CN111041976A - 一种建筑结构抗震减振的多级耗能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种建筑结构抗震减振的多级耗能装置，包括基座、骨架单元及支撑板，其特征在于：所述若干个骨架单元组成该装置的钢材骨架，所述骨架单元由六个相同形式的板组成，所述板内部由圆环组成，外部等间距相切伸出四跟相等的支撑杆，所述骨架内部用高阻尼橡胶充填，所述钢材骨架上部套有一个支撑板。该装置利用负泊松比钢材骨架和高阻尼橡胶的复合性能，是一种阻尼可调的隔振抗震系统，其刚度可控、阻尼可调，便于根据结构动力学性能进行多级耗能设计。

Description

一种建筑结构抗震减振的多级耗能装置
技术领域
本发明涉及结构振动控制领域，特别是一种建筑结构抗震减振的多级耗能装置。
背景技术
结构振动问题逐渐成为桥梁、工业和民用建筑结构设计中的关键问题。交通荷载在桥梁结构上产生竖向振动，地震荷载在建筑结构中产生水平振动，这些振动会导致结构的提前损伤和倒塌。尤其是地震荷载，具有不可预测的特点。我国《公路桥梁抗震设计细则》将设计地震分为两个等级：工程场地重现期较短的E1地震和工程场地重现期较长的E2地震作用；并基于“小震不坏、中震可修、大震不倒”的分类设防抗震设计原则来实施抗震设计。
为了贯彻执行这些原则，需要一个优良的耗能装置来承担振动荷载对结构的影响。现有的耗能装置主要分为以下三种：粘滞阻尼器，摩擦阻尼器，屈服阻尼器，其中金属屈服阻尼器耗能大、造价低，在工程中广泛应用。屈服阻尼器主要依靠材料自身屈服来耗散能量，能够起到一定的抗震效果，但缺点是不可自恢复，也不能实现低幅振动的耗散，常常无法抵抗汽车荷载作用下工程结构的振动损坏。由于现有的耗能装置具有不可自恢复和不能分级耗能的缺陷，开发一种建筑结构抗震减振的多级耗能装置非常必要。
发明内容
为了解决工程结构在抵抗振动方面的问题，实行多级耗能的性能，本发明提出一种建筑结构抗震减振的多级耗能装置。这种装置的核心是“骨架-橡胶”复合结构。其中钢材骨架是一种压扭耦合的手性超材料，受到竖向荷载时，该骨架会发生压缩和扭转变形，并具有负泊松比的独特结构性能。以负泊松骨架为增强相，以正泊松比高阻尼橡胶为基体相，形成一种半接触的复合结构。在低频低幅振动作用下，内部橡胶基体依靠自身粘滞阻尼特性耗散能量，起到降低传递率的效果；外部钢材骨架提供主要支撑刚度和约束橡胶变形的作用。在E1地震荷载作用下，外部钢材骨架发生扭转变形而向内部压缩，而内部橡胶基体在压缩后膨胀，通过这种内外调节作用下产生挤压和摩擦来耗散能量；在E2地震荷载作用下，橡胶对骨架起屈曲约束作用，使钢材骨架产生多点屈服耗能，起到增加结构延性作用。通过对该装置的骨架和橡胶基体的正负泊松比进行调节，刚度是可以预设，即可实现灵活的刚度可编程性，从而达到可控的调节建筑结构或者桥梁结构的自振频率，从而实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的分类设防抗震设计目标。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种建筑结构抗震减振的多级耗能装置，包括基座、骨架单元及支撑板，其特征在于：所述若干个骨架单元组成钢材骨架，所述钢材骨架下部设置有基座，所述骨架单元由六个相同形式的板组成，所述板内部为圆环，外部等间距相切伸出四根相等的支撑杆，所述骨架单元内部用高阻尼橡胶充填，所述钢材骨架上部设置有支撑板。
所述基座上表面设置有上凹槽，所述钢材骨架置于上凹槽内，所述基座焊接在钢材骨架下。
所述支撑板下表面设置下凹槽，所述支撑板通过下凹槽扣于钢材骨架之上，所述支撑板焊接在钢材骨架上。
所述骨架单元内表面设置有螺纹，所述骨架单元表面与橡胶表面充分接触。
通过调节板的内部圆环内外半径、厚度、支撑杆夹角的大小以及骨架单元的个数，可实现刚度的调节及编程控制。
调节骨架单元高度和数量来改变装置的尺寸大小。
所述钢材骨架是一种压扭耦合的手性超材料，所述钢材骨架外表面通过涂层进行防锈处理。
本发明的有益效果是，本发明采用两种常见材料的组合很好的实现了多级耗能效果，通过调节板的内部圆环内外半径、板的厚度、支撑杆夹角的大小以及骨架单元的个数，可以方便的实现刚度可控、阻尼可调，从而实现了分级减振和抗震效果。
附图说明
图1为本发明所述一种建筑结构抗震减振的多级耗能装置结构示意图；
图2为本发明所述一种建筑结构抗震减振的多级耗能装置构成骨架单元的板示意图；
图3为本发明所述一种建筑结构抗震减振的多级耗能装置钢材骨架单元示意图；
图4为本发明所述一种建筑结构抗震减振的多级耗能装置单元示意图；
图5为本发明一种建筑结构抗震减振的多级耗能装置等效刚度随板内部圆环半径R的变化示意图。
图6为本发明一种建筑结构抗震减振的多级耗能装置等效刚度随板外部支撑杆d的变化示意图。
图7为本发明一种建筑结构抗震减振的多级耗能装置的滞回曲线示意图。
图中，1、支撑板；2、支撑杆；3、圆环；4、板；5、骨架单元；6、高阻尼橡胶；7，基座；8、下凹槽；9、上凹槽。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳的实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。
实施例一
如图1、2、3、4所示，一种建筑结构抗震减振的多级耗能装置，包括基座(7)、骨架单元(5)及支撑板(1)，其特征在于：所述若干个骨架单元(5)组成钢材骨架，所述钢材骨架下部设置有基座(7)，所述骨架单元(5)由六个相同形式的板(4)组成，所述板内部为圆环(3)，外部等间距相切伸出四根相等的支撑杆(2)，所述骨架单元(4)内部用高阻尼橡胶(6)充填，所述钢材骨架上部设置有支撑板(1)。
所述基座(7)上表面设置有上凹槽(8)，所述钢材骨架置于上凹槽(8)内，所述基座(7)焊接在钢材骨架下。
所述支撑板(1)下表面设置下凹槽(9)，所述支撑板(1)通过下凹槽(9)扣于钢材骨架之上，所述支撑板(1)焊接在钢材骨架上。
所述骨架单元(5)内表面设置有螺纹，所述骨架单元(5)表面与橡胶(6)表面充分接触。
通过调节骨架单元(5)高度和数量来改变装置的尺寸大小。
所述钢材骨架是一种压扭耦合的手性超材料，所述钢材骨架外表面通过涂层进行防锈处理。
进一步的，耗能装置在制作过程中，通过相同的形式的板构成骨架单元(5)，由骨架单元(5)组成钢材骨架，可以实现生产方便高效。因外部骨架置于空气中，为了防止外部钢材骨架的锈蚀，可在钢材骨架外表面采用环氧树脂等涂层，进行防锈处理。
本建筑结构抗震减振的多级耗能装置可放置于梁底与盖梁顶之间，基座(7)通过螺栓与盖梁顶部连接。支撑板(1)通过螺栓与梁底连接，通过钢销将其与装置垫块相连。具体实施过程中应该使高阻尼橡胶(6)表面与骨架单元(5)表面充分接触，且骨架单元内表面应设置螺纹，便于两者之间的挤压摩擦，上凹槽(8)的设置为了实现对骨架进行限位作用，防止骨架滑出基座(7)。
本装置的核心是“骨架-橡胶”复合结构，其中钢材骨架为一种压扭耦合的手性超材料，受到竖向荷载时，该骨架会发生压缩和扭转变形，并具有负泊松比的独特结构性能。在交通荷载作用下，竖向荷载作用于支撑板(1)，支撑板(1)将荷载传递给骨架单元(5)，骨架单元(5)内部的高阻尼橡胶(6)发生变形之后，通过自身粘滞阻尼耗散能量。在E1地震荷载作用下骨架通过扭转，扭转带动高阻尼橡胶(6)和骨架之间进行挤压和摩擦，从而实现能量损耗。在E2地震荷载作用下，通过内部橡胶的屈曲约束作用，使得钢材骨架发生多点屈服，从而提高结构的延性，实现了多级耗能效果。
实施例二
通过调节板(4)的内部圆环(3)内外半径、厚度、支撑杆(2)夹角的大小以及骨架单元(5)的个数，可实现刚度的调节及编程控制。
外层钢骨架受到轴向压力作用时，骨架单元(5)将发生扭转变形，体现压扭耦合作用。如图5、6所示，通过调节圆环半径、宽度以及单胞尺寸等参数来设计体系的刚度，实现刚度可控。
对耗能装置进行数据模拟分析，由于体系具有周期性的特点，取本装置的一个骨架单元(5)进行拟静力数值分析。将骨架单元(5)下部固定，通过位移控制，在骨架单元(5)上部施加轴向循环位移，得到体系滞回曲线，如图7所示，为当板的的相邻两支撑杆最外端距离a为0.2m时滞回曲线图，通过不同圆环内外半径、厚度、支撑杆夹角的大小的组合，由下式计算，体系等效粘滞阻尼系数最大可以达到0.45。
等效粘滞阻尼系数
Figure BDA0002344202660000061
其中：ED为体系所耗散的能量由包围的面积给出；
ESo为体系的应变能，
Figure BDA0002344202660000071
k为等效刚度，u0为最大动位移。
通过上述方法即可调节板(4)的内部圆环(3)内外半径、厚度、支撑杆(2)夹角的大小以及骨架单元(5)的个数，通过这些参数的不同组合，实现刚度调节以及编程控制，最终达到对正负泊松比的调节，从而可控的调节建筑结构或者桥梁结构的自振频率，以实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的分类设防抗震设计目标。

Claims (7)

1.一种建筑结构抗震减振的多级耗能装置，包括基座(7)、骨架单元(5)及支撑板(1)，其特征在于：所述若干个骨架单元(5)组成钢材骨架，所述钢材骨架下部设置有基座(7)，所述骨架单元(5)由六个相同形式的板(4)组成，所述板内部为圆环(3)，外部等间距相切伸出四根相等的支撑杆(2)，所述骨架单元(4)内部用高阻尼橡胶(6)充填，所述钢材骨架上部设置有支撑板(1)。
2.根据权利要求1所述一种建筑结构抗震减振的多级耗能装置，其特征在于：所述基座(7)上表面设置有上凹槽(8)，所述钢材骨架置于上凹槽(8)内，所述基座(7)焊接在钢材骨架下。
3.根据权利要求1所述一种建筑结构抗震减振的多级耗能装置，其特征在于：所述支撑板(1)下表面设置下凹槽(9)，所述支撑板(1)通过下凹槽(9)扣于钢材骨架之上，所述支撑板(1)焊接在钢材骨架上。
4.根据权利要求1所述一种建筑结构抗震减振的多级耗能装置，其特征在于：所述骨架单元(5)内表面设置有螺纹，所述骨架单元(5)表面与橡胶(6)表面充分接触。
5.根据权利要求1所述一种建筑结构抗震减振的多级耗能装置，其特征在于：通过调节板(4)的内部圆环(3)内外半径、厚度、支撑杆(2)夹角的大小以及骨架单元(5)的个数，可实现刚度的调节及编程控制。
6.根据权利要求1所述一种建筑结构抗震减振的多级耗能装置，其特征在于：通过调节骨架单元(5)高度和数量来改变装置的尺寸大小。
7.根据权利要求1所述一种建筑结构抗震减振的多级耗能装置，其特征在于：所述钢材骨架是一种压扭耦合的手性超材料，所述钢材骨架外表面通过涂层进行防锈处理。
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