CN102864852B - 滚轴金属阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于土木工程结构减震技术领域，具体涉及一种滚轴金属阻尼器。该滚轴金属阻尼器包括固定在建筑结构或桥梁结构上的金属板支座和滚轴支座。一块或多块金属板穿过滚轴支座，其两端与金属板支座固定连接，金属板的长度方向与建筑结构承受剪切力的主方向一致；滚轴支座内与金属板邻近的上表面和下表面上分别设置多个凹槽，每个凹槽内分别设置一个滚轴，与金属板的上下两面滚动或滑动连接。本发明利用钢材等材料良好的塑性变形能力和摩擦阻尼实现耗能，其滞回曲线饱满，耗能能力出色；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和应用前景。
Description
技术领域
本发明属于土木工程结构减震技术领域，具体涉及一种安装于建筑结构或桥梁工程上，用于消耗地震能量的滚轴金属阻尼器。
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耗能构件。与此同时，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，现普遍在桥墩与梁板的连接处设置橡胶隔振垫，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耐久性和经济性较好，在工程中应用较广。
对于阻尼器来说，良好的耗能能力是阻尼器设计的首要考虑。在良好的耗能前提下，实现更大的变形能力和更小的屈服后刚度对阻尼器的减震效果至关重要。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。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，当受压时，由于有约束体的限制，核心钢骨构件不会发生屈曲，而是在压力达到一定极限时与受拉一样发生屈服，从而耗散外界输入的能量。此类金属阻尼器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，但是由于钢材的弹性模量较大，屈服时能实现的变形量很小，而金属阻尼器的屈服时变形对其耗能能力，减震有效阈值以及建筑的变形限值十分重要。
不仅仅是防屈曲支撑式阻尼器，对于现有的绝大多数金属阻尼器来说，由于钢材的拉压屈服变形小，阻尼器的构造可设计性往往有限。因此当建筑结构需要实现较大变形量，通常阻尼器的尺寸会很大，以致于难以加工、运输和安装，甚至用普通钢材根本无法实现，这极大地限制了金属阻尼器的推广应用。另一方面，大多数金属阻尼器在耗能金属原件发生屈曲之后仍存在较大的屈曲后刚度，这对建筑结构的抗震设计不利。市场迫切要求一种可以实现较大变形量且屈服后刚度较小的新型金属阻尼器。
发明内容
本发明的目的在于克服现有金属耗能阻尼器的缺陷，提供一种耗能性能良好，变形量大且屈服后刚度小的滚轴金属阻尼器。
本发明采用的技术方案为：
该滚轴金属阻尼器包括固定在建筑结构或桥梁结构上的金属板支座和滚轴支座。一块或多块金属板穿过滚轴支座，其两端与金属板支座固定连接，金属板的长度方向与建筑结构承受剪切力的主方向一致；滚轴支座内与金属板邻近的上表面和下表面上分别设置多个凹槽，每个凹槽内分别设置一个滚轴，与金属板的上下两面滚动或滑动连接。
所述滚轴支座分为上下两部分，由螺栓固定。
所述滚轴在每块金属板的上下两侧沿金属板的长度方向等间距布置，每块金属板上下两侧的滚轴竖向位置错开。
所述滚轴支座的上下两部分之间设置多个中间层，层与层之间通过螺栓紧固连接，每两个中间层之间设置一块金属板。
所述金属板为多块时，各金属板的长度方向平行或垂直。
所述多个金属板的长度方向相互垂直时，分别对应结构承受剪力的两个方向，实现多向耗能；与此对应，与金属板所接触的滚轴的布置方向也彼此垂直布置。
所述滚轴与其所在的圆柱面凹槽，两者接触面之间做光滑处理，以保证滚轴在阻尼器工作时进行自由转动，实现滚轴与钢板之间的滚动摩擦。相邻两排的滚轴之间的竖向距离通过滚轴支座上的螺栓进行调节，实现对金属板厚度方向不同程度的挤压，即实现阻尼器不同程度的阻尼值。
所述滚轴支座与滚轴之间的接触面通过焊接连接，将滚轴固定于滚轴支座的圆柱面凹槽中，实现滚轴与钢板之间的滑动摩擦。
所述金属板支座直接安装或通过一个辅助支架与建筑结构上部(下部)相连接，所述滚轴支座直接安装或通过一个辅助支架与建筑结构下部(上部)相连接，具体安装方法视工程情况和施工便利而定。金属板支座和滚轴支座上分别设置与建筑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。
与现有技术相比，本发明剪切型金属弯曲耗能阻尼器具有如下优点：
(1)可实现较大变形量。金属板在滚轴之间运动，此阻尼器的可实现变形量即为金属板长度减去滚轴支座的长度。这一设计在有限的构件尺寸内将阻尼器的允许形变最大化，有利于提高阻尼器的耗能能力，增大阻尼器的工作阈值，实现建筑结构在大变形下出色的抗震能力。
(2)屈服后刚度小。滚轴金属阻尼器利用金属板的局部弯曲和摩擦阻力进行耗能，金属板屈服后刚度较小，保证了该阻尼器良好的耗能稳定性。
(3)结构简单紧凑，适用性强。目前现有的阻尼器中，阻尼器构件特别是核心耗能原件往往涉及构造的特殊加工以及多材料的协同工作，为阻尼器的制作生产和工程安装带来了诸多不便。滚轴金属阻尼器无论从连接形式还是构件制造方面都十分简单，特别是核心耗能元件即金属板无需任何多余加工，构造连接方式也简洁明了。且与现有阻尼器相比，滚轴金属阻尼器的变形能力强，在有限的构件尺寸下可以实现结构的大变形，从而大大减小了阻尼器的构件尺寸。当需要安装多块金属板时，各金属板平行放置即可，结构紧凑，适用于不同的工程需要。
(4)可设计性强。本发明可以通过改变金属板数量、宽度、厚度滚轴的数量和半径在设计阶段实现在较大范围内任意变化的屈服力和阻尼器刚度，可以满足各类结构的需要。并可针对不同的工程需要和现场安装的具体情况灵活调节金属板支座之间的螺栓紧固件，实现工程安装阶段对阻尼器性能的微调。另外，滚轴阻尼器可以实现双向的水平减震，两个方向上金属板的数量厚度等设计参数可以分别设计，以满足结构两个方向上不同的减震需求。
试验证明，本发明利用钢材等良好的塑性变形能力和摩擦阻尼实现耗能，其滞回曲线饱满，耗能能力出色。该设计结构新颖合理，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和应用前景。
附图说明
图1为滚轴金属阻尼器的结构示意图之一。
图2为图1的Y向视图。
图3为图1所示滚轴金属阻尼器的A-A剖面图。
图4为图1所示滚轴金属阻尼器的B-B剖面图。
图5为滚轴金属阻尼器的结构示意图之二。
图6为图5的Y向视图。
图7为滚轴安装示意图(D部放大图)之一。
图8为图7所示的滚动摩擦下金属板和滚轴的相对运动示意图。
图9为滚轴安装示意图(D部放大图)之二。
图10为滚轴金属阻尼器在框架结构上的安装示意图。
图11为滚轴金属阻尼器在框架结构发生剪切变形下的工作示意图。
图12滚轴金属阻尼器在桥梁上的应用示意图。
图13为图12的C-C局部剖视图。
图14为图12中的E部放大图。
图中标号：
1-金属板；2-滚轴；3-滚轴支座；4-金属板支座；5-螺栓；6-螺栓通孔。
具体实施方式
本发明提供了一种滚轴金属阻尼器，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例一
如图1、图2所示的本发明滚轴金属阻尼器，包括金属板1和滚轴2，以及滚轴支座3和金属板支座4。
金属板1两端通过金属板支座4上的螺栓通孔6与建筑结构固定连接，金属板1的长度方向与建筑结构承受剪切力的方向一致。滚轴2为钢材制成并作表面光滑处理，放置于滚轴支座3中的圆柱面凹槽中。滚轴支座3分为上下两个部分(3(1)和3(2))，通过螺栓5的作用压紧之间的滚轴2和金属板1。滚轴2在金属板1的上下两侧沿金属板1的长度方向等间距布置，每块金属板1上下两侧的滚轴2竖向位置错开。相邻两排的滚轴2之间的竖向距离通过滚轴支座3上的螺栓5进行调节，实现对金属板1厚度方向不同程度的挤压。
如图7所示，滚轴2放置于滚轴支座3的圆柱面凹槽中，两者接触面做光滑处理，以保证滚轴2在阻尼器工作时可以自由转动，实现滚轴2与金属板1之间的滚动摩擦。即当建筑结构在水平荷载的作用下产生水平变形时，分别与结构上下部分相连的滚轴支座3和金属板支座4发生水平向的相对运动，分别带动其上的滚轴2和金属板1发生相对运动，滚轴2在滚轴支座3的圆柱面凹槽中自由转动，金属板1在滚轴2之间“流动”，并伴随局部弯曲和摩擦耗能，其相对运动关系如图8所示。如图9，也可通过焊接接触面，将滚轴2固定于滚轴支座3的圆柱面凹槽中，实现滚轴1与金属板1之间的滑动摩擦。
本例中利用连螺栓5来实现滚轴金属阻尼器与钢框架结构的连接，以及金属板1与金属板支座4之间的连接。在实际应用中，也可采用其他连接构造或焊接工艺，都可以实现同样的效果。此外，为了方便与其他结构连接，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。
本发明的滚轴金属阻尼器，利用金属板1作为耗能元件，通过金属板1的局部弯曲和金属板1与滚轴2之间的摩擦阻力实现减震耗能，从而达到衰减外界输入能量，使框架结构免于损坏的目的。本发明不是利用钢材的拉压屈服变形获得变形量，其允许变形量即为金属板1与滚轴支座3的长度之差，可以实现建筑结构在大变形下出色的抗震能力。试验证明，本发明滞回曲线饱满，耗能能力出色，可以有效提高建筑结构和桥梁结构的抗震性能。且屈服后刚度小，结构简单紧凑，适用性和可设计性强，具有广阔的市场推广和应用前景。
实施例二
如图5，图6所示，当建筑结构所受到的水平剪力较大时，可以在单个阻尼器中平行布置多块金属板1，金属板1的长度方向均与水平抗侧力方向一致。相应的，滚轴2亦多层布设，滚轴支座3除顶部滚轴支座3(1)和底部滚轴支座3(2)外，设置若干中间层3(3)，顶部滚轴支座3(1)和底部滚轴支座3(2)以及中间层3(3)之间通过螺栓5紧固连接。通过控制螺栓5的松紧实现各滚轴2与金属板1之间不同程度的压力，即实现阻尼器不同程度的阻尼值。
当建筑结构要求在两个方向均进行水平减震耗能时，各层金属板1的长度方向可彼此垂直布置，实现多向耗能。与此对应的，各层的滚轴2彼此垂直布置，滚轴支座3和金属板支座4的相关构造在原基础上稍作改动即可，相关技术原理与实施例一并无不同，在此不作进一步论述。
另外，对于多层双向滚轴支座，可以通过控制两个方向上金属板的厚度、数量、滚轴的布置间距等方式对两个方向的减震耗能能力进行分别控制，可以充分满足一般建筑结构在不同方向上不同的水平抗震耗能要求。
实施例三
基于实施例一和实施例二所述的技术原理，由于本发明滚轴金属阻尼器构造紧凑简洁，其设计特点可以保证其较大的变形量，因此本发明的整体尺寸可以控制的很小。
如图10所示，与实施例一和例二不同之处在于，当本发明所安装的结构空间较大时，可以在钢框架8上附加一个辅助支架7，将滚轴支座3的上部相连，将金属板支座4与辅助支架7相连，从而将本发明固定于钢框架8之上。当然，也可将本发明上下倒置，使金属板支座4与钢框架8相连，而将滚轴支座3与辅助支架7相连，具体的安装方法视工程情况和施工方便决定。
如图11所示，当钢框架8受到剪切力F1及F2作用发生变形时，分别与钢框架8上部和下部相固结的金属板支座4和滚轴支座3即会发生水平向的相对运动。与此对应的，金属板1在滚轴2之间实现“流动”，不断通过塑性变形和摩擦作用消耗水平振动能量，从而达到衰减外界输入能量，使框架结构免于损坏的目的。
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，均能很好地实现消能减震的作用，在此不作一一说明。
实施例四
用于桥梁结构的消能减震时，如图12、图13、图14所示，将本发明置于桥身9与桥墩11之间，与桥身支座10并联使用。利用本发明滚轴金属阻尼器中金属板支座4和滚轴支座3上的螺栓通孔6(常规技术方法，图中未具体示出)将本发明分别与桥身9及桥墩11相连。应注意，连接时，金属板的长度方向应与桥身的宽度方向保持一致，亦即钢板的幅面宽度方向与桥身的长度方向一致，具体如图13所示。
本例中将本发明的金属板支座4和滚轴支座3直接与桥身9及桥墩11相连，在实际应用中，也可以借助辅助框架结构将本发明与桥身9和桥墩11连接在一起，当然，本发明的布置形式及使用数量也不局限于本例，可以根据工程实际进行优化选择，也都可以起到相同的作用，在此不一一做单独说明，只要基于本发明的技术原理，都在本发明的保护范畴中。
Claims (8)
1.滚轴金属阻尼器，包括固定在建筑结构或桥梁结构上的金属板支座（4）和滚轴支座（3），其特征在于，一块或多块金属板（1）穿过滚轴支座（3），其两端与金属板支座（4）固定连接，金属板（1）的长度方向与建筑结构承受剪切力的主方向一致；滚轴支座（3）内与金属板（1）邻近的上表面和下表面上分别设置多个凹槽，每个凹槽内分别设置一个滚轴（2），与金属板（1）的上下两面滚动或滑动连接。
2.根据权利要求1所述的滚轴金属阻尼器，其特征在于，所述滚轴支座（3）分为上下两部分，由螺栓固定。
3.根据权利要求1所述的滚轴金属阻尼器，其特征在于，所述滚轴（2）在每块金属板（1）的上下两侧沿金属板的长度方向等间距布置，每块金属板上下两侧的滚轴竖向位置错开。
4.根据权利要求2所述的滚轴金属阻尼器，其特征在于，所述滚轴支座（3）的上下两部分之间设置多个中间层，层与层之间通过螺栓紧固连接，每两个中间层之间设置一块金属板（1）。
5.根据权利要求1所述的滚轴金属阻尼器，其特征在于，所述金属板（1）为多块时，各金属板的长度方向平行或垂直。
6.根据权利要求5所述的滚轴金属阻尼器，其特征在于，所述多个金属板（1）的长度方向相互垂直时，分别对应结构承受剪力的两个方向，实现多向耗能；与此对应，与各金属板（1）所接触的滚轴（2）的布置方向也彼此垂直布置。
7.根据权利要求1所述的滚轴金属阻尼器，其特征在于，所述滚轴（2）与其所在的圆柱面凹槽，两者接触面之间做光滑处理，以保证滚轴在阻尼器工作时进行自由转动，实现滚轴与钢板之间的滚动摩擦。
8.根据权利要求1所述的滚轴金属阻尼器，其特征在于，所述滚轴支座（3）与滚轴（2）之间的接触面通过焊接连接，将滚轴固定于滚轴支座的圆柱面凹槽中，实现滚轴与钢板之间的滑动摩擦。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |