CN115233853B - 一种鱼骨型金属耗能阻尼器及其安装使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种鱼骨型金属耗能阻尼器，包括第一连接件、外套管、第二连接件、导向轴、第一耗能元件、第二耗能元件、端板，所述外套管内部设置有导向轴，所述导向轴顶部和底部分别连接有第一耗能元件、第二耗能元件，所述外套管左端设有第一连接件，所述导向轴右端设置有第二连接件，构造简单，核心耗能元件与导向轴及外套管均采用螺栓装配连接，方便震损后更换，且除耗能元件外，其他组件均可重复利用，节约材料，维修速度快，阻尼器变形能力及承载能力均可调，通过增加细腰型金属板的高厚比可以增加其变形能力，通过增加细腰型金属板的数量可以增加其承载能力。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程领域，尤其涉及一种鱼骨型金属耗能阻尼器及其安装使用方法。
背景技术
地震是严重威胁人类生命与财产安全的自然灾害之一。如何在不显著增加建筑物成本的前提下提高其安全性是工程抗震人员一直努力的方向。目前一种较为有效的方法是在建筑物中安装阻尼器，将地震输入能量集中于阻尼器进行耗散，从而降低主体结构的损伤，提升结构的抗震性能，如在结构中加入黏滞阻尼器、黏弹性阻尼器、摩擦阻尼器及金属阻尼器等。在这些阻尼器当中，金属阻尼器由于制造简单、可靠性高、具有稳定的滞回性能和低周疲劳性能以及对环境温度和材料不敏感等优点得到了广泛的应用。
当前国内外学者已经开发出了多种金属阻尼器，如铅阻尼器、全钢型屈曲约束支撑(简称BRB)、X型钢板阻尼器及U型钢板阻尼器等，但这些阻尼器都或多或少存在以下缺陷：①阻尼器变形能力差，无法满足大震下结构对阻尼器变形能力的需求；②构造复杂，不利于推广应用；③对制造误差较为敏感，较小的制造误差可能会引起阻尼器较大的性能衰退；④只能通过特殊生产的低屈服点钢材制作；⑤属于一次性产品，破坏后无法再重复利用；⑥拉压不等强，受拉和受压时阻尼器性能存在显著差异；⑦核心元件出现裂缝后，意味着整个阻尼器发生破坏从而退出工作，因此，只有一道抗震防线；⑧无法检查阻尼器内部耗能元件工作状态，工程人员无法确定在经历数次地震后，阻尼器是否应该被更换。
发明内容
本发明的目的在于提供一种鱼骨型金属耗能阻尼器及其安装使用方法，以解决上述技术问题。
本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：
一种鱼骨型金属耗能阻尼器，包括第一连接件、外套管、第二连接件、导向轴、第一耗能元件、第二耗能元件、端板，所述外套管内部设置有导向轴，所述导向轴顶部和底部分别连接有第一耗能元件、第二耗能元件，所述外套管左端设有第一连接件，所述导向轴右端设置有第二连接件。
优选的，所述导向轴顶部沿长度方向开设有多个第二螺纹孔，所述导向轴底部沿长度方向开设有多个第三螺纹孔。
优选的，所述第一耗能元件由第三连接板、第四连接板及多个细腰型金属耗能板组成，所述第三连接板、第四连接板皆为长条形钢板，所述第三连接板沿长度方向设置有多个第四螺纹孔，每相邻两个所述第四螺纹孔之间均对称设置有细腰型金属耗能板，所述细腰型金属耗能板一端与第三连接板焊接，所述细腰型金属耗能板另一端与第四连接板焊接，所述第四连接板沿长度方向设置有多个第三通孔。
优选的，所述第一耗能元件与第二耗能元件的结构完全相同，所述第一耗能元件位于导向轴上方，且第一耗能元件上的第三通孔通过第三连接螺栓与导向轴上的第二螺纹孔相连接，所述第二耗能元件位于导向轴下方，且第二耗能元件通过第四连接螺栓与导向轴上的第三螺纹孔相连接。
优选的，所述外套管为矩形方钢管，所述外套管的横截面为矩形，所述外套管顶部和底部沿长度方向分别开设有多个第一通孔和第二通孔，所述第一通孔通过第一连接螺栓与第一耗能元件上的第四螺纹孔相连接，所述第二通孔通过第二连接螺栓与第二耗能元件相连接，所述外套管左右两侧面均开设有多个检查孔，所述外套管靠近第二连接件的一端面均匀设置有多个第一螺纹孔。
优选的，所述第一连接件由第一耳板、第二耳板及第一连接板焊接而成，所述第一连接板右侧与外套管焊接，所述第一连接板左侧垂直焊接有第一耳板、第二耳板，所述第一耳板、第二耳板尺寸相同，所述第一耳板上贯穿设置有第一圆孔，所述第二耳板上贯穿设置有第二圆孔。
优选的，所述第二连接件由第二连接板和第三耳板焊接而成，所述第二连接板与第一连接板尺寸相同，所述第三耳板的平面尺寸与第一耳板和第二耳板的平面尺寸均相同，所述第三耳板的厚度为第一耳板和第二耳板的厚度之和，所述第三耳板上设有第三圆孔，所述第三圆孔与第一圆孔和第二圆孔的尺寸及布置位置均相同，所述第二连接板与导向轴焊接。
优选的，所述端板中间贯穿设置有方孔，所述方孔的高度和宽度均要大于导向轴的高度和宽度，所述导向轴穿过方孔，所述端板的平面尺寸与外套管的横截面尺寸相同，所述端板上开设有多个第四通孔，所述端板通过多个第五连接螺栓与外套管相连接。
一种鱼骨型金属耗能阻尼器的安装使用方法，包括以下步骤：
S1：在导向轴及第二连接件所形成整体上确定第一耗能元件和第二耗能元件的安装定位线及导向轴伸入外套管的定位线；
S2：将端板穿入导向轴至第二连接件处；
S3：利用第三连接螺栓安装固定第一耗能元件于导向轴上，利用第四连接螺栓安装固定第二耗能元件于导向轴上；
S4：将第一耗能元件、第二耗能元件、导向轴及第二连接件所形成的整体穿入外套管与第一连接件焊接后所形成的整体中，穿入深度按照步骤1的定位线定位；
S5：将第一连接螺栓穿过第一通孔，拧入第四螺纹孔固定；
S6：采用步骤4同样的方法，用第二连接螺栓固定第二耗能元件及导向轴；
S7：用第五连接螺栓固定端板与外套管；
S8：将阻尼器通过销轴安装于结构的受力位置处；
S9：当结构遭受地震作用或风荷载致使阻尼器损伤后，按照与前述装配方法相反的顺序拆卸阻尼器中第一耗能元件和第二耗能元件并进行更换，重新装配后便可恢复其使用功能。
本发明的有益效果是：
1、本发明构造简单，第一耗能元件、第二耗能元件与导向轴及外套管均采用螺栓装配连接，方便震损后更换，且除耗能元件外，其他组件均可重复利用，节约材料，维修速度快。
2、阻尼器变形能力及承载能力均可调，通过增加细腰型金属板的高厚比可以增加其变形能力，通过增加细腰型金属板的数量可以增加其承载能力。
3、该阻尼器具有多道抗震防线，抗震防线数量等于第一耗能元件、第二耗能元件中细腰型金属板的数量，只有所有细腰型金属板破坏后才意味着阻尼器发生破坏，丧失承载能力，因此，阻尼器冗余度高。
4、阻尼器核心耗能元件的布置一方面关于导向轴对称，另一方面关于垂直于其长度方向的中轴线对称，因此，轴向荷载作用下变形也对称，从而具有拉压等强的特性。
5、阻尼器外套管上设有多个检查孔，通过检查孔可以查看内部第一耗能元件、第二耗能元件的损伤情况，在震后损伤严重时对其进行更换。
附图说明
图1为本发明的整体示意图；
图2为本发明的右视图；
图3为本发明的A-A剖面图；
图4为本发明的B-B剖面图；
图5为本发明的C-C剖面图；
图6为本发明的内部装配关系示意图；
图7为本发明的第一连接件三维示意图；
图8为本发明的第二连接件三维示意图；
图9为本发明的外套管三维示意图；
图10为本发明的导向轴三维示意图；
图11为本发明的端板三维示意图；
图12为本发明的第一耗能元件三维示意图；
图13为本发明的细腰型金属耗能板线性切割方式平面图；
图14为本发明的细腰型金属耗能板圆弧切割方式平面图。
附图标记：1、第一连接件；101、第一连接板；102、第一耳板；103、第二耳板；104、第一圆孔；105、第二圆孔；2、第二连接件；201、第二连接板；202、第三耳板；203、第三圆孔；3、外套管；301、检查孔；302、第一通孔；303、第二通孔；304、第一螺纹孔；4、导向轴；401、第二螺纹孔； 402、第三螺纹孔；5、第一耗能元件；501、第三连接板；502、第四连接板； 503、细腰型金属耗能板；504、第四螺纹孔；505、第三通孔；6、第二耗能元件；7、端板；701、方孔；702、第四通孔；8、第一连接螺栓；9、第二连接螺栓；10、第三连接螺栓；11、第四连接螺栓；12、第五连接螺栓。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。
下面结合附图描述本发明的具体实施例。
实施例1
如图1-14所示：一种鱼骨型金属耗能阻尼器，包括第一连接件1、外套管 3、第二连接件2、导向轴4、第一耗能元件5、第二耗能元件6、端板7及连接螺栓，第一连接件1和第二连接件2通过销轴分别连接于结构能够产生相对变形的部位上；
第一耗能元件5由第三连接板501、第四连接板502及多个细腰型金属耗能板503组成；
细腰型金属耗能板503由Q235、Q345、20#等普通钢材或LY100、LY160、 LY225等低屈服点钢材制作而成，其平面形状呈现出两头宽中间窄的特点(如图13和图14所示)，且沿水平及竖向形心轴均对称，制作时采用矩形钢板沿长边方向按照线性变化或圆弧变化切割而成，采用线性变化切割时，在切割线与形心轴交点处做圆弧倒角处理，以避免应力集中，倒角半径r最小值宜为 2mm，最大值不宜超过耗能板高度H的五分之一，耗能钢板腰部切割后剩余宽度b与端部宽度B之比宜为0.2—0.8，设计时细腰型金属耗能板503的高宽比 (H/B)宜大于1.2，细腰型金属耗能板503均平行布置，一端与第三连接板501 焊接连接，另一端与第四连接板502焊接连接；
第三连接板501由长条形钢板制作而成，其厚度不小于细腰型金属耗能板 503，沿长度方向设有多个第四螺纹孔504，每相邻两个第四螺纹孔504均关于细腰型金属耗能板503对称布置；
第四连接板502与第三连接板501尺寸完全相同，沿长度方向设有多个第三通孔505；
第三通孔505形心位置及布置数量均与第四螺纹孔504相同，但直径比第四螺纹孔504公称直径大1mm-4mm；
第二耗能元件6与第一耗能元件5的构造、制作方法及尺寸等完全相同，与其共同组成阻尼器的耗能系统，分别安装于导向轴4的上下两侧；
导向轴4由厚壁方钢管制作或采用钢板焊接而成，钢管截面的长度与宽度之比不宜大于1.5，壁厚不小于第四连接板502的厚度，材料采用Q235、Q345、 Q490、20#或45#钢材，导向轴4沿长度方向开设有多个第二螺纹孔401和第三螺纹孔402，分别布置于导向轴4短边方向上相对的两个侧面上，导向轴4一端与第二连接板201焊接连接，另一端自由，导向轴4的最小长度为第三连接板 501的长度与端板7的厚度及2倍的阻尼器设计极限位移之和；
第二螺纹孔401和第三螺纹孔402的尺寸完全相同，且具有相同的布置间距，即与第三通孔505一致；
外套管3由矩形方钢管制作或采用钢板焊接而成，其横截面为矩形，且在顶部和底部(均为横截面短边所在平面)沿长度方向分别开设有多个第一通孔302和第二通孔303，在两侧面(横截面长边所在平面)开设有检查孔301，外套管3的一个端面上均匀设有第一螺纹孔304，用于通过第五连接螺栓12固定端板7，另一端面与第一连接板101焊接连接，以和第一连接件1共同传递轴力，外套管3的壁厚不小于第三连接板501的厚度，长度不小于导向轴4伸入其内部长度与阻尼器设计极限位移之和，矩形截面腹板高度(长边方向)宜为第一耗能元件5的高度+第二耗能元件6的高度+导向轴4的高度(长边方向)+ (0.5mm-2mm)；
第一通孔302和第二通孔303的尺寸和布置位置完全相同，直径均比第四螺纹孔504大1mm-2mm，布置间距同样与第四螺纹孔504保持一致；
检查孔301为长圆孔，其宽度不宜大于20mm，长宽比不宜大于2，在外套管3的两侧面上交错设置，外套管3单个侧面上的检查孔301应设置两行且依次错开，每行的形心连线高度宜分别位于第一耗能元件5和第二耗能元件6的中部；
第一连接件1由第一耳板102、第二耳板103及第一连接板101焊接而成，第一连接板101平面为矩形形状，其厚度不小于外套管3的壁厚，平面尺寸不小于外套管3的横截面尺寸，第一耳板102和第二耳板103尺寸相同，由钢板切割而成，其上分别设有第一圆孔104和第二圆孔105，用于销轴连接，第一耳板102和第二耳板103均垂直焊接于第一连接板101上，且保持相互平行，其间距宜为第三耳板202的厚度+(5mm-15mm)；
第二连接件2由第二连接板201和第三耳板202焊接而成，第二连接板201 与第一连接板101尺寸相同，第三耳板202的平面尺寸与第一耳板102和第二耳板103均相同，但厚度宜为第一耳板102和第二耳板103的厚度之和，第三耳板 202上设有第三圆孔203，同样用于销轴连接，第三圆孔203与第一圆孔104和第二圆孔105的尺寸及布置位置均相同；
端板7平面为矩形形状，其平面尺寸与外套管3的横截面尺寸相同，厚度不大于外套管3的壁厚，中间开有方孔701，且沿端板边缘均匀设有第四通孔 702；
方孔701位于端板7中部，其宽度与高度宜分别比导向轴4的宽度和高度大 0.5mm-1mm；
第一连接螺栓8宜为高强摩擦型螺栓，依次穿过第一通孔302和第四螺纹孔504，用于固定第一耗能元件5与外套管3；
第二连接螺栓9宜为高强摩擦型螺栓，用于固定第二耗能元件6与外套管 3；
第三连接螺栓10宜为高强摩擦型螺栓，依次穿过第三通孔505和第二螺纹孔401，用于固定第一耗能元件5与导向轴4；
第四连接螺栓11宜为高强摩擦型螺栓，用于固定第二耗能元件6与导向轴4；
第五连接螺栓12为普通螺栓，用于固定端板7与外套管3；
在结构遭受地震作用或较大风荷载后，可利用微型摄像头穿入阻尼器检查孔301对内部耗能元件的损伤情况进行检查，同时可通过拍照等方法进行检查记录，为工程人员是否更换阻尼器中的耗能元件提供技术依据。
实施例2
如图1-14所示，在其它部分均与实施例1相同的情况下，本实施例与实施例1的区别在于：一种鱼骨型金属耗能阻尼器的安装使用方法，包括以下步骤：
S1：在导向轴4及第二连接件2所形成整体上确定第一耗能元件5和第二耗能元件6的安装定位线及导向轴4伸入外套管3的定位线；
S2：将端板7穿入导向轴4至第二连接件2处；
S3：利用第三连接螺栓10安装固定第一耗能元件5于导向轴4上，利用第四连接螺栓11安装固定第二耗能元件6于导向轴4上；
S4：将第一耗能元件5、第二耗能元件6、导向轴4及第二连接件2所形成的整体穿入外套管3与第一连接件1焊接后所形成的整体中，穿入深度按照步骤1的定位线定位；
S5：将第一连接螺栓8穿过第一通孔302，拧入第四螺纹孔504固定；
S6：采用步骤4同样的方法，用第二连接螺栓9固定第二耗能元件6及导向轴4；
S7：用第五连接螺栓12固定端板7与外套管3；
S8：将阻尼器通过销轴安装于结构的受力位置处；
S9：当结构遭受地震作用或风荷载致使阻尼器损伤后，按照与前述装配方法相反的顺序拆卸阻尼器中第一耗能元件5和第二耗能元件6并进行更换，重新装配后便可恢复其使用功能。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，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)
1.一种鱼骨型金属耗能阻尼器，包括第一连接件(1)、外套管(3)、第二连接件(2)、导向轴(4)、第一耗能元件(5)、第二耗能元件(6)、端板(7)，其特征在于：所述外套管(3)内部设置有导向轴(4)，所述导向轴(4)顶部和底部分别连接有第一耗能元件(5)、第二耗能元件(6)，所述外套管(3)左端设有第一连接件(1)，所述导向轴(4)右端设置有第二连接件(2)；
所述第一耗能元件(5)由第三连接板(501)、第四连接板(502)及多个细腰型金属耗能板(503)组成，所述第三连接板(501)、第四连接板(502)皆为长条形钢板，所述第三连接板(501)沿长度方向设置有多个第四螺纹孔(504)，每相邻两个所述第四螺纹孔(504)之间均对称设置有细腰型金属耗能板(503)，所述细腰型金属耗能板(503)一端与第三连接板(501)焊接，所述细腰型金属耗能板(503)另一端与第四连接板(502)焊接，所述第四连接板(502)沿长度方向设置有多个第三通孔(505)；
所述第二耗能元件(6)与第一耗能元件(5)的结构完全相同；
所述细腰型金属耗能板(503)由Q235、Q345、20#普通钢材制作而成；
所述细腰型金属耗能板(503)平面形状呈现出两头宽中间窄的特点，所述细腰型金属耗能板(503)沿水平及竖向形心轴均对称，所述细腰型金属耗能板(503)制作时采用矩形钢板沿长边方向按照线性变化或圆弧变化切割而成，所述细腰型金属耗能板(503)采用线性变化切割时，在切割线与形心轴交点处做圆弧倒角处理，所述圆弧倒角半径r最小值为2mm、最大值不大于细腰型金属耗能板(503)高度H的五分之一，所述细腰型金属耗能板(503)腰部切割后剩余宽度b与端部宽度B之比为0.2—0.8，所述细腰型金属耗能板(503)的高宽比(H/B)大于1.2，所述细腰型金属耗能板(503)均平行布置；
所述导向轴(4)顶部沿长度方向开设有多个第二螺纹孔(401)，所述导向轴(4)底部沿长度方向开设有多个第三螺纹孔(402)；
所述第一耗能元件(5)位于导向轴(4)上方，且第一耗能元件(5)上的第三通孔(505)通过第三连接螺栓(10)与导向轴(4)上的第二螺纹孔(401)相连接，所述第二耗能元件(6)位于导向轴(4)下方，且第二耗能元件(6)通过第四连接螺栓(11)与导向轴(4)上的第三螺纹孔(402)相连接；
所述外套管(3)为矩形方钢管，所述外套管(3)的横截面为矩形，所述外套管(3)顶部和底部沿长度方向分别开设有多个第一通孔(302)和第二通孔(303)，所述第一通孔(302)通过第一连接螺栓(8)与第一耗能元件(5)上的第四螺纹孔(504)相连接，所述第二通孔(303)通过第二连接螺栓(9)与第二耗能元件(6)相连接，所述外套管(3)左右两侧面均开设有多个检查孔(301)；
所述第一连接件(1)由第一耳板(102)、第二耳板(103)及第一连接板(101)焊接而成，所述第一连接板(101)右侧与外套管(3)焊接，所述第一连接板(101)左侧垂直焊接有第一耳板(102)、第二耳板(103)，所述第一耳板(102)、第二耳板(103)尺寸相同，所述第一耳板(102)上贯穿设置有第一圆孔(104)，所述第二耳板(103)上贯穿设置有第二圆孔(105)；
所述第一连接板(101)平面为矩形形状，所述第一连接板(101)厚度不小于外套管(3)的壁厚，所述第一连接板(101)平面尺寸不小于外套管(3)的横截面尺寸，所述第一耳板(102)、第二耳板(103)由钢板切割而成，所述第一耳板(102)和第二耳板(103)间距为第三耳板(202)的厚度+(5mm-15mm)。
2.根据权利要求1所述的一种鱼骨型金属耗能阻尼器，其特征在于：所述第二连接件(2)由第二连接板(201)和第三耳板(202)焊接而成，所述第二连接板(201)与第一连接板(101)尺寸相同，所述第三耳板(202)的平面尺寸与第一耳板(102)和第二耳板(103)的平面尺寸均相同，所述第三耳板(202)的厚度为第一耳板(102)和第二耳板(103)的厚度之和，所述第三耳板(202)上设有第三圆孔(203)，所述第三圆孔(203)与第一圆孔(104)和第二圆孔(105)的尺寸及布置位置均相同，所述第二连接板(201)与导向轴(4)焊接。
3.根据权利要求2所述的一种鱼骨型金属耗能阻尼器，其特征在于：所述端板(7)中间贯穿设置有方孔(701)，所述方孔(701)的高度和宽度均要大于导向轴(4)的高度和宽度，所述导向轴(4)穿过方孔(701)，所述端板(7)的平面尺寸与外套管(3)的横截面尺寸相同，所述端板(7)上开设有多个第四通孔(702)，所述外套管(3)靠近第二连接件(2)的一端面均匀设置有多个第一螺纹孔(304)，所述端板(7)通过多个第五连接螺栓(12)与外套管(3)相连接。
4.根据权利要求3所述的一种鱼骨型金属耗能阻尼器的安装使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：在导向轴(4)及第二连接件(2)所形成整体上确定第一耗能元件(5)和第二耗能元件(6)的安装定位线及导向轴(4)伸入外套管(3)的定位线；
S2：将端板(7)穿入导向轴(4)至第二连接件(2)处；
S3：利用第三连接螺栓(10)安装固定第一耗能元件(5)于导向轴(4)上，利用第四连接螺栓(11)安装固定第二耗能元件(6)于导向轴(4)上；
S4：将第一耗能元件(5)、第二耗能元件(6)、导向轴(4)及第二连接件(2)所形成的整体穿入外套管(3)与第一连接件(1)焊接后所形成的整体中，穿入深度按照步骤1的定位线定位；
S5：将第一连接螺栓(8)穿过第一通孔(302)，拧入第四螺纹孔(504)固定；
S6：采用步骤4同样的方法，用第二连接螺栓(9)固定第二耗能元件(6)及导向轴(4)；
S7：用第五连接螺栓(12)固定端板(7)与外套管(3)；
S8：将阻尼器通过销轴安装于结构的受力位置处；
S9：当结构遭受地震作用或风荷载致使阻尼器损伤后，按照与前述装配方法相反的顺序拆卸阻尼器中第一耗能元件(5)和第二耗能元件(6)并进行更换，重新装配后便可恢复其使用功能。
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