CN204162993U - 三角形钢板开孔式阻尼器 - Google Patents

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沈星
倪晓博
叶爱君
陈�光
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Abstract

本实用新型涉及一种三角形钢板开孔阻尼器,包括钢板、底板、上部挡板和球形传力键,所述钢板设计成开孔式的耗能钢板,钢板平面几何形状为三角形,平面的钢板上开一个椭圆形孔,三角形板的底边固嵌于所述底板,顶点通过所述球形传力键与所述上部挡板紧密贴合。开孔阻尼器的三角形钢板采用高强软钢,挖空钢板破坏时应变偏低部分,明显改善了钢板破坏时的应变均匀性,使钢材的耗能利用率达到最大化,实现节省钢材目的。椭圆形开孔能够克服三角形钢板的应力集中问题,并保证钢板的屈服耗能能力和位移能力基本不变。本实用新型制作简单、施工方便、可维修更换,耐久性好,经济效益高,可应用于建筑工程和桥梁工程的减震设计。

Description

三角形钢板开孔式阻尼器
技术领域
本实用新型属于土木工程、地震工程技术领域,具体为设置在建筑和桥梁结构中的一种三角形钢板开孔式阻尼器。 
背景技术
近年来,我国在建筑和桥梁工程结构的减、隔震技术方面进行了大量的研究,也有诸多类型的阻尼器专利得到申请。传统的抗震设计是通过结构自身的抗震性能来抵抗地震作用,但这种抗震方式以牺牲结构部分构件为代价,并且缺乏自我调节能力,在超出设防水准的地震下很可能不满足安全性的要求。而减隔震装置作为额外增设于结构中部分,通过耗减地震能量,保护结构的安全,已经受到广泛工程设计人员的推崇。 
目前减隔震装置有很多,其中金属阻尼器具有构造简单、形式多样、滞回耗能能力好、坚实耐用、经济性好等优点,是国内外广泛研究的一种结构耗能减震装置。最早被提出的三角形、X形这类经典的金属阻尼器理论上具有整体同时屈服,钢材利用率较高的优点。但通过有限元分析发现:这种金属阻尼器在钢板破坏时,绝大部分钢板各截面外缘点没有达到极限应变,钢板应变均匀性并没有达到令人满意的效果,造成了钢材的浪费。为了进一步改善钢板破坏时应变均匀性,提高钢材利用率与经济效益,有必要研究一种新型钢板阻尼器。 
发明内容
本实用新型给出一种三角形钢板开孔阻尼器,其目的是解决原有经典的三角形钢板阻尼器破坏时应变均匀性差,实际钢材利用率低的不足等诸多问题,进而提供一种具有良好的应变均匀性,同时具有较好耗能能力和位移能力,开孔的应力集中现象不明显,构造合理的的三角形钢板开孔阻尼器 
本实用新型给出的技术方案如下: 
一种三角形钢板开孔阻尼器,包括钢板、底板、上部挡板和球形传力键,其特征在于,所述钢板设计成开孔式的耗能钢板,钢板平面几何形状为三角形,平面的钢板上开一个椭圆形孔,三角形板的底边固嵌于所述底板,顶点通过所述球形传力键与所述上部挡板紧密贴合。钢板材料建议选取屈服强度345MPa的高强 软钢,以保证其具有较高的初始刚度和良好的塑性性能。需要注意的是:第一,三角形钢板开孔阻尼器受力形式为受弯构件。第二,为避免应力集中,开孔形状为椭圆形;第三,为保证钢板完整性,开孔边缘应预留足够的宽度。第四,椭圆形开孔能够明显改善钢板破坏时应变均匀性。第五,椭圆形开孔不影响阻尼器位移能力和耗能能力。 
本实用新型装置中的耗能部件为开椭圆孔的三角形钢板,椭圆孔长轴方向与板宽方向互相垂直。椭圆孔中心距底边在0.36~0.44H之间(H为三角板板高),椭圆孔长轴为0.2~0.28H之间,椭圆孔短轴为0.12B~0.16B之间(B为三角形板宽)。此外,开孔部分的面积控制在原有三角形钢板面积的7%~10%,开孔椭圆的离心率为0.85~0.9。椭圆形开孔的任一边界点与三角形钢板边界的最小距离不应小于3cm。 
本实用新型适用于建筑工程与桥梁工程的减震设计。通过对三角形钢板上开椭圆形孔,使得本实用新型在不影响阻尼器位移能力和屈服耗能能力的情况下,能有效改善钢板破坏时应变均匀性差的问题,实现节约钢材的目的。而且椭圆形开孔,避免了应力集中问题,也保证了钢板的屈服耗能能力和位移能力不降低。 
附图说明
图1三角形钢板应力拓扑优化结果。 
图2开孔前后钢板模型的力—位移曲线:(a)未开孔钢板。 
图3开孔前后钢板模型的力—位移曲线:(b)开椭圆孔钢板。图4开孔前后钢板模型的力—位移曲线:(a)未开孔钢板。 
图5开孔前后钢板模型的力—位移曲线:(b)开椭圆孔钢板。 
图6为三角形开椭圆形孔阻尼器横向图。 
图中:1为顶板,2为上部挡板,3为螺栓,4为三角形钢板,5为底板,6为球形传力键,7为椭圆形开孔。 
图7为三角形开椭圆形孔阻尼器纵向图。 
图8为一种三角形钢板开孔阻尼器实例在桥梁中应用示意图。 
图中:8为支座,9为主梁,10为桥墩。 
图9为一种三角形钢板开孔阻尼器实例在建筑支撑中应用示意图。 
图中:11为框架梁,12为框架柱,13为斜撑。 
具体实施方式
为了探求一个合理的钢板构造,对三角形钢板建立有限元模型进行了拓扑优化。拓扑优化结果表明,钢板应变较低处集中在钢板中部和底部,初步考虑挖去这几部分。但是挖去2个底角,很大程度上降低钢板首次屈服刚度而且应力集中问题难于克服,故不考虑。如果在钢板中间挖圆孔,会出现严重的应力集中问题,大大降低钢板的位移能力;此外,如果椭圆孔长轴与底边平行,那么应变改善效果十分有限,故这2种开孔方式不予考虑。如图1所示。 
进一步据此提出桥梁开孔阻尼器的构造:在三角形钢板上中部应变偏低部分开椭圆形孔。椭圆孔中心距底边在0.40H左右(H为三角板板高),椭圆孔长轴约为0.25H,椭圆孔短轴约为B/7(B为板宽)。为保持阻尼器钢板屈服耗能能力和位移能力,开孔部分的面积应控制在原有三角形钢板面积的7%~10%,且开孔椭圆的离心率建议取值为0.85~0.9。椭圆形开孔的任一边界点与三角形钢板边界的最小距离不应小于3cm。 
本实用新型中,所用的钢材型号、钢材的尺寸设计与数目以及焊接工艺的选取,都应按照设计要求灵活调整,以保证在不影响阻尼器耗能能力和位移能力的前提下,实现改善钢板破坏时应变均匀性的问题,提高钢材利用率,并最终实现节省钢材的目的。 
本实用新型中,所述开孔阻尼器中椭圆形开孔的具体尺寸和位置应根据设计要求并参考本实用新型说明书而定。 
本实用新型提供的技术方案的优点: 
1)通过设置椭圆形开孔,提高了钢板屈服破坏时的应变均匀性,钢材利用率明显提高,同时开孔并未降低钢板阻尼器的耗能能力,钢板的位移能力甚至略有提高,这一构造可以节省钢材,取得良好经济效益。例如,通过对板宽B=0.6m、板高H=0.4m、板厚t=0.02m的三角形钢板进行拓扑优化,在钢板中部开一个长轴为180mm,短轴为80mm的椭圆孔,椭圆中心距钢板底端150mm,得到钢板在地震作用下主要参数变化如表1所示。 
通过对比发现:开椭圆孔后,单块钢板可以节省10%的用钢量,同时单块钢板位移能力的提高,也可降低阻尼器中钢板数目,这样可进一步降低钢材用量到开孔前三角形钢板阻尼器的80%以下,这对于提高钢材利用率是十分有利的,能 够取得良好经济效益。而且开椭圆孔后,钢板的耗能能力基本没有变化。首次屈服刚度虽有下降,但仍保持在很高的水平。 
表1拓扑优化后开孔三角形钢板参数变化表 
注:这里钢板耗能能力取为钢板顶点水平力—位移曲线与坐标横轴(位移轴)围成的面积(如图2、图3中阴影部分面积),面积的单位为N·mm。 
图4、图5给出了开椭圆孔前后钢板在相同位移下(水平位移d=147.20mm)的各截面外缘点应变分布情况。开椭圆孔后,应变分布情况明显改善。这表明:开椭圆孔构造能够提高钢板应变均匀性,提高钢材利用率。 
2)椭圆形开孔的构造简单,加工方便,采用现有的材料加工制作技术即可完成本实用新型的全部技术优点,不增加额外的加工难度。开孔节省钢材,经济效益提高。 
3)安装方便,震后修复快捷。地震发生时钢板屈服耗能,降低地震反应,保障结构物安全使用;地震发生后,可及时检查并修复使开孔阻尼器重新投入使用。三角形开孔阻尼器使用到一定年限时,可将其拆卸,重新更换。 
以下介绍施工安装方法: 
具体实施时,首先,将矩形钢板加工成开椭圆孔三角形钢板,钢板底部设置足够高度矩形板;其次,用焊接方法固定若干钢板于底板。最后,安装球形传力键于钢板顶点,并与上部挡板连接在一起。 
如图8所示,在桥梁工程中,三角形钢板开孔阻尼器与支座配合使用,用于桥梁结构减震设计。地震发生时,钢板屈服耗能,降低下部结构的地震响应。 
如图9所示,在建筑工程中,三角形钢板开孔阻尼器可单独使用,用于墙式结构或框架结构的减震设计。在地震力作用下,钢板发生塑性变形并屈服耗能,保护结构物的安全。 

Claims (5)

1.一种三角形钢板开孔阻尼器,包括钢板、底板、上部挡板和球形传力键,其特征在于,所述钢板设计成开孔式的耗能钢板,钢板平面几何形状为三角形,平面的钢板上开一个椭圆形孔,三角形板的底边固嵌于所述底板,顶点通过所述球形传力键与所述上部挡板紧密贴合。
2.如权利要求1所述的三角形钢板开孔阻尼器,其特征在于:所述开椭圆孔的三角形钢板,椭圆孔长轴方向与板宽方向互相垂直。
3.如权利要求2所述的三角形钢板开孔阻尼器,其特征在于,椭圆孔中心距底边控制在0.36H~0.44H,H为三角板板高,椭圆孔长轴控制在0.22H~0.28H,椭圆孔短轴控制在0.12~0.16B,B为三角形板宽。
4.如权利要求2所述的三角形钢板开孔阻尼器,其特征在于,椭圆形开孔部分的面积控制在原有三角形钢板面积的7%~10%,开孔椭圆的离心率为0.85~0.9。
5.如权利要求2所述的三角形钢板开孔阻尼器,其特征在于,椭圆形开孔的任一边界点与三角形钢板边界的最小距离不应小于3cm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105544769A (zh) * 2016-02-03 2016-05-04 上海天华建筑设计有限公司 椭圆开洞面外弯曲屈服型消能器及其制造方法
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CN107354861A (zh) * 2017-07-13 2017-11-17 浙江永联建设工程股份有限公司 桥梁横向减震阻尼器
CN108952282A (zh) * 2017-05-27 2018-12-07 南京理工大学 一种分阶段屈服减震软钢阻尼器

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