一种带有可更换功能的拉压加载型软钢阻尼器的制作方法

本发明属于土木工程抗震与减震领域，涉及一种带有可更换功能的拉压加载型软钢阻尼器。

背景技术

目前高层、超高层建筑越来越多，对于结构抗震的要求也随之提高，尤其是地震地区。根据实际工程得知，剪力墙在震后均有不同程度的破坏，尤其是剪力墙底部区域发生了严重破坏，有的建筑甚至出现剪力墙墙趾处混凝土被压碎、钢筋被压弯、鼓曲外露的情况，所以剪力墙的减震隔震的提出是有必要的。现在的做法通常是增强剪力墙的边缘约束构件，已加强抗震能力。然而现在的剪力墙增强抗震的效果并不明显，因此最新研究不再向增强抗震能力为核心，而转向减震、隔震的方法来防止剪力墙的破坏。

结构抗震已由抗倒塌设计逐步向可恢复功能设计转变，以期在震后将整个社会的损失降到最低。在实现可恢复功能结构的这几种方法中，目前最具有可操作性的是可更换结构，在结构中设置可更换的结构构件，在强震时使结构的损伤主要集中在可更换构件，不仅可以利用其有效耗散地震输入结构能量，而且有利于震后对受损的可更换构件快速更换，尽快恢复结构的正常使用功能。

经过几十年的发展，耗能减震技术在国内外已经有了丰硕的成果，越来越多的学者和工程技术人员先后开发了多种类型的阻尼器，目前常用的耗能减震体系包括两大部分，一部分是速度相关型阻尼器，主要包括：粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器。粘滞阻尼器的耗能机制是由结构和粘滞阻尼器的相对速度而产生，而粘弹性阻尼器的耗能因素既包括了对结构的相对位移也与结构和粘弹性阻尼器产生的相对速度有关。另一部分是位移相关型阻尼器(又称为滞回阻尼器)，主要包括：金属阻尼器和摩擦阻尼器，由于这种阻尼器的恢复力模型具有明显的滞回特性，以此也称为滞变型阻尼器。另外位移相关型阻尼器是依靠阻尼器与结构在振动时产生的相对位移而起到消能减震的作用。现已开发的耗能构件种类繁多，但金属耗能阻尼器因为其性能稳定、价格低廉、可靠性高等特点，而得到广泛关注。金属耗能阻尼器是利用金属塑性滞回变形来耗散外部地震输入的能量，特别是软钢阻尼器在进入塑性状态后具有很好的滞回特性，并在弹塑性变形过程中吸收大量的地震能量，因而被用来制造不同类型和构造的耗能阻尼器。

现今使用的金属阻尼器大多属于剪切型阻尼器，而拉压型阻尼器少之又少。从柱结构、支撑结构和剪力墙的震害特征可以看出，结构局部出现由拉压变形引起的塑性区域的现象比较常见，然而没有相关的阻尼器，以消耗轴向外部能量。因此，研制一种拉压型金属耗能阻尼器，放置于有轴向塑性变形的主体结构具有重要的工程应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种带有可更换功能的拉压加载型软钢阻尼器，该阻尼器能够放置于轴向塑性变形的主体结构中。

为达到上述目的，本发明所述的带有可更换功能的拉压加载型软钢阻尼器包括中间竖板、左侧竖板、右侧竖板、上端板、下端板、第一翼缘、第二翼缘、第三翼缘及第四翼缘；

中间竖板的上端固定于上端板的底部，左侧竖板的下端及右侧竖板的下端均固定于下端板上，中间竖板位于左侧竖板与右侧竖板之间，且中间竖板的下端与下端板之间有间隙，左侧竖板的上端及右侧竖板的上端与上端板之间均有间隙，第一翼缘的一端及第三翼缘的一端固定于左侧竖板上，第一翼缘的另一端及第三翼缘的另一端均固定于中间竖板上，第二翼缘的一端及第四翼缘的一端均固定于右侧竖板上，第二翼缘的另一端及第四翼缘的另一端均固定于中间竖板上，第一翼缘、第三翼缘、左侧竖板及中间竖板围成的区域内固定有第一波形腹板，第二翼缘、第四翼缘、右侧竖板及中间竖板围成的区域内固定有第二波形腹板。

上端板与中间竖板的连接位置处设置有若干三角加劲肋，其中，各三角加劲肋位于中间竖板的两侧、第一波形腹板的两侧及第二波形腹板的两侧。

还包括若干第一加劲板及若干第二加劲板，其中，各第一加劲板固定于左侧竖板及下端板上，各第二加劲板固定于右侧竖板及下端板上。

下端板及上端板上均开设有用于连接外部设备的通孔。

中间竖板的下端与下端板之间的距离为40mm；

左侧竖板的上端及右侧竖板的上端与上端板之间的距离均为40mm。

中间竖板的宽度大于等于280mm，中间竖板的厚度大于等于25mm，中间竖板的长度为340mm；

左侧竖板的高度、宽度及厚度分别为340mm、200mm及15mm；

第一波形腹板的高度、宽度及厚度分别为260、182mm及4mm；

右侧竖板的高度、宽度及厚度分别为340mm、200mm及15mm；

第二波形腹板的高度、宽度及厚度分别为260、182mm及4mm；

第一翼缘、第二翼缘、第三翼缘及第四翼缘的长度、宽度及厚度均分别为200mm、182mm及13mm；

三角加劲肋的高度、宽度及厚度分别为170mm、60mm及10mm；

第一加劲板及第二加劲板的高度、宽度及厚度均分别为340mm、80m及10mm。

第一波形腹板的弯折角度及第二波形腹板的弯折角度均为135°。

第一波形腹板及第二波形腹板均采用屈服强度为80mpa～220mpa的低屈服点软钢；

上端板、下端板、中间竖板、左侧竖板、右侧竖板、第一翼缘、第二翼缘、第三翼缘、第四翼缘、三角加劲肋、第一加劲板及第二加劲板均采用屈服强度为235mpa的普通钢或者屈服强度为345mpa的高强钢。

所述通孔为螺栓孔。

通过第一波形腹板剪切屈服、第二波形腹板剪切屈服、第一翼缘弯折变形、第二翼缘弯折变形、第三翼缘弯折变形及第四翼缘弯折变形共同吸收外部地震输入的能量。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的带有可更换功能的拉压加载型软钢阻尼器在具体工作时，当受到外部拉压变形时，通过第一波形腹板剪切屈服、第二波形腹板剪切屈服、第一翼缘弯折变形、第二翼缘弯折变形、第三翼缘弯折变形及第四翼缘弯折变形共同吸收外部地震输入的能量，其中，第一波形腹板及第二波形腹板在外力作用下产生弯折变形，因此能够放置于轴向塑性变形的主体结构中，相比于传统的软钢阻尼器，具有可来回滞回耗能的优点，第一翼缘、第二翼缘、第三翼缘及第四翼缘在外力的作用下产生剪切变形，同样具有良好的滞回耗能性能，经试验，本发明的等效粘滞系数最大可以达到0.55且后期下降幅度很小，在位移为30mm时，等效粘滞系数也可以达到0.48以上，然而现有的绝大部分金属阻尼器的等效粘滞系数最大值仅能达到0.4左右，因此与传统阻尼器相比，本发明能够吸收的能量更多，抗震、减震效果更佳。

附图说明

图1a为第一波形腹板61水平放置的有限元模型的滞回曲线图；

图1b为第一波形腹板61竖直放置的有限元模型的滞回曲线图；

图2a为第一波形腹板61水平放置的有限元模型的应力云图；

图2b为第一波形腹板61竖直放置的有限元模型的应力云图；

图3a为厚度为20mm的中间竖板2的有限元模型的滞回曲线图；

图3b为厚度为25mm的中间竖板2的有限元模型的滞回曲线图；

图4a为厚度为20mm的中间竖板2的有限元模型的应力云图；

图4b为厚度为25mm的中间竖板2的有限元模型的应力云图；

图5a为厚度为10mm的右侧竖板5的有限元模型的滞回曲线图；

图5b为厚度为15mm的右侧竖板5的有限元模型的滞回曲线图；

图6a为厚度为20mm的右侧竖板5的有限元模型的应力云图；

图6b为厚度为25mm的第一翼缘31有限元模型的应力云图；

图7a为厚度为8mm的第一翼缘31的有限元模型的滞回曲线图；

图7b为厚度为10mm的第一翼缘31的有限元模型的滞回曲线图；

图8a为厚度为8mm的第一翼缘31的有限元模型的应力云图；

图8b为厚度为10mm的第一翼缘31的有限元模型的应力云图；

图9a为高宽比为0.5的第一波形腹板61的有限元模型的滞回曲线图；

图9b为高宽比为0.7的第一波形腹板61的有限元模型的滞回曲线图；

图10a为高宽比为0.5的第一波形腹板61的有限元模型的应力云图；

图10b为高宽比为0.7的第一波形腹板61的有限元模型的应力云图；

图11a为厚度为3mm的第一波形腹板61的有限元模型的滞回曲线图；

图11b为厚度为4mm的第一波形腹板61的有限元模型的滞回曲线图；

图12a为厚度为5mm的第一波形腹板61的有限元模型的滞回曲线图；

图12b为不同厚度的第一波形腹板61的有限元模型的等效粘滞系数图；

图13为本发明的结构示意图；

图14为本发明的剖面图；

图15为本发明的主视图；

图16为本发明的右视图；

图17为本发明的俯视图；

图18为实施例一的结构示意图；

图19为实施例二的结构示意图；

图20为实施例三的结构示意图；

图21为实施例四的结构示意图。

其中，1为上端板、2为中间竖板、31为第一翼缘、32为第二翼缘、33为第三翼缘、34为第四翼缘、4为左侧竖板、5为右侧竖板、61为第一波形腹板、62为第二波形腹板、7为下端板、8为三角加劲肋、9为第二加劲板、10为梁、11为剪力墙结构、12为巨柱结构、13为柱脚支撑结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图13至图17，本发明所述的带有可更换功能的拉压加载型软钢阻尼器包括中间竖板2、左侧竖板4、右侧竖板5、上端板1、下端板7、第一翼缘31、第二翼缘32、第三翼缘33及第四翼缘34；中间竖板2的上端固定于上端板1的底部，左侧竖板4的下端及右侧竖板5的下端均固定于下端板7上，中间竖板2位于左侧竖板4与右侧竖板5之间，且中间竖板2的下端与下端板7之间有间隙，左侧竖板4的上端及右侧竖板5的上端与上端板1之间均有间隙，第一翼缘31的一端及第三翼缘33的一端固定于左侧竖板4上，第一翼缘31的另一端及第三翼缘33的另一端均固定于中间竖板2上，第二翼缘32的一端及第四翼缘34的一端均固定于右侧竖板5上，第二翼缘32的另一端及第四翼缘34的另一端均固定于中间竖板2上，第一翼缘31、第三翼缘33、左侧竖板4及中间竖板2围成的区域内固定有第一波形腹板61，第二翼缘32、第四翼缘34、右侧竖板5及中间竖板2围成的区域内固定有第二波形腹板62。其中，中间竖板2的下端与下端板7之间的距离为40mm；左侧竖板4的上端及右侧竖板5的上端与上端板1之间的距离均为40mm。

上端板1与中间竖板2的连接位置处设置有若干三角加劲肋8，其中，各三角加劲肋8位于中间竖板2的两侧、第一波形腹板61的两侧及第二波形腹板62的两侧。本发明还包括若干第一加劲板及若干第二加劲板9，其中，各第一加劲板固定于左侧竖板4及下端板7上，各第二加劲板9固定于右侧竖板5及下端板7上。

中间竖板2的宽度大于等于280mm，中间竖板2的厚度大于等于25mm，中间竖板2的长度为340mm；左侧竖板4的高度、宽度及厚度分别为340mm、200mm及15mm；第一波形腹板61的高度、宽度及厚度分别为260、182mm及4mm；右侧竖板5的高度、宽度及厚度分别为340mm、200mm及15mm；第二波形腹板62的高度、宽度及厚度分别为260、182mm及4mm；第一翼缘31、第二翼缘32、第三翼缘33及第四翼缘34的长度、宽度及厚度均分别为200mm、182mm及13mm；三角加劲肋8的高度、宽度及厚度分别为170mm、60mm及10mm；第一加劲板及第二加劲板9的高度、宽度及厚度均分别为340mm、80m及10mm。

第一波形腹板61及第二波形腹板62均采用屈服强度为80mpa～220mpa的低屈服点软钢；上端板1、下端板7、中间竖板2、左侧竖板4、右侧竖板5、第一翼缘31、第二翼缘32、第三翼缘33、第四翼缘34、三角加劲肋8、第一加劲板及第二加劲板9均采用屈服强度为235mpa的普通钢或者屈服强度为345mpa的高强钢。

下端板7及上端板1上均开设有用于连接外部设备的通孔，所述通孔为螺栓孔，在使用时，通过第一波形腹板61剪切屈服、第二波形腹板62剪切屈服、第一翼缘31弯折变形、第二翼缘32弯折变形、第三翼缘33弯折变形及第四翼缘34弯折变形共同吸收外部地震输入的能量。

中间竖板2的长度一般保持不变，仅随第一波形腹板61及第二波形腹板62宽度改变时而进行调整，由于各翼缘的宽度及三角加劲肋8宽度的限制，同时为了顾及焊接加工的便利性，中间竖板2的宽度不得少于280mm，中间竖板2的厚度不得少于25mm，其原因在于，厚度过小，在传递竖向荷载时，会导致中间竖板2被压弯，进一步导致阻尼器整体承载力下降而提早破坏，第一波形腹板61及第二波形腹板62的耗能能力没有被充分利用，不能体现良好的减震、隔振性能。

左侧竖板4及右侧竖板5的尺寸为340mm×200mm×15mm，同样左侧竖板4及右侧竖板5的长度只随第一波形腹板61及第二波形腹板62宽度改变而改变，由于左侧竖板4及右侧竖板5没有三角加劲肋8的位置限制，因此它的最小宽度为200mm，左侧竖板4及右侧竖板5不会承担过多的轴向力，因此可以将其厚度减小，但同时为了防止其在传递或承受竖向荷载时，发生侧向失稳，为保证左侧竖板4及右侧竖板5有足够的侧向刚度，最终将其厚度定为15mm。

第一波形腹板61及第二波形腹板62的尺寸为260×182mm×4mm，第一波形腹板61及第二波形腹板62是通过弯折机把平钢板弯曲折叠而成的，由于弯折机的条件限制，第一波形腹板61及第二波形腹板62的长度控制在260mm，第一波形腹板61及第二波形腹板62的宽度是通过控制腹板的高宽比来限制的，通过abaqus有限元软件模拟得到的最佳高宽比为0.7，因此第一波形腹板61及第二波形腹板62的宽度定为182mm，第一波形腹板61及第二波形腹板62的厚度定为4mm，通过有限元模拟得知，随着厚度增加，阻尼器的承载能力也随之增大，但腹板厚度不能过大，增大波形腹板的厚度即增大波形腹板的刚度，根据第一波形腹板61及第二波形腹板62与第一翼缘31、第二翼缘32、第三翼缘33、第四翼缘34、左侧竖板4、右侧竖板5及中间竖板2的刚度匹配关系，需要同时增加平面内刚度，以防其抗侧刚度不足，从而不能对第一波形腹板61及第二波形腹板62提供足够的约束，进而导致在地震作用下第一翼缘31、第二翼缘32、第三翼缘33、第四翼缘34、左侧竖板4、右侧竖板5及中间竖板2提前发生失稳破坏，最终导致阻尼器整体退出工作，且第一波形腹板61及第二波形腹板62没有充分发挥其耗能能力，通过大量的有限元模拟得到，第一波形腹板61及第二波形腹板62的最佳厚度为4mm。

第一翼缘31、第二翼缘32、第三翼缘33及第四翼缘34的尺寸为200mm×182mm×13mm，第一翼缘31、第二翼缘32、第三翼缘33及第四翼缘34的宽度和第一波形腹板61及第二波形腹板62的宽度保持一致，第一翼缘31、第二翼缘32、第三翼缘33及第四翼缘34的长度定为200mm，原因是第一波形腹板61及第二波形腹板62在竖向荷载作用下通过弯剪塑性变形耗能，因此第一翼缘31、第二翼缘32、第三翼缘33及第四翼缘34会承受水平方向的剪力，若第一翼缘31、第二翼缘32、第三翼缘33及第四翼缘34的长度过小会导致第一翼缘31、第二翼缘32、第三翼缘33及第四翼缘34在中震或大震作用下被压弯，从而引起阻尼器整体侧向失稳，阻尼器承载力快速下降，因此在第一翼缘31、第二翼缘32、第三翼缘33及第四翼缘34的长度过小时，阻尼器会在中、大震情况下提早退出工作，不能有效的减缓结构主体本身的塑性变形，减小地震对结构的破坏，通过大量的有限元模拟，发现第一翼缘31、第二翼缘32、第三翼缘33及第四翼缘34的长度在200mm时有足够的刚度防止被压弯。

通过第一加劲板及第二加劲板9防止左侧竖板4及右侧竖板5底端在地震作用下发生侧向变形而导致阻尼器整体失稳承载力骤降，阻尼器退出工作，不能有效控制主体结构本身的塑性变形，防止结构在地震作用下的破坏。

另外，第一波形腹板61的数量为一块，也可以是多块波形腹板平行放置，第二波形腹板62的数量为一块，也可以是多块波形腹板平行放置。

位移延性尼系数μ＝δu/δy，其中，δy为屈服位移，δu为极限位移，计算出本发明的屈服位移为4.82mm，由于模型加载到30mm时承载力没有下降，无法得到其极限位移，因此将极限位移取为30mm，计算出本发明的位移延性系数为6.22，一般认为阻尼器的位移延性系数在3左右就表示该阻尼器的耗能性能很好，但本发明的延性系数达到6以上，而且还有上升的空间，因此本发明所设计的阻尼器拥有非常好的耗能性能。

实施例一

参考图18，本发明可以应用于剪力墙结构11中，在施工时，在剪力墙结构11的底部区域预留阻尼器安置腔，阻尼器安置腔内安装本发明，所述阻尼器安置腔的位置根据地震作用的能量大小和地震作用下剪力墙墙趾处易发生破坏的塑性区域确定的。剪力墙结构11因被挖去一定的空间，承载能力下降，通过减小阻尼器平行高度范围内的剪力墙结构11水平分布钢筋间距来补偿损失的承载力。装入阻尼器的剪力墙结构11的承载力与原完好剪力墙结构11的承载力基本持平，但其耗能能力远远大于原被替换的墙脚处的耗能能力。

实施例二

参考图19，本发明应用于巨柱结构12中，其中，在巨柱结构12的底部区域四个角部预留阻尼器安置腔，在该阻尼器安置腔内安装本发明。当巨柱结构12对初始刚度及屈服强度要求较高，可以将第一波形腹板61及第二波形腹板62的个数成倍增加直到满足上述要求。当布置数量大于两个时，需要按倍数成比例增加各翼缘、中间竖板2、右侧竖板5、右侧竖板5及加劲肋的厚度，保证它们与波形腹板的刚度比要求。

同样的，当巨柱结构12被挖去一部分结构导致的承载力下降，也可以通过增加阻尼器平行高度范围内的巨柱结构12水平分布钢筋间距的方法来补偿损失的承载力。

实施例三

参考图20，本发明应用于柱脚支撑结构13中，柱脚支撑结构13主要作用是防止柱结构在地震力作用下倾斜或倾倒，柱脚支撑结构13是一个轴向受力构件，且破坏后不易更换，难以快速恢复主体结构的抗震性能，因此，在柱脚支撑结构13中间加入本发明，本发明可以有效控制柱脚支撑结构13的轴向拉压塑性变形，防止柱脚支撑结构13被压弯或拉断破坏，可以减小保护柱结构的侧向位移，起到更有效的减震、隔振效果，并且震后仅对破坏的阻尼器进行更换，安装、拆卸简易快速，可以快速回复主体结构的抗震性能。

实施例四

参考图21，本发明可以应用于梁10中，将本发明放置在梁柱节点处的梁10端部位置处，可以有效控制梁10的轴向塑性变形，防止梁10在地震作用下发生屈曲破坏，震后通过更换梁10端部的阻尼器，以快速恢复梁10本身的受力性能。