CN102317548B - 多向扭转滞后减震器(mthd) - Google Patents

Abstract

本发明涉及防震(抗震)装置，更具体而言，涉及地震滞后减震器，其用于在严重的地震中保护物体的结构。这类装置被安装在由于地震的震动而预期发生较大位移的位置处，诸如桥面板和所述桥的支承点(例如，墩盖梁)之间。

Description

多向扭转滞后减震器(MTHD)

技术领域

本发明涉及抗震（防震）装置，更具体而言，涉及地震滞后减震器（seismic hysteretic damper），其用于在严重地震中保护物体的结构。这类装置被安装在由于地震的震动而预期发生较大位移的位置，诸如在桥面板和支承点（墩盖梁）之间。 

背景技术

减震器是耗能器。由于两个（安装）末端之间的相对运动，减震器耗散掉被传递进它们的动能。从力-位移而非能量的角度来说，减震器通过在它们的移动端施加一个总是与两端的相对位移相反的力来起作用。我们可以将该力称为减震器的“反作用力”，其可以用作减震器的耗能能力的度量。在滞后减震器中，这样的特性通过利用金属的滞后性能来实现。 

在现有技术中可获得的用于桥梁的多向滞后减震器包括：US5,806,250中描述的由新月形元件组成的装置、锥形销耗能元件，以及US5,509,238中描述的由C形夹组成的装置。现有技术中也可获得其他的滞后减震器，但是它们并不具有多向运动，诸如蝶形耗能元件。 

现有技术中的另一吸震装置是基本如US3,730,463中描述的震动隔离器，其带有如弹簧减震器元件一样工作的自动定心的环形橡胶。使用橡胶——如在桥梁弹性隔离器中的情况下——来产生柔性连接并延长支承结构的自然周期，由此使其对于震动型运动不那么敏感。另一方面，如本发明中给出的滞后减震器的功能并不是将结构隔离起来，而是通过金属的屈服提供耗散力以增加能量耗散。虽然吸震装置可产生少量的减震，但是它并不是滞后减震器，且由于是自动定心系统，它无法具有较大的减震效果。 

在由新月形耗能器组成的多向装置中，参见第MI96A1447号意大利专利，弯曲的可变截面梁被用作耗能器。这些耗能元件的形状被设置为允许沿元件的长度均匀地屈服，并被布置为产生对称装置，在该对称装 置中，所有这些“单独”的耗能器作为一个单元一起工作，以产生更大的反作用力。 

在由C形夹组成的装置中，C形（或U形）板以对称布置被布置为多向装置。随着C形板在折叠/展开变形中的弯曲以及沿宽度的屈服，它们能够提供滞后的耗能。 

锥形销元件是具有可沿长度变化的圆形截面的直梁，使得弯曲导致沿高度的均匀屈服，避免了应变集中。由于它们沿所有方向的“内在”对称性，它们可以被简单地布置为多向减震系统，而不需要任何机构来使它们进行多向运动。 

本发明的装置（MTHD）与上述现有装置的主要区别将在下文中加以阐释。 

发明目的 

本发明的目的是开发一种多向滞后减震器，其性能与现有可获得的滞后减震器一样有效或更好，且制造更为经济。就考虑性能而言，本发明的装置和现有可获得装置的主要不同可以被总结为： 

1.可变的后弹性硬度（post-elastic stiffness），这是由于其特殊的工作机制，其产生结构固化效果，这将在下文中阐释，并示出在附图13的图表中； 

2.简单可调节的臂（以及导轨）长度，其允许可轻易调节本装置的特性：反应力和最大允许位移； 

3.本装置允许顶部和底部锚定点之间的相对的竖直位移，而不使系统沿水平方向的期望性能对这样的位移产生任何干扰。 

发明内容

虽然使用圆柱形钢芯作为滞后减震器元件在现有技术中是已知的，但将它们装配到多向滞后减震器中的设计则是本发明新颖且独特的特征。 

本发明的基本部件包括： 

具有臂组件的屈服芯（由部件1、2、4、7、8、9组成）； 

中央支撑结构（由部件5、6组成）； 

导轨系统（由部件10、11组成）。 

附图说明

为了详细地阐释本发明，提供了必要的附图并随附于本说明书。下面给出了附图的列表及其说明。 

图1本装置的三维等距视图，其中导轨系统被移除以允许更好地观察其下的所有部件； 

图2导轨系统的三维等距视图； 

图3上方带有导轨系统略图的本装置的三维等距视图； 

图4本装置的侧视图，其中导轨系统被移除； 

图5本装置的俯视图，其中导轨系统被移除； 

图6示出了所有部件的整个装置的俯视图（无隐藏线）； 

图7图4中S1-S1的剖视图； 

图8图5中S2-S2的剖视图； 

图9图6中S3-S3的视图； 

图10导轨系统的仰视图； 

图11导轨系统的俯视图； 

图12示出处于未移动位置和移动位置的一个臂及其对应的导轨； 

图13当在一条导轨（任意）的方向上施加位移，且假设在钢的弹塑性性能（elasto-plastic behavior）的作用下时，本装置的力-位移的图表。 

附图中元件（特征/零件/部件）的定义： 

1屈服芯； 

2臂； 

3芯滚珠轴承，其是普通钢滚珠轴承，用于使芯（1）和隔板（plate diaphragm）（6）之间产生铰链连接。由于其用在芯-隔板的连接处，可以将其称之为“芯”滚珠轴承，以将其与臂滚珠轴承区分开来； 

4臂滚珠轴承，其是普通钢滚珠轴承，用于使臂（2）和导轨（10）之间产生滚轴铰链连接（roller hinge connection）； 

5支撑柱； 

6隔板，具有八边形形状，且带有圆形孔； 

7实心圆柱形安装轴，其被焊接至臂以安装臂滚珠轴承； 

8上部空心圆柱环，其被焊接至圆柱形轴的顶端，以将臂滚珠轴承保持就位。此外，任意其他类型的附接件（诸如，销）也可以被用于替代上部空心圆柱环； 

9底部空心圆柱环，其用于将臂滚珠轴承保持就位。此外，任意其他类型的附接件（诸如，销）也可以被用于替代底部空心圆柱环； 

10导轨，有八根这样的导轨，其是导轨系统的一部分。导轨适合于臂滚珠轴承； 

11顶部八边形板（导轨系统的一部分），其带有狭缝（或任意其他适合的狭缝布置，取决于连接的类型），以允许装置的顶部连接（至桥面板）； 

12基板，用于将整个装置连接至基部（墩盖梁）。 

具体实施方式

本发明的滞后减震器装置由三个主要部件组成： 

1.屈服芯：其和包括钢滚珠轴承（4）的臂组件一起形成臂（2）和导轨系统之间的滚轴铰链型连接，并允许臂（2）的端部在导轨（10）内无摩擦地运动。臂（2）的一端（在顶部处）被焊接至屈服芯（1），另一端具有焊接至其的圆柱形实心轴（7），该圆柱形实心轴用作臂滚珠轴承（4）的安装轴，这些都在图9中示出。在臂滚珠轴承（4）的上部和底部还有两个环（8，9），以将臂滚珠轴承固定就位。此外，任意其他类型的附接件（诸如，销）也可以被用来替代上部和底部空心圆柱环（8，9）。上部环（8）被焊接至安装轴（7）。屈服芯（1）是本发明的所述滞后减震器的耗能元件，并且由钢制成。具有可变直径的圆柱体形状的芯（1）主要由于较大的扭转剪应力可屈服，并随着臂（2）的转动而耗散能量。屈服芯（1）被焊接至基板（12）（在底部处），从而该整个装置（滞后减震器）可以通过所述基板（12）附接至桥的墩盖梁。 

2.支撑结构：该支撑结构由中央实心的钢支撑柱（5）和焊接至该支撑柱的隔板（6）组成。该隔板（6）将通过芯滚珠轴承（3）连接至屈服芯（1）。芯滚珠轴承（3）被纳入以在屈服芯（1）和隔板（6）之 间产生（扭转的）铰链连接，并允许芯（1）自由扭曲。支撑柱（5）的主要功能是支撑屈服芯（1）防止其弯曲。由于其较大的横向硬度和与芯（1）的平行连接，中央支撑柱（5）将承担弯曲力矩的主要部分，并因此防止屈服芯（1）中较大的弯曲应力，所述屈服芯趋于在近似纯扭转剪切力的情况下屈服。 

中央支撑柱（5）可以是任意其他形状，诸如盒状或八边棱柱状，只要它能提供必要的横向硬度。中央支撑柱（5）将被焊接至基板（12）。隔板（6）到支撑柱（5）的连接也是通过在隔板（6）的中央孔的顶部和底部处焊接来实现的。 

3.导轨系统：导轨系统便于桥面板和臂（2）之间的连接。该导轨系统将通过销和孔被附接至面板，如果需要的话，还通过震动传送单元被附接至面板。该导轨系统由顶部板（11）以及焊接至该板（11）的导轨（10）组成，其中在板上设有狭槽式的孔（slotted hole）。导轨（10）可以是焊接在一起的钢板，以形成槽形段（channel section），或者如果可获得尺寸适合的轧制的槽形段，则其可被用作导轨（10）。根据情况，可能需要侧面加强件，以横向加强导轨槽的悬臂部分的硬度。顶部板（11）到面板的连接由嵌入在桥的混凝土面板中的栅（销）形成。 

导轨系统和臂滚珠轴承（4）一起形成了臂（2）的端部和桥面板之间的期望连接（滚轴铰链型连接）。通过这种连接，不管桥面板的移动方向如何，每个臂（2）都将一直是横向移动的（相对于其对应的导轨），以及臂（2）并不需要沿导轨（10）跟随面板部件的位移而移动。对于所有八条导轨（10），情况都是如此。如图12所示，在未变形的位置，每条臂（2）都平行于其导轨（10）。随着装置发生位移，臂（2）发生旋转，并且臂（2）和其导轨（10）之间的角度θ增加。由于臂（2）在旋转时需要扭曲屈服芯（1），因此在臂（2）中将产生与之垂直的剪切力（V）（图12）。这一剪切力必须与在臂滚珠轴承-导轨（臂末端和导轨）界面处的力F沿垂直于臂（2）的分量平衡，如图12所示。由于臂滚珠轴承（4）的存在，该力（F）总是垂直于导轨（10）。但是，该力（F）沿臂（2）和垂直于臂（2）的两个分量取决于臂（2）和其导轨（10）之间的角度θ： 

V=F·Cos(θ) 

H=F·Sin(θ) 

这意味着对于在臂（2）上产生的剪切力V（其是在产生芯的扭矩中起作用的力），力F必须等于： 

F=V/Cos(θ) 

随着角度θ的增加，即使V保持恒定（假设由于钢的弹塑性性能），F将增加，使得装置具有结构固化的能力。应提到的是，来自所有的八条导轨（10）的沿位移方向的这些力（F）的分量之和等于滞后减震器装置的反作用力。也就是说，即使在塑性范围和弹塑性材料的性能下，装置的反作用力取决于其位移程度。这一固化性能在图13中示出。此外，这意味着位移不可能超过某个限度。理论上，限制位移等于臂（2）的长度。该位移对应于θ=90°。但是，因为在接近90°的角度下，在臂（2）上产生的轴向力以及力F将非常大，该位移的实际限制可以被设定为例如“臂长×sin(60)”，这对应于60°的最大旋转。考虑到一些特别的因素，如果桥面板的预期位移会增长超过该量，则应当考虑更大的滞后装置。 

Claims (3)

1.一种多向扭转滞后减震器，其用作具有多向运动的滞后型的抗震装置，以在地震中保护物体的结构，其特征在于，所述减震器包括以下部分：

屈服芯（1），它们为可变直径的圆柱体形状且能够屈服，且通过由于经由焊接至屈服芯的臂（2）所产生的大扭转剪应力而屈服，所述屈服芯用作耗能元件，同时所述臂来回转动并在屈服芯（1）中产生扭力，其中每个屈服芯（1）都具有一个焊接至其顶部的臂（2），并且每个屈服芯的底部都被焊接至基板（12），以及每个屈服芯都通过在屈服芯（1）—隔板（6）的连接处使用芯滚珠轴承（3）来维持与隔板（6）的扭转铰链连接；

支撑结构，其由支撑柱（5）和隔板（6）组成，其功能为通过承担大部分弯曲力矩来支撑屈服芯（1）以防止屈服芯（1）弯曲，所述屈服芯（1）旨在被臂（2）的转动所扭曲时进行扭转屈服；

导轨系统，其包括多个相同的导轨（10）以及一个顶部八边形板（11），这些导轨的形状为槽形段，并且它们的数量与屈服芯（1）的数量相同，其中导轨（10）被以平行于臂（2）的设置而焊接至顶部八边形板（11），导轨的功能是在臂的末端处引导臂（2）的运动，在所述臂的末端处设有臂滚珠轴承（4），该臂滚珠轴承（4）与导轨（10）组合在臂（2）的末端与桥面板之间形成了滚轴铰链型连接。

2.根据权利要求1所述的多向扭转滞后减震器，其特征在于，所述臂滚珠轴承（4）被安装在臂（2）的末端处的圆柱形安装轴（7）上，并通过上部空心圆柱环（8）和底部空心圆柱环（9）被保持就位，而上部空心圆柱环（8）在所述臂滚珠轴承（4）的顶部处被焊接至圆柱形安装轴（7）。

3.根据前述任一权利要求所述的多向扭转滞后减震器，其特征在于，其设有带有狭槽式孔的顶部八边形板（11），用以提供所述多向扭转滞后减震器与桥面板的连接。

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