CN112942612B - 一种墙角可更换的装配式拉压型金属阻尼器 - Google Patents

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Abstract

一种墙角可更换的装配式拉压型金属阻尼器，包括装配式耗能单元件，所述装配式耗能单元件包括十字芯剪切板，所述十字芯剪切板顶部焊接内嵌上端板，底部设置焊接在内嵌下端板上，位于十字芯剪切板前后端的板两侧分别设置有内部耗能波形腹板，内部耗能波形腹板一端通过内部侧向约束端板与内部耗能波形腹板相连，另一端设施在外部侧向约束端板上，所述内部耗能波形腹板上下端分别设置有上部“狗骨式”耗能翼缘板和下部“狗骨式”耗能翼缘板，所述装配式耗能单元件位于剪力墙下方两侧与框架梁的结合处。本发明的减震较好，安置在剪力墙结构体系中，变形及耗能主要由阻尼器承担，且破坏后容易更换。

Description

一种墙角可更换的装配式拉压型金属阻尼器
技术领域
本发明涉及土木工程抗震与减震技术领域，特别涉及一种墙角可更换的装配式拉压型金属阻尼器。
背景技术
通过对国内历次地震调研发现，在传统高层建筑中的剪力墙容易出现弯曲破坏；这是由于传统高层建筑在进行结构设计时，剪力墙的抗弯性能要比抗剪性能弱。当剪力墙发生弯曲破坏时，在墙趾处的受拉区混凝土会率先出现弯曲裂缝，受拉钢筋屈服；当进入塑性破坏阶段时，剪力墙受压区的混凝土随即被压碎，进而，受压区的钢筋出现屈曲。针对此类破坏，在震后是较难修复的，即使修复也需要较大的成本，这给社会经济和人们的生活带来了较大的影响。随着高层、超高层建筑技术的不断革新，建筑高度的不断增加，人们对剪力墙的性能要求也在不断提高，抗震设防目标也逐渐从“大震不倒”向震后“快速恢复功能”发展。
目前，在实现剪力墙结构体系可恢复功能方面，最具有可操作性的是可更换结构，即在剪力墙设计时设置可更换构件，在强震时使结构的损伤主要集中在可更换构件，不仅可以利用其有效耗散地震输入结构能量，而且有利于震后对受损的可更换构件快速更换，尽快恢复结构的正常使用功能。
金属阻尼器尤其是软钢阻尼器是一种利用金属屈服时弹塑性变形耗能的减震隔震构件，由于金属在进入塑性状态后具有良好的滞回特性，并在弹塑性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。在剪力墙墙趾处设置可更换金属阻尼器，不仅能够保证剪力墙具有足够的刚度和承载力，而且能够将破坏引导至可更换部件，从而保护非更换区域免遭破坏，达到提升剪力墙的抗震性能和震后快速恢复结构功能的目的。现有技术中公开了各种各样的带有金属阻尼器的剪力墙，但是现有技术中应用于剪力墙墙趾处的金属阻尼器，在耗能能力、延性和等效粘滞阻尼等方面各有倾向，都不是很理想。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种墙角可更换的装配式拉压型金属阻尼器，该阻尼器的减震较好，安置在剪力墙结构体系中，变形及耗能主要由阻尼器承担，且破坏后容易更换。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种墙角可更换的装配式拉压型金属阻尼器，包括装配式耗能单元件，所述装配式耗能单元件包括十字芯剪切板2，所述十字芯剪切板2顶部焊接内嵌上端板1，底部设置焊接在内嵌下端板3上，位于十字芯剪切板2前后端的板两侧分别设置有内部耗能波形腹板5，内部耗能波形腹板5之间通过内部侧向约束端板6-1相连，另一端设施在外部侧向约束端板6-2上，所述内部耗能波形腹板5上下端分别设置有上部“狗骨式”耗能翼缘板4-1和下部“狗骨式”耗能翼缘板4- 2，所述装配式耗能单元件位于剪力墙11下方两侧与框架梁10的结合处。
所述内部耗能波形腹板5为梯形波形钢板(由平钢板在加工厂通过切削和折弯制作而成)，钢板截面包含波峰、波谷和波脊，定义波角为波谷或者波峰与波脊的外夹角；通过改变波形钢板的厚度、波形形状和钢材牌号，以此改变波形腹板5的承载能力和耗能能力。
所述上部“狗骨式”耗能翼缘板4-1和下部“狗骨式”耗能翼缘板4-2设置在距上部和下部翼缘板的两端，分别对称削切出两个半圆形，半圆形的直径大小、距翼缘板端部的距离决定了金属阻尼器的承载能力与耗能能力。
所述十字芯剪切板2上开U型螺栓孔与内部侧向约束端板6-1和采用摩擦型高强螺栓9连接。
所述内嵌下端板3采用摩擦型高强螺栓9与端部连接板8开U型螺栓孔相连。
所述外部侧向约束端板6-2外侧设置有加劲肋7。
所述上部“狗骨式”耗能翼缘板4-1、下部“狗骨式”耗能翼缘板4-2和内部耗能波形腹板5采用屈服强度为100MPa-190MPa的低屈服点软钢，内嵌上端板1、十字芯剪切板2、内嵌下端板3、内部侧向约束端板6-1、外部侧向约束端板6-2、加劲肋7、端部连接板8采用屈服强度为235MPa的普通钢；高强螺栓9均采用M10,10.9级。
所述内嵌上端板1和内嵌下端板3上下平行且正对。
所述十字芯剪切板2与内嵌下端板3之间需要预留一定的距离。
本发明的有益效果：
本发明采用的“狗骨式”翼缘板和耗能波形腹板，能够实现阻尼器的分阶段梯度耗能即翼缘先于腹板耗能，对上下翼缘板两端均做了削弱处理，使塑性变形优先在“狗骨”处产生，进而产生塑性铰；随后，外部荷载转移至腹板，由腹板继续承担荷载并发挥波形腹板的“折叠效应”进行耗能。
本发明内部设置的十字芯剪切板，当阻尼器产生较大塑性变形时，能够为剪力墙提供最后一道屏障即提供竖向承载力，可以有效防止阻尼器被压溃。
本发明由装配式耗能单元件由上部“狗骨式”耗能翼缘板4-1、下部“狗骨式”耗能翼缘板4-2、内部耗能波形腹板5、内部侧向约束端板6-1、外部侧向约束端板6-2、加劲肋7和端部连接板8焊接而成与剪力墙采用高强螺栓9连接，此种连接方式便于拆卸和安装。且在地震作用后可以有效快速更换，达到连接更换简易的目的。
本发明的大小尺寸，可以根据剪力墙塑性铰区域截面的大小确定。
附图说明
图1为本发明的整体示意图。
图2为本发明的主视图。
图3为本发明的右视图。
图4为本发明的内嵌上端板和十字芯剪切板拆解图。
图5为本发明内部耗能体系图。
图6为本发明内部装配式耗能单元示意图。
图7为本发明在ABAQUS有限元软件建模下的Mises应力云图一。
图8为本发明在ABAQUS有限元软件建模下的Mises应力云图二。
图9为本发明在ABAQUS有限元软件建模下的Mises应力云图三。
图10为本发明在ABAQUS有限元软件建模下的Mises应力云图三。
图11为本发明在ABAQUS有限元软件建模下提取的滞回曲线。
图中：1-内嵌上端板、2-十字芯剪切板、3-内嵌下端板、4-1-上部“狗骨式”耗能翼缘板、4-2-下部“狗骨式”耗能翼缘板、5-内部耗能波形腹板、6-1-内部侧向约束端板、6-2-外部侧向约束端板、7-加劲肋、8-端部连接板、9-高强螺栓、10-框架梁、11-和剪力墙。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明的墙角可更换的装配式拉压型金属阻尼器，包括内嵌上端板1、十字芯剪切板2、内嵌下端板3、上部“狗骨式”耗能翼缘板4-1、下部“狗骨式”耗能翼缘板4-2、内部耗能波形腹板5、内部侧向约束端板6-1、外部侧向约束端板6-2、加劲肋7、端部连接板8、高强螺栓9、框架梁10、剪力墙11组成。
如图3所示，内嵌上端板1和内嵌下端板3上下平行且正对，内嵌下端板3开设有用于与上部装配式耗能单元件连接的U型螺栓孔共两个。
如图4所示，内嵌上端板1内嵌于剪力墙11中，与边缘约束构件中的纵向钢筋焊接；内嵌上端板1与十字芯剪切板2焊接；在十字芯剪切板2的上、下四个角开U型螺栓孔便于与4个装配式耗能单元件连接。十字芯剪切板2与内嵌下端板3之间需要预留一定的距离，目的是给十字芯剪切板2在对4个装配式耗能单元件进行拉压剪切变形时留有变形空间。
4个装配式耗能单元件关于十字芯剪切板2对称布置。
所述十字芯剪切板2采用“十字芯型”的原因，是由于其不仅可以较好的将上部竖向荷载和位移传递给“狗骨式”翼缘板4-1、4-2和波形腹板5；同时，当阻尼器产生较大塑性变形时，能够为剪力墙提供最后一道屏障即提供竖向承载力；剪切板采用“十字芯”的构造措施能够为剪切板提供更大的面外刚度，使颈部位置不宜产生屈曲变形。
“狗骨式”翼缘板可以较好的实现阻尼器的分阶段梯度耗能即翼缘先于腹板耗能，对上下翼缘板两端均做了削弱处理，使塑性变形优先在“狗骨”处产生，进而产生塑性铰；随后，外部荷载转移至内部耗能波形腹板5，由腹板继续承担荷载并发挥耗能作用。
所述墙角可更换的装配式拉压型金属阻尼器，内嵌上端板1与剪力墙中的边缘约束构件中的竖向受力钢筋焊接，竖向受力钢筋的截断位置取决于剪力墙产生塑性铰区域的尺寸，内嵌上端板1需提前预装到现浇剪力墙中。
所述墙角可更换的装配式拉压型金属阻尼器，需要在剪力墙产生塑性铰区域预先挖出阻尼器安装腔，此步骤通常在剪力墙钢筋绑扎和制作浇筑模具时预留。
如图5所示为阻尼器内部的4个装配式耗能单元件，每个装配式耗能单元件的上部“狗骨式”耗能翼缘板4-1、下部“狗骨式”耗能翼缘板4-2、内部耗能波形腹板5、内部侧向约束端板6-1、外部侧向约束端板6-2、加劲肋7和端部连接板8之间相互焊接，且在每个装配式耗能单元件的内部侧向约束端板6-1的上下端均开有U型螺栓孔共两个，便于与十字芯剪切板2进行高强螺栓9连接。
所述墙角可更换的装配式拉压型金属阻尼器，上下部“狗骨式”耗能翼缘板4-1、4-2与内部耗能波形腹板5和内外侧侧向约束端板6-1、6-2、加劲肋7和端部连接板8焊接，构成一个装配式耗能单元件；装配式耗能单元件与其他连接件分工明确，且可实现装配式耗能单元件的拆卸更换。
所述墙角可更换的装配式拉压型金属阻尼器，当阻尼器受到地震作用时，上部“狗骨式”耗能翼缘板4-1和下部“狗骨式”耗能翼缘板4-2，由于翼缘削弱的缘故，使塑性变形率先在“狗骨”处产生，进而产生塑性铰；随后，外部荷载转移至内部耗能波形腹板5，由腹板继续承担荷载并发挥耗能波形腹板5的“折叠效应”进行耗能。
内部耗能波形腹板5采用波形是由于波形腹板较平腹板具有更大的面外刚度，面内更不易发生屈曲变形不会像平腹板屈曲发生于屈服阶段之前，导致腹板的耗能能力得不到充分的发挥；同时，波形腹板具有良好的“折叠效应”，本阻尼器采用的水平波形腹板，由于其竖向刚度较小，在竖向往复荷载作用下，更有利于发挥波形腹板的“折叠效应”进行耗能。
如图6所示为单个装配式耗能单元件的细部构造，在外部侧向约束端板6-2的外侧焊接两道加劲肋7以提升外部侧向约束端板6-2的侧向抗弯刚度，且避免阻尼器出现面内侧向变形；在装配式耗能单元件的端部连接板8上关于外部侧向约束端板6-2对称开U型螺栓孔共两个，便于与内嵌下端板3进行高强螺栓9连接。
墙角可更换的装配式拉压型金属阻尼器的主要耗能部位在地震发生后，首先产生塑性变形耗能，保证剪力墙11自身不受破坏，震后即可对装配式耗能单元件进行拆卸和更换由上部“狗骨式”耗能翼缘板4-1、下部“狗骨式”耗能翼缘板4-2、内部耗能波形腹板5、内部侧向约束端板6-1、外部侧向约束端板6-2、加劲肋7和端部连接板8所焊接而成。
如图7-图10所示利用ABAQUS有限元分析软件对所发明的墙角可更换的装配式拉压型金属阻尼器进行数值分析，从Mises应力云图可以看出，变形主要集中于装配式耗能单元件的“狗骨式”耗能翼缘板4-1、4-2和内部耗能波形腹板5上，其他板件变形较小，说明本发明所设计的墙角可更换的装配式拉压型金属阻尼器可以达到集中耗能的目的，并震后可以只对装配式耗能单元件进行拆卸更换达到快速恢复使用功能的目的。
如图11所示为本发明利用ABAQUS有限元分析软件提取的滞回线，由滞回曲线可以看出本发明所设计的阻尼器，滞回曲线饱满呈梭形，说明此阻尼器具有较好的延性和耗能能力，且承载力较高，可被广泛应用到工程实际当中。

Claims (3)

1.一种墙角可更换的装配式拉压型金属阻尼器，其特征在于，包括装配式耗能单元件，所述装配式耗能单元件包括十字芯剪切板（2），所述十字芯剪切板（2）顶部焊接内嵌上端板（1），所述十字芯剪切板（2）与内嵌下端板（3）之间预留一定的距离，位于十字芯剪切板（2）前后端的板两侧分别设置有内部耗能波形腹板（5），内部耗能波形腹板（5）的一端与内部侧向约束端板（6-1）相连，另一端与外部侧向约束端板（6-2）相连，所述外部侧向约束端板（6-2）外侧设置有加劲肋（7），外部侧向约束端板（6-2）与加劲肋（7）底部连接端部连接板（8），所述内部耗能波形腹板（5）上下端分别设置上部“狗骨式”耗能翼缘板（4-1）和下部“狗骨式”耗能翼缘板（4-2），上部“狗骨式”耗能翼缘板（4-1）和下部“狗骨式”耗能翼缘板（4-2）与内部耗能波形腹板（5）和内部侧向约束端板（6-1）、外部侧向约束端板（6-2）、加劲肋（7）、端部连接板（8）焊接，构成一个装配式耗能单元件，十字芯剪切板（2）上开U型螺栓孔与内部侧向约束端板（6-1）采用高强螺栓（9）连接，所述内嵌下端板（3）采用高强螺栓（9）与端部连接板（8）上开设的U型螺栓孔连接，所述装配式耗能单元件位于剪力墙（11）下方两侧与框架梁（10）的结合处。
2.根据权利要求1所述的一种墙角可更换的装配式拉压型金属阻尼器，其特征在于，所述上部“狗骨式”耗能翼缘板（4-1）、下部“狗骨式”耗能翼缘板（4-2）和内部耗能波形腹板（5）采用屈服强度为100MPa-190MPa的低屈服点软钢，内嵌上端板（1）、十字芯剪切板（2）、内嵌下端板（3）、内部侧向约束端板（6-1）、外部侧向约束端板（6-2）、加劲肋（7）、端部连接板（8）采用屈服强度为235MPa的普通钢；高强螺栓（9）均采用M10,10.9级。
3.根据权利要求1所述的一种墙角可更换的装配式拉压型金属阻尼器，其特征在于，所述内嵌上端板（1）和内嵌下端板（3）上下平行且正对。
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