CN103993677A - 两阶段混合型消能减震装置 - Google Patents

Abstract

本发明为两阶段混合型消能减震装置，包括上下钢板、翼缘钢板、金属阻尼器、咬合件和黏弹性材料，上下位置错动的两件金属阻尼器，一件位于上部钢板和翼缘钢板间，一件位于另一翼缘钢板和下部钢板间，两件金属阻尼器间通过咬合件连接，翼缘钢板和上下钢板间填充黏弹性材料。第一阶段工作，在风荷载和小震下，上下钢板间相对位移小于咬合件中的间隙，不能带动金属阻尼器工作，黏弹性材料发生剪切变形开始耗能，金属阻尼器保持弹性，装置以提供阻尼为主，有效减小结构加速度和位移响应；第二阶段工作，在中震和大震下，上下钢板之间相对位移大于咬合件中的间隙，带动金属阻尼器与黏弹性材料一起工作，显著提高了装置的刚度和阻尼力，可以有效减小中震和大震下的位移响应。

Description

两阶段混合型消能减震装置

技术领域

本发明涉及两阶段混合型消能减震装置，属于建筑结构消能减震领域。

背景技术

目前常用的消能减震装置分为速度相关型和位移相关型两大类。不同类型的消能减震装置具有不同的特性和适用阶段及范围。速度相关型阻尼器(黏滞阻尼器、黏弹性阻尼器等)以提供阻尼为主，由于其一旦有相对位移即开始耗能，因此适合于抵抗风荷载和小震作用，且其基本不提供刚度，不会造成结构加速度响应的增加，提供的阻尼可以有效减小结构各项响应，保证结构完好和满足舒适度要求(《高规(JGJ 3-2010)》3.7.6和3.7.7以结构加速度为指标提出结构舒适度要求)；位移相关型阻尼器(金属阻尼器、摩擦阻尼器等)需要达到金属屈服力或者启动摩擦力才开始耗能，因此适合于抵抗中震和大震作用，其提供阻尼的同时提供刚度，可以显著减小结构在中大震下的位移响应，防止结构倒塌，保护人们生命财产安全。

我国按照“三水准”的设防目标、“两阶段”的设计方法对建筑结构进行抗震设计的。所谓“三水准”即“小震不坏、中震可修、大震不倒”。所谓“两阶段”，即第一阶段，进行小震作用下的结构和构件承载力验算和结构弹性变形验算，对各类结构按规范规定采取抗震措施；第二阶段，进行大震下的弹塑性变形验算。因此在使用消能减震装置时，使用单一耗能机制的阻尼器很难实现结构在不同阶段(风荷载、小震、中震和大震)下达到良好的状态，难免会顾此失彼、难以兼顾。

发明内容

本发明提出的两阶段混合型消能减震装置，其机制是分阶段使用不同消能减震机制实现结构抗风和抗震性能的优化。在风荷载和小震下仅黏弹性材料耗能，由于黏弹性材料在微小变形下即开始耗能，且以提供阻尼为主，可以有效减小结构风振和地震的位移和加速度响应，使结构满足“小震不坏”的设防目标，以及满足规范规定的结构舒适度要求；在中震和大震下，金属阻尼器和黏弹性材料共同工作，显著提高装置的阻尼力，并提供较大刚度，结构位移响应显著减小，使结构满足“中震可修、大震不倒”的设防目标，保护人们生命和财产安全。

本发明为两阶段混合型消能减震装置，包括上部钢板1、第一翼缘钢板2、金属阻尼器3、咬合件4、黏弹性材料5、螺栓孔6、下部钢板7和第二翼缘钢板8，第一翼缘钢板2和第二翼缘钢板8分别位于上部钢板1和下部钢板7之间，第一翼缘钢板2位于第二翼缘钢板8上，且第一翼缘钢板2和第二翼缘钢板8错位布置，金属阻尼器3有两件，一件金属阻尼器3位于上部钢板1和第二翼缘钢板8之间，另一件金属阻尼器3位于第一翼缘钢板2和下部钢板7之间，使两块金属阻尼器3错动布置，每件金属阻尼器3一侧均连接有咬合件4，两个咬合件4的结构相匹配，使两件金属阻尼器3通过咬合件4连接，上部钢板1底部和第一翼缘钢板2顶部之间填充有黏弹性材料5，第二翼缘钢板8和下部钢板7之间填充黏弹性材料5。

本装置可通过人字撑、层间柱或墙式等形式布置在结构层间相对位移较大部位，其工作状态分为两阶段。第一阶段，在风荷载和小震下，由于结构层间位移较小，上下钢板之间相对位移小于咬合件中的间隙，不能带动金属阻尼器工作，此时黏弹性材料发生剪切变形开始耗能，金属阻尼器保持弹性，装置以提供阻尼为主，有效减小结构加速度和位移响应，保证结构完好和满足舒适度要求；第二阶段，在中震和大震下，上下钢板之间相对位移大于咬合件中的间隙，带动金属阻尼器开始和黏弹性材料一起工作，显著提高了装置的刚度和阻尼力，可以有效减小中震和大震下的位移响应，防止结构倒塌，保护人们生命和财产安全。

本发明中，金属阻尼器3由软钢或者其他低屈服点金属或合金组成，黏弹性材料5为高阻尼橡胶或类似具高耗能特性的黏弹性材料，咬合件4和其他钢板1-2由普通钢材组成。

本发明中，在风荷载和小震下，上部钢板1和下部钢板8之间相对位移小于咬合件4中的间隙，金属阻尼器3不工作且保持弹性，黏弹性材料5发生剪切变形而开始耗能。中震和大震下，上下钢板1之间相对位移大于咬合件4中的间隙，带动金属阻尼器3开始和黏弹性材料5一起工作。

本发明中，黏弹性材料层5的数量和尺寸、金属阻尼器3的构造形式和尺寸、咬合件4的构造形式、机械咬合形式和间隙可以根据需要灵活设计。

本发明中，所述两咬合件4的咬合形式为十字形尖齿咬合。

本发明具有如下显著优点：

(1) 两阶段不同的耗能机制使结构具有良好的抗风和抗震性能：第一阶段，在风荷载和小震下，仅黏弹性材料耗能提供阻尼，保证结构完好和满足舒适度要求；第二阶段，在中震和大震下，金属阻尼器和黏弹性材料一起工作，显著提高了装置的刚度和阻尼力，防止结构倒塌；

(2) 本发明在微小位移下即开始耗能，黏弹性材料和金属阻尼器处于并联状态，在一定位移下两者的耗能叠加，可以起到良好的消能减震作用；

(3) 黏弹性材料层的数量和尺寸、金属阻尼器的构造形式和尺寸、咬合件的构造形式、机械咬合形式和间隙可以根据需要灵活设计；

(4) 本装置使用螺栓和主体结构连接，方便施工和更换；

(5) 本发明概念新颖清晰，结构构造简单，所用材料成本低廉，施工和更换方便，效果良好。

附图说明

图1是本发明两阶段混合型消能减震装置的立面图；

图2是本发明两阶段混合型消能减震装置的立体图；

图中标号：1为上部钢板、2为第一翼缘钢板、3为金属阻尼器、4为咬合件、5为黏弹性材料、6为螺栓孔、7为下部钢板、8为第二翼缘钢板。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：

如图1~2所示，本发明为两阶段混合型消能减震装置，包括上部钢板1、下部钢板7、第一翼缘钢板2、第二翼缘钢板8、金属阻尼器3、咬合件4和黏弹性材料5。上下位置错动的两件金属阻尼器3，金属阻尼器3采用低屈服点钢材，一件位于上部钢板1和第二翼缘钢板8之间，一件位于第一翼缘钢板2和下部钢板1之间，两件金属阻尼器3之间通过咬合件4连接，咬合形式为十字形尖齿咬合，咬合件中间隙和咬合力满足设计要求。在第一翼缘钢板2和上部钢板1之间以及第二翼缘钢板8和下部钢板7之间均填充黏弹性材料5。本装置上下钢板留有螺栓孔6，可通过人字撑、层间柱或墙式等形式布置在结构层间相对位移较大部位。

以上是本发明的典型实例，本发明的实施不限于此。

Claims (7)

1.一种两阶段混合型消能减震装置，包括上部钢板(1)、第一翼缘钢板(2)、金属阻尼器(3)、咬合件(4)、黏弹性材料(5)、螺栓孔(6)、下部钢板(7)和第二翼缘钢板(8)，其特征在于：第一翼缘钢板(2)和第二翼缘钢板(8)分别位于上部钢板(1)和下部钢板(7)之间，第一翼缘钢板(2)位于第二翼缘钢板(8)上，且第一翼缘钢板(2)和第二翼缘钢板(8)错位布置，金属阻尼器(3)有两件，一件金属阻尼器(3)位于上部钢板(1)和第二翼缘钢板(8)之间，另一件金属阻尼器(3)位于第一翼缘钢板(2)和下部钢板(7)之间，使两块金属阻尼器(3)错动布置，每件金属阻尼器(3)一侧均连接有咬合件(4)，两个咬合件(4)的结构相匹配，使两件金属阻尼器(3)通过咬合件(4)连接，上部钢板(1)底部和第一翼缘钢板(2)顶部之间填充有黏弹性材料(5)，第二翼缘钢板(8)和下部钢板(7)之间填充黏弹性材料(5)。

2.根据权利要求1所述的两阶段混合型消能减震装置，其特征在于：金属阻尼器(3)由软钢或者其他低屈服点金属或合金组成。

3.根据权利要求1所述的两阶段混合型消能减震装置，其特征在于：黏弹性材料(5)为高阻尼橡胶或类似具高耗能特性的黏弹性材料。

4.根据权利要求1所述的两阶段混合型消能减震装置，其特征在于：在风荷载和小震下，上下钢板(1)之间相对位移小于咬合件(4)中的间隙，黏弹性材料(5)发生剪切变形而开始耗能，金属阻尼器(3)不工作，且保持弹性。

5.根据权利要求1所述的两阶段混合型消能减震装置，其特征在于：在中震和大震下，上部钢板(1)和下部钢板(7)之间相对位移大于咬合件(4)中的间隙，带动金属阻尼器(3)开始和黏弹性材料(5)共同工作。

6.根据权利要求1所述的两阶段混合型消能减震装置，其特征在于：所述两咬合件(4)的咬合形式为十字形尖齿咬合。

7.根据权利要求1所述的两阶段混合型消能减震装置，其特征在于：所述消能减震装置通过人字撑、层间柱或墙式形式布置在结构层间相对位移较大部位。