CN111379342A - 能增强建筑结构减震效果的阻尼放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能增强建筑结构减震效果的阻尼放大器，均为软钢制作而成的第1‑4连接杆、阻尼器、左支撑杆和右支撑杆组成，第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆、第四连接杆两两通过螺栓与上节点板、下节点板、左节点板、右节点板相连构成菱形，第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆、第四连接杆两两通过螺栓与上节点板、下节点板、左节点板、右节点板相连构成菱形，左支撑杆、右支撑杆的各一端分别通过螺栓固定在建筑物上。本发明具有通过控制菱形长轴对角线长度，获得需要阻尼放大系数的特性，并能大量消耗地震能量，从而达到持久增强减震效果的目的。本发明的菱形结构形式，通过控制其长轴对角线长度，是达到放大阻尼器阻尼的关键。

Description

能增强建筑结构减震效果的阻尼放大器

技术领域

本发明涉及消能减震阻尼放大装置，尤其是涉及一种能增强建筑结构减震效果的阻尼放大器。

背景技术

传统阻尼器具有一定阻尼，通过在建筑结构中安装附加支撑杆件连接在建筑结构中，由阻尼器的自身阻尼起到消能减震作用。当建筑结构在地震的激励作用下，通过附加支撑杆件对传统阻尼器的作用，使阻尼器的两端产生相对速度或位移，从而使阻尼器对建筑结构产生阻尼力，以消耗建筑结构的地震能量，达到减震的目的。该传统阻尼器一般具备一定的阻尼，其耗能能力与阻尼关系很大。一般阻尼器的阻尼越大，阻尼器的耗能能力越高，对建筑结构的减震效果越强，因此为了提高减震效果，需在建筑结构中安装阻尼较大的阻尼器，但由此造成阻尼器的价格往往较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过放大传统阻尼器的阻尼、以增强对建筑结构的减震效果、从而实现建筑结构较强减震效果的阻尼放大器。

本发明的目的是这样实现的：

一种能增强建筑结构减震效果的阻尼放大器，特征是：由阻尼器、左支撑杆、右支撑杆和四根均为软钢制作而成的第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆、第四连接杆组成，第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆、第四连接杆两两通过螺栓与上节点板、下节点板、左节点板、右节点板相连构成菱形，第一连接杆的一端、第二连接杆的一端与阻尼器的上端通过上节点板连接在一起，第三连接杆的一端、第四连接杆的一端与阻尼器的下端通过下节点板连接在一起，即传统的阻尼器安装在该菱形较短的对角线上；第一连接杆的另一端、第三连接杆的另一端与左支撑杆的一端通过左节点板连接在一起，第二连接杆的另一端、第四连接杆的另一端与右支撑杆的一端通过右节点板连接在一起；左支撑杆的另一端、右支撑杆的另一端均通过螺栓固定在建筑物上。

第一连接杆与第二连接杆的夹角为钝角，第三连接杆与第四连接杆的夹角为钝角，阻尼器位于菱形的短轴对角线上。

通过按下列公式调整图3中l₀，可获得结构减震所需要的阻尼放大系数

从而达到将图1中采用的传统阻尼器的阻尼至少放大

倍的效果。

(1)图1中阻尼器为粘滞阻尼器：

式中：

—希望阻尼放大器能达到的阻尼放大系数；

α为图1中安装粘滞阻尼器的阻尼指数；

γ—《建筑结构抗震规范》给出的结构最大层间位移角限值γ；

h—阻尼放大器所在结构楼层净高；

l₀—图3菱形长轴对角线长度一半，详见图3；

l₁—图3菱形短轴对角线长度一半，详见图3；

θ—阻尼放大器长轴对角线与楼面夹角，详见图2；

(2)图1中阻尼器为摩擦阻尼器：

式中各物理量意义与上述(1)相同。

(3)图1中阻尼器为金属阻尼器、粘弹性阻尼器、复合型耗能器等其他类型：

l₀计算公式推导采用与上述(1)或(2)的推导方法进行。

第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆、第四连接杆的横截面面积A按下列确定：

(1)图1中阻尼器为粘滞阻尼器：

式中：A—图1中第1～第4连接杆的各横截面面积；

f_y—图1中第1～第4连接杆的各屈服强度；

F_2max—图1中第1～第4连接杆的各最大内力；

F_1max—图1中阻尼器的最大出力；

(2)图1中阻尼器为摩擦阻尼器：

式中：f₁—图1中摩擦阻尼器的摩擦阻尼力；

A—图1中第1～第4连接杆的各横截面面积；

f_y—图1中第1～第4连接杆的各屈服强度；

F_2max—图1中第1～第4连接杆的各最大内力；

F_1max—图1中阻尼器的最大出力；

(3)图1中阻尼器为金属阻尼器、粘弹性阻尼器、复合型耗能器等其他类型：

A计算公式推导采用与上述(1)或(2)的推导方法进行。

本发明具有如下优点：根据传统阻尼器的实际尺寸，按照图1中阻尼放大器的结构构造示意图，调整图3中长度l₀，即可获得结构减震所需要的阻尼放大系数

从而达到将图3中采用的传统阻尼器的阻尼至少放大

倍的效果，以实现结构较强减震的目的。(注：

代表根据减震需要，希望阻尼放大器达到的阻尼放大系数，R代表推导公式中阻尼放大器实际的阻尼放大系数)

附图说明

图1为本发明的构造示意图；

图2为本发明的安装方案示意图；

图3为本发明的受力分析图。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

一种能增强建筑结构减震效果的阻尼放大器，由阻尼器5、左支撑杆10、右支撑杆11和四根均为软钢制作而成的第一连接杆1、第二连接杆2、第三连接杆3、第四连接杆4组成，第一连接杆1、第二连接杆2、第三连接杆3、第四连接杆4两两通过螺栓与上节点板6、下节点板7、左节点板8、右节点板9相连构成菱形，第一连接杆1的一端、第二连接杆2的一端与阻尼器5的上端通过上节点板6连接在一起，第三连接杆3的一端、第四连接杆4的一端与阻尼器5的下端通过下节点板7连接在一起，即传统的阻尼器5安装在该菱形较短的对角线上；第一连接杆1的另一端、第三连接杆3的另一端与左支撑杆10的一端通过左节点板8连接在一起，第二连接杆2的另一端、第四连接杆4的另一端与右支撑杆11的一端通过右节点板9连接在一起；左支撑杆10的另一端、右支撑杆11的另一端均通过螺栓连接在建筑物上。

第一连接杆1与第二连接杆2的夹角为钝角，第三连接杆3与第四连接杆4的夹角为钝角，阻尼器5位于菱形的短轴对角线上。

在图3中，第一连接杆1(即杆AB)、第二连接杆2(即杆BC)、第三连接杆3(即杆AD)、第四连接杆4(即杆CD)的长度均为l₂，当节点A和节点C分别受到图示水平推力F时，根据图3中力学关系可得阻尼器5(即阻尼器BD)受力为F₁＝F·tgβ，式中β为杆AB和杆BC与对角线AC的夹角。

假设杆AB、杆BC、杆CD和杆AD的受力均保持弹性，当节点A和节点C在水平推力F作用下，产生水平位移均为△时，则节点B和节点D分别产生竖向位移为△₁(图中只绘出了节点B的竖向位移)，假设杆AB、杆BC、杆CD和杆AD变形量均为△₂，则根据几何关系可得：

(l₀-△)²+(l₁+△₁)²＝(l₂-△₂)² (1)

当杆AB、杆BC、杆CD和杆AD轴向刚度足够大，其受力均处于弹性状态时，由于△₂<<l₂，因此可近似认为△₂≈0，则式(1)化简可得：

△(△-2l₀)+△₁(△₁+2l₁)＝0 (2)

将式(2)对时间求导，并化简，可得：

(1)当图1中阻尼器为粘滞阻尼器：

假设图1中粘滞阻尼器的阻尼力F₁＝C₁(2△′₁)^α，其中C₁为粘滞阻尼器的阻尼系数，α为该阻尼器的阻尼指数。若将图1中的四根连接杆及其对角线上的粘滞阻尼器视为一个复合粘滞阻尼器，假设其阻尼力为F＝C(2△′)^α，其中C为该复合粘滞阻尼器的阻尼系数，根据前述F₁＝F·tgβ，可得：

C₁(2△′₁)^α＝C(2△′)^α·tgβ (4)

由式(3)代入式(4)，并经过化简可得：

C＝C₁η^(1+α) (5)

由式(6)化简可得：

由式(2)和式(6)，化简可得：

在小震作用下，框架结构处于弹性状态，结构层间位移很小，因此式(6)中△可以忽略，从而可得：

由式(10)可见，只要l₀>l₁，就可以实现将粘滞阻尼器的阻尼系数C₁放大。

定义阻尼放大系数

因此小震作用下，阻尼放大系数

在大震及巨震作用下，若要达到希望的阻尼放大系数

根据《建筑结构抗震规范》给出的结构最大层间位移角限值γ(框架结构γ＝1/50)，并考虑粘滞阻尼放大器在结构楼层中的安装方式(见图2)，可得△_max|＝γh·cosθ，式中h为结构楼层净高，θ为阻尼放大器与楼面夹角。

由式(6)可得：

化简，可得：

可见l₀只要满足式(12)，即可获得希望的阻尼放大系数

但应注意的是，前述推导假定了四根连接杆处于弹性状态，由此忽略了四根连接杆的轴向变形，要满足该条件，可按下列确定每根连接杆的截面面积：

假定每根连接杆承受的最大轴力为F_2max，由力学关系可得图1中粘滞阻尼器对应的出力为

因而可得：

由上式(13)，并根据式(2)，且取△＝-γh·cosθ，可得:

可取每根连接杆横截面面积:

式中f_y为每根连接杆的屈服强度。

可见由图1中粘滞阻尼器的最大出力F_1max，按式(14)计算杆1的最大内力F_2max，就可以按式(15)计算钢结构杆1的横截面面积，从而确保每根连接杆的受力处于弹性状态。

上述分析表明，只要根据式(12)合理控制图3中l₀，就能使粘滞阻尼器的阻尼系数至少放大

倍，从而形成所需的阻尼放大器，以实现建筑结构的减震要求。

(2)当图1中阻尼器为摩擦阻尼器：

假设图1中摩擦阻尼器的摩擦阻尼力为f₁。当图1中阻尼器达到摩擦阻尼力时，则图1中阻尼器受力F₁＝f₁，根据图3中力学关系F₁＝F·tgβ，可得：

F＝f₁/tgβ (16)

考虑图3中位移△，由式(16)可得：

由式(2)可得：

式(18)代入式(17)，化简可得：

同样将图1中的四根连接杆及其对角线上的摩擦阻尼器视为一个复合摩擦阻尼器，假设该复合摩擦阻尼器摩擦阻尼力为f，则由式(19)可得：

小震作用下，层间位移很小，式(20)中△可以忽略，可得：

即只要l₀>l₁，就能实现将图1中摩擦阻尼器的摩擦阻尼力f₁放大，且阻尼放大系数为：

大震及巨震作用下，由式(20)可得阻尼放大系数为：

若要达到希望的阻尼放大系数

根据《建筑结构抗震规范》给出的结构最大层间位移角限值γ(框架结构γ＝1/50)，并考虑阻尼放大器在结构楼层中的安装方式(见图2)，可得|△_max|＝γh·cosθ，式中h为结构楼层净高，θ为阻尼放大器与楼面夹角。

可得：

上式表明，若要使阻尼放大系数不小于

只要l₀满足式(25)即可获得需要的阻尼放大器。

为了确保每根连接杆处于弹性状态，每根连接杆的截面面积可按下述确定：

假定每根连接杆承受的最大轴力为F_2max，由力学关系可得图1中摩擦阻尼器对应的出力为

因而可得：

由上式(26)，并根据式(18)，且取△＝-γh·cosθ，可得:

可取每根连接杆的横截面面积:

式中f_y为每根连接杆的屈服强度。

可见由图1中摩擦阻尼器的摩擦阻尼力f₁，就可以按式(28)计算结构连接杆的横截面面积，从而确保每根连接杆受力处于弹性状态。

(3)当图1中阻尼器为金属阻尼器、粘弹性阻尼器、复合型耗能器等其他类型，效果类似，不再详述。

Claims (4)

1.一种能增强建筑结构减震效果的阻尼放大器，其特征在于：由阻尼器、左支撑杆、右支撑杆和四根均为软钢制作而成的第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆、第四连接杆组成，第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆、第四连接杆两两通过螺栓与上节点板、下节点板、左节点板、右节点板相连构成菱形，第一连接杆的一端、第二连接杆的一端与阻尼器的上端通过上节点板连接在一起，第三连接杆的一端、第四连接杆的一端与阻尼器的下端通过下节点板连接在一起，即传统的阻尼器安装在该菱形较短的对角线上；第一连接杆的另一端、第三连接杆的另一端与左支撑杆的一端通过左节点板连接在一起，第二连接杆的另一端、第四连接杆的另一端与右支撑杆的一端通过右节点板连接在一起；左支撑杆的另一端、右支撑杆的另一端均通过螺栓固定在建筑物上。

2.根据权利要求1所述的能增强建筑结构减震效果的阻尼放大器，其特征在于：第一连接杆与第二连接杆的夹角为钝角，第三连接杆与第四连接杆的夹角为钝角，阻尼器位于菱形的短轴对角线上。

3.根据权利要求1所述的能增强建筑结构减震效果的阻尼放大器，其特征在于：菱形长轴对角线长度为2l₀，其中l₀按下列确定：

(1)阻尼器为粘滞阻尼器：

式中：

—希望阻尼放大器能达到的阻尼放大系数；

α为安装粘滞阻尼器的阻尼指数；

γ—《建筑结构抗震规范》给出的结构最大层间位移角限值γ；

h—阻尼放大器所在结构楼层净高；

l₀—菱形长轴对角线长度一半；

l₁—菱形短轴对角线长度一半；

θ—阻尼放大器长轴对角线与楼面夹角；

(2)阻尼器为摩擦阻尼器：

式中：

—希望阻尼放大器能达到的阻尼放大系数；

α为安装粘滞阻尼器的阻尼指数；

γ—《建筑结构抗震规范》给出的结构最大层间位移角限值γ；

h—阻尼放大器所在结构楼层净高；

l₀—菱形长轴对角线长度一半；

l₁—菱形短轴对角线长度一半；

θ—阻尼放大器长轴对角线与楼面夹角；

(3)阻尼器为金属阻尼器、粘弹性阻尼器、复合型耗能器等其他类型：

l₀计算公式推导采用与上述(1)或(2)的推导方法进行。

4.根据权利要求1所述的能增强建筑结构减震效果的阻尼放大器，其特征在于：第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆、第四连接杆的横截面面积A按下列确定：

(1)图1中阻尼器为粘滞阻尼器：

式中：A—第1～第4连接杆的各横截面面积；

f_y—第1～第4连接杆的各屈服强度；

F_2max—第1～第4连接杆的各最大内力；

F_1max—阻尼器的最大出力；

(2)阻尼器为摩擦阻尼器：

式中：f₁—摩擦阻尼器的摩擦阻尼力；

A—第1～第4连接杆的各横截面面积；

f_y—第1～第4连接杆的各屈服强度；

F_2max—第1～第4连接杆的各最大内力；

F_1max—阻尼器的最大出力；

(3)阻尼器为金属阻尼器、粘弹性阻尼器、复合型耗能器等其他类型：

A计算公式推导采用与上述(1)或(2)的推导方法进行。

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