CN115450343B - 一种三向运动箱型软钢阻尼器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三向运动箱型软钢阻尼器及其应用，该阻尼器包括上连接钢板、下连接钢板、和位于上连接钢板与下连接钢板之间的若干个软钢材料制成的三向运动阻尼单元；所述三向运动阻尼单元包括正置Y型钢撑和倒置Y型钢撑；所述正置Y型钢撑与下连接钢板连接，所述倒置Y型钢撑与上连接钢板连接，且倒置Y型钢撑与正置Y型钢撑的Y型开口方向彼此正交相对设置；所述正置Y型钢撑和倒置Y型钢撑之间设有钢隔板，用于连接正置Y型钢撑和倒置Y型钢撑。地震时，本发明阻尼器可三向耗能，耗散第水平及竖直方向的地震能量，更好保护建筑结构的安全；并且其构造简单、制造成本低、施工方便、震后可更换，具有良好的使用价值和推广前景。

Description

一种三向运动箱型软钢阻尼器及其应用

技术领域

本发明涉及桥梁与结构工程领域的耗能减震装置，尤其一种涉及三向耗能的箱型软钢阻尼器及其应用。

背景技术

我国地处环太平洋地震带和欧亚地震带的交界处，是地震多发国家。为了最大限度地减轻地震灾害造成的损失，必须对建筑与桥梁等工程构筑物进行抗震设计与加固。传统的抗震设计是利用结构自身变形来抵抗和消耗地震能量，以满足结构抗震要求。结构减震控制技术是在结构中增加一特定耗能元件，在地震作用下结构主要依靠该特定耗能元件来吸收和耗散传入结构中的地震能量，该技术作为一种安全、经济的工程结构减震控制措施，广泛应用于国内外建筑与桥梁等工程结构抗震设计和加固修复中。

金属钢板阻尼器是一种广泛使用的耗能元件，其传统的构造形式是若干块钢板叠加而成，其减震机理是主要依靠叠加的钢板在单一的平面内变形和单一的平面外变形消耗水平方向的地震能量，达到减震的作用。因此，金属钢板阻尼器不能同时兼顾平面内和平面外的减震情况，耗能效率较低，减震效果有限。此外，但地震动是多向的，除了水平方向的地震能量，还存在竖直方向的地震能量，传统金属钢板阻尼器不能在三个方向上同时耗散能量，不能实现三向耗能减震效果和目的。

发明内容

针对现有的金属钢板阻尼器不能在三个方向上同时耗散能量，不能实现三向耗能减震的问题，本发明提供一种三向运动箱型软钢阻尼器，实现了三向变形耗能目的并大大提高耗能效率，保护主体结构安全性，且震后易于更换。具体技术方案如下：

本发明第一个目的在于提供一种三向运动箱型软钢阻尼器，该阻尼器包括上连接钢板、下连接钢板、和位于上连接钢板与下连接钢板之间的若干个软钢材料制成的三向运动阻尼单元；所述三向运动阻尼单元包括正置Y型钢撑和倒置Y型钢撑；所述正置Y型钢撑与下连接钢板连接，所述倒置Y型钢撑与上连接钢板连接，且倒置Y型钢撑与正置Y型钢撑的Y型开口方向彼此正交相对设置；所述正置Y型钢撑和倒置Y型钢撑之间设有钢隔板，用于连接正置Y型钢撑和倒置Y型钢撑。

优选的，所述三向运动阻尼单元所采用的软钢材料的屈服强度为150MPa～250MPa。

前述的三向运动箱型软钢阻尼器，所述正置Y型钢撑和倒置Y型钢撑彼此正交相对面的面积及边长一致。

前述的，所述钢隔板的截面尺寸与正置Y型钢撑和倒置Y型钢撑正交相对面尺寸一致，其厚度为20mm～30mm。

优选的，正置Y型钢撑和倒置Y型钢撑正交相对面以及钢隔板均为正方形。

前述的三向运动箱型软钢阻尼器，所述钢隔板的中间设有通孔；所述通孔为平行四边形，其四个角的顶点位于钢隔板四条边的中线上，当上连接钢板和下连接钢板之间发生竖向相对运动时，正置Y型钢撑和倒置Y型钢撑产生拉伸或压缩变形带动通孔大小发生变化，提高耗能能力。

前述的三向运动箱型软钢阻尼器，所述正置Y型钢撑和倒置Y型钢撑正交相对面与钢隔板之间均为焊接。

前述的三向运动箱型软钢阻尼器，所述正置Y型钢撑和倒置Y型钢撑与上连接钢板和下连接钢板之间均为螺栓连接。

前述的三向运动箱型软钢阻尼器，所述上连接钢板与下连接钢板之间的三向运动阻尼单元为等间距方阵布置。

本发明第二个目的在于，将前述的三向运动箱型软钢阻尼器作为耗能减震装置应用于地铁地下车站结构中柱，以提高其抗震能力。

本发明的有益效果是：

1）本发明三向运动箱型软钢阻尼器的减震原理是：在地震作用下，正置Y型钢撑发生剪切变形，耗散第一个水平方向的地震能量；倒置Y型钢撑发生与正置Y型钢撑相垂直的剪切变形，耗散第二个水平方向的地震能量；正置Y型钢撑和倒置Y型钢撑发生拉压变形，并带动钢隔板发生拉压变形，耗散竖向地震能量，三种方式组合达到三向耗能目的。

2）相对现有金属阻尼器，本发明软钢阻尼器三向耗能，在一定程度上避免了现有金属阻尼器只能单向耗能的缺陷，能更好保护主体结构和关键构件的安全。

3）本发明三向运动箱型软钢阻尼器三向耗能滞回曲线更饱满，耗能效率高，具有更优耗能效果，进而提高了主体结构的抗震性能。

4）本发明三向运动箱型软钢阻尼器具有构造简单、制造成本低、施工方便、震后可换等优点，可以作为建筑与桥梁等工程结构耗能减震装置，具有良好的使用价值和推广前景。

附图说明

图1为本发明三向运动箱型软钢阻尼器的结构示意图；

图2为本发明的三向运动阻尼单元结构示意图；

图3为本发明的正置Y型钢撑结构示意图；

图4为本发明的钢隔板结构示意图；

图5为传统的沙漏状钢板阻尼器结构示意图；

图6为本发明结构三向运动阻尼器的结构示意图；

图7为本发明实施例中数值模拟分析位移加载曲线图；

图8为本发明实施例中两阻尼器x方向耗能滞回曲线图；

图9为本发明实施例中两阻尼器y方向耗能滞回曲线图；

图10为本发明实施例中两阻尼器z方向耗能滞回曲线图。

图中：1、上连接钢板；2、下连接钢板，3、三向运动阻尼单元；31、正置Y型钢撑；32、倒置Y型钢撑；33、钢隔板；34、通孔。

具体实施方式

下面将结合实施例及附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一个实施例，而不是全部的实施例。基于本实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。具体实施例如下：

一种三向运动箱型软钢阻尼器，如图1至图4所示，包括上连接钢板1、下连接钢板2、和位于上连接钢板1与下连接钢板2之间的若干个软钢材料制成的三向运动阻尼单元3；所述三向运动阻尼单元3包括正置Y型钢撑31和倒置Y型钢撑32；所述正置Y型钢撑31与下连接钢板2连接，所述倒置Y型钢撑32与上连接钢板1连接，且倒置Y型钢撑32与正置Y型钢撑31的Y型开口方向彼此正交相对设置；所述正置Y型钢撑31和倒置Y型钢撑32之间设有钢隔板33，用于连接正置Y型钢撑31和倒置Y型钢撑32。地震时，正置Y型钢撑发生剪切变形，耗散第一个水平方向的地震能量；倒置Y型钢撑发生与正置Y型钢相垂直的剪切变形，耗散第二个水平方向的地震能量；正置Y型钢撑和倒置Y型钢撑发生拉压变形，并带动钢隔板发生拉压变形，耗散竖向地震能量，达到三向耗能目的，能更好保护主体结构和关键构件的安全。

本实施例所述的三向运动箱型软钢阻尼器，所述三向运动阻尼单元3所采用的软钢材料的屈服点为150MPa～250MPa，优选为200MPa；所述正置Y型钢撑31和倒置Y型钢撑32彼此正交相对面的面积及边长一致；所述钢隔板33的截面尺寸与正置Y型钢撑31和倒置Y型钢撑32正交相对面尺寸一致，其厚度为20mm～30mm，优选为20mm。作为优选的实施例的，正置Y型钢撑31和倒置Y型钢撑32正交相对面以及钢隔板33均为正方形；所述钢隔板33的中间设有通孔34；所述通孔优选为平行四边形，其四个角的顶点位于钢隔板四条边的中线上，当上连接钢板1和下连接钢板2之间发生竖向相对运动时，正置Y型钢撑31和倒置Y型钢撑32产生拉伸或压缩变形带动通孔大小发生变化，从而提高耗能能力。此外，本实施例中，所述上连接钢板1与下连接钢板2之间的三向运动阻尼单元3为等间距方阵布置，例如三向运动阻尼单元有9个，分三行三列布置，以保证整个装置可耗散各个方向的地震能量，保证建筑结构抗震性能的稳定。

本实施例中，所述正置Y型钢撑31和倒置Y型钢撑32正交相对面与钢隔板33之间均为焊接，以保证耗散水平方向及竖直方向地震能量变形时的连接强度。正置Y型钢撑31与下连接钢板2之间、倒置Y型钢撑32与上连接钢板1之间可采用螺栓连接，在发现三向运动阻尼单元3各部存在损坏或因地震作用产生损伤时，可进行更换，保证震后建筑物抗震机能恢复。

为验证本发明三向运动箱型软钢阻尼器作为耗能减震装置的抗震效果，本实施例中选用屈服强度为150MPa的软钢材料制备的传统的沙漏状钢板阻尼器（如图5所示）和本发明结构的三向运动阻尼器（如图6所示），进行模拟实验检测。对上述两种阻尼器进行数值模拟分析，分别进行x、y和z轴三个方向的低周往复加载，加载曲线如图7所示；两种阻尼器各方向的耗能滞回曲线如图8至图10所示。

通过数值模拟获得的耗能滞回曲线可以看出，在三个方向上，本发明阻尼器的滞回曲线都比传统型阻尼器更加饱满，耗能能力更强。传统型阻尼器在两个水平方向的耗能能力有明显差异，而本发明阻尼器在两个水平方向的滞回曲线基本重合，这是由于倒置Y型钢撑与正置Y型钢撑的Y型开口方向彼此正交所造成的，充分保证了该阻尼器在两个水平方向的耗能能力。在z方向上，采用沙漏状的阻尼器在承受竖向拉压荷载时，中部截面较小，容易出现应力集中，当竖向相对位移过大时，中部易被拉断，这一点也可以从z方向上的滞回曲线看出，而本发明阻尼器的竖向变形能力则明显要比传统型阻尼器强，这说明本发明阻尼器进而耗散竖向地震能量，可达到三向耗能目的，提高抗震效果，在一定程度上避免了现有金属阻尼器只能单向耗能的缺陷，能更好保护（地铁地下车站）主体结构和关键构件的安全。并且本发明三向运动箱型软钢阻尼器具有构造简单、制造成本低、施工方便、震后可换等优点，可以作为建筑与桥梁等工程结构耗能减震装置，具有良好的使用价值和推广前景。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种三向运动箱型软钢阻尼器，其特征在于：包括上连接钢板（1）、下连接钢板（2）、和位于上连接钢板（1）与下连接钢板（2）之间的若干个软钢材料制成的三向运动阻尼单元（3）；

所述三向运动阻尼单元（3）包括正置Y型钢撑（31）和倒置Y型钢撑（32）；所述正置Y型钢撑（31）与下连接钢板（2）连接，所述倒置Y型钢撑（32）与上连接钢板（1）连接，且倒置Y型钢撑（32）与正置Y型钢撑（31）的Y型开口方向彼此正交相对设置；

所述正置Y型钢撑（31）和倒置Y型钢撑（32）之间设有钢隔板（33），用于连接正置Y型钢撑（31）和倒置Y型钢撑（32）。

2.根据权利要求1所述的三向运动箱型软钢阻尼器，其特征在于：所述三向运动阻尼单元（3）所采用的软钢材料的屈服强度为150MPa～250MPa。

3.根据权利要求1所述的三向运动箱型软钢阻尼器，其特征在于：所述正置Y型钢撑（31）和倒置Y型钢撑（32）彼此正交相对面的面积及边长一致。

4.根据权利要求3所述的三向运动箱型软钢阻尼器，其特征在于：所述钢隔板（33）的截面尺寸与正置Y型钢撑（31）和倒置Y型钢撑（32）正交相对面尺寸一致，其厚度为20mm～30mm。

5.根据权利要求4所述的三向运动箱型软钢阻尼器，其特征在于：正置Y型钢撑（31）和倒置Y型钢撑（32）正交相对面以及钢隔板（33）均为正方形。

6.根据权利要求5所述的三向运动箱型软钢阻尼器，其特征在于：所述钢隔板（33）的中间设有通孔（34）；所述通孔为平行四边形，其四个角的顶点位于钢隔板（33）四条边的中线上。

7.根据权利要求1所述的三向运动箱型软钢阻尼器，其特征在于：所述正置Y型钢撑（31）和倒置Y型钢撑（32）正交相对面与钢隔板（33）之间均为焊接。

8.根据权利要求1所述的三向运动箱型软钢阻尼器，其特征在于：所述正置Y型钢撑（31）和倒置Y型钢撑（32）与上连接钢板（1）和下连接钢板（2）之间均为螺栓连接。

9.根据权利要求1所述的三向运动箱型软钢阻尼器，其特征在于：所述上连接钢板（1）与下连接钢板（2）之间的三向运动阻尼单元（3）为等间距方阵布置。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的三向运动箱型软钢阻尼器的应用，其特征在于：作为地铁地下车站结构中柱的耗能减震装置。

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