CN107327193A - 一种三维金属耗能阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维金属耗能阻尼器，包括上连接板、下连接板、U型钢和S型钢、侧向连接支撑柱和中央矩形连接柱；U型钢两平直段分别与上连接板和下连接板连接成一整体，中央矩形连接柱的上端与上连接板固定连接，下端悬空；S型钢一端平直段外侧面与中央矩形连接柱外侧面固定连接，另一端与侧向连接支撑柱成一整体；侧向连接支撑柱低端与下连接板固定连接；S型钢对称布置在中央矩形连接柱四周。本发明采用特殊形状的U型钢和S型钢作为耗能元件，当上下两端受到剪力和弯矩作用时，利用U型钢和S型钢产生的弯曲变形和扭转变形在有限的高度内获得较大的变形量，滞回曲线饱满，耗能能力大,有效避免钢材断裂，有效提高建筑结构的抗震性能。

Description

一种三维金属耗能阻尼器

技术领域

本发明属于土木工程结构减振技术领域,具体涉及一种新型三维金属耗能阻尼器，适用于工业与民用建筑、桥梁、水利以及重要设备等工程的减振。

背景技术

我国位于环太平洋地震带和欧亚地震带两大强烈地震多发区的影响地区，是一个地震多发的国家。如何提高建筑、桥梁、水利等抗震性能是工程设计非常重视的问题。在建筑工程结构抗震技术领域中比较容易实现和有效的减振方法是给结构增设阻尼器。目前国内外常见的阻尼器类型主要有粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器、金属阻尼器、摩擦阻尼器、调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器。

金属阻尼器是一种耗能性能优越、构造简单、制作方便、价格低廉、易于更换的耗能减振装置，它既可以配合隔震支座，作为其耗能单元或限位装置，又可以单独用于结构中作为耗能装置，提供附加阻尼和刚度。自Kelly和Skinner等人提出在结构中安装金属阻尼器耗散大部分地震能量的想法后，金属阻尼器在结构中的运用得到了快速的发展，国内外学者、工程技术人员后开发了多种类型的金属耗能器，目前应用的有X型、三角形和开孔型加劲阻尼装置等。通过在结构中合理的布置，金属阻尼器能发生较大的剪切变形或弯曲变形以满足结构的位移，耗散较多的能量。

现阶段土木工程结构形式越来越趋于高大化和复杂化。地震作用下，结构在地震作用时往往呈现复杂的多维振动状态。已有震害资料和试验表明，竖向地震对结构的动力响应以及非结构构件的破坏有着明显的影响。而传统的阻尼器主要满足水平单向耗能，难以满足竖向耗能的需求。考虑到日益提高的结构性能化设计需求，研究新型多维减振技术已是发展的趋势。通过在现有的一维和二维耗能阻尼器基础上，开发三维减振阻尼器成为解决结构竖向振动耗能的重要途径。

在三维减振耗能方面，国内已有利用刚性质量块、弹性层、弹簧、黏弹阻尼单元实现三维减振耗能的相关研究，在这些研究中为同时实现竖向耗能而采取的特别构造使得三维减振阻尼器体积庞大、安装不便、造价昂贵，主要应用于大型工业设施减振耗能，较难在工程结构领域中进行推广使用。目前，三维阻尼器的研究还处于理论与实验阶段，缺乏实际工程运用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提出一种三维金属耗能阻尼器，该阻尼器结构简单，能提供较大的三维变形，可以满足三维方向的减振耗能。

本发明的技术方案如下：

一种三维金属耗能阻尼器，包括上连接板1、下连接板2、U型钢3和S型钢4、侧向连接支撑柱5和中央矩形连接柱6；其特征是U型钢3两平直段分别与上连接板1和下连接板2连接成一整体，中央矩形连接柱6的上端与上连接板1固定连接，下端悬空；S型钢4一端平直段外侧面与中央矩形连接柱6外侧面固定连接，另一端与侧向连接支撑柱5成一整体；侧向连接支撑柱5低端与下连接板2固定连接；S型钢对称布置在中央矩形连接柱四周。

所述上连接板和下连接板是普通钢板，形状是矩形、圆形或者多边形。

所述S型钢和U型钢与上下连接板固定连接方式是焊接或者螺栓连接。

所述S型钢和U型钢是低屈服点钢，具有良好的塑性变形能力，其滞回曲线较传统金属阻尼器更饱满，且等效粘滞阻尼系数较传统金属阻尼器更大，耗能性能更优越。

所述U型钢和S型钢的总数量根据阻尼器所提供的阻尼比确定,通过对设置有三维金属阻尼器的结构进行弹塑性时程分析，可以确定单个U型钢和单个S型钢的阻尼比，以此来确定U型钢和S型钢的个数。U型钢和S型钢的数量可以相等也可以不等。

在阻尼器上连接板1和下连接板2上还分别设置有用于与外部结构相连的连接部件。

所述上连接板1与上部结构上固定设置的连接板8相连，下连接板2与下部结构上固定设置的连接板9相连，所述的连接部件为螺栓孔、螺栓，将阻尼器上下连接板与上部结构和下部结构的连接。

所述阻尼器安装在承受地震作用或其它动力作用时有三维变形的部位的包括建筑、桥梁或水利工程中。

具体说明如下：

所述耗能元件是通过发生弯曲变形和扭转变形而耗能的S型钢和U型钢，上下连接板间设置有侧向连接支撑柱和中央矩形连接柱，侧向连接支撑柱一端与S型钢一端平直段成一整体，另一端与下连接板固定连接，起固定支撑作用；中央矩形连接柱一端与上连接板固定连接，另一端悬空，侧面分别与S型钢平直段另一端固定连接。

本发明中，所述U型钢主要满足水平向耗能需求，两平直段与上下连接板固定连接，U型钢平直段和弯曲段不受约束，可以在平面外发生较大变形，在较小地震作用下，外侧U型钢具有较大的初始刚度从而使上部结构不产生较大的水平位移；在强地震作用时，轴线与地震作用同向的U型钢平直段会发生向上凸起或向下凹陷的塑性变形，U型钢弯曲段会发生弯曲变形而耗散能量；轴线与地震作用垂直时的U型钢发生平面外的扭转变形进入塑性阶段而消耗地震能量。

本发明中，所述S型钢主要满足竖向耗能需求，其平直段一端受到中央矩形连接柱约束，只能在弯曲段内发生弯曲变形，S型钢平直段另一端与侧向连接支撑柱成一整体，可以发生平面外较大塑性变形，在较小地震作用下由于阻尼器自身较大的初始刚度结构不发生较大的变形，在强震作用下，S型钢弯曲段发生塑性变形而滞回耗能。

本发明具有如下优点：

1、可实现较大变形量。本发明采用特殊形状的U型钢和S型钢作为耗能元件，当上下两端受到剪力和弯矩作用时，利用U型钢和S型钢产生的弯曲变形和扭转变形在有限的高度内获得较大的变形量，滞回曲线饱满，耗能能力大,还可以有效避免钢材断裂。

2、能同时满足三维方向的耗能。本发明利用外侧设置的U型钢提供水平方向的阻尼，耗散水平向地震能量；利用S型钢提供竖向阻尼，耗散竖向地震能量。与传统金属阻尼器相比，该阻尼器能同时满足三维方向的减振耗能，适用性更强。

3、本发明通过调节S型钢和U型钢平直段长度、弯曲段半径、截面形状与尺寸等可以改变阻尼器的变形能力，同时实现三方向变形耗能，适用于三维隔震或其它具有三维变形需要的场合，承受较大的扭转。

4、可设计性强。本发明可以通过改变U型钢和S型钢的数量、尺寸和形状实现在较大范围内任意变化的屈服力，屈服位移，可以满足多种结构的需求。

5、结构设计简单。本发明结构简单，设计合理，阻尼器各部位功能明确，安装使用方便。

6、该三维金属耗能阻尼器取材容易，造价低廉，制作加工方便，具有同时完成三维减振耗能效果，并且具有良好的整体稳定性和工作安全性。

7、震后可替换性强，使用灵活，拆卸方便；可以有效提高建筑结构的抗震性能，具有广阔的市场和应用前景。

附图说明

图1为本发明三维金属耗能阻尼器的整体立体图。

图2为图1的剖面视图。

图3为图1的侧向视图。

图4为U型钢示意图。

图5为S型钢示意图。

图6为图3所示三维金属耗能阻尼器的应用示意图。

图7为图5所示三维金属耗能阻尼器局部应用放大图。

图8为图5所示三维金属耗能阻尼器局部应用剖面图。

图中各部件的标记如下：1、阻尼器上连接板；2、阻尼器下连接板；3、外侧U型钢；4、内侧S型钢；5、侧向连接支撑柱；6、中央矩形连接柱；7、高强螺栓；8、阻尼器与上部结构固定连接的上连接板；9、阻尼器与下部结构固定连接的下连接板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。

如图1、3所示，一种三维金属耗能阻尼器，包括上连接板1、下连接板2、U型钢3和S型钢4、侧向连接支撑柱5和中央矩形连接柱6。图2剖面图所示，耗能元件主要包括外侧U型钢3、内侧S型钢4，U型钢3两平直段分别与上连接板1和下连接板2牢固连接成一整体，此处连接方式可以采用螺栓连接或焊接，本例中连接方式为焊接；内侧S型钢4一端平直段外侧面与中央矩形连接柱6外侧面固定连接，另一端与侧向连接支撑柱成一整体；中央矩形连接柱6的上端与上连接板1固定连接，下端悬空。侧向连接支撑柱5一端与下连接板2固定连接。所述S型钢关于中央矩形连接柱对称布置，所述中央矩形连接柱一端与上连接板固定连接，四个侧面分别与S型钢一端平直段外侧面固定连接，U型钢和S型钢的数量可以相等也可以不等。

本例中三维金属耗能阻尼器是利用外侧U型钢3和内侧S型钢4受弯、受扭时良好的塑性变形能力来获取变形量。如图4所示，外侧U型钢3主要是通过塑性变形来耗散地震水平方向的能量，在较小地震作用下，外侧U型钢具有较大的初始刚度从而使上部结构不产生较大的水平位移；在强地震作用时，轴线与地震作用同向的U型钢平直段会发生向上凸起或向下凹陷的塑性变形，U型钢弯曲段会发生弯曲变形而耗散能量；轴线与地震作用垂直时的U型钢发生平面外的扭转变形进入塑性阶段而消耗地震能量。如图5所示，S型钢主要满足竖向耗能需求，其平直段一端受到中央矩形连接柱的约束，只能在弯曲段内发生弯曲变形，S型钢平直段另一端与侧向连接支撑柱成一整体，可以发生较大塑性变形，在较小地震作用下由于阻尼器自身较大的初始刚度结构不发生较大的变形，在强震作用下，S型钢弯曲段发生塑性变形而滞回耗能。

本发明中，所述U型钢在竖向地震作用时，连接板外侧的平直段和弯曲段会发生弯曲变形而耗散一部分竖向地震能量；所述S型钢在水平地震作用时，轴线与地震作用同向时的S型钢主要通过弯曲变形来耗散一部分水平地震能量，轴线与地震作用垂直时的S型钢主要通过较大的扭转变形来耗散水平地震能量。阻尼器可以实现三个方向的耦合变形，其竖向变形能力可以与水平向变形能力相当。在地震作用下可以有效避免钢材断裂。震后可替换性强，安装拆除方便。S型钢主要承担竖向耗能，但也可以承受水平向变形，在水平地震作用下参与耗能；U型钢主要承担水平向耗能，但也可以承受竖向变形，在竖向地震作用下参与耗能。

为方便与其它构件连接，在阻尼器上连接板1和下连接板2上还分别设置有用于与外部结构相连的连接机构。如图7所示，本例中连接机构为螺栓孔7，利用上连接板8、下连接板9来实现本发明与外部结构的连接，上连接板1与结构上固定设置的连接板8相连，下连接板2与下部结构上固定设置的连接板9相连，从而将本发明牢固连接在结构上，本例中采用高强螺栓来完成阻尼器上下连接板与上部结构和下部结构的连接。

本发明三维金属耗能阻尼器可以实现较大的位移变形量，具有较大的初始刚度，弹性阶段自复位能力较强，在弹性阶段，在结构整体刚度作用下，可以基本恢复至初始阶段，从而降低结构的位移。图6所示为三维金属耗能阻尼器在结构中的运用，本实施例中以一钢框架为例，阻尼器配合隔震支座用于钢框架中，钢框架的重力全部由支座承担，雪载、风载等活荷载作用时，由于阻尼器自身较大的刚度可以使阻尼器基本处于弹性阶段内，地震作用时，阻尼器通过U型钢和S型钢进入塑性阶段而耗散大量地震能量，从而减小支座的位移和钢框架的地震能量。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，应注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.三维金属耗能阻尼器，包括上连接板(1)、下连接板(2)、U型钢(3)和S型钢(4)、侧向连接支撑柱(5)和中央矩形连接柱(6)；其特征是U型钢(3)两平直段分别与上连接板(1)和下连接板(2)连接成一整体，中央矩形连接柱(6)的上端与上连接板(1)固定连接，下端悬空；S型钢(4)一端平直段外侧面与中央矩形连接柱(6)外侧面固定连接，另一端与侧向连接支撑柱(5)成一整体；侧向连接支撑柱(5)低端与下连接板(2)固定连接；S型钢对称布置在中央矩形连接柱四周。

2.如权利要求1所述的阻尼器，其特征是所述上连接板和下连接板是普通钢板，形状是矩形、圆形或者多边形。

3.如权利要求1所述的阻尼器，其特征是所述S型钢和U型钢与上下连接板固定连接方式是焊接或者螺栓连接。

4.如权利要求1所述的阻尼器，其特征是所述S型钢和U型钢是低屈服点钢。

5.如权利要求1所述的阻尼器，其特征是所述U型钢和S型钢的总数量根据阻尼器所提供的阻尼比确定,通过对设置有三维金属阻尼器的结构进行弹塑性时程分析，确定单个U型钢和单个S型钢的阻尼比，以此来确定U型钢和S型钢的个数；U型钢和S型钢的数量相等或不等。

6.如权利要求1所述的阻尼器，其特征是在阻尼器上连接板(1)和下连接板(2)上还分别设置有用于与外部结构相连的连接部件。

7.如权利要求2所述的阻尼器，其特征是上连接板(1)与上部结构上固定设置的连接板(8)相连，下连接板(2)与下部结构上固定设置的连接板(9)相连，所述的连接部件为螺栓孔、螺栓，将阻尼器上下连接板与上部结构和下部结构的连接。

8.如权利要求1所述的阻尼器，其特征是阻尼器安装在承受地震作用或其它动力作用时有三维变形的部位的包括建筑、桥梁或水利工程中。