CN111945915A

CN111945915A - 一种嵌套式u形分阶段屈服阻尼器

Info

Publication number: CN111945915A
Application number: CN202010702030.2A
Authority: CN
Inventors: 姜子钦; 陈鑫; 李祥源; 崔虎; 陈美琳
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2020-07-20
Publication date: 2020-11-17

Abstract

本发明涉及一种嵌套式U形分阶段屈服阻尼器，属于结构工程消能减震技术领域。该金属阻尼器由两个沿水平方向同向嵌套布置的U形耗能件、双层波形耗能件、黄铜垫板和钢垫块组成。本发明应用了分阶段屈服、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、多种耗能机制共同作用等设计理念，打破了传统金属阻尼器的局限。U形耗能件的嵌套设计和钢垫块的布置，实现了分阶段屈服；同时，合理设计的阻尼器具有良好的抗剪承载力和耗能性能，震后仅需更换耗能部件即可恢复正常使用功能，经济效益明显。该金属阻尼器朝着装配式方向发展，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

一种嵌套式U形分阶段屈服阻尼器

技术领域

本专利涉及一种嵌套式U形分阶段屈服阻尼器，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来消耗能量，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，本发明基于分阶段屈服、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、多种耗能机制共同作用等设计理念，提出了一种嵌套式U形分阶段屈服阻尼器。该发明可以实现在不同地震等级下的分阶段屈服，克服了传统金属阻尼器屈服点集中的弊端，减少小震下主体结构耗能；U形耗能件和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；两个U形耗能件通过高强螺栓连接，破坏后拆卸方便，避免了金属阻尼器发生塑性变形后更换困难的问题；黄铜垫板的设置，可以保证稳定的摩擦系数，降低摩阻力；两块波形耗能件对称布置并由自攻螺钉连接，可互相约束，抑制面外屈曲；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和承载力。

发明内容

本发明提出一种嵌套式U形分阶段屈服阻尼器，旨在解决现有金属阻尼器结构体系中存在的屈服点集中、小震无法发生塑性耗能、大震整体破坏无法实现分阶段屈服、震后需要整体更换、耗能机制单一、面外稳定性不足等问题。该新型金属阻尼器可有效实现分阶段屈服，具有良好的承载性能和耗能性能，提高结构刚度，减轻主体结构破坏，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：

一种嵌套式U形分阶段屈服阻尼器，其特征在于：该阻尼器由两个沿水平方向同向嵌套布置的U形耗能件、波形耗能件、黄铜垫板、钢垫块、若干自攻螺钉和若干高强螺栓组成；波形耗能件采用双层波形耗能件；该阻尼器基于分阶段屈服、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，小震下不易发生塑性耗能且大震后需整体更换的弊端。所述的U形耗能件分别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；嵌套布置的U形耗能件一侧通过高强螺栓固定，另一侧两平直段中间放置一块与U形耗能件等宽的黄铜垫板并与内层U形耗能件焊接，黄铜垫板的厚度为U形耗能件厚度的1/15～1/10，其设置可以保证稳定的摩擦系数，减少摩阻力；在内层U形耗能件未固定的平直段末端放置一钢垫块，钢垫块与外层U形耗能件焊接；在承受反复地震作用时，外层U形耗能件首先发生滑移变形，直至两U形耗能件圆弧段之间或钢垫块与内层U形耗能件之间发生接触挤压后共同变形，这一设计旨在实现小震时部分元件耗能，大震时阻尼器中各个元件共同耗能，达到分阶段屈服的效果，有效发挥阻尼器的作用，提高抗剪承载力；传统金属阻尼器震后需要整体更换，操作复杂，所述的两个U形耗能件通过高强螺栓连接，破坏后拆卸方便，只需更换耗能部件即可恢复金属阻尼器正常使用功能，避免了在大震作用下阻尼器发生塑性变形后难以更换的问题。

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，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，正常状态下可以提高结构刚度，遇到地震时可以减小建筑结构的地震反应；双层波形耗能件顶部和底部焊接于内层U形耗能件的平直段，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，在承受反复地震作用时，双层波形耗能件的设置可以有效提高阻尼器抗剪承载力，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，且数量可根据实际情况灵活增减。

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)分阶段屈服。嵌套布置的U形耗能件一侧通过高强螺栓固定，另一侧两平直段中间放置一块黄铜垫板并与内层U形耗能件焊接，以减少摩阻力，在内层U形耗能件未固定的平直段末端一定距离处放置一钢垫块，钢垫块与外层U形耗能件焊接；在承受反复地震作用时，外层U形耗能件首先发生变形，而后两个U形耗能件圆弧段接触挤压过程和钢垫块与内层U形耗能件接触挤压过程交替进行，所有元件共同耗能，从而实现了分阶段屈服，克服了传统金属阻尼器屈服点集中的弊端，在不同地震等级下减少主体结构耗能。

(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；波形耗能件抗侧能力强，可以提高结构刚度，减小建筑结构地震反应。波形耗能件的水平设置可使阻尼器基本不承担竖向力，耗能性能稳定；双层波形耗能件采用低屈服点钢，以实现先于主体结构发生屈服，提高主体结构延性。

(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。

(5)双层波形耗能件与U形耗能件的焊接在工厂内完成，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。

(6)耗能部件可更换。两个U形耗能件和黄铜垫板通过高强螺栓连接，在发生破坏后，拆卸方便，只需更换耗能部件即可恢复金属阻尼器正常使用功能。

(7)可与现有的隔震支座等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；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为一种嵌套式U形分阶段屈服阻尼器的三维图；

图2为一种嵌套式U形分阶段屈服阻尼器的拆分图；

图3为一种嵌套式U形分阶段屈服阻尼器的正视图；

图4为一种嵌套式U形分阶段屈服阻尼器的两个U形耗能件结构示意图；

图5为一种嵌套式U形分阶段屈服阻尼器的双层波形耗能件多种类型示意图；

图6为一种嵌套式U形分阶段屈服阻尼器的双层波形耗能件拆分图；

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，一种嵌套式U形分阶段屈服阻尼器包括以下部件：

1——外层U形耗能件；

2——内层U形耗能件

3——平直段；

4——圆弧段；

5——双层波形耗能件；

6——钢垫块；

7——高强螺栓；

8——黄铜垫板；

9——自攻螺钉；

如图1～6所示，一种嵌套式U形分阶段屈服阻尼器，其特征在于：该金属阻尼器由两个沿水平方向同向嵌套布置的U形耗能件(1)(2)、双层波形耗能件(5)、黄铜垫板(8)、钢垫块(6)、若干自攻螺钉(9)和若干高强螺栓(7)组成；U形耗能件由一圆弧段(4)和两段平直段(3)构成，且两者圆弧段半径不同，并在一侧布置黄铜垫板(8)和钢垫块(6)，结构形式如图5所示；双层波形耗能件由两块对称布置的波形钢板组成，并由自攻螺钉(9)连接；双层波形耗能件(5)焊接于内层U形耗能件平直段上；双层波形耗能件可以选用的波形形状如图6所示。

Claims

1.一种嵌套式U形分阶段屈服阻尼器，其特征在于：该阻尼器包括两个沿水平方向同向嵌套布置的U形耗能件、波形耗能件、黄铜垫板和钢垫块；波形耗能件采用双层波形耗能件；所述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；两U形耗能件沿水平同向内外嵌套，二者之间一侧通过高强螺栓固定，另一侧在两平直段中间放置一块与U形耗能件等宽的黄铜垫板并与内层U形耗能件焊接，黄铜垫板的厚度为U形耗能件厚度的1/15～1/10；在内层U形耗能件未固定的平直段末端放置一钢垫块，钢垫块与外层U形耗能件焊接；所述双层波形耗能件由通过自攻螺钉连接的两块对称布置的波形耗能件组成，并焊接于内层U形耗能件平直段上，确保双层波形耗能件的竖向中轴线和内层U形耗能件平直段的水平中轴线在同一平面内；双层波形耗能件的宽厚比为35～90，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所述的一种嵌套式U形分阶段屈服阻尼器，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所述的一种嵌套式U形分阶段屈服阻尼器，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。

4.根据权利要求1所述的一种嵌套式U形分阶段屈服阻尼器，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。