绕成上面展示的螺旋形物体的材料。

能量吸收核2最好是由所展示的圆柱体的优质铅制成，优质铅的字眼意在说明纯度达到99.9%。在许多应用中，铅的纯度稍低一些，大约最低限度是98%，其它合适的材料是在上面谈到的美国专利第4，117，637号中的材料以及具有相同交变塑性形变特征的其它材料。

图1和图2所示的装置按下例方式制作为好，首先通过单独元件组合成所示的方形，或其它一些合适的几何形状来制作支撑4，将中心环形孔排列组成圆柱形空隙，一般位于支撑4的中心。而后，限制器3被插入这些孔中，在插入时最好借助于一个圆柱体心轴的帮助。之后，能量吸收核心2被压入限制元件的内部，在此之后，顶部和底部板根据所示方式排列。我们发现，最好的结果是这样取得的：在使用优质铅制作能量吸收元件2时，首先铸造圆柱体吸收器，再将该吸收器压入限制器3中，圆柱体吸收器元件2的外径应比元件3的内径略小一点，这样吸收器件2即可顺利地滑入限制元件3的内部表面，此外，圆柱体吸收器元件2应比完成的装置的轴向长度略长一些，在铸造该能量吸收器元件2时，模型的内直径应基本上与该弹性支撑4的圆柱体孔的直径一样。

如有必要，能量吸收器元件2可铸造在弹性支撑3的圆柱体中。如采用这种替代办法制作该装置，在浇铸熔融核心时，应考虑到铅的热膨胀性，以保证在随后的冷却中核心收缩不致使核心元件2的外层表面和 限制元件3的内表面之间有太大的间隙，为了获得最佳效果，应注意保证核心元件2被完全限制在所有的表面上，即环绕于圆柱体边墙表面和顶部及底部表面之上。

在操作中，该装置被安装在一个结构诸如桥梁或楼宇的支撑件和基础诸如地基之间，当一个结构处于地震、强风或其它自然现象带来颤动之下并导致剪切力转到能量吸收装置上时，该装置即处于这些剪切力之下并导致剪切力转到能量吸收装置上时，该装置即处于这些剪切力之下并按照图3展示的形式变形，正如此图所示，核心元件2已从其原有的正圆柱体形状随着剪切力而改变，限制元件3也经历了同样的运动，由于限制元件3的矩形横截面形状，毗邻的绕层绕组从它们如图2所示的原来的纵向直线滑动变为图3所示的位移的形状。然而，毗邻的绕层之间有足够的表面和其周围的弹性绕层5来提供纵向支持，以防止限制元件崩塌或变形，这样核心元件2可保持其总的圆柱体外形，尽管圆柱体本身向纵向歪曲，此外限制元件3的单独绕组层的内层表面以及毗邻绕层的滑动性安排给予该墙表面挠性，使得核心元件2能够进行足够的变形来分散能量，同时又保持核心元件的完整性，如上面所示，大部分能量被核心元件2内部产生的热所分散，同时，剩余的能量被贮存于元件2和弹性支撑4之中，这种被贮存的能量用于将该核心的材料送回其原来的机械状态。此外，贮存于弹性支撑4中的能量部分的释放将趋于把核心元件2恢复到图2所描述的其原来的几何状态。

对依据本发明的指示制作的能量吸收装置进行的实际试验表明，该改良型的能量吸收装置的有效寿命大大长于一个根据原先的技术建造的类似装置，但缺少限制元件3。

具体的说，在新西兰的奥克兰大学进行的研究项目的结果在下列出版物中有所描述：

参考

1.P.G.金“地震结构的机械能量分散器”，一九八○年奥克兰大学土木工程系报告第228号。

2.S.M.贝尔特“铅-橡胶分散器用于桥梁结构隔离器”，一九八二年八月奥克兰大学土木工程系报告第289号。

为总结这些成果，对20个15×12×4英寸的灌铅弹性支撑面和5个半英寸厚的内层进行了广泛的纵向载荷和剪切弯曲振幅的动态测试。组合在一起的25个纵向载荷和剪切弯曲中的每一个都经历了五个交变的位移测试。被分散的能量是从载荷偏移滞后回路的区域同特性层胶强度、弹性硬度及弹性后硬度一起测量的。对多种未加限制的铅状进行了研究并将其结果与对受到上面描述的方式加以限制的铅圆柱体进行测试的结果进行了对比。贝尔特（一九八二年）对特定的测试结果进行了描述，这些结果一般表明：当铅圆柱体受到限制时，每个循环中所分散的能量将增加一倍以上。

在许多应用中，上部板7的下部表面和上部绕层5的接合表面之间的磨擦力以及下部板8的上部表面和毗邻的弹性绕层5的接合表面之间的磨擦力足以提供上面描述的和图3部分展示的剪切行动，在有些应用中，可取的是在板7和8以及插在当中的弹性支撑4之间提供额外的连接，提供这种额外连接的技巧包括将板7和8连接在该弹性支撑4的末端表面上，可采用热胶、粘贴等办法，在其它应用中，可取的办法是板7、板8和弹性支撑4之间提供额外的连接。图4展示了本发明的第一替代实施例，即在板7、板8和弹性支撑4之间提供一个可靠的连接力。正如本图所示，上部板7的下部表面装有一个连接环11，其几何形状与弹性支撑4（如图1的矩形）的外周相同，环11的形状和角度使得弹性支撑4的最上部能够在板7放入弹性支撑4时进入环11，底部板8的上部表面装有一个类似的连接环12，该环的角度和形状基本上与环11相同。在使用时，板7和板8之间的横向位移被传到弹性支撑4，这种传递不仅仅 是靠板7、板8和支撑4之间的摩擦力，而且也靠环11、12和支撑4之间的机械力，环11和环12可以合适的方式装在板7和板8上，可用焊接、钎接、粘贴等办法。

图5和图6展示了本发明的一个替代实施例，即在板7、板8和弹性支撑4之间提供一个可靠的连接，正如此图所示，上部板7安有一定数量的下垂销钉插头13，根据预定的方式排列，四个插头13排列成环形，其间隙为90度，环绕于核心原件2的中心，相应数量的孔14同样预先置于最上部的弹性绕层5和最上部的刚性板6之上。孔14可延伸穿过整个最上部刚性板块6或只穿过该板的一部分，插头13和孔14的排列使插头13在顶部板7放下至弹性支撑4时得以压入孔14，下部板8装有一个类似方式排列的销钉插头15，最下部弹性绕层5和最下部刚性板6上装有相应的孔16。

虽然可取的实施例被描述为最好是包括下部板7和板8，在有些应用中，这些板可放入相关的结构部件中，或者，板7和板8可包括一个电厂的混凝土地基的上部表面，而上部板7可作为电厂的安全壳的底部，熟识此技术的人还可联想到其它的东西。

虽然上述内容全面地揭示了本发明的可取的实施例，还可以考虑进行各式各样的改进和采用各式各样的制作方法，而不致背离本发明的真实精神和范围。例如，虽然正圆柱体几何形状已被描述为优先实施例，仍可采用其它的几何形状，如矩形、梯形、椭圆形等等。进一步说，虽然弹性支撑4被宣布为矩形，其它的几何形状也可用于此复合元件，包括圆形。此外，尽管限制元件被描述为含有扁平螺纹的圆柱体，但是也可采用其它的形状，这取决于核心元件2本身的几何形状，例如采用了矩形核心元件，那么限制元件将有一个类似的矩形。此外，如有必要，限制元件可包含纵向地罗列在一起的单独元件（圆形的扁环，矩形的扁框，等等）。

图1在图6描述的实施例中包含元件3，以下将称其为密圈螺旋。此实施例中的每一圈都与自己的毗邻相接触。其弱点是该支撑面从纵向来说变得坚硬，在用压配的办法装制时可能对螺旋产生严重危害。为了防止这个缺点，在图7和图8中显示了一种可供选择的结构，在这些结构的每一个当中，铅核心2被限制元件所围绕。但是该元件具有一定量的纵向压缩性。

在图7所描述的实施例中，螺旋绕组3被弹性材料17如尿素或硅橡胶所围绕。在一个可取的实施例中，这是由一个软管制造商采用制作液压吸管的技艺来制作的。螺旋的单独绕组3之间加入弹性材料17即提供了一个松卷螺旋结构，而该结构不具有上述描述的密圈螺旋的弱点。

在图8描述的另一个实施例中，支撑面1含有圆柱体铅核心2和末端板7和8。除了铅核心2的末端以外，整个元件被弹性材料5所围绕，在此实施例中，松卷螺旋3间隔着垫片或刚性板6绕在铅核心周围，弹性材料5为螺旋3的每一圈和单独垫片或刚性板6之间提供了绕层，螺旋3在本实施例中被分为单独圈。

在图7和图8中，作为连续螺旋3或分离的螺旋部分3，用弹性材料分开的罗列在一起环圈可被采用。

在所有的实施例中，只有某些元件3可相互分离，以便在挠性墙中提供一定的纵向弹性。

我们在其动作中看到，螺旋的绕层或环状材料层之间加入的弹性材料不会影响限制器限制铅核心的能力，这样就保持了图1至图6所描述的优点。

在图9中，一个实施例包括一个上部板7，一个下部板8、弹性材料5和刚性材料6的交替层。孔9穿过板7和板8，使它们能连接在结构或基础上。与核心2的横截面相应的孔穿过板7，该孔内制有螺纹并安上直径相当的螺钉19，以协助核心2的纵向限制。必须注意将螺钉19紧紧拧 上，以使板7不致从弹性绕层5分离。置于板7之上的结构的重量在该装置放置于建筑物之下时将对这一点予以保证。

同样，在谈到图1至图6时讨论过其它几何形状和安排在图7、8和9中也适用。

Claims (25)

1、一种交变剪切能量吸收器，用于插入两个部件之间，以便吸收由于上述两个部件间的运动所产生的能量，在该交变剪切能量吸收器中，上述的能量吸收器包含可与上述两个部件之一接合的第一末端部分以及可与上述两个部件中的另一个接合的第二末端部分，交变塑性形变能量吸收装置在上述的第一和第二个末端部分延伸，限制器安装在上述能量吸收器周围，该能量吸收装置处于上述第一和第二部分之间的区域，上述限制器具有一个挠性墙面，用以在两个部件间产生运动时，限制上述能量吸收装置，同时，允许上述能量产生变形，上述挠性墙面具有多个环绕上述交变塑性能量吸收装置外表面的绕层，其特征在于至少一部分上述组成挠性墙面的毗邻绕层之间设有弹性料层。

2、根据权利要求1所述的能量吸收器，其特征在于上述限制器包括一个扁平部件，该扁平部件基本上以螺旋方式卷绕在上述能量吸收器的外部表面周围。

3、根据权利要求1所述的能量吸收器，其特征在于还包括一个弹性支撑，该弹性支撑环绕上述限制器并且被安装在上述第一和第二末端部分之间。

4、根据权利要求3所述的能量吸收器，其特征在于上述弹性支撑包括弹性材料和刚性材料的交替层。

5、根据权利要求4所述的能量吸收器，其特征在于上述弹性材料、以螺旋方式卷绕的板部件以及上述刚性材料的交替层。

6、根据权利要求1所述的能量吸收器，其特征在于上述限制器包括一些扁平部件，该扁平部件环绕上述能量吸收装置的外部表面，上述挠性墙面由扁平部件构成，至少有一部分扁平部件是由上述弹性层分隔开的。

7、根据权利要求1所述的能量吸收器，其特征在于上述能量吸收装置包含一个铅核。

8、根据权利要求1所述的能量吸收器，其特征在于还包括一个与上述第一末端部分相连接的上部板部件以及一个与上述第二末端部分相连接的下部板部件。

9、根据权利要求3所述的能量吸收器，其特征在于还包括一个与上述第一末端相连接的上部板部件以及一个与上述第二末端部分相连接的下部板部件，在此，至少上述的上部和下部板部件当中的一个含有接合装置，用以传递在上述板部件和有关的末端部分之间的力。

10、根据权利要求9所述的能量吸收器，其特征在于每一个上述末端部分具有一个矩形周边，而且，上述的接合装置包括一个围绕上述周边的矩形凸肩。

11、根据权利要求5所述的能量吸收器，其特征在于还包含一个与上述第一末端部分连接的上部板部件以及一个与上述第二末端部分相连接的下部板部件，在此，至少上述的上部和下部板部件当中的一个含有接合装置，用以传递在上述板件和上述能量吸收装置之间的力，弹性支撑有一些纵向延伸的孔，该孔从其末端部分延伸，该末端部分至少与一个板部件毗邻，上述接合装置包括相应的销钉部件，每一个销钉部件插入一个有关的上述孔中。

12、根据权利要求11所述的能量吸收器，其特征在于开有一个螺纹孔，该孔通过上述上部板与上述能量吸收装置对准，同时还装配有一个螺帽，该螺帽可拧进上述孔中，以在轴向上限制上述能量吸收装置。

13、根据权利要求1所述的能量吸收器，其特征在于所述第一和第二未端部分为第一和第二连接器。

14、根据权利要求13所述的能量吸收器，其特征在于上述限制器包括一个扁平部件，该部件基本上以螺旋方式卷绕在上述能量吸收装置的外部表面周围，上述挠性墙面由单独绕组层构成，至少部分单独绕组层由上述弹性绕层从其毗邻绕层中分隔开来。

15、根据权利要求13所述的能量吸收器，其特征在于上述限制器包括一些扁平部件，这些部件环绕上述能量吸收装置的外部表面，上述挠性墙面由扁平部件构成，至少有一部分扁平部件是由上述弹性绕层分隔开来。

16、根据权利要求14所述的能量吸收器，其特征在于上述扁平部件是由弹簧钢制成的部件。

17、根据权利要求16所述的能量吸收器，其特征在于上述扁平部件是由铝制成的部件。

18、根据权利要求13所述的能量吸收器，其特征在于还包括一个弹性支撑该弹性支撑环绕上述限制器并且被安装在第一和第二个连接器之间。

19、根据权利要求18所述的能量吸收器，其特征在于上述的第一和第二个连接器的任何一个都包括接合装置，用以向上述弹性支撑传递力。

20、根据权利要求19所述的能量吸收器，其特征在于上述接合装置包括一个与上述弹性支撑的外圆有接触的凸肩。

21、根据权利要求18所述的能量吸收器，其特征在于上述弹性支撑包括弹性材料与刚性材料的交替层。

22、根据权利要求21所述的能量吸收器，其特征在于上述限制器有包括弹性材料、以螺旋方式卷绕的扁平部件以及刚性材料的交替层。

23、根据权利要求21所述的能量吸收器，其特征在于上述限制器有包括上述弹性材料、堆积的扁平部件以及上述刚性材料的交替层。

24、根据权利要求22所述的能量吸收器，其特征在于上述弹性支撑开有第一批孔，该孔从其上部表面向下延伸至刚性材料的最上绕层，上述弹性支撑还开有第二批孔，该孔从其下部表面向上延伸至刚性材料的最下绕层，上述接合装置包括从第一接合装置向下延伸的第一批销钉部件，各自插入一个与之相应的第一批孔内，上述接合装置还包括从第二接合装置向上延伸的第二批销钉部件，各自插入一个与之相应的上述第二批孔内。

25、根据权利要求10所述的能量吸收器，其特征在于上述能量吸收装置包括一个铅核。

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