CN106088382B - 一种摩擦-软钢复合型阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种摩擦‑软钢复合型阻尼器，包括剪切耗能钢板、角钢、摩擦片，剪切耗能钢板一端的两侧均安装有角钢，角钢竖直方向的一边与剪切耗能钢板之间安装有摩擦片，剪切耗能钢板、角钢与摩擦片通过连接调节机构进行连接与预紧力调节，进而改变摩擦片与剪切耗能钢板之间的滑动摩擦力。本发明能够自适应地震作用的不确定性、可以实现分阶段工作，主要用于土木工程结构耗能减震领域，可减小工程结构在地震作用下的动力反应和损伤累积。当安装于建筑结构层间或桥梁结构箱梁与桥墩之间时，在不同强度地震作用下，本发明将自动选择并执行合适的工作方式，以控制结构地震反应，保护结构安全。

Description

一种摩擦-软钢复合型阻尼器

技术领域

本发明涉及一种阻尼器，更具体地说，涉及一种摩擦-软钢复合型阻尼器。

背景技术

传统的抗震设计方法基于保证工程结构具有一定的强度、刚度和延性以抵御所受到的地震作用。然而，由于地震发生的时间、地点和强度均具有强烈的随机性，使得工程结构的反应性态可能产生大幅度涨落，从而难以避免进入复杂的非线性受力状态。在不确定地震作用下，按传统方法设计的结构，由于其抗震性能不具备自我调节与控制的能力，可能因不满足安全性要求而产生严重破坏，甚至倒塌，进而造成人员伤亡和经济损失。

为了在传统抗震设计方法的基础上进一步提高结构性能，结构振动控制技术应运而生。结构耗能减震是指通过在结构中设置耗能装置，使耗能元件被动地依靠结构的变形或运动消散结构振动的能量，以减小结构的动力反应和损伤累积。

常见的耗能减震装置有摩擦阻尼器、金属屈服阻尼器、粘弹性阻尼器和粘滞阻尼器。其中，摩擦阻尼器是利用固体接触面之间的摩擦耗散振动能量的；而软钢阻尼器作为金属屈服阻尼器中的一种，它是利用软钢屈服后的塑性变形来耗能的。注意到，目前工程中常用的摩擦阻尼器，其滑动摩擦力大小大多基本保持不变。由于工程结构在服役过程中可能遭受的地震作用具有不确定性，这些常摩擦力摩擦阻尼器在工程应用中存在难以确定合适的滑动摩擦力这一问题。鉴于此，可以将摩擦阻尼器和软钢阻尼器这两种不同的位移相关型阻尼器相结合，形成一种新型的复合型阻尼器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够自适应地震作用不确定性的、可以实现分阶段工作的摩擦-软钢复合型阻尼器。

本发明的技术方案如下：

一种摩擦-软钢复合型阻尼器，包括剪切耗能钢板、角钢、摩擦片，剪切耗能钢板一端的两侧均安装有角钢，角钢竖直方向的一边与剪切耗能钢板之间安装有摩擦片，剪切耗能钢板、角钢与摩擦片通过连接调节机构进行连接与预紧力调节，进而改变摩擦片与剪切耗能钢板之间的滑动摩擦力。

作为优选，连接调节机构包括螺栓、螺母、垫圈，剪切耗能钢板上开设有槽形孔，角钢与摩擦片上分别开设有对应的安装孔，螺栓穿设于角钢与摩擦片的安装孔、剪切耗能钢板的槽形孔，并通过螺母进行锁紧；发生相对滑动时，摩擦片与剪切耗能钢板之间产生滑动摩擦。

作为优选，剪切耗能钢板的两侧连接有若干水平加劲钢板、竖向加劲钢板。

作为优选，包括三块水平加劲钢板和一块竖向加劲钢板，剪切耗能钢板的一侧设置一块水平加劲钢板与一块竖向加劲钢板，另一侧设置两块水平加劲钢板，其中，有两块水平加劲钢板等高设置于剪切耗能钢板靠近摩擦片的一端的两侧；竖向加劲钢板分别与水平加劲钢板、剪切耗能钢板连接。

作为优选，剪切耗能钢板的横向两端连接有翼缘钢板，翼缘钢板与剪切耗能钢板垂直设置；水平加劲钢板的两端分别与剪切耗能钢板两端的翼缘钢板连接。

作为优选，剪切耗能钢板的竖向底端连接有水平设置的刚性连接钢板，竖向加劲钢板、翼缘钢板均与刚性连接钢板连接；角钢水平方向的一边也连接有水平设置的刚性连接钢板。

作为优选，刚性连接钢板厚度不小于剪切耗能钢板厚度的2.5倍。

作为优选，水平加劲钢板、竖向加劲钢板、翼缘钢板和刚性连接钢板均采用屈服强度不低于235MPa的钢材制成。

作为优选，剪切耗能钢板采用屈服强度不高于235MPa、伸长率不小于40％的钢材制作，宽高比为0.7～1.2，高厚比为20～40。

作为优选，角钢为屈服强度不低于235MPa的热轧等边或不等边角钢。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的摩擦-软钢复合型阻尼器，将摩擦阻尼器和软钢阻尼器这两种不同的位移相关型阻尼器相结合，能够自适应地震作用的不确定性、可以实现分阶段工作，主要用于土木工程结构耗能减震领域，可减小工程结构在地震作用下的动力反应和损伤累积。

当安装于建筑结构层间或桥梁结构箱梁与桥墩之间时，在不同强度地震作用下，本发明将自动选择并执行合适的工作方式，以控制结构地震反应，保护结构安全。

具体工作方式如下：

1)小震时，阻尼器摩擦工作区尚未起滑，剪切耗能钢板处于弹性变形阶段，此时，阻尼器可为结构提供抗侧刚度；

2)中震时，阻尼器摩擦工作区开始滑动，通过摩擦耗散结构振动能量，而剪切耗能钢板此时仍处于弹性变形阶段；

3)大震时，阻尼器摩擦工作区滑动，并且剪切耗能钢板进入塑性变形状态，通过摩擦和软钢的塑性变形共同耗能。

附图说明

图1是本发明的主视图；

图2是图1的A-A剖面图；

图3是图1的B-B剖面图；

图4是剪切耗能钢板的结构示意图；

图5是角钢的结构示意图；

图6是摩擦片的结构示意图；

图7是翼缘钢板的结构示意图；

图8是本发明在建筑结构中的安装示意图；

图9是本发明在桥梁结构中的安装示意图；

图10是本发明的另一种结构的主视图；

图中：1是剪切耗能钢板，2是角钢，3是摩擦片，4是螺栓，5是螺母，6是垫圈，7是水平加劲钢板，8是竖向加劲钢板，9是翼缘钢板，10是刚性连接钢板，11是槽形孔，12是角钢上的安装孔，13是安装孔，14是摩擦-软钢复合型阻尼器，15是人字形普通钢支撑，16是桥梁支座，17是桥梁箱梁，18是桥墩。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

本发明为了解决现有技术的阻尼器存在工作方式单一、无法适用不确定性的工作环境等不足，将摩擦阻尼器和软钢阻尼器相结合形成一种摩擦-软钢复合型阻尼器，，本发明能够自适应地震作用的不确定性，具有分阶段工作的能力。

实施例1

如图1、图2、图3所示，本发明包括剪切耗能钢板1、角钢2、摩擦片3，剪切耗能钢板1一端的两侧均安装有角钢2，角钢2竖直方向的一边与剪切耗能钢板1之间安装有摩擦片3，剪切耗能钢板1、角钢2与摩擦片3通过连接调节机构进行连接与预紧力调节，进而改变摩擦片3与剪切耗能钢板1之间的滑动摩擦力。

本实施例中，连接调节机构包括螺栓4、螺母5、垫圈6，如采用大六角头螺栓4、大六角螺母5和垫圈6组成高强度螺栓连接副，利用高强度螺栓连接副将剪切耗能钢板1、角钢2和摩擦片3紧密连接在一起，并且通过调整高强度螺栓连接副的预紧力可以改变剪切耗能钢板1与摩擦片3之间的滑动摩擦力。

如图4所示，剪切耗能钢板1上开设有槽形孔11，如图5、图6所示，角钢2与摩擦片3上分别开设有对应的安装孔12与安装孔13，螺栓4穿设于角钢2上的安装孔12、摩擦片3上的安装孔13、剪切耗能钢板1上的槽形孔11，并通过螺母5进行锁紧；发生相对滑动时，摩擦片3与剪切耗能钢板1之间产生滑动摩擦。

剪切耗能钢板1的两侧连接有若干水平加劲钢板7、竖向加劲钢板8。本实施例中，设置有三块水平加劲钢板7和一块竖向加劲钢板8，剪切耗能钢板1的一侧设置一块水平加劲钢板7与一块竖向加劲钢板8，另一侧设置两块水平加劲钢板7，其中，有两块水平加劲钢板7等高设置于剪切耗能钢板1靠近摩擦片3的一端的两侧；竖向加劲钢板8分别与水平加劲钢板7、剪切耗能钢板1连接。水平加劲钢板7、竖向加劲钢板8与剪切耗能钢板1通过角焊缝焊接在一起。

剪切耗能钢板1的横向两端连接有翼缘钢板9，如图7所示，本实施例中，翼缘钢板9为梯形结构，翼缘钢板9与剪切耗能钢板1垂直设置；水平加劲钢板7的两端分别与剪切耗能钢板1两端的翼缘钢板9通过角焊缝进行连接。

剪切耗能钢板1的竖向底端连接有水平设置的刚性连接钢板10，竖向加劲钢板8、翼缘钢板9均与刚性连接钢板10通过角焊缝进行连接；角钢2水平方向的一边也连接有水平设置的刚性连接钢板10。本实施例中，刚性连接钢板10有两块，呈水平、平行布置，为阻尼器的连接件。刚性连接钢板10上开有螺栓孔，通过高强度螺栓连接副可将阻尼器安装于土木工程结构中的适当部位。为保证刚性连接钢板10具有足够的刚度，其厚度不小于剪切耗能钢板1厚度的2.5倍。水平加劲钢板7、竖向加劲钢板8、翼缘钢板9和刚性连接钢板10均采用屈服强度不低于235MPa的钢材制成。

水平加劲钢板7、竖向加劲钢板8和翼缘钢板9的作用是增强剪切耗能钢板1的平面外稳定性，防止阻尼器工作时剪切耗能钢板1发生较大的局部平面外屈曲，以尽量实现剪切耗能钢板1全截面塑性变形耗能。

剪切耗能钢板1为阻尼器的主要耗能部件之一。为了使阻尼器在水平剪力作用下具有良好的滞回耗能特性，剪切耗能钢板1采用屈服强度低(不高于235MPa)、伸长率大(不小于40％)的软钢制作，并且限制其宽高比(0.7～1.2)和高厚比(20～40)。剪切耗能钢板1上开有槽形孔11，以便与摩擦片3之间能够产生相对滑动。为防止剪切耗能钢板1和刚性连接钢板10之间的焊缝在阻尼器工作过程中过早破坏，剪切耗能钢板1和刚性连接钢板10之间采用焊透的T形对接焊缝可靠连接。

角钢2为等边或不等边的热轧型钢，屈服强度不低于235MPa，竖直方向的一边开有两个安装孔12。对应的，摩擦片3上开有两个安装孔13，其孔径与角钢2上安装孔12孔径相同。摩擦片3采用黄铜或粉末冶金摩擦材料制作。

本发明实施于建筑结构中，如图8所示，在实际工程应用中，可在建筑结构的层间先安装人字形普通钢支撑15，然后再通过高强度螺栓连接副将摩擦-软钢复合型阻尼器14中的上、下刚性连接钢板10分别与上一层楼盖的梁底和人字形普通钢支撑15的顶部相连接，从而完成阻尼器在房屋结构中的布设。

小震时，建筑结构仅产生非常小的变形，即结构层间相对位移很小，摩擦-软钢复合型阻尼器14的摩擦工作区尚未起滑，剪切耗能钢板1处于弹性变形阶段，此时，阻尼器-钢支撑系统为结构提供抗侧刚度；

中震时，建筑结构的变形较小震时明显增大，摩擦-软钢复合型阻尼器14的摩擦工作区开始滑动，即通过剪切耗能钢板1和摩擦片3之间的摩擦耗散结构振动能量，而剪切耗能钢板1本身此时仍处于弹性变形阶段；

大震时，摩擦-软钢复合型阻尼器14的摩擦工作区滑动，并且剪切耗能钢板1进入塑性变形阶段，通过摩擦工作区固体接触面之间的摩擦以及剪切耗能钢板1的塑性变形共同耗能。

总之，在不同强度地震作用下，摩擦-软钢复合型阻尼器14能够自动采取合适的工作方式运行，以达到控制结构地震反应的目的。

本发明实施于桥梁结构中，如图9所示，可将摩擦-软钢复合型阻尼器14置于桥梁箱梁17与桥墩18之间，并与桥梁支座16并联使用。利用摩擦-软钢复合型阻尼器14中上、下刚性连接钢板10上设置的螺栓孔，采用高强度螺栓连接副将阻尼器分别与桥梁箱梁17和桥墩18相连。安装时，剪切耗能钢板1的厚度方向应与桥梁箱梁17的长度方向保持一致。

当不同强度地震发生时，摩擦-软钢复合型阻尼器14能减小桥梁箱梁17的振动，特别是沿其宽度方向的振动，以防止桥梁箱梁17因水平位移过大而从桥墩18上掉落。每一桥墩18上可以根据实际工程需要，安装一个或多个摩擦-软钢复合型阻尼器14。

实施例2

如图10所示，本实施例中，在剪切耗能钢板1上增加了两个槽形孔，与此同时，角钢2和摩擦片3上增设了一排安装孔，相应地，这三者之间通过四组高强度螺栓连接副连接在一起。

其他部分与实施例1相同。

实施例2与实施例1的工作原理基本相同，不同之处在于，实施例2相较于1增加了摩擦件数量，在相同加载条件下，实施例2提供的滑动摩擦力在理论上较实施例1增大一倍。因此，实施例2与实施例1相比具有更强的摩擦耗能能力。

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种摩擦-软钢复合型阻尼器，其特征在于，包括剪切耗能钢板、角钢、摩擦片，剪切耗能钢板的两侧连接有若干水平加劲钢板、竖向加劲钢板，剪切耗能钢板的横向两端连接有翼缘钢板，翼缘钢板与剪切耗能钢板垂直设置，水平加劲钢板的两端分别与剪切耗能钢板两端的翼缘钢板连接；剪切耗能钢板一端的两侧均安装有角钢，角钢竖直方向的一边与剪切耗能钢板之间安装有摩擦片，剪切耗能钢板、角钢与摩擦片通过连接调节机构进行连接与预紧力调节，连接调节机构包括螺栓、螺母、垫圈，剪切耗能钢板上开设有槽形孔，角钢与摩擦片上分别开设有对应的安装孔，螺栓穿设于角钢与摩擦片的安装孔、剪切耗能钢板的槽形孔，并通过螺母进行锁紧；发生相对滑动时，摩擦片与剪切耗能钢板之间产生滑动摩擦，通过调整连接调节机构的预紧力，进而改变摩擦片与剪切耗能钢板之间的滑动摩擦力。

2.根据权利要求1所述的摩擦-软钢复合型阻尼器，其特征在于，包括三块水平加劲钢板和一块竖向加劲钢板，剪切耗能钢板的一侧设置一块水平加劲钢板与一块竖向加劲钢板，另一侧设置两块水平加劲钢板，其中，有两块水平加劲钢板等高设置于剪切耗能钢板靠近摩擦片的一端的两侧；竖向加劲钢板分别与水平加劲钢板、剪切耗能钢板连接。

3.根据权利要求2所述的摩擦-软钢复合型阻尼器，其特征在于，剪切耗能钢板的竖向底端连接有水平设置的刚性连接钢板，竖向加劲钢板、翼缘钢板均与刚性连接钢板连接；角钢水平方向的一边也连接有水平设置的刚性连接钢板。

4.根据权利要求3所述的摩擦-软钢复合型阻尼器，其特征在于，刚性连接钢板厚度不小于剪切耗能钢板厚度的2.5倍。

5.根据权利要求4所述的摩擦-软钢复合型阻尼器，其特征在于，水平加劲钢板、竖向加劲钢板、翼缘钢板和刚性连接钢板均采用屈服强度不低于235MPa的钢材制成。

6.根据权利要求1所述的摩擦-软钢复合型阻尼器，其特征在于，剪切耗能钢板采用屈服强度不高于235MPa、伸长率不小于40％的钢材制作，宽高比为0.7～1.2，高厚比为20～40。

7.根据权利要求1所述的摩擦-软钢复合型阻尼器，其特征在于，角钢为屈服强度不低于235MPa的热轧等边或不等边角钢。