CN111945911B - 一种可拆卸u形波折带双层开斜缝钢板阻尼器 - Google Patents

一种可拆卸u形波折带双层开斜缝钢板阻尼器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可拆卸U形波折带双层开斜缝钢板阻尼器，属于土木工程消能减震技术领域。该金属阻尼器由若干U形耗能件、双层开斜缝钢板上盖板和下盖板组成。本发明基于多向耗能、耗能元件可拆卸、提高抗剪承载力、抑制面外屈曲、多种剪切耗能机制协同工作和双重保险机制等设计理念，打破了传统金属阻尼器的局限。U形耗能单元并联，有效实现了阻尼器的多向耗能；通过合理设计，阻尼器可实现多位置屈服，耗能性能稳定，抗剪承载力大幅提高；U形耗能件和双层开斜缝钢板共同耗能，形成双重保险机制；震后仅需更换耗能部件便可恢复正常使用功能。该金属阻尼器朝着装配式方向发展，更换简便、经济效益明显、可与支座有效结合，为支座提供侧向力。

Description

一种可拆卸U形波折带双层开斜缝钢板阻尼器
技术领域
本专利涉及一种可拆卸U形波折带双层开斜缝钢板阻尼器，可用于控制结构的地震反应，从而提高主体结构的抗震性能，属于土木工程消能减震技术领域。
背景技术
地震是一种自然灾害，具有突发性和毁灭性，强震发生可能造成巨大的经济损失和人员伤亡。我国是地震多发国，大部分一线城市处于地震区。而随着我国发展速度的加快，城市人口和设施愈发集中，导致高层建筑越来越多，传统的抗震策略不再适用，新型消能减震阻尼器的研究势在必行。
传统的抗震策略是通过提高结构本身的强度、刚度、延性等性能来实现抵抗地震作用的功能，而金属耗能阻尼器是利用金属不同形式的塑性滞回变形耗散能量。由于金属进入塑性状态后具有良好的滞回性能，并在弹塑性滞回变形过程中吸收大量能量，因而被用来制造不同类型和构造的耗能减震器。
但是现有的金属阻尼器结构单一，小震下处于弹性变形状态不屈服，仍需主体结构耗能，消能减震效果不佳；大震下阻尼器应力大于屈服强度时整体进入塑性耗能状态，震后整体破坏，无法实现只更换部分耗能构件以恢复正常使用功能的目的。
目前的剪切型金属阻尼器通常都是剪切型钢板阻尼器，只能在平面内耗能，在地震作用下，无法在其他方向进行耗能，但是地震方向通常具有不确定性，所以传统的金属阻尼器往往不能达到理想的耗能效果。
为解决现有金属阻尼器存在的上述问题，本发明基于多方向耗能、耗能元件可拆卸、提高抗剪承载力、抑制面外屈曲、多种剪切耗能机制协同工作和双重保险机制等设计理念，提出了一种可拆卸U形波折带双层开斜缝钢板阻尼器。该发明通过若干组U形耗能单元的多方向并联，可以在受到来自不同方向的地震作用时实现多方向耗能；U形耗能件与双层开斜缝钢板的结合有效实现了两种剪切耗能机制的协同工作；通过不同部件采用不同屈服等级材料的方式，可以在不同地震强度作用下实现双重保险机制，改善小震下主体结构耗能而阻尼器基本不参与耗能的问题；U形耗能单元与盖板通过高强螺栓连接，耗能单元发生破坏后可以拆卸，并可以根据震后阻尼器各个耗能单元的损伤情况拆卸局部耗能单元，避免了金属阻尼器发生塑性变形后更换困难的问题；双层开斜缝钢板由两块斜缝反向布置的钢板通过自攻螺钉连接而成，两块钢板可以在变形时相互约束，抑制面外屈曲；钢板上端为波形板，下端为开斜缝钢板，可以保证阻尼器基本不承担竖向力，耗能性能稳定；由于开缝设计，钢板可多位置屈服，提高了阻尼器的耗能能力；该金属阻尼器朝着装配式方向发展，更换简便、经济效益明显、可与支座有效结合，为支座提供侧向力。
发明内容
本发明提出一种可拆卸U形波折带双层开斜缝钢板阻尼器，旨在解决现有金属阻尼器结构体系存在的耗能方向单一、屈服点集中、小震无法发生塑性耗能、大震整体破坏、震后需要整体更换、耗能机制单一、面外稳定性不足等问题。该新型金属阻尼器能够实现双重保险机制，多方向耗能，多种剪切耗能机制协同工作，耗能元件可拆卸，具有良好的承载性能和耗能性能，可提高结构刚度，经济效益明显，可与现有的隔震支座等减隔震元件组合应用，同时也为金属阻尼器提供更多的选择空间。
为实现上述目的，本发明采用如下技术手段：
一种可拆卸U形波折带双层开斜缝钢板阻尼器，其特征在于：该金属阻尼器由若干U形耗能件、双层开斜缝钢板、上盖板和下盖板组成，其中U形耗能件由两平直段和一圆弧段构成，U形耗能件宽厚比为4～20，厚度与圆弧段内径的比值在0.03～0.2之间，平直段长宽比为2～8；其中U形耗能件和双层开斜缝钢板焊接组成U形耗能单元，U形耗能单元与上下两块盖板通过高强螺栓连接；该金属阻尼器基于多方向耗能、耗能元件可拆卸、提高抗剪承载力、抑制面外屈曲、多种剪切耗能机制协同工作和双重保险机制等设计理念提出，通过若干组U形耗能单元的多方向并联，可以将地震波分解成各个方向的地震作用，在地震方向随机且无法确定的情况下，达到多向耗能的效果；该金属阻尼器各个部件所选用的材料屈服强度不同，旨在实现小震时阻尼器中屈服点低的部件屈服，屈服点高的部件仍处于弹性变形状态，减小主体结构耗能，有效发挥阻尼器的作用；大震时，阻尼器中各个部件均进入塑性变形阶段，U形件剪切耗能机制和双层开斜缝钢板剪切耗能机制协同工作，形成双重保险机制，震后只需更换耗能部件即可恢复金属阻尼器正常使用功能；同时，U形耗能单元与盖板通过高强螺栓连接，耗能单元发生破坏后可以拆卸，并可以根据震后阻尼器各个耗能单元的损伤情况拆卸局部耗能单元，避免了金属阻尼器发生塑性变形后更换困难的问题。
所述的双层开斜缝钢板由两块斜缝反向布置的钢板通过自攻螺钉连接而成，在往复地震作用下，一层钢板沿斜缝受拉，可为另一层沿斜缝受压的钢板提供面外支撑，二者之间相互抑制，起到了防屈曲的作用，提高了阻尼器的耗能能力；钢板上端为波形板，可以保证阻尼器基本不承担竖向力，耗能性能稳定；波折板和开缝钢板的高度比在1:4～1:3之间，开缝钢板缝宽根据阻尼器刚度和强度的设计要求为2～10mm；由于开缝设计，钢板可多位置屈服，提高了阻尼器的耗能能力；双层开斜缝钢板
采用屈服点强度在100MPa～235MPa之间的低屈服点钢，具有良好的滞回耗能能力，可以提高结构延性；此外，新型金属阻尼器用于隔震支座中可有效提高支座抗侧刚度并充分耗能；同时提升了结构正常状态下的整体刚度，在地震发生时则可以减轻建筑结构的地震反应。
所述的双层开斜缝钢板上端的波折形式可以选用正弦波、三角形波折、梯形波折或直角波折。
本专利的优点主要表现在以下几个方面：
(1)多方向耗能。该金属阻尼器由若干组多方向U形耗能单元并联组成，可以将地震波分解成各个方向的地震作用，在地震方向随机且无法确定的情况下，有效实现多方向耗散地震能。
(2)多种剪切耗能机制协同工作。U形剪切耗能机制和开缝钢板剪切耗能机制共同耗散地震能。
(3)受力机理清晰明确。双层开斜缝钢板上端为波形板，下端为开斜缝钢板，可以保证钢板基本不承担竖向力，以纯剪切为主。
(4)钢板开缝可以实现多位置屈服，提高阻尼器抗剪承载力和耗能能力；双层开斜缝钢板由两块斜缝反向布置的钢板通过自攻螺钉连接而成，在往复地震作用下，一层钢板沿斜缝受拉，可为另一层沿斜缝受压的钢板提供面外支撑，二者之间相互抑制，起到了防屈曲的作用。
(5)双层开斜缝钢板与U形耗能件的焊接在工厂内完成，焊缝质量和工艺精度都能得到保证。
(6)可拆卸。盖板与U形耗能单元由高强螺栓连接，根据震后阻尼器各个耗能单元的损伤情况拆卸局部耗能单元。
(7)可与其他减隔震元件组合应用。用于隔震支座中可有效提高支座抗侧刚度，帮助传统隔震支座承担侧向力。
附图说明：
图1为一种可拆卸U形波折带双层开斜缝钢板阻尼器的三维图；
图2为一种可拆卸U形波折带双层开斜缝钢板阻尼器的拆分图；
图3为一种可拆卸U形波折带双层开斜缝钢板阻尼器的正视图；
图4为一种可拆卸U形波折带双层开斜缝钢板阻尼器的俯视图；
图5为一种可拆卸U形波折带双层开斜缝钢板阻尼器的双层开斜缝钢板结构拆分图；
图6为一种可拆卸U形波折带双层开斜缝钢板阻尼器的双层开斜缝钢板上端波折板的多种类型示意图。
具体实施方式
下面结合附图1～6，详细说明本专利的实施方式。
如图1～6所示，一种可拆卸U形波折带双层开斜缝钢板阻尼器包括以下部件：
1——U形耗能件；
2——圆弧段；
3——平直段；
4——双层开斜缝钢板；
5——上盖板；
6——下盖板；
7——自攻螺钉；
8——高强螺栓；
如图1～6所示，一种可拆卸U形波折带双层开斜缝钢板阻尼器，其特征在于：该金属阻尼器由若干U形耗能件1、双层开斜缝钢板4、上盖板5和下盖板6组成；U形耗能件1与上盖板5和下盖板6之间通过高强螺栓8连接，U形双层开斜缝耗能单元之间形成并联连接；所述的U形耗能件由两平直段3和一圆弧段2构成；双层开斜缝钢板由两块斜缝反向布置的钢板通过自攻螺钉7连接而成，并焊接于U形耗能件平直段，双层开斜缝钢板的中轴线和U形耗能件平直段的中轴线在同一平面内；双层开斜缝钢板上端波折板可以选用的波形形状如图6所示。

Claims (3)

1.一种可拆卸U形波折带双层开斜缝钢板阻尼器，其特征在于：该阻尼器由若干U形耗能件、双层开斜缝钢板、上盖板和下盖板组成；
其中U形耗能件由两平直段和一圆弧段构成，U形耗能件宽厚比为4～20，厚度与圆弧段内径的比值在0.03～0.2之间，平直段长宽为2～8；
双层开斜缝钢板由两块斜缝反向布置的钢板通过自攻螺钉连接而成，其中钢板的上端为波折板，钢板的下端为开缝钢板，开缝钢板为非波折板，波折板和开缝钢板的高度比在1:4～1:3之间，开缝钢板缝宽为2～10mm；开缝钢板上布置的缝为单向斜缝；
所述的双层开斜缝钢板与U形耗能件焊接形成U形耗能单元，确保双层开斜缝钢板的竖向中轴线和U形耗能件平直段的两条水平中轴线在同一平面内；
U形耗能单元沿着不同方向并联和上下盖板通过高强螺栓连接为一体；双层开斜缝钢板采用屈服点强度在100MPa～235MPa之间的低屈服点钢。
2.根据权利要求1所述的一种可拆卸U形波折带双层开斜缝钢板阻尼器，其特征在于：所述的阻尼器用于隔震支座中。
3.根据权利要求1所述的一种可拆卸U形波折带双层开斜缝钢板阻尼器，其特征在于：所述的双层开斜缝钢板上端的波折形式选用正弦波、三角形波折、梯形波折或直角波折。
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