CN115198908B - 一种蜂窝式阻尼器及其复合型蜂窝结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种蜂窝式阻尼器，其中腹板的蜂窝结构为多材料复合结构，包括芯层和外层，其中芯层为超高性能混凝土材质，外层为钢材质；所述芯层内开设有芯层空腔，芯层空腔内填充有硬质聚氨酯塑料泡沫。上述复合型蜂窝结构，通过钢外层与UHPC芯层相复合，改变传统的纯钢蜂窝结构的应力状态，延缓外层钢材的破坏，并同时利用超高性能混凝土本身所拥有的良好耗散能力，综合提升蜂窝结构的耗能效果；同时利用RPUF减小蜂窝结构整体刚度，避免由于钢外层包裹UHPC芯层复合结构刚度过大所导致的难以充分耗能问题。
Description
技术领域
本发明属于减震耗能阻尼器技术领域，具体涉及一种蜂窝式阻尼器及其复合型蜂窝结构。
背景技术
地震动荷载对建筑结构的破坏性是巨大的，特别是对高耸结构会产生层间剪切位移，当各层间剪力超过建筑结构最大设计极限时，结构便会发生倒塌破坏，造成生命和财产威胁。针对此，通过在各层间设置阻尼器可有效减轻地震动荷载的影响，保障结构安全。
传统的地震耗能阻尼器中，多采用低屈服高韧性的钢材作为阻尼结构的原材料。在众多阻尼结构中，蜂窝结构在剪切荷载作用下有着更优的耗散性能，因此是耗能结构首选的几何构型。然而纯钢材质的蜂窝结构在受到荷载作用下，容易在蜂窝各胞元结构的拐角处发生断裂，从而导致发生断裂的局部区域失效，进而降低整体结构的耗能能力。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种蜂窝式阻尼器及其复合型蜂窝结构，用以解决传统钢材质蜂窝结构的易断裂失效问题。
本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。
一种复合型蜂窝结构，包括若干连续设置的正六边形胞元，所述胞元内开设有蜂窝孔，所述蜂窝孔为通孔；所述胞元包括芯层和外层，其中外层包裹于芯层外表面，芯层为超高性能混凝土材质，外层为钢材质。
进一步地，所述芯层内开设有芯层空腔，芯层空腔内填充有硬质聚氨酯塑料泡沫。
进一步地，所述芯层空腔开设于胞元的每一个边框内。
进一步地，两胞元之间的壁厚为7mm，所述钢材质的厚度为1mm。
进一步地，所述芯层空腔外围的超高性能混凝土厚度为0.5mm。
进一步地，所述芯层孔隙率为71.1％。
进一步地，所述超高性能混凝土中钢纤维体积分数为2％～2.5％。
一种蜂窝式阻尼器，包括两块承载板以及连接在两承载板之间的腹板，所述腹板采用权上述复合型蜂窝结构。
进一步地，所述腹板数量≥2。
进一步地，相邻腹板的间距为100mm，腹板厚度为10mm。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提供了一种复合型蜂窝结构，通过钢外层与UHPC芯层相复合，改变传统的纯钢蜂窝结构的应力状态，延缓外层钢材的破坏，并同时利用超高性能混凝土本身所拥有的良好耗散能力，综合提升蜂窝结构的耗能效果。
(2)本发明复合型蜂窝结构之中，在芯层内开设空腔，并在空腔内填充硬质聚氨酯塑料泡沫，从而减小蜂窝结构整体刚度，弱化蜂窝结构承载性能，增加结构韧性，以此提升单位质量耗能能力，避免由于钢外层包裹UHPC芯层复合结构刚度过大所导致的难以充分耗能问题。
(3)本发明还提供了一种阻尼器，其中腹板采用本发明综合钢、UHPC和RPUF三种材料复合而成的蜂窝结构，其在承受周期性剪切位移荷载时，随着位移的增大，耗散速率呈现指数型增长，总体结构稳定、塑性屈服区分布均匀，相比传统的纯钢材质有着更为优异的耗散性能，能够有效应对大震作用，保护建筑物受地震破坏。
附图说明
图1为本发明阻尼器结构图；
图2为本发明腹板结构图；
图3为蜂窝结构芯层截面图；
图4为测试例中蜂窝结构尺寸图；
图5为塑性耗能曲线图；
图6为滞回曲线图。
附图标记：
1-上承载板； 2-下承载板； 3-腹板； 31-胞元；
32-蜂窝孔； 331-芯层 332-芯层空腔； 4-连接孔。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所示实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相通或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
一、技术方案
如图1和图2所示的阻尼器，包括上承载板1、下承载板2和腹板3，其中腹板3垂直设置于上承载板1与下承载板2之间，所述腹板3的数量≥2，多个腹板3之间沿腹板3厚度方向并排设置。所述腹板3用作于阻尼器的塑性耗散区，以承受地震荷载。所述上承载板1和下承载板2上均匀开设有多个连接孔4，连接孔4可以为螺纹孔或光孔；上承载板1和下承载板2用于连接建筑物的防护结构和支撑结构；上承载板1和下承载板2均为高屈服强度钢材质，以防在地震时发生剪切破坏。
如图2所示的腹板3，整体为蜂窝结构，包括若干正六边形的胞元31，每个胞元31之中开设有沿板厚方向前后贯通的蜂窝孔32。
所述腹板3由多种材料复合而成，包括外层和芯层331，其中外层为钢材质，钢材质外层包裹于芯层331外表面；所述芯层331为超高性能混凝土(UHPC)，且所用超高性能混凝土中钢纤维体积分数为2％～2.5％。
上述由超高性能混凝土与钢材复合而成的蜂窝结构，在承受周期性剪切位移荷载时，随着荷载逐渐加大，由超高性能混凝土制成的芯层首先进入塑性耗散能量，进而由钢材制成的外层再进入塑性耗散能量，最终通过二者共同完成荷载能量的耗散。相比于传统的纯钢材质的蜂窝结构，上述复合材质的蜂窝结构通过加入超高性能混凝土芯层，以此改变蜂窝结构的应力状态，延缓外层钢材的破坏，并同时利用超高性能混凝土本身所拥有的良好耗散能力，综合提升蜂窝结构的耗能效果。
进一步优选地，如图3所示，在胞元31每条边框的芯层331之中开设有芯层空腔332，芯层空腔332内填充有硬质聚氨酯塑料泡沫(RPUF)。硬质聚氨酯塑料泡沫是一种比重小、价格低、成型容易的多孔介质。通过将硬质聚氨酯塑料泡沫填充入超高性能混凝土芯层之中，能够减小蜂窝结构的整体刚度，弱化蜂窝结构的承载性能，增加结构韧性，从而提高UHPC及蜂窝结构单位质量下的耗能能力，避免由于钢外层包裹UHPC芯层这一复合结构刚度过大所导致的难以充分耗能问题。
二、对比测试
如图4所示，按上述技术方案制备阻尼器，其中腹板3厚度10mm，长213.62mm，高140mm，相邻腹板3之间间距100mm。腹板3中每个胞元31内侧边长23.09mm；两两胞元31之间壁厚7mm，其中外层钢材厚度1mm，芯层空腔332外围的超高性能混凝土厚度0.5mm，芯层331孔隙率为71.1％(芯层空腔332体积占芯层331总体积的比值)；最终腹板3中钢材占3.49E-002kg，超高性能混凝土占4.77E-002kg，硬质聚氨酯塑料泡沫占2.08E-002kg，总质量4.175E-001kg。
作为对比测试的阻尼器，除腹板3的材质和厚度外，其余均保持相同；其中腹板3采用纯钢钢材，腹板3厚度为5.048mm，所制成的腹板3总质量为4.175E-001kg，也即质量与上述复合材质的腹板3相同。
分别对上述复合材质蜂窝结构腹板和纯钢材质蜂窝结构腹板进行性能测试，其中图5所示为在逐渐增大的位移周期载荷下的塑性耗能曲线，图6所示为在逐渐增大的位移周期载荷下的滞回曲线。
根据图5所示，纯钢材质的蜂窝结构在结束加载时总塑性耗散能是405.687J，单位质量的耗能为405.687J/4.175E-001kg＝971.71J/kg；本发明复合材质的蜂窝结构总塑性耗能是551.604J，其对应的单位质量耗能是551.604J/4.175E-001kg＝1321.21J/kg。综上，相比传统的纯钢材质蜂窝结构，本发明复合型蜂窝结构单位质量耗能提升了35.97％。
根据图6所示，相较于纯钢材质蜂窝结构，本发明复合型蜂窝结构初始刚度较低、初始屈服力较低、初始屈服位移较大，滞回曲线饱满。在测试时，纯钢材质的蜂窝结构腹板在加载后出现了多处断裂情况，由此导致其承载力迅速下降，滞后回环面积减少；而相对应的，采用本发明复合材质的蜂窝结构腹板，虽然加载后在钢材外层上也出现了多部位断裂，但是断裂面积较小，同时结构整体的承载能力还不断提高，滞后回环面积逐渐增大，耗散性更优。
因此综上，本发明多材质复合型蜂窝结构十分适合作为应对大震作用下的阻尼器腹板。虽然传统的纯钢结构在初始过程中耗能速率高，但是其结构不稳定、塑性屈服区域分布不均匀，导致材料浪费，为达阻尼器所需性能要求，需要耗费较多材料。而本发明复合型蜂窝结构，虽然初始耗能速率低，但是随着位移周期载荷的增大，耗散速率呈现指数型增长，总体结构稳定、塑性屈服区分布均匀，能够最大限度的利用上材料的耗散性能。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变形均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种复合型蜂窝结构，其特征在于：包括若干连续设置的正六边形胞元(31)，所述胞元(31)内开设有蜂窝孔(32)，所述蜂窝孔(32)为通孔；所述胞元(31)包括芯层(331)和外层，所述外层包裹于芯层(331)外表面，所述芯层为超高性能混凝土材质，所述外层为钢材质。
2.根据权利要求1所述的复合型蜂窝结构，其特征在于：所述芯层(331)内开设有芯层空腔(332)，芯层空腔(332)内填充有硬质聚氨酯塑料泡沫。
3.根据权利要求2所述的复合型蜂窝结构，其特征在于：所述芯层空腔(332)开设于胞元(31)的每一个边框内。
4.根据权利要求3所述的复合型蜂窝结构，其特征在于：两胞元(31)之间的壁厚为7mm，所述钢材质的厚度为1mm。
5.根据权利要求4所述的复合型蜂窝结构，其特征在于：所述芯层空腔(332)外围的超高性能混凝土厚度为0.5mm。
6.根据权利要求3所述的复合型蜂窝结构，其特征在于：所述芯层(331)的孔隙率为71.1％。
7.根据权利要求1所述的复合型蜂窝结构，其特征在于：所述超高性能混凝土中钢纤维体积分数为2％～2.5％。
8.一种蜂窝式阻尼器，其特征在于：包括两块承载板以及连接在两承载板之间的腹板(3)，所述腹板(3)采用权利要求1～7任一项所述的复合型蜂窝结构。
9.根据权利要求8所述的蜂窝式阻尼器，其特征在于：所述腹板(3)数量≥2。
10.根据权利要求9所述的蜂窝式阻尼器，其特征在于：相邻腹板(3)的间距为100mm，腹板(3)厚度为10mm。
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