CN109403488A - 一种铰接式支撑阻尼器减振系统及其减振效能评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铰接式支撑阻尼器减振系统及其减振效能评估方法，属于减振系统设计领域。该减振系统具有六个刚性支撑杆Aa1/Eb1/Ea2/Db2/BE/CE、五个铰接点和两个阻尼器；上部阻尼器、Aa1和Eb1的中轴线共线、依次刚性连接；下部阻尼器、Ea2和Db2的中轴线共线、依次刚性连接；Eb1/Ea2/BE/CE的E端共同铰接于铰接点E上；Aa1/BE/CE/Db2的A/B/C/D端分别铰接结构薄弱层的上左、上右、下左、下右四个角；CE与水平方向的夹角θ1满足：H为结构薄弱层层高，L为结构薄弱层宽度。本发明能有效放大阻尼器的运动位移，增大系统往复运动的周期耗能，充分发挥阻尼器的减振消能特性。
Description
技术领域
本发明属于减振结构中的阻尼器系统设计领域，涉及一种在结构中减振的铰接式支撑阻尼器系统，更具体地，涉及一种铰接式支撑阻尼器减振系统及其减振效能评估方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步与发展，阻尼器系统以提供运动的阻力，耗减运动能量的装置在航空、航天、军工、汽车、建筑结构等行业中被普遍使用，特别是对地震作用、风荷载、爆炸冲击荷载等比较敏感的建筑结构，阻尼器系统体现出卓越的减振消能特性以及位移控制效果，具有良好的经济性、安全性以及可靠性。但是，随着框架结构、框架-核心筒结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构以及组合结构等成为现代结构形式的主流。如图1所示的传统阻尼器减震系统，当框架结构10受到外力F时，发生位移为u，则阻尼器20运动位移也为u，该阻尼减振系统称为等位移减振系统，即框架结构的位移与阻尼器位移比为1:1。这些结构层间变形相对较小，使得传统阻尼器由于变形量受到限制而不能有效地发挥耗能特性，达不到预期的减振效果。
因此，寻找一种更加有效的、可靠的、具有位移放大机制的阻尼器系统已成为土木工程领域亟待解决的关键技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种铰接式支撑阻尼器系统及其减振效能评估方法，其目的在于，通过铰接式支撑阻尼器系统的结构设计，对阻尼器的位移及耗能能力进行放大，由此解决传统阻尼系统在结构层间变形较小的情况下不利于阻尼器有效发挥耗能特性的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种铰接式支撑阻尼器减振系统，用于设置在结构体系内的结构薄弱层中进行减振，包括：上部阻尼器、Aa1刚性支撑杆、Eb1刚性支撑杆、下部阻尼器、Ea2刚性支撑杆、Db2刚性支撑杆、BE刚性支撑杆、CE刚性支撑杆以及铰接点E；
上部阻尼器、Aa1刚性支撑杆和Eb1刚性支撑杆三者的中轴线共线，且上部阻尼器的两端点a1和b1分别与Aa1刚性支撑杆的a1端和Eb1刚性支撑杆的b1端刚性连接；
下部阻尼器、Ea2刚性支撑杆和Db2刚性支撑杆三者的中轴线共线，且下部阻尼器的两端点a2和b2分别与Ea2刚性支撑杆的a2端和Db2刚性支撑杆的b2端刚性连接；
Eb1刚性支撑杆、Ea2刚性支撑杆、BE刚性支撑杆和CE刚性支撑杆的E端共同铰接于铰接点E上；
Aa1刚性支撑杆的A端、BE刚性支撑杆的B端、CE刚性支撑杆的C端、Db2刚性支撑杆的D端分别用于铰接结构薄弱层的上左、下右、上右、下左四个角；
初始状态下，CE刚性支撑杆与水平方向的夹角θ1满足：
其中，H为结构薄弱层的层高，L为结构薄弱层的宽度。
进一步地，在初始状态下，θ1取值范围应当满足：
m、n为经验系数，且m<1。
进一步地，m、n∈[0.02，0.05]。
进一步地，Eb1刚性支撑杆、Ea2刚性支撑杆、BE刚性支撑杆以及CE刚性支撑杆之间采用高强螺栓铰接于铰接点E。
进一步地，Aa1刚性支撑杆、Eb1刚性支撑杆、Ea2刚性支撑杆、Db2刚性支撑杆、BE刚性支撑杆以及CE刚性支撑杆均应满足轴心受拉构件的强度验算公式(c)以及轴心受压构件的稳定性验算公式(d)；高强螺栓应满足受剪承载力验算公式(e)；
式中，σ为轴心受拉构件的强度；
Nt为构件的轴心拉力；
An为构件的净截面面积；
ft为构件的抗拉强度；
Nc为构件轴心压力；
为轴心受压构件的稳定性系数；
A为构件毛截面面积；
fc为构件的抗压强度；
Nv为高强螺栓的受剪承载力；
n为高强螺栓的受剪面的数目；
d为高强螺栓杆的直径；
fv为高强螺栓的抗剪强度设计值。
为了实现上述目的，本发明还提供了如前任意一项所述的一种铰接式支撑阻尼器减振系统的减振效能评估方法，定义铰接式支撑阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量为EDη，传统等位移式阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量为ED，则二者的比值λ可表示为：
式中，λ为EDη与ED的比值；
EDη为铰接式支撑阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量；
ED为传统等位移式阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量；
π为圆周率；
ω为圆频率；
Cα为阻尼器的阻尼系数；
η为铰接式支撑阻尼器系统将阻尼器位移放大的倍数；
u为阻尼器运动的位移量；
α为阻尼器的阻尼指数；
θ1为CE刚性支撑杆与水平方向的夹角；
θ2为BE刚性支撑杆与竖直方向的夹角；
θ3为Db2刚性支撑杆与水平方向的夹角；
θ4为Aa1刚性支撑杆与竖直方向的夹角。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、通过本发明的铰接式支撑阻尼器系统，有效地放大阻尼器的运动位移，充分地发挥了阻尼器的减振消能特性，从根本上弥补了传统阻尼器系统由于变形量受到限制而不能发挥其耗能特性，实现了阻尼器良好的减振效果，使减振结构的安全性、可靠性以及稳定性增强，经济实用，施工操作简单快捷，有效地保障了结构工程在强烈地震作用、风荷载、爆炸冲击荷载等作用下的正常使用。
2、基于本发明的减振效能评估方法，可以对设计好的减振系统进行验证，从而根据实际场景的减振能力需求对减振系统进行调节，以达到最契合当前使用环境的减振效果。
附图说明
图1是现有技术中一种传统等位移阻尼器减振系统的结构示意图；
图2是本发明的铰接式支撑阻尼器系统结构示意图；
图3是图2的结构及参数模型示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-上部阻尼器，2-Aa1刚性支撑杆，3-Eb1刚性支撑杆，4-下部阻尼器，5-Ea2刚性支撑杆，6-Db2刚性支撑杆，7-BE刚性支撑杆，8-CE刚性支撑杆。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明是铰接式支撑阻尼器系统在结构中的减振技术方法，其步骤为：
(1)根据结构体系类型，确定的结构薄弱层，分析并优化设计铰接式支撑阻尼器系统的施工方案。
(2)确定需要安装铰接式支撑阻尼器系统的部位后，在该部位的柱顶与梁端的节点处，设置铰接点A与铰接点B；在该部位的柱底处，设置铰接点C与铰接点D。
(3)在上部阻尼器1的两端点a1与b1上分别设置Aa1刚性支撑杆2与Eb1刚性支撑杆3，而且Aa1刚性支撑杆2的一端与铰接点A连接，另一端与上部阻尼器1的a1端点连接；在下部阻尼器4的两端点a2与b2分别设置Ea2刚性支撑杆5与Db2刚性支撑杆6，而且Db2刚性支撑杆6的一端与铰接点D连接，另一端与下部阻尼器4的b2端点连接；在Eb1刚性支撑杆3与Ea2刚性支撑杆5的交点设置铰接点E；在铰接点B与铰接点E之间设置BE刚性支撑杆7；在铰接点C与铰接点E之间设置CE刚性支撑杆8。
(4)铰接点A与Aa1刚性支撑杆2之间采用高强螺栓连接；铰接点B与BE刚性支撑杆7之间采用高强螺栓连接；铰接点C与CE刚性支撑杆8之间采用高强螺栓连接；铰接点D与Db2刚性支撑杆6之间采用高强螺栓连接；Eb1刚性支撑杆3、Ea2刚性支撑杆5、BE刚性支撑杆7以及CE刚性支撑杆8之间采用高强螺栓连接。
(5)上部阻尼器1与Aa1刚性支撑杆2之间采用刚性连接；上部阻尼器1与Eb1刚性支撑杆3之间采用刚性连接；下部阻尼器4与Ea2刚性支撑杆5之间采用刚性连接；下部阻尼器4与Db2刚性支撑杆6之间采用刚性连接。上部阻尼器1的中轴线、Aa1刚性支撑杆2的中轴线以及Eb1刚性支撑杆3的中轴线处于同一直线上；下部阻尼器4的中轴线、Ea2刚性支撑杆5的中轴线以及Db2刚性支撑杆6的中轴线处于同一直线上。
(6)对铰接式支撑阻尼器系统进行防腐防火处理。
另外，通过铰接式支撑阻尼器系统将阻尼器位移放大η倍时，其速度也放大η倍，若定义铰接式支撑阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量为EDη，传统阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量为ED，则二者的比值λ可表示为公式(a)，当阻尼器的总耗能量随着阻尼指数α的增大而增大，通过铰接式支撑阻尼器系统放大位移后，阻尼器耗能明显增加。
式中，λ为EDη与ED的比值；EDη为铰接式支撑阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量；ED为传统阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量；π为圆周率；ω为圆频率；Cα为阻尼器的阻尼系数；η为铰接式支撑阻尼器系统将阻尼器位移放大的倍数；u为阻尼器运动的位移量；α为阻尼器的阻尼指数；θ1为CE刚性支撑杆8与水平方向的夹角∠ECD；θ2为BE刚性支撑杆7与竖直方向的夹角∠EBD；θ3为Db2刚性支撑杆6与水平方向的夹角∠EDC；θ4为Aa1刚性支撑杆2与竖直方向的夹角∠EAC。
不仅如此，由于铰接式支撑阻尼器系统独特的铰接方式，使得铰接式支撑阻尼器系统中的上部阻尼器1、下部阻尼器4、Aa1刚性支撑杆2、Eb1刚性支撑杆3、Ea2刚性支撑杆5、Db2刚性支撑杆6、BE刚性支撑杆7以及CE刚性支撑杆8均只受轴向力，而不产生弯矩作用，更好地发挥铰接式支撑阻尼器系统的位移放大作用。其中，铰接式支撑阻尼器系统中的Aa1刚性支撑杆2、Eb1刚性支撑杆3、Ea2刚性支撑杆5、Db2刚性支撑杆6、BE刚性支撑杆7以及CE刚性支撑杆8均应满足轴心受拉构件的强度验算公式(c)以及轴心受压构件的稳定性验算公式(d)。铰接式支撑阻尼器系统中高强螺栓应满足受剪承载力验算公式(e)。
式中，σ为轴心受拉构件的强度；Nt为构件的轴心拉力；An为构件的净截面面积；ft为构件的抗拉强度；Nc为构件轴心压力；为轴心受压构件的稳定性系数(取截面两主轴稳定系数中的较小者)；A为构件毛截面面积；fc为构件的抗压强度；Nv为高强螺栓的受剪承载力；n为高强螺栓的受剪面的数目；d为高强螺栓杆的直径；fv为高强螺栓的抗剪强度设计值。
下面用更为具体的实施例进一步展开本发明。对于典型的阻尼器，如果选择阻尼系数Cα为500kN·s/m以及阻力指数α为0.2的粘滞阻尼器的；取一榀框架结构的薄弱层层高H为3.6m，宽度L为3.3m；铰接式支撑阻尼器系统中的Aa1刚性支撑杆2、Eb1刚性支撑杆3、Ea2刚性支撑杆5、Db2刚性支撑杆6、BE刚性支撑杆7以及CE刚性支撑杆8的钢材选取Q345钢，截面为圆形，直径为0.05m，ft为265MPa，fc为265MPa，轴心受压的稳定性系数为0.668，所受到的最大轴心拉力Nt为300kN，所受到的最大轴心压力Nc为300kN；铰接式支撑阻尼器系统中高强螺栓应满足受剪承载力Nv为300kN，抗剪强度设计值fv为310MPa。
我们以CE刚性支撑杆8与水平方向的夹角θ1的五种角度设计作为示例，对本发明的效果展开说明。
【实例1】
如果取CE刚性支撑杆8与水平方向的夹角θ1为40°，CE刚性支撑杆8的长度为2.4m；那么通过结构力学计算可得BE刚性支撑杆7与竖直方向的夹角θ2约为35.38°；Db2刚性支撑杆6与水平方向的夹角θ3约为46.56°；Aa1刚性支撑杆2与竖直方向的夹角θ4约为41.80°。
由公式(b)可知，
此时，铰接式支撑阻尼器系统能够将阻尼器位移放大5.249倍。
由公式(a)可知，
此时，铰接式支撑阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量EDη是传统阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量ED的7.313倍。
不仅如此，由公式(c)可知，
满足要求。
由公式(d)可知，
满足要求。
由公式(e)可知，
满足设计要求。
【实例2】
取CE刚性支撑杆8与水平方向的夹角θ1为44°，CE刚性支撑杆8的长度为2.4m；那么通过结构力学计算可得BE刚性支撑杆7与竖直方向的夹角θ2约为39.15°；Db2刚性支撑杆6与水平方向的夹角θ3约为46.64°；Aa1刚性支撑杆2与竖直方向的夹角θ4约为41.76°。
由公式(b)可知，
此时，铰接式支撑阻尼器系统能够将阻尼器位移放大11.249倍。
由公式(a)可知，
此时，铰接式支撑阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量EDη是传统阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量ED的18.253倍。
【实例3】
如果取CE刚性支撑杆8与水平方向的夹角θ1为45°，CE刚性支撑杆8的长度为2.4m；那么通过结构力学计算可得BE刚性支撑杆7与竖直方向的夹角θ2约为40.10°；Db2刚性支撑杆6与水平方向的夹角θ3约为46.64°；Aa1刚性支撑杆2与竖直方向的夹角θ4约为41.73°。
由公式(b)可知，
此时，铰接式支撑阻尼器系统能够将阻尼器位移放大15.804倍。
由公式(a)可知，
此时，铰接式支撑阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量EDη是传统阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量ED的27.449倍。
【实例4】
如果取CE刚性支撑杆8与水平方向的夹角θ1为50°，CE刚性支撑杆8的长度为2.4m；那么通过结构力学计算可得BE刚性支撑杆7与竖直方向的夹角θ2约为44.94°；Db2刚性支撑杆6与水平方向的夹角θ3约为46.32°；Aa1刚性支撑杆2与竖直方向的夹角θ4约为41.22°。
由公式(b)可知，
此时，铰接式支撑阻尼器系统能够将阻尼器位移放大16.498倍。
由公式(a)可知，
此时，铰接式支撑阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量EDη是传统阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量ED的28.901倍。
【实例5】
如果取CE刚性支撑杆8与水平方向的夹角θ1为55°，CE刚性支撑杆8的长度为2.4m；那么通过结构力学计算可得BE刚性支撑杆7与竖直方向的夹角θ2约为35.38°；Db2刚性支撑杆6与水平方向的夹角θ3约为46.56°；Aa1刚性支撑杆2与竖直方向的夹角θ4约为41.80°。
由公式(b)可知，
此时，铰接式支撑阻尼器系统能够将阻尼器位移放大6.521倍。
由公式(a)可知，
此时，铰接式支撑阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量EDη是传统阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量ED的9.488倍。
通过以上五个实例对比可知，当时，阻尼器的位移放大倍数及消耗的能力倍数随着θ1的增大而递增，当时，阻尼器的位移放大倍数及消耗的能力倍数随着θ1的增大而递减。即，CE越靠近框架的对角线CB，系统的位移放大及耗能减振能力越强。
但是，当CE与对角线CB重合时，整个系统处于临界状态，发生位移的方向将会不确定，导致系统不能正常工作，因此需要CE刚性支撑杆8与水平方向的夹角θ1满足其中H为结构薄弱层的层高，L为结构薄弱层的宽度。此外，为了尽量避免整个系统工作过程中出现临界状态，在初始安装时，θ1取值范围应当满足：
m<1，根据不同尺寸的结构薄弱层的层高及宽度，m、n可以按照经验值选取，优选地，取m、n∈[0.02，0.05]。
本发明的铰接式支撑阻尼器系统均能够有效地放大阻尼器的运动位移，使得阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量显著增加，充分地发挥了阻尼器的减振消能特性，从根本上弥补了传统阻尼器系统由于变形量受到限制而不能发挥其耗能特性，实现了阻尼器良好的减振效果，使减振结构的安全性、可靠性以及稳定性增强，经济实用，施工操作简单快捷，有效地保障了结构工程在强烈地震作用、风荷载、爆炸冲击荷载等作用下的正常使用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种铰接式支撑阻尼器减振系统，用于设置在结构体系内的结构薄弱层中进行减振，其特征在于，包括：上部阻尼器(1)、Aa1刚性支撑杆(2)、Eb1刚性支撑杆(3)、下部阻尼器(4)、Ea2刚性支撑杆(5)、Db2刚性支撑杆(6)、BE刚性支撑杆(7)、CE刚性支撑杆(8)以及铰接点E；
上部阻尼器(1)、Aa1刚性支撑杆(2)和Eb1刚性支撑杆(3)三者的中轴线共线，且上部阻尼器(1)的两端点a1和b1分别与Aa1刚性支撑杆(2)的a1端和Eb1刚性支撑杆(3)的b1端刚性连接；
下部阻尼器(4)、Ea2刚性支撑杆(5)和Db2刚性支撑杆(6)三者的中轴线共线，且下部阻尼器(4)的两端点a2和b2分别与Ea2刚性支撑杆(5)的a2端和Db2刚性支撑杆(6)的b2端刚性连接；
Eb1刚性支撑杆(3)、Ea2刚性支撑杆(5)、BE刚性支撑杆(7)和CE刚性支撑杆(8)的E端共同铰接于铰接点E上；
Aa1刚性支撑杆(2)的A端、BE刚性支撑杆(7)的B端、CE刚性支撑杆(8)的C端、Db2刚性支撑杆(6)的D端分别用于铰接结构薄弱层的上左、下右、上右、下左四个角；
初始状态下，CE刚性支撑杆(8)与水平方向的夹角θ1满足：
其中，H为结构薄弱层的层高，L为结构薄弱层的宽度。
2.如权利要求1所述的一种铰接式支撑阻尼器减振系统，其特征在于，在初始状态下，θ1取值范围应当满足：
m、n为经验系数，且m<1。
3.如权利要求2所述的一种铰接式支撑阻尼器减振系统，其特征在于，m、n∈[0.02，0.05]。
4.如权利要求1～3任意一项所述的一种铰接式支撑阻尼器减振系统，其特征在于，Eb1刚性支撑杆(3)、Ea2刚性支撑杆(5)、BE刚性支撑杆(7)以及CE刚性支撑杆(8)之间采用高强螺栓铰接于铰接点E。
5.如权利要求4所述的一种铰接式支撑阻尼器减振系统，其特征在于，Aa1刚性支撑杆(2)、Eb1刚性支撑杆(3)、Ea2刚性支撑杆(5)、Db2刚性支撑杆(6)、BE刚性支撑杆(7)以及CE刚性支撑杆(8)均应满足轴心受拉构件的强度验算公式(c)以及轴心受压构件的稳定性验算公式(d)；高强螺栓应满足受剪承载力验算公式(e)；
式中，σ为轴心受拉构件的强度；
Nt为构件的轴心拉力；
An为构件的净截面面积；
ft为构件的抗拉强度；
Nc为构件轴心压力；
为轴心受压构件的稳定性系数；
A为构件毛截面面积；
fc为构件的抗压强度；
Nv为高强螺栓的受剪承载力；
n为高强螺栓的受剪面的数目；
d为高强螺栓杆的直径；
fv为高强螺栓的抗剪强度设计值。
6.如权利要求1～5任意一项所述的一种铰接式支撑阻尼器减振系统的减振效能评估方法，其特征在于，定义铰接式支撑阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量为EDη，传统等位移式阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量为ED，则二者的比值λ可表示为：
式中，λ为EDη与ED的比值；
EDη为铰接式支撑阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量；
ED为传统等位移式阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量；
π为圆周率；
ω为圆频率；
Cα为阻尼器的阻尼系数；
η为铰接式支撑阻尼器系统将阻尼器位移放大的倍数；
u为阻尼器运动的位移量；
α为阻尼器的阻尼指数；
θ1为CE刚性支撑杆(8)与水平方向的夹角；
θ2为BE刚性支撑杆(7)与竖直方向的夹角；
θ3为Db2刚性支撑杆(6)与水平方向的夹角；
θ4为Aa1刚性支撑杆(2)与竖直方向的夹角。
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