CN110939210B - 一种具有钢材多级屈服和摩擦耗能的肘节式阻尼器 - Google Patents

一种具有钢材多级屈服和摩擦耗能的肘节式阻尼器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有钢材多级屈服和摩擦耗能的肘节式阻尼器，由一个形似防屈曲支撑的阻尼器、两个支撑杆和连接板组成，阻尼器一端与框架梁柱节点连接，一端与连接板连接，两个支撑杆一端与连接板连接，另一端分别连接于框架梁和框架柱。阻尼器方钢管上焊接有不同厚度的耗能钢板和摩擦板，耗能钢板中部与十字型钢翼缘焊接，两者沿阻尼器轴向位移同步，通过高强螺栓施加摩擦板与十字型钢翼缘之间的预紧力。两个支撑杆放大了阻尼器的轴向位移，增强减震效果。本发明实现了多阶段耗能，结构在小震下阻尼器摩擦耗能，中震下薄耗能钢板屈服耗能，大震下厚耗能钢板屈服耗能，耗能构件破坏后可以单独更换，易于设计加工，经济效益好。

Description

一种具有钢材多级屈服和摩擦耗能的肘节式阻尼器
技术领域
本发明涉及一种具有钢材多级屈服和摩擦耗能的肘节式阻尼器，属于新型建筑结构技术和结构抗震减震领域。
背景技术
地震或强风作用下，抗侧刚度不足的框架结构往往发生局部破坏甚至整体倒塌。实际工程中，以防屈曲支撑为代表的位移相关型阻尼器常用于加固主体结构，提高结构抗侧刚度，增加结构体系可靠度和稳定性。位移相关型阻尼器的耗能机理是依靠核心单元发生位移屈服耗能。该类型阻尼器不仅可以耗散外荷载带来的能量，同时可以为主体结构提供附加抗侧刚度，所以在结构体系中发挥着双重作用。因此，以防屈曲支撑为代表的位移相关型阻尼器具有较好的应用价值和市场前景，在实际工程中备受青睐。
然而，目前防屈曲支撑多针对大震设计，在中小震下，由于核心单元屈服力和屈服位移较大，难以进入塑性状态耗散能量，同时由于为主体结构提供了附加抗侧刚度，结构体系周期变小，导致结构遭受更大的地震作用，这无疑是当前防屈曲支撑设计中亟需解决的问题。另外，尽管防屈曲支撑理论力学模型明确，但对设计水平和加工精度要求较高，设计不合理或加工不精细的防屈曲支撑往往连接板及端头部位容易发生疲劳破坏，同时由于核心单元受力发生大变形且和约束单元存在相互作用，存在明显的几何非线性，实际力学行为复杂，核心单元难以全段进入屈服阶段耗能。再者，防屈曲支撑的核心单元位于约束单元内部，一旦震后耗能构件破坏，从外部难以观察，且难以单独更换，只能更换整个支撑，经济效益差。
摩擦阻尼器是应用最早的阻尼器之一，通过两块固体之间相对滑动产生的摩擦来耗散能量，通过调整固体表面的粗糙程度和压力可以有效调控摩擦力的大小。摩擦阻尼器摩擦面的摩擦系数会因为磨损而降低，钨钴(WC+Co)金属复合粉末涂层具有耐磨、摩擦系数大的特点，喷涂于摩擦面可以有效提高摩擦面的摩擦系数和耐久性。设计合理的摩擦阻尼器可以在小震或风振下耗散能量，因此在阻尼器中引入摩擦元素可以有效改善传统位移相关型阻尼器在小震下难以耗能的不足，但其出力较小，在大震下的耗能能力有限。
金属阻尼器是另一种位移型阻尼器，其力学机理明确，加工简便，便于更换，造价低廉，因此在实际工程中有大量应用。与防屈曲支撑相比，金属阻尼器耗能构件外露，便于观察损伤情况和工作状态，发生破坏容易单独更换，经济性更好；力学行为更简单，易于设计加工，工作性能更稳定。低屈服点钢(软钢)常用于制作金属阻尼器耗能构件，该材料屈服点低，延性好，可以发生屈服位移几十倍的塑性位移，疲劳性能好，在往复荷载作用下不易发生断裂，因此低屈服点钢是制作金属阻尼器耗能构件的优质材料。
为了改进现有防屈曲支撑和摩擦阻尼器的不足，本发明提出一种具有钢材多级屈服和摩擦耗能的肘节式阻尼器。本发明利用防屈曲支撑、金属阻尼器和摩擦阻尼器各自的优点，将三者充分结合，主要包括形似防屈曲支撑的一个耗能部件、两个支撑杆和连接板。耗能部件由十字型钢、方端板、铰接接头、方钢管、耗能钢板和摩擦板组成。方钢管每个面上开多个方孔，将耗能钢板和摩擦板分别焊接到方钢管上，方钢管与一个方端板整体预制，另一个方端板与十字型钢预制，十字型钢带有翼缘，位于方钢管内。将方钢管上的耗能钢板中部与十字型钢的翼缘焊接，方钢管一组相对面上焊接厚耗能钢板，材料和方钢管相同，另一组相对面上采用薄耗能钢板，采用软钢材料，两种耗能钢板形状相同，厚度不同，具有不同的屈服力和屈服位移，当耗能部件轴向受力时，两种耗能钢板中部随十字型钢位移，薄耗能钢板先屈服，厚耗能钢板后屈服，实现多级屈服。摩擦板与十字型钢通过高强螺栓连接并施加预紧力，摩擦板材料采用黄铜，与十字型钢翼缘接触的一面带有多个微凸起，并涂有具有高摩擦系数的WC+Co金属复合粉末涂层。方端板与铰接接头相连，耗能部件两端的铰接接头一端与梁柱节点的节点板铰接，另一端与连接板铰接。两个支撑杆一端与连接板相连，另一端分别连接于框架梁和框架柱上的节点板。小震下，阻尼器通过摩擦耗能，中震下，薄耗能钢板屈服和摩擦共同耗能，大震下，两种耗能钢板屈服和摩擦共同耗能，由此实现了钢材多级屈服和摩擦耗能，保证阻尼器在大中小震下均有良好的耗能表现。两个支撑杆可以有效放大框架层间位移带给耗能部件的轴向位移，增强阻尼器的耗能能力。新型阻尼器的构造简单，机理明确，便于设计和加工。耗能钢板和摩擦板均位于阻尼器外表面，便于单独更换，经济性较好。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有钢材多级屈服和摩擦耗能的肘节式阻尼器，阻尼器在地震作用下多阶段屈服，小震下摩擦耗能，中大震下耗能钢板屈服耗能，保证其在大中小震下均有稳定的耗能表现，并且耗能钢板低周疲劳性能良好，耗能钢板和摩擦板可以单独更换，经济效益好，易于设计加工。本发明由一个形似防屈曲支撑的耗能部件、两个支撑杆和连接板组成。耗能部件的一端与梁柱节点的节点板连接，另一端与连接板连接，两个支撑杆一端与连接板相连，另一端分别与框架梁和框架柱相连。耗能部件包括方钢管、厚耗能钢板、薄耗能钢板、摩擦板、十字型钢、方端板和铰接接头。方钢管四面均开有方孔，耗能钢板和摩擦板焊接于方孔内。摩擦板分布于方钢管四面内，通过高强螺栓施加预紧力，材料采用黄铜，与翼缘接触的一面设有多个微凸起，并涂有高摩擦系数的WC+Co金属复合粉末涂层，当结构遭遇小震或风振时，阻尼器通过摩擦耗能。方钢管的一组相对面焊接厚耗能钢板，一组相对面焊接薄耗能钢板，耗能钢板中部与十字型钢翼缘焊接，当耗能部件轴向受力时，耗能钢板中部随着十字型钢位移，薄耗能钢板由软钢制成，屈服力和屈服位移较小，结构遭遇中震时发生屈服；厚耗能钢板采用和方钢管相同的材料，屈服力和屈服位移较大，结构遭遇大震时发生屈服，由此阻尼器实现大中小震下均有良好的耗能能力。摩擦板和耗能钢板均位于阻尼器外表面，方便观察损伤情况和工作状态，破坏后可以单独更换。两个支撑杆可以放大耗能部件轴向位移，增强阻尼器减震耗能效果。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一种具有钢材多级屈服和摩擦耗能的肘节式阻尼器，包括一个耗能部件、两个支撑杆13、连接板12和节点板14。耗能部件包括方钢管1、厚耗能钢板2、薄耗能钢板3、竖向开孔摩擦板4、斜向开孔摩擦板5、摩擦板螺栓6、垫片7、十字型钢8、方端板9、铰接接头10和接头螺栓11。耗能部件一端的方端板9与十字型钢8之间为整体预制结构Ⅰ，整体预制结构Ⅰ与方钢管1之间为活动连接；耗能部件另一端的方端板9与方钢管1之间为整体预制结构Ⅱ。方钢管1四面均开方孔，方钢管1一组相对面的方孔上焊接厚耗能钢板2和竖向开孔摩擦板4，方钢管1另一组相对面上焊接薄耗能钢板3和斜向开孔摩擦板5。十字型钢8带翼缘，翼缘与方钢管1上的厚耗能钢板2和薄耗能钢板3中部焊接，保证轴向位移同步。竖向开孔摩擦板4和斜向开孔摩擦板5通过摩擦板螺栓6和垫片7施加与翼缘之间的预紧力。整体预制结构I和整体预制结构II上的两个铰接接头10并列平行焊接在方端板9上。
耗能部件连接于梁柱节点上的节点板14和连接板12，支撑杆13一端与连接板12相连，支撑杆13另一端分别连接于框架梁和框架柱上的节点板14。
方钢管1每个面上开孔数量相同且不少于两个，每个面布置不少于一个耗能钢板和摩擦板，开孔形状和尺寸与耗能钢板和摩擦板相同，厚耗能钢板2采用与方钢管1相同的钢材，钢材屈服强度不大于400MPa，抗拉强度不大于530MPa，伸长率不低于16％。
薄耗能钢板3的形状和厚耗能钢板2相同，但厚度更小，材料采用软钢，屈服强度不大于230MPa，抗拉强度在150MPa与400MPa之间，伸长率大于40％。薄耗能钢板3的形状和厚耗能钢板2内开孔，开孔数量不少于两个，开孔形状为圆形、椭圆形、三角形、矩形等允许耗能钢板沿耗能部件轴向位移的多边形，做倒角处理，开孔面积与耗能钢板面积之比在0.2与0.7之间。
竖向开孔摩擦板4和斜向开孔摩擦板5由黄铜制成，黄铜的抗拉强度不低于330MPa，伸长率不低于13％，与十字型钢8的翼缘接触的一面带有多个微凸起，微凸起垂直于摩擦板高度不大于1mm，并涂有高摩擦系数的WC+Co金属复合粉末涂层，摩擦系数不低于0.8。
摩擦板螺栓6和接头螺栓11抗拉强度不低于900MPa，屈服强度不低于660MPa，伸长率不低于10％。垫片7位于螺栓与构件之间。
十字型钢8在摩擦板螺栓6周围，沿耗能部件的轴向开槽，开槽长度不小于16mm，宽度不小于摩擦板螺栓6的直径。十字型钢8采用的钢材屈服强度不小于300MPa，抗拉强度不大于400MPa，伸长率不低于16％。
连接板12厚度不小于铰接接头10厚度的两倍。连接板12和节点板14采用钢材屈服强度不低于300MPa，抗拉强度不大于400MPa，伸长率不低于16％。
支撑杆13作用为放大耗能部件轴向位移，轴向抗拉刚度和抗压刚度均应小于耗能部件。
耗能部件长度与框架柱长度之比应在0.3与0.8之间，与框架梁的夹角在30°与60°之间。
有益效果：本发明具有以下优点：
(1)本发明将防屈曲支撑、肘节式支撑、金属阻尼器和摩擦阻尼器的优点进行充分结合，小震下通过摩擦耗能，中震和大震下通过不同厚度的耗能钢板屈服耗能，保证阻尼器在大中小震下均能发挥耗能作用。
(2)阻尼器的耗能钢板和摩擦板都位于阻尼器外部，便于观察耗能构件的损伤程度和工作状态，可以单独更换，经济效益更好。
(3)新型阻尼器减震机理明确，构造简单，易于设计和加工，更好得避免由于设计不合理或加工精度较差出现的问题，因此具有较好的工程适用性和应用价值。
(4)新型阻尼器的耗能钢板采用软钢材料，因此具有较好的疲劳性能和延性，可以更好得保证消能器在地震下稳定工作。
(5)由于摩擦面容易损耗，新型阻尼器的摩擦板采用黄铜外设微凸起并喷涂高摩擦系数涂层，保证摩擦板长期保持较大摩擦系数。
(6)两个支撑杆可以放大耗能部件的轴向位移，增强阻尼器的耗能减震效果。
附图说明
图1为本发明的立体示意图。
图2为本发明中耗能部件的立体示意图。
图3为本发明中耗能部件的俯视图。
图4为本发明中耗能部件的正视图。
图5为本发明中耗能部件的A-A剖面图。
图6为本发明中耗能部件的B-B剖面图。
图7为本发明中的十字型钢8的立体示意图。
图8为本发明中的厚耗能钢板2和薄耗能钢板3立体示意图。
图9为本发明中的竖向开孔摩擦板4和斜向开孔摩擦板5双面示意图。
图10为本发明中的摩擦板螺栓6、垫片7和接头螺栓11的立体示意图。
图11为本发明中的十字型钢8的立体示意图。
图12为本发明中的方端板9和铰接接头10的立体示意图。
图13为本发明中的连接板12的立体示意图。
图14为本发明中的支撑杆13的立体示意图。
图15为应用本发明的复合减震体系多阶段屈服示意图。
图中：1－方钢管、2－厚耗能钢板、3－薄耗能钢板、4－竖向开孔摩擦板、5－斜向开孔摩擦板、6－摩擦板螺栓、7－垫片、8－十字型钢、9－方端板、10－铰接接头、11－接头螺栓、12－连接板、13－支撑杆、14－节点板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
以一榀3层9跨框架为例，层高3000mm，跨度6000mm，框架柱截面尺寸600mm×600mm，配筋率1.732％，框架梁截面尺寸400mm×600mm，配筋率1.321％。
在每跨安装一种具有钢材多级屈服和摩擦耗能的肘节式阻尼器，耗能部件长度900mm，与框架梁夹角45°，与两个支撑杆通过连接板相连，支撑杆与耗能部件长度相等，连接板采用Q420型号钢材，厚度为铰接接头厚度的两倍。耗能部件方钢管与十字型钢均采用Q420型号钢材，方钢管截面尺寸400mm×400mm，厚度8mm，每个面开三个方孔，中间的方孔焊接耗能钢板，钢板尺寸300mm×300mm，厚耗能钢板2厚度8mm，薄耗能钢板3采用LY100型号软钢，厚度4mm，耗能钢板内的耗能构件呈X型，并在两端开圆孔，两边的方孔分别焊接摩擦板，摩擦板尺寸300mm×300mm，WC+Co金属复合粉末涂层摩擦系数为1.2。
通过有限元软件对一种具有钢材多级屈服和摩擦耗能的肘节式阻尼器的减震性能进行模拟分析，小震下位移减震率8.51％，中震下16.25％，大震下34.24％。证明新型阻尼器在大中小震下减震性能良好。
以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。

Claims (9)

1.一种具有钢材多级屈服和摩擦耗能的肘节式阻尼器，其特征在于：包括一个耗能部件、两个支撑杆（13）、连接板（12）和节点板（14）；耗能部件包括方钢管（1）、厚耗能钢板（2）、薄耗能钢板（3）、竖向开孔摩擦板（4）、斜向开孔摩擦板（5）、摩擦板螺栓（6）、垫片（7）、十字型钢（8）、方端板（9）、铰接接头（10）和接头螺栓（11）；耗能部件一端的方端板（9）与十字型钢（8）之间为整体预制结构Ⅰ，整体预制结构Ⅰ与方钢管（1）之间为活动连接；耗能部件另一端的方端板（9）与方钢管（1）之间为整体预制结构Ⅱ；方钢管（1）四面均开方孔，方钢管（1）一组相对面的方孔上焊接厚耗能钢板（2）和竖向开孔摩擦板（4），方钢管（1）另一组相对面的方孔上焊接薄耗能钢板（3）和斜向开孔摩擦板（5）；十字型钢（8）位于方钢管（1）内部且带有翼缘，翼缘与方钢管（1）上的厚耗能钢板（2）和薄耗能钢板（3）中部焊接，保证轴向位移同步，以此带动耗能钢板变形耗能；薄耗能钢板（3）采用软钢，厚耗能钢板（2）和薄耗能钢板（3）厚度不同，因此两者的屈服力和屈服位移不同，以此实现多级屈服；竖向开孔摩擦板（4）和斜向开孔摩擦板（5）通过摩擦板螺栓（6）和垫片（7）施加与翼缘之间的预紧力；整体预制结构I和整体预制结构II上的两个铰接接头（10）并列平行焊接在方端板（9）上；
耗能部件连接于连接板（12）上，两个支撑杆（13）一端与连接板（12）相连，两个支撑杆（13）另一端分别连接于框架梁和框架柱上的节点板（14）。
2.根据权利要求1所述的一种具有钢材多级屈服和摩擦耗能的肘节式阻尼器，其特征在于：方钢管（1）每个面上开孔数量相同且不少于两个，每个面布置不少于一个耗能钢板和摩擦板，开孔形状和尺寸与耗能钢板和摩擦板相同，厚耗能钢板（2）采用与方钢管（1）相同的钢材，钢材屈服强度不大于400MPa，抗拉强度不大于530MPa，伸长率不低于16%。
3.根据权利要求1所述的一种具有钢材多级屈服和摩擦耗能的肘节式阻尼器，其特征在于：薄耗能钢板（3）的形状和厚耗能钢板（2）相同，但厚度更小，材料采用软钢，屈服强度不大于230MPa，抗拉强度在150MPa与400MPa之间，伸长率大于40%；薄耗能钢板（3）和厚耗能钢板（2）内开孔，开孔数量不少于两个，开孔形状为圆形、椭圆形或允许耗能钢板沿耗能部件轴向位移的多边形，做倒角处理，开孔面积与耗能钢板面积之比在0.2与0.7之间。
4.根据权利要求1所述的一种具有钢材多级屈服和摩擦耗能的肘节式阻尼器，其特征在于：竖向开孔摩擦板（4）和斜向开孔摩擦板（5）由黄铜制成，黄铜的抗拉强度不低于330MPa，伸长率不低于13%，与十字型钢（8）的翼缘接触的一面带有多个微凸起，微凸起垂直于摩擦板高度不大于1mm，并涂有高摩擦系数的WC+Co金属复合粉末涂层，摩擦系数不低于0.8。
5.根据权利要求1所述的一种具有钢材多级屈服和摩擦耗能的肘节式阻尼器，其特征在于：摩擦板螺栓（6）和接头螺栓（11）抗拉强度不低于900MPa，屈服强度不低于660MPa，伸长率不低于10%；垫片（7）位于螺栓与构件之间。
6.根据权利要求1所述的一种具有钢材多级屈服和摩擦耗能的肘节式阻尼器，其特征在于：十字型钢（8）在摩擦板螺栓（6）周围，沿耗能部件的轴向开槽，开槽长度不小于16mm，宽度不小于摩擦板螺栓（6）的直径；十字型钢（8）采用的钢材屈服强度不小于300MPa，抗拉强度不大于400MPa，伸长率不低于16%。
7.根据权利要求1所述的一种具有钢材多级屈服和摩擦耗能的肘节式阻尼器，其特征在于：连接板（12）厚度不小于铰接接头（10）厚度的两倍；连接板（12）和节点板（14）采用钢材的屈服强度不低于300MPa，抗拉强度不大于400MPa，伸长率不低于16%。
8.根据权利要求1所述的一种具有钢材多级屈服和摩擦耗能的肘节式阻尼器，其特征在于：支撑杆（13）作用为放大耗能部件轴向位移，轴向抗拉刚度和抗压刚度均应小于耗能部件。
9.根据权利要求1所述的一种具有钢材多级屈服和摩擦耗能的肘节式阻尼器，其特征在于：耗能部件长度与框架柱长度之比在0.3与0.8之间，与框架梁的夹角在30°与60°之间。
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