CN109881806B - 自复位波纹变摩擦阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自复位波纹变摩擦阻尼器，主要包括内管、外管、摩擦组件、螺旋弹簧、碟形弹簧和相关组件。内管为钢材质实心圆管，中间部分管径增大。外管由两块带平板接头的半圆管组合而成，平板上有螺栓孔。内外管的中间部分为相互匹配的波纹段，在内外管的波纹段粘贴摩擦材料或加工摩擦面共同构成摩擦组件。螺旋弹簧轴向受压提供自复位能力。高强螺栓上增加碟形弹簧，径向提供自复位能力。该阻尼器具有变摩擦的特性，在中小震下摩擦力较小，位移行程较大，在大震下摩擦力急剧增大，位移行程减少，保证了不同地震状况下的耗能能力。该阻尼器与同类型阻尼器相比极限承载力更大，且耐久性好，使用范围广泛。

Description

自复位波纹变摩擦阻尼器

技术领域

本发明属于土木结构(包括摇摆结构、自复位结构和高层结构等)减振控制领域，涉及一种自复位波纹变摩擦阻尼器。

背景技术

目前常用的减振控制方法主要有被动控制、主动控制和半主动控制等，其中被动控制因为其构造简单、制造和维护成本低、应用最为广泛。常见的被动控制装置有摩擦阻尼器、金属阻尼器、黏滞阻尼器、黏弹性阻尼器等。但是黏滞阻尼器工程上存在漏油问题，黏弹性阻尼器地震作用下抗疲劳能力差、耐久性差。

应我国提出的“韧性城乡”要求，可恢复功能结构将是一大趋势。目前可恢复功能结构主要使用预应力钢筋或形状记忆合金提供自复位能力，预应力钢筋存在极限弹性变形能力不足的问题，形状记忆合金性能受温度影响较大。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种自复位波纹变摩擦阻尼器，该阻尼器具有双重自复位机制，在中小震下可以实现无损恢复，在大震下也具有很好的自复位能力；同时，该阻尼器具有变摩擦的特性，在中小震下摩擦力较小，位移行程较大，在大震下摩擦力急剧增大，位移行程减少，保证了不同地震状况下的耗能能力；摇摆结构在地震作用下位移较大，阻尼器承受荷载较大，该阻尼器可实现最大100吨的承载力，且耐久性好，使用范围广泛。

为了实现上述功能，本发明采用如下技术方案。

一种自复位波纹变摩擦阻尼器，包括内管、外管、摩擦组件、螺旋弹簧、第一法兰挡板、圆环接头、端盖板、第二法兰挡板、高强螺栓和碟形弹簧。其中，内管为钢材质实心圆管，中间部分管径增大。外管由两块带平板接头的半圆管组合而成，平板上有螺栓孔。内外管的中间部分为相互匹配的波纹段，且波纹段均设计为摩擦面，内管外摩擦面、外管内摩擦面和内外管之间粘贴的摩擦材料或加工摩擦面共同构成摩擦组件。内管的两端各套设有一个螺旋弹簧，螺旋弹簧一端与内管接触，另一端与法兰挡板接触。圆环接头包括一圆环部分和一连接部分，圆环部分设有连接孔，连接部分由螺纹与内管一端连接。第一法兰挡板由两个半圆法兰组成，由螺栓与外管圆形部分连接，其内径略大于内管外径，外径与外管外径一致，用于阻止螺旋弹簧移动。第二法兰挡板与第一法兰挡板原理一致，板厚增加，为内管提供位移空间。端盖板为两个半圆，分别与第二法兰挡板的两片法兰连接，两个半圆中心处各连接一接头，两接头不连接，允许产生径向位移。沿外管轴向均匀安装高强螺栓，使上下两半圆存在预压力，高强螺栓上增加碟形弹簧，使外管径向受力时上下半管之间能产生相对移动。

所述内管之中心轴线与外管之中心轴线重合，与螺旋弹簧和端盖板之中心轴线重合。

第二法兰挡板根据内管可能出现的位移进行加厚，给内管滑动空间。

摩擦组件由内管外摩擦面、外管内摩擦面和内外管之间的摩擦材料或加工成的摩擦面共同组成，形状为环状波纹式。波纹摩擦面分为平面和坡面，平面摩擦力由预紧力控制，平面摩擦时外管径向不发生位移；坡面摩擦力由地震力控制，坡面摩擦时外管两半圆径向发生位移。

调节高强螺栓预紧力可以改变初始摩擦力大小。

碟形弹簧在预紧力下处于压缩状态且仍然存在一定的压缩量，在外力消失后能提供回弹力。

螺旋弹簧始终处于压缩状态且内管两侧螺旋弹簧预压力相同，实现完全自复位。

本发明采用了双重自复位机制，内管两端设置螺旋弹簧，外管外伸平板接头设置若干碟形弹簧，螺旋弹簧沿内管轴向受压，并沿轴向提供自复位力，碟形弹簧沿内管径向受压，并沿径向提供自复位力；螺旋弹簧根据初始摩擦力可设计刚度，碟形弹簧可根据最大位移行程可设计最大变形量。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

(1)本发明采用金属摩擦进行耗能，该种耗能形式受环境影响小，性能稳定，可以根据地震状况实现变摩擦力，小震下摩擦力小位移大，大震下摩擦力大位移小，进行充分耗能的同时控制了位移。

(2)本发明采用双重自复位机制，平面摩擦时螺旋弹簧受压提供自复位力，坡面摩擦时螺旋弹簧和碟形弹簧同时受压，同时提供自复位力。保证了中小震下无损恢复，大震下仍然有很好的可恢复能力。相比自复位材料SMA丝和预应力钢筋，本发明使用的弹簧在工程中广泛应用，造价低，性能稳定，推广性好。

(3)目前具有可恢复功能的阻尼器极限承载力较小，本发明材质主要为钢材，能实现较大承载力，在大震下不至破坏，更适用于摇摆结构等大位移小刚度的结构。

附图说明

图1为本发明自复位波纹变摩擦阻尼器的结构图。

图2为图1的A-A剖面图。

图3为图1的B-B剖面图。

附图标记：1为内管，2为外管，3为摩擦组件，4为螺旋弹簧，5为第一法兰挡板，6为圆环接头，7为端盖板，8为第二法兰挡板，9为高强螺栓，10为碟形弹簧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1至图3所示，本发明提供一种自复位波纹变摩擦阻尼器，采用金属摩擦的方式耗能，具有较好的耐久性，允许较大位移变形，可承受的极限荷载较大；采用具有稳定回弹性能的弹簧，受环境影响小，能很好实现自复位。

本发明的自复位波纹变摩擦阻尼器的结构如图1所示，图2和图3分别是图1中A-A剖面和B-B剖面图。本发明主要包括内管1、外管2、摩擦组件3、螺旋弹簧4、第一法兰挡板5、圆环接头6、端盖板7、第二法兰挡板8、高强螺栓9、碟形弹簧10。

内管1为钢材质实心圆管，其两端半径相同，中间部分管径增大；内管1穿设在外管2内；内外管的中间部分沿内外管轴向为相互匹配的波纹段，且内外管在波纹段的相对面为摩擦面，内外管的波纹段及摩擦面共同构成摩擦组件3。同时内管1在其中部部分的两端侧的半径增加20mm作为螺旋弹簧4的一端挡板。

在本发明中，摩擦面可以采用粘贴摩擦材料，或对摩擦组件3中内外管相对的波纹段进行不同粗糙度处理构成摩擦面。进一步，波纹段分包括交替设置的环形的平面和环形的坡面，内外管在环形平面段接触，且平面段允许有±10毫米位移，坡面的位移由地震力控制，地震力大于平面摩擦力和螺旋弹簧4弹力时，坡面发生摩擦产生位移，最大位移可根据坡度角设计。

外管2两端的内径大于内管1两端的外径，外管2两端各安装一个法兰挡板，一端为第一法兰挡板5，另一端为第二法兰挡板8，法兰挡板位于内外管之间，且法兰挡板内径略大于内管外径，外径与外管外径相同；同时内管1的两端各套设一个螺旋弹簧4，螺栓弹簧4的两端分别通过内管1中间部分的端侧及法兰挡板限位，并呈压缩状态。

具体的，外管2由两个半圆管组成，半圆管两侧均设置外伸平板，外伸平板上开孔，用于安装高强螺栓9。两个半圆外管组成一个整圆与内管1进行组装，且两个半圆管的外伸平板对接，高强螺栓9穿过外伸平板圆孔将外管2组成一个整体。

进一步，第一法兰挡板5和第二法兰挡板8分置于外管2两端，同时在外管2两端外侧开孔，采用螺栓将法兰和外管2两端侧面连接，法兰挡板起控制螺旋弹簧4位移的作用。

本发明中，采用高强螺栓9和碟形弹簧10对内外管施加预紧力，碟形弹簧10设置在高强螺栓9栓杆上，通过外管2两部分的径向位移允许内外管在轴向沿坡面进行滑动，随碟形弹簧10位移量的增加，坡面正应力增加，达到变摩擦的效果。

进一步，为方便与外部结构相连，内管1一端设置圆环接头6，其另一端使用端盖板7与外管2相连，端盖板7中心设置接头。

本发明存在双重自复位机制，内管1左右两端螺旋弹簧4的预压力相同，各个碟形弹簧10预压力相同。当拉压荷载大于内外管平面摩擦力和螺旋弹簧预压力时，内外管产生相对位移；当荷载小于坡面初始摩擦力和螺旋弹簧弹力时，内外管相对位移限制在平面部分，为±10毫米，只由螺旋弹簧4提供恢复力；当荷载大于坡面初始摩擦力和螺旋弹簧弹力时，外管2两部分产生径向相对位移，内外管继续沿坡面产生位移，由螺旋弹簧4和碟形弹簧10共同提供恢复力；在以上拉压过程中，螺旋弹簧4只有一个提供恢复力，另一个不提供，而碟形弹簧10全部提供恢复力。

本发明提供的自复位波纹变摩擦阻尼器的制作步骤如下：

1、按照允许位移设计内外管平面摩擦段长度、坡面摩擦段坡度角和第二法兰挡板厚度；按照承载力要求设计内外管半径；按照耗能要求设计摩擦材料确定摩擦系数；根据以上三点设计两种弹簧的刚度和预压力。

2、安装顺序为：将内管放入外管之中，按设计预压力拧紧高强螺栓；在内管上放入螺旋弹簧，将两块法兰挡板连接到外管上；在第二法兰挡板上连接端盖板，安装完成。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (8)

1.一种自复位波纹变摩擦阻尼器，其特征在于：包括内管（1）、外管（2）、摩擦组件（3）、螺旋弹簧（4）、法兰挡板、高强螺栓（9）和碟形弹簧（10）；

所述外管（2）包括两个带外伸平板的半圆管，两个半圆管在外伸平板处对接且通过高强螺栓（9）连接并施加预应力，同时高强螺栓（9）上套设有带有预紧力的碟形弹簧（10），碟形弹簧（10）位于高强螺栓（9）的螺栓头与外伸平板之间；

所述内管（1）为实心圆管，其两端管径相同，中间部分管径增大；所述内管（1）穿设在外管（2）内；内外管的中间部分沿内外管轴向为相互匹配的波纹段，同时内外管在波纹段的相对面均为摩擦面，所述摩擦面与内外管的波纹段共同构成摩擦组件（3）；

所述外管（2）两端的管径大于内管（1）两端的管径，外管（2）两端各安装一个法兰挡板，且法兰挡板内径略大于内管外径，外径与外管外径相同；同时所述内管（1）的两端各套设一个螺旋弹簧（4），螺栓弹簧（4）的两端分别通过内管（1）中间部分的端侧及法兰挡板限位，并呈压缩状态；

所述波纹段包括交替设置的环形平面和环形坡面；

且内外管的波纹段在环形平面段接触，在环形坡面段有间隙；

采用金属摩擦材料粘贴在内外管的波纹段上作为摩擦面，或将内外管钢材表面加工处理为摩擦面。

2.根据权利要求1所述的自复位波纹变摩擦阻尼器，其特征在于：所述环形平面摩擦行程为±10毫米，所述环形坡面摩擦坡度角可调整。

3.根据权利要求1所述的自复位波纹变摩擦阻尼器，其特征在于：所述高强螺栓（9）沿外管（2）轴向均匀安装有若干个。

4.根据权利要求1所述的自复位波纹变摩擦阻尼器，其特征在于：所述法兰挡板由两个半圆法兰对接形成。

5.根据权利要求4所述的自复位波纹变摩擦阻尼器，其特征在于：所述外管（2）一端的法兰挡板为第二法兰挡板（8），第二法兰挡板（8）沿外管（2）轴向的板厚增加，为内管（1）提供位移空间。

6.根据权利要求5所述的自复位波纹变摩擦阻尼器，其特征在于：所述第二法兰挡板（8）的外侧安装有端盖板（7）；

所述端盖板（7）包括两个半圆，两个半圆分别与第二法兰挡板（8）的两个半圆法兰连接，且两个半圆的中心处各安装一接头，两接头不连接，允许产生径向位移。

7.根据权利要求1所述的自复位波纹变摩擦阻尼器，其特征在于：所述内管（1）的另一端安装有圆环接头（6）；

所述圆环接头（6）包括相互连接的圆环部分和连接部分；所述连接部分与内管（1）螺纹连接；所述圆环部分设有连接孔。

8.根据权利要求1所述的自复位波纹变摩擦阻尼器，其特征在于：所述内管（1）的中心轴线与外管（2）的中心轴线重合。