CN114922305B - 一种小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置，包括直齿条、小齿轮、大齿轮、正压高强螺栓、定位高强螺栓、传递钢构件、定位钢构件、腔体连接件、连接高强螺栓、腔体盖板、腔体壳、垫圈、转轴块、形状记忆合金块、内齿轮、铅体、U型钢构件、销栓、腔体封边。该型小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置两端出现随墙体的小摇摆相对位移后，通过U型钢构件将位移传递到直齿条，直齿条上下移动令与其啮合的小齿轮发生转动，可以实现大齿轮多重剪切铅体耗能、大齿轮与腔体盖板摩擦耗能、大齿轮剪切形状记忆合金块耗能，并通过形状记忆合金块复位等多重耗能复位功能。本发明具有构造简单明确，施工工艺简单、耗能能力强、耗能稳定等优点。

Description

一种小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置

技术领域

本发明涉及一种具有小摇摆条件下传动放大耗能兼具自复位功能等优点的阻尼装置，属于工程结构减震技术领域。

背景技术

近些年地震灾害频繁发生，城市和建筑的震后可恢复性成为人们的关注的重点。摇摆墙以其构造简单、震后损伤小、修复方便等优点，得到了大量学者的青睐，然而兼具耗能能力和自复位能力的摇摆墙体系仍有不足。现阶段国内外学者通常将预应力筋引入摇摆墙中以增强其自复位能力，将耗能元件引入到摇摆墙中以增强其耗能能力。需要指出的是大部分引入的阻尼装置需利用摇摆墙摇摆产生的位移来耗散能量，阻尼装置耗能能力的大小与摇摆墙的位移大小正相关。当要求较强的自复位能力时，小位移下既有阻尼装置的耗能能力则十分有限。而利用摇摆墙的大摇摆大位移增加耗能能力势必对墙体的自复位功能提出更高的要求。如何能够平衡摇摆墙体系的耗能能力和自复位能力一直是摇摆墙体系应用和发展的难点。

为兼顾摇摆墙体系的耗能能力和自复位功能，一方面需要选用耗能能力优的耗能装置，另一方面需要实现摇摆墙小位移摇摆即可获得耗能装置大位移耗能的简单构造。有鉴于此，本发明专利提出了一种通过机械传动(惯容放大)传递位移、放大位移实现小位移摇摆大变形耗能，并通过内部复位构造实现自复位功能的新型阻尼装置。该发明具有施工工艺简单、耗能能力强、耗能稳定、具有一定自复位能力和可装配功能等优点，可以解决摇摆墙在小幅度摇摆下耗能能力差等缺点，具有广阔的理论研究意义和实用价值。

发明内容

为解决传统摇摆墙耗能能力不足、耗能不稳定、自复位能力和耗能能力不可兼得等问题，本发明提出了一种施工工艺简单、耗能能力强、耗能稳定、具有一定自复位能力和可装配功能的小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置。其可用作框架结构柱间、层间摇摆填充墙体系、摇摆剪力墙体系、摇摆砌体墙体系、桥梁结构墩柱间加固摇摆墙体系等位置，亦可用作抗震加固结构摇摆墙体中的任何可用空间中。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置，包括直齿条1、小齿轮2、大齿轮3、正压高强螺栓4、定位高强螺栓5、传递钢构件6、定位钢构件7、腔体连接件8、连接高强螺栓9、腔体盖板10、腔体壳11、垫圈12、转轴块13、形状记忆合金块14、内齿轮15、铅体16、U型钢构件17、销栓18、腔体封边19；该阻尼装置的装配步骤为：将传递钢构件6通过定位钢构件7与受控结构一端固定，将定位高强螺栓5穿过传递钢构件6，将腔体连接件8穿入定位高强螺栓5，并将其一端与传递钢构件6焊接；将腔体盖板10穿入定位高强螺栓5并与腔体连接件8焊接，将内齿轮15焊接在腔体壳11内壁，将腔体封边19穿入定位高强螺栓5并与腔体壳11焊接，将腔体盖板10按进腔体封边19内(腔体盖板10的面板直径与腔体封边19的内径相等)；将形状记忆合金块14穿入并焊接在定位高强螺栓5上，焊接位置与腔体壳11所处位置相同；将转轴块13焊接在大齿轮3的孔内壁，然后将大齿轮3穿入定位高强螺栓5上，其位置与形状记忆合金块14的位置相同，使形状记忆合金块14嵌入进转轴块13内；将小齿轮2与大齿轮3焊接，将腔体盖板10穿入定位高强螺栓5并将其按进腔体封边19内，通过正压高强螺栓4将两个腔体盖板10栓接并施加预紧力；依据直齿条1的长度在基础处打出能够容纳直齿条的孔洞，通过连接高强螺栓9将摇摆墙墙身21与U型钢构件17栓接，通过销栓18将U型钢构件17与直齿条1连接，并令直齿条1与小齿轮2啮合，将垫圈12放入小齿轮2孔内，其数量应保证可以使垫圈接触到大齿轮3，通过螺母对垫圈12施加拧紧力，螺母应与垫圈12接触，不可与小齿轮2接触，最后将通过腔体壳11上预留的孔道向腔体内灌铅，最终形成一种小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置。

所述的一种小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置，其特征在于，地震作用下，该型小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置两端出现随墙体的小摇摆相对位移后，通过U型钢构件17将位移传递到直齿条1，直齿条1上下移动令与其啮合的小齿轮2发生转动，进而带动与小齿轮2焊接的大齿轮3的转动，从而可以实现大齿轮3多重剪切铅体16耗能、大齿轮3与腔体盖板10摩擦耗能、大齿轮3剪切形状记忆合金块14耗能，并通过形状记忆合金块14复位等功能，从而使该型阻尼装置具有多种耗能和复位功能：

1.铅体多重剪切耗能：大齿轮3的转动剪切腔体壳11内的铅体16，在大齿轮3剪切铅体16的过程中，由于腔体壳11内壁焊接的内齿轮15与铅体16之间会有相对转动，所以内齿轮15也起到剪切铅体16的作用，达到铅体16多重剪切耗能目的。

2.摩擦耗能：大齿轮3的转动过程中与通过正压高强螺栓4施加了预紧力的两个腔体盖板10产生摩擦，达到大齿轮3与腔体盖板10摩擦耗能目的。

3.形状记忆合金剪切挤压耗能和复位功能：大齿轮3在转动过程中带动焊接在大齿轮3孔内壁上的转轴块13发生转动，转轴块13进而剪切挤压形状记忆合金块14，达到形状记忆合金块14剪切挤压耗能的目的，而形状记忆合金块14亦可起到自复位功能，帮助阻尼装置20复位。

所述大齿轮3的外径应比小齿轮2的外径大，二者的外径比可根据传动放大位移需求设定，一般在3～10之间；小齿轮2穿过腔体盖板10的孔洞与大齿轮3相连，小齿轮2的侧面与腔体盖板10的内面共平面，以保证小齿轮2既可以与大齿轮3焊接又可以保证大齿轮3侧面可以与腔体盖板10相接触，小齿轮2与垫圈12之间可以涂膜润滑油，减少两者之间的摩擦，小齿轮2的开孔直径等于垫圈12的外径。转轴块13外径等于大齿轮3孔径并小于垫圈12外径。

所述定位高强螺栓5直径应小于小齿轮2孔径，定位高强螺栓5直径与垫圈12内径，腔体连接件8内径，形状记忆合金块14内径和腔体盖板10孔径均保持一致，以便于装配。且定位高强螺栓5的直径不应小于20mm。

所述腔体连接件8壁厚为不小于5cm，以保证腔体盖板10与传递钢构件6之间的连接强度。腔体盖板10孔径等于小齿轮2外径，腔体盖板10厚度应为2倍的腔体封边19厚度。腔体封边19内径与内齿轮15内径保持一致，腔体封边19外径与腔体壳11外径保持一致，以满足装配要求。

所述转轴块13与大齿轮3孔内壁，形状记忆合金块14与定位高强螺栓5以及内齿轮15与腔体壳11内壁均通过焊接方式连接，焊接界面应满足各组件的传力要求。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)具有小幅度摇摆下实现传动位移放大功能；

(2)具有金属剪切、摩擦等多重耗能能力和一定的自复位功能；

(3)构造简单明确，构件之间大部分采用螺栓连接、焊接方便施工，震后容易更换配件，便于维修。

附图说明

图1为单排小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置组件示意图；

图2为单排小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置外观轴测图；

图3为单排小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置外观侧视图；

图4为双排小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置外观轴测图；

图5为形状记忆合金与转轴块布置图；

图6为小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置腔体组装图；

图7为定位钢构件与传递钢构件连接示意图；

图8为U型钢构件与直齿条连接示意图；

图9为一种应用小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置的摇摆墙轴测图；

图10为一种应用小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置的摇摆填充墙-框架示意图；

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

优选实例一：

如图9所示，本实例提供了用于桥墩系梁间的一种应用小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置的摇摆墙，根据需要安装双排耗能装置，包括阻尼装置20、摇摆墙墙身21、预应力筋22、剪力键23、预埋钢板24。其中阻尼装置20如图2、图4包括直齿条1、小齿轮2、大齿轮3、正压高强螺栓4、定位高强螺栓5、传递钢构件6、定位钢构件7、腔体连接件8、连接高强螺栓9、腔体盖板10、腔体壳11、垫圈12、转轴块13、形状记忆合金块14、内齿轮15、铅体16、U型钢构件17、销栓18、腔体封边19。

如图1所示，所述腔体连接件8穿入定位高强螺栓5并与传递钢构件6焊接，其中腔体连接件8的长度为7cm，腔体连接件8的壁厚为3cm；将腔体盖板10穿入定位高强螺栓5并与腔体连接件8焊接，其中腔体连接件8、腔体盖板10的开孔直径、定位高强螺栓5直径均为8cm，腔体盖板10面板直径32cm，腔体盖板10的厚度2cm；将内齿轮15焊接在腔体壳11内壁，其中腔体壳11内壁直径、内齿轮15外径均为35cm，内齿轮15内径32cm，腔体壳11宽度7cm，腔体壳11外径37cm，腔体壳11壁厚1cm；将一侧的腔体封边19穿入定位高强螺栓5，将腔体封边19与腔体盖板10装配，将焊接内齿轮15的腔体壳11穿入定位高强螺栓5，将已穿入定位高强螺栓5的腔体封边19与腔体壳11焊接，其中腔体封边19内径32cm，腔体封边19外径37cm，腔体封边19厚度1cm；将形状记忆合金块14穿入定位高强螺栓5并焊接在定位高强螺栓5上，形状记忆合金块14焊接的位置与腔体壳11在定位高强螺栓5上的位置相同，其中形状记忆合金块14的内径8cm，外径11cm；将转轴块13焊接在大齿轮3孔内壁，将大齿轮3穿入定位高强螺栓5，位置同形状记忆合金块14，其中转轴块13的外径、大齿轮3孔径均为13cm，转轴块13的内径11cm，大齿轮3外径32cm，大齿轮3面宽7cm；将小齿轮2穿入定位高强螺栓5并与大齿轮3焊接，其中小齿轮2的面宽7cm，外径18cm，开孔直径16cm；将腔体封边19穿入定位高强螺栓5并与腔体壳11焊接；将腔体盖板10穿入小齿轮2并装配进腔体封边19，腔体盖板10与大齿轮3接触上即可，此时腔体盖板10应有1cm的厚度露在腔体封边19外，用正压高强螺栓4连接两个腔体盖板10并施加预紧力；依据直齿条1的长度在基础处打出能够容纳直齿条的孔洞，通过连接高强螺栓9将摇摆墙墙身21与U型钢构件17栓接，通过销栓18将U型钢构件17与直齿条1连接，并令直齿条1与小齿轮2啮合，将垫圈12放入小齿轮2孔内，其数量应保证可以使垫圈接触到大齿轮3，通过螺母对垫圈12施加拧紧力，螺母应与垫圈12接触，不可与小齿轮2接触，其中直齿条1长度50cm，面宽5cm，垫圈12内径、外径分别为13cm、16cm，最后通过腔体壳11上预留的孔道向腔体内灌铅，最终形成一种应用小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置，单个阻尼装置设计出力为500kN。

如图9所示，待小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置装配完成后，将所述摇摆墙墙身21形状挖为去底部墙角的“矩形”，墙体的尺寸为长×宽×高＝1800×390×4850mm，墙角开口尺寸为长×宽×高＝225×390×530mm。进而将形成的阻尼装置按双排设置于两侧墙角开口处，形成一种应用小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置的摇摆墙。在此基础上，将摇摆墙下端插入预留在桥墩承台上的剪力键23(壁厚为50mm的筒状钢构件)中。剪力键23对称布置于墙体中线两侧，间距1000mm以满足摇摆墙承受的剪力。摇摆墙墙身21上端预埋钢板24与桥梁下系梁通过高强螺栓栓接，最终形成用于桥墩系梁间的一种应用小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置的摇摆墙。

优选实例二：

本实例提供了用于框架结构的一种应用小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置的摇摆填充墙，采用该种摇摆墙替代框架结构中的填充墙，形成具有齿轮传动耗能和自复位功能的摇摆填充墙-框架体系，此时摇摆填充墙不再是结构的非结构构件，而成为控制结构变形模式的主要受力构件，根据耗能需要单排安置耗能装置，与实例一相比少了剪力键23和预埋钢板24，包括预应力筋22、阻尼装置20，其中阻尼装置20包括直齿条1、小齿轮2、大齿轮3、正压高强螺栓4、定位高强螺栓5、传递钢构件6、定位钢构件7、腔体连接件8、连接高强螺栓9、腔体盖板10、腔体壳11、垫圈12、转轴块13、形状记忆合金块14、内齿轮15、铅体16、U型钢构件17、销栓18、腔体封边19、摇摆填充墙25。阻尼装置20的组装、以及与填充墙的安装过程均同实例一，阻尼装置各组件的尺寸和材料均可在符合组装要求的前提下根据填充墙的耗能需求选择，单个阻尼装置出力设计出力为300kN，这里不再赘述。

如图10所示所述摇摆填充墙形状为底部墙角两侧开口的“矩形”，墙体的尺寸为长×宽×高＝1800×180×2850mm，墙角开口尺寸为长×宽×高＝225×180×430mm。摇摆填充墙通过配筋与周围框架梁、柱连接，摇摆填充墙两侧框架柱底与基础断开，两者之间接触但不连接；墙体通过预应力筋22与顶、底框架梁铰接，预应力筋22附加轴压比为0.10。墙角两侧开口各安装一个阻尼装置20，最终形成具有齿轮传动耗能和自复位功能的摇摆填充墙-框架体系。当摇摆填充墙受到平面内侧向力作用时，由于摇摆填充墙两侧框架柱底与基础断开，摇摆填充墙绕着柱底转动，进而通过预应力筋22实现复位，并利用本发明阻尼装置20提供耗能。

以上所述仅是本发明专利的优选实施方式，但本发明专利的实施不限于此。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置，其特征在于：包括直齿条（1）、小齿轮（2）、大齿轮（3）、正压高强螺栓（4）、定位高强螺栓（5）、传递钢构件（6）、定位钢构件（7）、腔体连接件（8）、连接高强螺栓（9）、腔体盖板（10）、腔体壳（11）、垫圈（12）、转轴块（13）、形状记忆合金块（14）、内齿轮（15）、铅体（16）、U型钢构件（17）、销栓（18）和腔体封边（19）；传递钢构件（6）通过定位钢构件（7）与受控结构一端固定，将定位高强螺栓（5）穿过传递钢构件（6），腔体连接件（8）穿入定位高强螺栓（5），其一端与传递钢构件（6）上焊接；将腔体盖板（10）穿入定位高强螺栓（5）并与腔体连接件（8）焊接，内齿轮（15）焊接在腔体壳（11）内壁，腔体封边（19）穿入定位高强螺栓（5）并与腔体壳（11）焊接，腔体盖板（10）按进腔体封边（19）内；形状记忆合金块（14）穿入并焊接在定位高强螺栓（5）上，焊接位置与腔体壳（11）所处位置相同；转轴块（13）焊接在大齿轮（3）的孔内壁，大齿轮（3）穿入定位高强螺栓（5）上，其位置与形状记忆合金块（14）的位置相同，使形状记忆合金块（14）嵌入进转轴块（13）内；小齿轮（2）与大齿轮（3）焊接，腔体盖板（10）穿入定位高强螺栓（5）并将其按进腔体封边（19）内，通过正压高强螺栓（4）将两个腔体盖板（10）栓接并施加预紧力；依据直齿条（1）的长度在基础处打出能够容纳直齿条的孔洞，通过连接高强螺栓（9）将摇摆墙墙身（21）与U型钢构件（17）栓接，将摇摆墙墙身（21）形状挖为去底部墙角的“矩形”，阻尼装置按双排设置于两侧墙角开口处；通过销栓（18）将U型钢构件（17）与直齿条（1）连接，直齿条（1）与小齿轮（2）啮合，将垫圈（12）放入小齿轮（2）孔内，数量保证使垫圈接触到大齿轮（3），通过螺母对垫圈（12）施加拧紧力，螺母与垫圈（12）接触，不与小齿轮（2）接触，通过腔体壳（11）上预留的孔道向腔体内灌铅；所述大齿轮（3）的外径比小齿轮（2）的外径大，二者的外径比根据传动放大位移需求设定在3~10之间；小齿轮（2）穿过腔体盖板（10）的孔洞与大齿轮（3）相连，小齿轮（2）的侧面与腔体盖板（10）的内面共平面，以保证小齿轮（2）既与大齿轮（3）焊接又保证大齿轮（3）侧面与腔体盖板（10）相接触，小齿轮（2）与垫圈（12）之间涂膜润滑油，减少两者之间的摩擦，小齿轮（2）的开孔直径等于垫圈（12）的外径；转轴块（13）外径等于大齿轮（3）孔径并小于垫圈（12）外径；所述腔体连接件（8）壁厚为不小于5cm，以保证腔体盖板（10）与传递钢构件（6）之间的连接强度；腔体盖板（10）孔径等于小齿轮（2）外径，腔体盖板（10）厚度为两倍的腔体封边（19）厚度；腔体封边（19）内径与内齿轮（15）内径保持一致，腔体封边（19）外径与腔体壳（11）外径保持一致，以满足装配要求。

2.根据权利要求1所述的一种小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置，其特征在于：地震作用下，该小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置两端出现随墙体的小摇摆相对位移后，通过U型钢构件（17）将位移传递到直齿条（1），直齿条（1）上下移动令其与啮合的小齿轮（2）发生转动，进而带动与小齿轮（2）焊接的大齿轮（3）的转动，从而实现大齿轮（3）多重剪切铅体（16）耗能、大齿轮（3）与腔体盖板（10）摩擦耗能、大齿轮（3）剪切形状记忆合金块（14）耗能，并通过形状记忆合金块（14）复位功能，从而使该小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置具有多重耗能和复位功能：

1）铅体多重剪切耗能：大齿轮（3）的转动剪切腔体壳（11）内的铅体（16），在大齿轮（3）剪切铅体（16）的过程中，由于腔体壳（11）内壁焊接的内齿轮（15）与铅体（16）之间会有相对转动，所以内齿轮（15）也起到剪切铅体（16）的作用，达到铅体（16）多重剪切耗能目的；

2）摩擦耗能：大齿轮（3）的转动过程中与通过正压高强螺栓（4）施加预紧力的两个腔体盖板（10）产生摩擦，达到大齿轮（3）与腔体盖板（10）摩擦耗能目的；

3）形状记忆合金耗能和复位功能：大齿轮（3）在转动过程中带动焊接在大齿轮（3）孔内壁上的转轴块（13）发生转动，转轴块（13）进而剪切挤压形状记忆合金块（14），达到剪切挤压形状记忆合金块（14）耗能的目的，而形状记忆合金块（14）亦可起到自复位功能，帮助阻尼装置（20）复位。

3.根据权利要求1所述的一种小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置，其特征在于：所述定位高强螺栓（5）直径小于小齿轮（2）孔径；定位高强螺栓（5）直径与垫圈（12）内径，腔体连接件（8）内径，形状记忆合金块（14）内径和腔体盖板（10）孔径均保持一致；且定位高强螺栓（5）的直径不小于20mm。

4.根据权利要求1所述的一种小摇摆传动放大耗能复位阻尼装置，其特征在于：所述转轴块（13）与大齿轮（3）孔内壁，形状记忆合金块（14）与定位高强螺栓（5）以及内齿轮（15）与腔体壳（11）内壁均通过焊接方式连接，焊接界面满足各组件的传力要求。