CN102433942A - 模块式钢滞变阻尼器的使用方法 - Google Patents
模块式钢滞变阻尼器的使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
模块式钢滞变阻尼器的使用方法，它涉及一种钢滞变阻尼器的使用方法。为了解决现有的抗震耗能阻尼器的布置方式没有最大限度发挥阻尼器的耗能作用的问题。确定模块式钢滞变阻尼器的安装位置；在剪力墙二分之一高度起向上各楼层层层布设阻尼器，并保证各层平面分布对称；用弹塑性分析软件建立整体结构动力模型，然后确定每层连梁布设模块式钢滞变阻尼器的具体数量和型号；使每层连梁切断处布设的模块式钢滞变阻尼器的屈服剪力介于连梁小震和中震剪力之间；选定的连梁在中间切断后，所安装的模块式钢滞变阻尼器的空间尺寸与连梁断口相当，以保证连梁几何形状不变。本发明所述阻尼器及布置方式最大限度发挥了阻尼器的耗能作用，完全适用于抗震设计中。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢滞变阻尼器的使用方法。
背景技术
建筑结构在地震作用下发生晃动，如果晃动过大将导致结构破坏以致倒塌，造成人员伤亡和财产损失等灾难性后果。阻尼器是一种能量消耗装置，专门消耗引起建筑结构晃动的这种有害能量。依据受力与变形的关系，可将材料分为弹性材料和塑性材料。所谓弹性是指受力后材料发生相应的变形，力撤除后变形消失，比如橡皮筋就是弹性材料的代表；如果受力后材料发生相应变形，但是当力增加到某量值(屈服点)时，少许力的增量就产生较大的变形，并且力撤除后变形不能完全消失，这种特性称为塑性，比如橡皮泥就是塑性材料的代表。钢滞变阻尼器是指采用屈服强度低的低碳钢作为耗能元件而制成的阻尼器，其基本原理是当结构受地震作用而晃动时，建筑结构中某些类别的构件(比如连梁)两端发生相对变形，并驱动安装其间的阻尼器耗能元件发生往复塑性变形，这样结构构件对耗能元件做功，耗能元件发热，从而将结构晃动这种机械能转变为热能释放到空气中。
钢筋混凝土剪力墙结构是高层建筑最常采用的结构形式。在地震作用下，剪力墙结构以弯曲变形为主，如图1所示。剪力墙水平变形模式相当于悬臂梁，中性轴截面两侧分别受拉和受压，拉伸和压缩变形量随高度增加逐渐累积，越往上，拉压变形量越大。因此一般情况下，墙肢、连梁等构件之间相对变形较大的部位集中在结构总高度的上部二分之一。由于建筑功能需要，比如开设门、窗或电梯在各楼层设出入口等，剪力墙不是完整的一块，需要开设许多洞口，上下洞口之间的部分称为连梁(参见图2)。在地震往复荷载作用下，连梁的变形及裂缝如图3所示，显见，如果连梁的变形、耗能变成可被设计人员控制，那么根据实际需要提升整体结构的抗震性能就变得容易。在连梁上安装钢滞变阻尼器就可以做到这一点。但实践中，发现现有的抗震耗能阻尼器的消能片变形不理想，从而影响阻尼器消耗引起建筑结构晃动的有害能量的功能发挥，而且无法实现阻尼器的模块化组合。现有的抗震耗能阻尼器的布置方式没有最大限度发挥阻尼器的耗能作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种模块式钢滞变阻尼器的使用方法，以解决现有的抗震耗能阻尼器的布置方式没有最大限度发挥阻尼器的耗能作用的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
本发明所述方法中的模块式钢滞变阻尼器包括N个消能层、2N+2个压板、两对夹板和两个锚固板，N为不为零的自然数；每个夹板的横截面呈L形，每相邻两个消能层之间的两端各设有一个压板，N个消能层和2N+2个压板相间堆叠设置形成阻尼器主体，阻尼器主体上端面及下端面各设有两个压板，所述阻尼器主体置有压板的一端部位于一对夹板之间并通过贯穿于所述端部的连接件固定在一对夹板上，所述阻尼器主体置有压板的另一端部位于另一对夹板之间并通过贯穿于所述端部的连接件固定在另一对夹板上，两对夹板及其之间的阻尼器主体呈H状布置，两对夹板及其之间的阻尼器主体一同置于两个竖直平行设置的锚固板之间，每对夹板与相应侧的锚固板固定连接；每个消能层为由奇数个消能单元和两个端板构成的钢板，每个消能单元的形状为由中部向两端逐渐变大且与两个端板厚度一致的板状结构，两个端板通过居中均布在二两之间的奇数个消能单元连接在一起；每个端板上开有多个用于连接的通孔；所述模块式钢滞变阻尼器的使用方法的具体过程为：
步骤一、确定模块式钢滞变阻尼器的安装位置：
对于剪力墙结构，为使钢滞变阻尼器被连梁变形所驱动，需要选择相对变形大的位置布设阻尼器，在剪力墙二分之一高度起向上各楼层层层布设所述阻尼器，并保证各层平面分布对称；
步骤二、用弹塑性分析软件建立整体结构动力模型，然后确定每层连梁布设模块式钢滞变阻尼器的具体数量和型号；模块式钢滞变阻尼器的型号由消能层的片数N决定；消能层的宽度与连梁横截面宽度相匹配；
步骤三、在布设模块式钢滞变阻尼器要切断连梁，使该连梁承担的地震引起的剪力转移到模块式钢滞变阻尼器上，通过选择模块式钢滞变阻尼器的具体数量和型号，使每层连梁切断处布设的模块式钢滞变阻尼器的屈服剪力介于连梁小震和中震剪力之间；以确保不改变原有结构体系的非地震时受力性能，实现力学等效；
步骤四、选定的连梁在中间切断后，所安装的模块式钢滞变阻尼器的空间尺寸与连梁断口相当，以保证连梁几何形状不变。
本发明的有益效果是：
本发明所述阻尼器及其布置方式最大限度发挥了阻尼器的耗能作用。经对多个阻尼器及剪力墙墙肢-连梁-阻尼器组合体进行地震模拟实验和有限元分析，发现阻尼器安装在高层建筑(一般总高20层以上)上部二分之一楼层的连梁上比底部几层耗能总量增加5～10倍；阻尼器安装在连梁上比安装在高度相当层位的剪力墙上，耗能增加10倍以上。这一结果经过国内多位权威院士评审，认为先进、可靠，并在大连尚品天城小区及16栋高层建筑(合计60万平方米)、唐山万科金域华府小区4栋高层建筑(计10万平方米)中应用。
本发明所述阻尼器的技术优势主要表现在以下几个方面：
1、模块式构造，可以按照需要的屈服剪力随意组合，方便快捷；
阻尼器的核心部件为消能层，消能层的宽度与常见的连梁横截面宽度相匹配(图5)。
2、采用哑铃形压板，使消能片变形更理想；
通常能想到的压板形式为平板，由于加工误差或装配时尘粒影响，容易导致消能片与压板不密贴，此时的消能片的工作方式如图6所示。消能片的受力变形与设计要求将有较大偏差，使得阻尼器屈服位移加大，屈服刚度降低，阻尼器的力学指标达不到设计要求。而哑铃型压板相当于用两个刃口与消能片密贴，保证消能片变形起始线与设计相符。
3、设置带内螺纹的锚固板，便于阻尼器安装、更换；
锚固板宽度与连梁横截面宽度一致，可以作为混凝土连梁的端模板。锚固板四角设内螺纹，通过短螺栓与阻尼器相连。一旦房屋结构遭遇超大地震导致阻尼器受损或残余变形过大，则可旋下短螺栓，将阻尼器拆除，以便更换新的同型号阻尼器。
4、L形夹板上设计了长圆形连接孔，可以适应消能片、压板厚度误差累积导致的总尺寸变化，便于装配。
在阻尼器高度方向(消能层堆叠方向)，即使消能层层数N相同，各片叠加后的总高度也可能因加工误差的累积而不同，由此可导致阻尼器高度与锚固板上的连接孔位置不匹配，而L形夹板的连接孔在阻尼器高度方向设为长圆形，这样多片叠加的阻尼器总高度的偏差只要不超过长圆孔的范围，仍可与锚固板正常连接。
附图说明
图1是以弯曲变形为主剪力墙在地震作用下的变形示意图；图2是剪力墙结构典型构造形式示意图(13-剪力墙)；图3是地震作用下剪力墙结构连梁的受力变形和裂缝特点示意图(图3a是连梁受力、变形示意图，图3b是连梁裂缝示意图)；图4是连梁左右端相对位移与连梁剪力之间的关曲线图(所述曲线用来确定阻尼器的屈服剪力)；图5是阻尼器在连梁中的布置位置示意图(图5a是安装有两个“模块式钢滞变阻尼器”的连梁的主视图，图5b是连梁俯视剖视图；10-连梁、11-模块式钢滞变阻尼器、12-楼板)；图6是现有平板型压板阻尼器消能层与本发明的哑铃型压板阻尼器消能层变形模式比较图(图6a是变形前各组件相对位置图，图6b是平板型压板对应的消能层变形图，图6c是哑铃型压板对应的消能层变形图；经比较可看出，现有阻尼器的平板型压板难以保证消能片变形模式符合设计要求)；图7是本发发明方法中所述的模块式钢滞变阻尼器的整体装配图(4-螺栓M20x180、5-螺母M20、6-垫圈20、7-螺栓M20x40)，图8是是图7的左视图，图9是图7的俯视图；图10是消能层1的结构图，图11是图10的A-A部面图，图12是图10俯视剖视图；图13是压板2的结构图，图14是图13的左视图，图15是图13截面图；图16是夹板3的结构图，图17是图16的右视图，图18是图16的俯视图；图19是的结构图，图20是图19的左视图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1～20所示，本实施方式所述的模块式钢滞变阻尼器的使用方法中的模块式钢滞变阻尼器包括N个消能层1、2N+2个压板2、两对夹板3和两个锚固板8，N为不为零的自然数；每个夹板3的横截面呈L形，每相邻两个消能层1之间的两端各设有一个压板2，N个消能层1和2N+2个压板2相间堆叠设置形成阻尼器主体，阻尼器主体上端面及下端面各设有两个压板2，所述阻尼器主体置有压板2的一端部位于一对夹板3之间并通过贯穿于所述端部的连接件固定在一对夹板3上，所述阻尼器主体置有压板2的另一端部位于另一对夹板3之间并通过贯穿于所述端部的连接件固定在另一对夹板3上，两对夹板3及其之间的阻尼器主体呈H状布置，两对夹板3及其之间的阻尼器主体一同置于两个竖直平行设置的锚固板8之间，每对夹板3与相应侧的锚固板8固定连接；每个消能层1为由奇数个消能单元1-1和两个端板1-2构成的钢板，每个消能单元1-1的形状为由中部向两端逐渐变大且与两个端板1-2厚度一致的板状结构，两个端板1-2通过居中均布在二两之间的奇数个消能单元1-1连接在一起；每个端板1-2上开有多个用于连接的通孔1-2-1；所述模块式钢滞变阻尼器的使用方法的具体过程为：
步骤一、确定模块式钢滞变阻尼器的安装位置：
对于剪力墙结构，为使钢滞变阻尼器被连梁变形所驱动，需要选择相对变形大的位置布设阻尼器，根据以上剪力墙及连梁变形特点的分析结果，通常在剪力墙二分之一高度起向上各楼层层层布设，并保证各层平面分布对称这样可以有的放矢，最大限度发挥阻尼器的耗能作用；
步骤二、用弹塑性分析软件(比如ETABS)建立整体结构动力分析有限元模型，输入与设防烈度相关联的地震记录，由此得到各楼层每根连梁所分配到的地震剪力，据此按照图4的原则确定各连梁所配置的阻尼器的屈服剪力，屈服剪力的大小就决定了阻尼器的具体数量和型号；模块式钢滞变阻尼器的型号由消能层1的片数N决定；消能层的宽度与连梁横截面宽度相匹配；
用弹塑性分析软件建立整体结构动力模型，通过反复试算(迭代法)确定每一层布设阻尼器的具体数量和型号；
步骤三、在布设模块式钢滞变阻尼器要切断连梁，使该连梁承担的地震引起的剪力转移到模块式钢滞变阻尼器上，通过选择模块式钢滞变阻尼器的具体数量和型号，使每层连梁切断处布设的模块式钢滞变阻尼器的屈服剪力介于连梁小震和中震剪力之间(如图4)；以确保不改变原有结构体系的非地震时受力性能，实现力学等效；
步骤四、选定的连梁在中间切断后，所安装的模块式钢滞变阻尼器的空间尺寸与连梁断口相当，以保证连梁几何形状不变(参见图5)。
具体实施方式二：如图7～20所示，本实施方式所述模块式钢滞变阻尼器中的每个横截面呈L形的夹板3的两个垂直面之间设有多个肋筋9。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：如图7～20所示，本实施方式所述模块式钢滞变阻尼器中的N数量为10～40片。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：如图7～20所示，本实施方式所述模块式钢滞变阻尼器中的消能单元1-1的数量为1、3、5、7或9个。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：如图7～20所示，本实施方式模块式钢滞变阻尼器中的每个压板2的两个端面上设有两个凹槽2-1，压板2的横截面呈哑铃形。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六：如图7～20所示，本实施方式所述模块式钢滞变阻尼器中的夹板3上的一侧板上开有用于和锚固板8连接的长圆形连接孔3-1，夹板3上的另一侧开有用于和阻尼器主体连接的圆通孔3-2。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式七：本实施方式在步骤二中，确定每层连梁布设模块式钢滞变阻尼器的具体数量和型号的过程为：
设每个消能层由7个消能单元构成，消能单元的及几何构造保持不变，则设每个消能单元的其屈服力Qy0、屈服位移Δy、屈服刚度Ky0为定值，这样由7个消能单元构成的消能片的力学参数如下：
每片消能片的屈服力：QyL＝7Qy0；
消能片的屈服位移与消能单元相同，也为Δy；
每片消能层的屈服刚度：KyL＝7Ky0；
每个模块式钢滞变阻尼器的片消能层的片数N由设定的阻尼器屈服剪力QyD确定，而模块式钢滞变阻尼器的屈服剪力由分析计算出的连梁剪力来确定(通过图4可确定连梁剪力，连梁左右端相对位移与连梁剪力之间的关曲线图通过无数试验获得的)，N＝QyD/QyL，并且N按四舍五入取整；这样以消能层为模块，通完改变消能层的片数，来获得不同的屈服剪力的模块式钢滞变阻尼器，从而获得不同型号的模块式钢滞变阻尼器。这样以消能片为模块，可方便地实现阻尼器的模块化组合。其它步骤与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
本发明所述的阻尼器安装工艺流程为：
安装阻尼器的连梁中间断口长与阻尼器匹配，比如常见值为242mm；
阻尼器按照消能片多少分为A、B、C等若干型号，按照施工图要求配置相应型号的阻尼器；
阻尼器工厂装配，运到现场后，用发泡剂将消能片的缝隙填满，然后在消能片工作区高度范围内一周用厚度5mm的硅胶覆盖；
将阻尼器前后侧面绑扎钢丝网，以利于抹灰牢固；
连梁底模板就位后，将阻尼器在底模上就位，对中、整平；
将连梁主筋、腰筋分别焊于阻尼器两端锚固板上；
连梁侧模就位，混凝土浇筑；
连梁拆模后，实施阻尼器抹灰。
Claims (7)
1.一种模块式钢滞变阻尼器的使用方法，其特征在于：所述方法中的模块式钢滞变阻尼器包括N个消能层(1)、2N+2个压板(2)、两对夹板(3)和两个锚固板(8)，N为不为零的自然数；每个夹板(3)的横截面呈L形，每相邻两个消能层(1)之间的两端各设有一个压板(2)，N个消能层(1)和2N+2个压板(2)相间堆叠设置形成阻尼器主体，阻尼器主体上端面及下端面各设有两个压板(2)，所述阻尼器主体置有压板(2)的一端部位于一对夹板(3)之间并通过贯穿于所述端部的连接件固定在一对夹板(3)上，所述阻尼器主体置有压板(2)的另一端部位于另一对夹板(3)之间并通过贯穿于所述端部的连接件固定在另一对夹板(3)上，两对夹板(3)及其之间的阻尼器主体呈H状布置，两对夹板(3)及其之间的阻尼器主体一同置于两个竖直平行设置的锚固板(8)之间，每对夹板(3)与相应侧的锚固板(8)固定连接；每个消能层(1)为由奇数个消能单元(1-1)和两个端板(1-2)构成的钢板，每个消能单元(1-1)的形状为由中部向两端逐渐变大且与两个端板(1-2)厚度一致的板状结构，两个端板(1-2)通过居中均布在二两之间的奇数个消能单元(1-1)连接在一起；每个端板(1-2)上开有多个用于连接的通孔(1-2-1)；所述模块式钢滞变阻尼器的使用方法的具体过程为：
步骤一、确定模块式钢滞变阻尼器的安装位置：
对于剪力墙结构，为使钢滞变阻尼器被连梁变形所驱动，需要选择相对变形大的位置布设阻尼器，在剪力墙二分之一高度起向上各楼层层层布设所述阻尼器，并保证各层平面分布对称；
步骤二、用弹塑性分析软件建立整体结构动力模型，然后确定每层连梁布设模块式钢滞变阻尼器的具体数量和型号；模块式钢滞变阻尼器的型号由消能层(1)的片数N决定；消能层的宽度与连梁横截面宽度相匹配；
步骤三、在布设模块式钢滞变阻尼器要切断连梁，使该连梁承担的地震引起的剪力转移到模块式钢滞变阻尼器上，通过选择模块式钢滞变阻尼器的具体数量和型号，使每层连梁切断处布设的模块式钢滞变阻尼器的屈服剪力介于连梁小震和中震剪力之间；以确保不改变原有结构体系的非地震时受力性能，实现力学等效；
步骤四、选定的连梁在中间切断后，所安装的模块式钢滞变阻尼器的空间尺寸与连梁断口相当，以保证连梁几何形状不变。
2.根据权利要求1所述的模块式钢滞变阻尼器的使用方法，其特征在于：所述模块式钢滞变阻尼器中的每个横截面呈L形的夹板(3)的两个垂直面之间设有多个肋筋(9)。
3.根据权利要求1所述的模块式钢滞变阻尼器的使用方法，其特征在于：所述模块式钢滞变阻尼器中的N数量为10～40片。
4.根据权利要求1所述的模块式钢滞变阻尼器的使用方法，其特征在于：所述模块式钢滞变阻尼器中的消能单元(1-1)的数量为1、3、5、7或9个。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的模块式钢滞变阻尼器的使用方法，其特征在于：所述模块式钢滞变阻尼器中的每个压板(2)的两个端面上设有两个凹槽(2-1)，压板(2)的横截面呈哑铃形。
6.根据权利要求5所述的模块式钢滞变阻尼器的使用方法，其特征在于：所述模块式钢滞变阻尼器中的夹板(3)上的一侧板上开有用于和锚固板(8)连接的长圆形连接孔(3-1)，夹板(3)上的另一侧开有用于和阻尼器主体连接的圆通孔(3-2)。
7.根据权利要求5所述的模块式钢滞变阻尼器的使用方法，其特征在于：在步骤二中，确定每层连梁布设模块式钢滞变阻尼器的具体数量和型号的过程为：
设每个消能层由7个消能单元构成，设每个消能单元的其屈服力Qy0、屈服位移Δy、屈服刚度Ky0为定值，这样由7个消能单元构成的消能片的力学参数如下：
每片消能片的屈服力：QyL＝7Qy0；
消能片的屈服位移与消能单元相同，也为Δy；
每片消能层的屈服刚度：KyL＝7Ky0；
每个模块式钢滞变阻尼器的片消能层的片数N由设定的阻尼器屈服剪力QyD确定，而模块式钢滞变阻尼器的屈服剪力由分析计算出的连梁剪力来确定，N＝QyD/QyL，并且N按四舍五入取整；这样以消能层为模块，通完改变消能层的片数，来获得不同的屈服剪力的模块式钢滞变阻尼器，从而获得不同型号的模块式钢滞变阻尼器。
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