CN115538634B - 一种具有抗扭抗倾覆功能的万向分级屈服联合减震装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有抗扭抗倾覆功能的万向分级屈服联合减震装置，包括分阶段屈服且刚度增强型阻尼器、抗扭板；所述分阶段屈服且刚度增强型阻尼器由上盖板、内筒、外筒、詹氏挂钩、滑块、滑槽、限位环、下盖板组成；所述抗扭板由上连接板、下连接板、腹板、弹簧组成；分阶段屈服且刚度增强型阻尼器沿结构高度方向布置，并通过螺栓将上盖板、下盖板与结构的预埋钢板相连；抗扭板沿结构宽度方向通过结构胶与结构相连；该装置可通过使用结构胶粘结、焊板焊接及对拉螺栓连接的方式，将该联合减震装置安装在结构层间或安装在结构底部形成基础隔震层。

Description

一种具有抗扭抗倾覆功能的万向分级屈服联合减震装置

技术领域

本发明专利属于土木工程结构抗震减震技术领域，具体涉及一种具有抗扭抗倾覆功能的万向分级屈服联合减震装置，该装置可用于多高层建筑结构的层间及关键组件的多维减震控制和抗震加固。

背景技术

许多钢筋混凝土(RC)在遭受地震作用时会形成薄弱层，尤其是在大震作用下，薄弱层可能会发生倒塌，导致严重的人员伤亡和经济损失。这种破坏模式严重限制了结构的延性和耗能能力。因此，避免结构出现薄弱层和控制结构变形成为了结构抗震设计的重要组成部分。根据现有经验，地震发生时，即使各层结构的质量、刚度和屈服强度沿结构高度分布较为均匀，仍有可能出现某一层结构的集中变形。因此在结构中安装阻尼器或者进行基础层隔震成为控制结构变形和防止结构倒塌的一种选择。

传统金属阻尼器以其力学模型及构造形式简单、滞回耗能稳定、耐久性和疲劳行良好、制作成本相对低廉、安装维护方便、对环境温度不敏感行以及工程师在实践中熟悉其材料和性能等优点成为应用最为广泛的消能减震装置之一。但耗能形式单一是传统阻尼器在设计中需亟待解决的问题，因无法对屈服位移进行灵活设计，导致屈服位移大的阻尼器在较低强度地震作用下会一直保持弹性状态，无法发挥耗能功能；而在强烈地震作用下，屈服位移小的阻尼器则因塑形损伤累积过多发生破坏，导致耗能能力下降。为此，设计出能够根据不同强度地震作用进行分阶段屈服耗能的阻尼器成为研究热点。

目前大多数金属分阶段屈服阻尼器，通过将不同尺寸、不同材料和不同耗能机理的耗能构件进行组合来达到不同的屈服位移实现分阶段屈服耗能的功能，但阻尼器的第二阶段的屈服刚度远小于第一阶段的屈服刚度，结构遭遇大震后，仍会有较大的残余变形，且较为集中，需要较大的刚度来为结构提供安全支撑，因此，需要分阶段屈服阻尼器的各阶段屈服刚度增强。同时，由于地震动具有多维性和随机性，所以安装在结构中的阻尼器应具备多向耗能的功能。

当结构遭受大震作用时，仅靠阻尼器耗能难以确保结构特别是薄弱层处不发生倒塌，为提高结构的冗余度，还需在结构中增加抗扭抗倾覆装置，为结构提供双重保障。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种具有抗扭抗倾覆功能的万向分级屈服联合减震装置，可用于提高结构薄弱层的抗震性能，控制结构变形，防止结构发生倒塌。该减震装置由具有抗扭抗倾覆功能的抗扭板和具有万向分阶段屈服且刚度增强型阻尼器组成。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种具有抗扭抗倾覆功能的万向分级屈服联合减震装置，其特征在于：包括分阶段屈服且刚度增强型阻尼器、抗扭板。所述分阶段屈服且刚度增强型阻尼器由上盖板11、内筒12、外筒13、詹氏挂钩14、滑块15、滑槽16、限位环17、下盖板18组成。所述抗扭板由上连接板21、下连接板22、腹板23、弹簧24组成。分阶段屈服且刚度增强型阻尼器沿结构高度方向布置，并通过螺栓将上盖板11、下盖板18与结构的预埋钢板相连；抗扭板沿结构宽度方向通过结构胶与结构相连。

上盖板11的底部中间焊接有内筒12；外筒13的底部焊接有下盖板18焊接，内筒12的外壁与外筒13的内壁处焊接有多个詹氏挂钩14；下盖板18的中间焊接有限位环17，限位环17内侧的闭环区间形成滑槽16。所述滑块15的上部分为半球体，下部分为圆盘体，内筒12与滑块15上部分的半球体连接，滑块15的下圆盘体能够在滑槽16上移动；

上连接板21、下连接板22的腹板23侧部上下端部处设有挂钩，弹簧24通过上下端部的挂钩与上连接板21、下连接板22相连。

所述上连接板21、下连接板22及腹板23为工字型钢板。

该装置安装在结构中，当地震发生时，结构上的作用力传递到上盖板11，上盖板11与内筒12相连，内筒12带动滑块15在滑槽16中进行摩擦耗能，此为第一阶段屈服耗能，其运动方向可由输入结构作用力的方向决定，具有万向耗能的特征。随输入结构作用力的不断增大，滑块15的滑动范围越来越大，但仅靠摩擦耗能，难以为结构提供足够刚度，一旦输入结构的地震力超出一定量值，摩擦耗能将失效。所以，需要分阶段屈服且刚度增强型为结构提供较高的刚度，当滑块15运动至限位环17时，附加在内筒12、外筒13上的詹氏挂钩14开始连接，将内筒12、外筒13组成一个整体，此时，滑块15不再进行摩擦耗能，而是由内筒12、外筒13组成的整体在上连接板21的带动下进行弯曲耗能，弯曲耗能的方向由输入结构作用力的方向决定，此为第二阶段屈服耗能，且第二阶段屈服刚度大于第二阶段屈服刚度。抗扭板通过上连接板21、下连接板22与结构相连，当结构受到扭转作用力时，由腹板23抵抗扭转力，减小结构上的扭转变形，当作用力过大，结构发生的变形过大时弹簧24利用其弹性恢复力将结构向反方向拉，防止结构发生倾覆。

根据实际需要，在结构的基底或不同层间安装该装置，有利于均匀损失破坏模式的实现。在基底安装该装置时，形成基底隔震层，阻尼器的摩擦耗能和弯曲耗能有效的减少地震作用力向上部结构传递，且弯曲耗能的刚度大于摩擦耗能的刚度，可消除结构残余变形对阻尼器的破坏。通过在不同层间安装该装置时，当底层为薄弱层时，输入结构的地震力小，此时，阻尼器率先进行第一阶段的摩擦耗能，随地震力的不断增大，阻尼器进入第二阶段的弯曲耗能，第二阶段屈服刚度增强为结构提供较大的抗侧刚度，使得第二层变为薄弱层，再激发第二层阻尼器进行先摩擦耗能再弯曲耗能的模式。薄弱层沿结构高度依次上升，各层间的阻尼器也依次激发，使得结构不再出现集中破坏的薄弱层。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明中一种具有抗扭抗倾覆功能的万向分级屈服联合减震装置，阻尼器可分为两个阶段进行耗能，第一阶段是滑块滑动耗能，第二阶段是内外筒组成的整体弯曲耗能。

本发明中一种具有抗扭抗倾覆功能的万向分级屈服联合减震装置，阻尼器的两个屈服段均可进行万向耗能，滑块及内外筒可随输入结构任意方向的地震力进行耗能。

本发明中一种具有抗扭抗倾覆功能的万向分级屈服联合减震装置，阻尼器第二阶段屈服刚度大于第一阶段的屈服刚度，可为结构抵抗残余变形提高刚度，且在结构层间安置时，利于均匀损伤模式的实现。

本发明中一种具有抗扭抗倾覆功能的万向分级屈服联合减震装置，抗扭板具有抗扭功能，同时弹簧能够为已变形的结构提供恢复力，防止结构发生倒塌。

附图说明

图1是本发明的联合减震装置爆炸示意图。

图2是联合减震装置示意图。

图3是阻尼器外观示意图。

图4是阻尼器剖面示意图。

图5是上盖板及内筒示意图。

图6是滑槽、限位环及下盖板示意图。

图7是滑块示意图。

图8是滑块运动示意图。

图9是阻尼器运动示意图

图10是詹氏挂钩示意图。

图11是抗扭抗倾覆装置示意图。

图12是抗扭抗倾覆装置运动示意图。

图13是装置在结构层间安装位置示意图。

图14是阻尼器在结构层间安装示意图。

图15是抗扭板在结构层间安装示意图。

图16是装置在基础隔震层安装位置示意图。

图17是阻尼器在基础隔震层安装示意图。

图18是抗扭板在基础隔震层安装示意图。

图中：11—上盖板、12—内筒、13—外筒、14—詹氏挂钩、15—滑块、16—滑槽、17—限位环、18—下盖板、21—上连接板、22—下连接板、23—腹板、24—弹簧、31—框架梁、32—框架柱、33—剪力墙、34—基础柱、41—对拉螺栓。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明采用的技术方案为一种具有抗扭抗倾覆功能的万向分级屈服联合减震装置，其特征在于：包括分阶段屈服且刚度增强型阻尼器、抗扭板。所述分阶段屈服且刚度增强型阻尼器由上盖板11、内筒12、外筒13、詹氏挂钩14、滑块15、滑槽16、限位环17、下盖板18组成。所述抗扭板由上连接板21、下连接板22、腹板23、弹簧24组成。

该装置安装在结构中，当地震发生时，结构上的作用力传递到上盖板11上，上盖板11与内筒12相连，内筒12带动滑块15在滑槽16中进行摩擦耗能，此为第一阶段屈服耗能，其运动方向可由输入结构作用力的方向决定，具有万向耗能的特征。随输入结构作用力的不断增大，滑块15的滑动范围越来越大，但仅靠摩擦耗能，难以为结构提供刚度，一旦输入结构的地震力超出一定数值，摩擦耗能将失效。所以，需要阻尼器为结构提供较高的刚度，当滑块15运动至限位环17时，附加在内筒12、外筒13上的詹氏挂钩14开始连接，将内筒12、外筒13组成一个整体，此时，滑块15不再进行摩擦耗能，而是由内筒12、外筒13组成的整体在上连接板21的带动下进行弯曲耗能，弯曲的方向也由输入结构作用力的方向决定，此为第二阶段屈服耗能，且第二阶段屈服刚度大于第二阶段屈服刚度。抗扭板通过上连接板21、下连接板22与结构相连，当结构受到扭转作用力时，由腹板23抵抗扭转力，减小结构上的扭转变形，当作用力过大，结构发生的变形过大时弹簧24利用其弹性恢复力将结构向反方向拉，防止结构发生倾覆。

阻尼器具有分阶段屈服耗能的特性，可先由内筒12带动滑块15在滑槽16中进行第一阶段的摩擦耗能，然后由内筒12、外筒13组成的整体进行第二阶段的弯曲耗能。

滑块15在滑槽16中的运动方向及内筒12、外筒13的弯曲方向均可在平面内万向耗能，更加符合地震动多维性的特性。

由内筒12、外筒13组成的整体进行第二阶段的屈服刚度大于内筒12、滑块15组成的第一阶段的屈服刚度。有利于消除结构残余变形带来的影响，实现均匀损伤的破坏模式。

腹板23能够消除扭转力带来的不利影响，具有抗扭的功能，弹簧24可为已变形的结构提供恢复力，防止结构发生倾覆。

实施例

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，是本发明一种具有抗扭抗倾覆功能的万向分级屈服联合减震装置实施例，其主要包括：上盖板11、内筒12、外筒13、詹氏挂钩14、滑块15、滑槽16、限位环17、下盖板18、上连接板21、下连接板22、腹板23、弹簧24、框架梁31、框架柱32、剪力墙33、对拉螺栓41。

实施步骤如下：

对于结构进行抗震加固时，在结构薄弱部位或受损部位采用间柱型方式安装该装置，见图13~15。在剪力墙连接处预埋连接板，通过螺栓将分阶段屈服且刚度增强型阻尼器与剪力墙33中的预埋板相连。用结构胶将抗扭板与剪力墙混凝土相连，并用对拉螺栓再次固定。

分阶段屈服且刚度增强型阻尼器的上下盖板、抗扭板的上下连接板与结构主体进行连接。分阶段屈服且刚度增强型阻尼器和抗扭板的相对位置见图2。

分阶段屈服且刚度增强型阻尼的高度可根据实际情况确定，可通过改变内外筒的高度来实现，当该装置运用在桥梁结构中时，内外筒高度可适当增大。当该装置运用在结构上部或基础时，内外筒高度可适当减小。本发明中，分阶段屈服且刚度增强型阻尼器总高度为190mm，上盖板厚度为20mm、半径为300mm，下盖板厚度为40mm、半径为300mm，内筒高度为100mm、底部留有球径为50mm的球洞，外筒高度为100mm、内壁半径为210mm、外壁半径为240mm，见图3-图6。

滑块上部为半球体，其尺寸应确保被内筒套住。下部为橄榄球形，可在滑槽中运动，滑槽外围设置限位板，确保滑块滑动到一定距离后不至于从滑槽中脱离。滑块总高度为85mm，上部为球径50mm的半球体，中间圆柱体高度为20mm、半径为70mm，下部为半橄榄球体，最底部高度为15mm，见图7。限位板内壁半径为120mm、外壁半径为150mm、高度为20mm，见图8。

滑块滑动至限位板后，完成第一阶段的耗能，此时附加在内外筒壁上的詹氏挂钩开始连接，使得分阶段屈服且刚度增强型阻尼器的内外筒形成一个整体，见图9。詹氏挂钩见图10。

抗扭板总高度为1010mm、厚度为40mm，其中上下连接板高度为260mm、腹板高度为490mm，弹簧长度490mm、半径为20mm，见图11。抗扭板和弹簧变形图，见图12。

实施例

装置具体参数及安装方式同实施例1，安装位置为结构基底处，形成基础隔震层，见图16~18。在框架柱32及基础柱34中预埋连接板，通过螺栓将分阶段屈服且刚度增强型阻尼器与框架柱32、基础柱34中的预埋板相连。在框架柱32四周外粘抗扭板，抗扭板之间用正交的缀板焊接，并在抗扭板、缀板与混凝土之间灌注结构胶，使其形成整体共同工作。

以上为本发明的两个典型实施例，但本发明的实施不限于此。

Claims (3)

1.一种具有抗扭抗倾覆功能的万向分级屈服联合减震装置，其特征在于：包括分阶段屈服且刚度增强型阻尼器、抗扭板；所述分阶段屈服且刚度增强型阻尼器由上盖板（11）、内筒（12）、外筒（13）、詹氏挂钩（14）、滑块（15）、滑槽（16）、限位环（17）、下盖板（18）组成；所述抗扭板由上连接板（21）、下连接板（22）、腹板（23）、弹簧（24）组成；分阶段屈服且刚度增强型阻尼器沿结构高度方向布置，并通过螺栓将上盖板（11）、下盖板（18）与结构的预埋钢板相连；抗扭板沿结构宽度方向通过结构胶与结构相连；

上盖板（11）的底部中间焊接有内筒（12）；外筒（13）的底部焊接有下盖板（18）焊接，内筒（12）的外壁与外筒（13）的内壁处焊接有多个詹氏挂钩（14）；下盖板（18）的中间焊接有限位环（17），限位环（17）内侧的闭环区间形成滑槽（16）；所述滑块（15）的上部分为半球体，下部分为圆盘体，内筒（12）套住滑块（15）的半球体，滑块（15）的下圆盘体能够在滑槽（16）上移动；

上连接板（21）、下连接板（22）的腹板（23）侧部上下端部处设有挂钩，弹簧（24）通过上下端部的挂钩与上连接板（21）、下连接板（22）相连；

该装置安装在结构中，当地震发生时，结构上的作用力传递到上盖板（11），上盖板（11）与内筒（12）相连，内筒（12）带动滑块（15）在滑槽（16）中进行摩擦耗能，此为第一阶段屈服耗能，其运动方向由输入结构作用力的方向决定，具有万向耗能的特征；

随输入结构作用力的不断增大，滑块（15）的滑动范围越来越大，当滑块（15）运动至限位环（17）时，附加在内筒（12）、外筒（13）上的詹氏挂钩（14）开始连接，将内筒（12）、外筒（13）组成一个整体，滑块（15）不再进行摩擦耗能，由内筒（12）、外筒（13）组成的整体在上连接板（21）的带动下进行弯曲耗能，弯曲耗能的方向由输入结构作用力的方向决定，此为第二阶段屈服耗能，且第二阶段屈服刚度大于第二阶段屈服刚度；

抗扭板通过上连接板（21）、下连接板（22）与结构相连，当结构受到扭转作用力时，由腹板（23）抵抗扭转力，减小结构上的扭转变形，当作用力过大，结构发生的变形过大时弹簧（24）利用其弹性恢复力将结构向反方向拉，防止结构发生倾覆。

2.根据权利要求1所述的一种具有抗扭抗倾覆功能的万向分级屈服联合减震装置，其特征在于：所述上连接板（21）、下连接板（22）及腹板（23）为工字型钢板。

3.根据权利要求1所述的一种具有抗扭抗倾覆功能的万向分级屈服联合减震装置，其特征在于：腹板（23）能够消除扭转力，弹簧（24）为已变形的结构提供恢复力，防止结构倾覆。