CN113107106B - 具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器，包括外盖钢板，摩擦板，工字板，矩形钢片，一字型板，U型板，摩擦高强螺栓。其中，外盖钢板，工字板，矩形钢片，一字型板，U型板自上而下依次叠放且以一字型板和U型板为中心对称分布。外盖钢板，外侧矩形钢片与U型板通过外侧摩擦高强螺栓固定；摩擦板，内侧矩形钢片，一字型板通过内侧摩擦高强螺栓固定。工字板放置在一字型板和U型板上下两侧。本发明与传统摩擦阻尼器相比，工字板在加载中受拉力，提供另一道耗能防线的同时可提高主体结构的刚度，改善了主体结构的抗震性能。

Description

具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器

技术领域

本发明属于土木工程领域，涉及一种用于减小工程结构地震响应的具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器。

背景技术

地震由于突发性强、伤亡惨重、经济损失巨大，它所造成的社会影响也比其他自然灾害更为广泛，强烈，往往会产生一系列连锁反应，对一个地区甚至一个国家的社会活动和经济活动造成巨大的冲击。建筑工程抗震领域中减震技术能有效地减轻地震灾害，目前，摩擦阻尼器是最主要的减震装置。摩擦阻尼器是一类利用摩擦面在受压环境下相对作用产生的摩擦力，使外界输入能量转换为热能从而达到消耗输入进建筑物的能量的阻尼器。摩擦阻尼器结构简单，造价低廉，容易维护，具有变形能力强，耗能能力稳定等特点。

传统的摩擦阻尼器构造简单，造价较低，但仍存在一些问题：(1)摩擦阻尼器静摩擦力和滑动摩擦力相差大，发生滑动后摩擦力不变，滞回曲线呈矩形，并不能提高结构的刚度，耗能能力不强。(2)摩擦阻尼器位移过大导致不能正常工作，容易在未发挥全部耗能能力时遭到破坏。(3)摩擦阻尼器抗腐蚀能力较差，不能达到预期设计的耗能效果。

近来，采用叠层摩擦阻尼器，如专利申请号：201821532923.1。其核心为由多层摩擦板平行交错叠合设置，两边设有挡板，通过螺栓拧紧压实。但其摩擦板过于繁多，装置厚度较大，导致装置的整体性下降。同时该装置加工较为复杂，且刚度较小，容易破坏，不利于工业化生产。

发明内容

本发明为解决传统摩擦阻尼器无法提供附加刚度以及叠层摩擦阻尼器厚度较大，整体性能较差，刚度较小容易破坏等问题，提出了一种具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器。

本发明采用的技术方案为：一种具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器，包括外盖钢板、摩擦板、工字板、矩形钢片、一字型板、U型板、摩擦型高强螺栓。

所述外盖钢板包含外侧圆孔C1、圆孔C2，内侧矩形孔R1、矩形孔R2。各开孔以外盖钢板长度方向的对称轴对称布置，两侧圆孔沿外盖钢板的长度方向均匀布置。

所述摩擦板包含外侧矩形孔R3、矩形孔R4，内侧圆孔C3、圆孔C4。各开孔以摩擦板长度方向上的对称轴对称布置，矩形孔R3、R4分别与外盖钢板中的圆孔C1、C2对齐，其宽度和圆孔C1相同，其长度大于两倍圆孔C1的圆心距与一倍圆孔直径之和，以便当摩擦板与外盖钢板发生相对滑动时，穿过圆孔的螺栓能够在矩形孔内作有限的滑动，类似的，圆孔C3、C4分别对齐于外盖钢板中的矩形孔R1、R2，且矩形孔R1、R2宽度和圆孔C3相同，长度大于两倍圆孔C3的圆心距与一倍圆孔直径之和。

所述工字板腹板宽度应小于摩擦板中圆孔C3和圆孔C4之间的净距，其长度应大于圆孔C3之间圆心距的两倍与一倍圆孔直径之和。工字板腹板与翼缘连接处采用圆弧过渡，减少在正常使用中的应力集中现象，其两翼缘与摩擦板短边对齐，翼缘宽度等于摩擦板短边宽度。

所述矩形钢片共四片，包括矩形钢片S1、S2、S3、S4，对称放置在工字板腹板两侧。紧贴在工字板两侧的两片矩形钢片S1、S2其内边直角需加工成圆弧，以便于工字板腹板与翼缘连接处相吻合，每片钢片开3个直径相同的圆形孔。矩形钢片S1、S2的圆孔SC1、SC2圆心与摩擦板的圆孔C3，C4的圆心相对齐，矩形钢片S3、S4的圆孔SC3，SC4的圆心与外盖钢板的圆孔C1、C2的圆心对齐。

所述一字型板插入所述U型板凹槽内，一字型板包含圆孔C5、C6，其圆孔与圆孔SC1、SC2对齐，U型板包含圆孔C7、C8，与圆孔SC3，SC4对齐。一字型板与U型板两翼的宽度之和与摩擦板宽度相等。

外盖钢板、摩擦板、工字板、一字型板与U型板自上而下依次叠放，形成以一字型板和U型板为中心对称分布的整体。摩擦高强螺栓穿过各板所开圆孔的中心以及圆孔所对应的矩形孔，将各板固定成一个整体。

作为优选，外盖钢板与摩擦板在板厚方向上不留间隙，当两板有相对运动趋势时提供较大的摩擦力，且由于两板可以发生相对运动。在摩擦耗能过程中，外盖钢板与摩擦板需保持弹性，板内最大应力不大于其屈服应力的0.8倍。

外盖钢板与摩擦板为主要耗能构件，两板通过摩擦高强型螺栓压紧，使两板相对运动时有较大的摩擦力，外盖钢板矩形孔R1、R2在板内侧，摩擦板矩形孔R3、R4在板外侧，穿过圆孔的螺栓能够在矩形孔内作有限的滑动，故两板运动方向相反。在工作过程中，外盖钢板与摩擦板均不应进入塑性状态，板内最大拉压正应力不应大于其屈服应力的0.8倍，保证足够的安全冗余度。

作为优选，当矩形钢片接触工字板的翼缘内侧时，对工字板产生挤压，工字板发生拉伸变形，提供额外刚度。但需保证工字板在弹性范围内工作，工字板板内最大拉应力不大于其屈服应力的0.75倍，不允许工字板存在残余变形。

内侧矩形钢片S1、S2与外侧矩形钢片S3、S4运动方向相反，故对工字板翼缘产生挤压，无论外加拉力或是压力，工字板始终受到拉力。工字板拉伸变形为阻尼器提供了额外刚度，但工字板不应进入塑性状态导致出现残余变形不可恢复，故工字板所承受的最大拉应力不应大于其屈服强度的0.75倍，保证足够的安全冗余度。

作为优选，矩形钢片与工字板腹板之间留有间隙，矩形钢片S1与矩形钢片S3之间，矩形钢片S2与矩形钢片S4之间留有间隙，防止钢片与工字板发生挤压对腹板造成损伤。

由于工字板腹板较为脆弱，内侧矩形钢片S1、S2与工字板腹板之间留有间隙，避免钢片对腹板挤压导致腹板损伤；矩形钢片S1与矩形钢片S3之间，矩形钢片S2与矩形钢片S4之间也应留有间隙，避免钢片互相挤压，造成不必要的损失。

作为优选，工字板的厚度略小于矩形钢片的厚度，即工字板与摩擦板之间留有间隙，使工字板接近单向受力状态，避免因压力损伤其性能。

工字板位于阻尼器的中心位置，在板厚方向若与摩擦板不留间隙，则其所承受的压力较大，而工字板较薄，容易破坏。故工字板与摩擦板之间留有间隙，使工字板接近单向受力状态，避免因压力损伤其性能。

作为优选，摩擦性高强螺栓与各个板所开的圆形孔、矩形孔的边缘之间留有间隙，螺栓直径不大于圆孔直径的0.9倍。

摩擦性高强螺栓的直径应小于各板所开圆形孔直径和矩形孔宽度，保证螺栓不对各板产生挤压，对板体造成削弱，同时各板开孔不宜过大，导致强度下降，综合考虑螺栓直径不大于圆孔直径的0.9倍。

作为优选，当构件受到压力作用时，保证一字型板不过早挤压U型板致使构件丧失耗能能力。

当一字型板和U型板两端承受拉压作用力时，两板发生相对运动，为保证有足够的运动空间，U型板的开槽深度大于一字型板插入凹槽的长度，否则一字型板将会过早挤压U型板导致构件丧失耗能能力。

作为优选，摩擦板可采用不同的摩擦材料。

摩擦板的材质可采用黄铜，青铜，铝等。

作为优选，工字板可选用SMA材料。

SMA材料表现出良好的超弹性性能以及形状记忆能力，经过合适前处理的SMA材料在循环加载中几乎没有残余变形，并且能够在合适的前处理后可以实现卸载掉外界应力后，SMA材料直接恢复原位，从而实现阻尼器的自复位功能。

本发明具有以下有益效果：

1.具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器中各板开孔规则，仅开有圆孔和矩形孔，且为中心对称结构，加工方便，组装简单，便于量产。

2.具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器与传统摩擦阻尼器相比，其工字板的存在为装置提供了附加刚度，使阻尼器在工作时位移不至于过大导致耗能能力损失，而且工字板较薄，可满足阻尼器的厚度要求，并不破坏结构的整体性与组装的简洁性。

3.具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器中的外盖钢板较厚，对摩擦板及工字板起到了保护作用，同时减缓了腐蚀速度，以免影响耗能能力，一字型板与U型板厚度大，伸出主体结构以外，为装置提供了牢固可靠的受力端，同时增强了阻尼器的刚度。

4.具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器中外盖钢板与摩擦板都为矩形板且长宽尺寸相等，两板发生相对运动摩擦耗能时板内拉压应力较为均匀，避免应力集中导致板面破坏。且两板在耗能过程中处于弹性阶段，不存在残余变形，可进行多次耗能过程。

5.阻尼器运动较为简单。外盖钢板与U型板圆孔对齐，摩擦板与一字型板圆孔对齐，故U型板连带外盖钢板运动，一字型板连带摩擦板运动。由于装置整体对称，两侧的外盖钢板同步运动，两侧的摩擦板同步运动，避免装置因不必要的附加运动造成损耗，以装置的简单运动达到较大摩擦耗能的目的。

6.钢与黄铜的动摩擦系数较大，故外盖钢板与摩擦板发生相对运动时，在相同压力下所提供的摩擦阻力较大，故阻尼器的耗能能力较强。

附图说明：

图1是本发明实施例1的具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器的俯视图；

图2是本发明实施例1的具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器中外盖钢板的正视图；

图3是本发明实施例1的具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器中摩擦板的正视图；

图4是本发明实施例1的具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器中工字板的正视图；

图5是本发明实施例1的具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器中矩形钢片的正视图；

图6是本发明实施例1的具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器中一字型板的正视图；

图7是本发明实施例1的具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器中U型板的正视图；

图8是本发明实施例1的具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器的立体装配图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

实施例一

如图1～8所示：一种具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器，包括外盖钢板1，摩擦板2，工字板3，矩形钢片4，一字型板5，U型板6，摩擦高强螺栓7。

所述外盖钢板1包含圆孔C11-1、矩形孔R11-2、矩形孔R21-3以及圆孔C21-4。圆孔C11-1、矩形孔R11-2、矩形孔R21-3和圆孔C21-4以外盖钢板1长度方向的对称轴对称布置，圆孔C11-1、圆孔C21-4沿外盖钢板1的长度方向均匀布置，其相邻圆孔之间的圆心距相等。所述摩擦板2包含矩形孔R32-1、圆孔C32-2、圆孔C42-3和矩形孔R42-4。矩形孔R32-1、圆孔C32-2、圆孔C42-3以及矩形孔R42-4以摩擦板2长度方向上的对称轴对称布置，其矩形孔R32-1、矩形孔R42-4分别与外盖钢板1中的圆孔C11-1、圆孔C21-4对齐，矩形孔R32-1和矩形孔R42-4的宽度与圆孔C11-1直径相等，其长度大于两倍圆孔C11-1的圆心距与一倍圆孔直径之和，以便当摩擦板2与外盖钢板1发生相对滑动时，穿过圆孔的螺栓能够在矩形孔内作有限的滑动，类似得，圆孔C32-2、C42-3分别对齐于外盖钢板1中的矩形孔R11-2、矩形孔R21-3，且矩形孔R11-2、矩形孔R21-3的宽度与圆孔C32-2直径相等，其长度大于两倍圆孔C32-2的圆心距与一倍圆孔直径之和。所述工字板3腹板宽度应小于摩擦板2中圆孔C32-2和圆孔C42-3之间的净距，其长度应大于圆孔C32-2之间圆心距的两倍与一倍圆孔直径之和，工字板3腹板与翼缘连接处采用圆弧过渡，减少在正常使用中的应力集中现象，工字板3两翼缘与摩擦板2短边对齐，翼缘宽度等于摩擦板2短边宽度。所述矩形钢片4共四片，包括矩形钢片S14-1、矩形钢片S24-2、矩形钢片S34-3、矩形钢片S44-4，对称放置在工字板3腹板两侧。紧贴在工字板3两侧的两片矩形钢片S14-1、S24-2其内边直角需加工成圆弧，以便于工字板3腹板与翼缘连接处相吻合，每片矩形钢片开3个直径相同的圆形孔，其直径与外盖钢板1的圆孔C11-1相同。矩形钢片S14-1、矩形钢片S24-2的圆孔SC14-1-1、SC24-2-1圆心与摩擦板2的圆孔C32-2，C42-3的圆心相对齐，矩形钢片S34-3、矩形钢片S44-4的圆孔SC34-3-1，圆孔SC44-4-1的圆心与外盖钢板1的圆孔C11-1、圆孔C21-4的圆心对齐。所述一字型板5插入所述U型板6凹槽内，一字型板5包含圆孔C55-1、圆孔C65-2，与矩形钢片4中的圆孔SC14-1-1、SC24-2-1对齐，U型板6包含圆孔C76-1、C86-2与矩形钢片4中的圆孔SC34-3-1，圆孔SC44-4-1对齐圆孔C55-1、圆孔C65-2、圆孔C76-1、圆孔C86-2直径均与外盖钢板1的圆孔C11-1相同。一字型板5与U型板6两翼的宽度之和与摩擦板2宽度相等。外盖钢板1、摩擦板2、工字板3、一字型板5与U型板6自上而下依次叠放，形成以一字型板5和U型板6为中心对称分布的整体。所述摩擦高强螺栓7穿过各板所开圆孔的中心以及圆孔所对应的矩形孔，将各板固定成一个整体。

发明原理：当一字型板5相对于U型板6移动时，由于外盖钢板1与U型板6的圆孔均在板外侧，故外盖钢板1与U型板6运动方向相同，同理，摩擦板2与一字型板5运动方向相同，外盖钢板1与摩擦板2发生相对运动，摩擦力做功耗能。同时，内侧矩形钢片S14-1、S24-2和外侧矩形钢片S34-3、S44-4的运动方向相反，当钢片接触工字板3翼缘时，对其施加拉力，工字板3提供附加刚度。

外盖钢板1与摩擦板2在板厚方向上不留间隙，当两板有相对运动趋势时提供较大的摩擦力，且由于穿过圆孔的螺栓能够在矩形孔内作有限的滑动，两板可以发生相对运动。在摩擦耗能过程中，外盖钢板1与摩擦板2需保持弹性，板内最大应力不大于其屈服应力的0.8倍。

当矩形钢片4接触工字板3的翼缘内侧时，对工字板3产生挤压，工字板发生拉伸变形，提供额外刚度。但需保证工字板3在弹性范围内工作，工字板板内最大拉应力不大于其屈服应力的0.75倍，不允许工字板3存在残余变形。

矩形钢片4与工字板3腹板之间留有间隙，矩形钢片S14-1与矩形钢片S34-3之间，矩形钢片S24-2与矩形钢片S44-4之间留有间隙，防止钢片与工字板3发生挤压对腹板造成损伤。

工字板3的厚度略小于矩形钢片4的厚度，即工字板3与摩擦板2之间留有间隙，使工字板3接近单向受力状态，避免因压力损伤其性能。

摩擦性高强螺栓7与各个板所开的圆形孔、矩形孔的边缘之间留有间隙，螺栓直径不大于圆孔直径的0.9倍。

U型板6的开槽深度大于一字型板5插入凹槽的长度，当构件受到压力作用时，保证一字型板不过早挤压U型板致使构件丧失耗能能力。

摩擦板2的材质为黄铜、青铜或铝。

工字板3的材料包括钢，SMA材料。，SMA材料表现出良好的超弹性性能以及形状记忆能力，经过合适前处理的SMA棒材在循环加载中几乎没有残余变形，并且能够在合适的前处理后可以实现卸载掉外界应力后，SMA棒材直接恢复原位。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器，其特征在于：包括外盖钢板(1)，摩擦板(2)，工字板(3)，矩形钢片(4)，一字型板(5)，U型板(6)，摩擦高强螺栓(7)，

所述外盖钢板(1)包含圆孔C1(1-1)、圆孔C2(1-4)、矩形孔R1(1-2)、矩形孔R2(1-3)；开孔以外盖钢板(1)长度方向的对称轴对称布置；所述摩擦板(2)包含圆孔C3(2-2)、圆孔C4(2-3)、矩形孔R3(2-1)、矩形孔R4(2-4)，开孔以摩擦板(2)长度方向上的对称轴对称布置，且矩形孔R3(2-1)、矩形孔R4(2-4)分别与外盖钢板(1)中的圆孔C1(1-1)、圆孔C2(1-4)对齐；矩形孔R3(2-1)及矩形孔R4(2-4)的宽度与圆孔C3(2-2)直径相等，其长度大于两倍圆孔C3(2-2)的圆心距与一倍圆孔直径之和；圆孔C3(2-2)、圆孔C4(2-3)分别对齐于外盖钢板(1)中的矩形孔R1(1-2)、矩形孔R2(1-3)，且矩形孔R1(1-2)、矩形孔R2(1-3)的宽度与圆孔C3(2-2)直径相等，其长度大于两倍圆孔C3(2-2)的圆心距与一倍圆孔直径之和；所述工字板(3)腹板宽度小于摩擦板(2)中圆孔C3(2-2)和圆孔C4(2-3)之间的净距，其长度大于圆孔C3(2-2)之间圆心距的两倍与一倍圆孔直径之和，工字板(3)腹板与翼缘连接处采用圆弧过渡，工字板(3)两翼缘与摩擦板(2)短边对齐，翼缘宽度等于摩擦板(2)短边宽度；所述矩形钢片(4)共四片，包括矩形钢片S1(4-1)、矩形钢片S2(4-2)、矩形钢片S3(4-3)、矩形钢片S4(4-4)，对称放置在工字板(3)腹板两侧；紧贴在工字板(3)两侧的矩形钢片S1(4-1)、矩形钢片S2(4-2)其内边直角需加工成圆弧，每片矩形钢片开3个直径相同的圆孔，其直径与外盖钢板(1)的圆孔C1(1-1)相同；矩形钢片S1(4-1)、矩形钢片S2(4-2)的圆孔SC1(4-1-1)、圆孔SC2(4-2-1)圆心与摩擦板(2)的圆孔C3(2-2)，圆孔C4(2-3)的圆心相对齐，矩形钢片S3(4-3)、矩形钢片S4(4-4)的圆孔SC3(4-3-1)，圆孔SC4(4-4-1)的圆心与外盖钢板(1)的圆孔C1(1-1)、圆孔C2(1-4)的圆心对齐；所述一字型板(5)插入所述U型板(6)凹槽内，一字型板(5)包含圆孔C5(5-1)、圆孔C6(5-2)，与矩形钢片(4)中的圆孔SC1(4-1-1)、圆孔SC2(4-2-1)对齐，U型板(6)包含圆孔C7(6-1)、圆孔C8(6-2)与外侧矩形钢片(4)中的圆孔SC3(4-3-1)，圆孔SC4(4-4-1)对齐；外盖钢板(1)、摩擦板(2)、工字板(3)、一字型板(5)与U型板(6)自上而下依次叠放，形成以一字型板(5)和U型板(6)为中心对称分布的整体；所述摩擦高强螺栓(7)穿过各板所开圆孔的中心以及圆孔所对应的矩形孔，将各板固定成一个整体；工字板(3)的厚度小于矩形钢片(4)的厚度，故工字板(3)与摩擦板(2)之间留有间隙。

2.根据权利要求1所述的一种具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器，其特征在于：外盖钢板(1)与摩擦板(2)在板厚方向上不留间隙。

3.根据权利要求1所述的一种具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器，其特征在于：当矩形钢片(4)接触工字板(3)的翼缘内侧时，对工字板(3)产生挤压。

4.根据权利要求1所述的一种具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器，其特征在于：矩形钢片(4)与工字板(3)腹板之间留有间隙；矩形钢片S1(4-1)与矩形钢片S3(4-3)之间，矩形钢片S2(4-2)与矩形钢片S4(4-4)之间留有间隙。

5.根据权利要求1所述的一种具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器，其特征在于：摩擦型高强螺栓(7)与各个板所开的圆形孔、矩形孔的边缘之间留有间隙；螺栓直径不大于圆孔直径的0.9倍。

6.根据权利要求1所述的一种具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器，其特征在于：U型板(6)的开槽深度大于一字型板(5)插入凹槽的长度。

7.根据权利要求1所述的一种具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器，其特征在于：摩擦板(2)的材质采用黄铜、青铜或铝。

8.根据权利要求1所述的一种具有附加刚度的带间隙摩擦阻尼器，其特征在于：工字板(3)采用SMA材料，实现自复位性能。

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