CN107476631B - 弯剪分离控制型装配式金属阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明专利涉及一种利用软钢面内屈服变形机制耗散振动能量的阻尼器，用于房屋建筑的消能减震。本发明的弯剪分离控制型装配式金属阻尼器可作为建筑功能的分割元件安装在结构中，不承担竖向荷载；在遭受到风荷载或者地震荷载作用时，金属耗能片变形时产生的弹塑性滞回性能耗散风荷载或者地震荷载输入的能量，从而保护结构的主要构件；金属耗能片采用弯剪分离控制，大幅度降低耗能片的累积塑性变形，增强其低周疲劳性能。
Description
(一)技术领域
本发明属于结构工程抗震技术领域，涉及一种利用金属平面内屈服变形机制耗散地震能量的阻尼器。
(二)背景技术
近年来的地震活动剧烈，对工程结构造成了重大的损害，甚至导致了严重的人员伤亡，汶川、玉树、芦山、鲁甸等一系列震害表明我国城镇建筑仍面临着严重的地震威胁。随着新版地震区划图的发布，我国7度及以上设防区域面积增加到全国面积的58％，82％的省会城市和57％的地级市处于7度及以上设防区域。如何高效且经济的增强建筑结构的抗震能力是当前防震减灾工程的重要课题之一。消能减震技术正是为此发展起来的最新的抗震技术手段，采用“以柔克刚”的方式耗散地震输入能量，发挥“保险丝”的作用，牺牲自己，保全主体结构构件。一方面大幅度增强结构抗震能力，另一方面在震后可快速更换。
常见的消能减震装置主要可分为四大类：粘滞阻尼器、金属阻尼器、粘弹性阻尼器以及摩擦阻尼器。金属软钢阻尼器以其价格低廉、性能可靠的特性而受到人们的普遍青睐。金属软钢阻尼器利用金属材料屈服后的塑性应变能耗散能量。金属软钢阻尼器滞回特性稳定，低周疲劳特性良好，减震机理明确，减震效果显著，且不受环境温度影响。常规的金属软钢阻尼器采用面内变形耗散能量，以剪切变形为主，刚度大，耗能能力强。但耗能板易发生面外屈曲，不易控制；对于耗能段钢板的连接形式多为焊接，一方面影响了阻尼器的低周疲劳性能，另一方面在震后难以快速更换。特别是，现有的软钢阻尼器在耗能板的四角受到正应力的控制首先进入屈服，累积塑性变形很大，试验表明这是该型阻尼器最先发生低周疲劳断裂破坏的应力点。
(三)发明内容
本发明旨在克服传统金属软钢阻尼器的上述缺点，提出了一种弯剪分离控制型装配式金属阻尼器。该装置利用弹塑性变形能力良好的金属面内弯曲-剪切弹塑性变形机制耗散地震能量，将地震能量集中于耗能能力强大的金属耗能片，与传统的金属耗能片不同，金属耗能片靠近连接部分的边缘最大应力由弯曲正应力决定，而靠近中部截面的最大应力由剪切力引起的剪应力控制，取这两部分因素决定的最大应力包络线制成耗能片的边缘形状，地震来临时，边缘各点的最大应力相等，各个截面同时进入屈服状态，因此可充分利用整个耗能片进行耗能，同时有效降低连接截面边缘的累积塑性应变峰值，从而大幅度提高阻尼器的低周疲劳性能。为了防止面外屈曲，采用夹板装置，确保阻尼器屈服破坏。该阻尼器采用全装配式构造，全螺栓连接，方便更换，除耗能片以外的构件在震后可反复使用，有效降低了震后结构修复的成本，缩短了修复时间，从而提高了结构震后可快速修复的能力。该阻尼器即适用于建筑结构的连梁，也可在框架结构的层间作为墙式阻尼器使用。
本发明弯剪分离控制型装配式金属阻尼器包括有：金属耗能片1，L型连接支座2，一体型防屈曲连接双功能支座3，可更换型螺母紧固板4，螺纹孔5，预压紧固螺栓6，摩擦型高强连接螺栓7，垫板8，承压型螺栓9，连接预埋件10，横向加劲肋11，纵向加劲肋12，弯剪分离控制型装配式金属阻尼器线型13，厚度削弱的光滑截面14，小坡度边缘15，柔性填充材料16，预埋锚固钢筋17。
其中连接预埋件10带预埋锚固钢筋17预制在连接结构的混凝土中浇筑成一体，连接预埋件10开有螺纹孔5用以连接L型连接支座2，金属耗能片1分别通过L型连接支座2、一体型防屈曲连接双功能支座3与连接预埋件10相连，金属耗能片1与L型连接支座2、一体型防屈曲连接双功能支座3的连接处开螺栓孔，并通过摩擦型高强连接螺栓7连接，一体型防屈曲连接双功能支座3带有横向加劲肋11与纵向加劲肋12，安装时通过可更换型螺母紧固板4固定螺母并可反复使用，多组金属耗能片1并联时，应设置防屈曲隔板18与隔板19，L型连接支座2、一体型防屈曲连接双功能支座3与连接预埋件10连接处开螺栓孔，通过承压型螺栓9连接，一体型防屈曲连接双功能支座3在金属耗能片1边缘曲线的空缺处设置螺栓孔，一体型防屈曲连接双功能支座3在靠近金属耗能片1的耗能区域截面设置厚度削弱的光滑截面14，减少金属耗能片1工作时与外界的摩擦力，通过预压紧固螺栓6将金属耗能片1夹紧防止面外屈曲，并通过厚度大于金属耗能片1的垫板8将两个一体型防屈曲连接双功能支座3隔开，以提供阻尼器足够的工作空间，金属耗能片1中部形状为弯剪分离控制型装配式金属阻尼器线型13，阻尼器外部包裹一层柔性填充材料16以防金属表面氧化。
优选地，金属耗能片1由一体型防屈曲连接双功能支座3夹紧形成防屈曲机制。
优选地，一体型防屈曲连接双功能支座3具有两种功能，既提供对金属耗能片1的防屈曲机制，又承担金属耗能片1与混凝土结构的连接作用。
优选地，金属耗能片1，L型连接支座2，一体型防屈曲连接双功能支座3，连接预埋件10通过摩擦型高强连接螺栓7以及承压型螺栓9连接，便于快速更换。
优选地，可更换型螺母紧固板4在进行阻尼器安装时可对螺母提供紧固作用，安装完毕后即可拆除并可在其他阻尼器安装中反复利用。
阻尼器的强度不应超过连接构件的强度，加入阻尼器的构件刚度等效成阻尼器刚度与两段连接结构刚度的串联，应按照与原始构件等强度、等刚度的原则设计。在小震下，金属耗能片1处于弹性状态，阻尼器提供与原始构件等效的初始刚度。在中震下，阻尼器率先进入屈服状态，金属耗能片1通过剪切滞回机制耗散振动能量，并保护连接构件免遭破坏。在大震下，阻尼器进入较大的塑性状态，耗散大量地震能量，有效降低了整体结构的地震响应。
本发明适用于建筑在遭遇地震时相对变形较大的位置，如核心筒的连梁或框架结构的层间。当应用于框架结构的两层之间时，应设置连接支墩，可在连接支墩上设置多个阻尼器并联工作，连接支墩应具有足够的刚度和强度，避免早于阻尼器屈服而破坏，整个层间的等效刚度为多个阻尼器与该层其他层间构件的并联。
该发明将地震能量引导到阻尼器上，使得结构的损伤主要集中于阻尼器，从而避免其他混凝土构件(如连梁、墙肢)发生破坏，最终达到提升整体结构抗震性能、控制损伤、保证震后可快速修复、减少经济损失的目的。
本发明的有益效果：
本发明采用全装配连接，拆装方便，易于结构的震后快速更换；本发明均为金属制品，表面经过抗氧化处理，具有良好的耐久性；本发明除耗能片外的部分在震后均可反复利用，有效降低结构的震后修复成本，经济环保；本发明构造简单，传力途径明确，力学性能稳定，安全可靠；本发明在建筑结构遭遇地震时能够吸收振动能量，有效减小主体结构的地震响应；本发明的屈服承载力与初始刚度设计灵活，可根据实际工程需求，将多个阻尼器串联或并联安装；本发明适用于高层、超高层建筑结构减震，如连梁跨中或框架结构的层间，效果明显。
(四)附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是本发明实施例1的结构剖面图。
图3是本发明实施例1的金属耗能片示意图。
图4是本发明实施例1的L型连接支座示意图。
图5是本发明实施例1的一体型防屈曲连接双功能支座示意图。
图6是本发明实施例1的可更换型螺母紧固板示意图。
图7是本发明实施例1的垫板示意图。
图8是本发明实施例1的连接预埋件示意图。
图9是本发明实施例2的结构剖面图。
图10是本发明实施例2的防屈曲隔板示意图。
图11是本发明实施例2的隔板示意图。
图12是本发明实施例3的结构示意图。
图中，金属耗能片1，L型连接支座2，一体型防屈曲连接双功能支座3，可更换型螺母紧固板4，螺纹孔5，预压紧固螺栓6，摩擦型高强连接螺栓7，垫板8，承压型螺栓9，连接预埋件10，横向加劲肋11，纵向加劲肋12，弯剪分离控制型装配式金属阻尼器线型13，厚度削弱的光滑截面14，小坡度边缘15，柔性填充材料16，预埋锚固钢筋17。
(五)具体实施方式
实施例1
图1是本实施例的结构示意图。本实施例是由金属耗能片1，L型连接支座2，一体型防屈曲连接双功能支座3，可更换型螺母紧固板4，螺纹孔5，预压紧固螺栓6，摩擦型高强连接螺栓7，垫板8，承压型螺栓9，连接预埋件10，横向加劲肋11，纵向加劲肋12，弯剪分离控制型装配式金属阻尼器线型13，厚度削弱的光滑截面14，小坡度边缘15，柔性填充材料16，预埋锚固钢筋17构成。组装时，金属耗能片1、垫板8、一体型防屈曲连接双功能支座3根据螺栓孔位置进行定位组装，利用预压紧固螺栓6进行固定。将金属耗能片1两端与L型连接支座2和一体型防屈曲连接双功能支座3用摩擦型高强连接螺栓7相连，安装时利用可更换型螺母紧固板4将螺母固定，便于快速安装螺栓，可更换型螺母紧固板4可反复多次使用。将L型连接支座2和一体型防屈曲连接双功能支座3分别与两个连接预埋件10通过承压型螺栓9连接。连接预埋件10具有足够多的预埋锚固钢筋17，使其与混凝土牢固连接。组装完毕后，在阻尼器与楼板和连梁缝隙之间注入柔性填充材料16，比如发泡剂，用于保护阻尼器免遭锈蚀。
图2是本实施例的结构剖面图，金属耗能片1的边缘弧线两侧开螺栓孔，利用预压紧固螺栓6对一体型防屈曲连接双功能支座3提供预紧力，防止金属耗能片1在剪切方向工作时的面外变形，同时利用大于金属耗能片1厚度的垫板8将一体型防屈曲连接双功能支座3隔开，提供金属耗能片1的工作空间。
图3是本实施例的金属耗能片1示意图，两端开螺栓孔，螺栓锚固位置表面进行防滑处理，耗能段采用弯剪分离控制型装配式金属阻尼器线型13。
图4是L型连接支座2示意图，在与金属耗能片1接触表面进行防滑处理。
图5是本实施例的一体型防屈曲连接双功能支座3示意图，两侧边缘根据弯剪分离控制型装配式金属阻尼器线型13设置相应位置的紧固螺栓孔，开孔位置应充分考虑金属耗能片1受往复荷载后的形状变化，使其不影响金属耗能片1的工作，一体型防屈曲连接双功能支座3与金属耗能片1的耗能段接触的表面应设置厚度削弱的光滑截面14，防止其与金属耗能片1之间的摩擦，在该一体型防屈曲连接双功能支座3靠近L型连接支座2的附近缩短相应距离，并在上下两侧边缘开设小坡度边缘15，防止实际地震中一体型防屈曲连接双功能支座3与L型连接支座2的接触，该一体型防屈曲连接双功能支座3既提供了金属耗能片1的连接功能又起到了对金属耗能片1在剪切工作时的防屈曲功能，实现一种装置两种用途。
图6是本实施例的可更换型螺母紧固板4示意图，开孔形状略大于响应螺母尺寸，在安装时起到固定螺母作用，安装完毕后可拆除并继续对其他阻尼器使用。
图7是本实施例的垫板8示意图，厚度应大于金属耗能片1。
图8是本实施例的连接预埋件10示意图，表面开设两列螺纹孔5，开孔处位置应避开混凝土内钢筋以及型钢，设置预埋锚固钢筋17使其与混凝土牢固连接，其表面进行防滑处理。
实施例2
图9是本实施例的结构剖面图。将两块金属耗能片1并联，防屈曲隔板18与隔板19将两块金属耗能片1隔开，防屈曲隔板18与一体型防屈曲连接双功能支座3之间在预压紧固螺栓6处设置垫板8，使阻尼器工作时每块耗能片之间互不影响，其余构造同实施例一。
图10是本实施例的防屈曲隔板18示意图，开设相应螺栓孔，通过摩擦型高强连接螺栓7与两个L型连接支座2连接，其与金属耗能片1的耗能段接触表面设置厚度削弱的光滑截面14，防止其与耗能片之间的摩擦，设置小坡度边缘15，防止地震中其与隔板19的接触。
图11是本实施例的隔板19，开设相应螺栓孔，通过摩擦型高强连接螺栓7与两个一体型防屈曲连接双功能支座3连接。
实施例3
图12是本实施例的结构示意图。将阻尼器放置在框架结构的层间，利用地震时层间的位移驱动阻尼器工作并进行耗能，阻尼器上端与上层的框架梁相连，下端与混凝土连接支墩相连，混凝土连接支墩具有足够的承载力和初始刚度，避免在阻尼器屈服之前退出工作。阻尼器可在连接支墩上并行放置。其他构造与实施例1相同。
Claims (2)
1.一种采用弯剪分离控制型装配式金属阻尼器，包括有：金属耗能片(1)，L型连接支座(2)，一体型防屈曲连接双功能支座(3)，可更换型螺母紧固板(4)，螺纹孔(5)，预压紧固螺栓(6)，摩擦型高强连接螺栓(7)，垫板(8)，承压型螺栓(9)，连接预埋件(10)，横向加劲肋(11)，纵向加劲肋(12)，弯剪分离控制型装配式金属阻尼器线型(13)，厚度削弱的光滑截面(14)，小坡度边缘(15)，柔性填充材料(16)，预埋锚固钢筋(17)，其特征在于，所述连接预埋件(10)带所述预埋锚固钢筋(17)预制在连接结构的混凝土中浇筑成一体，所述连接预埋件(10)开有所述螺纹孔(5)用以连接所述L型连接支座(2)，所述金属耗能片(1)分别通过所述L型连接支座(2)、所述一体型防屈曲连接双功能支座(3)与所述连接预埋件(10)相连，所述金属耗能片(1)与所述L型连接支座(2)、所述一体型防屈曲连接双功能支座(3)的连接处开螺栓孔，并通过所述摩擦型高强连接螺栓(7)连接；所述金属耗能片(1)连接部分的边缘最大应力由弯曲正应力决定，而靠近中部截面的最大应力由剪切力引起的剪应力控制，取这两部分因素决定的最大应力包络线制成耗能片的边缘形状；所述一体型防屈曲连接双功能支座(3)带有所述横向加劲肋(11)与纵向加劲肋(12)，安装时通过所述可更换型螺母紧固板(4)固定螺母并可反复使用，所述金属耗能片(1)由所述一体型防屈曲连接双功能支座(3)夹紧形成防屈曲机制，所述一体型防屈曲连接双功能支座(3)既提供了所述金属耗能片(1)的连接功能又起到了对所述金属耗能片(1)在剪切工作时的防屈曲功能；多组所述金属耗能片(1)并联时，应设置防屈曲隔板(18)与隔板(19)，所述L型连接支座(2)、所述一体型防屈曲连接双功能支座(3)与所述连接预埋件(10)连接处开螺栓孔，通过所述承压型螺栓(9)连接，所述一体型防屈曲连接双功能支座(3)在所述金属耗能片(1)边缘曲线的空缺处设置螺栓孔，所述一体型防屈曲连接双功能支座(3)在靠近所述金属耗能片(1)的耗能区域截面设置所述厚度削弱的光滑截面(14)，减少所述金属耗能片(1)工作时与外界的摩擦力，通过所述预压紧固螺栓(6)将所述金属耗能片(1)夹紧防止面外屈曲，并通过厚度大于所述金属耗能片(1)的所述垫板(8)将两个所述一体型防屈曲连接双功能支座(3)隔开，以提供阻尼器足够的工作空间，阻尼器外部包裹一层所述柔性填充材料(16)以防金属表面氧化，所述金属耗能片(1)中部形状为所述弯剪分离控制型装配式金属阻尼器线型(13)。
2.根据权利要求1所述的采用弯剪分离控制型装配式金属阻尼器，其特征在于，可更换型螺母紧固板(4)在进行阻尼器安装时可对螺母提供紧固作用，安装完毕后即可拆除并可在其他阻尼器安装中反复利用。
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