CN103088931B - 变摩擦阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变摩擦阻尼器，包括叠放或套设在一起的多个钢板，至少一对相邻的钢板的中部为凹凸面接触，其余相邻两个钢板之间为平面接触，且其余钢板之间粘结有摩擦材料；一面为凹面或凸面的钢板的另一面为平面；相间隔的钢板形成一组钢板组，第一钢板组及粘结在其上的摩擦材料上开设有相对应的至少一组螺栓孔，第二钢板组及粘结其上的摩擦材料上开设有沿钢板长度方向的与螺栓孔相对应的条形滑槽，每组螺栓孔内分别穿设有将钢板及摩擦材料连接在一起的螺栓。本发明依靠正压力的变化实现了用摩擦方式提供线性阻尼，具有良好的减震性能。

Description

变摩擦阻尼器

技术领域

本发明涉及一种阻尼器，尤其涉及一种用于抗震的变摩擦阻尼器，属于建筑结构耗能减震控制领域。

背景技术

建筑结构耗能减震阻尼器的开发研究已成为世界工程抗震领域的研究的热点之一。通过在结构中增设阻尼器来消耗地震输入能量，保护主体结构构件安全，已经被广泛证明是一种行之有效的抗震措施。目前阻尼器主要有金属阻尼器、粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器、和摩擦阻尼器。其中摩擦阻尼器以其原理直接，构造简单，制造方便，价格低廉而被广泛关注和应用。摩擦阻尼器是利用摩擦面的摩擦消散振动能量的耗能减震装置。常规摩擦阻尼器的主要缺点：

1)一般的建筑用摩擦阻尼器，由于预紧力的作用，其摩擦面始终处于高应力状态，在高应力状态下，摩擦面的摩擦系数可能会发生变化，偏离预期的设计值，使摩擦阻尼器过早起滑，或不起滑。

2)一般的摩擦阻尼器，其法向压力完全由预紧力提供，在使用寿命内，其预紧力和摩擦面的属性均不发生变化。因而最大摩擦力一旦确定便一般不能更改，其滞回曲线为一矩形。但在实际工程设计中，如果按照强震作用下设计阻尼器出力，在中震和小震下阻尼器则不起作用，如按中震设计，则小震不起作用，大震时作用又不足。由于地震预报及地震区划理论的不成熟，建筑结构所面临的地震作用往往具有很大的不确定性。在建筑结构中采用不变摩擦阻尼器将面临大震、小震不能兼顾的窘境。

3)现有的摩擦阻尼器往往给建筑结构以很大的附加初始刚度，在摩擦阻尼器未起滑时，其相当于一刚性支撑，当起滑后其刚度变化较大，对建筑结构抗震不利。

此外，“相邻结构”既间隔距离不足的邻近建筑物或因设置防震缝而被分为两部分的建筑物。这两种情况下，抗震建筑物在大地震中可能会发生碰撞。为防止因碰撞产生的破坏，我国建筑抗震规范中建议：当防震缝两侧结构高度、刚度和层高相差较大时，在防震缝两侧设置抗撞墙，防震缝两侧抗撞墙的端柱和框架的边柱，箍筋应沿房屋全高加密。该措施的设计和施工的难度小，易于应用。但这是一种“被动忍受挨撞”的思路，在可能发生碰撞的局部位置的加强，只能减小碰撞部位的损伤，但碰撞对整体结构的影响并末解决。

发明内容

本发明着力解决现有摩擦阻尼器的以上不足，及相邻建筑领域抗震特点，并针对我国抗震设防的特点和工程应用实际，而提供一种变摩擦阻尼器，其具有良好的耐久性；并且在小震、中震、大震条件下都能够有效发挥作用，用以耗散地震能量。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：一种变摩擦阻尼器，包括叠放或套设在一起的多个钢板，至少一对相邻的钢板的中部为相对应的凹面与凸面接触，两端为平面接触，其余相邻两个钢板之间均为平面接触，且两个相邻的钢板相贴合的侧面中至少一个钢板的侧面上粘结有摩擦材料；一面为凹面或凸面的钢板的另一面为平面；

相间隔的钢板分别构成第一钢板组和第二钢板组，所述第一钢板组的一端连接至同一建筑结构上，所述第二钢板组的一端连接至第一钢板组所连接的同一建筑物的另一相同建筑结构上或相邻建筑物的同一建筑结构上；所述第一钢板组及粘结在其上的摩擦材料上开设有相对应的至少一组连接孔，所述第二钢板组及粘结其上的摩擦材料上开设有沿钢板长度方向的与连接孔相对应的条形滑槽，每组所述连接孔内分别穿设有将所述钢板及摩擦材料连接在一起的连接件，所述连接件穿过所述条形滑槽。

优选地，具有所述凹面与凸面的钢板的凹面和凸面上镀有特氟龙材料层。

优选地，所述连接件的至少一端设置抵靠在外侧的钢板上的弹簧。

优选地，所述弹簧为碟形弹簧。

优选地，所述钢板为五个，包括位于中间的芯板、两个第一钢板和两个第二钢板，所述芯板的两侧面均粘结有摩擦材料，两个所述第一钢板的一侧面分别与位于芯板两侧面的所述摩擦材料贴合，两个所述第一钢板的另一侧面分别与其中一个所述第二钢板的一侧面贴合，所述第一钢板与所述第二钢板相贴合的侧面的两端为平面接触，中部为相对应的凸面与凹面的接触，所述芯板、摩擦材料和第二钢板上开设有相对应多组连接孔，所述第一钢板上开设有沿所述第一钢板长度方向的与连接孔的组数相同且相对应的所述条形滑槽。

优选地，其特征在于，所述凹面与凸面接触为在其中一个钢板面上形成有至少一个具有弧面的凸起，与其贴合的另一个钢板面上形成有与所述弧面的凸起相对应的弧面的凹槽。

优选地，所述凸起为两个，所述凹槽也为两个。

优选地，所述变摩擦阻尼器为圆截面支撑式摩擦阻尼器、剪切型摩擦阻尼器、平板式摩擦阻尼器或铰接点式摩擦阻尼器。

与现有技术相比，本发明的变摩擦阻尼器有益效果在于：

1、本发明的变摩擦阻尼器利用钢板之间的坡面接触，在滑动过程中依靠正压力的变化在摩擦系数不变的情况下实现摩擦力的改变，从而提供线性阻尼，使本发明的变摩擦阻尼器在小震、中震和大震中均有良好的减震性能。

2、本发明的变摩擦阻尼器安装在建筑结构上后，可根据需要调节其产生的附加刚度，甚至可以达到不增加附加刚度的效果，且使用灵活，为设计师提供了更大的选择空间。

3、本发明的变摩擦阻尼器安装在相邻建筑物的建筑结构上，当两建筑物的动力特性存在一定差异、地震激励的能量沿周期的分布较为均匀(对于高层建筑与裙房构成的相邻建筑非常容易满足此要求)时。采用对三角形滞回曲线或类三角形滞回曲线(如狗骨形)的阻尼器，可以同时抑制两建筑物的位移反应，避免在大震下发生碰撞。

4、本发明的变摩擦阻尼器的结构简单、取材容易、造价低廉。

5、本发明可有多种形式，适用于多种不同的结构，可根据需要安装在各种不同的结构部位实现耗能减震的功效。

6、本发明的变摩擦阻尼器适用性强，其出力和外形可根据设计需要灵活调整，其可调整的区域较大，同时在各种情况均有较好的耗能效果。

7、本发明的变摩擦阻尼器耐久性好，受温度等外部环境影响很小。耐候性强，适用地域广。

附图说明

图1为本发明的变摩擦阻尼器的实施例一的剖视图；

图2为本发明的变摩擦阻尼器的实施例一的芯板的结构示意图；

图3为本发明的变摩擦阻尼器的实施例一的第一钢板的结构示意图；

图4为本发明的变摩擦阻尼器的实施例一的第二钢板的结构示意图；

图5为图2的俯视图；

图6为图3的俯视图；

图7为图4的俯视图；

图8为本发明的变摩擦阻尼器的实施例二的结构示意图；

图9为图8的俯视图；

图10为图9的另一种状态示意图；

图11为本发明的变摩擦阻尼器的实施例三的纵向剖图；

图12为图11的C-C向剖图；

图13为本发明的变摩擦阻尼器的实施例四的结构示意图；

图14为本发明的变摩擦阻尼器的实施例四的第三钢板的结构示意图；

图15为本发明的变摩擦阻尼器的实施例四的第二钢板的结构示意图；

图16为本发明的变摩擦阻尼器的实施例四的第一钢板的结构示意图；

图17为图13的A-A向剖图；

图18为图13的B-B向剖图；

图19为本发明的变摩擦阻尼器的有起滑力的滞回曲线示意图；

图20为本发明的变摩擦阻尼器的无起滑力的滞回曲线示意图。

附图标记说明

1-芯板              11-芯板连接部

12-固定部           13-摩擦部

14-连接孔           15-固定孔

2-第一钢板          21-凸起

22-第一连接部       23-滑槽

3-第二钢板          31-凹槽

32-第二连接部       4-摩擦材料

5-螺栓              6-碟形弹簧

100-第四钢板        101-第五块钢板

102-摩擦材料        103-螺栓

104-弹簧            105-加厚部分

200-内侧钢板        201-中间钢板

202-外侧钢板        203-摩擦材料

204-螺栓            205-弹簧

300-上座            301-下座

302-第三钢板        303-摩擦材料

304-第一钢板        305-第二钢板

306-第四钢板        307-第五钢板

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

实施例一

如图1至图7所示，本实施例一为一种平板式变摩擦阻尼器，其包括五块叠放在一起的钢板，其中位于中间的为芯板1，分居芯板1两侧的为两个第一钢板2，位于第一钢板2外侧的为第二钢板3。

如图1、图2和图5所示，芯板1的两侧面均粘结有摩擦材料4，摩擦材料4为重级工作制摩擦材料。芯板1的一端具有与建筑结构连接的芯板连接部11，与芯板连接部11相接的为芯板1的固定部12，固定部12上设置有三排固定孔15，其他部分为芯板1的摩擦部13，摩擦部13上设置有两排连接孔14(摩擦材料4上也当然具有两排连接孔14)。

如图1、图3、图4、图5和图6所示，第一钢板2和第二钢板3相对的侧面为坡面接触，即第一钢板2与第二钢板3的中部为相对应的凸面与凹面的接触。第一钢板2的中部形成有两个弧面的凸起21(当然也可以为一个或多个)，而第二钢板3的中部对应凸起21形成有两个弧面的凹槽31(凹槽31的数量与凸起21的数量应相同)。也可以将凸起设置在第二钢板3上，相应的将凹槽设置在第一钢板2上也能实现相同的效果。另外，也可以是在第一钢板2和第二钢板3相对应的侧面上具有正弦形的弧面，而形成相应的凸起21或凹槽31，也就是第一钢板2上既有凹槽又有凸起，而第二钢板3上也既有凹槽又有凸起，但应保证第一钢板2和第二钢板3上的凸起21与凹槽31是相对应的。第二钢板3的两端则为平面接触。第一钢板2的一端伸出第二钢板3形成用于与建筑结构连接的第一连接部22，第一连接部22上设置固定孔15，用于将两块第一钢板2通过螺栓固定连接在一起。两块第二钢板3远离第一连接部22的一端伸出第一钢板2不设置第一连接部22的一端形成与建筑结构连接的第二连接部32，第二连接部32上设置固定孔15，用于将两块第二钢板3与芯板1固定连接在一起。第二钢板3的中部设置有与芯板1上的摩擦部13上的连接孔14相对应的连接孔14。第一钢板2除第一连接部22外的部分开设有沿第一钢板2长度方向的条形的滑槽23。

如图1所示，第一钢板2的一侧面与芯板1一侧的摩擦材料4贴合，形成摩擦面，另一个第一钢板2的一侧面与芯板1的另一侧面的摩擦材料4贴合，也形成摩擦面。两个第一钢板2未与摩擦材料贴合的侧面分别与一个第二钢板3的一侧面贴合，形成坡面接触。螺栓5依次穿过第二钢板上的连接孔14、第一钢板2上的滑槽23、摩擦材料4和芯板1上的连接孔14、另一个第一钢板2上的滑槽23和另一个第二钢板上的连接孔14后将上述部件连接在一起。也就是两块第二钢板3和芯板1及摩擦材料4上的连接孔4是相对应设置的，形成多组连接孔，每组连接内穿设一个螺栓5，并且螺栓5穿过滑槽23，能在滑槽23内滑动。当然，也可以在第一钢板2上开设多个连接孔，而在第二钢板3和芯板1及摩擦材料4上开设滑槽，也能起到相同的连接效果。螺栓5的两端分别设置抵在第二钢板2上的弹簧，以提供一个预紧力，该弹簧优选有碟形弹簧6。

芯板的连接部11和两块第二钢板3的第二连接部32通过穿设在固定孔12内的螺栓5固定在一起后连接至建筑结构上，两块第一钢板2的第一连接部22通过穿设螺栓5固定在一起后连接至另一建筑结构上。在当实施例一的变摩擦阻尼器工作时，第二钢板3和芯板1及粘结在芯板1上的摩擦材料4朝一个方向运动，第一钢板2则朝相反的方向运动，在运动的过程中螺栓5随第二钢板3和芯板1一起运动并在滑槽23内滑动。第一钢板2和第二钢板3，由初始位置开始相对滑动时，首先经过一段平面滑动段，在此段上滑动时，由于螺栓5预紧力的作用，第一钢板2与摩擦材料4之间的摩擦力保持不变。当至坡面上时(即凸起21由凹槽31内移出时)，第一钢板2和第二钢板3之间由于坡面的存在，其间的距离会增大，进而压缩碟形弹簧6，使之产生正压力，增加第一钢板2与摩擦材料4之间的摩擦面的法向正压力，进而增大摩擦力。随着相对滑动的增大，第一钢板2和第二钢板3间的距离增大，由碟形弹簧6产生的正压力随之增大，进而摩擦力增大，耗能能力增强。从而起到良好的减震效果。

作为实施例一的一种优选方案，为了避免第一钢板2和第二钢板3之间的金属分子作用而产生金属粘连，第一钢板2和第二钢板3向贴合的接触面上镀特氟龙材料。

实施例二

如图8至图10所示，实施例二为一种铰接点式变摩擦阻尼器，其包括八块钢板，如图8所示，八块钢板中第一、三、五和七钢板为一组，第二、四、六和八钢板为一组，也就是两组钢板分别间隔设置，两组钢板的相对端相间隔的叠放在一起，第四钢板100和第五块钢板101的之间的中部为坡面接触，即凹凸面接触，(与实施例一的坡面相同，在此不再赘述)。其余相邻两块钢板之间粘结有摩擦材料102。在两组钢板及粘结在其上的摩擦材料102上均开设有相对应的连接孔(图中未示出)，连接孔内穿设将八块钢板铰接在一起的螺栓103。两组钢板的另一端分别连接在不同的建筑构件上，并且两组钢板能分别绕螺栓103旋转。螺栓103的两端设置弹簧104。

实施例二与实施例一的工作原理基本相同：螺栓103的两端设置有弹簧104并施加一定的预紧力。当第四钢板100和第五钢板101发生相对转动时，加厚部分105(即凸起部分)的抵推，使钢板压缩弹簧104，使位于其间的钢板之间产生更大的夹紧力，从而使在摩擦系数不变的情况下摩擦力增大，耗能能力增强。从而起到良好的减震效果。

作为实施例二的一种优选方案，第四钢板100和第五钢板101相贴合的侧面上镀有特氟龙材料，以降低由于第四钢板100和第五钢板101之间的摩擦而产生的摩擦力，同时隔离钢板间的接触，避免金属粘结。

实施例三

如图11和图12所示，实施例三为圆截面支撑式变摩擦阻尼器，其包括环套设在一起的多个环状钢板，即内侧钢板200、中间钢板201和外侧钢板202，内侧钢板200与中间钢板201相贴合的一侧粘结有摩擦材料203，中间钢板201与摩擦材料203之间形成摩擦面，在工作状态时相对滑动，中间钢板201与外侧钢板202的中部为坡面接触，即凹凸面接触(该凹凸面结构及原理与实施例一相同，在此不再赘述)。两端为平面接触。外侧钢板202、内侧钢板200及粘结其上的摩擦材料203上开设多组相对应的连接孔(图中未示出)，中间钢板201沿其长度方向开设有条形滑槽(图中未示出)，每组连接孔内分别穿设螺栓204，螺栓204穿过滑槽，从而将内侧钢板200、摩擦材料203、中间钢板201和外侧钢板202连接在一起。螺栓204的两端设置弹簧205，弹簧205分别抵在内侧钢板200和外侧钢板202上。外侧钢板202和内侧钢板200的一端固定在一起后并连接至同一建筑结构上，中间钢板201的相反端固定在另一建筑结构上。其工作原理及效果与实施例一相同。

实施例四

如图13至图17所示，实施例四为剪切式变摩擦阻尼器，其包括上座300、下座301和两端位于上座300或下座301内的钢板，第一、三和五钢板的下端插接于下座301内，并与下座301固定连接在一起，第二和四钢板的上端插接于上座300内，并与上座300固定连接在一起，上座300和下座301分别连接在不同的建筑结构上。如图14所示，第三钢板302的两侧粘结摩擦材料303，下端设置一排与下座连接在一起的固定孔308，中部设置两排连接孔309。第二钢板305和第四钢板306结构完全相同，如图15所示，第二钢板305和第四钢板306的上端均开设与上座300连接的一排固定孔308，中部开设有两条与两排连接孔309对应的条形滑槽310。第二钢板305和第四钢板306分别与第三钢板302两侧的摩擦材料303贴合形成摩擦面。如图16所示，第一钢板304和第五钢板307的结构完全相同，其两者的下端均开设一排用于与下座301固定连接的固定孔308，中部开设有两排连接孔309。如图17所示，第一钢板304与第二钢板305的中部为坡面接触即凹凸面接触，第四钢板306与第五钢板307的中部为坡面接触即凹凸面接触(凹凸面接触与实施例一相同)。第一钢板304、第三钢板302和第五钢板307上相对应的连接孔内穿设将其连接在一起的螺栓(图中未示出)，所述螺栓穿过条形滑槽310。该实施例四的剪切式变摩擦阻尼器的工作原理与实施例一基本相同。

由上述各实施例可知，本发明的变摩擦阻尼器，有针对性地设计出了具有如图19所示的三段式滞回曲线的变摩擦阻尼器。其基本思路是：在滑动过程中，摩擦系数不变，通过在相邻两块钢板之间设置坡面，将长度方向的变形转化为垂直方向弹簧的压缩，进而改变正压力从而增大摩擦力。当阻尼器系统处于初始位置时，坡面处于平滑段中央，当变形较小时，在平滑段上滑动，摩擦力保持不变；当变形较大时，进入坡面段滑动，弹簧压缩量增大，正压力增大，摩擦力增大。从而使变摩擦阻尼器能够提供线性摩擦阻尼，使阻尼器在小震、中震或大震中均有良好的减震性能。

如图19所示的有起滑力的滞回曲线示意图，横轴表示变摩擦阻尼器被拉伸和压缩的变形量，其中负轴为被压缩，正轴为被拉伸。纵轴表示变摩擦阻尼器出力。本发明的变摩擦阻尼器的初始预紧力较小，能够更好的减少由于螺栓松弛而导致的预紧力损失，避免由于正压力较大而使变摩擦阻尼器的钢板之间发生粘连现象。凹凸面相接触的钢板交界表面是由一部分平面和一部分坡面组成，阻尼器工作时，先平面与平面发生摩擦，此时的滞回曲线为一段平行于横轴的直线段。达到一定变形后，进入坡面摩擦部分，由于坡面的作用，压缩弹簧，使阻尼器的预紧力增大，摩擦力也随之增大，此时的滞回曲线为一上升线段。达到最大变形后，向初始位置运动，随着坡面的滑动，弹簧的压缩量也逐渐减小，由弹簧压缩而产生的预紧力也逐渐减小，此时的滞回曲线为第四象限的指向原点的斜线。当滑动到坡面尽头，重新进入平面滑动段时，弹簧回复到初始的预紧力，滞回曲线变为一条直线。因此，利用上述原理，可将阻尼器做成上述实施例中的多种形式。

本发明的变摩擦阻尼器初始位置处，两具有坡面接触的钢板的起始段为有一定长度的平面接触段，其长度应根据预紧力大小和材料抗压强度决定。两坡面之间的平面滑动段应根据工程需要设定。坡面的坡度应根据最大阻尼器的设计极限变形和弹簧刚度共同确定。坡面的长度不宜过短，应保证在达到最大变形后钢板之间仍有足够的接触面积以保证钢板不发生塑性变形。同时由钢板均为金属板件，其接触面应采用镀层处理，避免发生粘连。

当然，当本发明的变摩擦阻尼器应用于相邻建筑物上时，最好是采用无起滑力的产生如图20所示的对三角形滞回曲线的变摩擦阻尼器，图20中的横轴表示变摩擦阻尼器被拉伸和压缩的变形量，其中负轴为被压缩，正轴为被拉伸。纵轴表示变摩擦阻尼器出力。该变摩擦阻尼器无初始预紧力，也就是螺栓的两端未抵顶在外侧的两钢板上，不会给钢板施加压力，即没有预紧力，由于没有预紧力也就无起滑力。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种变摩擦阻尼器，包括叠放或套设在一起的多个钢板，其特征在于，至少一对相邻的钢板的中部为相对应的凹面与凸面接触，两端为平面接触，其余相邻两个钢板之间均为平面接触，且两个相邻的钢板相贴合的侧面中至少一个钢板的侧面上粘结有摩擦材料；一面为凹面与凸面的钢板的另一面为平面；

相间隔的钢板分别构成第一钢板组和第二钢板组，所述第一钢板组的一端连接至同一建筑物的同一建筑结构上，所述第二钢板组的一端连接至第一钢板组所连接的同一建筑物的另一相同建筑结构上或相邻建筑物的同一建筑结构上；所述第一钢板组开设有相对应的至少一组连接孔，所述第二钢板组开设有沿钢板长度方向的与连接孔相对应的条形滑槽，每组所述连接孔内分别穿设有将所述钢板及摩擦材料连接在一起的连接件，所述连接件穿过所述条形滑槽。

2.根据权利要求1所述的变摩擦阻尼器，其特征在于，具有所述凹面与凸面的钢板的凹面和凸面上镀有特氟龙材料层。

3.根据权利要求1所述的变摩擦阻尼器，其特征在于，所述连接件的至少一端设置抵靠在外侧的钢板上的弹簧。

4.根据权利要求3所述的变摩擦阻尼器，其特征在于，所述弹簧为碟形弹簧。

5.根据权利要求1所述的变摩擦阻尼器，其特征在于，所述钢板为五个，包括位于中间的芯板、两个第一钢板和两个第二钢板，所述芯板的两侧面均粘结有摩擦材料，两个所述第一钢板的一侧面分别与位于芯板两侧面的所述摩擦材料贴合，两个所述第一钢板的另一侧面分别与其中一个所述第二钢板的一侧面贴合，所述第一钢板与所述第二钢板相贴合的侧面的两端为平面接触，中部为相对应的凸面与凹面的接触，所述芯板和两块所述第二钢板构成第一钢板组，两块所述第一钢板构成第二钢板组，所述芯板、摩擦材料和第二钢板上开设有相对应多组连接孔，所述第一钢板上开设有沿所述第一钢板长度方向的与连接孔的组数相同且相对应的所述条形滑槽。

6.根据权利要求1或5所述的变摩擦阻尼器，其特征在于，所述凹面与凸面接触为在其中一个钢板面上形成有至少一个具有弧面的凸起，与其贴合的另一个钢板面上形成有与所述弧面的凸起相对应的弧面的凹槽。

7.根据权利要求6所述的变摩擦阻尼器，其特征在于，所述凸起为两个，所述凹槽也为两个。

8.根据权利要求1所述的变摩擦阻尼器，其特征在于，所述变摩擦阻尼器为圆截面支撑式摩擦阻尼器、剪切型摩擦阻尼器、平板式摩擦阻尼器或铰接点式摩擦阻尼器。