CN113236003B - 一种应用于预制墙板结构的多维减震装置及其减震方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于预制墙板结构的多维减震装置及其减震方法，装置包括外部钢壳、侧面钢封板、水平挤压单元、竖向挤压装置以及粘弹性减震块。粘弹性减震块分别放置于由外部钢壳、侧面钢封板以及水平挤压单元中的水平挤压钢板组成的三个空腔内部。水平挤压单元通过挤压装置内部的粘弹性减震块，对结构水平方向的震动进行控制，竖向挤压装置通过挤压装置内部的粘弹性减震块对结构竖直方向的震动进行控制。本发明具有多方向减震控制效果，水平方向和竖直方向互不干扰，传力机制明确，不易发生损坏，并且装置构造简单，节省空间，方便后期遮蔽，适用于预制墙板结构，有利于工业化生产。

Description

一种应用于预制墙板结构的多维减震装置及其减震方法
技术领域
本发明涉及一种应用于预制墙板结构的多维减震装置及其减震方法。
背景技术
预制墙板结构是由预制墙板和楼板组成承重体系的房屋结构，具有高施工质量、低周期成本和短施工工期等优点。但是预制墙板结构的节点连接与现浇结构相比较而言，局部连接处受力较为薄弱，整体性受力较差，限制了其在地震区的应用和发展。
粘弹性阻尼技术具有构造简单、造价低廉、易于维护等优点，是一种有效的结构振动控制手段，已广泛的应用于建筑和桥梁等结构体系。目前绝大多数的粘弹性阻尼器为剪切型阻尼器，由粘弹性材料与约束钢板冷粘或硫化而成，通过粘弹性材料的剪切滞回变形来耗散能量。与拉压型粘弹性阻尼器相比，剪切型粘弹性阻尼器存在大变形下易损坏、可恢复性较差的特点，并且因其受到粘弹性材料剪切面积和厚度的限制，减震装置往往占用较大的空间，在空间狭小的位置处无法隐蔽布置。此外，现有的阻尼器只具有单一方向的减震效果，在实际的多方向地震作用下减震效果不理想或无法进行有效减震，在如预制墙板结构一类的建筑中应用困难或无法应用。
论文《扇形铅黏弹性阻尼器滞回性能试验研究》中阻尼器的形式与本发明类似，但原理不同，其利用粘弹性材料的剪切变形和铅芯受到剪切作用而耗能，剪切式阻尼器中粘弹性材料和钢板间极容易发生脱层和剪切破坏，该文献中为了粘弹性材料层不发生剪切破坏，加入了叠层钢板，但这样刚度会增大，不利于实际运用，并且铅芯一定会发生破坏，需要按时检查并进行更换，并且采用铅芯还不利于保护环境。
此外，现有扇形阻尼器都是运用在框架结构梁柱节点处，且为单向装置。该文献中装置如布置在预制墙板结构中，需要同一节点布置多个。
由上所述，设计一种体积适中的、应用于预制墙板结构的、可在多方向减震控制的新型多维减震装置是一项亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供一种应用于预制墙板结构的多维减震装置及其减震方法。该装置能够提供有效的水平方向和竖直方向地震作用的控制效果，可有效防止发生装置损坏失效现象、体积小，方便遮挡，安装简便的有益效果。
为了实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：
一种应用于预制墙板结构的多维减震装置，包括：
外部钢壳，其形状为弧形方钢管，内部空间放置三块粘弹性减震块，分别是位于弧形方钢管内部空间一侧开口端处的第一粘弹性减震块、位于弧形方钢管内部空间另一侧开口端处的第二粘弹性减震块以及位于第一粘弹性减震块和第二粘弹性减震块之间的第三粘弹性减震块；
第一水平挤压单元，设置在所述外部钢壳一侧开口端，包括第一水平传力钢板、第一弧形连接钢板和第一钢端板，其中，所述第一水平传力钢板夹在所述第一粘弹性减震块和第三粘弹性减震块之间，并通过第一弧形连接钢板与第一钢端板连接组成整体的第一水平挤压单元；
第二水平挤压单元，设置在所述外部钢壳另一侧开口端，包括第二水平传力钢板、第二弧形连接钢板和第二钢端板，其中，所述第二水平传力钢板夹在所述第二粘弹性减震块和第三粘弹性减震块之间，并通过第二弧形连接钢板与第二钢端板连接组成整体的第二水平挤压单元；
所述弧形连接钢板可沿外部钢壳的内表面自由滑动；
第一侧面钢封板，与外部钢壳的一侧开口端连接，用于对所述第一粘弹性减震块进行封装；
第二侧面钢封板，与外部钢壳另一侧开口端连接，用于对所述第二粘弹性减震块进行封装；
竖向挤压装置，包括：上部端板、竖向传力钢板和钢丝绳，其中，
所述上部端板与楼板底面连接；
所述竖向传力钢板设置在外部钢壳内部且位于所述第三粘弹性减震块下方；
所述钢丝绳一端通过第一预紧螺帽件与上部端板连接，另一端穿过外部钢壳以及所述第三粘弹性减震块后通过第二预紧螺帽件与所述竖向传力钢板连接。
所述钢端板开有竖向长圆孔，通过螺栓与墙板连接，允许钢端板与墙板之间在竖直方向上有一定的滑动。
所述外部钢壳由两块弧形钢板和两块尺寸对应的扇形平钢板通过焊接固定连接，两块扇形平钢板端部开设有与所述侧面钢封板连接用的若干内螺纹孔，其中上部的扇形平钢板中部开有圆孔，供所述钢丝绳通过；
所述侧面钢封板端部处焊接长条状钢板，长条状钢板与侧面钢封板垂直，长条状钢板上开设有与扇形平钢板端部内螺纹孔对应的连接孔。
所述上部端板和竖向传力钢板的中部均开有与所述预紧螺帽件连接的内螺纹孔。
所述第一粘弹性减震块和第二粘弹性减震块形状尺寸一致，分别布置在两侧水平传力钢板的外侧；第三粘弹性减震块布置在两侧水平传力钢板的内侧，并且第三粘弹性减震块中部预留贯通孔，供钢丝绳穿过。
本发明进一步公开了一种基于所述多维减震装置的减震方法,
当所述多维减震装置受到地震作用时，由于粘弹性减震块具有较大的阻尼和良好的耗能能力，墙、板间的相对运动导致外部钢壳两侧的两个水平挤压单元对粘弹性减震块进行挤压，其中水平挤压单元在墙、板间发生向内转动的情况下，两侧的两个水平挤压单元同时对第三粘弹性减震块进行挤压；
墙、板间向外转动的情况下，第一水平挤压单元挤压第一粘弹性减震块，第二水平挤压单元挤压第二粘弹性减震块；
同时钢端板上的竖向长圆孔提供给墙板和水平挤压单元一定的滑移量，保证水平挤压单元在墙板间发生剪切运动时不损坏；
楼板与墙板间发生相对运动时，竖向挤压装置中的钢丝绳从上部端板传力至竖向传力钢板，保证该装置在地震作用下随楼板与墙板之间发生任何角度的平动或转动都对第三粘弹性减震块进行挤压，第三粘弹性减震块发生压缩变形而消耗地震输入的能量，减轻结构的动力响应，保持建筑整体结构处于较好的弹性状态。
相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：
第一、本发明利用粘弹性材料的压缩变形耗能，本发明采用压缩耗能的方式，由于粘弹性材料良好的压缩性能，并随着压缩量的增加刚度也随之增加，不会发生装置破坏的现象，与剪切型粘弹性阻尼器相比，不存在钢板和粘弹性材料的薄弱连接面，装置工作时不易发生破坏，恢复性良好。
第二、本发明考虑了多方向的减震效果，以水平减震为主，竖向减震为辅，运用在预制墙板结构（如预制叠合剪力墙结构）、砌体结构中，传力机制明确。采用柔性钢丝绳拉动竖向传力钢板向上挤压粘弹性材料，保证楼板相对墙板发生任意错动都可耗能。水平方向和竖直方向共用第三粘弹性减震块，但不阻挡另一方向的变形。
第三、本装置同一节点只需要布置一个，节省空间。
第四、本发明的多维减震装置采用挤压粘弹性材料的方式进行耗能，钢板和粘弹性材料层未采用高温硫化或冷粘连接，无需制作模具，降低了生产成本。
第五、本发明的多维减震装置适用于预制墙板结构和砌体结构，布置在墙角位置，占用较小空间，对建筑使用功能影响较小，方便后期遮蔽。
附图说明
图1为本发明的多维减震装置结构示意图；
图2为本发明的多维减震装置正视图；
图3为本发明的多维减震装置A-A水平剖面图；
图4为本发明的多维减震装置B-B垂直剖面图；
图5为本发明的多维减震装置的立体分离示意图。
其中,1、外部钢壳；2-1、第一侧面钢封板；2-2、第二侧面钢封板；3-1、第一水平挤压单元；3-2第二水平挤压单元；4、竖向挤压装置；5-1、第一粘弹性减震块；5-2、第二粘弹性减震块；5-3、第三粘弹性减震块；6-1、第一水平传力钢板；6-2、第二水平传力钢板；7-1、第一弧形连接钢板；7-2、第二弧形连接钢板；8-1、第一钢端板；8-2、第二钢端板；9、上部端板；10-1、上预紧螺帽件；10-2、下预紧螺帽件；11、柔性钢丝绳；12、竖向传力钢板。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明进行详细描述。
实施例1
如图1和图2所示，本发明所述的是一种应用于预制墙板结构的多维减震装置。所述多维减震装置由外部钢壳1、侧面钢封板、水平挤压单元、竖向挤压装置4以及粘弹性减震块组成，粘弹性减震块放置在由外部钢壳1和侧面钢封板形成的空间内部，分别是位于弧形方钢管内部空间一侧开口端处的第一粘弹性减震块5-1、位于弧形方钢管内部空间另一侧开口端处的第二粘弹性减震块5-2以及位于第一粘弹性减震块和第二粘弹性减震块之间的第三粘弹性减震块5-3；
外部钢壳1和侧面钢封板采用螺栓连接，所述外部钢壳1由两块弧形钢板和两块尺寸对应的扇形平钢板通过焊接固定连接，本实施例中，扇形平钢板形状为1/4圆弧段，两块扇形平钢板端部开设有与所述侧面钢封板连接用的若干内螺纹孔；
所述侧面钢封板端部处焊接长条状钢板，长条状钢板与侧面钢封板垂直，长条状钢板上开设有与扇形平钢板端部内螺纹孔对应的连接孔。
所述水平挤压单元固定在两块相接墙板的直角边处，竖向挤压装置4固定在与墙板相接的楼板下表面。
如图3、图4和图5所示，水平挤压单元包括第一水平挤压单元和第二水平挤压单元；
第一水平挤压单元设置在所述外部钢壳一侧开口端，包括第一水平传力钢板6-1、第一弧形连接钢板7-1和第一钢端板8-1，其中，所述第一水平传力钢板6-1夹在所述第一粘弹性减震块5-1和第三粘弹性减震块5-3之间，并通过第一弧形连接钢板7-1与第一钢端板8-1连接组成整体的第一水平挤压单元；
第二水平挤压单元设置在所述外部钢壳另一侧开口端，包括第二水平传力钢板6-2、第二弧形连接钢板7-2和第二钢端板8-2，其中，所述第二水平传力钢板6-2夹在所述第二粘弹性减震块5-2和第三粘弹性减震块5-3之间，并通过第二弧形连接钢板7-2与第二钢端板8-2连接组成整体的第二水平挤压单元。
第一粘弹性减震块5-1、第二粘弹性减震块5-2以及第三粘弹性减震块5-3，与外部钢壳1、侧面钢封板、水平传力钢板6和弧形连接钢板7直接接触，不使用胶沾的方式。
粘弹性减震块的体积略大于外部钢壳1的内部空腔体积形成预压，使得装置内部紧密不留缝隙，避免微小变形时装置不工作。
竖向挤压装置4由上部端板9、上预紧螺帽件10-1、下预紧螺帽件10-2、柔性钢丝绳11和竖向传力钢板12组成。上部端板9和竖向传力钢板12中部对应位置开孔并且攻内螺纹，然后通过上预紧螺帽件10-1、下预紧螺帽件10-2和柔性钢丝绳11相连，上部端板9放置于装置外的上部，竖向传力钢板12放置于装置内第三粘弹性减震块5-3下部，外部钢壳1和第三粘弹性减震块5-3都开有圆孔供柔性钢丝绳穿过，并且通过调整预紧螺帽件可对第三粘弹性减震块5-3进行预压。
发明多维减震装置装配时，首先将硫化好的粘弹性材料切割成既定尺寸的粘弹性减震块，并在第三粘弹性减震块5-3中部开小圆孔，大小须能通过下预紧螺帽件10-2和柔性钢丝绳11，将第三粘弹性减震块5-3和竖向传力钢板12放置在外部钢壳1内腔中部，并通过柔性钢丝绳11连接好上部端板9，竖向挤压装置4装配完毕。
先将水平挤压单元中的第一水平传力钢板6-1紧靠第三粘弹性减震块5-3，塞入第一粘弹性减震块5-1和第三粘弹性减震块5-3之间，盖上第一侧面钢封板2-1紧固连接螺栓。
水平挤压单元中的第二水平传力钢板6-2紧靠第三粘弹性减震块5-3，塞入第二粘弹性减震块5-2和第三粘弹性减震块5-3之间，盖上第二侧面钢封板2-2紧固连接螺栓。
为减小摩擦，可在第一水平挤压单元中的第一弧形连接钢板7-1和外部钢壳1的接触面涂刷少量润滑剂，第二水平挤压单元和第一水平挤压单元采用相同的处理手段；
最终将整个装置安装在结构的墙角处，钢端板通过螺栓固定在墙板表面，上部端板9固定在楼板表面，完成多维减震装置的安装。
根据目标结构各项性能指标以及多维减震装置在结构中布置的位置参数对多维减震装置所选用的刚度、阻尼性能进行优化。
作为本发明实施例1技术方案的进一步优化，所述第一粘弹性减震块5-1和第二粘弹性减震块5-2形状尺寸一致，分别布置在两侧水平传力钢板的外侧；第三粘弹性减震块5-3布置在两侧水平传力钢板的内侧。
本发明多维减震装置的减震方法, 根据目标结构各项性能指标以及多维减震装置在结构中布置的位置参数对多维减震装置所选用的刚度、阻尼性能进行优化；
当所述多维减震装置受到地震作用时，由于粘弹性减震块具有较大的阻尼和良好的耗能能力，墙、板间的相对运动导致外部钢壳两侧的两个水平挤压单元对粘弹性减震块进行挤压，其中水平挤压单元在墙、板间发生向内转动的情况下，两侧的两个水平挤压单元同时对第三粘弹性减震块进行挤压；
墙、板间向外转动的情况下，第一水平挤压单元挤压第一粘弹性减震块，第二水平挤压单元挤压第二粘弹性减震块；
同时钢端板上的竖向长圆孔提供给墙板和水平挤压单元一定的滑移量，保证水平挤压单元在墙板间发生剪切运动时不损坏；
楼板与墙板间发生相对运动时，竖向挤压装置中的钢丝绳从上部端板传力至竖向传力钢板，保证该装置在地震作用下随楼板与墙板之间发生任何角度的平动或转动都对第三粘弹性减震块进行挤压，第三粘弹性减震块发生压缩变形而消耗地震输入的能量，减轻结构的动力响应，保持建筑整体结构处于较好的弹性状态。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于，所述钢端板开有竖向长圆孔，通过螺栓与墙板连接，允许钢端板与墙板之间在竖直方向上有一定的滑动。
所述的实施例仅是本发明优选的具体实施方式，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，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种应用于预制墙板结构的多维减震装置，其特征在于，包括：
外部钢壳，其形状为弧形方钢管，内部空间放置三块粘弹性减震块，分别是位于弧形方钢管内部空间一侧开口端处的第一粘弹性减震块、位于弧形方钢管内部空间另一侧开口端处的第二粘弹性减震块以及位于第一粘弹性减震块和第二粘弹性减震块之间的第三粘弹性减震块；
第一水平挤压单元，设置在所述外部钢壳一侧开口端，包括第一水平传力钢板、第一弧形连接钢板和第一钢端板，其中，所述第一水平传力钢板夹在所述第一粘弹性减震块和第三粘弹性减震块之间，并通过第一弧形连接钢板与第一钢端板连接组成整体的第一水平挤压单元；
第二水平挤压单元，设置在所述外部钢壳另一侧开口端，包括第二水平传力钢板、第二弧形连接钢板和第二钢端板，其中，所述第二水平传力钢板夹在所述第二粘弹性减震块和第三粘弹性减震块之间，并通过第二弧形连接钢板与第二钢端板连接组成整体的第二水平挤压单元；
所述弧形连接钢板可沿外部钢壳的内表面自由滑动；
第一侧面钢封板，与外部钢壳的一侧开口端连接，用于对所述第一粘弹性减震块进行封装；
第二侧面钢封板，与外部钢壳另一侧开口端连接，用于对所述第二粘弹性减震块进行封装；
竖向挤压装置，包括：上部端板、竖向传力钢板和钢丝绳，其中，
所述上部端板与楼板底面连接；
所述竖向传力钢板设置在外部钢壳内部且位于所述第三粘弹性减震块下方；
所述钢丝绳一端通过第一预紧螺帽件与上部端板连接，另一端穿过外部钢壳以及所述第三粘弹性减震块后通过第二预紧螺帽件与所述竖向传力钢板连接。
2.根据权利要求1所述的应用于预制墙板结构的多维减震装置，其特征在于，
所述钢端板开有竖向长圆孔，通过螺栓与墙板连接，允许钢端板与墙板之间在竖直方向上有一定的滑动。
3.根据权利要求1所述的应用于预制墙板结构的多维减震装置，其特征在于，
所述外部钢壳由两块弧形钢板和两块尺寸对应的扇形平钢板通过焊接固定连接，两块扇形平钢板端部开设有与所述侧面钢封板连接用的若干内螺纹孔，其中上部的扇形平钢板中部开有圆孔，供所述钢丝绳通过；
所述侧面钢封板端部处焊接长条状钢板，长条状钢板与侧面钢封板垂直，长条状钢板上开设有与扇形平钢板端部内螺纹孔对应的连接孔。
4.根据权利要求1所述的应用于预制墙板结构的多维减震装置，其特征在于，所述上部端板和竖向传力钢板的中部均开有与预紧螺帽件连接的内螺纹孔。
5.根据权利要求1所述的多维减震装置，其特征在于，所述第一粘弹性减震块和第二粘弹性减震块形状尺寸一致，分别布置在两侧水平传力钢板的外侧；第三粘弹性减震块布置在两侧水平传力钢板的内侧，并且第三粘弹性减震块中部预留贯通孔，供钢丝绳穿过。
6.一种基于权利要求1~5中任一所述多维减震装置的减震方法，其特征在于，
当所述多维减震装置受到地震作用时，由于粘弹性减震块具有较大的阻尼和良好的耗能能力，墙、板间的相对运动导致外部钢壳两侧的两个水平挤压单元对粘弹性减震块进行挤压，其中水平挤压单元在墙、板间发生向内转动的情况下，两侧的两个水平挤压单元同时对第三粘弹性减震块进行挤压；
当墙、板间向外转动的情况下，第一水平挤压单元挤压第一粘弹性减震块，第二水平挤压单元挤压第二粘弹性减震块；
同时钢端板上的竖向长圆孔提供给墙板和水平挤压单元一定的滑移量，保证水平挤压单元在墙板间发生剪切运动时不损坏；
楼板与墙板间发生相对运动时，竖向挤压装置中的钢丝绳从上部端板传力至竖向传力钢板，保证该装置在地震作用下随楼板与墙板之间发生任何角度的平动或转动都对第三粘弹性减震块进行挤压，第三粘弹性减震块发生压缩变形而消耗地震输入的能量，减轻结构的动力响应，保持建筑整体结构处于较好的弹性状态。
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