CN110886529A - 一种内嵌黏弹性层的耗能梁 - Google Patents

一种内嵌黏弹性层的耗能梁 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种内嵌黏弹性层的耗能梁，包括混凝土梁和阻尼装置，所述阻尼装置内嵌于所述混凝土梁，所述阻尼装置包括主骨架，所述主骨架包括底座，所述底座上垂直设有支架板，所述支架板上设有钢芯，所述钢芯两端均设有承压端板，所述承压端板均连接有定位套管，所述定位套管与所述钢芯位于同一轴线，所述钢芯外设有外套筒，所述外套筒两端均设有定位端板，所述钢芯与所述外套筒之间设有黏弹性耗能部位，所述黏弹性耗能部位包括至少两个黏弹性层和至少一个钢板层，所述钢板层位于两个所述黏弹性层之间。本发明将阻尼装置嵌入混凝土梁形成耗能梁，混凝土梁约束内部阻尼装置面外的变形，保证阻尼装置在既定的轴线方向上进行稳定的变形耗能工作。

Description

一种内嵌黏弹性层的耗能梁
技术领域
本发明涉及建筑结构振动控制技术领域，尤其是涉及一种内嵌黏弹性层的耗能梁。
背景技术
消能减震技术在建筑结构抵抗地震作用和高层风振方面的应用日益增多，其主要原理是在震(振)动作用下通过这些消能减震装置将传入到建筑结构中的能量通过变形、摩擦等形式耗散掉，在较大的动荷载作用下减缓结构的振动响应，避免结构发生破环，阻尼器作为结构的非承重附加构件可增加结构刚度，增大结构阻尼，改善结构的振动特性。
目前，大多数消能减震设计与研究的阻尼器和消能器是基于平面内受力与变形，忽略了平面外的变形情况，消能减震装置作为单独附属构件连接主体结构，耗能部位的连接往往因平面外的受力或变形导致消能器失效或者不能发挥耗能作用，这是需要解决消能减震装置的一项关键技术问题。
通常在一次地震过后，减震装置因变形过大或者变形不能恢复而失效，即不能再继续使用，因此减震装置的变形量需要控制在一定范围内产生稳定耗能，并且变形能自行恢复是减震装置可继续使用的有效途径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内嵌黏弹性层的耗能梁。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种内嵌黏弹性层的耗能梁，包括混凝土梁和阻尼装置，所述阻尼装置内嵌于所述混凝土梁，所述阻尼装置包括主骨架，所述主骨架包括底座，所述底座上垂直设有支架板，所述支架板上设有钢芯，所述钢芯两端均设有承压端板，所述承压端板均连接有定位套管，所述定位套管与所述钢芯位于同一轴线，所述钢芯外设有外套筒，所述外套筒两端均设有定位端板，所述钢芯与所述外套筒之间设有黏弹性耗能部位，所述黏弹性耗能部位包括至少两个黏弹性层和至少一个钢板层，所述钢板层位于两个所述黏弹性层之间。阻尼装置嵌入混凝土梁中，与混凝土梁组合形成耗能梁，耗能梁中主骨架只在梁长方向与混凝土梁有轴线上的唯一相对位移，使黏弹性层在混凝土锚固的外套筒和钢支撑固定的主骨架间进行稳定的剪切变形耗能。用户可以根据梁的截面尺寸选择具体的钢板层和黏弹性层的层数。
优选的是，所述黏弹性层、钢板层、外套筒的横截面均为开口圆筒状且开口位置相同，所述黏弹性层、钢板层、支架板和底座长度相同，所述外套筒的长度大于所述钢芯、黏弹性层、钢板层。主骨架与外套筒间可相对位移。
优选的是，所述阻尼装置还包括自复位弹簧组件，所述自复位弹簧组件包括弹簧和橡胶垫，所述弹簧一端紧贴橡胶垫固定于所述定位端板上，所述弹簧另一端紧贴橡胶垫穿入所述定位套管固定于所述承压端板上。自复位弹簧组件为混凝土梁内部的阻尼装置提供了自复位功能。
优选的是，所述外套筒外表呈波纹状，所述橡胶垫为空心圆片，所述承压端板为圆片形。
优选的是，所述自复位弹簧组件的空隙充满软性海绵体。增加了缓冲效果。
优选的是，所述定位套管与所述外套筒间设有第一无粘结层，所述支架板表面设有第二无粘结层，所述底座上表面设有第三无粘结层。所述第一无粘结层与所述外套筒的内表面可产生自由相对滑动；所述第二无粘接层与所述第一黏弹性层、钢板层、第二黏弹性层、外套筒的开口位置接触可自由相对滑动，也可以与混凝土间产生自由相对滑动；所述第三无粘接层与混凝土间可自由相对滑动。
优选的是，所述混凝土梁内设有第一空腔区和第二空腔区，所述第一空腔区与所述第二空腔区在连接处连通。
优选的是，所述支架板穿过所述黏弹性层、钢板层、外套筒的开口嵌入所述第一空腔区内，所述外套筒嵌入所述第二空腔区内，所述第一空腔区的长度与所述钢芯的长度一致，所述钢芯的长度大于所述支架板的长度。所述支架板与混凝土梁的相对运动方向上预留了一定的位移空间。
优选的是，所述第一空腔区的空隙充满软性海绵体，所述外套筒内部的空隙充满软性海绵体。提高了缓冲效果。
优选的是，所述混凝土梁包括上部纵筋、下部纵筋和多个箍筋，多个所述箍筋将所述上部纵筋、下部纵筋固定，形成钢筋笼，所述支架板及所述第二无粘结层设有供所述箍筋穿过的开孔，所述开孔的尺寸保证箍筋在混凝土梁长方向上产生位移，所述定位端板固定在所述第二空腔区两端的所述箍筋上。
本发明具有以下优点：
1、本发明将阻尼装置嵌入混凝土梁中，与混凝土梁组合形成耗能梁，耗能梁中主骨架只在梁长方向与混凝土梁有轴线上的唯一相对位移，混凝土梁约束了与主骨架间的剩余相对位移和相对转动，保证了黏弹性层在唯一轴线方向进行稳定剪切变形耗能，避免了框架面外变形导致阻尼装置耗能失效。
2、本发明在混凝土梁与主骨架的两个产生相对变形的构件间设置了自复位弹簧组件，当混凝土梁与主骨架间产生相对位移时，弹簧为混凝土梁与主骨架间的相对变形提供恢复力，保证了黏弹性层可恢复变形。同时，弹簧的最大设计压缩量和混凝土中的空腔长度限定了黏弹性层的最大变形量，避免了黏弹性层产生过大剪切变形而破坏失效。
3、本发明适用范围较广泛，既可用于建筑结构的地震作用耗能，也可用于高层结构的风动荷载减振，构造简单，施工便捷，成本低廉，在保证有效变形耗能的同时具有良好的整体稳定性和工作安全性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明的耗能梁结构示意图。
图2为本发明中图1在A-A处的正截面剖视图。
图3为本发明的混凝土梁及其空腔区示意图。
图4为本发明的阻尼装置图。
图5为本发明的阻尼装置拆解图。
图6为本发明的阻尼装置在混凝土梁中的定位图。
图7为本发明在一榀框架中的应用实例图。
图8为本发明用ABAQUS软件模拟的滞回曲线图。
图中，各附图标记为：
1、混凝土梁；101、第一空腔区；102、第二空腔区；2、阻尼装置；21、外套筒；22、黏弹性层；23、钢板层；24、钢芯；25、承压端板；26、弹簧；27、定位套管；280、第三无粘结层；281、第二无粘结层；282、第一无粘结层；29、定位端板；210、支架板；2101、开孔；211、底座；212、橡胶垫；3、框架柱；4、钢支撑；5、软性海绵体；11、上部纵筋；12、下部纵筋；13、箍筋。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1-图6所示，一种内嵌黏弹性层的耗能梁，所述内嵌黏弹性层的耗能梁包括：混凝土梁1及其内嵌的阻尼装置2，阻尼装置2由外套筒21、粘弹性层22、钢板层23、主骨架、弹簧组件及定位端板29构成，主骨架由钢芯24、定位套管27、承压端板25、支架板210及底座211组成；底座211固定在钢支撑4上；外套筒21外表呈波纹状锚固在混凝土梁1中，外套筒21内表面的中区域与钢板层23间和钢板层23与钢芯24间分别硫化黏弹性层22，形成黏弹性耗能部位，外套筒21内部的两端区域分别放置自复位弹簧组件；自复位弹簧组件由弹簧26及其两侧橡胶垫212组成，橡胶垫212为空心圆片分别粘贴在定位端板29和承压端板25上，弹簧26一端紧贴橡胶垫212固定在定位端板29上，弹簧26另一端紧贴橡胶垫212穿入定位套管27固定在承压端板25上；承压端板25为圆片形焊接填实定位套管27一侧并与钢芯24形成整体，定位套管27的外表面与外套筒21的内表面间设置一层第一无粘结层282，第一无粘结层282粘贴在定位套管27的外表面可与外套筒21内表面产生自由相对滑动，定位套管27限定了外套筒21与钢芯24的相对位置，保证钢芯24与外套筒21在同一条轴线上进行相对变形。
其中，所述外套筒21、黏弹性层22、钢板层23的截面均为开口圆管状，且开口位置相同，由外到内的连接顺序依次是外套筒21、黏弹性层22、钢板层23、粘弹性层22和钢芯24，钢芯24连接的支架板210穿过外套筒21的开口位置嵌入混凝土梁1的第一空腔区101中，在支架板210表面粘贴第二无粘结层281，外套筒21、粘弹性层22、钢板层23在开口位置与第二无粘结层281接触可自由相对滑动，第二无粘结层281与混凝土间亦可自由相对滑动；在支架板210及第二无粘结层281下部开孔2101，保证混凝土梁1中的箍筋13穿过且在开孔2101位置使箍筋13有一定的位移空间，此空间需保证混凝土梁1与支架板间的相对位移要求。
其中，所述支架板210的底部为阻尼装置2的底座211，在与混凝土梁1底对应底座211的表面上粘贴第三无粘结层280，保证底座211与混凝土梁1间可进行自由相对位移，底座211下部固定在钢支撑4上，钢支撑4的底部锚固在下层梁的两端顶面的框架柱3边位置上。
其中，所述粘弹性层22、钢板层23、支架板210、底座211长度均相同，钢芯24在支架板210长度基础上向两侧各伸出长度50mm，混凝土梁1的第一空腔区101的长度与钢芯24的长度相同且比嵌入的支架板210在两侧各多出50mm，即在主骨架的支架板210与混凝土梁1的相对运动方向上预留了50mm的位移空间；所述外套筒21定位在第二空腔区102位置，外套筒21两端焊接在定位端板29上，定位端板29与混凝土梁1中的箍筋13牢固焊接。所述第二空腔区102设置在混凝土梁1的截面中心位置，第一空腔区101设置在混凝土梁1长方向的中部，以及在混凝土梁1截面中心下部的竖向对称轴位置，并与第二空腔区102连通。
其中，所述第三无粘结层280、第二无粘结层281和第一无粘结层282采用薄层析硅胶板；黏弹性层22厚度为10mm，采用聚丙烯纤维系列材料；所述弹簧26的总刚度大于黏弹性层22的剪切刚度；在弹簧26区域充满软性海绵体5，在支架板210两侧的第一空腔区101中充满软性海绵体5，在钢芯24两侧伸出支架板210长度50mm范围的外套筒21内部充满软性海绵体5。
在实际操作上，如图7所示，底座211固定在钢支撑4上，钢支撑4固定在下层梁端顶面；当上下层间有相对位移时，阻尼装置2中的主骨架与下层梁的位移相同，主骨架和外套筒21锚固的混凝土梁1间有相对轴向位移，从而使内嵌的黏弹性层22间产生剪切变形耗散能量；同时，主骨架两侧的承压端板25连接的弹簧26一个受到压缩一个受到拉伸，为黏弹性层22的剪切变形提供恢复力。
如图8所示，为图7一榀框架通过ABAQUS软件模拟的滞回曲线图，表明此耗能梁具有稳定有效的耗能能力。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种内嵌黏弹性层的耗能梁，其特征在于，包括混凝土梁和阻尼装置，所述阻尼装置内嵌于所述混凝土梁，所述阻尼装置包括主骨架，所述主骨架包括底座，所述底座上垂直设有支架板，所述支架板上设有钢芯，所述钢芯两端均设有承压端板，所述承压端板均连接有定位套管，所述定位套管与所述钢芯位于同一轴线，所述钢芯外设有外套筒，所述外套筒两端均设有定位端板，所述钢芯与所述外套筒之间设有黏弹性耗能部位，所述黏弹性耗能部位包括至少两个黏弹性层和至少一个钢板层，所述钢板层位于两个所述黏弹性层之间。
2.根据权利要求1所述的一种内嵌黏弹性层的耗能梁，其特征在于，所述黏弹性层、钢板层、外套筒的横截面均为开口圆筒状且开口位置相同，所述黏弹性层、钢板层、支架板和底座长度相同，所述外套筒的长度大于所述钢芯、黏弹性层、钢板层。
3.根据权利要求2所述的一种内嵌黏弹性层的耗能梁，其特征在于，所述阻尼装置还包括自复位弹簧组件，所述自复位弹簧组件包括弹簧和橡胶垫，所述弹簧一端紧贴橡胶垫固定于所述定位端板上，所述弹簧另一端紧贴橡胶垫穿入所述定位套管固定于所述承压端板上。
4.根据权利要求3所述的一种内嵌黏弹性层的耗能梁，其特征在于，所述外套筒外表呈波纹状，所述橡胶垫为空心圆片，所述承压端板为圆片形。
5.根据权利要求3所述的一种内嵌黏弹性层的耗能梁，其特征在于，所述自复位弹簧组件的空隙充满软性海绵体。
6.根据权利要求2-5任意一项所述的一种内嵌黏弹性层的耗能梁，其特征在于，所述定位套管与所述外套筒间设有第一无粘结层，所述支架板表面设有第二无粘结层，所述底座上表面设有第三无粘结层。
7.根据权利要求6所述的一种内嵌黏弹性层的耗能梁，其特征在于，所述混凝土梁内设有第一空腔区和第二空腔区，所述第一空腔区与所述第二空腔区在连接处连通。
8.根据权利要求7所述的一种内嵌黏弹性层的耗能梁，其特征在于，所述支架板穿过所述黏弹性层、钢板层、外套筒的开口嵌入所述第一空腔区内，所述外套筒嵌入所述第二空腔区内，所述第一空腔区的长度与所述钢芯的长度一致，所述钢芯的长度大于所述支架板的长度。
9.根据权利要求8所述的一种内嵌黏弹性层的耗能梁，其特征在于，所述第一空腔区的空隙充满软性海绵体，所述外套筒内部的空隙充满软性海绵体。
10.根据权利要求7所述的一种内嵌黏弹性层的耗能梁，其特征在于，所述混凝土梁包括上部纵筋、下部纵筋和多个箍筋，多个所述箍筋将所述上部纵筋、下部纵筋固定，形成钢筋笼，所述支架板及所述第二无粘结层设有供所述箍筋穿过的开孔，所述开孔的尺寸保证箍筋在混凝土梁长方向上产生位移，所述定位端板固定在所述第二空腔区两端的所述箍筋上。
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