CN110080592A - 一种多维铰球圆筒式粘弹性自复位减震器及其减震方法 - Google Patents

一种多维铰球圆筒式粘弹性自复位减震器及其减震方法 Download PDF

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Abstract

一种多维铰球圆筒式粘弹性自复位减震器，为对称结构，包括两个铰球式减震器单元和两个圆筒式粘弹性减震器单元，两个圆筒式粘弹性减震器单元相对连接，两个铰球式减震器单元安装在两个圆筒式粘弹性减震器单元两侧并与它们相连。所述铰球式减震器单元包括圆柱形钢球柄，所述钢球柄上连接有球形钢球头，所述钢球头安装在一个钢球底座中，所述钢球底座上安装有钢外壳，所述钢外壳将所述钢球头限制在所述钢球底座中，它们之间填充有粘弹性材料；所述圆筒式粘弹性减震器单元其各部件为同轴设置，由内向外依次为中心处的弹性元件，所述弹性元件外部套装有环形内钢筒，所述内钢筒外部套装有环形外钢筒，所述外钢筒与内钢筒之间填充有粘弹性材料。

Description

一种多维铰球圆筒式粘弹性自复位减震器及其减震方法
技术领域
本发明涉及一种多维铰球圆筒式粘弹性自复位减震器及其减震方法，属于土木建筑结构消能减震技术领域。
背景技术
在建筑结构中加设减震器是提高结构耗能能力和变形能力，减轻风振和地震损伤破坏的一种经济、可行的方法。
目前，传统的减震器大多仅具有单方向的消能减振功能，而当规则的建筑结构进入塑性损伤状态和不规则的建筑结构在外界荷载(风振和地震)作用下，结构往往会产生拉压弯剪扭等组合式的多方向形变与振动。此时，传统的减震器难以对结构进行多方向减震耗能，不能满足建筑结构多方向消能减振的需求，这往往导致结构在未能进行减震的方向产生过大的位移形变而造成严重损伤破坏。粘弹性材料具有制造成形简单、造价低廉的特点，该材料在拉压剪切等变形时均能产生良好的耗能效果，且剪切耗能的效果最优。同时，在建筑结构中增加其自复位能力能够大幅度提高结构的侧向刚度、耗能能力和变形能力，从而降低结构的损伤破坏程度。
发明内容
本发明的目的是提供一种多维铰球圆筒式粘弹性自复位减震器及其减震方法，以解决现有减震器难以对结构进行多方向减震耗能，不能满足建筑结构多方向消能减振的需求的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多维铰球圆筒式粘弹性自复位减震器，所述减震器整体为对称结构，包括两个铰球式减震器单元和两个圆筒式粘弹性减震器单元，所述两个圆筒式粘弹性减震器单元相对连接，两个铰球式减震器单元安装在两个圆筒式粘弹性减震器单元两侧并与两个圆筒式粘弹性减震器单元相连；其中，
所述铰球式减震器单元包括圆柱形钢球柄，所述钢球柄上连接有球形钢球头，所述钢球头安装在一个钢球底座中，所述钢球底座上安装有钢外壳，所述钢外壳将所述钢球头限制在所述钢球底座中，所述钢球头与钢球底座以及钢外壳之间填充有粘弹性材料；
所述圆筒式粘弹性减震器单元其各部件为同轴设置，由内向外依次为中心处的弹性元件，所述弹性元件外部套装有环形内钢筒，所述内钢筒外部套装有环形外钢筒，所述外钢筒与内钢筒之间填充有粘弹性材料；
所述钢球柄远离钢球头一端插入所述内钢筒中并与所述内钢筒相连，所述弹性元件与所述钢球柄插入所述内钢筒中的一端相连。
进一步地，所述内钢筒包括左内钢筒、右内钢筒，所述外钢筒包括左外钢筒、右外钢筒，所述左外钢筒、右外钢筒对接；所述左内钢筒、右内钢筒对应安装在所述左外钢筒、右外钢筒内部，且二者之间留有一定距离；所述弹性元件安装在所述左内钢筒、右内钢筒内部。
优选地，所述左内钢筒与右内钢筒之间的距离为50mm～150mm。
进一步地，所述粘弹性材料填充在所述左内钢筒与左外钢筒以及右内钢筒与右外钢筒之间，且所述内钢筒、外钢筒与粘弹性材料通过高温高压硫化方式或高强胶粘方式连接。
进一步地，所述内钢筒外表面与所述外钢筒内表面等间距设置有环形凹槽，且所述内钢筒外表面的环形凹槽和外钢筒内表面的环形凹槽不在同一个横断面上。
优选地，所述环形凹槽的深度为1mm～3mm。
进一步地，所述钢球头、钢球底座、钢外壳以及粘弹性材料通过高温高压硫化方式或高强胶粘方式连接。
进一步地，所述左内钢筒的左端面伸出所述左外钢筒的左端面，二者之间的间隔距离为200mm～500mm；所述右内钢筒的右端面伸出所述右外钢筒的右端面，二者之间的间隔距离为200mm～500mm。
优选地，所述弹性元件为弹簧，所述弹性材料为高阻尼的硅橡胶复合材料或高阻尼的丁腈橡胶复合材料。
本发明的多维铰球圆筒式粘弹性自复位减震器减震方法，该方法包括：提供一种对称式结构的，包括两个铰球式减震器单元和两个圆筒式粘弹性减震器单元的多位角球圆筒式粘弹性自复位减震器，其中，所述两个圆筒式粘弹性减震器单元相对连接，两个铰球式减震器单元安装在两个圆筒式粘弹性减震器单元两侧并与两个圆筒式粘弹性减震器单元相连；将该减震器采用人字形支撑或对角斜撑的方式布置于建筑结构中以起到减震作用。
相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：
本发明减震器具备钢球头可任意方向旋转，减震器能够承受多方向的拉压弯剪扭等组合式的形变，内钢筒与外钢筒之间的粘弹性材料层和以及钢球底座和钢球壳内的粘弹性材料层均能产生对应的拉压变形和剪切变形进行耗能，保证减震器在各种形变下均具有很高的耗能效率和良好的多方向耗能减震功能；
内钢筒与外钢筒之间产生轴向和环向相对运动时，它们之间粘弹性材料层与内钢筒、外钢筒分别形成对应的剪切应变面，使粘弹性材料的耗能利用率较高；
钢球头与钢外壳、钢球底座之间产生相对运动时，粘弹性材料层与钢外壳、钢球底座、钢球头分别形成对应的剪切应变面，使粘弹性材料的耗能利用率较高；
设置在内钢筒中心的弹性元件在受压和受拉时均可提供较大的弹性恢复刚度，这增加了整个减震器抵抗变形的能力，使减震器具有自复位功能；
内钢筒外表面和外钢筒内表面设置的环形凹槽使粘弹性材料层与钢筒之间的连接能力大幅度增强，防止粘弹性材料层在大变形下发生连接面的剪切破坏；
各粘弹性材料层的边缘约束良好，使其耐疲劳性能良好；
结构构造简单，各组成单元之间多采用装配式连接，保证其具有装配简单、单元易于更换、单元利用率高等特点。
附图说明
图1为本发明减震器的结构示意图；
图2为图1中本发明减震器中弹性元件、内钢筒和外钢筒A-A向剖视图；
图3为本发明减震器中钢球底座端部锚固板的结构示意图；
图中：1-1左外钢筒，1-2右外钢筒，2粘弹性材料，3-1左内钢筒，3-2右内钢筒，4弹性元件，5环形凹槽，6环形法兰，7-1左钢球柄，7-2右钢球柄，8-1左钢球头，8-2右钢球头，9-1左钢外壳，9-2右钢外壳，10-1左钢球座，10-2右钢球座，11锚固孔。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步地说明。
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
如图1、2、3所示，一种多维铰球圆筒式粘弹性自复位减震器，所述减震器整体为对称结构，包括两个铰球式减震器单元和两个圆筒式粘弹性减震器单元，所述两个圆筒式粘弹性减震器单元相对连接，两个铰球式减震器单元安装在两个圆筒式粘弹性减震器单元两侧并与两个圆筒式粘弹性减震器单元相连。
所述铰球式减震器单元包括圆柱形钢球柄，所述钢球柄分为左钢球柄7-1和右钢球柄7-2，所述左钢球柄7-1和右钢球柄7-2分别连接有球形钢球头，所述钢球头分为左钢球头8-1和右钢球头8-2，所述钢球柄与所述钢球头为一体式结构。所述左钢球头8-1和右钢球头8-2分别安装在一个钢球底座中，所述钢球座分为左钢球座10-1和右钢球座10-2，所述钢球底座内部为内凹球形面，与所述钢球头形状相配，所述钢球座另一端为方形或圆形，周边均匀设置有若干锚固孔11，通过锚固孔11使用螺栓或其他方式将钢球底座安装在建筑物内。所述钢球底座上安装有钢外壳，说钢外壳分为左钢外壳9-1和右钢外壳9-2，所述钢外壳为空心旋转体结构，其内部为球面与所述钢球底座配合将所述钢球头限制在内部，所述钢外壳表面开有通孔，所述钢球柄从所述通孔中伸出。所述钢外壳与所述钢球座相连处对应设置有相匹配的内螺纹和外螺纹，二者通过螺纹连接组成可拆卸装配。所述钢球底座内表面、钢球壳内表面以及所述钢球头之间填充粘弹性材料2，它们之间通过高温高压硫化方式或高强胶粘方式连接。
所述圆筒式粘弹性减震器单元其各部件为同轴设置，由内向外依次为中心处的弹性元件4，所述弹性元件4优选弹簧。所述弹性元件4外部套装有环形内钢筒，所述内钢筒包括左内钢筒3-1和右内钢筒3-2，所述内钢筒外部套装有环形外钢筒，所述外钢筒包括左外钢筒1-1和右外钢筒1-2，所述外钢筒与内钢筒之间填充有粘弹性材料2，它们之间通过高温高压硫化方式或高强胶粘方式连接。所述左内钢筒3-1和右内钢筒3-2之间留有一定距离，优选的，该段距离长度为50mm～150mm。所述左内钢筒3-1左端伸出所述左外钢筒1-1一端距离，优选的该段距离长度为200mm～500mm；所述右内钢筒3-2伸出所述右外钢筒1-2一端距离，优选地该段距离长度为200mm～500mm。所述左外钢筒1-1与所述右外钢筒1-2接触部位分别设置有凸出的环形法兰6，通过所述环形法兰6使用螺栓将左外钢筒1-1与右外钢筒1-2装配式连接。所述内钢筒外表面和外钢筒内表面均设有若干环形凹槽5，且内钢筒的外表面和外钢筒的内表面的环形凹槽5不在同一横断面上，所述环形凹槽5的数量和间隔距离可根据粘弹性材料2设计所需的应变大小和剪切应力确定，优选所述环形凹槽5的深度为1mm～3mm。
所述左钢球柄7-1和右钢球柄7-2远离钢球头一端分别从所述左内钢筒3-1和右内钢筒3-2的左侧和右侧插入所述左内钢筒3-1和右内钢筒3-2内部，优选地，所述左钢球柄7-1和右钢球柄7-2上设置有外螺纹，所述左内钢筒3-1和右内钢筒3-2的左侧和右侧内部设置有相配的内螺纹，它们之间通过螺纹连接安装。同时，还在所述左钢球柄7-1和右钢球柄7-2上设置有若干个螺纹孔，所述左内钢筒3-1和右内钢筒3-2的左侧和右侧筒壁上对应设置有相同数量螺纹孔，它们之间通过拧入螺丝进行加固连接。所述弹性元件4两端分别与所述左钢球柄7-1和右钢球柄7-2相连，它们之间可采用焊接或螺丝固定。优选的，所述内钢筒的直径比弹性元件4径向长度大1mm～3mm。
本发明的多维铰球圆筒式粘弹性自复位减震器减震方法，该方法包括：提供一种对称式结构的，包括两个铰球式减震器单元和两个圆筒式粘弹性减震器单元的多位角球圆筒式粘弹性自复位减震器，其中，所述两个圆筒式粘弹性减震器单元相对连接，两个铰球式减震器单元安装在两个圆筒式粘弹性减震器单元两侧并与两个圆筒式粘弹性减震器单元相连；将该减震器采用人字形支撑或对角斜撑的方式布置于建筑结构中以起到减震作用。
规则的建筑结构中，在小震和风振作用下，结构基本处于弹性状态，内钢筒和外钢筒之间的粘弹性材料2发生剪切变形并承担主要的耗能作用，钢球头与钢球底座和钢外壳之间的粘弹性材料2通过挤压承担小部分的耗能作用。
规则的建筑结构中，在中震和大震作用下，结构处于塑性状态，内钢筒和外钢筒之间的粘弹性材料2发生剪切变形耗能，主要减小结构平面内的动力响应，钢球头与钢球底座和钢外壳之间的粘弹性材料2通过球头剪切和挤压耗能，主要减小结构平面外的动力响应，减震器能够保证对结构进行多方向的消能减震。
不规则的建筑结构中，在外界荷载(风振和地震)作用下，内钢筒和外钢筒之间的粘弹性材料2发生剪切变形耗能，主要减小结构平面内的动力响应，钢球头与钢球底座和钢外壳之间的粘弹性材料2通过扭转剪切和挤压耗能，主要减小结构平面外的动力响应，减震器能够保证对结构进行多方向的消能减震。
此外，设置在内钢筒中心的弹性元件4在受压和受拉时均可提供较大的弹性恢复刚度，这增加了整个减震器抵抗变形的能力，使减震器具有自复位功能。

Claims (10)

1.一种多维铰球圆筒式粘弹性自复位减震器，其特征在：所述减震器整体为对称结构，包括两个铰球式减震器单元和两个圆筒式粘弹性减震器单元，所述两个圆筒式粘弹性减震器单元相对连接，两个铰球式减震器单元安装在两个圆筒式粘弹性减震器单元两侧并与两个圆筒式粘弹性减震器单元相连；其中，
所述铰球式减震器单元包括圆柱形钢球柄，所述钢球柄上连接有球形钢球头，所述钢球头安装在一个钢球底座中，所述钢球底座上安装有钢外壳，所述钢外壳将所述钢球头限制在所述钢球底座中，所述钢球头与钢球底座以及钢外壳之间填充有粘弹性材料；
所述圆筒式粘弹性减震器单元其各部件为同轴设置，由内向外依次为中心处的弹性元件，所述弹性元件外部套装有环形内钢筒，所述内钢筒外部套装有环形外钢筒，所述外钢筒与内钢筒之间填充有粘弹性材料；
所述钢球柄远离钢球头一端插入所述内钢筒中并与所述内钢筒相连，所述弹性元件与所述钢球柄插入所述内钢筒中的一端相连。
2.根据权利要求1所述的一种多维铰球圆筒式粘弹性自复位减震器，其特征在：所述内钢筒包括左内钢筒、右内钢筒，所述外钢筒包括左外钢筒、右外钢筒，所述左外钢筒、右外钢筒对接；所述左内钢筒、右内钢筒对应安装在所述左外钢筒、右外钢筒内部，且二者之间留有一定距离；所述弹性元件安装在所述左内钢筒、右内钢筒内部。
3.根据权利要求2所述的一种多维铰球圆筒式粘弹性自复位减震器，其特征在：所述左内钢筒与右内钢筒之间的距离为50mm～150mm。
4.根据权利要求2所述的一种多维铰球圆筒式粘弹性自复位减震器，其特征在：所述粘弹性材料填充在所述左内钢筒与左外钢筒以及右内钢筒与右外钢筒之间，且所述内钢筒、外钢筒与粘弹性材料通过高温高压硫化方式或高强胶粘方式连接。
5.根据权利要求2所述的一种多维铰球圆筒式粘弹性自复位减震器，其特征在：所述内钢筒外表面与所述外钢筒内表面等间距设置有环形凹槽，且所述内钢筒外表面的环形凹槽和外钢筒内表面的环形凹槽不在同一个横断面上。
6.根据权利要求5所述的一种多维铰球圆筒式粘弹性自复位减震器，其特征在：所述环形凹槽的深度为1mm～3mm。
7.根据权利要求1所述的一种多维铰球圆筒式粘弹性自复位减震器，其特征在：所述钢球头、钢球底座、钢外壳以及粘弹性材料通过高温高压硫化方式或高强胶粘方式连接。
8.根据权利要求2所述的一种多维铰球圆筒式粘弹性自复位减震器，其特征在：所述左内钢筒的左端面伸出所述左外钢筒的左端面，二者之间的间隔距离为200mm～500mm；所述右内钢筒的右端面伸出所述右外钢筒的右端面，二者之间的间隔距离为200mm～500mm。
9.根据权利要求1所述的一种多维铰球圆筒式粘弹性自复位减震器，其特征在：所述弹性元件为弹簧，所述弹性材料为高阻尼的硅橡胶复合材料或高阻尼丁腈橡胶复合材料。
10.一种多维铰球圆筒式粘弹性自复位减震器减震方法，该方法包括：提供一种对称式结构的，包括两个铰球式减震器单元和两个圆筒式粘弹性减震器单元的多位角球圆筒式粘弹性自复位减震器，其中，所述两个圆筒式粘弹性减震器单元相对连接，两个铰球式减震器单元安装在两个圆筒式粘弹性减震器单元两侧并与两个圆筒式粘弹性减震器单元相连；将该减震器采用人字形支撑或对角斜撑的方式布置于建筑结构中以起到减震作用。
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