CN112538906B - 一种纯弯矩屈服阻尼器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纯弯矩屈服阻尼器装置，包括支撑架连接口、耗能板、托板、导向槽、剪力键、滚动支座、侧向约束砌体；本发明的纯弯矩屈服阻尼器装置，压力分布均匀，延展部位耗能板产生纯弯矩，延展度高，有效避免了延展部位采用焊接的固定连接方式使用时易产生轴向力，造成局部塑性铰、焊接处的延展度降低；提高了装置的耗能性能，吸能减震性能高，耗能效果佳；制作成本低，运行及后期维护费低，严重地震灾害后维修更换费用低，应用性好。

Description

一种纯弯矩屈服阻尼器装置

技术领域

本发明涉及机械建筑技术领域，尤其涉及一种纯弯矩屈服阻尼器装置。

背景技术

近年来，抗侧力系统应用越来越广泛，侧力是针对整个建筑结构而言是作用在建筑结构上的水平力，例如：风力、地震力。抗侧力系统就是指承载这些水平力的系统。抗侧力系统中广泛使用结构减震控制系统。现有的结构减震控制系统主要为三类：主动控制系统、被动控制系统、混合控制系统。主动控制系统利用多个传感器、处理系统、外部能源，使结构合理地响应地面激励；被动控制系统是指当遇到侧力时系统装置被动的做出相应，被动控制系统包括基础隔震和阻尼器减震两种。其中的阻尼器减震，尤其是采用屈服耗能器减震，是现今广泛应用于被动结构减震控制系统中。目前，屈服耗能器根据在耗能器可延展部造成屈服的主要内力来区分，主要包括轴向型耗能器、剪切型耗能器、扭矩型耗能器、弯矩型耗能器。

轴向型阻尼耗能器主要需要解决的两个难题是产生屈服的材料所需要的高屈服强度以及其最大轴向应变，通过屈曲约束支撑、轴向力记忆合金、轴向钢板屈服件实现进行轴向力屈服。剪切型阻尼耗能器核心工作构件为剪切板和剪切连接件，剪切型阻尼耗能器的主要缺点包括屈服力高、产生剪切性屈曲、压力集中在焊接连接的刚性构件周围。扭矩型耗能器将剪切力和扭矩结合避免在内部形成完全屈服，减少引力。

弯矩型耗能器中的弯矩金属屈服型耗能器可简易制造屈服，在各处厚度均匀地分布，避免刚度突变退化，一直备受青睐。现有公开的弯矩型耗能器包括X型弯矩耗能板、三角形弯矩耗能板、菱形弯矩耗能板、存在裂缝的耗能器的弯矩柱、U型曲线耗能板、J型耗能板、弯曲管件、弧形耗能器、斜隅支撑、压弯杆件。弯矩耗能器目前存在的主要的缺点包括：使用过程中压力分布不均，由于结合剪切力和弯矩，使局部塑性铰、焊接处的延展度降低，以及延展部位产生轴向力；使耗能性能降低，耗能效果差。同时，耗能器延展部位产生轴向力会因为屈曲从而进一步的降低耗能器材料的延展度。

因此，本领域技术人员致力于开发一种纯弯矩屈服阻尼器装置，旨在解决现有技术中弯矩耗能器在使用过程中存在的缺陷问题。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是现有技术中弯矩耗能器在使用过程中，延展耗能核心部件采用焊接等方式，使用过程中易压力分布不均，以及延展部位易产生轴向力，造成局部塑性铰、焊接处的延展度降低；使耗能性能降低，耗能效果差的缺陷问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种纯弯矩屈服阻尼器装置，包括支撑架连接口、耗能板、托板、导向槽、剪力键、滚动支座、侧向约束砌体；

所述支撑架连接口为2块四方体柱状，；

所述托板包括上托板和下托板，上托板和下托板分别为2块，上托板分别对称固定连接于支撑架连接口的上方，下托板分别对称固定连接于支撑架连接口的下方；所述托板上包括两排开孔；所述上托板和下托板相对的内侧，在两排开孔中间包括导向槽；

所述滚动支座为空心圆柱管状，所述滚动支座包括侧向滚动支座和中部滚动支座；

所述耗能板为长方形板状，长边水平竖直放置，耗能板两端固定连接侧向滚动支座，耗能板中间平均分布固定连接两个中部滚动支座；所述两个中部滚动支座之间的距离与托板上两排开孔的排间距相同；所述耗能板上下处，在两个中部滚动支座之间包括剪力键，所述剪力键为圆柱状凸起；所述剪力键位置对应于上托板和下托板的导向槽；

所述耗能板为两组，每组数量为1~10块；每组耗能板与一对上下托板通过支座销相连接，所述支座销从上托板插入，经耗能板上的中部滚动支座后从下托板穿出；

所述侧向约束砌体为U型四方状，包括三个板面，其中相对的两个板面上对应包括开孔；所述侧向约束砌体为2个， U型口相对安装于耗能板两侧，耗能板两端的侧向滚动支座伸入U型内部，与板面上开孔对应；

所述侧向约束砌体通过支座销与耗能板两端相连接；所述支座销从侧向约束砌体上方面插入，经耗能板上的侧向滚动支座后从侧向约束砌体下方面穿出；

所述侧向约束砌体与上下托板之间留有间隙距离；

进一步地，所述耗能板的材料为软钢、形状记忆合金、低屈服点钢中一种或多种；支撑架连接口、托板、剪力键、滚动支座、侧向约束砌体的材料为高强度钢材或合金钢；

进一步地，所述每组耗能板数量为3~6块；

进一步地，所述每组耗能板中的耗能板之间的距离小于两组耗能板之间的组距；

进一步地，所述每组耗能板中耗能板之间的距离与两组耗能板之间组距的距离比为1:8~1:3；

进一步地，所述固定连接为铸造或者焊接；

进一步地，所述侧向约束砌体与上下托板之间的间隙距离为托板宽度的1/4~1/2；

在本发明优选实施方式中，所述每组耗能板数量为2块；

在本发明优选实施方式中，所述每组耗能板数量为3块；

在本发明优选实施方式中，所述每组耗能板数量为5块；

在本发明优选实施方式中，所述每组耗能板数量为6块；

在本发明优选实施方式中，所述每组耗能板中耗能板之间的距离与两组耗能板之间组距的距离比为1:3；

在本发明优选实施方式中，所述每组耗能板中耗能板之间的距离与两组耗能板之间组距的距离比为1:6；

在本发明优选实施方式中，所述每组耗能板中耗能板之间的距离与两组耗能板之间组距的距离比为1:8；

在本发明优选实施方式中，所述侧向约束砌体与上下托板之间的间隙距离为托板宽度的1/4；

在本发明优选实施方式中，所述侧向约束砌体与上下托板之间的间隙距离为托板宽度的1/3；

在本发明优选实施方式中，所述侧向约束砌体与上下托板之间的间隙距离为托板宽度的1/2；

在本发明优选实施方式中，所述固定连接为焊接；

在本发明优选实施方式中，所述耗能板的材料为软钢；

在本发明优选实施方式中，支撑架连接口、托板、剪力键、滚动支座、侧向约束砌体的材料为高强度钢材；

采用以上方案，本发明公开的纯弯矩屈服阻尼器装置，具有以下技术效果：

1、本发明的纯弯矩屈服阻尼器装置，内部结构不使用支撑架、梁、柱增传统现有的内部构件，有效避免装置在使用时在力作用下结构内部件（如，支撑架、梁、柱）的内部运动造成的内部轴向力的产生造成的延展度降低，耗能性降低；

2、本发明的纯弯矩屈服阻尼器装置，耗能板与托板以及侧向约束砌体之间采用滚动支座接触方式，避免使用焊接；支撑架的轴向力通过支撑架连接口被传到上下两个托板，两个托板把轴向力传至中部滚动支座，再通过耗能板的弯矩传递至侧向滚动支座，侧向滚动支座通过销将力传至侧向约束砌体，轴向力通过侧向约束砌体传递至设备的另一边；与传统的延展耗能核心部件采用焊接等方式相比，本发明的装置延展耗能核心部件采用销的非固定连接，在轴向力传递过程中，压力分布均匀，延展部位耗能板产生纯弯矩，延展度高，有效避免了延展部位采用焊接的固定连接方式使用时易产生轴向力，造成局部塑性铰、焊接处的延展度降低；提高了装置的耗能性能，吸能减震性能高，耗能效果佳；

3、本发明的纯弯矩屈服阻尼器装置，使用过程中，仅使用一个对角支撑跨，相比于现有技术的其他耗能器设备需使用多个对角支撑跨才能正常工作，本发明的装置使用简便，造价成本低，可用于多种不易设置数量众多的支撑跨的场景，可进行多种安装方式，应用性好；

4、本发明的纯弯矩屈服阻尼器装置，结构简单，重量轻便，易操作，制作成本低，运行及后期维护费低，严重地震灾害后维修更换费用低；

综上所述，本发明的纯弯矩屈服阻尼器装置，压力分布均匀，延展部位耗能板产生纯弯矩，延展度高，有效避免了延展部位采用焊接的固定连接方式使用时易产生轴向力，造成局部塑性铰、焊接处的延展度降低；提高了装置的耗能性能，吸能减震性能高，耗能效果佳；制作成本低，运行及后期维护费低，严重地震灾害后维修更换费用低，应用性好。

以下将结合附图与具体实施方式对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明实施例1的纯弯矩屈服阻尼器装置结构示意图；

图2是本发明实施例1的纯弯矩屈服阻尼器装置的内部结构布局示意图；

图3是本发明实施例1的纯弯矩屈服阻尼器装置的安装使用示意图；

图4是本发明实施例1的纯弯矩屈服阻尼器装置的耗能板内力解析示意图；

图5是本发明实施例1的纯弯矩屈服阻尼器装置的使用时变形示意图；

图中，1、支撑架连接口；2、耗能板；3、上托板；4、下托板；5、导向槽；6、剪力键；7、侧向滚动支座；8、侧向约束砌体；9、支座销；10、中部滚动支座。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施方式，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施方式来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施方式。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

实施例1、

如图1~2所示，本发明纯弯矩屈服阻尼器装置，包括支撑架连接口1、耗能板2、上托板3、下托板4、导向槽5、剪力键6、侧向滚动支座7、侧向约束砌体8、支座销9、中部滚动支座10；

支撑架连接口1为2块四方体柱状；托板包括上托板3和下托板4，上托板3和下托板4分别为2块，上托板3分别对称焊接于支撑架连接口1的上方，下托板4分别对称焊接于支撑架连接口1的下方；托板上包括两排开孔；上托板3和下托板4相对的内侧，在两排开孔中间包括导向槽5；

滚动支座为空心圆柱管状，滚动支座包括侧向滚动支座7和中部滚动支座10；

耗能板2为长方形板状，长边水平竖直放置，耗能板2两端焊接侧向滚动支座7，耗能板2中间平均分布焊接两个中部滚动支座10；两个中部滚动支座10之间的距离与托板上两排开孔的排间距相同；耗能板2上下处，在两个中部滚动支座10之间包括剪力键6，剪力键6为圆柱状凸起；剪力键6位置对应于上托板3和下托板4的导向槽5；耗能板2为两组，每组数量为3块；每组耗能板2与一对上下托板通过支座销9相连接，支座销9从上托板3插入，经耗能板2上的中部滚动支座10后从下托板4穿出；

侧向约束砌体8为U型四方状，包括三个板面，其中相对的两个板面上对应包括开孔；侧向约束砌体8为2个， U型口相对安装于耗能板2两侧，耗能板2两端的侧向滚动支座7伸入U型内部，与板面上开孔对应；侧向约束砌体8通过支座销9与耗能板2两端相连接；支座销9从侧向约束砌体8上方面插入，经耗能板2上的侧向滚动支座7后从侧向约束砌体8下方面穿出；侧向约束砌体8与上下托板之间留有间隙距离；

在本实施例中，

耗能板的材料为软钢；支撑架连接口、托板、剪力键、滚动支座、侧向约束砌体的材料为高强度钢材；

每组耗能板中耗能板之间的距离与两组耗能板之间组距的距离比为1:6；

侧向约束砌体与上下托板之间的间隙距离为托板宽度的1/4。

实施例2、

耗能板的材料为形状记忆合金；支撑架连接口、托板、剪力键、滚动支座、侧向约束砌体的材料为合金钢；

耗能板2为两组，每组数量为5块

每组耗能板中耗能板之间的距离与两组耗能板之间组距的距离比为1:3；

侧向约束砌体与上下托板之间的间隙距离为托板宽度的1/2；

其他与实施例1相同，得到本发明的实施例2的纯弯矩屈服阻尼器装置。

实施例3、

耗能板的材料为低屈服点钢；支撑架连接口、托板、剪力键、滚动支座、侧向约束砌体的材料为合金钢；

耗能板2为两组，每组数量为6块

每组耗能板中耗能板之间的距离与两组耗能板之间组距的距离比为1:8；

侧向约束砌体与上下托板之间的间隙距离为托板宽度的1/3；

其他与实施例1相同，得到本发明的实施例3的纯弯矩屈服阻尼器装置。

以实施例1为例介绍本发明纯弯矩屈服阻尼器装置工作过程：

将支撑架连接口连接于支撑架中间位置，支撑架受外力作用产生轴向力，支撑架的轴向力被传到至上下两个托板，两个托板把轴向力传至中部滚动支座，再通过耗能板的弯矩传递至侧向滚动支座，轴向力转化为耗能板中部的纯弯矩的转化依靠四点荷载机制，侧向滚动支座通过销将力传至侧向约束砌体，轴向力通过侧向约束砌体传递至设备的另一边，实现将来自支撑架的轴向力能量消耗掉。

如图3所示，本发明纯弯矩屈服阻尼器装置的安装方式包括对角支撑安装、倒V型支撑安装、V型支撑安装三种方式，均可实现对来自建筑的外力进行耗能分解。

本发明的纯弯矩屈服阻尼器装置除了可以以上述的安装方式应用于对角支撑系统、倒V型支撑系统、V型支撑系统以外，还可以应用于十字支撑系统、桁架系统、现有钢筋混凝土框架结构的震后修复等方面。

如图4所示，为本发明装置的各部分和耗能板内部运动的图解；本发明仅有耗能板为延展部位，其余部位皆为非可延展或力控制截面，在承受荷载时，不发生明显的变形。

当耗能板中部没有承受剪切力时，技与设备独特的几何设计，耗能板中部会产生纯弯矩。耗能板中部产生的纯弯矩，导致该区域持续发生弯曲。在荷载下，耗能板的整个中部形成完全均匀的塑性铰，同时发生屈服。因为存在剪切，弯矩在耗能板侧部位发生线性变化。因此，本发明的延展度和吸能减震性能主要源自耗能板的中部。本设备的耗能板位于成排的滚动支座之间。支撑架的轴向力依靠耗能板和成排的滚动支座的接触来传递。本发明在耗能板中部使用焊接手段连接，避免了压力集中，使得本发明拥有更高的延展度和更强的吸能减震性能。侧销支座的制造方法有两种，其中一种是在耗能板两侧铸造侧销支座，即将管焊接在耗能板两侧的最小弯矩区域，如此设计不会影响本发明的延展度和吸能减震性能。

如图5所示，为本发明装置承受轴向力设备发生的变形情况示意图。作用于设备的轴向力因为该区域的纯弯矩导致耗能板发生弯曲变形，形成弧形。弯曲变形导致耗能板中部的长度增加。通过额外增加中部延展部位的长度，中部滚动支座可用以避免轴向力在耗能板中部延展部位引起变形。因此，耗能板在中部支座的滑动会靠近侧向约束砌体。侧向约束砌体和上下托板之间留有间隙，旨在避免上述可视部位相互碰撞。本发明为对称结构，本设备所发生的侧向运动避免耗能板内形成轴向力；本装置两部份位置相同，轴向拉力和压力荷载分布相同。

尽管PBYD的荷载主要是轴向力，呈现对称结构，但位于耗能板边缘以及板长度中点处的两个剪力键同时也用来约束耗能板的侧向运动以及在PBYD承受荷载时稳定轴向位移。上述剪力键可沿着轴向荷载在上下托板间的导向槽运动。

经实际使用，本发明纯弯矩屈服阻尼器装置在使用过程中，无论是哪种安装方式其装置内部的压力分布均匀，延展部位耗能板产生纯弯矩，延展度高，有效避免了延展部位采用焊接的固定连接方式使用时易产生轴向力，造成局部塑性铰、焊接处的延展度降低的缺陷；提高了装置的耗能性能，吸能减震性能高，耗能效果佳；本发明装置在整个运行过程中平稳，增大实验的外力，轴向力，使本发明装置产生损伤后更换耗能板后即可再次投入使用，后期维护费低，严重地震灾害后维修更换费用低，应用性好。

本发明其他实施例以及其他技术方案与上述的工作效果详细，具有详细的有益效果。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施方式。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种纯弯矩屈服阻尼器装置，其特征在于，包括支撑架连接口(1)、耗能板(2)、托板、导向槽(5)、剪力键(6)、滚动支座、侧向约束砌体(8)；

所述支撑架连接口(1)为2块四方体柱状；

所述托板包括上托板(3)和下托板(4)，上托板(3)和下托板(4)分别为2块，上托板(3)分别对称固定连接于支撑架连接口(1)的上方，下托板(4)分别对称固定连接于支撑架连接口(1)的下方；所述托板上包括两排开孔；所述上托板(3)和下托板(4)相对的内侧，在两排开孔中间包括导向槽(5)；

所述滚动支座为空心圆柱管状，所述滚动支座包括侧向滚动支座(7)和中部滚动支座(10)；

所述耗能板(2)为长方形板状，长边水平竖直放置，耗能板(2)两端固定连接侧向滚动支座(7)，耗能板(2)中间平均分布固定连接两个中部滚动支座(10)；所述两个中部滚动支座(10)之间的距离与托板上两排开孔的排间距相同；所述耗能板(2)上下处，在两个中部滚动支座(10)之间包括剪力键(6)，所述剪力键(6)为圆柱状凸起；所述剪力键(6)位置对应于上托板和下托板的导向槽(5)；

所述耗能板(2)为两组，每组数量为1～10块；每组耗能板(2)与一对上下托板通过支座销(9)相连接，所述支座销(9)从上托板(3)插入，经耗能板(2)上的中部滚动支座(10)后从下托板(4)穿出；

所述侧向约束砌体(8)为U型四方状，包括三个板面，其中相对的两个板面上对应包括开孔；所述侧向约束砌体(8)为2个，U型口相对安装于耗能板(2)两侧，耗能板(2)两端的侧向滚动支座(7)伸入U型内部，与板面上开孔对应；

所述侧向约束砌体(8)通过支座销(9)与耗能板(2)两端相连接；所述支座销(9)从侧向约束砌体(8)上方面插入，经耗能板(2)上的侧向滚动支座(7)后从侧向约束砌体(8)下方面穿出；

所述侧向约束砌体(8)与上下托板之间留有间隙距离。

2.如权利要求1所述纯弯矩屈服阻尼器装置，其特征在于，

所述耗能板的材料为软钢、形状记忆合金、低屈服点钢中一种或多种；

所述支撑架连接口、托板、剪力键、滚动支座、侧向约束砌体的材料为高强度钢材或合金钢。

3.如权利要求1所述纯弯矩屈服阻尼器装置，其特征在于，

所述每组耗能板数量为3～6块；

所述每组耗能板中的耗能板之间的距离小于两组耗能板之间的组距。

4.如权利要求2所述纯弯矩屈服阻尼器装置，其特征在于，

所述耗能板的材料为软钢；

所述支撑架连接口、托板、剪力键、滚动支座、侧向约束砌体的材料为高强度钢材。

5.如权利要求3所述纯弯矩屈服阻尼器装置，其特征在于，

所述每组耗能板中耗能板之间的距离与两组耗能板之间组距的距离比为1:8～1:3。

6.如权利要求1所述纯弯矩屈服阻尼器装置，其特征在于，

所述固定连接为铸造或者焊接。

7.如权利要求1所述纯弯矩屈服阻尼器装置，其特征在于，

所述侧向约束砌体与上下托板之间的间隙距离为托板宽度的1/4～1/2。

8.如权利要求5所述纯弯矩屈服阻尼器装置，其特征在于，

所述每组耗能板数量为3块；

所述每组耗能板中耗能板之间的距离与两组耗能板之间组距的距离比为1:6。

9.如权利要求7所述纯弯矩屈服阻尼器装置，其特征在于，

所述侧向约束砌体与上下托板之间的间隙距离为托板宽度的1/4。

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