CN104790553B - 组合型软钢阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组合型软钢阻尼器，由软钢阻尼器和粘弹性阻尼器组成。软钢组尼器由箱型截面钢管和H型钢片外围构成，粘弹性阻尼器由5个粘弹性阻尼器单元用高强螺栓组合而成。每个粘弹性阻尼器单元由钢板和加压硫化橡胶层组成，在粘弹性阻尼器的中心钢板上开有圆孔，圆孔中插入止动销钉，销钉和内板之间的空隙中充满粘弹性材料，以减小销钉和内板的冲击力。为防止销钉脱落，在销钉两端设有螺母。在地震、风等外力作用下建筑物产生小位移时，粘弹性阻尼器单元随层间产生某一方向的相对位移，通过剪切型螺栓传力，力在钢板和加压硫化橡胶中被消耗；产生大位移时，止动销钉阻止粘弹性阻尼器继续变形，软钢构件继续弯曲耗能直至屈服。

Description

组合型软钢阻尼器

技术领域

本发明属于土木工程领域，具体为组合型软钢阻尼器，可以应用于土木结构减震控制领域，在高层建筑减震控制领域应用效果显著。

背景技术

近年来阻尼器被广泛地应用，软钢阻尼器由于其经济、实用、占用空间小、能在大地震中吸收大量能量而备受欢迎。软钢阻尼器主要的耗能原理是通过金属材料在进入弹塑性范围以后良好的滞回性能控制结构的动力反应。它利用了低碳钢具有优良的塑性变形能力，可以在超过屈服应变几十倍的塑性应变下往复变形数百次而不断裂，在此过程中达到耗能减震的目的。

目前世界各地已建成或将要建设大量高层建筑，而高层在小地震和风的作用下，往往产生更大的作用效应。实验研究表明当楼层位移到0.1毫米级时就会对人的舒适感造成影响，但是目前设计的软钢阻尼器在频繁的小振动下作用并不明显，由于软钢阻尼器的工作原理，若其不屈服则在弹性阶段并没有吸收能量的能力。所以在结构设计越来越强调使用性的今天，小位移作用下仍能吸收能量的阻尼器将扮演更加重要的角色。虽然调谐质量阻尼器可以在小地震作用下耗能，但其存在以下不足：1、调谐质量系统减振频带窄，往往只能对其调谐的频率产生较好的减振效果，对于偏离该频率的振动区域控制效果不佳。2、调谐质量阻尼器系统需设置昂贵的阻尼器单元，不利于广泛应用。3、调谐质量阻尼器系统需要额外的安装空间。

为了解决软钢阻尼器只在大震作用下塑形变形耗能，而大位移严重影响高层建筑舒适性的问题。本发明提出一种软钢构件和粘弹性阻尼器组合的新型阻尼器。在地震中，虽然粘弹性阻尼器平均每体积产生的内力小于软钢阻尼器，但在频繁小地震作用下粘弹性阻尼器能够吸收能量。本发明将屈服软钢构件和粘弹性阻尼器串联组合，使阻尼器在小位移下也有效，具有较大实用价值。并且为了避免产生过大的位移和力，引入了限制位移的机构。形成的阻尼体系能有效解决软钢阻尼器在高层建筑减震中的局限性。

发明内容

本发明涉及一种能在高层建筑中有效减震并增加高层舒适性的组合型软钢阻尼器，包括作为位移型阻尼器的软钢屈服构件和作为速度型阻尼器的粘弹性阻尼器。软钢构件由H型钢和一个箱型截面管组成。箱型截面管在H型钢外围，使软钢构件的刚度足够大。粘弹性阻尼器是剪切型阻尼器，由5个粘弹性阻尼器单元用高强螺栓组合而成。每个粘弹性阻尼器单元由钢板和粘在钢板上的两层加压硫化橡胶组成。每层橡胶厚约2mm，橡胶材料对温度依赖性低。在粘弹性阻尼器的中心钢板上开有圆孔，圆孔中插入止动销钉，设计圆孔直径比销钉直径大3mm。销钉和内板之间的空隙中充满粘弹性材料减小销钉和内板的冲击力。为防止销钉脱落，在销钉两端设有螺母。在地震、风等外力作用下建筑物产生小位移时，粘弹性阻尼器单元随层间产生某一方向的相对位移，通过剪切型螺栓传力，力在钢板和加压硫化橡胶中被消耗；当粘弹性阻尼器达到最大变形时，止动销钉阻止粘弹性阻尼器继续变形，而软钢构件继续弯曲耗能直至屈服。整个过程中，粘弹性阻尼器、软钢屈服构件和位移限制机构协同配合，各单元发挥其耗能特长，并在保证阻尼器不破坏的前提下能防止建筑物位移过大而影响建筑物正常使用，整个阻尼器在很宽的位移幅值范围内均有效。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案。

本发明提出的组合型软钢阻尼器，由软钢阻尼器和粘弹性阻尼器串联而成，软钢阻尼器为位移型阻尼器，由箱型截面钢管1和H型钢片3组成，所述箱型截面钢管1套于H型钢片3内；粘弹性阻尼器为速度型阻尼器，由高强螺栓4、粘弹性阻尼器单元、销钉7和粘弹性材料8组成；所述粘弹性阻尼器单元由钢板5和加压硫化橡胶层6自上而下交替布置叠加而成，所述粘弹性阻尼器单元两端通过高强螺栓4固定，所述粘弹性阻尼器单元中部开有圆孔，所述圆孔为销钉孔，销钉孔中插入销钉7，所述销钉7比销钉孔直径小，用于限制位移；销钉7和销钉孔之间的空隙中充满粘弹性材料8，用于减震。所述钢阻尼器和粘弹性阻尼器通过螺栓2串联连接。

本发明中，所述高强螺栓4材料为热处理带肋钢筋，钢板5为普通碳素钢，销钉7直径比销钉孔小3mm。

本发明中，粘弹性阻尼器将在3-8mm的层间位移范围内耗能，超过8mm则位移限制机构开始工作，软钢阻尼器屈服耗能。

本发明中，粘弹性阻尼器的刚度小于等于软钢阻尼构件的刚度，两者串联之后的组合型阻尼器的刚度大于等于粘弹性阻尼器刚度的一半；粘弹性阻尼器的阻尼比至少为15%-20%，串联之后的阻尼器的阻尼比大于等于粘弹性阻尼器阻尼比的一半，为8%-10%。

本发明提出的组合型软钢阻尼器的应用，其特征在于当组合型阻尼器被应用到任意建筑物中时，要保证组合型软钢阻尼器的刚度是大楼刚度的10%-50%，相当于整个组合型软钢阻尼器的刚度是粘弹性阻尼器刚度的0.1-0.33倍，由此大楼将有1%-3%的附加阻尼。

使用本发明时，所述组合型软钢阻尼器需与水平地面呈45度角固定在建筑物相应部位。

本发明中，所述销钉7两端设有螺母，所述螺母和销钉用于固定，并不用于受力。

本发明的效果是：在地震等外力作用下，由于速度阻尼器和位移阻尼器的串联组合，粘弹性阻尼器和软钢屈服构件中产生相同的回复力，粘弹性阻尼器可以在小位移下耗能，软钢屈服构件在位移达到一定程度时耗能，可以在小震、大震及风致振动下发挥作用。小位移情况下，粘弹性阻尼器单元随层间产生某一方向的相对位移时，通过剪切型螺栓传力，力在钢板和加压硫化橡胶中被消耗。在大位移情况下，软钢构件发生弯曲屈服而耗能减震。而销钉又限制了位移在一定范围内，不至于位移过大破坏阻尼器或影响建筑物正常使用，整个阻尼器在很宽的位移范围内均有效。相比于同样能在宽位移幅值范围内起作用的颗粒阻尼器，节约了成本，实用性和经济性更强。

附图说明

图1为组合型软钢阻尼器正立面示意图；

图2为粘弹性型阻尼器（1个销钉）的平面俯视图；

图3为粘弹性型阻尼器（2个销钉）的平面俯视图；

图4为粘弹性型阻尼器（1个销钉）的正立面示意图；

图5为粘弹性型阻尼器（2个销钉）的正立面示意图；

图6为组合型软钢阻尼器的斜对角布置图；

图中标号：箱型截面钢管1、螺栓2、H型钢片3、高强螺栓4、钢板5、加压硫化橡胶层6、销钉7、粘弹性材料8。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

实施例1：如图1-5所示，包括箱型截面钢管1、H型钢片3等软钢构件组成的位移型阻尼器。由高强螺栓4、钢板5、加压硫化橡胶层6、销钉7、粘弹性材料8组成的粘弹性阻尼器作为速度型阻尼器，二者由螺栓2连接。粘弹性阻尼器高强螺栓4将五层钢板5及加压硫化橡胶6连接在一起。销钉7比销钉孔直径小，用来限制位移。销钉和内板之间的空隙中充满粘弹性材料用来减震。在地震等外力作用下发生大位移的情况下，软钢构件发生弯曲，部分进入塑形而耗能减震直至屈服。

其中：截面钢管1为120×120×9mm，H型钢片3为H-100×100×6×8mm，粘弹性阻尼器高强螺栓4材料为热处理带肋钢筋，钢板5为普通碳素钢，销钉7直径为50mm，销钉孔为53mm。

软钢阻尼器H型钢片3由箱型截面管1加强，二者在大位移下弯曲屈服耗能。高强螺栓4、钢板5、加压硫化橡胶层6组成的粘弹性阻尼器在小位移下耗能。销钉7通过销钉和销钉孔的直径差异而限制位移，粘弹性材料8充满在销钉空隙和内板之间减弱振动冲击。

组成粘弹性阻尼器的五个单元重叠在一起通过高强螺栓4连接。每个单元包括一层钢板5和一层加压硫化橡胶层6，钢板和加压硫化橡胶层重叠在一起。在地震等外力作用下发生小位移的情况下，粘弹性阻尼器单元随层间产生某一方向的相对位移时，通过剪切型螺栓传力，力在钢板和加压硫化橡胶中被消耗。在粘弹性阻尼器的中间还有销钉7、由于销钉7的直径和销钉孔直径相差3mm，可以限制粘弹性阻尼器的位移在3mm之内。销钉和内板之间的空隙中充满粘弹性材料8用来减少冲击振动。

阻尼器斜对角布置以达到最优的减震效果。

Claims (7)

1.组合型软钢阻尼器，由软钢阻尼器和粘弹性阻尼器串联而成，其特征在于，软钢阻尼器为位移型阻尼器，由箱型截面钢管（1）和H型钢片（3）组成，所述箱型截面钢管（1）套于H型钢片（3）的外部；粘弹性阻尼器为速度型阻尼器，由高强螺栓（4）、粘弹性阻尼器单元、销钉（7）和粘弹性材料（8）组成；所述粘弹性阻尼器单元由钢板（5）和加压硫化橡胶层（6）自上而下交替布置叠加而成，所述粘弹性阻尼器单元两端通过高强螺栓（4）固定，所述粘弹性阻尼器单元中部开有圆孔，所述圆孔为销钉孔，销钉孔中插入销钉（7），所述销钉（7）比销钉孔直径小，用于限制位移；销钉（7）和销钉孔之间的空隙中充满粘弹性材料（8），用于减震，所述钢阻尼器和粘弹性阻尼器通过螺栓（2）串联连接。

2.根据权利要求1中所述的组合型软钢阻尼器，其特征在于所述高强螺栓（4）材料为热处理带肋钢筋，钢板（5）为普通碳素钢，销钉（7）直径比销钉孔小3mm。

3.根据权利要求1中所述的组合型软钢阻尼器，其特征在于粘弹性阻尼器将在3-8mm的层间位移范围内耗能，超过8mm则位移限制机构开始工作，软钢阻尼器屈服耗能。

4.根据权利要求1中所述的组合型软钢阻尼器，其特征在于粘弹性阻尼器的刚度小于等于软钢阻尼构件的刚度，两者串联之后的组合型阻尼器的刚度大于等于粘弹性阻尼器刚度的一半；粘弹性阻尼器的阻尼比至少为15%-20%，串联之后的阻尼器的阻尼比大于等于粘弹性阻尼器阻尼比的一半，为8%-10%。

5.根据权利要求1中所述的组合型软钢阻尼器，其特征在于使用时，所述组合型软钢阻尼器需与水平地面呈45度角固定在建筑物相应部位。

6.根据权利要求1中所述的组合型软钢阻尼器，其特征在于所述销钉（7）两端设有螺母，所述螺母和销钉用于固定。

7.一种如权利要求1中所述的组合型软钢阻尼器的应用，其特征在于当组合型阻尼器被应用到任意建筑物中时，要保证组合型软钢阻尼器的刚度是大楼刚度的10%-50%，相当于整个组合型软钢阻尼器的刚度是粘弹性阻尼器刚度的0.1-0.33倍，由此大楼将有1%-3%的附加阻尼。