CN113802716B - 一种层间抗扭转阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种层间抗扭转阻尼器，包括固定于建筑结构上的位移传递板、固定于下层楼板的外筒、设于所述外筒中心并绕中心旋转的传动轴，所述传动轴上端通过齿轮组与所述位移传递板连接；所述传动轴上固定设置多个类圆板，所述类圆板与所述外筒内壁之间设有缓冲耗能组件；所述缓冲耗能组件的一端固定设置在所述外筒内壁上，所述缓冲耗能组件的另一端设有摩擦垫片，所述类圆板转动时，其边缘与所述摩擦垫片发生周期性滑动摩擦进行阻尼耗能。本发明具有构造简单，抗扭转效果明显，易于适应不同建筑的扭转特征等优点。

Description

一种层间抗扭转阻尼器

技术领域

本发明涉及土木工程结构振动控制技术领域，具体涉及一种层间抗扭转阻尼器，通过将结构的扭转效应放大，并对其进行摩擦耗能以减轻扭转效应。

背景技术

随着人口增加与经济社会的发展，城市化的过程中出现了越来越多的超高层结构以满足人类的生产生活要求。然而，在自然条件或人为条件下，结构不可避免的受到诸如强风，地震，往复荷载的影响。如何提高结构安全性与可靠度，提升使用过程中的舒适性是当前减振耗能领域研究的热点。

超高层建筑中，核心筒偏置的高层建筑逐渐成为商办项目高层建筑的重要形式，但核心筒偏置的结构特点会给结构设计优化带来较多困难，在这种新型结构体系由于框架和核心筒的不对称会导致扭转不规则，在活荷载如风荷载或地震，台风作用下，结构在局部收筒处易出现不规则扭转现象，在超高层建筑中，扭转效应需要及时进行控制，以保证结构的安全性及舒适度。

发明内容

本发明的目的是在传统通过增厚或削弱剪力墙的抗扭转方法基础上，提供一种设置在层间的抗扭转阻尼器，可广泛适用于框架结构及框剪结构中。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种层间抗扭转阻尼器，包括固定于建筑结构上的位移传递板、固定于下层楼板的外筒、设于所述外筒中心并绕中心旋转的传动轴；

所述传动轴上端通过齿轮组与所述位移传递板连接；

所述传动轴上固定设置多个类圆板，所述类圆板与所述外筒内壁之间设有缓冲耗能组件；

所述缓冲耗能组件的一端固定设置在所述外筒内壁上，所述缓冲耗能组件的另一端设有摩擦垫片，所述类圆板转动时，其边缘与所述摩擦垫片发生周期性滑动摩擦进行阻尼耗能。

进一步地，所述的齿轮组包括设置在所述连接臂上的大齿轮和小齿轮，所述小齿轮安装在所述传动轴上端，所述位移传递板设有啮齿，所述小齿轮通过所述大齿轮与所述位移传递板传动连接。

所述小齿轮焊接于传动轴顶部的外套筒上，与传动轴同轴旋转，并通过连接臂与大齿轮轮齿密切接合，连接臂一端固定于传动轴的内钢柱上，与外筒形成一个整体，连接臂另一端与齿轮组的大齿轮轴心连接，大齿轮可在连接臂上绕自中心转动，大齿轮与位移传递板轮齿密切接合。

进一步地，所述缓冲耗能组件包括摩擦垫片、调谐弹簧、限制调谐弹簧侧向位移的限位板，所述调谐弹簧的一端采用焊接方式固接在所述外筒上，另一端连接摩擦垫片，调谐弹簧可通过调节自然长度以控制对类圆板接触面的压力从而控制阻尼力的大小，或者，将所述调谐弹簧替换为液压缓冲器，保证所提供的压力的稳定。

进一步地，所述限位板厚度为2-4mm，限位板与外筒的连接方式为焊接；

所述摩擦垫片与同一平面上的类圆板侧面圆弧部分保持适当接触，当类圆板转动时，摩擦垫片通过周期性的滑动耗能实现阻尼作用。

进一步地，所述外筒的内腔下部设有液体耗能阻尼机构，包括固定设置在所述传动轴的带孔隔板，所述液体耗能阻尼机构的腔体内充满胀塑性流体，所述带孔隔板随所述传动轴转动进行阻尼耗能。

进一步地，所述液体耗能阻尼机构中的顶部可设置分隔层，减少上下阻尼部分的相互影响。

进一步地，所述液体耗能阻尼机构的质量为被控楼层质量的1-5%，所述胀塑性流体为浓稠悬浮体或高分子溶液，包括聚氯乙烯悬浮液或二氧化硅颗粒悬浮液。胀塑性流体，也称剪切稠化流体，膨胀流体的表观粘度随切变速率增加而增大，该现象称为剪切增稠现象，一些浓稠悬浮体、蛋白质及某些高分子溶液可表现出剪力增稠现象。

进一步地，所述带孔隔板沿轴固定于传动轴上，设有多个，方向与外筒底面垂直，带孔隔板之间的间距为每隔45°或90°，总数量为偶数个，各带孔隔板的厚度为外筒壁厚的60%-80%；带孔隔板的孔洞率为70-80%，在孔洞的边缘增设有耐侵蚀层，以减缓流体流动对带孔隔板的损耗，例如，液体耗能阻尼机构的带孔隔板孔洞边缘采用加厚边缘或是镀铝膜或附着高分子耐磨材料如聚氨酯、丁苯橡胶等以增加边缘的耐久性。

进一步地，所述的传动轴，主要构成为一固定于外筒底部的内钢柱，与一嵌套在内钢柱外的钢外套筒，外套筒顶部封闭，在与外筒底部接触处有导轨，内钢柱与外套筒之间的夹层设置有滚珠轴承，利于外筒发生绕轴心的转动。

进一步地，所述类圆板是由两个大小相等，相互平行的类圆形及连接两个底面的一个曲面围成的几何体，其中组成上下底面的类圆形是由一个圆心角在120°~180°范围内的扇形和与之边缘相切的椭圆形部分组成；所述类圆板的侧面用摩擦垫片覆盖布满，摩擦垫片的成分为陶瓷或微金属片，厚度为2-4mm。此外，可以通过调节类圆板的初始朝向以调节不同旋转角度所受到的阻尼力大小变化，从而调节不同扭转位移对应的阻尼作用，使其广泛使用于不同的建筑结构。

进一步地，所述外筒的侧壁厚为20-30mm，为型钢冷弯而成，底板的厚度为10-15mm，为型钢冷弯而成，钢板之间的连接为焊接；所述位移传递板与建筑结构的楼板通过连接板焊接或螺栓连接。所述位移传递板可增加径向滑轨，其上对位移传递板1设置液压弹簧，以保证在扭转过程中位移传递板1与齿轮组的紧密接触。

本发明具体工作原理为，在建筑结构出现扭转变形时，位移传递板通过绕楼层几何中心的旋转，将扭转产生的弧度变化通过齿轮组变为转角，并由大齿轮传递给小齿轮，大齿轮带动小齿轮转动时起到放大扭转角度的作用，小齿轮的转动带动传动轴绕轴旋转，此时位于传动轴上类圆板的转动使得其受到缓冲耗能组件周期性的滑动摩擦，同时位于传动轴下部带孔隔板的转动使得其受到流体受切变产生的阻尼力，最终起到阻尼耗能作用，减轻建筑结构的扭转效应。

在正常使用时，位于中上部的缓冲耗能组件与下部的液体耗能阻尼机构共同通过旋转耗能将输入的能量耗散；发生中震或大震时，下部的液体耗能阻尼机构通过胀塑性流体的性质起到更明显的限位耗能作用。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1）本发明通过弹簧耗能单元中类圆板的不同角度布置，可以起到对结构某一频向的扭转效应的抑制作用。

2）本发明的弹簧耗能单元可以及时更换，更易实现阻尼器的可维护性。

3）本发明将扭转的效应通过角度的放大与转换，使得耗能阻尼结构更有效的发挥作用。

4）本发明在正常使用过程中，产生的微小扭转由上部弹簧耗能单元减轻扭转效应；在强震大风条件下，液体耗能机构中胀塑性流体的剪切变稠性质使其能抑制幅度更大的扭转位移，起到主要作用。具有适应面广的特点。

5）本发明具有易于制造，维护费用较主动式与半主动式低，适用于不同高层建筑结构的优点。

附图说明

图1为本发明一种层间抗扭转阻尼器正剖面图；

图2为本发明一种层间抗扭转阻尼器俯视图；

图3为本发明类圆板详图；

图4为本发明缓冲耗能组件详图；

图5为本发明传动轴横截面详图；

图中标号：1为位移传递板，2为大齿轮，3为连接臂，4为小齿轮，5为外筒，6为缓冲耗能组件，7为类圆板，8为带孔隔板，9为胀塑性流体，10为传动轴，11为摩擦垫片，12为限位板，13为调谐弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1、2，一种层间抗扭转阻尼器，包括位移传递板1，齿轮组，外筒5，缓冲耗能组件6，类圆板7，带孔隔板8，传动轴10，齿轮组包括大齿轮2，连接臂3，小齿轮4，缓冲耗能组件6包括摩擦垫片11，限位板12，调谐弹簧13。位移传递板1与靠近柱边的上层楼板固接，使其能够固定于建筑结构上，可以绕结构中心转动，于齿轮组接合，外筒5固定于下层楼板，设置绕中心旋转的传动轴10。在外筒5内腔的下部的液体耗能阻尼机构，具体组成为：沿传动轴10固定有带孔隔板8，并充满胀塑性流体9。沿传动轴10固定有数个类圆板7，每个类圆板7的边缘都有固定于外筒5的缓冲耗能组件6与之接触，接触的部分布置有摩擦垫片11，齿轮组设置于传动轴10顶部。

如图3，类圆板7是由两个大小相等，相互平行的类圆形及连接两个底面的一个曲面围成的几何体，其中组成上下底面的类圆形是由一个圆心角在120°~180°范围内的扇形和与之边缘相切的椭圆形部分组成，类圆板7的侧面用摩擦垫片11覆盖布满，摩擦垫片11的成分为陶瓷或微金属片，厚度为2-4mm。

外筒5为20mm厚的钢板焊接而成的长方体空腔，空腔下部装有胀塑性流体9，传动轴10与外筒5同心布置，传动轴10主要构成为一固定于外筒5底部的内钢柱，与一嵌套在内钢柱外的钢外套筒，外套筒顶部封闭，在与外筒5底部接触处有导轨，内钢柱与外套筒之间的夹层设置有滚珠轴承（如图5），利于外筒5发生绕轴心的转动。传动轴10绕中心转动，焊接于传动轴10上的带孔隔板8为6mm带孔钢板。类圆板7均通过焊接以不同角度固定于传动轴10上，其具有足够的厚度。缓冲耗能组件6焊接于外筒内壁上，与类圆板7边缘接触，其侧向位移通过焊接于调谐弹簧13外围的限位板12控制，限位板12为2mm的钢板。可通过调节缓冲耗能组件6的弹簧长度及摩擦垫片11的材料以控制改变接触滑动摩擦力。传动轴10的顶部设置有与传动轴10同心的小齿轮4组成的齿轮组，齿轮组与扭转位移传递板1接合。

在建筑结构出现扭转变形时，位于楼板上的位移传递板1通过绕楼层几何中心的旋转，将扭转产生的弧度变化通过齿轮组变为转角，并由大齿轮2传递给小齿轮4，大齿轮2带动小齿轮4转动时起到放大扭转角度的作用，小齿轮4的转动带动传动轴10绕轴旋转。此时位于传动轴10上类圆板7的转动使得其受到缓冲耗能组件6周期性的滑动摩擦，同时位于传动轴10下部带孔隔板8的转动使得其受到流体受切变产生的阻尼力，最终起到阻尼耗能作用，减轻建筑结构的扭转效应。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种层间抗扭转阻尼器，其特征在于，包括固定于建筑结构上的位移传递板（1）、固定于下层楼板的外筒（5）、设于所述外筒（5）中心并绕中心旋转的传动轴（10），

所述传动轴（10）上端通过齿轮组与所述位移传递板（1）连接；

所述传动轴（10）上沿轴向固定设置多个类圆板（7），多个类圆板（7）沿周向交错设置，所述类圆板（7）与所述外筒（5）内壁之间设有缓冲耗能组件（6）；

所述缓冲耗能组件（6）的一端固定设置在所述外筒（5）内壁上，所述缓冲耗能组件（6）的另一端设有摩擦垫片（11），所述类圆板（7）转动时，其边缘与所述摩擦垫片（11）发生周期性滑动摩擦进行阻尼耗能；

所述缓冲耗能组件（6）为可调节弹簧耗能单元，所述缓冲耗能组件（6）包括调谐弹簧（13）、限制调谐弹簧（13）侧向位移的限位板（12），所述调谐弹簧（13）的一端采用焊接方式固接在所述外筒（5）上，另一端连接摩擦垫片（11）；

所述类圆板是由两个大小相等，相互平行的类圆形及连接两个底面的一个曲面围成的几何体，其中组成上下底面的类圆形是由一个圆心角在120°~180°范围内的扇形和与之边缘相切的椭圆形部分组成；所述类圆板的侧面用摩擦垫片（11）覆盖布满。

2.根据权利要求1所述的一种层间抗扭转阻尼器，其特征在于，所述的齿轮组包括设置在连接臂（3）上的大齿轮（2）和小齿轮（4），所述小齿轮（4）安装在所述传动轴（10）上端，所述位移传递板（1）设有啮齿，所述小齿轮（4）通过所述大齿轮（2）与所述位移传递板（1）传动连接。

3.根据权利要求1所述的一种层间抗扭转阻尼器，其特征在于， 将所述调谐弹簧（13）替换为液压缓冲器。

4.根据权利要求3所述的一种层间抗扭转阻尼器，其特征在于，所述限位板（12）厚度为2-4mm，限位板（12）与外筒（5）的连接方式为焊接；

所述摩擦垫片（11）与同一平面上的类圆板（7）侧面圆弧部分保持适当接触，当类圆板（7）转动时，摩擦垫片（11）通过周期性的滑动耗能实现阻尼作用。

5.根据权利要求1所述的一种层间抗扭转阻尼器，其特征在于，所述外筒（5）的内腔下部设有液体耗能阻尼机构，包括固定设置在所述传动轴（10）的带孔隔板（8），所述液体耗能阻尼机构的腔体内充满胀塑性流体（9），所述带孔隔板（8）随所述传动轴（10）转动进行阻尼耗能。

6.根据权利要求5所述的一种层间抗扭转阻尼器，其特征在于，所述液体耗能阻尼机构的质量为被控楼层质量的1-5%，所述胀塑性流体为浓稠悬浮体或高分子溶液，包括聚氯乙烯悬浮液或二氧化硅颗粒悬浮液。

7.根据权利要求5所述的一种层间抗扭转阻尼器，其特征在于，所述带孔隔板（8）沿轴固定于传动轴（10）上，设有多个，方向与外筒（5）底面垂直，带孔隔板（8）之间的间距为每隔45°或90°，总数量为偶数个，各带孔隔板（8）的厚度为外筒壁厚的60%-80%；带孔隔板（8）的孔洞率为70-80%，在孔洞的边缘增设有耐侵蚀层，以减缓流体流动对带孔隔板（8）的损耗。

8.根据权利要求1所述的一种层间抗扭转阻尼器，其特征在于，所述的传动轴（10），主要构成为一固定于外筒（5）底部的内钢柱，与一嵌套在内钢柱外的钢外套筒，外套筒顶部封闭，在与外筒底部接触处有导轨，内钢柱与外套筒之间的夹层设置有滚珠轴承，利于外筒发生绕轴心的转动。

9.根据权利要求1所述的一种层间抗扭转阻尼器，其特征在于，所述的摩擦垫片（11）的成分为陶瓷或微金属片，厚度为2-4mm。

10.根据权利要求1所述的一种层间抗扭转阻尼器，其特征在于，所述外筒的侧壁厚为20-30mm，为型钢冷弯而成，底板的厚度为10-15mm，为型钢冷弯而成，钢板之间的连接为焊接；所述位移传递板（1）与建筑结构的楼板通过连接板焊接或螺栓连接。

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