CN107419815A - 一种分阶耗能金属阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分阶耗能金属阻尼器，包括有平行且相对设置的第一连接板和第二连接板；所述第一连接板与所述第二连接板之间还设置有：至少一块第一耗能直钢板，所述第一耗能直钢板的上下端分别垂直连接所述第一连接板和第二连接板；两第二耗能弯曲钢板，对称布置在所述第一能耗直钢板长度方向的左右两侧；所述第二耗能弯曲钢板的弯曲口背向所述第一耗能直钢板，且所述第二耗能弯曲钢板的上下端分别连接所述第一连接板和第二连接板。本发明采用剪切耗能直板与剪切“U”性耗能板组合的方式构成分阶段屈服金属阻尼器，具有良好的小震和大震下分阶段屈服能力；而且本发明结构简单、成本低、便于维修更换部件，具有良好的经济效益。

Description

一种分阶耗能金属阻尼器

技术领域

本发明涉及阻尼器设计技术领域，具体涉及一种分阶耗能金属阻尼器。

背景技术

金属阻尼器是结构工程中最为常见的一种被动消能构件。金属阻尼器运用金属材料良好的塑性变形能力，经合理设计其结构形式和力学参数，能在工程结构遭受外界作用时(如风荷载、地震作用)率先屈服而消耗能量，从而保证主体结构的安全。

金属阻尼器在设计和性能等方面存在以下问题：

1.现有的金属阻尼器通常都是承载力较大，同时尺寸也就较大，就造成了在生产、运输、安装个过程中诸多不便，且整个金属阻尼器的制作工艺较为复杂，构造不够简单。

2.已有的金属阻尼器耗能机制单一，大多数无法同时满足小震和大震时的要求，部分阻尼器设计屈服位移大，只能在大震下起到消能减震作用，而小震时则处于弹性状态，耗能少或者地震能量由主体结构耗散；

3.另一部分阻尼器虽然屈服位移较小，能够满足小震时屈服耗能，大震时也有较好的耗能和延性性能，但是这类阻尼器往往会增加结构的附加刚度，进而导致地震作用效应的增大，不利于结构抗震。

4.现有的金属阻尼器中核心耗能材料均为低屈服钢，但低屈服钢在市场上的价格较为昂贵，是普通钢材的2-4倍，工程造价较高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种通过将多种耗能构件组合在一起以实现剪切型共同作用耗能的组合型分阶段屈服金属阻尼器，解决现有的金属阻尼器不能同时满足风振、小震和大震耗能要求，以及安装维修不便的技术问题。

为此，本发明提供了一种分阶耗能金属阻尼器，包括有平行且相对设置的第一连接板和第二连接板；所述第一连接板与所述第二连接板之间还设置有：

至少一块第一耗能直钢板，所述第一耗能直钢板的上下端分别垂直连接所述第一连接板和第二连接板；

两第二耗能弯曲钢板，对称布置在所述第一能耗直钢板长度方向的左右两侧；所述第二耗能弯曲钢板的弯曲口背向所述第一耗能直钢板，且所述第二耗能弯曲钢板的上下端分别连接所述第一连接板和第二连接板。

较佳地，所述第一耗能直钢板沿着所述第一连接板、第二连接板的长度方向设置；所述第一连接板与所述第二连接板之间设置有两块或两块以上的第一耗能直钢板，两块或两块以上的第一耗能直钢板沿着所述第一连接板、第二连接板的宽度方向顺序排列。

较佳地，所述第一耗能直钢板采用矩形开孔剪切型耗能板。

较佳地，所述第一耗能直钢板上设置有若干开孔，每个开孔沿着垂直于所述第一连接板、第二连接板的方向延伸，若干开孔沿着平行于所述第一连接板、第二连接板的方向顺序排列。

较佳地，所述第二耗能弯曲钢板的两端具有平行于第一连接板、第二连接板的平台段。

较佳地，所述第二耗能弯曲钢板呈倒置的“U”形，其上下端的平台段分别与所述第一连接板、第二连接板连接。

较佳地，所述第二耗能弯曲钢板背向所述第一耗能直钢板的一侧上顺序排列有多个弧形肋，所述弧形肋沿着所述第二耗能弯曲钢板的弯曲方向延伸设置

较佳地，所述第二耗能弯曲钢板与所述第一耗能直钢板之间留有间隙。

较佳地，所述间隙为2-5mm。

较佳地，所述第一耗能直钢板的屈服强度小于等于所述第二耗能弯曲钢板的屈服强度。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明提供的分阶耗能金属阻尼器，采用剪切耗能直板与剪切“U”性耗能板组合的方式构成分阶段屈服金属阻尼器，具有良好的小震和大震下分阶段屈服能力；在保证阻尼器大小不变的情况下，能够有效提高阻尼器的吨位，减小减震器的空间，更加便于安装、施工。同时，有效利用第二耗能弯曲钢板对第一耗能直钢板的加劲作用，保护建筑结构的安全，提高建筑舒适度。而且，本发明结构简单，相邻钢板直接焊接在一起即可，故而成本低、便于维修更换部件，具有良好的经济效益；在每次经过强烈地震后，可以更换阻尼器，旧的金属阻尼器材料可以加工重新利用，比较环保经济。

附图说明

结合附图，通过下文的述详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中：

图1为本发明提供的分阶耗能金属阻尼器的结构示意图；

图2为本发明中第一耗能直钢板与第一连接板、第二连接板之间的连接示意图；

图3为本发明中第一耗能直钢板的结构示意图；

图4为本发明中第二耗能弯曲钢板的结构示意图；

图5为本发明在有限元软件ABAQUS中模拟出的滞回曲线、材料本构取等向强化模型；

图6为图5中模拟滞回曲线的骨架曲线。

具体实施方式

参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。

参照图1-4，本发明提供了一种分阶耗能金属阻尼器，包括有平行且相对设置的第一连接板1和第二连接板2；第一连接板1与第二连接板2之间还设置有至少一块第一耗能直钢板3和两第二耗能弯曲钢板4，第一耗能直钢板3的上下端分别垂直连接第一连接板1和第二连接板2；两第二耗能弯曲钢板4，对称布置在第一能耗直钢板3长度方向的左右两侧；第二耗能弯曲钢板4的弯曲口背向第一耗能直钢板3，且第二耗能弯曲钢板4的上下端分别连接第一连接板1和第二连接板2。

本发明提供的分阶耗能金属阻尼器，在小震情况下，第一耗能直钢板首先进入屈服工作阶段，所有；在大震的情况下，第一耗能直钢板削弱部分，作为第一耗能直钢板的补充，第二耗能弯曲钢板弧形区域受弯发生变形，利用钢材的塑性变形过程实现耗能，从而达到衰减外界输入能量，所以设置在第一耗能直钢板两侧的第二耗能弯曲钢板提供侧向约束并承担大震作用下的耗能作用。

本发明采用剪切耗能直板与剪切“U”性耗能板组合的方式构成分阶段屈服金属阻尼器，具有良好的小震和大震下分阶段屈服能力；在保证阻尼器大小不变的情况下，能够有效提高阻尼器的吨位，减小减震器的空间，更加便于安装、施工。同时，有效利用第二耗能弯曲钢板对第一耗能直钢板的加劲作用，保护建筑结构的安全，提高建筑舒适度。而且，本发明结构简单，相邻钢板直接焊接在一起即可，故而成本低、便于维修更换部件，具有良好的经济效益；在每次经过强烈地震后，可以更换阻尼器，旧的金属阻尼器材料可以加工重新利用，比较环保经济。

本发明解决现有的金属阻尼器不能同时满足风振、小震和大震耗能要求，以及安装维修不便的技术问题。

在本实施例中，第一连接板1和第二连接板2为规格形状一直的矩形板结构，第一连接板1与第二连接板2上下相对且平行设置。

在本实施例中，第一连接板1、第二连接板2上均设置有四个螺栓孔，第一连接板1、第二连接板2两端上各布置有两个，如图1-2中所示；本发明提供的阻尼器通过第一连接板1、第二连接板2上的螺栓孔并配备高强度螺栓，实现与结构建筑间的紧固连接。当然，需要说明的是，第一连接板1、第二连接板2与结 构建筑间紧固连接的形式不限于螺栓连接，现有技术中常见的连接形式如焊接或铆接等适合应用在本发明中的连接形式也应落入本发明的保护范围。

在本实施例中，第一耗能直钢板3竖直设置在第一连接板1和第二连接板2之间，且第一耗能直钢板3是沿着第一连接板1、第二连接板2的长度方向设置的，如图2中所示；第一耗能直钢板3的上下端，通过焊接等方式实现与第一连接板1、第二连接板2之间的固定连接。其中，第一耗能直钢板3的设置数量可根据阻尼器需要的吨位进行调整，此处不做限制；可通过改变第一耗能直钢板3的数量来改变阻尼器在不同屈服位移下的耗能性能，从而来满足不同的需求。

当第一连接板1与第二连接板2之间设置有两个或两个以上的第一耗能直钢板3时，两个或两个以上的第一耗能直钢板3沿着第一连接板1、第二连接板2的宽度方向顺序间隔排列，相邻第一耗能直钢板3相对且平行，如图2中所示。

在本实施例中，第一耗能直钢板3为一矩形开孔剪切型耗能板。具体的，如图3中所示，第一耗能直钢板3上设置有若干开孔301，开孔301呈长条状；每个开孔301沿着垂直于第一连接板1、第二连接板2的方向延伸，同时若干开孔301沿着平行于第一连接板1、第二连接板2的方向顺序间隔排列。其中，开孔301的大小可根据承载力的需求设置，此处不做限制。本发明可以通过控制开孔301的宽度，使得第一耗能直钢板3上下端的变形能力得到充分发挥，达到最佳耗能能力。

在本实施例中，第二耗能弯曲钢板4上下两末端均具有平台段401，平台段401平行于第一连接板1、第二连接板2，便于第二耗能弯曲钢板4的两端与第一连接板1、第二连接板2连接。

具体的，如图4中所示，第二耗能弯曲钢板4呈倒置的“U”形，其上下端的平台段分分别与第一连接板1、第二连接板2焊接在一起。当然，在其他实施例中，第二耗能弯曲钢板4的结构形式并不局限于以上所述，也可根据具体情况进行调整处，此处不做限制。

在本实施例中，如图4中所示，第二耗能弯曲钢板4背向第一耗能直钢板3的一侧上顺序排列有多个弧形肋5，弧形肋5沿着第二耗能弯曲钢板4的弯曲方向延 伸设置；弧形肋5具体呈倒置的“U”形，通过焊接等方式固定在第二耗能弯曲钢板4上。

第二耗能弯曲钢板4为“U”型弯曲耗能板，根据其物理特性，“U”型弯曲耗能板的变形能力较大，通过增加弧形肋5来增加其刚度，“U”型肋与钢板内侧通过焊接连接；其中，弧形肋5来的数量可根据连接板的宽度和承载力的需求合理设置，此处不做限制。

在本实施例中，第二耗能弯曲钢板4的弧形部分与第一耗能直钢板3侧壁之间留有间隙。考虑到“U”形钢板变形能力较强，间隙的设置，起到防止在变形的过程中第二耗能弯曲钢板4与第一耗能直钢板3接触从而限制其变形能力的作用。其中，优选的，间隙为取值范围为2-5mm。

在本实施例中，第一耗能直钢板的屈服强度小于等于第二耗能弯曲钢板的屈服强度。进一步的，第一耗能直钢板3的屈服强度大于等于225MPa、小于等于345MPa，第二耗能弯曲钢板4的屈服强度大于等于235MPa，从而能够形成明显的双重屈服机制。需要说明的是，由于位于不同地震带上的建筑物对剪切型分阶段屈服金属阻尼器的耗能参数要求也不相同，故根据实际使用需要而选择的任意屈服强度的耗能钢板作为第一耗能直钢板或第二耗能弯曲钢板均应落入本发明的保护范围。

在本实施例中，第一耗能直钢板3的厚度小于等于20mm，第二耗能弯曲钢板4的厚度大于20mm。本发明通过上述尺寸的限定，以保证的阻尼器出现双节屈服；如果未按照该要求，阻尼器虽然也能具有良好的耗能能力，但是不会出现双节屈服机制。

再参照图5-6，图5为本发明的滞回曲线，滞回曲线是在力循环往复作用下，得到结构的外荷载－变形曲线，是阻尼器耗能能力最直观的反应；滞回曲线反映阻尼器在反复受力过程中的变形特征、刚度退化及能量消耗。

图6为图5的骨架曲线，将同方向(拉或压)加载的应力—应变曲线中，超过前一次加载最大应力的区段平移相连后得到的曲线称为骨架曲线。骨架曲线是每次循环加载达到的水平力最大峰值的轨迹，反映了阻尼器受力与变形的各 个不同阶段及特性(强度、刚度、延性、耗能)，也是确定恢复力模型中特征点的重要依据。

从图6中，我们可以明显看出本发明有第一屈服点和第二屈服点，能够较好的出现双阶屈服耗能机制。

本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离其本身的精神或范围。尽管已描述了本发明的实施案例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明的精神和范围之内作出变化和修改。

Claims (10)

1.一种分阶耗能金属阻尼器，其特征在于，包括有平行且相对设置的第一连接板和第二连接板；所述第一连接板与所述第二连接板之间还设置有：

至少一块第一耗能直钢板，所述第一耗能直钢板的上下端分别垂直连接所述第一连接板和第二连接板；

两第二耗能弯曲钢板，对称布置在所述第一能耗直钢板长度方向的左右两侧；所述第二耗能弯曲钢板的弯曲口背向所述第一耗能直钢板，且所述第二耗能弯曲钢板的上下端分别连接所述第一连接板和第二连接板。

2.根据权利要求1所述的分阶耗能金属阻尼器，其特征在于，所述第一耗能直钢板沿着所述第一连接板、第二连接板的长度方向设置；所述第一连接板与所述第二连接板之间设置有两块或两块以上的第一耗能直钢板，两块或两块以上的第一耗能直钢板沿着所述第一连接板、第二连接板的宽度方向顺序排列。

3.根据权利要求1或2所述的分阶耗能金属阻尼器，其特征在于，所述第一耗能直钢板采用矩形开孔剪切型耗能板。

4.根据权利要求3所述的分阶耗能金属阻尼器，其特征在于，所述第一耗能直钢板上设置有若干开孔，每个开孔沿着垂直于所述第一连接板、第二连接板的方向延伸，若干开孔沿着平行于所述第一连接板、第二连接板的方向顺序排列。

5.根据权利要求1所述的分阶耗能金属阻尼器，其特征在于，所述第二耗能弯曲钢板的两端具有平行于第一连接板、第二连接板的平台段。

6.根据权利要求5所述的分阶耗能金属阻尼器，其特征在于，所述第二耗能弯曲钢板呈倒置的“U”形，其上下端的平台段分别与所述第一连接板、第二连接板连接。

7.根据权利要求1或6所述的分阶耗能金属阻尼器，其特征在于，所述第二耗能弯曲钢板背向所述第一耗能直钢板的一侧上顺序排列有多个弧形肋，所述弧形肋沿着所述第二耗能弯曲钢板的弯曲方向延伸设置。

8.根据权利要求1或6所述的分阶耗能金属阻尼器，其特征在于，所述第二耗能弯曲钢板与所述第一耗能直钢板之间留有间隙。

9.根据权利要求8所述的分阶耗能金属阻尼器，其特征在于，所述间隙为2-5mm。

10.根据权利要求1所述的分阶耗能金属阻尼器，其特征在于，所述第一耗能直钢板的屈服强度小于等于所述第二耗能弯曲钢板的屈服强度。