CN112176854B - 一种水平多维响应放大型剪切耗能减震装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水平多维响应放大型剪切耗能减震装置，主要应用于桥梁结构的耗能减震，属于结构振动控制技术领域。所述装置包括顶板、底板、中空圆台、高强螺栓、球面环、“葫芦型”转动球体、杠杆臂、球面铁板、粘弹性耗能材料、弹簧螺栓、上部结构。本装置通过“葫芦型”转动球体的全向转动能力，使装置在随机的、方向不可预测的多向地震作用下，依然能够利用主变形方向粘弹性材料的剪切滞回耗能特性进行耗能，从而提供多向有效阻尼。同时，该装置通过杠杆球铰转动机构将桥梁结构墩梁的相对位移放大，保证装置在大、中、小震作用下都能发挥良好的耗能能力。本发明构造明确、适用性强，是一种安全、高效的耗能减震装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于土木工程的水平多维响应放大型剪切耗能减震装置，属于结构振动控制技术领域，特别涉及一种桥梁结构梁底耗能减震构件的水平多维响应放大型剪切耗能减震装置。
背景技术
地球上发生的多次地震对交通基础设施产生了巨大的危害，如1994年美国的北岭地震，1995年的日本阪神地震，2008年中国汶川大地震以及2011年日本“3·11”大地震，这几次地震震害的一个共同特征是震区的桥梁结构遭到了严重的破坏，切断了震区的对外交通，造成孤岛现象，给震后的救灾工作造成巨大困难，导致次生灾害经济损失特别巨大。因此，桥梁抗震性能的提高一直是科研人员关注的焦点。
减震设计是一种简便、经济、高效的工程抗震手段，通过耗能减震装置耗散地震能量来实现减震的目的。在过去二十年中，耗能减震技术在世界范围内引起广泛关注，在理论研究和工程应用中取得了长足的进步，但是，国内外学者对于耗能减震装置的研究大都限于单一方向有效，因为地震作用具有随机性，所以在地震作用下结构构件之间的相对变形方向也具有不确定性，故进一步研发多向减震有效的耗能减震装置更加具有实际意义。
耗能减震装置根据工作原理分为以下两类：滞回衰减型(又称位移相关型)：软钢阻尼器、铅阻尼器、摩擦阻尼器、SMA阻尼器等，主要利用变形滞回消耗能量；粘性衰减型(又称速度相关型)：粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器等，主要利用与速度有关的粘性体的抵抗作用。但是上述位移或速度相关型耗能减震装置在工作时与连接点的相对速度和位移相等，如果相对速度和位移比较小，上述装置的耗能效果十分有限，难以达到预定的功能目标。
因此，如何提供一种多向有效、耗能作用充分发挥的耗能减振装置，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种水平多维响应放大型剪切耗能减震装置，其目的是实现在实际随机地震作用下提供多向有效阻尼的能力，同时可以将外荷载作用下所连接构件之间产生的相对较小变形根据需要进行放大，利用粘弹性材料(如橡胶等)的剪切变形实现高效耗能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种水平多维响应放大型剪切耗能减震装置，包括顶板1、底板2、上中空圆台3、高强螺栓A4、球面环A5、球面环B6、“葫芦型”转动球体7、高强螺栓B8、上杠杆臂9、球面铁板A10、上粘弹性剪切耗能材料11、球面环C12、球面环D13、下杠杆臂14、下中空圆台15、球面铁板B16、下粘弹性剪切耗能材料17、弹簧螺栓18、上部结构19。
所述顶板1与上中空圆台3通过八个高强螺栓A4连接，上中空圆台3的下端与球面环A5通过焊接连接；所述球面环A5与球面环B6之间装有“葫芦型”转动球体7，二者通过八个高强螺栓B8锁紧固定；所述“葫芦型”转动球体7设置有上螺栓孔腔和下螺栓孔腔，“葫芦型”转动球体7通过上螺栓孔腔与上杠杆臂9的下端连接；所述上杠杆臂9的上端通过球面铁板A10上的螺栓孔腔与球面铁板A10连接固定，所述球面铁板A10与上粘弹性剪切耗能材料11通过粘合剂连接固定；所述顶板1内表面的凹球面部分设置有球面凹槽，上粘弹性剪切耗能材料11嵌入到球面凹槽中；所述“葫芦型”转动球体7的下部设置在球面环C12和球面环D13之间，通过下螺栓孔腔与下杠杆臂14的上端连接；所述球面环C12和球面环D13通过八个高强螺栓B8锁紧固定，同时球面环D13与下中空圆台15焊接连接；所述下杠杆臂14的下端与球面铁板B16通过螺栓孔腔连接，球面铁板B16与下粘弹性剪切耗能材料17通过粘合剂连接固定；所述底板2内表面的凹球面部分设置有球面凹槽，下粘弹性剪切耗能材料17嵌入到球面凹槽中，底板2与下中空圆台15通过八个高强螺栓A4连接；
其中，所述的球面环B6由左球面环B6和右球面环B6两部分拼接构成，所述球面环C12由左球面环C12和右球面环C12两部分拼接构成；所述球面环A5和球面环D13的材料、外形和尺寸相同，所述球面环B6和球面环C12的材料、外形和尺寸相同；上杠杆臂9和下杠杆臂14的两端均设置有螺纹；顶板1通过四个弹簧螺栓18与上部结构19连接，上部结构19与桥面板固接，所述底板2通过四个高强螺栓与桥梁结构的桥墩或桥台连接。
当建筑结构带动顶板1做水平运动时，通过装置的杠杆球铰转动机构将位移响应放大，并传递到上杠杆臂9的上端和下杠杆臂14的下端，分别带动相连接的粘弹性耗能材料产生变形，往复错动过程中，依靠粘弹性材料的剪切滞回耗能特性，给结构提供附加刚度和阻尼，从而减小结构的动力反应，以实现减震的目的。
由杠杆和双球铰组成的杠杆球铰转动机构不仅将位移响应放大b/a倍后传递到上杠杆臂9的上端，而且将位移响应放大c/a倍后传递到下杠杆臂14的下端，从而增加剪切耗能材料之间的相对位移量，提高阻尼器的耗能能力；其中，a为“葫芦型”转动球体7的下部球心至上部球心的距离；b为“葫芦型”转动球体7的下部球心至上杠杆臂9上端的距离；c为“葫芦型”转动球体7的下部球心至下杠杆臂14下端的距离。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
1、本发明可提供多向有效阻尼，适应不同方向地震作用的耗能要求。本发明的“双圆台型”构造体系具有旋转对称性，使得该装置在平面内的各向力学性能相同，即具有各向耗能能力，实现了在随机的、方向不确定的地震作用下提供多维有效阻尼的功能目标。
2、本发明具备响应放大技术，利用杠杆原理将桥梁结构墩梁相对位移进行放大，进而使串联耗能材料的位移、速度等响应放大，保证了在中、小震作用下发挥良好的耗能能力；同时，在大震作用下，由于耗能材料的作用被放大，耗能效果增加，从而可以减少阻尼器的数量，减小工程成本，取得较好的经济效益。
3、本发明的耗能放大倍数可根据结构构件的实际情况进行调整，通过改变杠杆力臂比调整耗能放大倍数，达到调节耗能效果的目的。
4、本发明所用粘弹性剪切耗能材料的滞回曲线呈平滑的椭圆形，具备良好的空间变形能力和稳定耗能能力，并可通过改变其剪切面积方便地改变阻尼参数。
5、本发明采用的“双圆台型”构造体系稳定性好，具有较好的抗滑移、抗倾覆能力。
6、本发明构造明确、安全可靠、适用性强，取材方便、施工便捷、便于工厂化生产，通过合理的力学设计，拥有高效的耗能能力与结构性能，具有广阔的应用前景和推广市场。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种水平多维响应放大型剪切耗能减震装置三维构造示意图；
图2为本发明实施例提供的一种水平多维响应放大型剪切耗能减震装置的A-A截面剖视图；
图3为本发明实施例提供的一种水平多维响应放大型剪切耗能减震装置的B-B截面剖视图；
图4为本发明实施例提供的一种水平多维响应放大型剪切耗能减震装置的变形演示示意图；
图5为本发明水平多维响应放大型剪切耗能减震装置应用于桥梁结构的一种安装位置示意图；
图6为本发明水平多维响应放大型剪切耗能减震装置应用于桥梁结构的另一种安装位置示意图。
图中：1顶板；2底板；3上中空圆台；4高强螺栓A；5球面环A；6球面环B，6-1左球面环B，6-2右球面环B；7“葫芦型”转动球体，上螺栓孔腔7-1，下螺栓孔腔7-2；8高强螺栓B；9上杠杆臂；10球面铁板A，螺栓孔腔10-1；11上粘弹性剪切耗能材料；12球面环C，12-1左球面环C，12-2右球面环C；13球面环D；14下杠杆臂；15下中空圆台；16球面铁板B；17下粘弹性剪切耗能材料；18弹簧螺栓；19上部结构。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
方向描述，以顶板1侧为上侧，底板2侧为下侧。
如图1～3所示，本发明提供的一种水平多维响应放大型剪切耗能减震装置的一个实施例，包括上下相向设置的顶板1和底板2，所述顶板1和底板2的内表面中间部分为凹球面；顶板1与上中空圆台3通过八个高强螺栓A4连接；上中空圆台3的下端与球面环A5通过焊接连接；球面环A5与球面环B6之间装有“葫芦型”转动球体7，球面环A5和球面环B6经由八个高强螺栓B8锁紧固定；“葫芦型”转动球体7设置有上螺栓孔腔7-1和下螺栓孔腔7-2，“葫芦型”转动球体7通过上螺栓孔腔7-1与上杠杆臂9的下端连接；上杠杆臂9的两端均设置有螺纹，上杠杆臂9的下端旋转插入上螺栓孔腔7-1锁紧固定，上杠杆臂9的上端通过球面铁板A10上的螺栓孔腔10-1与球面铁板A10连接固定，球面铁板A10与上粘弹性剪切耗能材料11通过粘合剂连接固定；顶板1内表面的凹球面部分设置有球面凹槽1-1，上粘弹性剪切耗能材料11嵌入到球面凹槽1-1中。“葫芦型”转动球体7的下部设置在球面环C12和球面环D13之间，“葫芦型”转动球体7通过下螺栓孔腔7-2与下杠杆臂14的上端连接；球面环C12和球面环D13经由八个高强螺栓B8锁紧固定，同时球面环D13与下中空圆台15焊接连接；下杠杆臂14的两端均设置有螺纹，下杠杆臂14的上端旋转插入下螺栓孔腔7-2锁紧固定，下杠杆臂14的下端通过球面铁板B16上的螺栓孔腔16-1与球面铁板B16连接固定，球面铁板B16下表面与粘弹性剪切耗能材料17通过粘合剂连接固定；底板2内表面的凹球面部分设置有球面凹槽2-1，下粘弹性剪切耗能材料17嵌入到球面凹槽2-1中，底板2与下中空圆台15通过八个高强螺栓A4连接。
其中，所述球面环B6由左球面环B6-1和右球面环B6-2两部分拼接构成，所述球面环C12由左球面环C12-1和右球面环C12-2两部分拼接构成；所述球面环A5和球面环D13的材料、外形和尺寸相同,所述球面环B6和球面环C12的材料、外形和尺寸相同；所述顶板1通过四个弹簧螺栓18与上部结构19连接，上部结构19与桥面板固接，所述底板2通过四个高强螺栓与桥梁结构的桥墩或桥台连接；所述上粘弹性剪切耗能材料11和下粘弹性剪切耗能材料17均为块状球面结构；所述顶板1、底板2、上中空圆台3、球面环A5、球面环B6、“葫芦型”转动球体7、上杠杆臂9、球面铁板A10、球面环C12、球面环D13、下杠杆臂14、下中空圆台15、球面铁板B16和上部结构19均采用强度较大的碳素结构钢铸造而成。
如图4所示，本发明使用时，在随机地震作用下，该减震装置顶板1和底板2水平向发生错动，当顶板1和底板2发生相对位移为x时，产生的转角为θ，杠杆球铰转动机构不仅将位移响应放大b/a倍后传递到上杠杆臂9的上末端，而且将位移响应放大c/a倍后传递到下杠杆臂14的下末端，上杠杆臂9的上末端与下杠杆臂14的下末端分别带动相粘结的粘弹性耗能材料产生变形，往复错动过程中，依靠粘弹性材料的剪切滞回耗能特性，给结构提供附加刚度和阻尼，这样来减小结构的动力反应，以实现减震的目的。其中，“葫芦型”转动球体7的下球心至上球心的距离为a，下球心至上杠杆臂9的上端的距离为b，下球心至下杠杆臂14的下末端的距离为c。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (2)
1.一种水平多维响应放大型剪切耗能减震装置，其特征在于，该水平多维响应放大型剪切耗能减震装置包括顶板（1）、底板（2）、上中空圆台（3）、球面环A（5）、球面环B（6）、“葫芦型”转动球体（7）、上杠杆臂（9）、球面铁板A（10）、上粘弹性剪切耗能材料（11）、球面环C（12）、球面环D（13）、下杠杆臂（14）、下中空圆台（15）、球面铁板B（16）、下粘弹性剪切耗能材料（17）、弹簧螺栓（18）和上部结构（19）；
所述顶板（1）与上中空圆台（3）的上端通过高强螺栓连接，上中空圆台（3）的下端与球面环A（5）焊接；所述球面环A（5）与球面环B（6）间装有“葫芦型”转动球体（7）的上部球体，三者通过高强螺栓锁紧固定；所述“葫芦型”转动球体（7）设置有上螺栓孔腔和下螺栓孔腔，“葫芦型”转动球体（7）通过上螺栓孔腔与上杠杆臂（9）的下端连接；所述上杠杆臂（9）的上端通过球面铁板A（10）上的螺栓孔腔与球面铁板A（10）连接，所述球面铁板A（10）与上粘弹性剪切耗能材料（11）通过粘合剂连接固定；所述顶板（1）内表面的凹球面部分设置有球面凹槽，上粘弹性剪切耗能材料（11）嵌入到球面凹槽中；所述底板（2）与下中空圆台（15）通过高强螺栓连接，下中空圆台（15）与球面环D（13）焊接；球面环C（12）和球面环D（13）间装有“葫芦型”转动球体（7）的下部球体，三者通过高强螺栓锁紧固定；所述“葫芦型”转动球体（7）通过下螺栓孔腔与下杠杆臂（14）的上端连接；所述下杠杆臂（14）的下端与球面铁板B（16）通过螺栓孔腔连接，球面铁板B（16）与下粘弹性剪切耗能材料（17）通过粘合剂连接固定；所述底板（2）内表面的凹球面部分设置有球面凹槽，下粘弹性剪切耗能材料（17）嵌入到球面凹槽中；
所述上杠杆臂（9）和下杠杆臂（14）的两端均设置有螺纹；顶板（1）通过弹簧螺栓（18）与上部结构（19）连接，上部结构（19）与桥面板固接，底板（2）通过高强螺栓与桥梁结构的桥墩或桥台连接；
由杠杆和双球铰组成的杠杆球铰转动机构不仅将位移响应放大b/a倍后传递到上杠杆臂（9）的上端，而且将位移响应放大c/a倍后传递到下杠杆臂（14）的下端，从而增加剪切耗能材料之间的相对位移量，提高阻尼器的耗能能力；其中，a为“葫芦型”转动球体（7）的下部球心至上部球心的距离；b为“葫芦型”转动球体（7）的上部球心至上杠杆臂（9）上端的距离；c为“葫芦型”转动球体（7）的下部球心至下杠杆臂（14）下端的距离。
2.根据权利要求1所述的水平多维响应放大型剪切耗能减震装置，其特征在于，所述球面环B（6）由左球面环和右球面环两部分拼接构成，所述球面环C（12）由左球面环和右球面环两部分拼接构成；所述球面环A（5）和球面环D（13）的材料、外形和尺寸相同，所述球面环B（6）和球面环C（12）的材料、外形和尺寸相同。
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