CN108442551B - 用于装配式柔性框架节点的金属橡胶阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于装配式柔性框架节点的金属橡胶阻尼器，包括梁连接板（6）和柱连接板（7），所述梁连接板（6）上垂直固定有梁侧剪切扇板（8），所述柱连接板（7）垂直固定有柱侧连接扇板（9），所述梁侧剪切扇板（8）和柱侧剪切扇板（9）上开设有对应的弧形滑槽（10），所述弧形滑槽（10）内穿过定位高强螺栓（5）将梁侧剪切扇板（8）和柱侧连接扇板（9）连接，所述梁侧剪切扇板（8）和柱侧连接扇板（9）之间设有金属橡胶摩擦垫片（12）。本发明设计合理，装配式柔性节点交汇处的位移较大，通过阻尼器限制其位移，充分发挥阻尼器中金属橡胶的耗能特性，可达到理想的耗能效果。

Description

用于装配式柔性框架节点的金属橡胶阻尼器

技术领域

本发明属于结构工程领域，具体为一种用于装配式柔性框架节点的金属橡胶阻尼器，适用于土木工程的结构减振控制。

背景技术

建筑结构在受到外界干扰或激励时，获得了能量输入，都会产生相应的响应。传统的后浇装配式框架节点在地震中依靠节点梁构件混凝土压碎产生塑性铰来消耗能量和提供变形，耗能能力有限且损坏后难以修复。目前合理有效的途径是采用装配式柔性框架节点并对结构安装阻尼减振装置。在地震作用下，装配式柔性节点交汇处可产生大位移，通过阻尼器与结构共同承受地震作用，不会对节点梁柱产生难以修复的削弱和损坏。外置阻尼器通过高强螺栓分别与预制梁、预制柱连接，在正常使用情况下阻尼器为结构提供一定的刚度，减小结构的侧向变形，在地震作用时，梁柱节点的转动带动阻尼器产生剪切或挤压滞回变形而耗能，减小结构的整体地震反应，又能改变节点位置内力的传递途径，增加初始刚度并降低节点试件的刚度退化速度，可达到理想的耗能效果，保护节点免遭破坏，符合抗震设计的“强节点弱构件、强剪弱弯”延性设计理念。设置阻尼器进行能量消耗、减轻震损并提高震损建筑的快速修复能力，是一种经济可行的结构控制方法。

在装配式柔性框架节点阻尼耗能减震过程中，阻尼器的性能优劣是影响结构抗震性能及震损可恢复性的关键所在。现阶段柔性节点的外置阻尼单元大多采用金属摩擦阻尼耗能以及采用橡胶等粘弹性阻尼耗能。其中，金属阻尼器采用铜等金属摩擦耗能，性能稳定，不受环境温度影响，造价低廉，但其阈值难以控制；金属材料在恒定的正压力下，长期接触会产生冷粘结或冷凝固，往往耗能效果不太理想。橡胶等粘弹性阻尼器耗能能力强，大震小震情况下都可以起作用，但其粘弹性材料受温度影响较大，且温度升高时耗能能力减弱。由于阻尼器往往暴露于外环境中，阻尼器的环境适应能力十分关键，如采用普通橡胶垫片等低熔点阻尼材料，在火灾等高温环境中往往会导致阻尼装置的彻底失效。因此，寻求一种具有可耐高低温、耐磨损、耐腐蚀、耐疲劳、耐湿耐老化等特性的阻尼材料是保障粘弹性阻尼器工作稳定性及使用寿命的关键。

金属橡胶的颜色呈棕褐色，外表有点像普通的塑料包装壳，但其不属于橡胶材料，而是采用金属丝经过特殊工艺制造的类似橡胶的均质的弹性多孔物质。制备工艺是将一定质量的、拉伸开的、螺旋状态的金属丝有序地排放在冲压（或碾压）模具中，然后用冷冲压方法而成型的。它的原材料是金属丝，既具有所选金属固有的特性，又具有像橡胶一样的弹性，故因此得名。制备金属橡胶的金属丝原材料,具有较高的弹性、较好疲劳性能、耐腐蚀性、抗氧化性等性能，同时具有较小的残余变形。金属橡胶具有独特的物理特性：阻尼性能好和环境适应性高。它可以在外力的作用下拉伸2~3倍，随后恢复原状，被拉伸时，这种材料仍能够保持其金属特征，刚度呈非线性，具有良好的减振抗冲击效果，最大阻尼比可达0.23左右；具有金属的耐腐蚀性特征，不会发生结构上或化学上的降解；可在-160℃~700℃的温度范围内稳定工作。因此，金属橡胶材料是良好的阻尼垫片材料，可有效提升阻尼器的工作性。

发明内容

本发明目的是提供一种用于装配式柔性框架节点的金属橡胶阻尼器，该阻尼器的耗能阻尼片选用金属橡胶芯，其阻尼效果好，耗能效果显著，在使用过程中可通过剪切面的静摩擦给柔性干连接节点梁柱提供支撑力，在地震情况下，可依靠金属橡胶阻尼片之间的转动摩擦和粘弹性变形消耗地震能量。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种用于装配式柔性框架节点的金属橡胶阻尼器，包括梁连接板和柱连接板，所述梁连接板上垂直固定有梁侧剪切扇板，所述柱连接板垂直固定有柱侧连接扇板，所述梁侧剪切扇板和柱侧剪切扇板上开设有对应的弧形滑槽，所述弧形滑槽内穿过定位高强螺栓将梁侧剪切扇板和柱侧连接扇板连接，所述梁侧剪切扇板和柱侧连接扇板之间设有金属橡胶摩擦垫片。

使用时，柱连接板通过安装高强螺栓安装于混凝土预制柱上，梁连接板通过安装高强螺栓安装于混凝土预制梁上；阻尼器位于混凝土预制梁的预留位置处。如图2a、2b所示，混凝土预制柱的两侧分别通过四个阻尼器对称安装有混凝土预制梁，混凝土预制梁和混凝土预制柱的连接处放置高强橡胶垫片，并采用高韧性纤维浆料填缝。混凝土预制柱及两侧的混凝土预制梁的轴线上预留有预应力钢绞线孔道，预应力钢绞线孔道内穿入金属波纹管后穿入无粘结预应力钢绞线，无粘结预应力钢绞线一端定位于一侧混凝土预制梁的锚固端、其另一端定位于另一侧混凝土预制梁的拉紧端。

具体装配时，混凝土预制梁、混凝土预制柱直接运送现场干性拼装，如图2a所示，混凝土预制梁、混凝土预制柱以“十”字形平放在地面；通过安装高强螺栓及安装螺栓孔洞位置，安装隐藏式阻尼器，并拧紧定位高强螺栓，其拧紧力约设计预拉力的一半；在金属波纹管预留孔道内穿入预应力钢绞线，即通过穿拉无粘结预应力钢绞线的方法使之整体受力形成柔性自复位结构；在梁柱接触面上抹上约5mm厚高韧性纤维浆料填缝，并在梁柱连接处放置高强钢丝橡胶垫片；接缝处高韧性纤维浆料的强度达到设计值时进行无粘结预应力钢绞线张拉并用锚具锚固；最后将阻尼器上的定位高强螺栓拧紧到设计预拉力。

无粘结预应力钢绞线的张拉特征为：采用分级逐根张拉预应力钢绞线，在预应力钢绞线的锚固端安装压力传感器，来监控张拉过程和试验过程预应力钢绞线合力的变化，在张拉过程中传感器连接到TDS303静态数据采集仪，来实时监控张拉应力。

阻尼器中柱侧剪切扇板的凹槽和梁侧剪切扇板的凸起可相互咬合，形成可转动机构，扇板面之间夹有摩擦阻尼垫片，此时，梁侧剪切扇板、柱侧剪切扇板和之间的摩擦阻尼垫片形成“三明治”结构；当然，也可以是梁侧剪切扇板对称布置两块形成凹槽，柱侧剪切扇板为一块，插入U型的梁侧剪切扇板之间。扇板的直径和金属橡胶阻尼垫片的大小和厚度可视所需阻尼力的大小进行相应调整。梁侧剪切扇板和柱侧剪切扇板分别垂直固接于梁连接板和柱连接板的中心线上；梁侧剪切扇板、柱侧剪切扇板和扇板上所开圆弧形滑槽，均以梁柱交汇线位置为圆心位置；通过定位高强螺栓使得梁侧剪切扇板和柱侧剪切扇板之间形成铰接并固定摩擦垫片的位置。定位高强螺栓选用45号钢、40硼钢、20锰钛硼钢、35CrMoA等高强钢材型号。

当装配式柔性框架结构的梁柱发生相对转动并带动梁连接板和柱连接板转动时，对应的梁侧剪切扇板和柱侧剪切扇板之间发生相对位移，在定位高强螺栓提供的高压力下，金属橡胶摩擦垫片表面产生摩擦力，并通过剪切变形而耗能。

可通过调整扇板的长度、弧形滑槽孔的长度和相对位置来调整位移变化量，进而根据装配式框架的实际情况调整梁柱角度和相对错动转角。

可通过调整金属橡胶摩擦垫片的位置和面积可调整框架节点的实际耗能效果和耗能放大倍数。

可通过改变定位高强螺栓紧固力来调控扇形板面之间的压力值，从而调节其与金属橡胶垫片之间的摩擦力以及金属橡胶垫片的阻尼系数，使装配式柔性框架节点的耗能能力和变形能力达到平衡。

由于地震时建筑框架节点中的梁和柱的变形复杂，整个阻尼器要承受垂直于扇面的扭力，为了避免扇板发生扭转和弯曲变形影响阻尼器的正常工作，本发明所述的阻尼器可增加相互咬合的扇面板数量以提高阻尼器的抗侧力刚度。

本发明设计合理，装配式柔性节点交汇处的位移较大，通过阻尼器限制其位移，充分发挥阻尼器中金属橡胶的耗能特性，可达到理想的耗能效果。

附图说明

图1表示阻尼器的结构示意图。

图2a表示附加隐藏式阻尼器的装配式柔性混凝土框架节点结构示意图。

图2b表示图2a中虚线部分放大示意图。

图中：1-混凝土预制梁，2-混凝土预制柱，3-无粘结预应力钢绞线，4-阻尼器，5-定位高强螺栓，6-梁连接板，7-柱连接板，8-梁侧剪切扇板，9-柱侧剪切扇板，10-弧形滑槽，11-安装高强螺栓，12-金属橡胶摩擦垫片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种用于装配式柔性框架节点的金属橡胶阻尼器，如图1所示，包括梁连接板6和柱连接板7，梁连接板6上垂直固定有梁侧剪切扇板8，柱连接板7上垂直固定有柱侧连接扇板9，梁侧剪切扇板8和柱侧剪切扇板9上开设有对应的弧形滑槽10，弧形滑槽10内穿过定位高强螺栓5将梁侧剪切扇板8和柱侧连接扇板9连接，梁侧剪切扇板8和柱侧连接扇板9之间设有金属橡胶摩擦垫片12。

通过安装高强螺栓11及梁连接板6和柱连接板7上所对应的预留连接孔，分别固定于梁、柱的相应位置；预制混凝土梁1和预制混凝土柱2十字拼接后，柱侧剪切扇板9的凹槽和梁侧剪切扇板8的凸起可相互咬合，形成可转动机构；定位完成后，梁侧剪切扇板8、柱侧剪切扇板9和扇板上所开圆弧形滑槽，均以梁柱交汇线位置为圆心位置；各扇板面之间均夹有金属橡胶摩擦垫片12；通过定位高强螺栓5使得柱侧剪切扇板9、梁侧剪切扇板8之间形成铰接，定位高强螺栓5及圆弧形滑槽孔10可对已咬合的柱侧剪切扇板9、梁侧剪切扇板8和金属橡胶摩擦垫片12进行固定，其中定位高强螺栓5的固定位置位于圆弧形滑槽孔10弧线中部位置，此时柱侧剪切扇板9、梁侧剪切扇板8和之间的金属橡胶摩擦垫片12形成“三明治”结构；根据装配式框架节点的尺寸和受力特点，合理调节定位高强螺栓的紧固力；以同样的方法在另外三个梁柱交汇处安装金属橡胶阻尼器。

所以，附加隐藏式阻尼器的装配式柔性混凝土框架节点结构，如图2a所示，包括混凝土预制梁1、混凝土预制柱2、无粘结预应力钢绞线3、阻尼器4。混凝土预制柱2的两侧分别通过四个阻尼器4对称安装有混凝土预制梁1，混凝土预制梁1和混凝土预制柱2的连接处放置高强橡胶垫片，并采用高韧性纤维浆料填缝。混凝土预制柱2及两侧的混凝土预制梁1的轴线上预留有预应力钢绞线孔道，所述预应力钢绞线孔道内穿入金属波纹管后穿入无粘结预应力钢绞线3，所述无粘结预应力钢绞线3一端定位于一侧混凝土预制梁1的锚固端、其另一端定位于另一侧混凝土预制梁1的拉紧端。柱连接板7通过安装高强螺栓11安装于混凝土预制柱2上，梁连接板6通过安装高强螺栓11安装于混凝土预制梁1上；阻尼器4位于混凝土预制梁1的预留位置处。每个混凝土预制梁1的连接端面4个角预留有阻尼器安装位置。

在该阻尼器结构中，剪切扇板一端固定于相应的连接板上，另一端为自由端。由于在地震作用下，相互咬合的梁侧剪切扇板和柱侧剪切扇板发生相对转动。因此，梁侧剪切扇板的自由端与柱侧连接板之间留有一定的转动缓冲区，同样的，柱侧剪切扇板的自由端与梁侧连接板之间也留有一定的转动缓冲区。转动缓冲区的允许转角应不小于地震作用下节点梁柱之间可能出现的最大相对转角，以免刚性扇板和连接板发生相互挤压而使阻尼器发生损伤。

针对高温和腐蚀介质条件下金属橡胶在减振器和弹性阻尼方面的应用，制备金属橡胶的金属丝主要采用奥氏体不锈钢材料，具体为应用的主要有0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti两种材料。既克服了橡胶类有机非金属材料不耐高温、耐腐蚀性差的缺陷，又克服了一般碳素钢及其它金属材料耐腐蚀性差的缺陷。金属橡胶丝径一般为0.08mm～0.15mm。阻尼器中金属橡胶垫片宽度一般在10mm～50mm范围，弧形垫片长度一般在40mm～200mm范围为宜。

应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和应用，这些改进和应用也视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于装配式柔性框架节点的金属橡胶阻尼器，其特征在于：阻尼器（4）包括梁连接板（6）和柱连接板（7），所述梁连接板（6）上垂直固定有梁侧剪切扇板（8），所述柱连接板（7）垂直固定有柱侧剪切扇板（9），所述梁侧剪切扇板（8）和柱侧剪切扇板（9）上开设有对应的弧形滑槽（10），所述弧形滑槽（10）内穿过定位高强螺栓（5）将梁侧剪切扇板（8）和柱侧剪切扇板（9）连接，所述梁侧剪切扇板（8）和柱侧剪切扇板（9）之间设有金属橡胶摩擦垫片（12）；

所述梁侧剪切扇板（8）和柱侧剪切扇板（9）上所开弧形滑槽（10）均以梁柱交汇线位置为圆心位置；所述定位高强螺栓（5）的固定位置位于弧形滑槽（10）弧线中部位置；所述定位高强螺栓（5）选用45号钢、40硼钢、20锰钛硼钢或者35CrMoA；

所述柱连接板（7）通过安装高强螺栓（11）安装于混凝土预制柱（2）上，所述梁连接板（6）通过安装高强螺栓（11）安装于混凝土预制梁（1）上；

每个混凝土预制梁（1）的连接端面4个角预留有阻尼器安装位置，阻尼器（4）位于混凝土预制梁（1）的预留位置处，则混凝土预制柱（2）的两侧分别通过四个阻尼器（4）对称安装有混凝土预制梁（1）；混凝土预制梁（1）和混凝土预制柱（2）的连接处放置高强橡胶垫片，并采用高韧性纤维浆料填缝；

混凝土预制柱（2）及两侧的混凝土预制梁（1）的轴线上预留有预应力钢绞线孔道，所述预应力钢绞线孔道内穿入金属波纹管后穿入无粘结预应力钢绞线（3），所述无粘结预应力钢绞线（3）一端定位于一侧混凝土预制梁（1）的锚固端、其另一端定位于另一侧混凝土预制梁（1）的拉紧端。

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