一种支撑式负刚度摩擦阻尼器的制作方法

本发明涉及土木工程结构消能减振技术领域，具体涉及一种支撑式负刚度摩擦阻尼器。

背景技术：

近年来的几次大地震震害表明，经过抗震设计的现代建筑基本可以实现大震不倒，但结构构件(如梁、柱、剪力墙等)震损修复成本高、耗时长，震后难以修复或修复不经济，导致大量震损建筑被迫拆除；此外，非结构构件(如填充墙、吊顶等)和设备震损严重，影响重要建筑(比如医院)在震后的继续使用。结构构件的震损与建筑物的层间位移过大有关，非结构构件的震损与建筑物的层间位移过大或楼面加速度过大有关。因此，要实现重要建筑的震后功能快速恢复，需要对层间位移和楼面加速度实现双控，同时减小结构构件和非结构构件的地震损伤。

目前，工程上主要通过布设被动控制阻尼装置来提高建筑结构的抗震性能。传统的被动控制装置主要包括防屈曲支撑、粘滞阻尼器、摩擦阻尼器等，其力学原理在于，通过向结构中附加阻尼和刚度，减小建筑结构在地震作用下的层间位移响应。但是，传统的被动控制装置无法有效减小建筑结构在地震作用下的楼面加速度响应，因此无法减小大量加速度相关型非结构构件的地震损伤。

技术实现要素：

为了实现层间位移和楼面加速度双控，本发明的目的在于提供一种支撑式负刚度摩擦阻尼器，向结构中附加“大阻尼”，可以增大结构在地震作用下的耗能能力和等效阻尼比，控制结构在强震下的层间位移响应；同时，向结构中引入“负刚度”，可以降低结构的等效刚度，在相同位移下结构的总恢复力减小，从而有效降低结构的楼面加速度响应。本发明支撑式负刚度摩擦阻尼器具有构造简单、出力大、易于设计、布设灵活等特点，能够在地震作用下同时控制结构的层间位移和楼面加速度响应，提升建筑结构的震后功能快速恢复能力。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种支撑式负刚度摩擦阻尼器，其特征在于，包括横向变形约束箱体、位于横向变形约束箱体内部的曲面摩擦构件以及位于横向变形约束箱体左、右两侧的轴向连接支撑；所述横向变形约束箱体包括上、下端板和左、右盖板；所述曲面摩擦构件包括叠层橡胶弹簧，分别位于叠层橡胶弹簧两端由近及远依次设置的与该叠层橡胶弹簧共轴的滑箱、曲面自适应滑动铰以及外凸式摩擦曲面板；该阻尼器还包括一外箱，滑箱和叠层橡胶弹簧均位于该外箱内部，且滑箱的外壁与该外箱两端的内壁贴合，滑箱与外箱之间可发生沿叠层橡胶弹簧轴向的相对滑动；其中，横向变形约束箱体的端板通过摩擦型高强螺栓与外凸式摩擦曲面板固定连接，横向变形约束箱体的上、下端板通过对穿丝杆固定，并通过该对穿丝杆向叠层橡胶弹簧施加预压力；预压力施加到位后，利用摩擦型高强螺栓连接横向变形约束箱体的端板与盖板，以固定两端板的相对位置；位于横向变形约束箱体右侧的轴向连接支撑一端与横向变形约束箱体右盖板固定，该轴向连接支撑另一端与建筑结构的节点固定；位于横向变形约束箱体左侧的轴向连接支撑一端与曲面摩擦构件中外箱的左侧壁固定，该轴向连接支撑另一端与建筑结构的节点固定。

所述负刚度摩擦阻尼器，所述外凸式摩擦曲面板具有外凸式圆曲面，且该圆曲面表面粗糙。

所述负刚度摩擦阻尼器，所述滑箱与曲面自适应滑动铰配套设置，滑箱表面设置有曲面凹槽，曲面自适应滑动铰由两个曲面剖切构成；其中，曲面自适应滑动铰的内凹曲面与外凸式摩擦曲面板的外凸式圆曲面相贴合，并发生相对滑动；曲面自适应滑动铰的外凸曲面与滑箱的曲面凹槽相贴合，并发生相对转动；滑箱自身在该负刚度摩擦阻尼器运动过程中始终保持平动。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

(1)“负刚度”特性：本发明的力-位移曲线具有显著的负刚度特性，即随曲面自适应滑动铰与外凸式摩擦曲面板相对运动的增大，两者间的滑动摩擦力逐渐减小。由于该负刚度特性，本阻尼器能够降低建筑结构的等效刚度，减小建筑物在地震作用下的楼面加速度响应。通过控制建筑结构的楼面加速度响应，有效降低大量加速度相关型非结构构件的地震损伤，提高建筑的震后功能快速恢复能力。

(2)耗能能力强，抗震性能优越：本发明通过滑动摩擦力耗散地震能量，滑动摩擦力属于库仑阻尼。与常用的粘滞阻尼使体系自由振动按指数衰减不同，库仑阻尼能够使体系自由振动按线性衰减，具有更高的减振效率。因此，本发明能够向建筑结构附加更大的等效阻尼，减小建筑结构的振动响应，改善建筑结构的抗震性能。

(3)节点受力好：本发明随着曲面自适应滑动铰与外凸式摩擦曲面板相对位移增加，该阻尼器出力减小；在最大位移处，该阻尼器出力为零。因此，本发明与建筑结构的连接节点受力可避免传统支撑-框架结构中节点最大弯矩与支撑最大轴力耦合、节点受力复杂的问题。

本发明实现了“负刚度”与“大阻尼”的有效结合，能够实现对建筑结构的层间位移和楼面加速度的双控，降低地震作用下结构构件和非结构构件的损伤，提高建筑结构的震后功能快速恢复能力，具有良好的市场推广应用前景。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明整体结构的剖面示意图。

图3为本发明外凸式摩擦曲面板的受力简图。

图4为本发明外凸式摩擦曲面板与曲面自适应滑动铰的几何关系示意图。

图5为本发明实施例的恢复力曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

本发明提出的一种支撑式负刚度摩擦阻尼器，整体结构如图1、剖面结构如图2所示，该阻尼器包括横向变形约束箱体(本实施例的横向变形约束箱体为前后开敞，在实际使用中也可采用封闭箱体)、位于横向变形约束箱体内部的曲面摩擦构件以及位于横向变形约束箱体左、右两侧的轴向连接支撑；横向变形约束箱体包括上端板5-1、下端板5-2、右盖板6-1以及左盖板6-2；曲面摩擦构件包括叠层橡胶弹簧4，分别位于叠层橡胶弹簧4两端由近及远依次设置的与该叠层橡胶弹簧共轴的滑箱3、曲面自适应滑动铰2以及外凸式摩擦曲面板1；该阻尼器还包括一外箱7，滑箱3和叠层橡胶弹簧4均位于该外箱内部，且滑箱3的外壁与该外箱两端的内壁贴合，滑箱3与外箱7之间可以发生沿叠层橡胶弹簧4轴向的相对滑动；横向变形约束箱体的端板通过摩擦型高强螺栓与外凸式摩擦曲面板1固定连接，横向变形约束箱体的上、下端板通过对穿丝杆9固定，并通过该对穿丝杆9向叠层橡胶弹簧4施加预压力；预压力施加到位后，利用摩擦型高强螺栓连接横向变形约束箱体的端板与盖板，以固定两端板的相对位置；位于横向变形约束箱体右侧的轴向连接支撑8-1一端与横向变形约束箱体右盖板固定，轴向连接支撑8-1另一端与建筑结构的节点(如梁柱节点、剪力墙-连梁节点等)固定，位于横向变形约束箱体左侧的轴向连接支撑8-2一端与曲面摩擦构件中外箱7的左侧壁固定，轴向连接支撑8-2另一端与建筑结构的节点固定。

所述外凸式摩擦曲面板1具有外凸式圆曲面，且该圆曲面表面粗糙(该圆曲面的滑动摩擦系数可以根据本阻尼器的使用需求取定，在本实施例中，滑动摩擦系数为0.40)，高承压(在本实施例中，外凸式摩擦曲面板与曲面自适应滑动铰之间接触部分的平均面压高达25mpa)条件下能够保持稳定的滑动摩擦系数。该外凸式摩擦曲面板与横向变形约束端板通过螺栓连接，便于拆卸更换、易于保养修复。本实施例的外凸式摩擦曲面板1采用有机摩擦材料铸模浇筑而成，曲面表面的滑动摩擦系数为0.40，最大可承受面压达到30mpa，为使曲面板便于拼装，在曲面板底面设置钢衬板，厚度为10mm。

所述滑箱3与曲面自适应滑动铰2配套设置，如图2所示；滑箱3表面设置有曲面凹槽；曲面自适应滑动铰2由两个曲面剖切构成，曲面自适应滑动铰2的内凹曲面与外凸式摩擦曲面板1的外凸式圆曲面相贴合，曲面自适应滑动铰2与外凸式摩擦曲面板1之间发生相对滑动，产生滑动摩擦力；曲面自适应滑动铰2的外凸曲面与滑箱3的曲面凹槽相贴合，且曲面自适应滑动铰2的外凸曲面表面喷涂有减摩材料(在本实施例中，采用聚四氟乙烯喷涂材料，表面的滑动摩擦系数小于0.05)，曲面自适应滑动铰2与滑箱3之间发生相对转动，接触部分的摩擦力基本为零；该负刚度摩擦阻尼器的运动过程中，曲面自适应滑动铰2在外凸式摩擦曲面板1上始终紧密贴合滑动，滑箱3自身始终保持平动而不发生转动。本实施例的滑箱3与曲面自适应滑动铰2均采用普通钢材，通过数控机床切削加工而成；其中曲面自适应滑动铰2的外凸曲面、内凹曲面以及滑箱3的曲面凹槽应根据使用要求满足一定的表面粗糙度精度，在本实施例中，曲面自适应滑动铰2的外凸曲面和滑箱3的曲面凹槽的表面粗糙度为ra1.6，曲面自适应滑动铰2的内凹曲面的表面粗糙度为ra6.3。同时，曲面自适应滑动铰2的外凸曲面表面喷涂有聚四氟乙烯减摩材料，外凸曲面的滑动摩擦系数小于0.05。

所述叠层橡胶弹簧4具有轴向刚度大、轴向承载力高的特性，保证向外凸式摩擦曲面板1提供足够大的正压力。该叠层橡胶弹簧的预压力通过横向变形约束箱体施加，且通过控制施加在对穿丝杆9上的外力可实现对预压力的调节和控制。在本实施例中，叠层橡胶弹簧由4个工程中常用的叠层橡胶支座串联组成，叠层橡胶支座依据国家标准《gb20688.3-2006橡胶支座-第三部分：建筑隔震橡胶支座》设计制作，由带铅芯的叠层橡胶和其两端的钢制连接板组成，单个叠层橡胶支座的竖向刚度达到100kn/mm、极限面压达到30mpa以上。

本发明支撑式负刚度摩擦阻尼器的组装过程如下：叠层橡胶弹簧4与滑箱3通过普通螺栓连接，并安装在外箱7内；外凸式摩擦曲面板1与横向变形约束箱体端板(5-1、5-2)通过摩擦型高强螺栓牢固连接；将叠层橡胶弹簧4、滑箱3、曲面自适应滑动铰2以及外凸式摩擦曲面板1按次序对中叠放，并通过对穿丝杆9向叠层橡胶弹簧4施加预压力；预压力施加到位后，利用摩擦型高强螺栓连接横向变形约束箱体的端板(5-1、5-2)与盖板(6-1、6-2)，以固定两端板的相对位置，避免两端板在阻尼器工作过程中发生相对转动。至此，本发明支撑式负刚度摩擦阻尼器拼装完成，如图1所示。

支撑式负刚度摩擦阻尼器组装形成整体后，运至现场，将其轴向连接支撑的两端分别与建筑结构的节点通过螺栓形成可靠连接。本阻尼器以支撑形式应用于建筑结构，可以斜向布设，本阻尼器轴向(即连接阻尼器的建筑结构两节点的连线方向)与建筑楼面的角度灵活。

本发明支撑式负刚度摩擦阻尼器的工作原理介绍如下：

在地震作用下，连接阻尼器的建筑结构两节点在其连线方向发生相对位移，由轴向连接支撑带动外箱7沿本阻尼器轴向运动，引起曲面自适应滑动铰2在外凸式摩擦曲面板1上发生滑动。曲面自适应滑动铰与外凸式摩擦曲面板的相对运动过程中，叠层橡胶弹簧4始终保持压缩状态，因此，曲面自适应滑动铰2与外凸式摩擦曲面板1的相对滑动将产生滑动摩擦力，并伴随阻尼器的往复运动，耗散地震能量。

将曲面自适应滑动铰2与外凸式摩擦曲面板1的相互作用简化为单点集中接触，并结合图3和图4的受力简图，以曲面自适应滑动铰2为受力分析对象(图上简化为矩形滑块)，可以得到本发明的轴向出力fh与相对轴向位移x的函数关系，即本发明支撑式负刚度摩擦阻尼器的恢复力模型，具体推导如下。其中，图中所述x轴与本阻尼器轴向平行。

根据图3所示的受力简图，可以列出在不同的运动方向下，竖向预压叠层橡胶弹簧4的正压力fv和本支撑式负刚度摩擦阻尼器的轴向出力fh所满足的关系式，分别如式(1)和式(2)所示：

fv＝fσ·cosα+sgn(x·v)·fτ·sinα(1)

fh＝-sgn(x·v)·fσ·sinα+fτ·cosα(2)

式中，fv表示叠层橡胶弹簧4受到的正压力，fh表示本支撑式负刚度摩擦阻尼器的轴向出力；fσ表示作用于外凸式摩擦曲面板1上一点作用于曲面自适应滑动铰2的正压力；fτ代表曲面自适应滑动铰2运动过程中，外凸式摩擦曲面板1作用于该曲面自适应滑动铰的滑动摩擦力；x表示曲面自适应滑动铰与外凸式摩擦曲面板的相对位移，与x轴正方向一致取1，否则取-1；v表示曲面自适应滑动铰的运动方向，与x轴正方向一致取1，否则取-1；sgn(x·v)表示曲面自适应滑动铰的位移与运动方向乘积的符号，乘积为正数时取1，否则取-1。

由滑动摩擦力的力学模型，fσ与fτ有式(3)所列关系，其中μ代表外凸式摩擦曲面板1的滑动摩擦系数：

fτ＝μ·fσ(3)

将式(1)～式(3)联立，导出支撑式负刚度摩擦阻尼器的轴向出力fh与竖向预压橡胶弹簧的正压力fv的关系，如式(4)所示：

根据本发明支撑式负刚度摩擦阻尼器的工作原理，竖向预压叠层橡胶弹簧4的正压力fv、外凸式摩擦曲面板1上一点的法向与竖直方向的夹角α是相对水平位移x的函数，分别用fv(x)、α(x)表示。根据图4，可以推出fv(x)、α(x)的表达式分别如式(5)、式(6)所示：

式中，p0代表曲面自适应滑动铰与外凸式摩擦曲面板的相对位移为零时，竖向预压叠层橡胶弹簧4的正压力；k代表预压叠层橡胶弹簧4的竖向刚度；r代表外凸式摩擦曲面板1的外凸式圆曲面所在圆的半径。

综合式(4)、式(5)和式(6)，整理得到轴向出力fh与相对轴向位移x的函数关系fh(x)，如式(7)所示：

图5绘出了p0＝1000kn，k＝50kn/mm，r＝500mm，μ＝0.40时的恢复力曲线，可以看到，本发明支撑式负刚度摩擦阻尼器的恢复力曲线由负刚度和阻尼叠加而成。因此，在地震作用下，本发明可以降低结构的等效刚度，减小结构的加速度响应；同时，通过滑动摩擦力耗散地震能量，减小结构的振动响应，提升结构的抗震性能。