CN113356388A - 一种适用于装配式建筑摆动式耗能减震机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于装配式建筑摆动式耗能减震机构，包括上层结构、下层结构以及连接上层结构和下层结构的缓冲机构，所述缓冲机构包括与下层结构连接的阻尼箱，所述阻尼箱内设置腔体，所述腔体的开口位于阻尼箱的上端，所述腔体内设置阻尼液，所述阻尼箱的上端设置旋转机构，所述旋转机构上设置摆动件，所述摆动件的下部伸入腔体内，所述摆动件的上端为半圆形的第一传动件，所述上层结构下部设置与第一传动件配合的第二传动件。本发明可将相邻上下层结构的水平动能转化成摆动动能，并通过剪切阻尼液的形式转化成热能以达到耗能缓冲的效果。

Description

一种适用于装配式建筑摆动式耗能减震机构

技术领域

本发明涉及建筑抗震抗风领域中的耗能缓冲器技术领域，具体涉及一种适用于装配式建筑摆动式耗能减震机构。

背景技术

相对于传统现浇钢筋混凝土和砌体建筑而言，装配式建筑采用的是在工厂生产出包括梁、板、柱和外墙等建筑构件，经过养护并验收合格后运输至现场安装施工完成的建筑方式。以建筑构件“标准化”、建造方式“工业化”彻底颠覆了传统建筑。但同时出现很多不可轻视的问题，装配式建筑在建造过程中的可控度比传统现浇钢筋混凝土建筑低，且存在大量的二次浇筑工序，很有可能造成整体结构刚度不足、内部阻尼不足的现象，往往实际结构的整体抗震抗风性能特别是层间位移角会比设计时有较大的出入。在装配式建筑结构的层间安装耗能器是一个很好的选择，能有效解决装配式建筑结构在风振或地震作用下的层间位移角过大的问题。

活塞筒式阻尼器在实验室测试下出力大，但是在实际使用中，由于在以重力作用为主的长期荷载使得活塞筒式阻尼器的密封圈在使用过程的受力不均匀，非常容易造成密封性能大打折扣。在实际应用中，很有可能出现阻尼器的往复运动在筒中产生高压使得密封圈彻底失效以致阻尼器无法提供耗能能力的现象，因此活塞筒式阻尼器在实际应用中随着时间推移会变得越发不可靠。

墙式阻尼器是依靠内部板件在阻尼液容器中作剪切运动从而产生阻尼力，墙式阻尼器所产生的阻尼力跟内部板件的剪切面积和剪切速度成正比，因为墙式阻尼器内部剪切速度是跟随层间剪切速度，所以要提高阻尼力，除了提高阻尼液的粘度和降低阻尼液厚度之外，就是提高内部板件的剪切面积了，但是内部板件的面积越大，对于保证其平整度的生产难度就越大。

且墙式阻尼器对与剪切方向垂直的水平方向无任何释放或缓冲，很容易在地震作用下出现卡死现象，而墙式阻尼器在实验室测试时，只测试剪切方向的性能，不考虑与剪切方向垂直的水平方向的影响，与实际应用有较大出入。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种适用于装配式建筑摆动式耗能减震机构，可将相邻上下层结构的水平动能转化成摆动动能，并通过剪切阻尼液的形式转化成热能以达到耗能缓冲的效果。

为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于装配式建筑摆动式耗能减震机构，包括上层结构、下层结构以及连接上层结构和下层结构的缓冲机构，所述缓冲机构包括与下层结构连接的阻尼箱，所述阻尼箱内设置腔体，所述腔体的开口位于阻尼箱的上端，所述腔体内设置阻尼液，所述阻尼箱的上端设置旋转机构，所述旋转机构上设置摆动件，所述摆动件的下部伸入腔体内，所述摆动件的上端为半圆形的第一传动件，所述上层结构下部设置与第一传动件配合的第二传动件。

进一步的，所述第一传动件包括半圆结构的直齿轮，所述第二传动件包括与上层结构连接的齿条，所述直齿轮与所述齿条相互啮合传动。

进一步的，所述旋转机构包括阻尼箱上端两侧拱起设置的支架板，所述支架板上设置第一销孔，所述第一销孔内设置销轴，所述销轴的两端分别设置销轴挡板，所述销轴挡板与支架板固定连接，限制所述销轴的轴向位移。

进一步的，所述摆动件的上部对应销轴设置第二销孔，所述摆动件通过第二销孔套设在销轴中部，所述摆动件的下部为摆臂，所述摆臂伸入腔体内部并伸进阻尼液内，所述第二销孔与直齿轮分度圆同心。

进一步的，所述销轴上设置两个垫圈，两个垫圈分别位于摆动件的两外侧，所述垫圈与直齿轮分度圆同心，隔离摆动件和内腔的平面接触。

进一步的，所述腔体的横截面为方形，其内部还设置有至少一隔板，所述隔板将所述腔体均分成至少两个型腔，所述摆动件依照所述腔体内部的型腔数量设置有对应数量的摆臂，各所述摆臂分别伸入对应的所述型腔内。

进一步的，所述摆臂长度大于直齿轮的分度圆半径，宽度大于或等于直齿轮的分度圆直径。

进一步的，所述上层结构包括与齿条固定连接的上层结构梁，所述上层结构梁的竖截面为工型，所述上层结构梁两侧沿其长轴向排列设置多个第一加强肋板。

进一步的，所述下层结构包括位于阻尼箱底部的下层结构梁，所述下层结构梁包括与阻尼箱底部一体铸造的底部连接板，所述底部连接板的宽度大于所述阻尼箱的宽度，所述底部连接板的两侧沿其长轴向排列设置多个与阻尼箱侧面连接的第二加强肋板。

进一步的，所述阻尼箱的两侧面设置加强肋条。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明提供的建筑用摆动式耗能缓冲器，属于速度型的耗能缓冲器，其提供的阻尼力与运动件的速度成正比关系。建筑结构在遭受地震或强风时，本耗能缓冲器将层间水平位移转化成摆动位移，此过程中，摆动件在齿条传动下产生一定角速度，而摆臂各长度的线速度等于角速度乘以摆臂各长度与摆动件齿轮分度圆半径之和，因此摆臂各长度的瞬时线速度都比层间相对水平位移的速度大，同时，与耗能效果成正比关系的是剪切面积，摆臂的宽度等于甚至大于直齿轮的分度圆直径2r，其剪切面积约等于摆臂的长度乘以宽度，同时，可通过设置多层摆臂。使得本耗能缓冲器的出力大。同时齿轮啮合的间隙可控制在3mm以内，满足建筑结构层间位移控制的精度要求。

本发明提供的建筑用摆动式耗能缓冲器，其内部构造简单，适合选用粘度较高的阻尼液，提高阻尼耗能效果。

本发明提供的建筑用摆动式耗能缓冲器，其自身的工作模式不包含有液压，无需采用密封，因此可靠性高，耗能性能可长时间稳定不变。同时，与墙式阻尼器的区别是，墙式阻尼器对于平面外方向的变形依靠材料本身的延性，存在一定不确定性，容易造成卡死现象，而本耗能缓冲器在平面内方向采用直齿轮啮合的动力传动，此机构在平面外方向是齿条和摆动件的直齿轮是沿齿向滑动，呈释放状态，因此本耗能缓冲器不存在平面外方向卡死的现象。

附图说明

图1为本发明摆动式耗能减震机构安装在墙壁上的结构示意图；

图2为本发明适用于装配式建筑摆动式耗能减震机构的外观三维图；

图3为本发明适用于装配式建筑摆动式耗能减震机构的的正视图；

图4为本发明适用于装配式建筑摆动式耗能减震机构的剖视图；

图5为本发明摆动件的外观三维图；

图6为本发明另一种实施方式的外观三维图；

图7为本发明另一种实施方式的剖视图；

图8为本发明另一种实施方式中摆动件的外观三维图；

图9为本发明另一种实施方式中摆动件的剖视图。

1、上层结构梁；2、第一加强肋板；3、齿条；4、直齿轮；5、支架板；6、销轴挡板；7、阻尼箱；8、下层结构梁；9、加强肋条；10、腔体；11、第二加强肋板；12、底部连接板；13、摆动件；14、销轴；15、垫圈；16、摆臂；17、第二销孔；18、第一销孔；19、隔板；20、型腔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图1-9，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1-9所示：一种适用于装配式建筑摆动式耗能减震机构，包括上层结构、下层结构以及连接上层结构和下层结构的缓冲机构，所述缓冲机构包括与下层结构连接的阻尼箱7，所述阻尼箱7内设置腔体10，所述腔体10的开口位于阻尼箱7的上端，所述腔体10内设置阻尼液，所述阻尼箱7的上端设置旋转机构，所述旋转机构上设置摆动件13，所述摆动件13的下部伸入腔体10内，所述摆动件13的上端为半圆形的第一传动件，所述上层结构下部设置与第一传动件配合的第二传动件。

所述第一传动件包括半圆结构的直齿轮4，所述第二传动件包括与上层结构连接的齿条3，所述直齿轮4与所述齿条3相互啮合传动。

具体而言，上层结构和下层结构均为缓冲机构与上部墙体和下部墙体连接的结构，阻尼液宜选用粘度较高的阻尼液，腔体10的开口不进行密封处理。旋转机构用来支撑摆动件13绕旋转机构的中心轴进行转动，摆动件13的下部伸入阻尼液内，在其运动时阻尼液缓冲耗能。第一传动件和第二传动件可以有多种实现方式，在本方案中采用了齿轮啮合的方式，该方式可以实现防卡死以及动力传递更加稳定的效果。另外，还可以采用摩擦实现，即第一传动件为半圆形结构的传动盘，而第二传动件为长条形的板状结构，两者摩擦接触，也可以实现减震耗能的功能。

上层结构和下层结构在地震或强风作用下产生水平相对位移，水平相对位移的分量与齿条3安装方向相同时，即为齿条3与腔体10产生的水平相对位移，齿条3传动与之啮合的摆动件13，摆动件13在腔体10内作摆动运动剪切阻尼液实现耗能缓冲作用。

水平相对位移的分量与齿条3安装方向水平垂直时，即为齿条3与腔体10无水平相对位移，齿条3与摆动件13沿直齿轮4的齿向方向作相对水平位移，摆动件13无摆动运动，即不产生耗能缓冲作用。

根据本发明的一个实施例，如图1-4所示，

所述旋转机构包括阻尼箱7上端两侧拱起设置的支架板5，所述支架板5上设置第一销孔18，所述第一销孔18内设置销轴14，所述销轴14的两端分别设置销轴挡板6，所述销轴挡板6与支架板5固定连接，限制所述销轴14的轴向位移。支架板5为阻尼箱7上端拱起设置，可以为半圆形的结构，使得半圆结构的直齿轮4可以位于腔体10的上方。在支架板5上设置多个固定用的孔或螺纹孔，销轴14插入第一销孔18后，在销轴14的两端设置有销轴挡板6，销轴挡板6通过螺纹或销钉固定在支架板5的外侧。

根据本发明的一个实施例，如图1-5所示，

所述摆动件13的上部对应销轴14设置第二销孔17，所述摆动件13通过第二销孔17套设在销轴14中部，所述摆动件13的下部为摆臂16，所述摆臂16伸入腔体10内部并伸进阻尼液内，所述第二销孔17与直齿轮4分度圆同心。

所述销轴14上设置两个垫圈15，两个垫圈15分别位于摆动件13的两外侧，所述垫圈15与直齿轮4分度圆同心，隔离摆动件13和内腔的平面接触。

所述摆臂16长度大于直齿轮4的分度圆半径，宽度大于或等于直齿轮4的分度圆直径。

摆动件13的旋转依靠销轴14实现，因此摆动件13的上部对应销轴14设置第二销孔17，通过第二销孔17套设在销轴14上，实现摆动件13围绕销轴14转动。摆动件13的上端为直齿轮4，其下部为摆臂16，摆臂16伸入到腔体10内，当齿条3带动直齿轮4转动时，摆臂16围绕销轴14转动，从而剪切腔体10内的阻尼液进行运动，阻尼液吸收摆动件13的剪切力矩并向摆臂16提供反向的阻尼力矩，阻尼力矩通过摆动件13的齿轮转化成齿条3的反向水平力，以达到缓冲的作用，同时，阻尼液吸收摆动件13的摆动动能后将其转化成热能，达到耗能的效果。

垫圈15位于摆动件13的两侧且同样套设在销轴14上，用于填补摆动件13和阻尼箱7的空隙，避免摆动件13在销轴14上因为缝隙而晃动，同时隔离摆动件13和内腔的平面接触。摆臂16的长度需大于直齿轮4的分度圆半径，否则其用于剪切阻尼液的线速度和剪切面积不足，，则减震的效果较差。

在本发明的一个实施例中，如图6-9所示，

所述腔体10的横截面为方形，其内部还设置有至少一隔板19，所述隔板19将所述腔体10均分成至少两个型腔20，所述摆动件13依照所述腔体10内部的型腔20数量设置有对应数量的摆臂16，各所述摆臂16分别伸入对应的所述型腔20内。

该实施方案可以有多个摆臂16，摆臂16的数量与腔体10内型腔20的数量相对应，即有几个摆臂16的情况下就有几个型腔20。如图中所示，型腔20的数量为两个，因此摆臂16的数量为两个。

在本发明的一个实施例中，如图1-4所示，

所述上层结构包括与齿条3固定连接的上层结构梁1，所述上层结构梁1的竖截面为工型，所述上层结构梁1两侧沿其长轴向排列设置多个第一加强肋板2。上层结构梁1采用了减重的配置，其截面为工型结构，工型结构的上部与上部墙体通过螺栓固定，下部与齿条3通过螺栓固定，另外，上层结构梁1的两侧有多个第一加强肋板2，第一加强肋板2可以增加上层结构梁1的强度。

所述下层结构包括位于阻尼箱7底部的下层结构梁8，所述下层结构梁8包括与阻尼箱7底部一体铸造的底部连接板12，所述底部连接板12的宽度大于所述阻尼箱7的宽度，所述底部连接板12的两侧沿其长轴向排列设置多个与阻尼箱7侧面连接的第二加强肋板11。下层结构梁8直接与阻尼箱7一体设置，在阻尼箱7的底部一体设置底部连接板12，该底部连接板12的宽度要大于阻尼箱7底部的宽度，这样底部连接板12与下部墙体的连接更牢固，另外底部连接板12的上表面设置多个与阻尼箱7两侧连接的第二加强肋板11，该第二加强肋板11可以是与阻尼箱7外侧和底部连接板12一体铸造。

所述阻尼箱7的两侧面设置加强肋条9，该加强肋条9包括竖向与横向的加强筋，这样阻尼箱7侧壁厚度不大的情况下可以通过加强肋条9来提高结构强度。

本发明的工作原理：

参照图1，建筑结构在遭遇强风或地震时，导致建筑结构的相邻上下层作水平错位运动，水平错位运动可分解成A方向和与之水平垂直的方向B，A方向与齿条3的设置方向相同。

对于A方向，相邻上层相对于下层作水平运动，即齿条3相对于下层作水平运动，此时，齿条3将力转化成力矩传递给与其相啮合的摆动件13，摆动件13受到齿条3的力矩后作以销孔中心为圆心的圆周摆动运动，此时摆动件13的摆臂16剪切腔体10内部的阻尼液，阻尼液吸收摆动件13的剪切力矩并向摆臂16提供反向的阻尼力矩，阻尼力矩通过摆动件13的齿轮转化成齿条3的反向水平力，以达到缓冲的作用，同时，阻尼液吸收摆动件13的摆动动能后将其转化成热能，达到耗能的效果。

本专利所提供的减震机构属于剪切耗能型的减震机构，其耗能效果与摆动件13的摆臂16各长度下的线速度有直接的正比例关系。层间变形水平速度v₁传动摆动件13的直齿轮4形成角速度w₁，同时v₁=r* w₁，r为摆动件13的直齿轮4的分度圆半径。摆臂16各长度下的线速度v₂=（L+r）* w₁，L为摆臂16的计算长度。可见，摆臂16的各长度下的线速度均大于层间变形水平速度v₁。

此外，与耗能效果有直接的正比例关系的是剪切面积，摆臂16的宽度等于甚至大于直齿轮4的分度圆直径2r，其剪切面积约等于摆臂16的长度乘以宽度，同时，可通过设置多层摆臂以此成倍提高耗能效果。

对于B方向，B方向的与齿条3的设置方向水平垂直，即B方向与齿条3齿向相同，此时，齿条3的直齿与摆动件13的直齿轮4沿B方向相对滑动，因此在此方向上齿条3无动力传递给摆动件13，而是齿条3与摆动件13作B方向的水平错位运动，耗能缓冲器在此方向是释放状态，不产生耗能缓冲效果。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于装配式建筑摆动式耗能减震机构，其特征在于：包括上层结构、下层结构以及连接上层结构和下层结构的缓冲机构，所述缓冲机构包括与下层结构连接的阻尼箱（7），所述阻尼箱（7）内设置腔体（10），所述腔体（10）的开口位于阻尼箱（7）的上端，所述腔体（10）内设置阻尼液，所述阻尼箱（7）的上端设置旋转机构，所述旋转机构上设置摆动件（13），所述摆动件（13）的下部伸入腔体（10）内，所述摆动件（13）的上端为半圆形的第一传动件，所述上层结构下部设置与第一传动件配合的第二传动件。

2.如权利要求1所述的适用于装配式建筑摆动式耗能减震机构，其特征在于：所述第一传动件包括半圆结构的直齿轮（4），所述第二传动件包括与上层结构连接的齿条（3），所述直齿轮（4）与所述齿条（3）相互啮合传动。

3.如权利要求2所述的适用于装配式建筑摆动式耗能减震机构，其特征在于：所述旋转机构包括阻尼箱（7）上端两侧拱起设置的支架板（5），所述支架板（5）上设置第一销孔（18），所述第一销孔（18）内设置销轴（14），所述销轴（14）的两端分别设置销轴挡板（6），所述销轴挡板（6）与支架板（5）固定连接，限制所述销轴（14）的轴向位移。

4.如权利要求3所述的适用于装配式建筑摆动式耗能减震机构，其特征在于：所述摆动件（13）的上部对应销轴（14）设置第二销孔（17），所述摆动件（13）通过第二销孔（17）套设在销轴（14）中部，所述摆动件（13）的下部为摆臂（16），所述摆臂（16）伸入腔体（10）内部并伸进阻尼液内，所述第二销孔（17）与直齿轮（4）分度圆同心。

5.如权利要求4所述的适用于装配式建筑摆动式耗能减震机构，其特征在于：所述销轴（14）上设置两个垫圈（15），两个垫圈（15）分别位于摆动件（13）的两外侧，所述垫圈（15）与直齿轮（4）分度圆同心，隔离摆动件（13）和内腔的平面接触。

6.如权利要求4所述的适用于装配式建筑摆动式耗能减震机构，其特征在于：所述腔体（10）的横截面为方形，其内部还设置有至少一隔板（19），所述隔板（19）将所述腔体（10）均分成至少两个型腔（20），所述摆动件（13）依照所述腔体（10）内部的型腔（20）数量设置有对应数量的摆臂（16），各所述摆臂（16）分别伸入对应的所述型腔（20）内。

7.如权利要求4或6所述的适用于装配式建筑摆动式耗能减震机构，其特征在于：所述摆臂（16）长度大于直齿轮（4）的分度圆半径，宽度大于或等于直齿轮（4）的分度圆直径。

8.如权利要求2所述的适用于装配式建筑摆动式耗能减震机构，其特征在于：所述上层结构包括与齿条（3）固定连接的上层结构梁（1），所述上层结构梁（1）的竖截面为工型，所述上层结构梁（1）两侧沿其长轴向排列设置多个第一加强肋板（2）。

9.如权利要求1所述的适用于装配式建筑摆动式耗能减震机构，其特征在于：所述下层结构包括位于阻尼箱（7）底部的下层结构梁（8），所述下层结构梁（8）包括与阻尼箱（7）底部一体铸造的底部连接板（12），所述底部连接板（12）的宽度大于所述阻尼箱（7）的宽度，所述底部连接板（12）的两侧沿其长轴向排列设置多个与阻尼箱（7）侧面连接的第二加强肋板（11）。

10.如权利要求1所述的适用于装配式建筑摆动式耗能减震机构，其特征在于：所述阻尼箱（7）的两侧面设置加强肋条（9）。

Images