本发明属于建筑结构的消能减震领域，特别涉及一种大变形减震消能器。
背景技术：
消能减震技术就是通过在结构指定部位增设消能器，在地震作用或者强风荷载作用下耗散输入结构的能量，从而减轻结构的振动响应，避免结构本身产生损伤。金属消能器是通过金属材料屈服后产生的塑性滞回变形耗散能量，并且因其力学性能稳定，制作、维护成本较低，在消能减震领域得到了广泛应用。
地震作为群灾之首，地震发生时余震一般伴随着主震一起出现，而且主震刚过，频繁的余震往往紧随其后，所以需要保证金属消能器在经历主震之后还能持续变形耗能，因此改善金属消能器的延性和抗疲劳性能变得至关重要。而且目前大多数金属消能器的大变形能力不足，在隔震层等需要大变形的工程应用中明显不适用。
因此需要开发一种大变形消能器变得意义重大，它具有极强的变形能力、且在大变形的情况下承载力保持稳定，同时还具有优良的延性和抗疲劳性能。
技术实现要素：
本发明提供了一种大变形减震消能器，以改善金属消能器的延性和抗疲劳性能，并且具有极强的变形能力，且在大变形的情况下可以提供稳定的承载力。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
提出一种大变形减震消能器，所述大变形减震消能器包括两端的半圆弧耗能段、上、下各两个平直耗能段以及中间连接板，所述中间连接板的尺寸大于平直耗能段，所述平直耗能段与中间连接板之间通过光滑过渡处理以防止应力集中，而且所述大变形减震消能器结构形式对称，构造简单，力学模型明确，加工方便，可以实现精确设计和制作，所述大变形减震消能器通过高强螺栓安装于建筑结构相对变形较大处以减轻建筑物在地震作用或者强风荷载作用下的振动响应。
优选地，所述大变形减震消能器由q235钢或者q345钢制成。
优选地，所述中间连接板通过扩大处理。
优选地，所述中间连接板设有螺栓孔。
优选地，所述平直耗能段与中间连接板之间光滑过渡处的倒角半径在满足设计要求的前提下应足够大以消除应力集中现象。
优选地，所述大变形减震消能器只有一条焊缝且位于扩大连接板内，以提高其整体性能。
本发明还提供了所述大变形减震消能器的设计及其制作方法，根据实际工程需要可对消能器进行精确设计，以实现优越的抗震性能，具体设计方法和制作步骤如下：
(a)首先，根据实际工程结构需求确定所述大变形减震消能器的初始刚度、屈服位移、屈服承载力等力学性能指标，各项力学性能指标计算公式见公式(1)-(6)，从而确定大变形减震消能器耗能段的几何尺寸和钢材种类；
力学性能指标计算公式：
屈服承载力
初始刚度：
其中初始刚度修正系数：
屈服后刚度：k'＝αk0(4)
屈服位移：
峰值荷载：fu＝βfy(6)
其中，t为大变形减震消能器的钢板厚度；w为大变形减震消能器耗能段(半圆弧耗能段或平直耗能段)的钢板宽度；r为大变形减震消能器半圆弧耗能段的中线半径；s为半圆弧耗能段端部到中间连接板端部的长度；σy为大变形减震消能器材料的屈服强度；e为大变形减震消能器材料的弹性模量；α为大变形减震消能器屈服后刚度与初始刚度之比，对q235钢和q345钢，建议取0.005-0.015；β为钢材的超强系数，对q235钢和q345钢，建议取1.2-1.5；
(b)其次，根据大变形减震消能器所受的峰值荷载确定中间连接板所需的高强螺栓孔的直径和数量，从而可以确定中间连接板的尺寸，且中间连接板的尺寸需大于平直耗能段，这样不仅可以保证连接可靠，而且可以将大变形减震消能器的耗能变形限制在所述的半圆弧耗能段和平直耗能段；
(c)然后，确定所述大变形减震消能器的平面展开图,接着采用钢板整体切割，辊压成型；
(d)最后，在辊压成型的接口处采用全熔透对接焊缝。
由于采用上述技术方案，本发明大变形减震消能器的有益效果包括：
1)变形能力极强。本发明是通过弯曲变形耗能，在水平外力作用下沿其长度方向滚动向前以实现较大变形，而且试验表明在大变形的情况下还可以保持稳定的承载力。
2)具有良好的延性和抗疲劳性能。本发明在水平外力作用下滚动向前变形，使得消能器多截面屈服耗能，避免了屈服位置集中显现，从而显著改善了消能器的延性和抗疲劳性能。
3)设计简单。本发明由于力学模型明确，可以实现精准设计，通过改变消能器钢板的厚度、宽度、以及消能器高度等尺寸实现任意初始刚度、屈服位移和屈服荷载等力学性能指标的要求。
4)成本较低。本发明采用普通建筑钢材，大大降低了生产成本，而且性能优越，有利于本发明大变形减震消能器的大力推广。
本发明大变形减震消能器设计及其制作方法已经经过试验验证，试验结果表明：设计公式能够比较精确地预测大变形减震消能器的各项力学性能指标，该大变形减震消能器具有极强的变形能力，且延性和抗疲劳性能优良，加之其易于加工、施工方便、成本较低、适用性强，可以设置在框架层间和隔震层等位置，有效减少结构的振动反应，因此具有广阔的工程应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明大变形减震消能器的三维示意图。
图2为本发明大变形减震消能器的平面展开图。
图3为本发明大变形减震消能器在框架层间的布置方式示意图。
图4为本发明大变形减震消能器在框架层间的工作示意图。
图5为本发明大变形减震消能器在隔震支座的布置方式示意图。
图6为本发明大变形减震消能器试验现场加载装置图。
图7为本发明大变形减震消能器试件ls-2的试验滞回曲线图。
图8为本发明大变形减震消能器试件ls-2的试验骨架曲线图。
图中：1、半圆弧耗能段；2、平直耗能段；3、中间连接板；4、螺栓孔；4-1、上、下盖板预留的螺栓孔；5、全熔透对接焊缝；6、框架柱；7、框架梁；8、钢支撑；9、框架中的大变形减震消能器；9-1、隔震支座中的大变形减震消能器；10、连接钢板；11、高强螺栓(与连接钢板10连接)；11-1、高强螺栓(与框架梁7连接)；12、上盖板；13、高阻尼橡胶隔震垫；14、下盖板。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。
实施例一：
结合图1～图4所示，本发明提供大变形减震消能器，包括两端的半圆弧耗能段1、上、下各两个平直耗能段2以及中间连接板3。在水平外力作用下，沿大变形减震消能器长度方向滚动向前变形耗能。
具体地，如图1和图2所示，本发明大变形减震消能器由q235钢或者q345钢制成，所述中间连接板3通过扩大处理，中间连接板3设有螺栓孔4。所述平直耗能段2与中间连接板3之间通过光滑过渡处理,光滑过渡处的倒角半径在满足设计要求的前提下应足够大以消除应力集中现象。所述大变形减震消能器采用钢板整体切割，然后辊压成型，所述大变形减震消能器只有一条焊缝5且位于中间连接板内。
根据实际工程需要确定所述大变形减震消能器的具体尺寸参数，具体设计方法和制作步骤如下：
(a)首先，根据实际工程结构需求确定所述大变形减震消能器的初始刚度、屈服位移、屈服承载力等力学性能指标，各项力学性能指标计算公式见公式(1)-(6)，从而确定大变形减震消能器耗能段的几何尺寸和钢材种类；
力学性能指标计算公式：
屈服承载力
初始刚度：
其中初始刚度修正系数：
屈服后刚度：k'＝αk0(4)
屈服位移：
峰值荷载：fu＝βfy(6)
其中，t为大变形减震消能器的钢板厚度；w为大变形减震消能器耗能段(半圆弧耗能段(1)或平直耗能段(2))的钢板宽度；r为大变形减震消能器半圆弧耗能段(1)的中线半径；s为半圆弧耗能段(1)端部到中间连接板(3)端部的长度；σy为大变形减震消能器材料的屈服强度；e为大变形减震消能器材料的弹性模量；α为大变形减震消能器屈服后刚度与初始刚度之比，建议取0.005-0.015；β为钢材的超强系数，对q235钢和q345钢，建议取1.2-1.5；
(b)其次，根据大变形减震消能器所受的峰值荷载确定中间连接板3所需的高强螺栓孔4的直径和数量，从而可以确定中间连接板3的尺寸，且中间连接板3的尺寸需大于平直耗能段2，这样不仅可以保证连接可靠，而且可以将大变形减震消能器的耗能变形限制在所述的半圆弧耗能段1和平直耗能段2；
(c)然后，确定所述大变形减震消能器的平面展开图(如图2),接着采用钢板整体切割，辊压成型；
(d)最后，在辊压成型的接口处采用全熔透对接焊缝。
用于框架结构的层间位置，通过设计使得大变形减震消能器在地震或者强风荷载作用下先于结构屈服耗能，以减少结构的振动响应，且因其优良的变形能力和抗疲劳性能震后无需更换。图3和图4分别展示了本发明大变形减震消能器在框架结构的层间布置方式和工作示意图，具体安装时，如图3所示，大变形减震消能器9设置在框架梁7底面的跨中位置，且大变形减震消能器9的长度方向平行于框架梁7的跨度方向。大变形减震消能器9还需借助倒“v”型钢支撑8和连接钢板10与建筑结构连接，连接钢板10设有与大变形减震消能器9的中间连接板3对应的螺栓孔。对于混凝土框架梁7，应事先在混凝土框架梁7预埋对应的高强螺栓11-1，且混凝土框架梁7与大变形减震消能器9相连的区域需要做局部加强；对于钢框架梁7，应事先在钢框架梁7底面设有与大变形减震消能器9中间连接板3对应的螺栓孔，且钢框架梁7与大变形减震消能器9相连的区域需要做局部加强。具体安装时，通过高强螺栓11和11-1将大变形减震消能器9固定于框架结构中。
实施例二：
用于隔震结构中，和橡胶隔震支座配合使用，具体地，如图5所示，因其地震作用方向的不确定性，所以在高阻尼橡胶隔震垫13四周两个垂直方向分别设置了大变形减震消能器9-1，一方面因大变形减震消能器9-1沿其长度方向超强的变形能力,且在塑性变形过程中可以耗散能量，对高阻尼橡胶隔震垫13有一定的保护作用；另一方面大变形减震消能器9-1的设置可以弥补高阻尼橡胶隔震垫13抗拉性能的不足。具体安装时，先将下盖板14与下部结构连接，其中高阻尼橡胶隔震垫13通过热硫化技术与上盖板12和下盖板14融为一体，高阻尼橡胶隔震垫13四周的大变形减震消能器9-1可以通过高强螺栓连接或者焊接方式与上盖板2和下盖板14连接，最后上盖板12与上部结构连接。
另外，对实施例1和实施例2中所述的5个大变形减震消能器进行了低周往复加载试验，试件编号为ls-1～ls-5，试验加载装置如图6所示，试件全部采用q235钢，因为本次试验的5个消能器破坏机理和破坏模式基本相同，所以这里仅展示试件ls-2的试验结果：试件ls-2的尺寸参数：t＝20,w＝100,r＝140,s＝120,破坏时半圆弧耗能段1和平直耗能段2已经产生充分的塑性变形，在四个平直耗能段2出现多处裂缝，表明试件ls-2实现了多截面屈服，有效地避免了应力集中现象，试件ls-2的试验滞回曲线和骨架曲线如图7和图8所示，滞回曲线呈饱满的纺锤体状，滞回环稳定饱满，直至最后断裂破坏之前，试件的承载力退化很小，试件ls-2的极限位移为240mm，试件破坏时总共循环了90圈，位移累计历程达35568mm。试验研究表明：本发明大变形减震消能器能够实现多截面屈服，强度退化小，具有强大的变形能力、稳定饱满的滞回环和优良的抗疲劳性能。