CN107829504B - 一种用于框架结构的耗能组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于框架结构的耗能组件，包括至少3个耗能阻尼器组合单元，单个的耗能阻尼器组合单元包括：传力板、旋转齿轮盘、油缸式阻尼器、第一杆；传力板固定在上梁上，旋转齿轮盘以及阻尼器与下梁固定，旋转齿轮盘外侧的齿轮与传力板下端的齿条啮合，旋转齿轮盘的旋转圆盘本体上设置部件或者悬臂杆，第一杆分别与部件或者悬臂杆，以及油缸式阻尼器的推杆的顶端铰接，油缸式阻尼器的油缸为竖向设置；至少3个耗能阻尼器组合单元的第二、第三耗能阻尼器组合单元分别与第一耗能阻尼器组合单元的θ的相位差分别为：100°‑130°、230°‑260°。采用本发明的用于框架结构的耗能组件，保证至少1个耗能阻尼器组合单元的耗能能力。
Description
技术领域
本发明专利涉及结构的抗震领域，特别涉及一种用于框架结构的耗能组件。
如图1所示，CN105369930A公开了实现粘滞阻尼器在高层结构中位置确定的处理方法及系统，在该文献中图6-10中给出了：粘滞阻尼器在框架结构的几种布置方式；粘滞阻尼器一般采用水平布置或者斜向布置，以保证粘滞阻尼器能够产生较大的速度。然而采用水平布置、或者斜向布置，无法布置足够多的粘滞阻尼器。如果粘滞阻尼器能够采用竖向布置，可以沿着梁长方向布置，能够为粘滞阻尼器提供足够多的空间。但是，粘滞阻尼器直接竖向布置在上梁、下梁之间，其速度过低，无法发挥粘滞阻尼器的效果。
发明内容
本发明的目的是提供涉及一种用于框架结构的耗能组件，解决现有技术中框架结构内粘滞阻尼器竖向布置时无法发挥其耗能效果的技术问题。
一种用于框架结构的耗能组件，在上梁和下梁之间布置至少3个耗能阻尼器组合单元；
单个耗能阻尼器组合单元包括：传力板(3)、旋转齿轮盘(4)、油缸式阻尼器(5)、第一杆(6)；传力板(3)包括：第一板(3-1)、第二板(3-2)、齿条(3-3)，第一板为水平板且固定在上梁(2-1)上，在第一板的中间部分安装有竖向的第二板(3-2)，在第二板(3-2)的下部设置有齿条(3-3)；油缸式阻尼器(5)包括：推杆(5-1)和油筒(5-2)，且竖向设置；
旋转齿轮盘(4)包括：外侧设有齿轮的旋转圆盘本体(4-1)、固定在旋转圆盘本体上的部件(4-2)，部件(4-2)距中心轴的间距不大于旋转圆盘本体的半径；或者，旋转齿轮盘(4)包括：外侧设有齿轮的旋转圆盘本体(4-1)、固定在旋转圆盘本体(4-1)上的悬臂杆(7)，悬臂杆(7)的轴线方向经过旋转齿轮盘的中心轴；
第一杆(6)的一端与悬臂杆(7)的端部铰接，或者，第一杆(6)的一端与部件(4-2)铰接；
第一杆(6)的另一端与油缸式阻尼器(5)的推杆的顶端铰接；
其中，旋转圆盘本体(4-1)外侧的齿轮与第二板下部的齿条相互啮合；
旋转齿轮盘(4)的中心轴到第一杆与推杆(5-1)的铰接点之间的连线，与旋转齿轮盘(4)的中心轴到部件(4-2)与第一杆的铰接点的连线，两者连线之间的夹角为θ；
或者：
旋转齿轮盘(4)的中心轴到第一杆与推杆(5-1)的铰接点之间的连线，与旋转齿轮盘(4)的中心轴到悬臂杆与第一杆的铰接点的连线，两者连线之间的夹角为θ；
油缸式阻尼器(5)的油缸为竖向设置，油缸式阻尼器(5)的竖向轴线通过旋转齿轮盘(4)的中心轴；
其中，至少3个耗能阻尼器组合单元的第二耗能阻尼器组合单元、第三耗能阻尼器组合单元分别与第一耗能阻尼器组合单元的θ的相位差分别为：100°-130°、230°-260°。
进一步，旋转齿轮盘(4)的中心轴距离部件(4-2)与第一杆的铰接点的距离记为r，部件(4-2)与第一杆的铰接点距离第一杆与推杆(5-1)的铰接点的长度记为L，L/r大于等于2；
或者，
旋转齿轮盘(4)的中心轴距离悬臂杆与第一杆的铰接点的距离记为m，悬臂杆与第一杆的铰接点距离第一杆与推杆(5-1)的铰接点的长度记为L，L/m大于等于2。
进一步，在下梁(2-2)上固定竖向支撑装置(8)，所述竖向支撑装置(8)的顶端两侧安装固定有水平的中心轴，在竖向支撑装置(8)的两侧的中心轴上各自套设有旋转圆盘本体(4-1)，在竖向支撑装置的两侧均设置第一杆(6)、以及油缸式阻尼器(5)。
进一步，悬臂杆(7)、油缸式阻尼器、第一杆均设置在旋转圆盘本体(4-1)背向竖向支撑装置(8)的那侧。
进一步，在旋转圆盘本体(4-1)上设置有2个突出表面的圆柱体(4-4)，2个突出表面的圆柱体(4-4)连成的直线过中心轴，圆柱体设置有螺栓孔，悬臂杆(7)设置有螺纹段，悬臂杆(7)旋入2个圆柱体内，悬臂杆(7)与圆柱体的接触面处旋入螺母。
本发明的有益效果，在于：
第一，本发明中实现了“粘滞阻尼器竖向设置，也可以发挥耗能能力”的技术效果；粘滞阻尼器竖向设置，可以方便在上、下梁之间设置更多数量的阻尼器。
第二，通过计算分析发现，L/r以及L/m在大于等于2时，效果较佳。
第三，通过增加一悬臂杆，然后第一杆与悬臂杆和油缸式阻尼器的推杆铰接的方案，可以大幅提高粘滞阻尼器的推杆的运动速度，进而大幅的提高粘滞阻尼器的耗能效果。
第四，中心轴固定不转，旋转圆盘本体设置在中心轴上，可以转动；在旋转圆盘本体与中心轴的两处设置有轴向定位装置，以防止旋转圆盘脱出中心轴。
第五，至少3个耗能阻尼器组合单元之间的θ的相位差为：100°-130°、230°-260°，能保证至少有1个耗能阻尼器组合单元保持较高的耗能效果。
附图说明
图1：现有技术的粘滞阻尼器的布置方式。
图2：实施例一的框架结构的耗能阻尼器的布置图。
图3：实施例一的理论计算模型图。
图4：实施例一的y'-θ关系图图。
图5：实施例一的y-θ关系图。
图6：实施例二的框架结构的耗能阻尼器的布置图。
图7：实施例二的理论计算模型图。
图8：实施例一和实施例二的y'计算结果对比图。
图9：图6的A-A截面图。
图10：实施例三的设计图。
图2-10中：
2-1上梁，下梁；
3传力板；3-1第一板，3-2第二板，3-3齿条；
4旋转齿轮盘，4-1旋转圆盘本体，4-2旋转圆盘本体上的部件；
5油缸式阻尼器，5-1推杆；5-2油筒；6第一杆，7悬臂杆。
具体实施方式
实施例一：如图2所示，一种耗能阻尼器组合单元，包括：传力板3、旋转齿轮盘4、油缸式阻尼器5、第一杆6；
传力板3包括：第一板3-1、第二板3-2、齿条3-3，第一板为水平板且固定在上梁2-1上，在第一板的中间部分安装有竖向的第二板3-2，在第二板3-2的下部设置有齿条3-3；
旋转齿轮盘4包括：外侧设有齿轮的旋转圆盘本体4-1、固定在旋转圆盘本体上的部件4-2；旋转圆盘本体4-1外侧的齿轮与第二板下部的齿条相互啮合；
油缸式阻尼器5包括：推杆5-1和油筒5-2；
油缸式阻尼器5和旋转圆盘本体4-1均与下梁2-2固定；；
第一杆6分别与旋转圆盘本体上的部件4-2、油缸式阻尼器5的推杆5-1顶端铰接连接；
油缸式阻尼器5的油缸为竖向设置、且其竖向轴线通过旋转齿轮盘4的中心轴。
实施例1的优点在于：实现了油缸式阻尼器竖向布置，也能够具有阻尼的效果。
图3为实施例1的理论计算图，简化为平面模型，旋转齿轮盘4的中心轴距离部件4-2与第一杆的铰接点的距离记为r，旋转齿轮盘4的中心轴距离第一杆与推杆5-1的铰接点的距离记为y，部件4-2与第一杆的铰接点距离第一杆与推杆5-1的铰接点的长度记为L；旋转齿轮盘4的中心轴到第一杆与推杆5-1的铰接点之间的连线，与旋转齿轮盘4的中心轴到部件4-2与第一杆的铰接点的连线，两者连线之间的夹角为θ。
通过三角知识，存在以下关系：
r2sin2θ+(y-r cosθ)2＝L2 (1)
可求得
对时间t求导，有
化简，为：
其中，y'表示油缸式阻尼器的推进速度，w表示旋转齿轮盘4的角速度；上梁2-1与下梁2-2之间的相对速度为：u，传力板的齿条3-3与旋转齿轮盘4的受力点距离旋转齿轮盘中心轴的距离为r1。
上式(4)可继续化简为：
从中可知，y'的大小，主要与θ、L/r，r这三个参数有关。
假定r＝1.0m，w＝1.0rad/s，图4-5分别给出了L＝1.2m，2m，10m情形下的y'、y的变化规律。从中可知，而在L/r＝1.2，在θ＝110°-250°之间，y'的数值较小。在L/r＝2时，y'的变形趋于平缓；在L/r＝10时，y'的变化趋势趋于正弦函数的。因此，L/r选择大于等于2比较合适；可以保证，不论θ为何值，均能使得油缸式阻尼器推杆有一个合适的速度。
同时，从图4的结果也能够知晓：实施例1的方案，在L/r选择大于等于2的情况下，在大多数情况下，都存在：y'＜1m/s；而因此，对于实施例1的方案而言，其技术效果不佳，原因在于：L/r选择大于等于2的情况下，油缸式阻尼器推杆的绝对速度小于上梁的速度。
针对实施例1存在的问题，实施例2进行了改进：如图6所示，在旋转齿轮盘4上固设一悬臂杆7，悬臂杆7的轴线方向经过旋转齿轮盘的中心轴(即悬臂杆经过旋转圆盘本体的圆心)，悬臂杆7的端部与第一杆6的一端铰接，第一杆6的另一端与油缸式阻尼器5的推杆的一端铰接。
图7为实施例2的理论计算图，简化为平面模型，旋转齿轮盘4的中心轴距离悬臂杆与第一杆的铰接点的距离记为m，旋转齿轮盘4的中心轴距离第一杆与推杆5-1的铰接点的距离记为y，悬臂杆与第一杆的铰接点距离第一杆与推杆5-1的铰接点的长度记为L；旋转齿轮盘4的中心轴到第一杆与推杆5-1的铰接点之间的连线，与旋转齿轮盘4的中心轴到悬臂杆与第一杆的铰接点的连线，两者连线之间的夹角为θ。
通过几何关系，可确定存在下式关系：
m2sin2θ+(y-mcosθ)2＝L2 (6)
求解得：
对时间t求导，有
式(8)与式(5)的表达式是类似的，从式(5)中得到的一些结论也适用于式(8)：L/m在满足大于等于2的情形下，才能不论θ为何值，均能使得油缸式阻尼器推杆有一个合适的速度，即保证其能够起到耗能作用。
图8对实施例1、2的效果进行了对比：其参数如下：r＝0.2m，r1＝0.4m，u＝0.4m，m＝0.8m，L＝2m；图8表明：实施例2的效果提升较为显著，实施例1的速度一直小于u；而对于实施例2而言，速度小于u的情形大幅减少。
图9给出了实施例二的耗能阻尼器的支撑设计，在下梁2-2上固定竖向支撑装置8，竖向支撑装置8的顶端两侧安装固定有水平的中心轴，在竖向支撑装置8的两侧的中心轴上各自套设有旋转圆盘本体4-1，在竖向支撑装置的两侧还设置有悬臂杆7、第一杆6、以及油缸式阻尼器5。在实际使用过程中，中心轴不转，旋转圆盘本体4-1与中心轴之间可通过轴承、限位装置等现有技术来实现两者的连接。在旋转圆盘本体4-1背向竖向支撑装置8的那侧设置悬臂杆7。
在旋转圆盘本体4-1上设置有2个突出表面的圆柱体4-4，2个突出表面的圆柱体4-4连成的直线过中心轴，圆柱体设置有螺栓孔，悬臂杆7设置有螺纹段，安装时，将悬臂杆7旋入2个圆柱体内，然后悬臂杆7与圆柱体的接触面处旋入螺母。
从实施例1、2可知，采用竖向的油缸式粘滞阻尼器也可以充分发挥其耗能效果。对于梁柱框架结构而言，粘滞阻尼器水平设置，是发挥其耗能能力最好的一种方式；沿着对角线设置，也是应用较多的一种方式。但是，对于水平设置而言，粘滞阻尼器的推杆长度较长、并且筒体也需要水平设置，筒体需要做好密封，否则粘滞液可能会流出；因此在实际中应用较少。而沿着对角线设置的方式，其布置数量有限(对角只有4个，因此最能设置2个)。而竖向设置，油缸的推杆长度可以减小，并且可以沿着梁的长度方向上设置，能够布置的空间较大。现有技术中，粘滞阻尼器竖向设置，虽然可以沿着梁长度方向上设置多个阻尼器，但是由于无法发挥其耗能，因此，基本没有此设计。
本申请的实施例1、2解决了粘滞阻尼器竖向设置无法耗能的问题。因此，在框架结构中设置多个粘滞阻尼器成为可能。同时，需要注意到，实施例1、2的方案，在θ＝0°、180°、360°时的瞬间，粘滞阻尼器的速度为0，即没有阻尼力。为了保证至少有1个耗能阻尼器组合单元的粘滞阻尼器保持耗能，只需要设置2个耗能阻尼器组合单元，且两者的θ的相位差不等于0°或180°即可。但是，仅采用2个耗能阻尼器组合单元时，在某一瞬间，如θ＝150°、θ＝220°(两个阻尼器的相位差保持70°)时，这两个耗能阻尼器组合单元的耗能效果较差。通过附图4和附图7可知，θ在50°-130°时、230°-310°的范围内，此时耗能阻尼器组合单元的粘滞阻尼器的耗能能力较强；因此，需要3个耗能阻尼器组合单元来配合使用，且第二耗能阻尼器组合单元、第三耗能阻尼器组合单元分别与第一耗能阻尼器组合单元的θ的相位差分别为：100°-130°、230°-260°，此时，能够保证至少有1个粘滞阻尼器的θ处于“50°-130°、230°-310°”范围内。
上述三个耗能阻尼器组合单元的初始的θ的相位差安装合适时，可以使得，在实际地震状态下，均能保证其中至少1个耗能器的耗能效果处于较佳的状态(即油缸式阻尼器的推杆速度较快)。三者的相位差设计时，有诸多可能性，可以达到上述目的，如第二耗能阻尼器组合单元、第三耗能阻尼器组合单元分别与第一耗能阻尼器组合单元的θ的相位差分别为：99°-102°、200°-202°的范围内，也可实现上述目的。但是，在实际安装时，上述数值范围较小，安装较为困难。上述的第二耗能阻尼器组合单元、第三耗能阻尼器组合单元分别与第一耗能阻尼器组合单元的θ的相位差分别为：100°-130°、230°-260°，其设计构思在于：当第一耗能阻尼器组合单元的θ在310°-360°时，第二耗能阻尼器组合单元的θ处于“50°-130°” 区间内；当第一耗能阻尼器组合单元的θ在0°-50°时，第三耗能阻尼器组合单元的θ处于 “230°-310°”区间内；当第一耗能阻尼器组合单元的θ在50°-130°时，第二耗能阻尼器组合单元和第三耗能阻尼器组合单元不需要做要求；当第一耗能阻尼器组合单元的θ在130°-180°时，第二耗能阻尼器组合单元的θ处于“230°-310°”区间内；当第一耗能阻尼器组合单元的θ在180°-230°时，第三耗能阻尼器组合单元的θ处于“50°-130°”区间内；当第一耗能阻尼器组合单元的θ在230°-310°时，第二耗能阻尼器组合单元和第三耗能阻尼器组合单元不需要做要求。
实施例3：在上梁和下梁之间布置3个耗能阻尼器组合单元；
单个耗能阻尼器组合单元包括：传力板3、旋转齿轮盘4、油缸式阻尼器5、第一杆6；传力板3包括：第一板3-1、第二板3-2、齿条3-3，第一板为水平板且固定在上梁2-1上，在第一板的中间部分安装有竖向的第二板3-2，在第二板3-2的下部设置有齿条3-3；油缸式阻尼器5包括：推杆5-1和油筒5-2，且竖向设置；
旋转齿轮盘4包括：外侧设有齿轮的旋转圆盘本体4-1、固定在旋转圆盘本体上的部件4-2，部件4-2距中心轴的间距不大于旋转圆盘本体的半径；或者，旋转齿轮盘4包括：外侧设有齿轮的旋转圆盘本体4-1、固定在旋转圆盘本体4-1上的悬臂杆7，悬臂杆7的轴线方向经过旋转齿轮盘的中心轴；
第一杆6的一端与悬臂杆7的端部铰接，或者，第一杆6的一端与部件4-2铰接；
第一杆6的另一端与油缸式阻尼器5的推杆的顶端铰接；
其中，旋转圆盘本体4-1外侧的齿轮与第二板下部的齿条相互啮合；
旋转齿轮盘4的中心轴到第一杆与推杆5-1的铰接点之间的连线，与旋转齿轮盘4的中心轴到部件4-2与第一杆的铰接点的连线，两者连线之间的夹角为θ；
或者：
旋转齿轮盘4的中心轴到第一杆与推杆5-1的铰接点之间的连线，与旋转齿轮盘4的中心轴到悬臂杆与第一杆的铰接点的连线，两者连线之间的夹角为θ；
油缸式阻尼器5的油缸为竖向设置，油缸式阻尼器5的竖向轴线通过旋转齿轮盘4的中心轴；
第二耗能阻尼器组合单元、第三耗能阻尼器组合单元分别与第一耗能阻尼器组合单元的θ的相位差分别为：100°-130°、230°-260°。
实施例四：与实施例三的不同之处在于，在下梁2-2上固定竖向支撑装置8，所述竖向支撑装置8的顶端两侧安装固定有水平的中心轴，在竖向支撑装置8的两侧的中心轴上各自套设有旋转圆盘本体4-1，在竖向支撑装置的两侧均设置第一杆6、以及油缸式阻尼器5，即2个耗能阻尼器组合单元固定在一个竖向支撑装置上。
竖向支撑装置8两侧的耗能阻尼器组合单元采用反对称设置；即一侧的油缸式阻尼器受拉，一侧的油缸式阻尼器受压。
竖向支撑装置8两侧的耗能阻尼器组合单元也采用对称设置。
需要说明的是：本申请中的L、y、r、m、r1等参数，均是指的是同一竖直面内的距离，即实施例1-4得到的公式以及结论(说明书附图4-5、8)均是将实际问题简化到平面上来解决的。
以上已详细描述了本方面的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落入本申请所附权利要求书的保护范围中。
Claims (5)
1.一种用于框架结构的耗能组件，其特征在于，在上梁和下梁之间布置至少3个耗能阻尼器组合单元；
单个耗能阻尼器组合单元包括：传力板（3）、旋转齿轮盘（4）、油缸式阻尼器（5）、第一杆（6）；传力板（3）包括：第一板（3-1）、第二板（3-2）、齿条（3-3），第一板为水平板且固定在上梁（2-1）上，在第一板的中间部分安装有竖向的第二板（3-2），在第二板（3-2）的下部设置有齿条（3-3）；油缸式阻尼器（5）包括：推杆（5-1）和油筒（5-2），且竖向设置；
旋转齿轮盘（4）包括：外侧设有齿轮的旋转圆盘本体（4-1）、固定在旋转圆盘本体上的部件（4-2），部件（4-2）距中心轴的间距不大于旋转圆盘本体的半径；或者，旋转齿轮盘（4）包括：外侧设有齿轮的旋转圆盘本体（4-1）、固定在旋转圆盘本体（4-1）上的悬臂杆（7），悬臂杆（7）的轴线方向经过旋转齿轮盘的中心轴；
第一杆（6）的一端与悬臂杆（7）的端部铰接，或者，第一杆（6）的一端与部件（4-2）铰接；
第一杆（6）的另一端与油缸式阻尼器（5）的推杆的顶端铰接；
其中，旋转圆盘本体（4-1）外侧的齿轮与第二板下部的齿条相互啮合；
旋转齿轮盘（4）的中心轴到第一杆与推杆（5-1）的铰接点之间的连线，与旋转齿轮盘（4）的中心轴到部件（4-2）与第一杆的铰接点的连线，两者连线之间的夹角为θ；
或者：
旋转齿轮盘（4）的中心轴到第一杆与推杆（5-1）的铰接点之间的连线，与旋转齿轮盘（4）的中心轴到悬臂杆与第一杆的铰接点的连线，两者连线之间的夹角为θ；
油缸式阻尼器（5）的油缸为竖向设置，油缸式阻尼器（5）的竖向轴线通过旋转齿轮盘（4）的中心轴；
其中，至少3个耗能阻尼器组合单元中的第二耗能阻尼器组合单元、第三耗能阻尼器组合单元分别与第一耗能阻尼器组合单元的θ的相位差分别为：100°-130°、230°-260°。
2.如权利要求1所述的一种用于框架结构的耗能组件，其特征在于，旋转齿轮盘（4）的中心轴距离部件（4-2）与第一杆的铰接点的距离记为r，部件（4-2）与第一杆的铰接点距离第一杆与推杆（5-1）的铰接点的长度记为L，L/r大于等于2 ；
或者，
旋转齿轮盘（4）的中心轴距离悬臂杆与第一杆的铰接点的距离记为m，悬臂杆与第一杆的铰接点距离第一杆与推杆（5-1）的铰接点的长度记为L，L/m大于等于2。
3.如权利要求1所述的一种用于框架结构的耗能组件，其特征在于，在下梁（2-2）上固定竖向支撑装置（8），所述竖向支撑装置（8）的顶端两侧安装固定有水平的中心轴，在竖向支撑装置（8）的两侧的中心轴上各自套设有旋转圆盘本体（4-1），在竖向支撑装置的两侧均设置第一杆（6）、以及油缸式阻尼器（5）。
4.如权利要求3所述的一种用于框架结构的耗能组件，其特征在于，悬臂杆（7）、油缸式阻尼器、第一杆均设置在旋转圆盘本体（4-1）背向竖向支撑装置（8）的那侧。
5.如权利要求1-4任一项所述的一种用于框架结构的耗能组件，其特征在于，在旋转圆盘本体（4-1）上设置有2个突出表面的圆柱体（4-4），2个突出表面的圆柱体（4-4）连成的直线过中心轴，圆柱体设置有螺栓孔，悬臂杆（7）设置有螺纹段，悬臂杆（7）旋入2个圆柱体内，悬臂杆（7）与圆柱体的接触面处旋入螺母。
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