CN106499077A - 带限位锁定功能的金属橡胶阻尼器和防屈曲支撑组合耗能装置 - Google Patents
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Abstract
带限位锁定功能的金属橡胶阻尼器和防屈曲支撑组合耗能装置，在风荷载等小的荷载下，金属橡胶阻尼器由于起振力低而率先进入非线性状态并进行弹塑性耗能。当结构承受较大的地震作用时，金属橡胶阻尼器将产生较大变形，为了防止其快速破坏，当其变形超过设定阈值后，阻尼器被锁定装置和限位装置锁定并受到有效约束，只能在指定范围内发生小变形。防屈曲耗能支撑开始发挥其耗能能力，由于金属橡胶环被间隔放入防屈曲耗能支撑内外套筒之间而使防屈曲耗能支撑在中大地震作用下发生定点屈服，从而解决普通防屈曲耗能支撑屈服位置难以确定、约束单元需要灌注砂浆导致其自重大而且加工工序复杂以及材料浪费、支撑端部容易破坏及屈服力高等的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种带限位锁定功能的金属橡胶剪切阻尼器和防屈曲支撑组合耗能装置，主要由金属橡胶阻尼器、锁定装置和防屈曲耗能支撑组成，其在较强风荷载或小震作用下，金属橡胶阻尼器率先产生剪切变形并进入耗能状态，而防屈曲耗能支撑处于弹性状态只提供稳定的刚度；在中震和大震作用下，当金属橡胶阻尼器变形过大时其位移行程将被限制，此时防屈曲支撑利用带有金属橡胶环的核心筒的有效屈曲进行充分耗能，从而保护主体结构和构件在地震中的安全性。本发明属于土木工程的抗风、抗震和减震技术领域。
背景技术
土木工程结构强烈的风荷载或地震作用下将发生较明显的破坏，甚至可能出现巨大的人员伤亡和经济财产损失。因此，针对风荷载和地震作用的特点进行合理的工程结构抗震设计，并采用有效的结构减振控制技术将明显减轻结构在相应自然灾害下的破坏程度。结构减振控制即在结构的特定部位，装设某种装置(如隔震垫和粘滞阻尼器等)、或某种机构(如耗能支撑、耗能剪力墙和耗能节点等)、或某种子结构(如调频质量阻尼器等)或施加外力(外部能量输入)，以改变或调整结构的动力特性或动力作用，从而为结构抗震提供了一条安全有效的途径。
金属剪切阻尼器是国内外常用的一种被动耗能装置，其基本原理是利用金属的塑性滞回变形来消耗振动能量，在进入塑性状态后具有突出的滞回特性，具有构造简单、滞回性能稳定、造价低廉、力学模型明确等特点。由于金属剪切阻尼器所用的金属材料屈服点通常较高，在强风作用下很难进入耗能状态，因此该类阻尼器只能中震和大震下发挥作用，其在小震下的适用性需要改善。
作为另一种普遍应用的耗能减震装置，防屈曲耗能支撑兼具普通支撑和金属耗能阻尼器双重功能的支撑形式。在小震下，防屈曲支撑如同不失稳的普通支撑一样工作，给结构提供抗侧刚度。在中震或大震下，由于受到外包约束构件的侧向约束，支撑内芯屈服段在受拉或受压状态下能通过截面充分屈服耗散地震能量，使主体结构大部分保持弹性从而更容易实现建筑物的大震可修。防屈曲耗能支撑防因其减震机理明确、减震效果显著、构造简单、适用范围广、维护方便等优点，受到众多国内外研究者的重视，目前国内外学者已经研究开发多种不同类型和不同构造的防屈曲耗能支撑，并且已在新建工程和建筑抗震加固工程中得到应用，取得了良好的经济效益和社会效益。
然而目前普通的防屈曲耗能支撑也存在一些问题，由于制造的误差，荷载的随机性，导致防屈曲耗能支撑在实际使用中屈服位置的随机性，使设计的期望性态与实际性态有出入，同时给设计和分析带来了困难；需要进行端部加强，有的支撑的核心单元是由普通钢和低屈服点钢材焊接而成，致使支撑加工复杂和材料浪费，大多数支撑需要应用无黏结材料，致使支撑组件材料种类较多，导致设计时分析困难、元件加工制造及组装时质量及精度不易控制，且约束单元会产生滑动，影响防屈曲耗能支撑的整体抗震效果；约束单元需要灌注砂浆，一般钢结构厂无法独立完成制作，且使支撑自重较大，限制了其在轻质钢结构中的应用，另外砂浆容易压碎破坏导致支撑发生局部屈曲。此外，与金属剪切型阻尼器的不足类似，目前的防屈曲耗能支撑的起振力通常很大，即只有在较大的动力作用下才能发生屈曲并耗能，而在风荷载和小震下只是起到普通支撑作用，容易造成主体结构和构件的疲劳。在罕遇地震发生概率较小的地区，防屈曲耗能支撑可能到建筑物拆除都不能发挥出其充分耗能作用。
为了改善这种情况，本发明提出一种带限位锁定功能的金属橡胶阻尼器和防屈曲支撑组合耗能装置。金属橡胶是一种适用性强的多功能性阻尼结构材料，其是由金属丝卷成螺旋形，经过编织，加压成型的金属材料，具有超弹性、高阻尼和性能稳定等特点。在风荷载等小的荷载下，由金属橡胶制成的金属橡胶阻尼器由于起振力低而率先进入非线性状态并进行弹塑性耗能，从而降低主体结构的振动幅值，在这种情况下防屈曲支撑处于稳定的弹性状态，只给结构提供稳定的刚度和受力，不参与耗能。当结构承受较大的地震作用时，金属橡胶阻尼器将产生较大变形，为了防止其快速破坏，当其变形超过设定阈值后，阻尼器被锁定装置和限位装置锁定并受到有效约束，只能在指定范围内发生小变形。此时，防屈曲耗能支撑开始发挥其耗能能力，由于金属橡胶环被间隔放入防屈曲耗能支撑约束外筒和核心筒之间而使防屈曲耗能支撑在中大地震作用下发生定点屈服，从而解决普通防屈曲耗能支撑屈服位置难以确定、约束单元需要灌注砂浆导致其自重大而且加工工序复杂以及材料浪费、支撑端部容易破坏及屈服力高等的问题。最终使组合耗能装置在不同强度的动力作用下均能发挥耗能减振的作用，保护结构主体的安全。
发明内容
本发明给出一个带限位锁定功能的金属橡胶阻尼器和防屈曲支撑组合耗能装置，在风荷载等小的荷载下，金属橡胶阻尼器率先产生剪切变形并进入耗能状态，而防屈曲支撑处于弹性状态只提供稳定的刚度。当较大的地震荷载来临时，当金属橡胶阻尼器变形过大时其位移行程将被限制，因而不会产生破坏。此时防屈曲支撑利用带有金属橡胶环的核心筒的有效屈曲进行充分耗能，由于金属橡胶环被等间隔地放入防屈曲耗能支撑约束外筒和核心筒之间而使防屈曲耗能支撑在中大震下发生定点屈服，从而解决普通防屈曲耗能支撑屈服位置难以确定、约束单元需要灌注砂浆导致其自重大而且加工工序复杂以及材料浪费、支撑端部容易破坏、起振力高和国内市场上缺乏低屈服点钢的问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
带限位锁定功能的金属橡胶阻尼器和防屈曲支撑组合耗能装置，该装置包括金属橡胶阻尼器1、高强度螺栓2、连接钢板3、定向导杆4、定向铰5、连接角钢6、橡胶缓冲垫7、限位板8、支撑端部9、节点板10、约束外筒11、金属橡胶环12、核心筒13，支撑端部9、约束外筒11、金属橡胶环12、核心筒13组成组成防屈曲耗能支撑，金属橡胶阻尼器1和防屈曲耗能支撑通过高强度螺栓2和节点板10与结构主体相连，定向导杆4、定向铰5和限位板8组成一个锁定装置。
在较强风荷载或小震作用下，金属橡胶阻尼器1由于起振力低而率先进入弹塑性耗能状态，从而降低主体结构动力响应，而防屈曲支撑处于弹性状态只提供稳定的弹性刚度；在中震和大震作用下，当金属橡胶阻尼器1变形过大时被定向导杆4、定向铰5和限位板8组成的锁定装置锁定，其位移行程将被限制，此时防屈曲支撑利用带有金属橡胶环12的核心筒13实现有效的定点屈曲并进行充分耗能，从而保护主体结构和构件的安全性。
在金属橡胶阻尼器1两侧各放置多个高强度螺栓2，在金属橡胶阻尼器1中心设置螺栓孔，多个金属橡胶阻尼器1并排而放，通过高强度螺栓2固定在连接钢板3之间并与钢结构框架的梁相连接，金属橡胶阻尼器1之间存在间隙，在风荷载和地震作用下能发生剪切变形并充分耗能。
定向导杆4一端开有螺栓孔，通过高强度螺栓2与节点板10相连接固定于金属橡胶阻尼器1下。定向导杆4的另一端呈楔形，从而形成突出段。定向铰5和限位板8之间的长度应与定向导杆4的楔形段的长度相等或仅多出2cm之内。定向导杆4的楔形直边与定向铰5竖向长边的水平距离为位移阈值，其数值应根据实际设计需求和弹塑性分析结果确定。在金属橡胶阻尼器1整体位移超过设定的位移阈值后，定向导杆4的突出段进入定向铰5和限位板8之间的位置，其位移行程被约束，进而金属橡胶阻尼器1的变形被锁定。
定向铰5由两个部分构成，一部分是楔形的厚钢板，用来卡住定向导杆4，另一部分是只能让楔形钢板单向转动的卡扣钢板，两个部分通过高强度螺2相连接，定向铰5靠有转动能力的高强度螺栓2实现单向转动让定向导杆4的楔形部位滑入定向铰5的楔形部位，不允许定向导杆4滑出，定向铰5用连接角钢6通过高强度螺栓2固定在钢结构的梁下。
限位板8用连接角钢6通过高强度螺栓2固定在钢结构的梁下，限位板8限制定向导杆4发生进一步的位移，橡胶缓冲垫7通过高强度粘合剂粘结在限位板8的内侧，对定向导杆4发生进一步位移起缓冲保护作用。
防屈曲耗能支撑主要由支撑端部9、约束外筒11、金属橡胶环12、核心筒13组成。在小震及风荷载作用下，防屈曲耗能支撑相当于普通支撑，为结构提供一定的抗侧刚度。在中震和大震作用下，金属橡胶阻尼器1被锁定之后，防屈曲耗能支撑开始进入屈服耗能的工作状态，由于受到约束外筒11的侧向约束，核心筒13屈服段在受拉受压状态下进行充分屈服耗散地震能量。
金属橡胶环12被等间隔地焊接在约束外筒11和核心筒13之间，防屈曲耗能支撑局部削弱相当于其他部位加强，使防屈曲耗能支撑的薄弱部位由支撑端部9转移到加入金属橡胶环12的部位，使防屈曲耗能支撑在风荷载和地震作用下发生定点屈服，实现防屈曲耗能支撑屈服部位和非屈服部位的明确分工。
防屈曲耗能支撑的支撑端部9一端和节点板10通过高强度螺栓2相连接固定于金属橡胶阻尼器1下面，支撑端部9的另一端和节点板10通过高强度螺栓2相连接固定于钢结构框架梁与柱子的节点处，节点板10通过高强度螺栓2与钢结构框架的梁和柱子相连接。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明采用金属橡胶阻尼器，由于其起振力低，在风荷载和较小的地震荷载作用下很容易进入耗能的工作状态，从而降低主体结构的疲劳荷载，使阻尼器在很小的荷载作用下都能充分发挥其耗能减震的作用。
2)本发明的定向导杆、定向铰、橡胶缓冲垫和限位装置共同构成的锁定装置，在大的地震荷载作用下，金属橡胶阻尼器完成充分的耗能能力后，被锁定装置锁死，避免遭到破坏。
3)本发明采用金属橡胶环等间隔地焊接在防屈曲耗能支撑的约束外筒和核心筒之间，防屈曲耗能支撑局部削弱相当于其他部位加强，避免加强支撑端部，使防屈曲耗能支撑的薄弱部位由支撑端部转移到加入金属橡胶环的部位，防屈曲耗能支撑在风荷载和地震作用下定点屈服，实现防屈曲耗能支撑屈服部位和非屈服部位的明确分工。
4)本发明采用金属橡胶环间隔地焊接在防屈曲耗能支撑的约束外筒和核心筒之间，核心筒与约束外筒间没有填充砂浆和混凝土，从而减轻自重，避免加工工序复杂以及材料浪费，特别适于大跨度结构。
5)本发明的定向铰只能单向转动，只允许定向导杆滑入不允许滑出，从而实现将金属橡胶阻尼器锁死，避免破坏。
6)本发明的限位装置限制定向导杆继续发生更大的位移，贴于限位装置内侧的橡胶缓冲垫对定向导杆起到缓冲保护的作用，使金属橡胶阻尼器更好发挥耗能减震的作用。
附图说明
图1为本发明带限位锁定功能的金属橡胶阻尼器和防屈曲支撑组合耗能装
置平面图。
图2为本发明金属橡胶阻尼器立体图。
图3为本发明金属橡胶阻尼器与梁连接详图。
图4为本发明定向导杆立体图。
图5为本发明定向铰立体图。
图6为本发明限位装置立体图。
图7为本发明锁定装置平面图。
图8为本发明防屈曲耗能支撑立体图。
图9为本发明图8A-A截面剖视图。
图10为本发明图8B-B截面剖视图。
图11为本发明图8C-C截面纵剖视图。
图中：1-金属橡胶阻尼器、2-高强度螺栓、3-连接钢板、4-定向导杆、5-定向铰、6-连接角钢、7-橡胶缓冲垫、8-限位板、9-支撑端部、10-节点板、11-约束外筒、12-金属橡胶环、13-核心筒、14-钢结构框架梁、15-钢结构框架柱。
具体实施方式
实施例1：
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，是本发明带锁定装置的金属橡胶阻尼器型的防屈曲耗能支撑，其主要包括金属橡胶阻尼器1、高强度螺栓2、连接钢板3、定向导杆4、定向铰5、连接角钢6、橡胶缓冲垫7、限位板8、支撑端部9、节点板10、约束外筒11、金属橡胶环12、核心筒13、钢结构框架梁14、钢结构框架柱15。
金属橡胶阻尼器1材料选用金属橡胶，大小为边长30cm的正方体块，金属橡胶是由金属丝卷成螺旋形，经过编织，加压成型的金属材料，具有高弹性、高阻尼的特性，金属橡胶阻尼器1具有良好的耗能减震能力，且起振力低，金属橡胶阻尼器1中心开螺栓孔，三个金属橡胶阻尼器1并排而放，通过每个金属橡胶阻尼器1两侧各两个高强度螺栓2和中心的高强度螺栓2与连接钢板3相连接并固定在钢结构框架梁14下，金属橡胶阻尼器1之间存在一定的间隙，在风荷载和地震作用下发生剪切变形并充分耗能，高强度螺栓2采用强度等级为10.9级，连接钢板3选用钢材为Q345。
定向导杆4一端开有螺栓孔，通过高强度螺栓2与节点板10相连接固定于金属橡胶阻尼器1下，节点板10焊接在连接钢板3下，其焊缝连接形式T形连接，焊缝形式为角焊缝。定向导杆4的另一端呈楔形，楔形坡度为25度，从而形成突出段。定向铰5和限位板8之间的长度与定向导杆4的楔形段的长度相等或多出2cm以内，充分保证定向导杆4被锁死。定向导杆4的楔形直边与定向铰5竖向长边的水平距离为位移阈值，其数值应根据实际设计需求和弹塑性分析结果确定。在金属橡胶阻尼器1整体位移超过设定的位移阈值后，定向导杆4的突出段进入定向铰5和限位板8之间的位置，其位移行程被约束，进而金属橡胶阻尼器1的变形被锁定，定向导杆4和节点板10选用钢材为Q345。
定向铰5的两个部分，一部分是坡度为23度的楔形厚钢板，更容易使定向导杆4滑入，来卡住定向导杆4，一部分是只能让楔形钢板单向转动的卡扣钢板，这两个部分通过高强度螺栓2相连接，定向铰5靠有转动能力的高强度螺栓2实现单向转动，只允许定向导杆4的楔形部位滑入定向铰5的楔形部位，不允许定向导杆4滑出，定向铰5用连接角钢6通过高强度螺栓2固定在钢结构框架梁14的下面。定向铰5的最下端要和定向导杆4的卡扣的位置齐平，在定向导杆4和定向铰5的楔形部位涂抹上一层润滑剂，既能让定向导杆4更容易的滑入，又能保证定向导杆4能被定向铰5的楔形部位卡死，定向铰5和连接角钢6选用的钢材均为Q345。
限位板8用连接角钢6通过高强度螺栓2固定在钢结构框架梁14的下面，限位板8限制定向导杆4发生进一步的位移，橡胶缓冲垫7通过高强度粘合剂粘结在限位板8的内侧，对定向导杆4发生进一步位移起缓冲保护作用，限位板8的最下端要稍微低于定向导杆4的最下端，限位板8选用钢材为Q345钢。
防屈曲耗能支撑的支撑端部9一端和节点板10通过高强度螺栓2相连接固定于金属橡胶阻尼器1下面，支撑端部9的另一端和节点板10通过高强度螺栓2相连接固定于钢结构框架梁与柱的节点处，节点板10通过高强度螺栓2与钢结构框架的梁和柱子相连接。防屈曲耗能支撑主要由支撑端部9、约束外筒11、金属橡胶环12、核心筒13组成，核心筒13使用低屈服点钢Q160，防屈曲耗能支撑在地震作用下所承受的轴向作用全部由支撑中心的核心筒13承受，核心筒13在轴向拉力和压力作用下进行屈服耗能。约束外筒11选用钢材为Q345，约束外筒11提供给核心筒13弯曲限制，避免核心筒13受轴压时发生整体和局部屈曲。约束外筒11和核心筒13之间设有一层无粘结材料或非常狭小的空气层，可以减小或消除因核心筒13受压膨胀时传给约束外筒11的力。
金属橡胶环12的材料选用金属橡胶，金属橡胶是由金属丝卷成螺旋形，经过编织，加压成型的金属材料，具有高弹性、高阻尼的特性。金属橡胶环12焊接在防屈曲耗能支撑四分之一处区域的约束外筒11和核心筒13之间(先将套管平均切割成四段，再将长为30cm的金属橡胶环12焊接在长为30cm的约束外筒11和核心筒13之间，最后将这三段焊接好的带金属橡胶环12的支撑一段段与不带金属橡胶环12的支撑焊接在一起)，使防屈曲耗能支撑的薄弱部位由支撑端部9转移到加入金属橡胶环12的部位，核心筒13在轴向拉力和压力作用下在置于金属橡胶环12的部位发生定点屈服，实现防屈曲耗能支撑屈服部位和非屈服部位的明确分工。
上述的金属橡胶阻尼器1，定向导杆4，定向铰5，限位装置8，防屈曲耗能支撑的各个组成部分在工厂预制拼装好，待整个钢结构框架施工完成后，将这些拼装好的装置运送到施工现场，用高强度螺栓2与钢结构框架的梁柱相连接，既节省施工时间，又能降低施工成本。
以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。
Claims (5)
1.带限位锁定功能的金属橡胶阻尼器和防屈曲支撑组合耗能装置，该装置主要包括金属橡胶阻尼器(1)、高强度螺栓(2)、连接钢板(3)、定向导杆(4)、定向铰(5)、连接角钢(6)、橡胶缓冲垫(7)、限位板(8)、支撑端部(9)、节点板(10)、约束外筒(11)、金属橡胶环(12)、核心筒(13)；其特征在于：金属橡胶阻尼器(1)和连接钢板(3)通过高强度螺栓(2)固定并与钢梁相连接，定向导杆(4)和节点板(10)通过高强度螺栓(2)固定于金属橡胶阻尼器(1)下面，定向铰(5)和连接角钢(6)通过高强度螺栓(2)固定并与钢梁相连接，限位板(8)和连接角钢(6)通过高强度螺栓(2)固定并与钢梁相连接，橡胶缓冲垫(7)用高强度粘结材料粘结在限位板(8)的内侧，防屈曲耗能支撑的支撑端部(9)通过高强度螺栓(2)一端和节点板(10)固定在金属橡胶阻尼器(1)下面，一端和节点板(10)固定在梁与柱的节点处。
2.根据权利要求1所述的带限位锁定功能的金属橡胶阻尼器和防屈曲支撑组合耗能装置，其特征在于：金属橡胶阻尼器(1)为中心开螺栓孔立方体金属橡胶块，和连接钢板(3)通过高强度螺栓(2)固定并与钢梁相连接，在风荷载和小的地震作用下金属橡胶阻尼器(1)由于起振力低和超弹性而率先进入耗能的工作状态，从而降低主体结构动力响应，保护主体结构和构件免遭损坏。
3.根据权利要求1所述的带限位锁定功能的金属橡胶阻尼器和防屈曲支撑组合耗能装置，其特征在于：定向导杆(4)和节点板(10)通过高强度螺栓(2)固定于金属橡胶阻尼器(1)下面，金属橡胶阻尼器(1)在耗能阶段拉压变形发生位移时，定向导杆(4)也随之产生位移，一旦超过位移阈值，定向导杆(4)就滑入定向铰(5)，通过定向导杆(4)上的卡槽与定向铰(5)楔形部位卡住锁定，定向铰(5)和连接角钢(6)通过高强度螺栓(2)固定并与钢梁相连接，定向铰(5)只能单向转动，只允许定向导杆(4)滑进不允许滑出；限位板(8)和连接角钢(6)通过高强度螺栓(2)固定并与钢梁相连接，限位板(8)限制定向导杆(4)发生进一步位移，粘结在限位板(8)内侧的橡胶缓冲垫(7)给发生更大位移的定向导杆(4)提供一定的缓冲保护作用，即可避免金属橡胶阻尼器(1)因发生过大变形位移而破坏，由定向导杆(4)、定向铰(5)和限位板(8)组成的锁定装置，对金属橡胶阻尼器(1)起到锁定保护的作用。
4.根据权利要求1所述的带限位锁定功能的金属橡胶阻尼器和防屈曲支撑组合耗能装置，其特征在于：防屈曲耗能支撑由支撑端部(9)、约束外筒(11)、金属橡胶环(12)、核心筒(13)组成；防屈曲耗能支撑的支撑端部(9)通过高强度螺栓(2)一端和节点板(10)固定在金属橡胶阻尼器(1)下面，一端和节点板(10)固定在梁与柱的节点处；在正常荷载和风荷载等小的荷载作用下，防屈曲耗能支撑相当于普通支撑，为结构提供固定的刚度；在中震和大震作用下，金属橡胶阻尼器(1)被锁定之后，防屈曲耗能支撑开始进入屈服耗能的工作状态，由于受到约束外筒(11)的侧向约束，核心筒(13)屈服段在受拉受压状态下进行充分屈服耗散地震能量。
5.根据权利要求1所述的带限位锁定功能的金属橡胶阻尼器和防屈曲支撑组合耗能装置，其特征在于：金属橡胶环(12)被等间隔地焊接在约束外筒(11)和核心筒(13)之间，防屈曲耗能支撑局部削弱相当于其他部位加强，使防屈曲耗能支撑的薄弱部位由支撑端部(9)转移到加入金属橡胶环(12)的部位，在风荷载和地震作用下，防屈曲耗能支撑的核心筒(13)在加入金属橡胶环(12)的部位发生定点屈服，实现防屈曲耗能支撑屈服部位和非屈服部位的明确分工，耗散更多的地震能量，充分发挥耗能作用，避免主体结构的破坏。
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