CN113187118A - 摩擦-弯曲双功能阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种摩擦‑弯曲双功能阻尼器，包括外盖副板、摩擦板、开槽主板、钢垫板、摩擦型高强螺栓、钢棒和承压型高强螺栓；外盖副板、摩擦板和开槽主板自上而下依次叠放，形成五层关于开槽主板对称分布的整体，钢棒通过开孔穿过五层板；外盖副板和钢垫板自上而下依次叠放，形成三层关于钢垫板对称分布的整体。各板采用高强螺栓连接，外力作用在开槽主板和钢垫板端部时，开槽主板可相对摩擦板及外盖副板运动，产生摩擦耗能；与此同时，当钢棒接触孔壁时，将在孔壁压力下发生弯曲变形，产生弯曲耗能。此摩擦‑弯曲双功能阻尼器具有弯曲耗能和摩擦耗能两道耗能防线，且钢棒的变形可提高主体结构刚度，可以有效改善结构抗震性能。
Description
技术领域
本发明属于土木工程领域，涉及一种用于减少工程结构地震响应的摩擦-弯曲双功能阻尼器。
背景技术
城市及其建筑物遭受强烈地震时不仅会结构会产生破坏，而且还会产生次生灾害，从而引发一系列连锁灾害反应。据此研究者提出的消能减震的概念，旨在通过建筑中安装此阻尼器，通过吸收并耗散地震波能量，有效地减少结构地震响应，从而避免建筑主体结构部位的严重破坏甚至倒塌。摩擦阻尼器因其耗能能力强，荷载及其频率的大小对其性能影响不大，且构造简单，取材容易，造价低廉，因而具有很好的应用前景。特别在控制结构近断层地震反应和中高层结构地震反应方面有独特的优势。
传统的摩擦阻尼器存在以下一些问题：(1)摩擦阻尼器开始滑动后摩擦力始终保持不变，滞回曲线呈矩形，并不能提高结构的刚度；(2)由于摩擦面封闭等原因，往往摩擦面上发生不同程度的腐蚀，并没有多道耗能措施，最终达不到预期中耗能减震的效果。
进一步，采用板式变摩擦阻尼器，如专利申请号：CN201620268738.0，采用开曲线槽的钢板实现摩擦力随位移变化而变化的阻尼效果，克服了传统摩擦阻尼器的控制效果在不同动力响应下保持不变的问题，但是其板形加工复杂，不利于工业化生产并且没有多道耗能措施。
发明内容
本发明为解决传统摩擦阻尼器中无法提供刚度和缺乏多道耗能防线的问题以及板式变摩擦阻尼器的板型加工复杂等问题，提出了一种摩擦-弯曲双功能阻尼器。
本发明采用的技术方案为：一种摩擦-弯曲双功能阻尼器，包括外盖副板、摩擦板、开槽主板、钢垫板、摩擦型高强螺栓、钢棒和承压型高强螺栓；
所述外盖副板包含两个圆孔A、两个长圆孔A和一个圆孔E；所述摩擦板包含两个圆孔B和两个长圆孔B，圆孔B与外盖副板中的圆孔A直径相同且圆心对齐，长圆孔B与外盖副板中的长圆孔A大小相同且对齐；所述开槽主板包含一个长圆孔C和两个圆孔C，长圆孔C对应于外盖副板中的两个圆孔A，使得两圆孔A位于长圆孔C的中部且两侧均有一定的活动距离，圆孔C对应于外盖副板中的两个长圆孔A，圆孔C位于长圆孔A的正中间，外盖副板、摩擦板和开槽主板自上而下依次叠放，形成五层关于开槽主板对称分布的整体。
所述钢垫板包含一个圆孔D，圆孔D与外盖副板的圆孔E直径相同且圆心对齐，钢垫板的厚度应等于两层摩擦板和一层开槽主板的厚度之和，外盖副板和钢垫板自上而下依次叠放，形成三层关于钢垫板对称分布的整体，使得组装后各板在板厚方向上没有间隙，减少由于组装产生的板内初始应力。
所述摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓分别穿过外盖副板的圆孔A和圆孔E将外盖副板、摩擦板、开槽主板和钢垫板形成一个整体。
所述钢棒穿过外盖副板的长圆孔A的中心、摩擦板的长圆孔B的中心以及开槽主板的圆孔C，长圆孔A和长圆孔B的宽度尺寸以及圆孔C的直径均应略大于钢棒的直径，当开槽主板沿着长圆孔C(3-1)相对于外盖副板和摩擦板滑动时，穿过圆孔C(3-2)的钢棒受开槽主板的作用发生弯曲变形，所述承压型高强螺栓穿过外盖副板的圆孔和钢垫板的圆孔，使得外盖副板与钢垫板固定在一起。
作为优选，当开槽主板沿着长圆孔C相对于外盖副板和摩擦板滑动时，开槽主板应始终保持弹性，板内最大应力应低于其屈服应力并且开槽主板最大削弱处的截面屈服力大于主板摩擦力的1.2倍，保证有足够的安全冗余度。
当开槽主板沿着长圆孔C相对于外盖副板和摩擦板滑动时，摩擦力使得开槽主板内产生拉压正应力，其最大应力应小于开槽主板的屈服应力，保证截面有足够的安全冗余度。
作为优选，外盖副板的长圆孔A和摩擦板的长圆孔B的长度需要满足钢棒的弯曲变形需求，也不能超过钢棒弯曲变形范围的1.3倍。
当开槽主板在摩擦型高强螺栓的压力作用下沿着长圆孔C相对于外盖副板和摩擦板滑动时，钢棒需要有足够的空间产生弯曲变形，外盖副板的长圆孔A和摩擦板的长圆孔B的长度需要提供足够空间满足钢棒的弯曲变形需求，但也不能超过钢棒最大变形范围1.3倍，防止截面削弱过大，影响阻尼器使用、安全性能。
作为优选，钢棒两端位于外盖副板以外的部分可开螺牙，但在外盖副板、摩擦板和开槽主板形成的五层关于开槽主板对称分布的整体的总厚度内不应开螺牙。
钢棒两端位于外盖副板以外的部分可开螺牙便于钢棒的定位与连接。当开槽主板在摩擦型高强螺栓的压力作用下沿着长圆孔C相对于外盖副板和摩擦板滑动时，钢棒的中点也随着开槽主板一起运动，使得钢棒发生弯曲变形，钢棒在弯曲变形范围内不应开螺牙，避免削弱钢棒截面以及产生应力集中现象从而使得钢棒断裂，降低其耗能效果，同时避免螺纹与开槽主板的圆孔B发生硬接触时的螺纹损坏。
作为优选，钢棒屈曲长度可以通过在外盖副板的长圆孔A上增加附加长圆形套筒增加，而不受外盖副板、摩擦板和开槽主板形成的五层关于开槽主板对称分布的整体的总厚度的限制。
外盖副板的长圆孔A上增加附加长圆形套筒可以使得钢棒的弯曲屈服长度不受限制，通过调节附加长圆形套筒的高度来提高钢棒的屈曲长度，使得钢棒能更好的发挥自身的弯曲耗能能力，并避免钢棒在长度较小时可能发生的剪切破坏。
作为优选，钢棒的材质不受限制。
钢棒的材质不局限于钢材，可替换为钢材、铝材等高延性、高耗能材料。
作为优选，开槽主板中的圆孔C也可替换成长圆孔F，长圆孔F长度约为长圆孔C长度的二分之一。
将开槽主板对应钢棒处的圆孔C换成长圆孔F，可使得在小位移情况下，钢棒在长圆孔内滑动而不变形；而大位移情况下，弯曲杆顶到长圆孔孔壁发生变形，以实现弯曲耗能滞后的效果，可防止钢棒在小位移情况下过早工作，产生疲劳破坏，增加阻尼器耐久性。
作为优选，在钢棒弯曲破坏失效后，摩擦板、开槽主板、外盖副板仍处于弹性，产生摩擦耗能。
在钢棒破坏后，本阻尼器完全转变为一般摩擦阻尼器，不能进一步提供刚度，但仍可以进行摩擦耗能，实现两阶段耗能的效果。
本发明具有以下有益效果：
1.摩擦-弯曲双功能阻尼器中所有板均为矩形板，板内仅开圆孔或长圆孔，加工方便，组装简单，便于量产。
2.摩擦-弯曲双功能阻尼器中钢棒弯曲产生的阻尼力随弯曲变形增大而增大，克服了传统摩擦阻尼器的控制效果在不同动力响应下保持不变的问题，为结构提供了刚度。
3.摩擦-弯曲双功能阻尼器中的钢棒磨损后便于替换，方便震后建筑物修复工作的进行，并且钢棒的材质不局限于钢材，可替换为钢材、铝材等高延性、高耗能材料以适应不同情况的耗能需求。
4.外盖副板的长圆孔上增加附加长圆形套筒可以使得钢棒的弯曲屈服长度不受限制，通过调节附加长圆形套筒的高度来提高钢棒的屈曲长度，使得钢棒能更好的发挥自身的弯曲耗能能力，提高阻尼器的耗能减震效果。
5.摩擦-弯曲双功能阻尼器具有两道耗能防线，一是通过钢棒的弯曲变形减弱地震波的能量，二是通过摩擦板与开槽主板之间的滑动摩擦来消耗地震波的能量。多道耗能防线能同时进行摩擦耗能与弯曲耗能，更好的发挥出阻尼器的耗能作用，此外在钢棒失效后，阻尼器仍可进行摩擦耗能，将结构遭到破坏的可能性降到最低。
6.摩擦-弯曲双功能阻尼器中可通过改变开槽主板中放置钢棒的孔型，可采用圆孔或者长圆孔，以合理控制弯曲耗能的作用时间，防止钢棒过早工作，产生疲劳破坏，从而增加阻尼器耐久性。
附图说明
图1是本发明实施例1的摩擦-弯曲双功能阻尼器的侧视图；
图2是本发明实施例1的摩擦-弯曲双功能阻尼器中外盖副板的平视图；
图3是本发明实施例1的摩擦-弯曲双功能阻尼器中摩擦板的平视图；
图4是本发明实施例1的摩擦-弯曲双功能阻尼器中开槽主板的平视图；
图5是本发明实施例1的摩擦-弯曲双功能阻尼器中钢垫板的平视图；
图6是本发明实施例1的摩擦-弯曲双功能阻尼器的立体装配图；
图7是本发明实施例2的摩擦-弯曲双功能阻尼器的侧视图；
图8是本发明实施例2的摩擦-弯曲双功能阻尼器中外盖副板的平视图；
图9是本发明实施例2的摩擦-弯曲双功能阻尼器的立体装配图；
图10是本发明实施例3的摩擦-弯曲双功能阻尼器的侧视图；
图11是本发明实施例3的摩擦-弯曲双功能阻尼器中开槽主板的平视图；
图12是本发明实施例3的摩擦-弯曲双功能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1
如图1～6所示：一种摩擦-弯曲双功能阻尼器，包括外盖副板1、摩擦板2、开槽主板3、钢垫板4、摩擦型高强螺栓5、钢棒6和承压型高强螺栓7，其特征在于：所述外盖副板1包含两个圆孔A1-1、两个长圆孔A1-2和一个圆孔E1-3；所述摩擦板2包含两个圆孔B2-1和两个长圆孔B2-2，圆孔B2-1与外盖副板1中的圆孔A1-1直径相同且圆心对齐，长圆孔B2-2与外盖副板1中的长圆孔A1-2大小相同且对齐，所述开槽主板3包含一个长圆孔C3-1和两个圆孔C3-2，长圆孔C3-1对应于外盖副板1中的两个圆孔A1-1，使得两圆孔A1-1位于长圆孔C3-1的中部且两侧均有一定的活动距离，圆孔C3-2对应于外盖副板1中的两个长圆孔A1-2，圆孔C3-2位于长圆孔A1-2的正中间，外盖副板1、摩擦板2和开槽主板3自上而下依次叠放，形成五层关于开槽主板3对称分布的整体，所述钢垫板4包含一个圆孔D4-1，圆孔D4-1与外盖副板1的圆孔A1-3直径相同且圆心对齐，钢垫板4的厚度应等于两层摩擦板2和一层开槽主板3的厚度之和，外盖副板1和钢垫板4自上而下依次叠放，形成三层关于钢垫板4对称分布的整体，使得组装后各板在板厚方向上没有间隙，所述摩擦型高强螺栓5穿过外盖副板1的两个圆孔A1-1、摩擦板2的两个圆孔B2-1以及开槽主板3的长圆孔C3-1，使得外盖副板1、摩擦板2和开槽主板3形成整体，开槽主板3可沿着长圆孔C3-1相对于外盖副板1和摩擦板2滑动，所述钢棒6穿过外盖副板1的长圆孔A1-2的中心、摩擦板2的长圆孔B2-2的中心以及开槽主板3的圆孔C3-2，长圆孔A1-2和长圆孔B2-2的宽度尺寸以及圆孔C3-2的直径均应略大于钢棒6的直径，当开槽主板3沿着长圆孔C3-1相对于外盖副板1和摩擦板2滑动时，穿过圆孔3-2的钢棒6受开槽主板3的作用发生弯曲变形，所述承压型高强螺栓7穿过外盖副板1的圆孔C1-3和钢垫板4的圆孔D4-1，使得外盖副板1与钢垫板4固定在一起。
当开槽主板3沿着长圆孔C3-1相对于外盖副板1和摩擦板2滑动时，开槽主板3应始终保持弹性，板内最大应力应低于其屈服应力，保证截面有足够的安全冗余度。
外盖副板1的长圆孔A1-2和摩擦板2的长圆孔B2-2的长度需要满足钢棒的弯曲变形需求，即提供足够的空间使钢棒6可以进行弯曲变形而不触碰管壁发生剪切破坏，也不能超过其1.3倍，防止截面削弱过大，影响阻尼器使用、安全性能。
钢棒6两端位于外盖副板1以外的部分可开螺牙，便于钢棒6的定位与连接。但钢棒6在外盖副板1、摩擦板2和开槽主板3形成的五层关于开槽主板3对称分布的整体总厚度内则不应开螺牙，避免对钢棒截面的削弱，降低其耗能效果，同时避免螺纹与开槽主板3的圆孔C3-2发生硬接触时的螺纹损坏。
钢棒6的屈曲长度可以通过在外盖副板1的长圆孔A1-2上增加附加长圆形套筒增加，而不受外盖副板1、摩擦板2和开槽主板3形成的五层关于开槽主板3对称分布的整体的总厚度的限制。
钢棒6的材质不局限于钢材，可替换为铜材、铝材等高延性、高耗能材料。
在钢棒6破坏后，本阻尼器不会立即失效，开槽主板3仍可与摩擦板2发生相互运动产生摩擦耗能，体现出两阶段耗能的特点，增加了结构的安全冗余度。
实施例2
如图7～9所示：本实施例与实施例1其余部分相同，不同之处在于所述外盖副板1不仅包含两个圆孔A1-1、两个长圆孔A1-2和一个圆孔E1-3，而且还包含两个附加长圆形套筒1-4，附加长圆形套筒1-4的内壁尺寸应略大于长圆孔A1-2的尺寸，高度则根据钢棒6屈服长度的要求进行调节，壁厚则需保证附加长圆形套筒1-4在阻尼器工作时不发生屈曲且截面处于弹性阶段。附加长圆形套筒1-4的中心应与长圆孔E1-3的中心对齐，刚接于外盖副板1之上。
实施例3
如图10～12所示：本实施例与实施例1其余部分相同，不同之处在于所述开槽主板3中圆孔C3-2换成了长圆孔F3-2，其长度为长圆孔C3-1的二分之一，和长圆孔A1-2、长圆孔B2-2对齐，使得在小位移情况下，钢棒在长圆孔F3-2内滑动而不变形；而大位移情况下，弯曲杆顶到长圆孔C3-2孔壁发生变形，以实现弯曲耗能滞后的效果。
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)
1.一种摩擦-弯曲双功能阻尼器，其特征在于：包括外盖副板(1)、摩擦板(2)、开槽主板(3)、钢垫板(4)、摩擦型高强螺栓(5)、钢棒(6)和承压型高强螺栓(7)，
所述外盖副板(1)包含两个圆孔A(1-1)、两个长圆孔A(1-2)和一个圆孔E(1-3)；所述摩擦板(2)包含两个圆孔B(2-1)和两个长圆孔B(2-2)，圆孔B(2-1)与外盖副板(1)中的圆孔A(1-1)直径相同且圆心对齐，长圆孔B(2-2)与外盖副板(1)中的长圆孔A(1-2)大小相同且对齐；所述开槽主板(3)包含一个长圆孔C(3-1)和两个圆孔C(3-2)，长圆孔C(3-1)对应于外盖副板(1)中的两个圆孔A(1-1)，使得两圆孔A(1-1)位于长圆孔C(3-1)的中部且两侧均有一定的活动距离，圆孔C(3-2)对应于外盖副板(1)中的两个长圆孔A(1-2)，圆孔C(3-2)位于长圆孔A(1-2)的正中间，外盖副板(1)、摩擦板(2)和开槽主板(3)自上而下依次叠放，形成五层关于开槽主板(3)对称分布的整体；所述钢垫板(4)包含一个圆孔D(4-1)，圆孔D(4-1)与外盖副板(1)的圆孔E(1-3)直径相同且圆心对齐，钢垫板(4)的厚度应等于两层摩擦板(2)和一层开槽主板(3)的厚度之和，外盖副板(1)和钢垫板(4)自上而下依次叠放，形成三层关于钢垫板(4)对称分布的整体，使得组装后各板在板厚方向上没有间隙；所述摩擦型高强螺栓(5)穿过外盖副板(1)的两个圆孔A(1-1)、摩擦板(2)的两个圆孔B(2-1)以及开槽主板(3)的长圆孔C(3-1)，使得外盖副板(1)、摩擦板(2)和开槽主板(3)形成整体，开槽主板(3)能沿着长圆孔C(3-1)相对于外盖副板(1)和摩擦板(2)滑动；所述钢棒(6)穿过外盖副板(1)的长圆孔A(1-2)的中心、摩擦板(2)的长圆孔B(2-2)的中心以及开槽主板(3)的圆孔C(3-2)，长圆孔A(1-2)和长圆孔B(2-2)的宽度尺寸以及圆孔C(3-2)的直径均应大于钢棒(6)的直径；所述承压型高强螺栓(7)穿过外盖副板(1)的圆孔A(1-3)和钢垫板(4)的圆孔D(4-1)，使得外盖副板(1)与钢垫板(4)固定在一起。
2.根据权利要求1所述的一种摩擦-弯曲双功能阻尼器，其特征在于：当开槽主板(3)沿着长圆孔C(3-1)相对于外盖副板(1)和摩擦板(2)滑动时，开槽主板(3)应始终保持弹性，板内最大应力应低于其屈服应力，保证截面有足够的安全冗余度。
3.根据权利要求1所述的一种摩擦-弯曲双功能阻尼器，其特征在于：外盖副板(1)的长圆孔A(1-2)和摩擦板(2)的长圆孔B(2-2)的长度需要满足钢棒的弯曲变形需求，即提供足够的空间使钢棒(6)进行弯曲变形而不触碰管壁发生剪切破坏，也不能超过钢棒(6)变形范围的1.3倍，防止截面削弱过大，影响阻尼器使用、安全性能。
4.根据权利要求1所述的一种摩擦-弯曲双功能阻尼器，其特征在于：钢棒(6)两端在位于外盖副板(1)以外的部分开螺牙，便于钢棒的定位与连接；但钢棒(6)在外盖副板(1)、摩擦板(2)和开槽主板(3)形成的五层关于开槽主板(3)对称分布的整体总厚度内则不应开螺牙，避免对钢棒截面的削弱，降低其耗能效果，同时避免螺纹与开槽主板(3)的圆孔(3-2)发生硬接触时的螺纹损坏。
5.根据权利要求1所述的一种摩擦-弯曲双功能阻尼器，其特征在于：钢棒(6)的屈曲长度通过在外盖副板(1)的长圆孔A(1-2)上增加附加长圆形套筒增加，而不受外盖副板(1)、摩擦板(2)和开槽主板(3)形成的五层关于开槽主板(3)对称分布的整体的总厚度的限制。
6.根据权利要求1所述的一种摩擦-弯曲双功能阻尼器，其特征在于：钢棒(6)的材质由钢材替换为铜或铝。
7.根据权利要求1所述的一种摩擦-弯曲双功能阻尼器，其特征在于：开槽主板(3)中的圆孔C(3-2)替换成长圆孔F(3-2)，长圆孔F(3-2)长度为长圆孔C(3-1)长圆孔长度的二分之一。
8.根据权利要求1所述的一种摩擦-弯曲双功能阻尼器，其特征在于：在钢棒(6)破坏后，本阻尼器不会立即失效，开槽主板(3)与摩擦板(2)发生相互运动继续产生摩擦耗能，体现出两阶段耗能的特点，增加了结构的安全冗余度。
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