CN109403493B - 具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统及减振效能评估方法 - Google Patents

具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统及减振效能评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统及减振效能评估方法，属于减振系统设计领域。该减振系统具有上部阻尼器MN、下部阻尼器PQ、十四个刚性杆以及九个铰接点A～I；十四个刚性杆分别为FN、EM、IQ、HP、AF、AE、FG、EG、IG、HG、DI、DH、BG、CG；点B、点C、点G不共线；各刚性杆按照字母对应关系铰接于各铰接点，且与对应的阻尼器刚性连接。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，保障结构工程在强烈地震荷载、风荷载、爆炸冲击荷载等作用下的正常使用，增强结构的安全性、可靠性以及稳定性，经济实用，施工操作方便快捷。

Description

具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统及减振效能评估方法
技术领域
本发明属于阻尼器减振领域，更具体地，涉及一种具位移放大型双剪刀支撑阻尼器减振系统及减振效能评估方法。
背景技术
随着现代生活水平的日益提高，人们开始对生活质量、人身安全以及财产安全越来越重视，特别是在人们所处建筑结构的安全性、耐久性与舒适度方面。因此，建筑结构的消能减振技术的发展也越来越得到人们的密切关注。而阻尼器系统作为一种有效的减振消能装置，能有效地控制结构的动力响应，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，特别是对地震荷载、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。
以传统的等位移式阻尼器减振系统为例，其阻尼器的变形量与框架结构的层间变形量相等。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结构形式成为现代结构的主流，这些结构层间变形相对较小，使得装设的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亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统及减振效能评估方法，其目的在于，通过刚性杆相互之间以及刚性杆与阻尼器之间的连接构造的设计，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。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统，用于安装至结构薄弱层框架中进行减振，其特征在于，包括：上部阻尼器MN、下部阻尼器PQ、十四个刚性杆以及九个铰接点；
十四个刚性杆分别为：FN、EM、IQ、HP、AF、AE、FG、EG、IG、HG、DI、DH、BG、CG；
九个铰接点分别为点A～点I；
点A～点D依次分别设于结构薄弱层框架的上左、上右、下左、下右四个角落的节点处；
AE、AF的A端铰接于点A，BG的B端铰接于点B，CG的C端铰接于点C，DI、DH的D端铰接于点D，AE、EG、EM的E端铰接于点E，AF、FG、FN的F端铰接于点F，BG、CG、EG、FG、IG、HG的G端铰接于点G，HG、DH、HP的H端铰接于点H，DI、IQ、IG的I端铰接于点I；
刚性杆EM、上部阻尼器MN与刚性杆FN依次刚性连接且轴线共线；
刚性杆HP、下部阻尼器PQ与刚性杆IQ依次刚性连接且轴线共线；
连线AG为连线EF的中垂线或者互为中垂线，连线DG为连线HI的中垂线或者互为中垂线；
点B、点C以及点G不共线。
进一步地，初始状态下，连线AG为上部阻尼器MN的中垂线，连线DG为下部阻尼器PQ的中垂线。
进一步地，各铰接点与各刚性杆之间均采用高强螺栓铰接。
进一步地，设刚性杆CG与水平方向形成的锐角为θ1，连线CB与水平方向形成的锐角为θ0，在初始状态下，θ1取值范围满足：
其中，m、n为经验系数，且0＜m＜1，0＜n＜1。
进一步地，m、n∈[0.02，0.05]。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统的减振效能评估方法，定义具位移放大型双剪刀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为具位移放大型双剪刀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为具位移放大型双剪刀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为夹角∠GCD的值；
θ2为夹角∠GBD的值；
θ3为夹角∠FAG的值；
θ4为夹角∠GDC和∠BAG的值；
θ5为夹角∠GDI的值。
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、本发明的具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统，通过刚性杆与刚性杆以及刚性杆与阻尼器之间的连接设计，将阻尼器置于近似剪刀一样可以开合的剪刀型刚性杆铰接架构中，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等位移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荷载、风荷载、爆炸冲击荷载等作用下的正常使用。
2、由于具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统独特的铰接方式，使得具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统中的上部阻尼器MN、下部阻尼器PQ以及十四个刚性杆均只受到轴向力作用，而没有弯矩作用，更好地发挥出具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统的位移放大作用。
3、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为具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统在结构框架中的安装示意图；
图2为图1的简化模型示意图。
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。
请参照图1所示，作为本发明的具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统的优选实施例，其包括：上部阻尼器MN、下部阻尼器PQ、刚性杆FN、刚性杆EM、刚性杆IQ、刚性杆HP、刚性杆AF、刚性杆AE、刚性杆FG、刚性杆EG、刚性杆IG、刚性杆HG、刚性杆DI、刚性杆DH、刚性杆BG、刚性杆CG、铰接点A、铰接点B、铰接点C、铰接点D、铰接点E、铰接点F、铰接点G、铰接点H、铰接点I。
安装之前，根据结构体系类型，确定的结构最薄弱层，分析并优化设计具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统的施工方案。确定需要安装具位移放大型双剪刀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，即图1中的左上角、右上角节点处；在该部位的柱底处，设置铰接点C与铰接点D，即图1中的左下角、右下角节点处。
确定点A～点D的安装位置以后，在上部阻尼器MN的两端分别设置刚性杆FN与刚性杆EM，而且上部阻尼器MN与刚性杆FN、刚性杆EM之间采用刚性连接；在铰接点A处分别设置刚性杆AF与刚性杆AE；刚性杆FN的一端、刚性杆AF的一端以及刚性杆FG的一端由铰接点F铰接；刚性杆EM的一端、刚性杆AE的一端以及刚性杆EG的一端由铰接点E铰接；刚性杆FG的另一端与刚性杆EG的另一端由铰接点G铰接；在下部阻尼器PQ的两端分别设置刚性杆IQ与刚性杆HP，而且下部阻尼器PQ与刚性杆IQ、刚性杆HP之间采用刚性连接；在铰接点D处分别设置刚性杆DI与刚性杆DH；刚性杆IQ的一端、刚性杆DI的一端以及刚性杆IG的一端由铰接点I铰接；刚性杆HP的一端、刚性杆DH的一端以及刚性杆HG的一端由铰接点H铰接；刚性杆IG的另一端与刚性杆HG的另一端由铰接点G铰接；在铰接点B与铰接点G之间设置刚性杆BG；在铰接点C与铰接点G之间设置刚性杆CG。
在铰接点A、B、C、D、E、F、G、H、I处，刚性杆的连接均采用高强螺栓铰接。上部阻尼器MN、下部阻尼器PQ与刚性杆之间的连接均采用刚性连接。
不仅如此，铰接点E与铰接点F关于铰接点A与铰接点G的连线AG对称(即连线AG是连线EF的中垂线)；铰接点I与铰接点H关于铰接点D与铰接点G的连线DG对称(即连线DG是连线HI的中垂线)；铰接点B、铰接点C以及铰接点G不在同一直线上。在本实施例中，为了最大化阻尼器的减振耗能效果，还令刚性杆AF和刚性杆FG的长度相等、刚性杆IG和刚性杆DI的长度相等。相当于连线AG和EF互为中垂线，DG和HI互为中垂线，亦即四边形AEGF和四边形DHGI均为菱形，并且使点A、点G、点D共线。在其他实施例中(未图示)，也可以根据不同的场景改变各刚性杆的长度关系，只需满足连线AG是连线EF的中垂线、连线DG是连线HI的中垂线且点B、点C、点G不共线即可。
当铰接点B、铰接点C以及铰接点G在同一直线上时，整个系统处于临界状态，导致系统不能正常工作，因此需要保证点B、点C、点G不共线。
作为进一步地优化，还可以对具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统进行防腐防火处理。
另外，通过本发明的具位移放大型双剪刀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，若定义具位移放大型双剪刀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，通过具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统放大阻尼器位移后，阻尼器耗能明显增加。
式中，λ为EDη与ED的比值；EDη为具位移放大型双剪刀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为具位移放大型双剪刀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；如图2所示，θ1为刚性杆CG与水平方向的夹角∠GCD的值；θ2为刚性杆BG与竖直方向的夹角∠GBD的值；θ3为刚性杆AF与直线AD的夹角∠FAG的值；θ4为直线AD与水平方向的夹角∠GDC以及∠BAG的值；θ5为刚性杆DI与直线AD的夹角∠GDI的值。
在其他实施例中(未图示)，作为进一步的优化调整，为了尽量避免整个系统工作过程中出现临界状态，设θ0是夹角∠BCD的值，在初始安装时，θ1取值范围应当满足：
根据不同尺寸的结构薄弱层的层高及宽度，在进行系统优化调整时，m、n可以按照经验值选取，优选地，取m、n∈[0.02，0.05]。
不仅如此，由于本发明提供的具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统独特的铰接方式，使得具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统中的上部阻尼器MN、下部阻尼器PQ、刚性杆FN、刚性杆EM、刚性杆IQ、刚性杆HP、刚性杆AF、刚性杆AE、刚性杆FG、刚性杆EG、刚性杆IG、刚性杆HG、刚性杆DI、刚性杆DH、刚性杆BG以及刚性杆CG只受到轴向力作用，而没有弯矩作用，更好地发挥出具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统的位移放大作用。
此外，具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统中的刚性杆FN、刚性杆EM、刚性杆IQ、刚性杆HP、刚性杆AF、刚性杆AE、刚性杆FG、刚性杆EG、刚性杆IG、刚性杆HG、刚性杆DI、刚性杆DH、刚性杆BG以及刚性杆CG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)。具位移放大型双剪刀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(取截面对应的相互对接的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；取一榀框架结构的薄弱层层高H为3.6m，宽度L为3.3m；具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统中的刚性杆FN、刚性杆EM、刚性杆IQ、刚性杆HP、刚性杆AF、刚性杆AE、刚性杆FG、刚性杆EG、刚性杆IG、刚性杆HG、刚性杆DI、刚性杆DH、刚性杆BG以及刚性杆CG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；具位移放大型双剪刀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。
我们以刚性杆CG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】
如果取夹角θ1为40°，刚性杆CG的长度为2.4m，夹角θ3为15°，夹角θ5为15°，那么通过计算可得夹角θ2约为35.38°，夹角θ4约为48.20°。
由公式(b)可知，
此时，具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统能够将阻尼器位移放大10.283倍。
由公式(a)可知，
此时，具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量EDη是传统等位移阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量ED的16.389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】
如果取夹角θ1为44°，刚性杆CG的长度为2.4m，夹角θ3为15°，夹角θ5为15°，那么通过计算可得夹角θ2约为39.15°，夹角θ4约为48.24°。
由公式(b)可知，
此时，具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统能够将阻尼器位移放大16.229倍。
由公式(a)可知，
此时，具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量EDη是传统等位移阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量ED的28.337倍。
【实例3】
如果取夹角θ1为45°，刚性杆CG的长度为2.4m，夹角θ3为15°，夹角θ5为15°，那么通过计算可得夹角θ2约为40.10°，夹角θ4约为48.27°。
由公式(b)可知，
此时，具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统能够将阻尼器位移放大20.772倍。
由公式(a)可知，
此时，具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量EDη是传统等位移阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量ED的38.104倍。
【实例4】
如果取夹角θ1为50°，刚性杆CG的长度为2.4m，夹角θ3为15°，夹角θ5为15°，那么通过计算可得夹角θ2约为44.94°，夹角θ4约为48.78°。
由公式(b)可知，
此时，具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统能够将阻尼器位移放大21.978倍。
由公式(a)可知，
此时，具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量EDη是传统等位移阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量ED的44.774倍。
【实例5】
如果取夹角θ1为55°，刚性杆CG的长度为2.4m，夹角θ3为15°，夹角θ5为15°，那么通过计算可得夹角θ2约为49.64°，夹角θ4约为49.88°。
由公式(b)可知，
此时，具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统能够将阻尼器位移放大11.272倍。
由公式(a)可知，
此时，具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量EDη是传统等位移阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量ED的18.298倍。
通过上述实例可知，本发明的具位移放大型双剪刀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等位移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，能够有效地保障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 (7)

1.一种具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统，用于安装至结构薄弱层框架中进行减振，其特征在于，包括：上部阻尼器MN、下部阻尼器PQ、十四个刚性杆以及九个铰接点；
十四个刚性杆分别为：FN、EM、IQ、HP、AF、AE、FG、EG、IG、HG、DI、DH、BG、CG；
九个铰接点分别为点A~点I；
点A~点D依次分别设于结构薄弱层框架的上左、上右、下左、下右四个角落的节点处；
AE、AF的A端铰接于点A，BG的B端铰接于点B，CG的C端铰接于点C，DI、DH的D端铰接于点D，AE、EG、EM的E端铰接于点E，AF、FG、FN的F端铰接于点F，BG、CG、EG、FG、IG、HG的G端铰接于点G，HG、DH、HP的H端铰接于点H，DI、IQ、IG的I端铰接于点I；
刚性杆EM、上部阻尼器MN与刚性杆FN依次刚性连接且轴线共线；
刚性杆HP、下部阻尼器PQ与刚性杆IQ依次刚性连接且轴线共线；
连线AG为连线EF的中垂线或者互为中垂线，连线DG为连线HI的中垂线或者互为中垂线；
点B、点C以及点G不共线。
2.如权利要求1所述的一种具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统，其特征在于，初始状态下，连线AG为上部阻尼器MN的中垂线，连线DG为下部阻尼器PQ的中垂线。
3.如权利要求2所述的一种具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统，其特征在于，各铰接点与各刚性杆之间均采用高强螺栓铰接。
4.如权利要求1所述的一种具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统，其特征在于，各铰接点与各刚性杆之间均采用高强螺栓铰接。
5.如权利要求1~4任意一项所述的一种具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统，其特征在于，设刚性杆CG与水平方向形成的锐角为θ1，连线CB与水平方向形成的锐角为θ0，在初始状态下，θ1取值范围满足：
tanθ1∉[(1-m)tanθ0,(1+n) tanθ0]，其中，m、n为经验系数，且，0<m<1，0<n<1。
6.如权利要求5所述的一种具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统，其特征在于，m、n∈[0.02,0.05]。
7.如权利要求1~6任意一项所述的一种具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统的减振效能评估方法，其特征在于，定义具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量为E Dη，传统等位移阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量为E D，则二者的比值λ可表示为：
式中，λ为E Dη与E D 的比值；
E Dη为具位移放大型双剪刀支撑阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量；
E D 为传统等位移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；
C α 为阻尼器的阻尼系数；
η为具位移放大型双剪刀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为夹角∠GCD的值；
θ2为夹角∠GBD的值；
θ3为夹角∠FAG的值；
θ4为夹角∠GDC和∠BAG的值；
θ5为夹角∠GDI的值。
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