CN112112302A - 一种非对称u形带波形开孔钢板阻尼器 - Google Patents

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陈美琳
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Abstract

本发明涉及一种非对称U形带波形开孔钢板阻尼器，属于土木工程消能减震技术领域。该金属阻尼器由两个水平对向布置的U形耗能件、两块开孔钢板、上盖板和下盖板组成。本发明基于多重保险机制、耗能元件可更换、提高抗剪承载力、抑制面外屈曲和多种剪切耗能机制协同工作等设计理念，打破了传统金属阻尼器的局限。U形耗能件的非对称设计与开孔钢板的结合形成多重保险机制，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；开孔钢板多位置屈服，阻尼器耗能性能稳定，抗剪承载力提高，震后仅需更换耗能部件恢复功能，经济效益明显。该金属阻尼器朝着装配式方向发展，更换简便、布置方式多样且耗能部件数量可根据实际情况灵活增减。

Description

一种非对称U形带波形开孔钢板阻尼器
技术领域
本专利涉及一种非对称U形带波形开孔钢板阻尼器，可用于控制结构的地震响应，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大多结构单一，屈服点集中，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。为 解决传统金属阻尼器存在的上述问题，本发明基于多重保险机制、耗能元件可更换、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等设计理念，提出了一种非对称 U形带波形开孔钢板阻尼器。该发明利用不同屈服点和开孔率的钢板屈服位移不同的特点 以及U形耗能件的非对称设计，可实现整体耗能装置不同强度地震作用下的多重保险机制， 克服了传统金属阻尼器形式单一、屈服点集中的弊端，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形耗能件与开孔钢板结合，有效实现了两种剪切耗能机制的协 同工作；同时U形耗能单元与上下盖板通过高强螺栓连接，破坏后拆卸方便，避免金属阻 尼器发生塑性变形后更换困难的问题；开孔钢板上端为波形板，其余部分为开孔平板，可 以保证阻尼器基本不承担竖向力，耗能性能稳定；由于开孔设计使同一截面处钢板不连续， 钢板可多位置屈服，提高阻尼器的耗能能力，合理开孔的钢板较普通钢板面外稳定性更好； 该金属阻尼器朝着装配式方向发展，更换简便、布置方式多样且耗能部件数量可根据实际 情况灵活增减；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；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。
发明内容
本发明提出一种非对称U形带波形开孔钢板阻尼器，旨在解决现有金属阻尼器结构体 系存在的屈服点集中、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 机制单一等问题。该新型金属阻尼器能够实现多重保险机制，耗能元件可更换，多种剪切 耗能机制协同工作，且具有良好的承载性能和耗能性能，可减轻主体结构破坏，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：
一种非对称U形带波形开孔钢板阻尼器，其特征在于：该金属阻尼器由两个水平对向 布置的U形耗能件、两块开孔钢板、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；两个U形耗能件尺寸除厚度外均相同，厚度比为1.2～2；U形耗能件 与开孔钢板之间采用焊接，与上下盖板之间则通过高强螺栓连接；该金属阻尼器基于多重 保险机制、耗能元件可更换、提高抗剪承载力、抑制面外屈曲、多种剪切耗能机制协同工 作等设计理念提出，各个部件所选用的材料屈服强度不同，并且对U形耗能件进行了非对 称设计，旨在实现在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开孔钢板剪切耗能机制协同工作共同耗能，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，克服了传统金属阻尼器屈服点集中的弊 端；同时U形耗能单元与上下盖板通过高强螺栓连接，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。
开孔钢板上端为波形板，可以保证阻尼器基本不承担竖向力，耗能性能稳定；波折板 和开孔钢板的高度比在1:4～1:3之间；开孔钢板屈服时，由于开孔设计使同一截面处钢板 不连续，钢板可多位置屈服，提高阻尼器的耗能能力；合理开孔的钢板较普通钢板面外稳 定性更好；开孔钢板的开孔形状、开孔率可根据实际需求而变化，从而设计出在一定强度 下，不同刚度的阻尼器；开孔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；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。
本专利的优点主要表现在以下几个方面：
(1)多重保险机制耗能。阻尼器各部件所选用的材料屈服强度不同，且对U形耗能件进行了非对称设计，可以实现多重保险机制耗能，克服了传统金属阻尼器屈服点集中的弊端，在不同地震强度下减少主体结构耗能。
(2)受力机理明确。开孔钢板上端为波形板，其余部分为开孔平板，可以保证阻尼器基本不承担竖向力，以纯剪为主。
(3)多位置屈服。开孔钢板屈服时，由于开孔设计使同一截面处钢板不连续，钢板可多位置屈服，提高阻尼器抗剪承载力和耗能能力；开孔钢板的开孔形状、开孔率可根据实际需求而变化，从而设计出在一定强度下，不同刚度的阻尼器。
(4)多种剪切耗能机制协同工作。U形剪切耗能机制和开孔钢板剪切耗能机制共同耗 散地震能。
(5)开孔钢板与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。
(6)耗能部件可更换。U形耗能单元和上下盖板通过高强螺栓连接，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；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。
附图说明
图1为一种非对称U形带波形开孔钢板阻尼器的三维图；
图2为一种非对称U形带波形开孔钢板阻尼器的拆分图；
图3为一种非对称U形带波形开孔钢板阻尼器的正视图；
图4为一种非对称U形带波形开孔钢板阻尼器的开孔钢板示意图；
图5为一种非对称U形带波形开孔钢板阻尼器的U形耗能件结构示意图；
图6为一种非对称U形带波形开孔钢板阻尼器的开孔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，一种非对称U形带波形开孔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——开孔钢板；
5——高强螺栓；
6——上盖板；
7——下盖板；
如图1～6所示，一种非对称U形带波形开孔钢板阻尼器，其特征在于：该金属阻尼器由由两个水平对向布置的U形耗能件(1)、两块开孔钢板(4)、和上盖板(6)和下两 块盖板(7)组成；U形耗能件(1)由一圆弧段(2)和两平直段(3)组成，对向布置的 两U形耗能件厚度和圆弧段半径不同，如图5(a)、(b)所示；U形耗能部件(1)通过高 强螺栓(5)与上盖板(6)和下盖板(7)连接；所述开孔钢板(4)熔透焊接于U形耗能 件(1)平直段上，其中开孔钢板中轴线与平直段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)

1.一种非对称U形带波形开孔钢板阻尼器，其特征在于：该阻尼器由两个水平对向布置的U形耗能件、两块开孔钢板、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；两个U形耗能件沿水平方向开口对向布置，两个U形耗能件尺寸除厚度外均相同，厚度比为1.2～2；开孔钢板上端为波折板，波折板和开孔钢板的高度比在1:4～1:3之间；U形耗能件和开孔钢板焊接形成U形耗能单元，需确保开孔钢板的竖向中轴线和U形耗能件平直段的水平中轴线在同一平面内；U形耗能单元与上下盖板通过高强螺栓连接为一体；开孔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所述的一种非对称U形带波形开孔钢板阻尼器，其特征在于：所述的阻尼器用安装在隔震支座中；或者安装在两栋建筑之间。
3.根据权利要求1所述的一种非对称U形带波形开孔钢板阻尼器，其特征在于：所述的开孔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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