CN110805155B - 一种金属活塞阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑抗震领域，具体涉及一种金属活塞阻尼器。本发明所提供的金属活塞阻尼器包括内轴，内轴外有两块钢板，分别是第一钢板和第二钢板，第一钢板的外侧边缘分别与上钢外管和中间钢外管相连接；第二钢板的外侧边缘分别与中间钢外管和下钢外管相连接；第一钢板和第二钢板的内侧边缘分别与内轴相连接；第一钢板和第二钢板相平行。本发明的有益效果在于，本发明的阻尼器采用钢柱形式的内轴，有效提高阻尼器的承载力，减少阻尼器内部构件的屈服变形，减少断裂；且还可实现工厂化生产、焊接，提高工作效率。此外，其容易制作和安装，价格便宜。除此之外，本发明的阻尼器可直接安装于支撑底部或顶部，无须考虑阻尼器的大小、安装问题。

Description

一种金属活塞阻尼器

技术领域

本发明涉及建筑抗震领域，具体涉及一种金属活塞阻尼器。

背景技术

在金属阻尼器中，地震输入能量通过金属的非弹性变形消散。金属阻尼器由于其简单，经济和有效的能量耗散机制而被广泛用于结构的抗震保护。传统填充管阻尼器的工作原理是：填充管装置由两个焊接管组成，其中内部有两个较小的管道，管道之间的空间填充有铅或锌等金属。填充管阻尼器采用剪切加载，利用外管、内管和填充金属的塑化，以及金属间的摩擦作为能量吸收机制，消耗地震产生的能量。但是与其他金属阻尼器相比，填充管阻尼器的刚度和强度较低，可能引起构造薄弱层的出现。而且每个楼层使用多个管道，结构的可用空间和安装架构方面可能会受到限制。

CN101782125A披露了一种活塞阻尼器，具备：具有安装部的缸体；能往复移动地配置在上述缸体内的活塞；以及与上述活塞同步地移动的具有安装部的杆，上述缸体及杆的各安装部连结在第一部件及第二部件的不同的一方上，对上述两部件中另一部件相对于一部件的移动进行制动，该活塞阻尼器的特征在于，在上述缸体的安装部及上述杆的安装部的至少一方形成嵌合孔，具有在上述嵌合孔与轴的嵌合状态下轴支承在上述第一部件及第二部件的至少一方，并且吸收上述嵌合孔相对于上述轴的松动的加力机构。

CN103189665A一种改进的三活塞阻尼器(ATPD)，包括互联工作的三个活塞(1、2、3)；其特征在于，活塞组件设计成作为具有能够以低、中、高冲程速度动作的三个活塞的拖挂型减震器用的阻尼器工作。

以上的阻尼器所未解决的问题是，此阻尼器必须依靠斜支撑或者人字形支撑，才能进行抗震耗能工作，无法独立工作。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供了能有效的改善填充管阻尼器强度和解决刚度较低的问题的一种金属活塞阻尼器，并且本发明在强度、刚度和承载力不变的情况下改造阻尼器使得其自身体积变小，在安装上不受空间和架构影响。在增加阻尼器强度、刚度和承载力的同时简化结构，使其便于加工安装，降低生产周期和成本。

为了提高双管阻尼器的刚度、强度、承载力等性能，本发明提供了一种新型的金属活塞阻尼器，使用钢制环形板与圆柱型内轴和外管焊接，使阻尼器的环形钢板弯曲屈服，来进行耗能，提高阻尼器的强度、刚度和承载力等。而且通过施加的位移，可以逐渐改变活塞阻尼器的性质，使其在支撑中形成塑性铰，因此可以在强烈的地震运动中使建筑物保持充足的结构稳定性。而且活塞阻尼器体积和质量较小可以安装在支撑的顶部或者底部，使活塞阻尼器的安装架构不受到空间的约束。因此，研发一种适用于人字形支撑或斜支撑的顶端或框架梁底部的阻尼器具有重要工程意义。此外，金属阻尼器具有较低的制造成本，而且便于批量生产，环形钢板由于弯曲屈服但是可以在发生严重地震事件后轻松更换。

本发明的金属活塞阻尼器是通过下述的技术方案来解决以上的技术问题的：

金属活塞阻尼器，其特征在于，所述的阻尼器包括圆柱形的内轴(1)，内轴(1)外有两块环形钢板(3)，分别是第一环形钢板(301)和第二环形钢板(302)，第一环形钢板(301)和第二环形钢板(302)两侧，靠近内轴(1)的一侧向内轴(1)里延伸6mm，向平板外切割成30°夹角的形状；

第一环形钢板(301)和第二环形钢板(302)相平行；

环形钢板(3)由屈服点低、延性较强的LY160钢板所制成；

环形的上钢外管2、中间钢外管4和下钢外管6材料为高强度钢；

第一环形钢板(301)和第二环形钢板(302)的内侧边缘分别与内轴(1)焊接；

第一环形钢板(301)的外侧边缘分别与环形上钢外管(2)和环形中间钢外管(4)焊接；第二环形钢板(302)的外侧边缘分别与环形中间钢外管(4)和环形下钢外管(6)焊接；

最大挠度发生在ρ＝a处，且此处的环形钢板的最大挠度ω_max为：

所述第一环形钢板(301)和/或第二环形钢板(302)的厚度t为：

式中，

ν—环形钢板材料的泊松比；

E—弹性模量；

t—环形钢板中心厚度；

a—环形钢板内半径；

b—环形钢板外直径；

P_ρ—沿圆周边受均布荷载；

第一环形钢板(301)和/或第二环形钢板(302)的内直径a的范围在60～100mm之间，钢管的内直径R的取值为260mm，钢管外直径为300mm。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的阻尼器采用钢柱形式的内轴，有效提高阻尼器的承载力，减少阻尼器内部构件的屈服变形，减少断裂；

(2)本发明的阻尼器由五部分焊接组成，可实现工厂化生产、焊接，提高工作效率。而且此金属阻尼器很容易制作和安装，价格便宜；

(3)本发明的阻尼器具有较小体积、中等重量并且具有大的强度重量比，可直接安装于支撑底部或顶部，无须考虑阻尼器的大小、安装问题，支撑底部或顶部有充足的空间可供使用，提高施工质量。

附图说明

图1是本发明金属活塞阻尼器的安装位置图；

图2是本发明金属活塞阻尼器的整体效果图；

图3是本发明金属活塞阻尼器的整体正面轴线剖面图；

图4是本发明金属活塞阻尼器中环形钢板的轴线剖面图；

图5是本发明金属活塞阻尼器中上钢外管的轴线剖面图；

图6是本发明金属活塞阻尼器中中间钢外管的轴线剖面图；

图7是本发明金属活塞阻尼器中下钢外管的轴线剖面图；

图8是本发明金属活塞阻尼器的受力简图；

图9是本实用金属活塞阻尼器的计算简图；

图10为本发明金属活塞阻尼器的剖面图。

图中，1-内轴，2-上钢外管，3-环形钢板，4-中间钢外管，5-角焊缝，6-下钢外管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式来对本发明作更进一步的说明，以便本领域的技术人员更了解本发明，但并不以此限制本发明。

实施例1

如附图1-7所示，本发明所提供的金属活塞阻尼器其具体结构如下：

该阻尼器包括圆柱形的内轴1，内轴1材料选用高强度钢(Q345钢板或其它易加工、价格低廉的高强度钢)，截面形状为圆形，可采用无缝圆钢柱，内轴1外周在和环形钢板3焊接处有凹口出现，其余周边无切口存在；

内轴1外有两块环形钢板3，分别是第一环形钢板301和第二环形钢板302，第一环形钢板301的外侧边缘分别与上钢外管2和中间钢外管4相焊接；第二环形钢板302的外侧边缘分别与中间钢外管4和下钢外管6相焊接；

第一环形钢板301和第二环形钢板302的材料选择上，是基于要使其弯曲屈服做工，所以需要采用屈服点较低、延性较强的金属材料(LY160)，平面形状为圆环，可选用低屈服点的无缝钢板。

第一环形钢板301和第二环形钢板302的两侧中，靠近内轴1的一侧向内轴1里延伸约6mm，进入内轴1，并且这延伸的6mm的上下平面分别向第一环形钢板301或第二环形钢板302的平面外延伸形成一个150°的夹角，与第一环形钢板301或第二环形钢板302的主要水平面成30°角，防止环形钢板产生冲切而破坏，与内轴1进行角焊缝5连接；第一环形钢板301和第二环形钢板302上靠近上钢外管2、中间钢外管4及下钢外管6一侧，切割产生尖端，在尖端处分别和上钢外管2、中间钢外管4、下钢外管6焊接，环形钢板3和环形钢外管2、4和6外周长相同。

环形的上钢外管2、中间钢外管4、下钢外管6选用Q345钢或其它易加工、价格便宜的高强度钢。环形的上钢外管2、中间钢外管4、下钢外管6由高强钢通过机械滚圆切割成型，采用角焊缝5与环形钢板3尖端处连接。环形的上钢外管2上端为机械水平切割，下端切割成30°切角，便于与环形钢板焊接；下钢外管6上端为30°切角，而下端为水平切割。

本发明应用在7-9层的民用框架结构中，层高在3.6～3.9米之间，假设框架所受水平力为P1，支撑所受力根据力法计算得出，且设为F，由于阻尼器是安装在框架角落，所以需要的尺寸有限，并且由于环形钢板需要弯曲受力，根据构造要求环形钢板的内直径a的建议取值范围在60～100mm之间，钢管的内直径b的建议取值约在260mm，钢管外直径R建议取值为300mm。

内轴1采用圆型截面的Q345高强度钢柱切割而成，内轴1在中间部分采用角焊缝5与环形钢板3连接，环形钢板3采用低屈服点钢材预制。环形钢板3在外侧与钢外管2、4和6角焊接在一起，钢外管2、4和6采用Q345高强度钢制成，需提前按照环形钢板的尺寸采用机械滚圆，并且在钢外管2的底部、外管6的顶部和4的上下两端需要切割30度的切角，为焊接留出空间。阻尼器通过焊接与外部制成相连接。

本发明的阻尼器应用在7-9层的民用框架结构中，层高在3.6～3.9米之间，假设框架所受水平力为P₁，支撑所受力根据力法计算得出，且设为F，由于阻尼器是安装在框架角落，所以需要的尺寸有限，并且由于环形钢板需要弯曲受力，根据构造要求环形钢板的内直径a的建议取值范围在60～100mm之间，钢管的内直径b的建议取值约在260mm，钢管外直径R建议取值为300mm。

本发明主要耗能部位为环形钢板，因此把本发明中的环形钢板受力情况简化环形板，内直径边缘受均布荷载P_ρ(P_ρ＝F/2πa)，外端部为固定约束，内端部与刚性块连接，会产生位移，但不会发生转角，且属于圆形薄板轴对称问题，所以受力简图如图6、图7所示。

计算过程如下：

金属活塞阻尼器是金属圆柱和金属原板的组合结构，主要依靠板的弯曲耗能，定义板的承载力为F，沿圆周边受均布荷载P_ρ，采用极坐标

计算方法属于圆形薄板的轴对称问题，因面板没有荷载作用。

因此，挠度的表达式为：

ω＝C₁ lnρ+C₂ρ²lnρ+C₃ρ²+C₄ (2)

计算中的边界条件为：

(ω)_ρ＝a＝0,(M_ρ)_ρ＝a＝0,(ω)_ρ＝b＝0,(M_ρ)_ρ＝b＝0 (4)

代入求得系数C₁、C₂、C₃、C₄。

环形钢板3的厚度t_p、环形钢板3的内直径和环形钢板的材料决定活塞阻尼器的承载力大小，由于阻尼器是安装在框架角落，所以需要的尺寸有限，环形钢板的内直径a的建议取值范围在60～120mm之间，钢管的内直径R的建议取值约在260mm，钢管外直径建议取值为300mm。

解出最大挠度发生在ρ＝a处，且此处的挠度表达式为：

由此，可以求出

式中，D—薄板抗弯刚度，

ν—环形钢板材料的泊松比；

E—弹性模量；

t—环形钢板中心厚度；

a—环形钢板内半径；

b—环形钢板外直径。

根据《建筑抗震设计规范》中5.5抗震变形验算楼层内最大的弹性层间位移公式：

Δu_e≤[θ_e]h (7)

式中：

Δu_e一多遇地震作用标准值产生的楼层内最大的弹性层间位移；计算时，除以弯曲变形为主的高层建筑外，可不扣除结构整体弯曲变形；应计入扭转变形，各作用分项系数均应采用1.0；钢筋混凝士结构构件的截面刚度可采用弹性刚度；

[θ_e]一弹性层间位移角限值，多、高层钢结构取值为1/250；

h一计算楼层层高。

通过计算活塞阻尼器中环形钢板的挠度变形，来确定所选活塞阻尼器的尺寸。根据《建筑抗震设计规范》中5.5抗震变形验算楼层内最大的弹性层间位移Δu_e，通过力法计算出阻尼器的最大变形挠度，并设为[ω_max]，上述所求ω_max≤[ω_max]。

上述计算问题只涉及一个薄板的受力问题，如上述计算所得出的ω_max≥[ω_max]，则表明一个薄板无法承受楼层传递的荷载，就需要多个薄板共同受力，此时，圆形薄板P_ρ为：

式中，N—圆形薄板个数。

Claims (1)

1.金属活塞阻尼器，其特征在于，所述的阻尼器包括圆柱形的内轴(1)，内轴(1)外有两块环形钢板(3)，分别是第一环形钢板(301)和第二环形钢板(302)，第一环形钢板(301)和第二环形钢板(302)两侧，靠近内轴(1)的一侧向内轴(1)里延伸6mm，向平板外切割成30°夹角的形状；

第一环形钢板(301)和第二环形钢板(302)相平行；

环形钢板(3)由屈服点低、延性较强的LY160钢板所制成；

环形的上钢外管2、中间钢外管4和下钢外管6材料为高强度钢；

第一环形钢板(301)和第二环形钢板(302)的内侧边缘分别与内轴(1)焊接；

第一环形钢板(301)的外侧边缘分别与环形上钢外管(2)和环形中间钢外管(4)焊接；第二环形钢板(302)的外侧边缘分别与环形中间钢外管(4)和环形下钢外管(6)焊接；

最大挠度发生在ρ＝a处，且此处的环形钢板的最大挠度ω_max为：

所述第一环形钢板(301)和/或第二环形钢板(302)的厚度t为：

式中，

ν—环形钢板材料的泊松比；

E—弹性模量；

t—环形钢板中心厚度；

a—环形钢板内半径；

b—环形钢板外直径；

P_ρ—内直径边缘受均布荷载；

第一环形钢板(301)和/或第二环形钢板(302)的内直径a的范围在60～100mm之间，钢管的内直径R的取值为260mm，钢管外直径为300mm。

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