CN201184000Y - 用于连肢剪力墙连梁耗能的阻尼器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种阻尼器，特别是一种用于连肢剪力墙连梁耗能的阻尼器。阻尼器包括相互连接的塑性屈服耗能的工作区和保持近似刚性的嵌固区，工作区上开有两列或两列以上端部做非尖角处理的长条形孔洞。用于连肢剪力墙连梁耗能的阻尼器的使用方法包括：将一个或一个以上的阻尼器替换钢筋混凝土连梁或附着在钢筋混凝土连梁上安装于连肢剪力墙的连梁位置。各阻尼器工作区设有防出平面失稳螺栓限制每片阻尼器的出平面失稳；各阻尼器嵌固区用高强螺栓预拉或利用附加盖板焊接将各阻尼器联系为一个整体。

Description

用于连肢剪力墙连梁耗能的阻尼器

技术领域

本实用新型公开一种软钢阻尼器，特别是一种增强连肢剪力墙连梁耗能的软钢阻尼器。

背景技术

连肢剪力墙结构是高层建筑结构普遍采用的结构形式，其在地震作用下的工作状态和破坏形态与连梁相对剪力墙墙肢的刚度、承载力等密切相关。结构延性设计要求遵循“强肢弱梁”，“强剪弱弯”等原则，但在保证连梁的刚度与延性能力方面常常存在矛盾。因此如何满足(1)在正常使用和多遇地震下连梁与连肢剪力墙墙肢共同工作，为连肢剪力墙结构提供足够抗侧刚度；(2)在设防烈度和罕遇地震下连梁先于墙肢屈服发挥连梁延性耗能作用，对连肢剪力墙结构起到保护作用，这是连肢剪力墙结构抗震设计的关键。目前剪力墙结构抗震设计，连梁的刚度和延性之间的协调以及配筋是个难点，如果截面做得小，为承受较大的地震剪力需要配大量钢筋造成超筋和增加施工难度；如果截面做得大，连梁刚度增大，分配的地震剪力又会迅速增长，仍然存在配筋超筋的难题，达不到连梁延性设计的目标。为解决上述难题，国内外学者做了不少研究工作，提出了多种解决方案。比如，20世纪70年代前期，新西兰T.Paulay等学者就提出了沿连梁两对角线方向增设布置柱式钢筋骨架的小跨高比抗震连梁配筋方案，如附图26所示。也有学者提出沿梁高架设纵筋(两端锚固在剪力墙内)方案，简单加设沿连梁对角线方向交叉斜筋(各向斜筋不加箍筋，即不形成暗柱)方案，以及简单加设由四组折线形钢筋组成的交叉菱形筋的方案等，如附图27所示。但是，已完成的试验结果表明，这些方案耗能能力一般，未实现较好的抗震性能，并且又增加了配筋难度。

近年来，结构振动控制、耗能减震(振)技术被广泛应用于土木工程领域，为土木工程抗震和抗风的安全性和经济性提供了一条有效途径。作为耗能减震装置之一的金属阻尼器也较早地得到应用，如1972年Kelly等人提出金属阻尼器构造并投入工程应用。金属阻尼器利用金属进入塑性后良好的滞回特性，在塑性滞回变形过程中吸收大量的振动能量，达到提高结构阻尼的作用。金属阻尼器已大量用于对新建建筑和既有建筑抗震升级和改造加固。平面内屈服钢板阻尼器作为金属阻尼器的一种，已有较多研究，其主要依靠钢板平面内变形造成设定区域内钢板进入塑性屈服耗能来提供阻尼。该类阻尼器初始刚度较大、承载能力和耗能能力较好，主要有蜂窝状阻尼器，槽形钢板阻尼器，圆洞阻尼器，双X形阻尼器等类型，各详见附图20、附图21、附图22、附图23。上述四种阻尼器主要用于钢结构中，布设在钢框架支撑连接点或内外框架连接处。该方法安装方便，一般通过螺栓连接或者焊接即可实现安装。附图20、附图21所示阻尼器连接采用直接在钢板上打孔做螺栓连接的方式，附图22、附图23所示阻尼器加入了角钢和水平连接板与结构构件连接。

但是附图21、附图22所示阻尼器均为矩形轮廓钢板的短边受剪，如果将其轮廓改变，使之受剪边变长，其抗侧刚度和耗能能力都会有很大降低，X型钢板中心处发展塑性区域狭小，塑性区域不能充分发展，在较大外力和塑性开展过程中会较早发生破坏。另外，由于连接栓孔直接布设在钢板之上，在受力过程中会使软钢变形，影响耗能效果。附图22、附图23所示阻尼器如果做成受剪边很长的情况，制作和设计都会稍显复杂，如果阻尼器两端出现平面内弯矩，其容易出现局部失稳而影响耗能效果。附图20、附图21、附图22和附图23所述阻尼器都没有考虑适合连梁构造的阻尼器形状，并且没有考虑与钢筋混凝土连梁的特殊连接。

实用新型内容

针对上述提到的现有技术中钢筋混凝土连梁配筋难、耗能效果差、震后不易修复，现有的阻尼器均为短边受剪，如使受剪边变长，其抗侧刚度和耗能能力都会有很大降低，容易出现局部失稳而影响耗能效果等缺点，本新型设计的阻尼器工作区与嵌固区分离，工作区长宽比与现有阻尼器相比较大，工作区上沿长边方向开有两列或两列以上的长条形孔洞，孔洞端部做非尖角处理，在连肢剪力墙中，用以替换钢筋混凝土连梁或附着在钢筋混凝土连梁上安装于连肢剪力墙的连梁位置，以解决上述提到的现有技术存在的问题。该新型能够保证正常使用和常遇地震时阻尼器提供墙肢连接刚度，设防烈度和罕遇地震时通过阻尼器平面内塑性屈服耗能集中耗散结构的振动能量，能够提高结构阻尼比和增强抗倒塌性，解决剪力墙连梁超筋和配筋难问题，改进连梁的抗震性能和损伤后的可修复性能。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：一种用于连肢剪力墙连梁耗能的阻尼器，包括相互连接的塑性屈服耗能的工作区和保持近似刚性的嵌固区，工作区沿着长边方向开有两列或两列以上长条形孔洞，孔洞长方向平行于工作区长边。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：

所述的工作区由Q235B或低屈服点热轧钢板制成；

所述的孔洞边角做非尖角处理；

所述的嵌固区厚度大于等于工作区厚度；

所述的嵌固区上设有增强刚性的方法，比如加腋、加劲或者增加嵌固区板厚的方法；

所述的嵌固区上设有易于与结构连接的构造措施，比如设置螺栓孔；

所述的孔洞开设面积适宜小于或等于工作区总面积的20％，所述的孔洞长宽比值最佳范围为5至15；

所述的阻尼器采用一个以上时，各阻尼器工作区设有限制每片阻尼器的出平面失稳防出平面失稳螺栓，各阻尼器嵌固区可以用高强摩擦螺栓预拉或利用附加盖板焊接将各阻尼器联系为一个整体；

所述的阻尼器使用方法为：阻尼器在嵌固区做好连接构造，在现场直接与结构预埋件焊接或者螺栓连接。

本实用新型的有益效果是：采用按照本实用新型的阻尼器及构造，能够替换连肢剪力墙结构钢筋混凝土连梁或者附着于连肢剪力墙结构连梁上，降低结构设计难度和施工中连梁的配筋难度，使结构在多遇地震下结构动力特性不变，设防烈度和罕遇地震作用下结构耗能能力和抗倒塌性增强。

本实用新型的阻尼器通过开设双(多)列孔的方式来指定塑性发展区域，构造简单，塑性发展区域均匀、广泛，耗能效果好。对于阻尼器两端剪切或受弯工况均有良好的耗能效果。

本实用新型的阻尼器将耗能工作区与连接嵌固区分别构造，避免了工作区屈服耗能与结构刚性连接之间的冲突。

本实用新型提出了具体形式的耗能阻尼器和若干嵌固区与剪力墙结构连接的构造，可以应用于连肢剪力墙结构抗震设计中。阻尼装置耗能效果好，剪力墙结构的抗震性能改善明显，构造简单，不影响建筑效果，方便施工，便于维修和更换，符合工程实际需要，满足工程行业技术标准，能够解决工程问题。

下面将结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型整体结构示意图。

图2为图1的A-A剖面结构示意图。

图3为图1的B-B剖面结构示意图。

图4为本实用新型使用多片时用高强螺栓固定结构示意图。

图5为图4的俯视结构示意图。

图6为本实用新型使用多片时利用塞焊将阻尼器各片与垫板固定连接结构示意图。

图7为图6的俯视结构示意图。

图8为本实用新型单片阻尼器与钢筋混凝土剪力墙的连接结构示意图。

图9为图8的侧视结构示意图。

图10为图8的C-C剖面结构示意图。

图11为本实用新型多片阻尼器与钢筋混凝土剪力墙的连接实施例一结构示意图。

图12为图11中连接板示意图及栓孔布置示意图。

图13为图11的D-D剖面结构示意图。

图14为本实用新型多片阻尼器与钢筋混凝土剪力墙的连接实施例二结构示意图。

图15为图14的E-E剖面结构示意图。

图16为本实用新型替换钢筋混凝土连梁结构示意图。

图17为应用阻尼器示意图。

图18为图16的F-F剖面结构示意图。

图19为图16的G-G剖面结构示意图。

图20为现有技术中蜂窝阻尼器结构示意图。

图21为现有技术中槽形阻尼器结构示意图。

图22为现有技术中圆孔阻尼器结构示意图。

图23为现有技术中双X形阻尼器结构示意图。

图24为开孔率为5％的一种槽形阻尼器滞回曲线。

图25为开孔率为5％的本实用新型双列孔阻尼器的一种滞回曲线。

图26为小跨高比连梁的斜向交叉暗柱式配筋结构示意图。

图27为小跨高比连梁的菱形配筋结构示意图。

图28为常规连肢剪力墙结构与应用本实用新型阻尼器替换连梁的连肢剪力墙结构在7度多遇地震情况层间位移角对比图。

图29为常规连肢剪力墙结构与应用本实用新型阻尼器替换连梁的连肢剪力墙结构在7度罕遇地震情况层间位移角对比图。

图中，1-工作区，2-嵌固区，11-孔洞，12-防屈曲螺栓，13-承托肋板，21-工作区延长板，22-高强螺栓，23-垫板，24-连接板，25-盖板，31-预埋板，32-预埋件，33-预埋螺栓，34-连接螺栓。

具体实施方式

本实施例为本实用新型优选实施方式，其他凡其原理和基本结构或实现方法与本实施例相同或近似的，均在本实用新型保护范围之内。

本实用新型中阻尼器附着或替换连梁的连肢剪力墙结构设计目标为：阻尼器替换或附着剪力墙连梁后，常遇地震下结构动力特性与常规连肢剪力墙结构对比近似不变(即保证正常使用状态下结构刚度不变)，在设防烈度或罕遇地震下阻尼器充分发挥作用，集中吸收地震输入的结构振动能量，保护连肢剪力墙墙肢不进入塑性或限制墙肢塑性开展。本实用新型所述的构造与附图26和附图27中所示的现有技术配筋构造目的相同，均为在常遇地震下连梁弹性工作且保证结构整体刚性，设防烈度或罕遇地震下连梁先于墙肢屈服，耗散地震输入的结构振动能量，保护剪力墙墙肢不进入塑性或不倒塌。与现有技术及配筋构造不同，图26和图27中所述的现有技术配筋构造仍然采用连梁破坏耗能的方法吸收地震输入的结构振动能量，耗能能力有限，且破坏难于修复；本实用新型所述构造利用耗能减震先进技术，通过软钢阻尼器吸收地震能量，耗能效果好，震后易于修复。本实用新型的耗能原理与现有技术中的阻尼器耗能原理相同，都是在外力剪切作用下利用设定区域的平面内塑性变形耗散振动能量。与现有技术不同的是，本实用新型的阻尼器外轮廓长宽比与现有技术相比要大，更适合应用于剪力墙结构连梁位置。

请参看附图1，本实用新型中阻尼器的结构为：阻尼器呈长方形平板状，在长方形长边方向上，阻尼器中间位置为工作区1，工作区1两端为嵌固区2。本实用新型中将工作区1和嵌固区2分开设计，其工作区1耗能，嵌固区2连接，功能区分明确，工作区1采用Q235B或低屈服点的软钢，在指定塑性区域内发生塑性屈服耗能，嵌固区2可通过增加板厚、加劲或加腋等方式保证其近似的刚性工作，嵌固区2负责与剪力墙结构连接，由于其承受动荷载，焊缝等级均采用二级。本实用新型在工作区1内，沿长方形长边方向开有两列或两列以上的孔洞11，本实施例中，孔洞11开设两列，具体实施时，如果需要阻尼器外轮廓长宽比很大，可以开设多列孔，孔洞11呈长条形，孔洞11的长边与阻尼器的长边平行，长条形孔洞11两边可设计为任意弧形，只要避免其出现尖角即可，其两边的弧形优选为圆弧，本实施例中给出的孔洞11呈长方形两端做圆弧处理，具体实施时，孔洞11还可以为其他长条形，其长条形的具体形状可为椭圆形或为类似于长方形或椭圆的其他长条形，长条形孔洞11的开设方向为：孔洞11的长方向与工作区1的长边方向相平行，孔洞11的长方向为长方形的长边方向或椭圆形的长轴方向或是类似于长方形的长条形孔洞的类似长边方向。请参看附图2和附图3，其为本实用新型的剖面结构示意图，能更清楚的反映出本实用新型的结构。长条形孔洞11也可以设计为小曲率弧形边的近似矩形。可通过改变开孔率和孔洞11的长宽比可以改变本实用新型的性能，设计时，孔洞11的长宽比取值宜在5～15之间，总开孔面积占工作区1总面积宜小于等于20％。依据工程抗侧力需求和轴向力需求选择阻尼器，开孔率越大，抗侧刚度越低，耗能效果越差；长宽比增大，耗能效果降低。本实用新型阻尼器的形状和构造符合连肢剪力墙连梁的建筑和结构要求，为长边受剪；沿长边方向按照设计布置两(多)列长条形孔洞11；将工作耗能区与连接嵌固区分开设置，工作区易于进入塑性屈服耗能，嵌固区在整个耗能过程近似刚性工作。长条形孔洞11对应的塑性发展区域在大变形的塑性发展过程中优于蜂窝状阻尼器X型塑性发展区域的塑性发展，其能够承受更大侧力，塑性开展更均匀、广泛；双(多)列孔的耗能能力和抗侧力性能优于单列孔。

本实用新型在使用时，可将本实用新型中一个或一个以上的阻尼器替换钢筋混凝土连梁或附着在钢筋混凝土连梁上安装于连肢剪力墙的连梁位置。请参看附图8、附图9、附图10，图中所示本实用新型中单层阻尼器与钢筋混凝土剪力墙墙肢的一种连接方式，其中，阻尼器的嵌固区2与预埋在钢筋混凝土剪力墙墙肢中的T形预埋板31先用连接螺栓34固定连接，然后再用二级焊缝技术将其三面围焊，以保证其牢固连接，连接后，阻尼器位于钢筋混凝土剪力墙连梁位置。

为了工程需要，阻尼器还可设置二层或二层以上，具体选用阻尼器数量由设计决定，设计原则为：保证阻尼器附着或替换连梁后的连梁抗侧刚度接近于常规连肢剪力墙结构连梁抗侧刚度，轴向刚度不小于常规连肢剪力墙结构连梁刚度，在此基础上选取阻尼比最大的阻尼器；在满足结构刚度设计条件下，尽量把阻尼器抗侧刚度调低，增强其耗能能力。请参看附图4、附图5、附图6、附图7，使用多层阻尼器时，可采用以下两种具体结构将其连接，一是在相临的阻尼器之间加装有垫板23，并通过高强螺栓22将各层阻尼器及垫板23连接，使之构成一个整体，为了增加阻尼器和垫板23之间的摩擦力，阻尼器和垫板23之间的接触面采用喷砂(丸)后生赤锈的方法使之增加其接触面的摩擦力；二是在相临的阻尼器之间加装有垫板23，利用塞焊将各个相临的阻尼器和垫板23焊接在一起，然后在阻尼器嵌固区2上下边缘焊接盖板25，盖板25即为钢板，以增强多层阻尼器的整体性和多层阻尼器组合体嵌固区的刚性。本实施例中提供了两种多层阻尼器与钢筋混凝土剪力墙墙肢连接的具体结构。请参看附图11、附图12、附图13，图中所示为多层阻尼器与钢筋混凝土剪力墙墙肢连接具体结构实施例一，图中所示的为采用高强螺栓22将各层阻尼器及垫板23连接成一个整体时的多层阻尼器与钢筋混凝土剪力墙墙肢连接构造，工作区延长板21为加腋构造示意。采用一层以上阻尼器时，在嵌固区2端部焊接连接板24，连接板24通过密排锚栓(Q345)与预埋件32连接，并且在连接板24外侧用两条竖向二级抗弯焊缝连接保证固接。请参看附图14和附图15，图中所示为多层阻尼器与钢筋混凝土剪力墙墙肢连接具体结构实施例二，图中所示的为利用塞焊将阻尼器各片与垫板固定连接成一个整体时的多层阻尼器与钢筋混凝土剪力墙墙肢连接构造，其依靠垫板23增强嵌固区2的抗剪能力，依靠上下盖板25增强多片阻尼器的整体性和组合体嵌固区的刚性，并且强化了与预埋件32的连接，为了安装方便，本实用新型可在阻尼器下面靠近墙体增设有承托肋板13。阻尼器嵌固区2端部及上下盖板与剪力墙内预埋件焊接。

附图1～附图15所述构造和连接方式仅为符合本实用新型的几种案例，其体现本实用新型的“将嵌固区与工作区分开，在嵌固区加强刚度和整体性且与钢筋混凝土剪力墙墙肢合理连接”的特征。

请参看附图24和附图25，附图24为单列孔阻尼器开口4个，孔尺寸为400mm×10mm，均布于钢板平面内的滞回曲线；附图25为本实用新型双列孔阻尼器开孔4个×2，孔尺寸为100mm×20mm，孔间距为200mm，8个孔均布于钢板平面内的滞回曲线。通过对比附图24和附图25可知，双列孔阻尼器的滞回环面积和抗侧能力均大于单列孔(槽形)阻尼器，耗能效果好。

请参看附图16～附图19。图中所示为采用本实用新型阻尼器替换连梁结构应用于剪力墙中的具体应用实例。12层双肢剪力墙结构模型，各层层高均为3.3m，底部加强区1～2层墙体厚度为0.3m，非加强区3～12层墙体厚度为0.2m，两墙肢横截面高度均为2m，连梁截面高度0.7m，净跨为2m。各楼层荷载按照楼板厚度0.1m宽3m计算，考虑了纵向翼缘的有利作用，在两墙肢端部设1m宽翼缘，工字型布置。采用替换方法，将阻尼器安装于每层连梁中部位置(局部)，如附图16所示。本例阻尼器选用本实用新型的开孔率5％的阻尼器，底部加强区1～2层采用4片，非加强区3～12层采用2片，能够满足正常使用下的功能要求。模型计算结果为：7度常遇地震作用下，连梁替换阻尼器与否结构模态、时程位移响应、层间位移角非常接近(如附图28所示，其中A曲线表示未布置阻尼器结构的层间位移角曲线，B曲线表示布置阻尼器结构的层间位移角曲线)，表明阻尼器替换连梁没有改变结构常遇地震下的弹性动力性能；7度罕遇地震作用下，常规连肢剪力墙结构在3层发生层间位移角突变，出现薄弱层，而用阻尼器替换连梁的结构能有效避免薄弱层的出现，结构各层耗能能力均匀(如附图29所示，其中A曲线表示未布置阻尼器结构的层间位移角曲线，B曲线表示布置阻尼器结构的层间位移角曲线)。

本实施例中只以一种具体情况说明本实用新型的结构和具体应用，本实用新型还存在其它实施方式、构造和应用方法。如本实施例给出的为本实用新型在剪力墙结构连梁构造中的应用，但本实用新型阻尼器也可以用于钢结构中，比如偏心支撑的耗能梁段。本实施例给出的多层阻尼器构造仅示三层构造，但不限于此，依据实际工程需要可采取多层构造。本实施例给出的单(多)层构造情况下的少数几种连接方式和嵌固区处理方法，但不限于此，本实用新型主要提出一种总的构造和连接的方法，可以不限于加腋、加劲、增加板厚或改变材质等为特征的任意增加嵌固区的刚性和整体性，保证与主体结构的刚性连接的方法。本实施例给出的替换连梁局部的构造，但不限于此，可以用外层2层阻尼器为模板，内浇筑混凝土，即钢筋混凝土连梁附着阻尼器的方式实现等。

本实用新型可广泛应用在连肢剪力墙结构中，用以替换钢筋混凝土连梁或附着在钢筋混凝土连梁上安装于连肢剪力墙的连梁位置，以解决剪力墙连梁配筋难问题，实现剪力墙连梁构造简单，增加其抗震性能。

Claims (7)

1、一种用于连肢剪力墙连梁耗能的阻尼器，其特征是：所述的阻尼器包括相互连接的塑性屈服耗能的工作区和保持近似刚性的嵌固区，工作区沿着长边方向开有两列或两列以上长条形孔洞，孔洞长方向平行于工作区长边。

2、根据权利要求1所述的用于连肢剪力墙连梁耗能的阻尼器，其特征是：所述的阻尼器材料选用Q235B或低屈服点软钢。

3、根据权利要求1所述的用于连肢剪力墙连梁耗能的阻尼器，其特征是：所述的孔洞边角呈非尖角形。

4、根据权利要求1所述的用于连肢剪力墙连梁耗能的阻尼器，其特征是：所述的嵌固区厚度大于等于工作区厚度。

5、根据权利要求1或4所述的用于连肢剪力墙连梁耗能的阻尼器，其特征是：所述的嵌固区与剪力墙结构连接处设有加腋。

6、根据权利要求1或4所述的用于连肢剪力墙连梁耗能的阻尼器，其特征是：所述的嵌固区内设有加劲肋。

7、根据权利要求1所述的用于连肢剪力墙连梁耗能的阻尼器，其特征是：所述的阻尼器可以采用两个或两个以上共同使用，各阻尼器工作区设有限制每片阻尼器的出平面失稳的防出平面失稳螺栓；各阻尼器嵌固区用高强螺栓预拉或者利用附加盖板焊接将各阻尼器联系为一个整体。

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