CN113756635A - 一种配置自复位连杆的阻尼套筒及耗能减震方法 - Google Patents

一种配置自复位连杆的阻尼套筒及耗能减震方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种配置自复位连杆的阻尼套筒及耗能减震方法。所述阻尼套筒包括外筒、限位单元、以及自外而内依次连接并设置在外筒内的摩擦单元、自复位连杆单元和内筒；其中，限位单元包括M个第一限位板和N个第二限位板；摩擦单元包括M个与第一限位板一一对应的第一摩擦组件和N个与第二限位板一一对应的第二摩擦组件；自复位连杆单元包括M个与第一摩擦组件一一对应的第一屈曲约束棒和N个与第二摩擦组件一一对应的第二屈曲约束棒，第一、第二屈曲约束棒还与内筒铰接。所述方法包括采用上述的阻尼套筒来进行耗能减震工作。本发明的阻尼套筒采用多阶段耗能，克服了单一耗能的缺陷，耗能减震效果好；本发明阻尼套筒可在现场直接组装，使用便捷。

Description

一种配置自复位连杆的阻尼套筒及耗能减震方法
技术领域
本发明涉及结构工程领域，特别地，涉及一种配置自复位连杆的阻尼套筒和一种耗能减震方法。
背景技术
近二、三十年，人们对建筑物的抗振动的能力的提高付出了巨大的努力，取得了显著的成果“结构的保护系统”。相关研究者跳出了增强梁、柱、等提高抗振动的能力的观念，结合结构的动力性能，提出了各种保护系统去避免或减少了地震、风力的破坏。耗能系统、基础隔震、阻尼器吸能以及主动控制减震体系等都已运用到了工程实际。有的甚至成为了结构减少振动必不可少的保护措施之一。特别是，对于难以预料的地震——破坏机理还不是十分清楚的三维振动，这些结构的保护系统就愈发重要。
其中，这些结构保护系统中争议最少，要属利用阻尼器来保护结构。利用阻尼器吸能减震不是什么新技术，在枪炮，汽车，航天等行业中早已应用阻尼器来减振消能。二十世纪七十年代后，相关研究者开始逐步地把这些技术转用到结构中，发展十分迅速。
阻尼套筒目前比较成熟的减震原理有阻尼液减震、弹簧减振、高阻尼材料减震和摩擦减震等，但是单一原理阻尼套筒均有自身的缺陷，例如液压阻尼套筒的密封性能要求高，阻尼液体易漏；高阻尼材料的老化问题，像橡胶材料就易老化；摩擦阻尼器的摩擦损耗等等。
SMA是一种新型的智能材料，具有超弹性、高阻尼形状记忆效应性能等特性，但是单一使用SMA作为减震材料，减震效果有限，且受到其自身因素限制。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于克服单一原理阻尼套筒的缺陷。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种配置自复位连杆的阻尼套筒。
所述阻尼套筒可包括外筒、限位单元、以及自外而内依次设置在外筒内的摩擦单元、自复位连杆单元和内筒；其中，限位单元包括M个第一限位板和N个第二限位板，第一限位板和第二限位板都横向设置并与外筒的内表面固定连接，第一限位板位于第二限位板的上方，M和N都为整数且不小于2；摩擦单元包括M个第一摩擦组件和N个第二摩擦组件；其中，第一摩擦组件与第一限位板能够一一对应，每个第一摩擦组件都位于对应的第一限位板的上方；第二摩擦组件与第二限位板能够一一对应，每个第二摩擦组件都位于对应的第二限位板的下方；第一摩擦组件和第二摩擦组件都包括相紧密贴合的外摩擦件和内摩擦件，外摩擦件固定在外筒的内壁上；自复位连杆单元包括M个第一屈曲约束棒和N个第二屈曲约束棒；其中，第一屈曲约束棒与第一摩擦组件能够一一对应，每个第一屈曲约束棒的一端与对应第一摩擦组件的内摩擦件转动连接，另一端与内筒铰接；第二屈曲约束棒与第二摩擦组件能够一一对应，每个第二屈曲约束棒的一端对应第二摩擦组件的内摩擦件转动连接，另一端与内筒铰接；所述第一屈曲约束棒和第二屈曲约束棒中的至少一类包括：形状记忆棒，以及套设在形状记忆棒棒身上的若干个橡胶套和若干个金属套；其中，最靠里的是橡胶套，最靠外的是金属套。
进一步地，所述外筒和内筒可以共轴线。
进一步地，所述第一限位可以都位于同一平面上，所述第二限位板也可以都位于同一平面上。
进一步地，所述M＝3～8，例如，4、5、6等；所述N＝3～8，例如，4、5、6等。
进一步地，所述第一限位板朝向所述内筒的一端可以具有向上的突起结构，所述第二限位板朝向所述内筒的一端可以具有向下的突起结构。
进一步地，沿自下而上的方向，第一摩擦组件的外摩擦件朝向内摩擦件一面，与外筒内壁之间的距离逐渐增大；内摩擦件朝向外摩擦件一面，与外筒内壁之间的距离逐渐增大。
进一步地，沿自下而上的方向，第二摩擦组件的外摩擦件朝向内摩擦件一面与外筒内壁之间的距离逐渐减小，内摩擦件朝向外摩擦件一面与外筒内壁之间的距离逐渐增大的径向尺寸逐渐减小。
进一步地，所述外摩擦件和内摩擦件都可以为楔形摩擦件。
进一步地，在橡胶套的数量≥2的情况下，金属套与橡胶套的数量相同，并且两者依次交替套设。
进一步地，所述形状记忆棒的一端可以为球形端，所述内摩擦件朝向内筒的一侧具有容纳所述球形端的容纳槽。
进一步地，所述形状记忆棒的材质可以为形状记忆合金，即可以为SMA棒。
本发明另一方面提供了一种耗能减震方法。
所述方法包括采用如上所述的配置自复位连杆的阻尼套筒来进行耗能减震工作。
与现有技术相比，本发明的有益效果可包括至少一项：
(1)本发明的阻尼套筒结构简便、制作成本低。
(2)本发明的阻尼套筒所包含的各部件可以为预制件，利于大批量生产；本发明的阻尼套筒可在现场直接进行组装，且组装方式简单，使用便捷。
(3)本发明的阻尼套筒采用了多阶段耗能，克服了单一耗能的缺陷，耗能减震效果好。
(4)本发明的SMA棒外包裹橡胶和钢管，提高了SMA棒的抗压能力以及结构的耗能能力。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了本发明的配置自复位连杆的阻尼套筒的一个纵向剖面示意图；
图2示出了本发明的配置自复位连杆的阻尼套筒的一个俯视示意图；
图3示出了本发明的配置自复位连杆的阻尼套筒的一个示意图；
图4示出了本发明的配置自复位连杆的阻尼套筒的一个正视示意图；
图5示出了本发明的外筒的一个示意图；
图6示出了本发明的内筒的一个示意图；
图7示出了本发明的第二限位板的一个示意图；
图8示出了本发明外摩擦件、内摩擦件以及两者紧密贴合的示意图；
图9示出了本发明的第二屈曲约束棒的示意图；
图10示出了本发明的第二屈曲约束棒与第二摩擦组件的连接示意图；
图11示出了本发明的部分部件相连接的一个示意图。
主要附图标记说明：
1-外筒；
2-限位单元，21-第一限位板，22-第二限位板，22a-凸起结构；
3-摩擦单元，31-第一摩擦组件，32-第二摩擦组件，A-内摩擦件，B-外摩擦件，C-容纳槽；
4-自复位连杆单元，41-第一屈曲约束棒，42-第二屈曲约束棒，421-SMA棒，422-橡胶套，423-金属套；
5-内筒，51-第一铰接连接件，52-第二铰接连接件。
具体实施方式
在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的配置自复位连杆的阻尼套筒和耗能减震方法。
需要说明的是，“第一”、“第二”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”仅仅为了便于描述和构成相对的方位或位置关系，而并非指示或暗示所指的部件必须具有该特定方位或位置。
示例性实施例1
本实施性实施例提供了一种配置自复位连杆的阻尼套筒。
如图1和图2所示，所述阻尼套筒可包括：外筒1，以及自外而内依次设置在外筒1内的限位单元2、摩擦单元3、自复位连杆单元4和内筒5。
其中，如图2和图3所示，内筒5可以位于外筒1的中心位置。如图3、图5和图6所示，外筒1和内筒5两者都可以为圆筒，当然，本发明不限于此，两者的形状可以根据实际情况来改变，例如可以为方筒等。
限位单元2包括多个第一限位板21和多个第二限位板22。第一限位板21和第二限位板22都可以横向固定在外筒1的内表面。第一限位板21可以位于第二限位板22的上方。第一限位板21和第二限位板22的数量可以相同，也可以不同，例如可以都为3，也可以一个的数量为3，另一个数量为4，具体可根据实际情况来确定。
摩擦单元3包括多个第一摩擦组件31和多个第二摩擦组件32。其中，第一摩擦组件31与第一限位板21的数量相同并一一对应，每个第一摩擦组件31都位于对应的第一限位板21的上方。第二摩擦组件32与第二限位板22的数量相同并一一对应，每个第二摩擦组件32都位于对应的第二限位板22的下方。第一摩擦组件31和第二摩擦组件32都可包括如图8所示的外摩擦件B和内摩擦件A，两者紧密贴合，外摩擦件B固定在外筒1的内壁上。
自复位连杆单元4包括多个第一屈曲约束棒41和多个第二屈曲约束棒42。其中，第一屈曲约束棒41与第一摩擦组件31数量相同并一一对应，每个第一屈曲约束棒41的一端与对应第一摩擦组件31的内摩擦件A转动连接，另一端与内筒5铰接。第二屈曲约束棒42与第二摩擦组件32的数量相同并一一对应，每个第二屈曲约束棒42的一端对应第二摩擦组件32的内摩擦件A转动连接，另一端与内筒5铰接。
再次说明，上述“上”和“下”并不指示或暗示所指的部件必须具有该特定方位或位置。例如图1所示的阻尼套筒向左转90度设置时，第一限位板21位于对应第二限位板22的左方，第一摩擦组件31位于对应第二摩擦组件32的左侧等。
在本实施例中，如图4所示，外筒1的中心轴线和内筒5的中心轴线可以为同一直线。外筒1的高度小于内筒5的高度，如图4所示，内筒5的两端可以从外筒1中露出。
在本实施例中，外筒和内筒都可以为金属管，例如钢管；当然本发明不限于此，外筒和内筒的材质还可以是其他具有足够强度的材料。
在本实施例中，如图1所示，所有的第一限位板21都位于同一平面上。所有的第二限位板22也都可以位于同一平面上。
在本实施例中，如图7所示，第二限位板22的一端(朝向内筒的一端)具有向下的凸起结构22a，该凸起结构22a可以限制第二摩擦组件向里移动，即限制沿外筒的径向向内移动。
同样，第一限位板朝向内筒的一端具有向上的凸起结构，该凸起结构也可以限制第一摩擦组件向里移动，即限制沿外筒的径向向内移动。
在本实施例中，第一限位板和第二限位板都可以为圆弧状的内环板，两者与外筒之间可以通过焊接方式固定连接，当然本发明不限于此，还可以通过其他方式来固定连接。进一步地，第一限位板和第二限位板可以相同，即形状和材料相同。
在本实施例中，外摩擦件和内摩擦件都为楔形摩擦件，当然，本发明不限于此，还可根据实际情况来调整摩擦件形状。外摩擦件可以固定在外筒的内壁上，例如通过焊接方式固定连接。
在本实施例中，图8示出了本发明第二摩擦组件的外摩擦件、内摩擦件以及两者紧密贴合的示意图。其中，(a)图为外摩擦件B和内摩擦件A相贴合的示意图，(b)图为外摩擦件B的侧视示意图，(c)图为内摩擦件A的一个示意图，(d)图为内摩擦件A的正视示意图。
内摩擦件A上设置有一个容纳槽C，容纳槽C可以容纳屈曲约束棒的一端，并与容纳屈曲约束棒的一端相适配。容纳槽C还对能够对屈曲约束棒的一端起到限位的作用，即容纳槽C能够防止屈曲约束棒的一端从中滑出。
在本实施例中，第一屈曲约束棒和第二屈曲约束棒可以相同，不同之处在于两者的布设方式。
图9示出了本发明的第二屈曲约束棒的示意图，其中，(a)图为第二屈曲约束棒整体的示意图，(b)图为第二屈曲约束棒的剖解示意图，(c)图为SMA棒的示意图。
第二屈曲约束棒42可包括：SMA棒421，以及依次交替包裹在SMA棒421的身部421b上的2个橡胶套422和2个金属套423。进一步的，金属套423可以为钢管。
SMA棒421的一端可以为球形端421a。并且球形端421a的径向尺寸大于身部421b的径向尺寸。
SMA棒421的另一端421c可以为扁平状，并可开设有螺栓孔，例如圆心螺栓孔，以与内筒铰接。
在本实施例中，图10示出了第二屈曲约束棒与第二摩擦组件的连接示意图。如图10所示，第二屈曲约束棒42所包括的SMA棒421的球形端部421a位于内摩擦件A上的容纳槽内，并且在受到拉力的情况下，球形端部421a仍位于容纳槽中。进一步地，容纳槽内可以滴有一定数量的润滑油。
作为本发明的一个选择，SMA棒421的球形端部421a的径向尺寸应大于容纳槽槽口的尺寸，以避免屈曲约束棒从容纳槽中滑出。在这种情况下，在制备内摩擦件A的过程中，先将球形端部421a提前置于容纳槽中，随后再将球形端部421a与SMA棒421的其他结构固定连接，例如通过焊接使球形端部421a与SMA棒421的身部421b连接在一起。
作为本发明的另一个选择，SMA棒421的球形端部421a和/或容纳槽的材料可以为橡胶，以便球形端部421a进入容纳槽中。
在本实施例中，本发明的屈曲约束棒所包括的SMA棒背离内筒的一端可以为锥形或圆台形，并且，沿该端至另一端的方向，该端的径向尺寸逐渐增大；该端或容纳槽的材质可以为橡胶，这样该端插入容纳槽后，锥形或圆台径向尺寸大的部分可以卡在容纳槽的槽口内，以防止该端从容纳槽中滑出。
在本实施例中，本发明的屈曲约束棒所包括的SMA棒背离内筒的一端可以为倒齿结构，这样该端插入容纳槽后，其倒齿结构可以卡在容纳槽的槽口内，以防止该端从容纳槽中滑出。
在本实施例中，本发明的内摩擦件上并未设置容纳槽，本发明的屈曲约束棒所包括的SMA棒背离内筒的一端与内摩擦件之间可以铰接。
在本实施例中，图6示出了内筒的一个示意图，其中，(a)图为设置有多个铰接连接件的内筒的示意图，(b)为(a)图的局部放大示意图，放大的是第一铰接连接件。如图6所示，内筒5上可设置有多个第一铰接连接件51和多个第二铰接连接件52。第一、第二铰接连接件的结构和形状可以完全相同，不同之处在于两者的设置位置。
第一铰接连接件51可以位于第二铰接连接件52的上方。第一铰接连接件51与第一屈曲约束棒的数量相同并一一对应，每个第一铰接连接件51可以与对应的第一屈曲约束棒的另一端(即非球形端)铰接。进一步地，多个第一铰接连接件51可以均匀分布在内筒5的同一圆周上，例如在第一铰接连接件51数量为3个情况下，两两之间间隔120度，并位于同一平面上。
第二铰接连接件52与第二屈曲约束棒的数量相同并一一对应，每个第二铰接连接件52可以与对应的第二屈曲约束棒的另一端421c(图10所示)铰接。进一步地，多个第二铰接连接件52也可以均匀分布在内筒5的同一圆周上。
在本实施例中，图11示出了本发明的部分部件相连接的一个示意图。其中，如图11所示，第一摩擦组件31、第一屈曲约束棒41和内筒5上的第一铰接连接件51(如图6所示)依次连接。第二摩擦组件32、第二屈曲约束棒42和内筒5上的第二铰接连接件52(如图6所示)依次连接。
在本实施例中，本发明的配置自复位连杆的阻尼套筒既可用于建筑抗震中，也可以用于机械减振中。
为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面对本发明的配置自复位连杆的阻尼套筒的组装方法、工作原理和多阶段耗能进行进一步说明。
所述配置自复位连杆的阻尼套筒的组装方法可包括如下步骤：
步骤一、在工厂标准化生产内筒、外筒、限位板、屈曲约束棒、摩擦组件；
步骤二、将所有的屈曲约束棒一端分别铰接在内筒预留的对应的铰接连接件上，另一端放置于对应内摩擦件预留的容纳槽，并滴一定数量润滑油；
步骤三、将限位内环板、外楔形摩擦件焊接在外筒内壁的对应位置；
步骤四、将装配好内筒放置于外筒内，并将配套的内摩擦件、外摩擦件精密贴合。
所述配置自复位连杆的阻尼套筒工作原理如下：
阻尼套筒具有6根屈曲约束棒(即3根第一屈曲约束棒，3根第二屈曲约束棒)。当内筒受到荷载时，荷载由内筒沿与内筒对称布置的屈曲约束棒传导至内摩擦件，内摩擦件和外摩擦件相互摩擦耗能。荷载较大时，摩擦到一定程度，焊接在外筒内壁的限位板限制摩擦组件进一步移动。与此同时，6根对称布置的屈曲约束棒三根压缩耗能，三根拉伸耗能。包裹在SMA棒外的橡胶套和金属套在SMA棒受拉时，橡胶套能紧密贴合SMA棒，减小截面削弱；在SMA棒受压时，在橡胶套和金属套的包裹下可提升SMA的抗压能力。且SMA具有良好的自复位性能，在荷载卸除后会恢复到初始形态。
本发明的配置自复位连杆的阻尼套筒采用了多阶段耗能。其中，内筒向上和向下运动，其耗能模式均一样，以内筒向上运动为例：
在小变形阶段：第一屈曲约束棒受压推动第一摩擦件摩擦耗能；第二屈曲约束棒受拉，但第二摩擦件被第二限位板约束住不动。此时第一、第二屈曲约束棒均不参与耗能。
在大变形阶段：摩擦件由于摩擦力的增大及楔形构造而无法进一步运动，此时第一屈曲约束棒受压屈曲耗能(橡胶套和金属套发挥作用防止屈曲过大)，第二屈曲约束棒受拉屈服耗能。
最终实现了多阶段屈服。
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种配置自复位连杆的阻尼套筒，其特征在于，所述阻尼套筒包括外筒、限位单元、以及自外而内依次设置在外筒内的摩擦单元、自复位连杆单元和内筒，其中，
限位单元包括M个第一限位板和N个第二限位板，第一限位板和第二限位板都横向设置并与外筒的内表面固定连接，第一限位板位于第二限位板的上方，M和N都为整数且不小于2；
摩擦单元包括M个第一摩擦组件和N个第二摩擦组件；其中，第一摩擦组件与第一限位板能够一一对应，每个第一摩擦组件都位于对应的第一限位板的上方；第二摩擦组件与第二限位板能够一一对应，每个第二摩擦组件都位于对应的第二限位板的下方；第一摩擦组件和第二摩擦组件都包括相紧密贴合的外摩擦件和内摩擦件，外摩擦件固定在外筒的内壁上；
自复位连杆单元包括M个第一屈曲约束棒和N个第二屈曲约束棒；其中，第一屈曲约束棒与第一摩擦组件能够一一对应，每个第一屈曲约束棒的一端与对应第一摩擦组件的内摩擦件转动连接，另一端与内筒铰接；第二屈曲约束棒与第二摩擦组件能够一一对应，每个第二屈曲约束棒的一端对应第二摩擦组件的内摩擦件转动连接，另一端与内筒铰接；
第一屈曲约束棒和第二屈曲约束棒中的至少一类包括：形状记忆棒，以及套设在形状记忆棒棒身上的若干个橡胶套和若干个金属套；其中，最靠里的是橡胶套，最靠外的是金属套。
2.根据权利要求1所述的配置自复位连杆的阻尼套筒，其特征在于，所述外筒和内筒共轴线。
3.根据权利要求1所述的配置自复位连杆的阻尼套筒，其特征在于，所述第一限位板都位于同一平面上，所述第二限位板也都位于同一平面上。
4.根据权利要求1所述的配置自复位连杆的阻尼套筒，其特征在于，所述M＝3～8，所述N＝3～8。
5.根据权利要求1所述的配置自复位连杆的阻尼套筒，其特征在于，所述第一限位板朝向所述内筒的一端具有向上的突起结构，所述第二限位板朝向所述内筒的一端具有向下的突起结构。
6.根据权利要求1所述的配置自复位连杆的阻尼套筒，其特征在于，所述外摩擦件和内摩擦件都为楔形摩擦件。
7.根据权利要求1所述的配置自复位连杆的阻尼套筒，其特征在于，在所述橡胶套的数量≥2的情况下，所述金属套与所述橡胶套的数量相同，并且两者依次交替套设在所述形状记忆棒上。
8.根据权利要求1所述的配置自复位连杆的阻尼套筒，其特征在于，所述形状记忆棒的一端为球形端，所述内摩擦件朝向内筒的一侧具有容纳所述球形端的容纳槽。
9.根据权利要求1所述的配置自复位连杆的阻尼套筒，其特征在于，所述形状记忆棒的材质为形状记忆合金。
10.一种耗能减震方法，其特征在于，所述方法包括采用如权利要求1至9中任意一项的配置自复位连杆的阻尼套筒来进行耗能减震工作。
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