CN114809344A - 多截面同时屈服金属阻尼装置 - Google Patents

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韩俊彦
刘飞虎
李岩
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Abstract

本发明公开了一种多截面同时屈服金属阻尼装置，与减震支座相连接，减震支座包括支座本体、上连接板和下连接板。多截面同时屈服金属阻尼装置包括多个金属阻尼器，每个金属阻尼器均包括：第一连接段、变截面段以及第二连接段。第一连接段的一端与上连接板的下方固定连接。变截面段的一端与第一连接段的另一端固定连接。第二连接段的一端与下连接板的上方固定连接，且第二连接段的另一端与变截面段的另一端固定连接。其中，变截面段的截面尺寸根据截面的受力变化情况进行变化，截面尺寸变化形式采用cos函数，f(θ)＝d‑kdcos(θ)，从而使多截面能够同时屈服。借此，本发明的多截面同时屈服金属阻尼装置，可以多截面同时屈服，耗散地震能量，且可以提供较大的变形量。

Description

多截面同时屈服金属阻尼装置
技术领域
本发明是关于建筑消能减震技术领域，特别是关于一种多截面同时屈服 金属阻尼装置。
背景技术
我国是个地震频发的国家，地震对结构安全的影响受到了越来越多的重 视，为了提高结构抵抗地震及突发性外力破坏的能力，各种形式的消能减震 技术逐渐得到了广泛的应用。
消能减震技术是当前世界各国广泛使用的抗震技术，在国内外得到了普 遍应用。目前已开发多种类型的阻尼器，譬如金属阻尼器、粘滞流体阻尼器、 粘弹性阻尼器、摩擦阻尼器和磁流变阻尼器等，其中金属阻尼器因其制作费 用较低，坚实耐用，施工方便，维护及替换费用较低，目前在工程结构减震 领域中应用最为广泛。但是传统的金属阻尼器屈服面少，耗能效率低，变形 能力小。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解， 而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员 所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多截面同时屈服金属阻尼装置，可以多截面 同时屈服，耗散地震能量，且可以提供较大的变形量。
为实现上述目的，本发明提供了一种多截面同时屈服金属阻尼装置，与 减震支座相连接，减震支座包括支座本体、上连接板和下连接板。多截面同 时屈服金属阻尼装置包括多个金属阻尼器，且每个金属阻尼器均包括：第一 连接段、变截面段以及第二连接段。第一连接段的一端与上连接板的下方固 定连接。变截面段的一端与第一连接段的另一端固定连接。以及第二连接段 的一端与下连接板的上方固定连接，且第二连接段的另一端与变截面段的另 一端固定连接。其中，变截面段的截面尺寸根据截面的受力变化情况进行变化，截面尺寸变化形式采用cos函数，f(θ)＝d-kdcos(θ)，从而使多截面能够 同时屈服，且最小截面尺寸为d0＝(1-k)d，k为截面控制系数，d为钢棒的最大 直径。
在本发明的一实施方式中，第一连接段、变截面段和第二连接段为一体 成型。
在本发明的一实施方式中，第一连接段的一端上开设有第一螺孔，且第 二连接段的一端上开设有第二螺孔。
在本发明的一实施方式中，第一螺孔和第二螺孔均为螺栓孔或螺纹孔。
在本发明的一实施方式中，第一连接段的另一端是横向与变截面段的一 端固定连接的，且第二连接段的另一端是横向与变截面段的另一端固定连接 的。
在本发明的一实施方式中，第一连接段的另一端是竖直与变截面段的一 端固定连接的，且第二连接段的另一端是竖直与变截面段的另一端固定连接 的。
在本发明的一实施方式中，第一连接段和第二连接段的材质均为钢材质， 且变截面段的材质为低屈服点钢材或SMA。
与现有技术相比，根据本发明的多截面同时屈服金属阻尼装置，在设计 地震作用下，金属阻尼器能够多截面同时屈服，耗散地震能量，能提供较大 的变形量，且地震过后，屈服或破坏的金属阻尼器可更换，减小了结构后期 修复费用。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的多截面同时屈服金属阻尼装置的一结构 示意图；
图2是图1一结构的仰视结构示意图；
图3是根据本发明一实施方式的多截面同时屈服金属阻尼装置的另一结 构示意图；
图4是图3另一结构的仰视结构示意图；
图5是根据本发明一实施方式的多截面同时屈服金属阻尼装置的计算简 易示意图；
图6是根据本发明一实施方式的多截面同时屈服金属阻尼装置的安装示 意图；
图7是根据本发明一实施方式的多截面同时屈服金属阻尼装置的单位质 量能耗量与最小截面的关系示意图。
主要附图标记说明：
1-第一连接段，2-变截面段，3-第二连接段，4-支座本体，5-上连接板， 6-下连接板，7-金属阻尼器，8-螺栓，9-第一螺孔。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本 发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包 括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或 组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
图1是根据本发明一实施方式的多截面同时屈服金属阻尼装置的一结构 示意图。图2是图1一结构的俯视结构示意图。图3是根据本发明一实施方 式的多截面同时屈服金属阻尼装置的另一结构示意图。图4是图3另一结构 的俯视结构示意图。图5是根据本发明一实施方式的多截面同时屈服金属阻 尼装置的计算简易示意图。图6是根据本发明一实施方式的多截面同时屈服 金属阻尼装置的安装示意图。图7是根据本发明一实施方式的多截面同时屈 服金属阻尼装置的单位质量能耗量与最小截面的关系示意图。
如图1至图4所示，根据本发明优选实施方式的一种多截面同时屈服金 属阻尼装置，与减震支座相连接，减震支座包括支座本体4、上连接板5和下 连接板6。多截面同时屈服金属阻尼装置包括多个金属阻尼器7，且每个金属 阻尼器7均包括：第一连接段1、变截面段2以及第二连接段3。第一连接段 1的一端与上连接板5的下方固定连接。变截面段2的一端与第一连接段1的 另一端固定连接。以及第二连接段3的一端与下连接板6的上方固定连接， 且第二连接段3的另一端与变截面段2的另一端固定连接。其中，变截面段2 的截面尺寸变化采用cos函数，f(θ)＝d-kdcos(θ)，且最小截面尺寸为d0＝(1-k)d， k为截面控制系数，d为钢棒的最大直径。
在本发明的一实施方式中，第一连接段1、变截面段2和第二连接段3为 一体成型。
在本发明的一实施方式中，第一连接段1的一端上开设有第一螺孔9，且 第二连接段3的一端上开设有第二螺孔。
在本发明的一实施方式中，第一螺孔9和第二螺孔均为螺栓8孔或螺纹 孔。
在本发明的一实施方式中，第一连接段1的另一端是横向与变截面段2 的一端固定连接的，且第二连接段3的另一端是横向与变截面段2的另一端 固定连接的。
在本发明的一实施方式中，第一连接段1的另一端是竖直与变截面段2 的一端固定连接的，且第二连接段3的另一端是竖直与变截面段2的另一端 固定连接的。
在本发明的一实施方式中，第一连接段1和第二连接段3的材质均为钢 材质，且变截面段2的材质为低屈服点钢材或SMA。
在实际应用中，本发明的多截面同时屈服金属阻尼装置包括多个金属阻 尼器7，且每个金属阻尼器7均包括第一连接段1、第二连接段3和变截面段 2。第一连接段1和第二连接段3上均设置有螺栓孔/螺纹，可与结构或构件进 行连接。第一连接段1和第二连接段3采用两种连接方式，水平式和竖直式， 能够适用不同的应用场景，可根据实际情况进行选择。第一连接段1和第二 连接段3与变截面段2连接。变截面段2的截面尺寸根据截面的受力变化情 况进行变化，截面尺寸变化形式采用cos函数，f(θ)＝d-kdcos(θ)，从而使 多截面能够同时屈服，且最小截面尺寸为d0＝(1-k)d，其中k为截面控制系数， d为钢棒的最大直径。截面尺寸的变化与截面的受力相一致，能够使该阻尼器 多截面同时屈服，提高了耗能效率和耗能量。其中，第一连接段1和第二连 接段3的材质为普通钢材，而变截面段2的材质为低屈服点钢材、SMA等。
现有等截面阻尼器截面的受力以弯曲应力为主，轴力和剪力产生的应力 较小，因此，本发明提出的金属阻尼器的截面尺寸以等截面阻尼器截面弯曲 应力变化。而现有等截面阻尼器的截面弯矩以cos函数变化，故本发明提出的 金属阻尼器的截面尺寸变化也以cos函数变化，最小截面尺寸为d0＝(1-k)d。 其中f(θ)＝d-kdcos(θ)，k为截面控制系数，d为钢棒的最大直径。
等截面型阻尼器在圆弧中心位置处的弯矩为零。此时，本发明提出的金 属阻尼器的截面尺寸也应为零，该截面也称为最小截面。但是该位置需要一 定的截面尺寸来传递阻尼器的轴力和剪力。此时，采用多大的最小截面尺寸 成为了金属阻尼器设计中的一个重要的问题。因为在圆弧中心位置处采用不 同的最小截面，阻尼器的受力状态也不同。通过结构受力分析和耗能性能优 化，计算得到最佳k值，以及相应的截面受力。
假设A截面处发生水平向位移Δ，则与A截面顺时针夹角为θ角度的截 面的弯矩Mθ、轴力Nθ和剪力Qθ可分别表示为：
Mθ＝M-QRsinθ+NR(1-cosθ) (1)
Qθ＝-Qcosθ+Nsinθ (2)
Nθ＝-(Qsinθ+Ncosθ) (3)
式中，M、N、Q分别为A截面的弯矩、轴力和剪力，R为圆弧的中心线， d为钢棒的直径。
其中公式(1)、(2)和(3)分别是截面弯矩、剪力和轴力对于转角的 贡献值。
根据变形连续性和受力平衡条件，A截面处的转角和竖直向位移为0，水 平向位移等于A截面与B截面之间的相对距离的水平分量Δ。则A截面的转 角θA可表示为：
Figure BDA0003584203860000061
式中，E为材料的弹性模量；Iθ为截面的抗弯惯性矩。
根据A截面的转角为0，可以得到式(5)。
θA＝0 (5)
A截面的水平向位移可表示为：
Figure BDA0003584203860000062
Figure BDA0003584203860000063
Figure BDA0003584203860000064
νx1+νx2+νx3＝Δ (9)
式中，G为材料的剪切模量；Aθ为截面的面积。其中，公式(6)、(7) 和(8)分别是截面弯矩、剪力和轴力对于水平向位移的贡献值。
A截面的竖直向位移可表示为：
Figure BDA0003584203860000071
Figure BDA0003584203860000072
Figure BDA0003584203860000073
νy1+νy2+νy3＝0 (13)
其中，式(10)、(11)和(12)分别是截面弯矩、剪力和轴力对于竖 直向位移的贡献值。
此时，截面的面积和抗弯惯性矩分别由式(14)和式(15)计算。
Figure BDA0003584203860000074
Figure BDA0003584203860000075
将式(14)和式(15)带入式(5)、式(9)和式(13)中，并联立式 (5)、式(9)和式(13)，求解得A截面的弯矩、轴力和剪力为：
Figure BDA0003584203860000076
Figure BDA0003584203860000081
QA＝0 (18)
其中，
Figure BDA0003584203860000082
Figure BDA0003584203860000083
Figure BDA0003584203860000084
Figure BDA0003584203860000085
Figure BDA0003584203860000086
B5＝-16Ed2k10-8πd2k9(E-2G)+k8((72E-16G)d2-64GR2)+36πd2k7(E-G)
+k6(d2(56G-240E)-832GR2)-120πd2k5(E-G)+164πd2k3(E-G)
Figure BDA0003584203860000087
B7＝16d2k7(E-2G)+k5(d2(96G-128E)-640GR2)-36πd2k4(E-G)+
k3(d2(208E-400G)+256GR2)-12πd2k2(E-G)-96d2k(E-G)+24πd2(E-G)
由式(16)、(17)和(18)可知，金属阻尼器的计算公式由圆弧的半 径R，钢棒的直径d和截面控制系数k决定。截面控制系数k决定了最小截面 的尺寸，控制整个阻尼器的受力状态。
为了使分析处于同一条件，具有可比性，采用单位质量耗能量作为评价 阻尼器性能优劣的标准。图7给出了金属阻尼器在不同最小截面时的单位质 量耗能量。其中圆弧的半径R为100mm，钢棒的直径d为10mm。从图7中 可以看出，当最小截面的直径较小时，金属阻尼器的单位质量耗能量明显小 于最小截面直径为d的金属阻尼器。这是因为金属阻尼器在最小截面处的刚 度小，发生了局部屈服。然而，当最小截面直径为d时，金属阻尼器单位质量耗能量不是最大的。当最小截面直径为0.55d时，金属阻尼器单位质量的耗 能量最大，即阻尼器的材料利用率最高。此时，单位钢材耗能量较最小截面 直径为d时提升14.13％。
当最小截面直径为0.55d时，金属阻尼器的单位质量耗能量最大，性能最 佳。
如图4所示，多截面同时屈服金属阻尼装置通过螺栓8连接到支座上。
具体步骤为多个金属阻尼器7先与下连接板6对位，然后插入螺栓8，再 将多个金属阻尼器7与上连接板5对位，并插入螺栓8。最后，依次拧紧螺栓 8，完成安装。在设计地震作用下，多个金属阻尼器7能够多截面同时屈服， 耗散地震能量，且能提供较大的变形量。地震过后，屈服或破坏的金属阻尼 器7可以更换，以减小结构后期修复费用。
金属阻尼器7的截面可以采用圆形、长方形或椭圆形等截面形式，材料 可替换为各种具有耗能特性的金属材料，还可以进行部分改进，本发明并不 以此为限。
总之，本发明的多截面同时屈服金属阻尼装置，在设计地震作用下，金 属阻尼器7能够多截面同时屈服，耗散地震能量，能提供较大的变形量，传 力稳定，耐久性好，多截面同时屈服，耗能效率高，变形能力强，能够应用 于各种建筑和桥梁结构的减震设计中。且地震过后，屈服或破坏的金属阻尼 器7可更换，减小了结构后期修复费用。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。 这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述 教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在 于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实 现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。 本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (7)

1.一种多截面同时屈服金属阻尼装置，与减震支座相连接，所述减震支座包括支座本体、上连接板和下连接板，其特征在于，所述多截面同时屈服金属阻尼装置包括多个金属阻尼器，且每个所述金属阻尼器均包括：
第一连接段，所述第一连接段的一端与所述上连接板的下方固定连接；
变截面段，所述变截面段的一端与所述第一连接段的另一端固定连接；以及
第二连接段，所述第二连接段的一端与所述下连接板的上方固定连接，且所述第二连接段的另一端与所述变截面段的另一端固定连接；
其中，所述变截面段的截面尺寸根据截面的受力变化情况进行变化，截面尺寸变化形式采用cos函数，f(θ)＝d-kdcos(θ)，从而使多截面能够同时屈服，且最小截面尺寸为d0＝(1-k)d，k为截面控制系数，d为钢棒的最大直径。
2.如权利要求1所述的多截面同时屈服金属阻尼装置，其特征在于，所述第一连接段、所述变截面段和所述第二连接段为一体成型。
3.如权利要求1所述的多截面同时屈服金属阻尼装置，其特征在于，所述第一连接段的所述一端上开设有第一螺孔，且所述第二连接段的所述一端上开设有第二螺孔。
4.如权利要求3所述的多截面同时屈服金属阻尼装置，其特征在于，所述第一螺孔和所述第二螺孔均为螺栓孔或螺纹孔。
5.如权利要求1所述的多截面同时屈服金属阻尼装置，其特征在于，所述第一连接段的所述另一端是横向与所述变截面段的所述一端固定连接的，且所述第二连接段的所述另一端是横向与所述变截面段的所述另一端固定连接的。
6.如权利要求1所述的多截面同时屈服金属阻尼装置，其特征在于，所述第一连接段的所述另一端是竖直与所述变截面段的所述一端固定连接的，且所述第二连接段的所述另一端是竖直与所述变截面段的所述另一端固定连接的。
7.如权利要求1所述的多截面同时屈服金属阻尼装置，其特征在于，所述第一连接段和所述第二连接段的材质均为钢材质，且所述变截面段的材质为低屈服点钢材或SMA。
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