CN111945914A - 一种u形带波形耗能件阻尼器 - Google Patents

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陈美琳
陈鑫
李祥源
杨硕
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    • E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/62—Insulation or other protection; Elements or use of specified material therefor
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E04H—BUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
    • E04H9/00—Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate
    • E04H9/02—Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate withstanding earthquake or sinking of ground
    • E04H9/021—Bearing, supporting or connecting constructions specially adapted for such buildings

Abstract

本发明涉及一种U形带波形耗能件阻尼器，属于结构工程消能减震技术领域。该阻尼器由U形耗能件、双层波形耗能件和若干自攻螺钉组成。本发明基于耗能元件可更换、提高阻尼器抗剪承载力、抑制面外屈曲、提高结构刚度、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，打破了传统金属阻尼器的局限性。通过合理设计，改善了小震时阻尼器不易产生塑性耗能而需主体结构耗能的问题；大震时各部件均进入塑性，实现了U形耗能件和双层波形耗能件共同耗能，形成双重保险机制；震后只需更换耗能部件即可恢复功能。该金属阻尼器朝着装配式方向发展，构造简单、经济效益明显、更换便捷、布置方式多样且数量可根据实际情况灵活增减。

Description

一种U形带波形耗能件阻尼器
技术领域
本专利涉及一种U形带波形耗能件阻尼器，属于结构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。
传统结构的抗震手段是通过提高结构本身的强度、刚度、延性等性能来抵抗地震作用，而金属耗能阻尼器是利用金属的塑性变形来耗散能量，由于金属在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，因而常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大多结构单一，屈服点集中；小震下达不到屈服强度，阻尼器处于弹性变形状态，仍需主体结构进行耗能，起不到阻尼器的作用；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。
为解决传统金属阻尼器存在的上述问题，本发明基于耗能元件可更换、提高阻尼器抗剪承载力、抑制面外屈曲、提高结构刚度、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U形带双层波形耗能件阻尼器。该发明打破了传统U形阻尼器耗能形式单一、屈服点集中的局限性，U形耗能件与双层波形耗能件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；两块波形耗能件对称布置并由自攻螺钉连接，可互相约束，起到抑制面外屈曲的作用；双层波形耗能件的水平设置可使阻尼器基本不承担竖向力，耗能性能极为稳定，对尺寸误差和缺陷的适应性强，便于安装；波形件抗侧刚度大，在金属阻尼器中安装双层波形耗能件，可以更好地提高阻尼器的剪切耗能能力，同时还能充分发挥双层波形耗能件面外刚度大的优势，在运输和安装过程中，可以保障构件截面形状不发生改变；此外，新型阻尼器用于隔震支座中可有效提高支座抗侧刚度并耗能；安装在两栋建筑之间可协调二者之间变形，防止碰撞，并充分耗能。本发明朝着装配式方向发展，构造简单、更换便捷、布置方式多样且数量可根据实际情况灵活增减。
发明内容
本发明提出一种U形带波形耗能件阻尼器，旨在解决现有金属阻尼器结构体系中存在的屈服点集中、小震无法产生塑性耗能、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，提高结构刚度，且具有良好的承载性能和耗能性能，可减轻主体结构破坏；同时，屈服承载力相同的情况下，新型阻尼器的用钢量明显小于传统U形阻尼器，可提高经济效益；此外，本发明也为可更换的金属阻尼器提供了更多选择。
为实现上述目的，本发明采用如下技术手段：
一种U形带波形耗能件阻尼器，其特征在于：该阻尼器由U形耗能件与波形耗能件焊接成形，波形耗能件采用双层波形耗能件；其中，U形耗能件由两平直段和一圆弧段构成；所述的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；双层波形耗能件通过自攻螺栓连接。该新型金属阻尼器基于耗能元件可更换、提高阻尼器抗剪承载力、抑制面外屈曲、提高结构刚度、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，克服了传统金属阻尼器地震作用下屈服点集中，抗剪承载力不足，耗能机制单一，小震下不易产生塑性耗能且大震后需整体更换的弊端。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，减少主体结构耗能，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波形耗能件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。
所述的双层波形耗能件由两块对称布置的波形耗能件组成，并通过自攻螺钉连接为一体，受力时可以互相约束，抑制面外屈曲变形，具有良好的抗侧能力。双层波形耗能件顶部和底部焊接于U形耗能件平直段，该双层波形耗能件的宽厚比在35～90之间，宽高比在0.6～1.35之间，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。双层波形耗能件的水平设置可使阻尼器基本不承担竖向力，耗能性能极为稳定，对尺寸误差和缺陷的适应性强，便于安装；波形耗能件具有很好的抗剪能力，在承受反复地震荷载时，双层波形耗能件可以有效提高金属阻尼器的抗剪承载力，结构可充分利用双层波形耗能件的抗剪性能消耗地震能量；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耗能；安装在两栋建筑之间可协调二者之间变形，防止碰撞，同时充分耗能。该金属阻尼器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。
所述的波形耗能件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；波形耗能件的层数可以设为单层或双层。
波形耗能件也能采用单层，当为单层时候，波形耗能件的重心线与U形耗能件平直段的两条水平中轴线处于同一平面。
本专利的优点主要表现在以下几个方面：
(1)双重保险机制。U形耗能件和双层波形耗能件所选用的材料屈服强度不同，可以实现双重保险机制，克服了传统金属阻尼器屈服点集中、小震作用下基本不参与耗能的弊端，在不同地震强度作用下可减轻主体结构耗能。
(2)受力机理清晰明确，以纯剪切为主，利于设计理论的建立及推广。
(3)双层波形耗能件受力时可以互相约束，抑制面外屈曲变形；波形耗能件刚度大，可以增强结构刚度，减少建筑结构地震反应。波形耗能件的水平设置可使阻尼器基本不承担竖向力，耗能性能极为稳定。
(4)多种剪切耗能机制协同工作。U形剪切耗能机制和波形板剪切耗能机制共同耗散地震能，能够克服传统U形阻尼器承载力过低，耗能性能不足的缺点。
(5)具有良好的经济效益。屈服承载力相同的情况下，新型阻尼器的用钢量明显小于传统U形阻尼器，可提高经济效益
(6)双层波形耗能件与U形耗能件的焊接由加工厂在工厂内完成，不但便于制作而且焊缝精度和质量都能得到保证；由于双层波形耗能件的设置，阻尼器对尺寸误差和缺陷的适应性强，便于安装；波形耗能件可以提供较高的面外刚度，在运输和安装过程中，可以保障构件截面形状不发生改变。
(7)耗能部件可更换。发生破坏时，拆卸方便。用于隔震支座中可有效提高支座抗侧刚度并耗能；安装在两栋建筑之间可协调二者之间变形，防止碰撞，同时充分耗能，且阻尼器数量可根据实际情况灵活增减。
附图说明
图1为一种U形带波形耗能件阻尼器的三维图；
图2为一种U形带波形耗能件阻尼器的拆分图；
图3为一种U形带波形耗能件阻尼器的正视图；
图4为一种U形带波形耗能件阻尼器的双层波形耗能件的拆分图；
图5为一种U形带波形耗能件阻尼器的双层波形耗能件多种类型示意图；
图6为一种U形带波形耗能件阻尼器的尺寸构造图，其中(a)为正视图，(b)为侧视图；
图7为一种U形带波形耗能件阻尼器与U形阻尼器的有限元分析性能对比曲线，其中(a)为荷载-转角曲线，(b)为滞回曲线，(c)为累计耗能曲线；
具体实施方式
下面结合附图1～7，详细说明本专利的实施方式。
如图1～7所示，一种U形带波形耗能件阻尼器包括以下部件：
1——U形耗能件；
2——圆弧段；
3——平直段；
4——双层波形耗能件；
5——自攻螺钉；
如图1～7所示，一种U形带波形耗能件阻尼器，其特征在于：该金属阻尼器由U形耗能件(1)和双层波形耗能件(4)组成；每个U形耗能件(1)分别由一圆弧段(2)两段平直段(3)组成；双层波形耗能件由两块对称布置的波形耗能件组成，并由自攻螺钉(5)将其连接；双层波形耗能件(4)焊接于U形耗能件(1)平直段上，其中双层波形耗能件中轴线与平直段中轴线在同一平面内；双层波形耗能件可以选用的波形形状如图5所示。
为评价新型金属阻尼器的技术效果及经济性，采用通用有限元软件ANSYS对U形阻尼器和U形带波形耗能件阻尼器的抗侧刚度、承载性能及耗能性能进行了对比数值分析，算例基本参数如表1所示，其中U0代表U形阻尼器，UC代表U形带单层波形耗能件的阻尼器。新型金属阻尼器相关构造如图6所示，其中lu为U形平直段长度；ru为U形圆弧段内径；bc为波形板宽度；hc为波形板高度；r为弯曲半径；bu为U形宽度；tu为U形厚度；tc为波形板厚度；θ为波形板波折角度；dc为波形板波幅；λ为波形板波长。
表1 算例参数表
Figure BDA0002593154170000051
图7为算例UC与U0的荷载位移曲线、滞回曲线以及累积耗能曲线对比图，结合表2中数据可以看出：当二者的屈服荷载大小基本相等的条件下，U形带波形耗能件阻尼器的弹性阶段的初始刚度明显大于U形阻尼器，提升200％，且U形带波形耗能件阻尼器的累积耗能量也明显大于后者，同时其用钢量几乎是U形阻尼器的一半，说明U形带波形耗能件阻尼器具有的更高初始刚度、承载能力、耗能能力及经济效益。
表2 U形带波形耗能件阻尼器与U形阻尼器关键参数对比
Figure BDA0002593154170000052

Claims (4)

1.一种U形带波形耗能件阻尼器，其特征在于：该阻尼器由U形耗能件与波形耗能件焊接成形，波形耗能件采用双层波形耗能件；其中，U形耗能件由两平直段和一圆弧段构成，双层波形耗能件由两块对称布置的波形耗能件组成，并通过自攻螺钉连接为一体；所述的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；所述的双层波形耗能件的竖向中轴线与U形耗能件平直段的两条水平中轴线处于同一平面；双层波形耗能件的宽厚比在35～90之间，宽高比在0.6～1.35之间，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U形带波形耗能件阻尼器，其特征在于：所述的阻尼器安装在隔震支座中；或者安装在两栋建筑之间。
3.根据权利要求1所述的一种U形带波形耗能件阻尼器，其特征在于：所述波形耗能件的波折形式选用正弦波、三角形波折、梯形波折或直角波折；波形耗能件的层数设为单层或双层。
4.根据权利要求1所述的一种U形带波形耗能件阻尼器，其特征在于：波形耗能件也能采用单层，当为单层时候，波形耗能件的重心线与U形耗能件平直段的两条水平中轴线处于同一平面。
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