CN1124995A - 用于大型建筑物的移动阻尼器 - Google Patents

Abstract

一种阻尼器，设置于两个构件之间，用于阻尼两个构件之间发生的移动，包括：一细长的外管装置，其连接于所述构件之一，一装在所述外管装置中的可塑性变形的能量吸收材料的体，和连接于另一所述构件的轴，轴在整个长度上有变化的形状，在发生运动时，轴被挤压通过能量吸收材料。

Description

用于大型建筑物的移动阻尼器

本发明涉及一种阻尼器，即通常所说的挤压阻尼器，用于减小在各种建筑物和设备中所产生的移动或位移的影响。

本发明的阻尼器可用于大型的建筑物，例如桥梁或大厦中，以减小在地震或强风时所引起的移动的影响。其也可以用于阻尼大型或小型可移动物体的移动。其也可以用于阻尼工业机械或发动机等的移动，或阻尼民用装置例如洗衣机的移动，或其他任何需要阻尼移动，振动等等的场合。其也可以用于阻尼由于热膨胀所引起的位移。本发明的挤压阻尼器有各种应用。

已知作为挤压阻尼器的装置，其利用某些材料的弹性和塑性变形来吸收能量。美国专利NO.3,833,093描述了一种挤压阻尼器，其包括一种能量吸收材料，它们封闭在通常为一圆柱体的细长外管和能在外管中纵向移动的轴之间。吸收材料通常为铅，而外管和轴通常由钢构成。外管和轴的两端连接于一个建筑物的两个部件之间，两个部件在地震或所产生的其他移动时会相对运动。对这种装置和有关装置的全面描述可参见“地震隔绝介绍”，R.I.Skinner，W.H.Robinson和G.H.Mcverry，1993。

由于几种原因，铅是最好的可变形能量吸收材料。首先，它在大约10.5MPa的室温剪应力下屈服，这与其他的金属和等效的塑性材料相比是低的。第二，随着屈服变形，通过再结晶和相关的过程，其能较快地恢复机械特性，而能在常温的周期剪应力下提供良好的抗加工硬化性。第三，铅能容易达到所需的纯度而表现出它的特性。

实际上，这种阻尼器都是单独地设计，通过阻尼作用在其上的某种运动来保护特定的建筑物，防止其被破坏。它们的特性相当接近于理想的库伦(Coulomb)阻尼器，具有大致矩形的力—位移滞后回线，并实际上有一独立于宽的频率范围的比率。对这种装置的性能的研究还在继续。

本发明的目的是改进这种用于地震隔绝和其他场合的阻尼器的性能。

本发明提供了一种阻尼器，设置于两个构件之间，用于阻尼两个构件之间发生的移动，包括：一细长的外管装置，其连接于所述构件之一，一装在所述外管装置中的可塑性变形的能量吸收材料的体，和连接于另一所述构件的轴，轴在整个长度上有变化的形状，在发生运动时，轴被挤压通过能量吸收材料。

在本发明的阻尼器的一种形式中，轴在一组直径加大的部分之间交错地具有一组直径减小的部分。

在本发明阻尼器的另一种形式中，轴有大致恒定的截面，其在轴长的至少一部分上周期地偏离轴的中轴线，而使轴在其长度上呈正弦曲线形状，或其他有规则或不规则振幅或波长的“波”形。

在本发明阻尼器的另一种形式中，轴有一椭圆形截面，其在轴长的至少一部分上绕轴的中轴线周期地转动，以使轴呈螺旋形或螺线形。

轴可以直接与能量吸收材料接触，或通过一组嵌入能量吸收材料并围绕轴的相邻平行板与之接触，当轴运动时，板被迫使横向于轴运动的方向相互运动，并穿过能量吸收材料。

最好能量吸收材料的体受到一至少接近于能量吸收材料的剪切屈服应力的流体静压力。最好芯体受到一超过能量吸收材料的剪切屈服应力的流体静压力。最好流体静压力是5MPa或更多，最好为10—100MPa的范围内。

能量吸收材料最好是铅，但其他的能量吸收材料也可以应用，例如铅合金，在例如大约200℃高温的铝，锡，锌，铜，铁，超塑合金，或其他有低加工硬化率的任何材料，也包括密集填充的颗粒材料，如钢珠，玻璃珠，氧化铝，硅土，碳化硅或其他很硬的颗粒材料。

本发明的阻尼器可用于隔绝地震的场合，以阻尼大型建筑物如桥梁或大厦中由地震引起的移动，和由强风等等引起的振动。它们也可以用于其他需要阻尼运动和震动的场合。例如，本发明的阻尼器可用于发动机或其他工业机械的运动阻尼。在民用中，本发明的阻尼器可以用于洗衣机，旋转干燥机，或洗盘机，以隔离震动。本发明的小型阻尼器也可用作敏感的电气设备——例如录相机机构等——的“微型隔离器”，以及其他的类似场合。可以设想本发明的挤压阻尼器有许多种应用，而不仅限于地震隔绝阻尼器。

下面通过实施例并参照附图对本发明进行描述。

图1是本发明的阻尼器一种形式的透视图；

图2是图1中阻尼器的纵剖视图；

图3显示了与图1和2相似的本发明阻尼器另一种形式的纵剖视图；

图4也显示了与图1和2相似的本发明阻尼器的另一种形式的纵剖视图；

图5也显示了与图1和2相似的本发明阻尼器的又一种形式的纵剖视图；

图6显示了本发明阻尼器又一种形式的纵剖视图；

图7显示了本发明类似图6的阻尼器的又一种形式的纵剖视图；

图8显示了本发明类似图6的阻尼器的又一种形式的纵剖视图；

图9和图10是莫尔圆结构图，下面将通过本发明的阻尼器对其进一步描述；

图11是轴的位移相对于时间的曲线图，示出了对图1—2中类型的挤压阻尼器的试验情况；

图12是图1—2所示类型阻尼器的负载阻力对时间的曲线图，其承受了图11中的位移循环；

图13是图11的试验循环中负载阻力对位移的曲线图，显示了对顺序循环的顺序滞后回线。

图1—5所示的阻尼器各包括一外管1，其通常由钢构成，并可以是图示的圆柱形，但也可以是其他的截面形状，例如椭圆形。在各种情况下，轴2可以在箭头A的方向通过外管1纵向运动。轴在外管1中不一定要对中定位，而是可以稍微偏置。轴通常也由钢构成。

根据本发明，轴2在其长度上有一变化的形状。在图2的阻尼器中，轴有一正弦曲线的形状，即，轴有一周期地偏离其中轴线的基本恒定的截面。轴在任一点的截面形状最好是方形，或矩形，但也可是其他形状，例如圆形，或椭圆形。

在图1—5的阻尼器中，一系列相邻的平行板4围绕轴。各板4的整体形状是圆形的，在轴有方形或矩形截面的情况下，板4有一位于中心的能使轴通过的方形或矩形孔。板可以是椭圆形的或其他形状，对于圆形的或椭圆形的轴，可以有圆形或椭圆形的孔。板4可以是钢的，或玻璃的，或其他金属的。在各相邻板4之间最好有一O形环(未示)。O形环位于一个板表面的环形槽中，并与相邻板的相对的光滑表面接触，以致当板相对滑动时，O形环在两个板之间形成密封。外管1和围绕轴的板4之间的空间充填以可塑性变形的能量吸收材料，例如铅3，使板能嵌入铅中。在阻尼器两端的板4靠在形成了外管一部分的端板1a上滑动。外管1两端的端板1a通过螺栓6而固定在位，如图所示。

图1显示了阻尼器的外部，而图2—5显示了阻尼器的结构变化的纵剖面，这要在后面描述。

在使用中，阻尼器的外管1通过一适当的机械连接件连接于建筑物或其他结构物的一个构件，而轴2通过其端部2b连接于另一构件，该构件能在发生移动时相对第一构件运动。在用于隔绝地震的场合，在发生例如地震的移动时，轴2被迫使通过阻尼器。当正弦波形的轴通过一组嵌入铅3中的板4时，将引起各板4在横向于轴运动的方向相互运动，并穿过铅。随着轴的运动，板叠将被挤压而横向于铅前后摆动。通过动能转换为塑性变形能和热量，并在再结晶和其他自然产生的恢复过程中进一步转换为热量，从而产生阻尼作用。

图3显示了与图2类似的阻尼器，只是正弦波形轴2的波幅朝轴端变大，即，轴离开中轴线的截面的位移从轴中部向两端增加。用这种阻尼器，其负载阻力向轴运动的两端变大。反之，抵抗轴运动的负载阻力在轴位移的中部较低，在阻尼器提供一些最初的阻尼作用之前，这有效地减少了所要施加在阻尼器上的力的极值，而阻尼作用随轴运动的增加而增加，例如在一强地震的情况。

在图4的阻尼器中，轴2截面离开中轴线的位移的频率向轴端变大。这将有基本同样的作用：在轴运动的两端相对增加阻尼器提供的负载阻力，或另一方面，能将轴设计为可降低轴的初始运动所要求的力极值。在该图和所有附图中，为了图示，轴的波形的振幅被夸大了。

在本发明的另一种阻尼器中，轴也可以同时向两端增加其截面离开中轴线位移的振幅和频率，即，结合了图3和图4的轴的特点。

在图5所示的阻尼器中，轴2不是一矩形的波纹状轴，而是一螺旋形或螺线形旋转的形状，即，轴有一绕中轴线周期旋转的椭圆形截面。当发生移动而迫使轴3运动时，就引起板4在铅中摆动，而产生阻尼作用。

这种采用了一组板4的阻尼器，轴2可以容易地取出，和用有不同特性的轴替换。例如对于有特殊要求的阻尼特性，一个技术人员可以确定一特定的轴的设计，使其“复活”。因为轴不直接与铅3接触，轴可以有较长的使用寿命。

在图2—5的阻尼器中，轴2通过一组嵌入铅中的相邻平行板4与铅接触，但这不是必需的。如上所述的波纹形或螺旋形或其他形状的轴可以直接与铅接触，即，没有任何轴从中通过的板4嵌入铅3中。图6显示了本发明的另一阻尼器，其有一不规则形状的轴2，在本例中，轴在其整个长度上有一变化的直径。在图6的阻尼器中，轴2直接与铅3接触。铅完全充满外管1内部，环绕轴2。在外管1的两端有膨胀端部密封8例如迷宫式密封，其被外管1的端板1a固定在位。在用于地震隔绝的场合，当地震引起移动时，轴2被强迫通过铅3，而引起阻尼作用。

轴2也可形成为双头或双付轴的转动椭圆形，或有三角形或槽形的变化。但最好轴的形状能在任何时候在铅中保持一恒定的轴体积，以致在轴运动时，铅能在阻尼器中有效地运动，而使阻尼器不致压缩铅。

在本发明的阻尼器中，在一个至少接近和最好超过材料剪切屈服应力的流体静压力下可以任意地对能量吸收材料例如铅进行预加应力，以致材料总是处于压缩状态。可采用5MPa或更多，典型地10MPa至30MPa的铅压力，但已发现高达100MPa或更高的铅压力是有效的。

通过图9和10所示的莫尔圆结构可以简要地说明流体静压力的作用，其能使应力的适当的张量描述用二维空间表示。施加于物体的流体静压力然后被限定为作用在其上的三个主应力总量的三分之一。在图9中，流体静压力为0，主拉应力σ_X，主压应力σ_Y，和最大剪应力σ’_XY在量级上都是相等的。在图10中，已施加了一与剪应力σ’_XY相等的流体静压力P。最大拉应力为0，以致物体总是处于压缩。所以，物体受拉时不能破坏。

可采用将流体静压力施加在铅(或其他能量吸收材料)上的各种不同的布置。在外管中能量吸收材料3的一或两端可设置弹性材料例如橡胶的衬垫或圆盘，或一弹簧钢的圆盘。外管的端盖1a可以设计成当端盖被装上和拧紧时，它们能直接与铅接触，并在铅上施加所需的流体静压力。在端盖上拧紧，或在多处拧紧管塞，或用液压驱动管塞，以在不同位置接触铅以施加压力等等都可以采用。在图8中，用一弹性材料例如强化橡胶完全包上能量吸收材料，以对其施加流体静压力。

在图7中，用一碳纤维的环形织物，青铜，或弹性材料如强化橡胶制的套管10包住轴2。套管10外部和铅3之间最好被润滑。在图8中，一类似的外壳11完全包围能量吸收材料。

在各种情况下，能量吸收材料3可以直接浇铸在外壳1中而围绕轴。在图7和图8的实施例中，在绕轴浇铸后，套管10或外壳11可以绕铅体伸展，然后将轴和铅压配合入外管1。

所上所述，阻尼器的整个截面形状，可以是圆柱形，也可以是椭圆形，方形，矩形，或其他任何所需的形状。

轴和阻尼器的其他部分可以任意地覆盖聚四氟乙烯，瓷料，氮化钛，硬陶材料，玻璃等等。

在阻尼器的装配时，最好将部件覆以高温/高压润滑脂或其他润滑脂。

本发明的阻尼器的下面的试验可以进一步说明本发明。

试验：

所用的阻尼器包括一内径150mm的圆柱形钢制外管，内长312mm。轴是33mm×35mm方截面的正弦波形轴。各正弦波有一42.85mm的波长，和一±2mm的波振幅，它们在轴的全长上是恒定的。轴穿过102.5mm直径和10mm厚的31个圆形钢板的中心。将纯度99.9％的铅浇铸在外管和板之间的位置，围绕外管中的轴。在组装之前，轴和所有板覆盖以高压润滑剂。当外管的端盖被拧到底时，铅受到一大约30MPa的流体静压力。一Instron试验机以200mm/min的最大滑块速度和250KN的最大力使阻尼器受到±195mm位移的轴运动循环。全部装置长度少于轴的行程长度。结果由一数据记录器直接记录在与Inston相连的曲线记录器上。图9显示了轴相对于时间的位移。图10显示了阻尼器相对于时间的负荷阻力。图11显示了阻尼器相对于位移的负荷阻力，对于连续的循环显示了连续的滞后回线。在延伸试验之后，阻尼力和每个循环吸收的能量仍在原始值的20％之内。在延伸试验完成之后，将阻尼器从试验台上取下并拆卸。用肉眼检测铅，发现其处于良好状态。

本发明可有许多变型，都在本发明的精神范围之中。

Claims (17)

1.一种阻尼器，设置于两个构件之间，用于阻尼两个构件之间发生的移动，包括：一细长的外管装置，其连接于所述构件之一，一装在所述外管装置中的可塑性变形的能量吸收材料的体，和连接于另一所述构件的轴，轴在整个长度上有变化的形状，在发生运动时，轴被挤压通过能量吸收材料。

2.如权利要求1所述的阻尼器，其特征在于：轴包括一组直径减小的部分，并交替地包括一组直径增加的部分。

3.如权利要求1所述的阻尼器，其特征在于：轴有一基本恒定的截面，在轴长度的至少一个部分上，截面周期地偏离轴的中轴线。

4.如权利要求3所述的阻尼器，其特征在于：轴有一基本恒定的截面，在轴长度的至少一个部分上，截面基本呈正弦曲线地偏离轴的中轴线。

5.如权利要求3和4中之一所述的阻尼器，其特征在于：轴截面离开其中轴线的位移向轴的端部变大。

6.如权利要求3和4中之一所述的阻尼器，其特征在于：轴截面离开其中轴线的位移的频率向轴的端部变大。

7.如权利要求3所述的阻尼器，其特征在于：轴有一椭圆形截面，其在轴长度的至少一部分上周期地绕轴的中轴线转动。

8.如权利要求3—7中任一所述的阻尼器，其特征在于：轴的截面形状是圆形的或椭圆形的。

9.如权利要求1所述的阻尼器，其特征在于：轴在其长度的至少一部分上是螺旋形的。

10.如权利要求3—9中任一所述的阻尼器，其特征在于：轴通过一组相邻的平行板与能量吸收材料接触，板嵌入能量吸收材料中并围绕轴，当发生移动而轴被挤压而运动通过外管时，板被迫使横向于轴运动的方向相互相对运动，并穿入能量吸收材料。

11.如权利要求1—10中任一所述的阻尼器，其特征在于：在外管中的能量吸收材料的体受到一至少接近于能量吸收材料的剪切屈服应力的流体静压力。

12.如权利要求11所述的阻尼器，其特征在于：能量吸收材料的体受到一超过能量吸收材料的剪切屈服应力的流体静压力。

13.如权利要求11所述的阻尼器，其特征在于：能量吸收材料的体受到一10MPa或更大的流体静压力。

14.如权利要求11所述的阻尼器，其特征在于：能量吸收材料的体受到一超过20MPa的流体静压力。

15.如权利要求1—14中任一所述的阻尼器，其特征在于：能量吸收材料由铅构成。

16.如权利要求2所述的阻尼器，其特征在于：轴覆盖以聚四氟乙烯，瓷料，氮化钛，或其他陶磁材料，或玻璃。

17.一种前面描述的并参照附图的阻尼器。

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