CN101775855A - 防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器 - Google Patents
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Abstract
防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器属于土木工程结构减震技术领域。其特征在于，包括固定在建筑结构上的上连接板和下连接板，以及核心金属耗能元件，核心金属耗能元件由至少一对上耗能板和下耗能板构成，上耗能板的一端与上连接板和下连接板固连，上耗能板的另一端与下耗能板的一端相互搭接，下耗能板的另一端与下连接板固连；上耗能板和下耗能板与上连接板和下连接板垂直；上耗能板和下耗能板的厚度方向与建筑或桥梁结构承受剪切力的方向一致。本发明具有变形量大和防拉压屈服的特点，其结构新颖合理，易于加工，使用方便灵活，适用性强，可以有效提高建筑结构和桥梁结构的抗震性能，具有广阔的市场推广应用前景。
Description
技术领域
本发明属于土木工程结构减震技术领域，具体涉及一种桥梁工程中设置于桥墩与梁板间的构件或建筑结构耗能构件，特别是一种用于减震耗能的金属阻尼器。
背景技术
当今建筑的发展越来越趋向于高大化，由钢构件、组合构件或钢筋混凝土构件组成的框架结构是建筑物中经常被采用的结构形式。为使建筑结构具有较强的抵抗地震或风荷载等外力破坏的能力，经常需要在框架结构中增设金属耗能构件。而桥梁工程的发展也越来越趋向于大型化，为保证地震时桥梁结构的安全性，防止发生落桥，现普遍在在桥墩与梁板的连接处设置为橡胶隔振垫，并在桥墩与梁板间配合设置耗能构件，常见的耗能构件有粘滞型阻尼器、磁流变阻尼器、金属阻尼器等。其中金属阻尼器因其经济性较好，在工程中应用较多。目前金属阻尼器的一般多为钢或组合构件的防屈曲耗能支撑形式，主要用于承受拉力或压力，承受剪切力的能力较弱。例如，专利号为ZL200720175235.X的中国专利公开了一种无粘结钢骨混凝土防屈曲耗能支撑，这种耗能支撑结构依靠在核心钢骨构件外部设置约束体，利用位于轴心处的核心钢骨构件承受轴向外力，此类支撑结构是依靠核心钢骨构件在外力作用时钢材自身的拉压屈服变形来实现耗能及防止建筑物被破坏的功能，由于钢材的弹性模量较大，因此屈服时能实现的变形量很小，无法适应变形量较大的应用。为了解决这一问题，有研究人员设计出一种剪切型金属弯曲耗能阻尼器，如图1、图2所示，包括上连接板1、下连接板2和核心钢耗能元件，核心钢耗能元件的两端分别与上连接板1和下连接板2牢固相连，核心钢耗能元件为平面设置的钢板3，当钢板3数量多于一块时，彼此间相互平行设置。这种剪切型金属弯曲耗能阻尼器利用钢材良好的塑性变形能力实现耗能，并利用钢材的弯曲变形实现较大的变形量。特别是当弯曲变形发生在钢板的两端时，变形能力最佳。但在实践中发现，当剪切型金属弯曲耗能阻尼器发生较大剪切变形的时候，其核心钢板将被拉伸；或者当与阻尼器相连接的主体结构发生较大变形的时候，阻尼器的核心钢板有时也将被拉伸或者压缩。由于核心钢板并不具备足够的拉伸和压缩变形能力，导致出现核心钢板受拉屈服或者受压屈曲的现象，不能实现钢板弯曲的受力模式，从而导致钢板两端的弯曲耗能能力无法得到充分发挥，阻尼器的性能不能达到最佳。因此，市场迫切要求一种能承受较大剪切力，能实现较大变形量，同时还能防止受拉屈服和受压屈曲从而保证充分耗能能力的新型金属阻尼器。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种可以有效防止钢板发生拉屈或者压屈、从而充分发挥钢板两端耗能能力的防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器。
防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器的特征在于，包括固定在建筑结构上的上连接板和下连接板，以及核心金属耗能元件，所述核心金属耗能元件由至少一对上耗能板和下耗能板构成，所述上耗能板的一端与上连接板和下连接板固连，所述上耗能板的另一端与所述下耗能板的一端相互搭接，所述下耗能板的另一端与所述下连接板固连；所述上耗能板和下耗能板与所述上连接板和下连接板垂直；所述上耗能板和下耗能板的厚度方向与建筑或桥梁结构承受剪切力的方向一致。
所述上耗能板和下耗能板的搭接方式是分别在上、下耗能板的搭接处设置通孔或豁孔，利用紧固件连接。
当所述核心金属耗能元件由两对及以上上耗能板和下耗能板构成时，每对上耗能板和下耗能板之间相互间隔的平行设置。
当所述核心金属耗能元件由两对及以上上耗能板和下耗能板构成时，相邻的两对上耗能板和下耗能板之间在搭接处彼此贴合或保持间隙设置，所有对的上耗能板和下耗能板的搭接，是用一个紧固件贯通上耗能板和下耗能板上的豁孔而固定。
所述上耗能板和下耗能板是钢板、铅板或形状记忆合金。
所述上耗能板和下耗能板宽度方向两侧的形状对称。
所述上耗能板和下耗能板宽度方向两侧的形状不对称。
所述上连接板和下连接板上分别设置有与建筑或桥梁结构相连的连接机构，所述连接机构是通孔、螺纹孔或带有安装孔的耳板。
所述下连接板下端通过一个辅助支架与建筑或桥梁结构连接；或上连接板上端通过一个辅助支架与建筑或桥梁结构连接；或下连接板下端通过一个辅助支架与建筑或桥梁结构连接，且上连接板上端通过另一个辅助支架与建筑或桥梁结构连接。
所述上、下耗能板与上连接板和下连接板固定连接的方式是采用焊接，在上连接板及下连接板上分别加工出相应数量及尺寸的凹槽，然后将所述上、下耗能板的两端分别插入上、下连接板的凹槽后再进行焊接。
本发明防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器，将作为核心钢耗能构件的钢板分解成上耗能板及下耗能板，并通过紧固件将二者连接在一起，使钢板中部的截面削弱部分强度大大提高，在受力时，钢板不会在中部发生压屈或拉伸变形，而是产生以钢板两端变形为主的形变，可以实现较大的位移。此外，本发明防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器，可以保证每一片钢板都均衡受力，协同工作，因此，可以充分地发挥阻尼器的最佳性能。
本发明防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器具有变形量大和防拉压屈服的特点，其结构新颖合理，易于加工，使用方便灵活，适用性强，可以有效提高建筑结构和桥梁结构的抗震性能，具有广阔的市场推广应用前景。
附图说明
图1为现有剪切型金属弯曲耗能阻尼器的结构示意图。
图2为图1的A向视图。
图3为本发明防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器的结构示意图之一。
图4为图3的B向视图。
图5为图3所示本发明防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器的应用示意图。
图6为图5所示条件下本发明防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器的工作示意图。
图7为本发明防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器的结构示意图之二。
图8为图7所示本发明防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器中上耗能板及下耗能板的结构示意图。
图9为图7的C向视图。
图10图7所示本发明防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器的应用示意图。
图11为图10所示条件下本发明防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器的工作示意图。
具体实施方式
实施例一
如图3、图4所示本发明的防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器，包括上连接板1、下连接板2和核心钢耗能元件，核心钢耗能元件包括垂直于上、下连接板设置的三对钢板，所述钢板均由上耗能板4和下耗能板5组成，其中，上耗能板4的一端和下耗能板5的一端分别与上连接板1和下连接板2牢固焊连，上耗能板4的另一端和下耗能板5的另一端彼此相互搭接，并在搭接处通过上、下耗能板上设置的通孔利用紧固件6连成一体。为方便与其他构件连接，在上连接板1和下连接板2上还分别设置有用于与其他结构相连的连接结构，本例中连接结构为通孔7。上耗能板和下耗能板与上连接板和下连接板垂直，上耗能板和下耗能板的厚度方向与建筑或桥梁结构承受剪切力的方向一致。
在框架结构中使用时，如图5所示，由于本发明防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器的尺寸较小，可以在钢框架上固定设置一个辅助连接支架10，在钢框架8及辅助连接支架10上分别焊接固定有与上、下连接板相对应的连接法兰9，利用紧固件11将上连接板1和下连接板2与连接法兰9固定在一起，从而将本发明牢牢固定在钢框架8上。如图6，当钢框架8受到剪切力F1及F2作用发生变形时，由于本发明采用抗弯刚度较小的钢板作为核心钢耗能元件，而且钢板采用了上、下两块耗能板中部搭接并利用紧固件连接的结构，因此中部强度大大加强，在两端受到较大剪力作用的情况下，上、下耗能板靠近上、下连接板的一侧会首先受弯屈服发生弯曲变形，利用钢材在塑性变形过程中产生的塑性铰转动实现耗能，从而达到衰减外界输入能量，使框架结构免于损坏的作用。
上耗能板和下耗能板宽度方向两侧的形状可以对称也可以不对称。上、下耗能板与上连接板和下连接板固定连接的方式是采用焊接，在上连接板及下连接板上分别加工出相应数量及尺寸的凹槽，然后将上耗能板的一端插入上连接板的凹槽，然后再进行焊接。下耗能板的焊接方式相同。
由于本发明防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器是依靠钢材受剪时良好的塑性变形能力来获得变形量，即利用构件的变形在有限的高度内获得较大的弯曲变形，而不是利用钢材的拉压屈服变形获得变形量，因此可以实现较大的变形量，耗散更多能量，更有利于框架结构的保护。同时，又由于采用了上、下耗能板组合形式的核心钢耗能元件结构，克服了现有剪切型金属弯曲耗能阻尼器中，整块钢板作为核心耗能元件，在中部截面削弱部易发生压屈的不足，大大提高了产品的性能。
本例中利用连接法兰9来实现本发明与钢框架8及辅助连接支架10的连接，在实际应用中，也可以将本发明防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器直接焊连在钢框架或辅助连接支架上，当然还可以利用紧固件直接固定在钢框架或辅助连接支架上，也都可以实现同样的效果。此外，为了方便与其他结构连接，上、下连接板上除本例中所述设置用于连接的通孔外，也可以设置螺纹孔、带有连接孔的耳板、锁扣、吊环等其他用于连接的结构。除本例所述结构的辅助支架外，利用其他结构的辅助支架或其他的连接方式，只要可以将将本发明牢固连接在钢框架上，也都可以实现同样的效果。
另外，本例仅以钢框架为例进行说明，在实际应用中，也可以用于组合构件或钢筋混凝土构件组成的框架结构，也能很好地实现消能减震的作用。另外，本发明还可以用于桥梁、楼层间等场所，例如用于桥身与桥墩之间，与桥身支座并联使用，都是基于钢板的弯曲变形和塑性弯曲变形耗能的技术原理，在此不作一一说明。
本例仅以上、下连接板之间设置三块分别由上、下耗能板组合成的钢板作为核心钢耗能元件进行说明，在实际应用中，也可以在本发明防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器中设置一块、二块或者三块以上的钢板作为核心钢耗能元件，可以根据工程实际需要具体优化设置。
需要指出的是，本例中为了介绍方便，在描述时使用了上、下连接板及上、下耗能板等名称，这只是根据相关图示摆放方向，按照相关图示的位置关系进行命名，实际上，本发明是沿紧固件6轴向对称的，因此图3、图4所示的本发明使用中没有严格的上下方向要求，完全可以颠倒使用。当然，在实际工程应用中，根据连接构件的不同，也可能将上、下连接板设置的不同，那时，本发明才有严格的上下方向要求。紧固件可以采用销轴或其它的紧固件。
实施例二
如图7、图8、图9所示本发明防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器，与实施例一的区别在于，设置五块上、下耗能板组合成的钢板作为核心钢耗能元件。上耗能板4及下耗能板5上的通孔改为设置豁口13，由于上、下耗能板的材料、形状及尺寸完全相同，在此全部用图8给予表示说明。此外，上耗能板4与下耗能板5间采用依次交错的布置方式，即如图9所示结构，上耗能板4与相邻的所有下耗能板5在搭接部分的范围内彼此保持贴合或保留一定间隙，并且通过上、下耗能板上设置的豁口13利用紧固件12将所有的上、下耗能板连接在一起。
应用时，如图10，11所示，将本发明置于待减震构件中，在本例中，待减震构件包括桥身14和桥墩15。利用锚固螺栓16将本发明防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器固定在桥身14与桥墩15之间。当桥身14与桥墩15受到剪切力F3及F4作用发生相对位移时，由于本发明采用抗弯刚度较小的钢板作为核心钢耗能元件，而且钢板采用了上、下两块耗能板中部搭接并利用紧固件连接的结构，因此中部强度大大加强，在两端受到较大剪力作用的情况下，上、下耗能板靠近上、下连接板的一侧会首先受弯屈服发生弯曲变形，利用钢材在塑性变形过程中产生的塑性铰转动实现耗能，从而达到衰减外界输入能量，使框架结构免于损坏的作用。这种结构的防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器结构更加紧凑，占用安装空间更小，组装过程也更加简捷，因此经济性好，适用性也更强。而且，这种上、下耗能板的设置方式可以保证每一块钢板受力均衡，协同工作，因此性能也更稳定。特别要指出的是，由于紧固件12是通过上耗能板4和下耗能板5上设置的豁口13将两者连在一起的，因此上、下耗能板之间可以通过豁口在垂向实现一定的相对滑动，所以，当桥身14与桥墩15在剪切力的作用下发生较小水平相对位移时，可以保证上、下耗能板组成的钢板中部不承受压力；而当桥身14与桥墩15在剪切力的作用下发生较大水平相对位移时，又可以保证上、下耗能板组成的钢板中部不承受拉力。这样，就可以充分发挥钢板两端的变形能力，提高本发明防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器消耗外界输入能量的能力，使其性能更加优越。
Claims (10)
1.防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器，其特征在于，包括固定在建筑结构上的上连接板和下连接板，以及核心金属耗能元件，所述核心金属耗能元件由至少一对上耗能板和下耗能板构成，所述上耗能板的一端与上连接板和下连接板固连，所述上耗能板的另一端与所述下耗能板的一端相互搭接，所述下耗能板的另一端与所述下连接板固连；所述上耗能板和下耗能板与所述上连接板和下连接板垂直；所述上耗能板和下耗能板的厚度方向与建筑或桥梁结构承受剪切力的方向一致。
2.如权利要求1所述的防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器，其特征在于，所述上耗能板和下耗能板的搭接方式是分别在上、下耗能板的搭接处设置通孔或豁孔，利用紧固件连接。
3.如权利要求1所述的防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器，其特征在于，当所述核心金属耗能元件由两对及以上上耗能板和下耗能板构成时，每对上耗能板和下耗能板之间相互间隔的平行设置。
4.如权利要求1所述的防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器，其特征在于，当所述核心金属耗能元件由两对及以上上耗能板和下耗能板构成时，相邻的两对上耗能板和下耗能板之间在搭接处彼此贴合或保持间隙设置，所有对的上耗能板和下耗能板的搭接，是用一个紧固件贯通上耗能板和下耗能板上的豁孔而固定。
5.如权利要求1所述的防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器，其特征在于，所述上耗能板和下耗能板是钢板、铅板或形状记忆合金。
6.如权利要求1所述的防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器，其特征在于，所述上耗能板和下耗能板宽度方向两侧的形状对称。
7.如权利要求1所述的防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器，其特征在于，所述上耗能板和下耗能板宽度方向两侧的形状不对称。
8.如权利要求1所述的防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器，其特征在于，所述上连接板和下连接板上分别设置有与建筑或桥梁结构相连的连接机构，所述连接机构是通孔、螺纹孔或带有安装孔的耳板。
9.如权利要求1所述的防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器，其特征在于，所述下连接板下端通过一个辅助支架与建筑或桥梁结构连接；或上连接板上端通过一个辅助支架与建筑或桥梁结构连接；或下连接板下端通过一个辅助支架与建筑或桥梁结构连接，且上连接板上端通过另一个辅助支架与建筑或桥梁结构连接。
10.如权利要求1所述的防拉压屈服金属弯曲耗能阻尼器，其特征在于，所述上、下耗能板与上连接板和下连接板固定连接的方式是采用焊接，在上连接板及下连接板上分别加工出相应数量及尺寸的凹槽，然后将所述上、下耗能板的两端分别插入上、下连接板的凹槽后再进行焊接。
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Application publication date: 20100714 Assignee: Beijing Yishexu Technology Co., Ltd. Assignor: Tsinghua University Contract record no.: 2012990000780 Denomination of invention: Metal bending energy-consuming damper for preventing tension and compression and yield Granted publication date: 20120620 License type: Exclusive License Record date: 20121023 |
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| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model |