CN103669632A - 提高建筑物抗震能力的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高建筑物抗震能力的方法及装置，在框架结构的建筑内设置蟹式的金属阻尼构件，并在金属阻尼构件的每个端头都设置一个分支构件，在外力作用下阻尼器分支的变形以受弯为主，当外力产生的弯矩小于金属阻尼器的分支构件的最大受弯承载力时，分支构件处于弹性状态；当外力产生的弯矩超过金属阻尼器的分支构件的最大受弯承载力时，分支构件就开始屈服，在反复拉压荷载作用下，分支构件的截面反复处于拉压屈服状态，从而不断消耗地震能量以达到保护主体结构的目的。本发明的方法简单易行，所采用的装置结构简单，成本低廉，使用效果好。

Description

提高建筑物抗震能力的方法及装置

技术领域

本发明涉及建筑科学领域，尤其是一种提高建筑物抗震能力的方法及装置。 

背景技术

目前，建筑的发展趋势是高大化，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，为了使建筑具有较强的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、磁流变阻尼器及金属阻尼器。其中，金属阻尼器因为耐久性和经济性较好，在工程中有较多的应用，而现在采用的金属阻尼器根据其需要承受的外力，会有不同程度的形变。在需要承受的外力较大时，则需要较大的形变量，通常尺寸会要求很大，以致于加工、运输和安装都很困难，而且使用的效果也不理想。 

发明内容

本发明的目的是：提供一种提高建筑物抗震能力的方法及装置，它的结构简单，加工、运输和安装都十分方便，且耗能效果显著，以克服现有技术的不足。 

本发明是这样实现的：提高建筑物抗震能力的方法，在框架结构的建筑内设置蟹式的金属阻尼构件，并在金属阻尼构件的每个端头都设置一个分支构件，在外力作用下阻尼器分支的变形以受弯为主，当外力产生的弯矩小于金属阻尼器的分支构件的最大受弯承载力时，分支构件处于弹性状态；当外力产生的弯矩超过金属阻尼器的分支构件的最大受弯承载力时，分支构件就开始屈服，在反复拉压荷载作用下，分支构件的截面反复处于拉压屈服状态，从而不断消耗地震能量以达到保护主体结构的目的。 

提高建筑物抗震能力的装置，包括蟹式（即是如图所示的十字形）的金属阻尼构件，金属阻尼构件的每个端头都设有一个分支构件；每个分支构件都由两个耗能构件组成，每个耗能构件的末端均与金属阻尼构件连接为一体，能耗构件的前端为钩形结构，同一个分支构件的两个耗能构件相互对称，它们的内侧组成一个口字形的空间，并在两个耗能构件的前端形成一个变形活动口。 

在金属阻尼构件的中心设有十字形的加劲肋。 

在金属阻尼构件上设有连接孔。 

在进行阻尼器设计时，首先计算出单片金属阻尼器的刚度，然后根据实际工程要求的侧向刚度就可以确定好钢板的片数，若采用单片钢板阻尼器，面外稳定性的处理是在阻尼器中间加设加劲肋；若采用多片钢板阻尼器，则在阻尼器中间填充橡胶垫块并通过螺栓把阻尼器连接起来，这样增加了阻尼器的面外刚度，从而增强其面外稳定性。 

蟹式钢板阻尼器的设计及理论计算过程 

1.1阻尼器的选型

通过阅读大量的国内外参考文献，总结前人的研究成果，本文提出了新型蟹式钢板阻尼器，其理论依据：由结构力学可知，阻尼器的分支受力如图3所示，在外力作用下阻尼器分支的变形以受弯为主，当外力产生的弯矩小于金属阻尼器分支的最大受弯承载力时，分支构件处于弹性状态，当外力产生的弯矩超过金属阻尼器分支的最大受弯承载力时，构件就开始屈服，在反复拉压荷载作用下，分支截面反复处于拉压屈服状态，从而不断消耗地震能量以达到保护主体结构的目的。

1.2阻尼器元件的研究参数

由对称性可取1/4阻尼器元件的半模型进行参数的研究。主要研究参数见图4。

1.3阻尼器的工作原理 

在该钢板阻尼器元件受到反复荷载作用过程中，腹板是直接耗能部分，而翼缘段作为辅助部分可调整腹板的耗能能力。腹板段各截面受相同轴力和弯矩作用。外部能量正是通过轴力和弯矩引起的大变形被吸收。设计中采用等截面形式的腹板，可使各截面的拉弯应力情况一致，材料利用率提高，能更高效的吸收外部能量;阻尼器元件的翼缘部分由于各截面段受力不同，采用了非等截面的设计方式以减少材料的浪费。翼缘不但能为腹板提供支撑，而且还能通过调整其长短改变腹板处的弯矩大小，并控制阻尼器的位移和阻尼力。该阻尼器安装在工程结构中，其两端承受相对位移的作用，当阻尼器两端所受的相对位移作用较小时，即阻尼器所承受的相对位移小于屈服位移时，它处于弹性工作状态，阻尼器没有利用塑性性能消耗振动能量，但该阻尼器通过对工程结构提供一定的刚度及反向作用力以减轻结构的振动;当阻尼器两端所受的相对位移作用较大时，即阻尼器所承受的相对位移大于屈服位移时，处于塑性工作状态，阻尼器利用软钢材料的塑性变形耗散振动能量，以达到减轻结构振动的目的。

根据抗震规范“两阶段，三水准”的要求，通过对阻尼器的截面的精心设计，在小地震或风荷载作用下，结构整体水平位移较小，支撑施加给阻尼器的力也较小，阻尼器处于弹性，当在中震或大震作用下，结构整体位移较大，此时支撑施加给阻尼器的力产生的弯矩较大，分支处于弹塑性状态，为了达到此目的，在进行阻尼器设计时，首先计算出单片金属阻尼器的刚度，然后根据实际工程要求的侧向刚度就可以确定好钢板的片数，若采用单片钢板阻尼器，面外稳定性的处理是在阻尼器中间加设加劲肋，若采用多片钢板阻尼器，则在阻尼器中间填充橡胶垫块并通过螺栓把阻尼器连接起来，这样增加了阻尼器的面外刚度，从而增强其面外稳定性。 

本发明中所指的蟹式，是如说明书附图中所示的形状，它接近一个十字形的结构。 

1.4蟹式钢板阻尼器的理论计算公式 

D_u根据阻尼器元件受力图（图6），当阻尼器腹板边缘轴力达到屈服 承载力时,即F=F_y，腹板区段在弯矩和轴力作用下任一截面处的屈服弯矩和屈服承载力计算如下： 

$\frac{M_y\left(\frac{1}{2}b\right)}{I_w}+\frac{F_y}{\mathrm{sb}}={\mathrm{\σ}}_y\→M_y=\frac{1}{6}{\mathrm{sb}}^2{\mathrm{\σ}}_y-\frac{b}{12}{F}_y,F_y=\frac{M_y}{H}=\frac{{\mathrm{sb}}^2{\mathrm{\σ}}_y}{6H+b}$

在计算塑性弯矩和最大承载力时，腹板边缘达到最大轴力时,即F＝F_max＝sbσ_y,再根据塑性力学，M_p＝1.5M_y，计算如下： 

$M_p=\frac{1}{4}s{b}^2{\mathrm{\σ}}_y-\frac{{F^2}_{\max }}{4s{\mathrm{\σ}}_y},F_{\max }=s{\mathrm{\σ}}_y(\sqrt{4H^2+b^2}-2H)$

阻尼器元件在屈服情况下的结构位移由结构的弯矩、轴力、剪力引起，由荷载引起的位移计算公式可得元件在荷载作用下的弹性位移计算公式为： 

${\mathrm{\Δ}}_y=\mathrm{\Σ}\∫\frac{\stackrel{\‾}{M}{M}_P}{\mathrm{EI}}\mathrm{ds}+\mathrm{\Σ}\∫\frac{\stackrel{\‾}{F_N}{F}_{\mathrm{NP}}}{\mathrm{EA}}\mathrm{ds}+\mathrm{\Σ}\∫k\frac{\stackrel{\‾}{F_Q}{F}_{\mathrm{QP}}}{\mathrm{GA}}\mathrm{ds}$

由弯矩和轴力引起的腹板的位移为： 

由弯矩和剪力引起的下翼缘的位移为： 

由于上翼缘为变截，先求得其平均上翼缘宽度

（x表示翼缘高度），故由弯矩和剪力引起的上翼缘的位移为： 

其中： 

$A=\frac{12H^{2}L}{b^3}+\frac{L}{b}$

$B=\frac{12H^3}{{(b_2-b_1)}^3}(\ln \frac{b_2}{b_1}+\frac{2b_1}{b_2}-\frac{b_1^2}{2b_2^2}-1.5+\frac{3.12H}{b_2-b_1}\ln \frac{b_2}{b_1})$

$C=\frac{12H^3}{b^3}+\frac{3.12H}{b}$

为获得阻尼器元件半模型在荷载作用下的极限位移，根据塑性力 

学原理及软钢材料和阻尼器的形式和受力特点，可作以下基本假定a 

、上翼缘和下翼缘处于弹性工作状态；b、腹板横截面在塑性变形时 

仍保持为平面受力状态。根据假定，阻尼器元件的极限位移主要由 

三部分组成：上翼缘剪力和弯矩产生的弹性位移、下翼缘剪力和弯 

矩产生的弹性位移、腹板弯矩和轴力产生的位移。 

其中上翼缘剪力和弯矩产生的弹性位移为： 

$d_1=\frac{F_{\max }B}{\mathrm{Es}}(\sqrt{4H^2+b^2}-2H)=B{\mathrm{\ϵ}}_y(\sqrt{4H^2+b^2}-2H)$

其中下翼缘剪力和弯矩产生的弹性位移为： 

$d_2=\frac{F_{\max }C}{\mathrm{Es}}(\sqrt{4H^2+b^2}-2H)=C{\mathrm{\ϵ}}_y(\sqrt{4H^2+b^2}-2H)$

根据弹塑性力学理论，可知弯矩引起的腹板截面外边缘塑性应变 

增量与轴力产生的塑性应变增量

之间的关系为： 

$\frac{d{\mathrm{\ϵ}}_P^M}{d{\mathrm{\ϵ}}_P^{F_N}}=\frac{\mathrm{bs}{\mathrm{\σ}}_y}{F_{\max }}=\frac{b}{\sqrt{4H^2+b_2}-2H}$

由于阻尼器塑性阶段的最大应变值远大于其弹性阶段的应变值，所以可以忽略弹性应变的影响，根据基本假定b，可得到： 

$\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\max }^M}{{\mathrm{\ϵ}}_{\max }^{F_N}}=\frac{b}{\sqrt{4H^2+b^2}-2H}$

其中

为弯矩产生的腹板截面外边缘最大应变；

为轴力引起的最大应变。 

所以阻尼器材料在屈服平台上的最大应变为：

由以上两式可得到弯矩引起的最大塑性应变和轴力引起的最大塑性应变为： 

${\mathrm{\ϵ}}_{\max }^M=\frac{b{\mathrm{\ϵ}}_{\max }}{(\sqrt{4H^2+b^2}-2H)+b},{\mathrm{\ϵ}}_{\max }^{F_N}=\frac{(\sqrt{4H^2+b^2}-2H){\mathrm{\ϵ}}_{\max }}{(\sqrt{4H^2+b^2}-2H)+b}$

根据基本假定，利用几何方法，可得到弯矩和轴力引起腹板截面产生的极限位移为： 

$d_3=d_u^M+d_u^{F_N}=\frac{\mathrm{HL}{\mathrm{\ϵ}}_{\max }}{(\sqrt{4H^2+b^2}-2H)+b}+\frac{(\sqrt{4H^2+b^2}-2H)L{\mathrm{\ϵ}}_{\max }}{(\sqrt{4H^2+b^2}-2H)+b}=\frac{(\sqrt{4H^2+b^2}-H)L{\mathrm{\ϵ}}_{\max }}{(\sqrt{4H^2+b^2}-2H)+b}$

根据以上式子，可得到该阻尼器的极限位移为： 

$D_u=d_1+d_2+d_3=(B+C){\mathrm{\ϵ}}_y(\sqrt{4H^2+b^2}-2H)+\frac{(\sqrt{4H^2+b^2}-H)L{\mathrm{\ϵ}}_{\max }}{(\sqrt{4H^2+b^2}-2H)+b}$

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明将阻尼器的截面设计为蟹型结构，在小地震或风荷载作用下，结构整体水平位移较小，支撑施加给阻尼器的力也较小，阻尼器处于弹性；当在中震或者大震作用下，结构整体位移较大，此时支撑施加给阻尼器的力产生的弯矩较大，分支处于弹塑性状态，分支构件就开始屈服，在反复拉压荷载作用下，分支构件的截面反复处于拉压屈服状态，从而不断消耗地震能量以达到保护主体结构的目的。本发明的方法简单易行，所采用的装置结构简单，成本低廉，使用效果好。 

附图说明

附图1为本发明的实施例1的结构示意图； 

附图2为本发明的实施例2的结构示意图；

附图3为本发明的分支构件的受力示意图；

附图4为本发明的阻尼器模型及研究参数；

附图4中，b₁-下翼缘宽度；H-翼缘长度；b₂-上翼缘宽度；b-腹板宽度；

图5蟹式阻尼器元件力学简化图；

附图5中，L-腹板高度；s-钢板厚度；d-螺栓孔径；

附图6为本发明的阻尼器元件内力图；

附图7、附图8为本发明的使用示意图。

具体实施方式

本发明的实施例1: 提高建筑物抗震能力的方法，在框架结构的建筑内设置蟹式的金属阻尼构件，并在金属阻尼构件的每个端头都设置一个分支构件，在外力作用下阻尼器分支的变形以受弯为主，分支构件的受力如图3所示，当外力产生的弯矩小于金属阻尼器的分支构件的最大受弯承载力时，分支构件处于弹性状态；当外力产生的弯矩超过金属阻尼器的分支构件的最大受弯承载力时，分支构件就开始屈服，在反复拉压荷载作用下，分支构件的截面反复处于拉压屈服状态，从而不断消耗地震能量以达到保护主体结构的目的。 

提高建筑物抗震能力的装置如图1所示，包括蟹式的金属阻尼构件1，金属阻尼构件1的每个端头都设有一个分支构件2；每个分支构件2都由两个耗能构件3组成，每个耗能构件3的末端均与金属阻尼构件1连接为一体，能耗构件3的前端为钩形结构，同一个分支构件2的两个耗能构件3相互对称，它们的内侧组成一个口字形的空间，并在两个能耗构件3的前端形成一个变形活动口4；在金属阻尼构件1的中心设有十字形的加劲肋5。 

本发明的实施例2: 提高建筑物抗震能力的装置如图2所示，包括蟹式的金属阻尼构件1，金属阻尼构件1的每个端头都设有一个分支构件2；每个分支构件2都由两个耗能构件3组成，每个耗能构件3的末端均与金属阻尼构件1连接为一体，能耗构件3的前端为钩形结构，同一个分支构件2的两个耗能构件3相互对称，它们的内侧组成一个口字形的空间，并在两个能耗构件3的前端形成一个变形活动口4；在金属阻尼构件1上设有连接孔6。 

金属阻尼构件1与能耗构件3可选用Q235钢或者更低强度的钢材。 

使用时，将本发明的分支构件2和支撑腹板7采用螺栓连接，螺栓穿过支撑腹板7的螺栓孔10，支撑腹板7连接在梁8和柱9上。如图7、图8所示。 

Claims (4)

1.一种提高建筑物抗震能力的方法，其特征在于：在框架结构的建筑内设置蟹式金属阻尼构件，在外力作用下阻尼器分支的变形以受弯为主，当外力产生的弯矩小于金属阻尼器的分支构件的最大受弯承载力时，分支构件处于弹性状态；当外力产生的弯矩超过金属阻尼器的分支构件的最大受弯承载力时，分支构件就开始屈服，在反复拉压荷载作用下，分支构件的截面反复处于拉压屈服状态，从而不断消耗地震能量以达到保护主体结构的目的。

2.一种如权利要求1所述的提高建筑物抗震能力的方法的装置，包括蟹式的金属阻尼构件（1），其特征在于：金属阻尼构件（1）的每个端头都设有一个分支构件（2）；每个分支构件（2）都由两个耗能构件（3）组成，每个耗能构件（3）的末端均与金属阻尼构件（1）连接为一体，耗能构件（3）的前端为钩形结构，同一个分支构件（2）的两个耗能构件（3）相互对称，它们的内侧组成一个口字形的空间，并在两个耗能构件（3）的前端形成一个变形活动口（4）。

3.根据权利要求2所述的提高建筑物抗震能力的装置，其特征在于：在金属阻尼构件（1）的中心设有十字形的加劲肋（5）。

4.根据权利要求2所述的提高建筑物抗震能力的装置，其特征在于：在金属阻尼构件（1）上设有连接孔（6）。

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