一种多重位移放大连接机构及自平衡复合消能系统的制作方法

1.本实用新型涉及建筑结构消能减震技术领域，特别是涉及一种多重位移放大连接机构及自平衡复合消能系统。


背景技术：

2.消能减震技术是近50年来世界地震工程最重要的成果之一，阻尼器作为消能减震产品已广泛应用于建筑结构和桥梁中，为保证人民生命和财产安全做出了重要贡献。地震或风荷载振动下建筑结构将变形传递给阻尼器，阻尼器变形达到屈服位移后开始耗能，消耗地震或振动作用，保护主体结构的安全。其中阻尼器的变形(位移)越大，工作效率就越大，其消能效果就越明显。阻尼器的布置方式对其工作效率影响很大，通常采用位移放大系数(f＝阻尼器位移/结构层间水平位移)来评价阻尼器工作效率的大小，传统的阻尼器布置形式主要有墙型(如附图1)、支撑型(如附图2)、剪切连接型(如附图3)以及放大型；阻尼器放大式布置中根据不同的放大方式，又大致分为肘节型(如附图4)和伸臂型(如附图5)等。墙型、支撑型、剪切连接型主要利用结构层间变形来发挥阻尼器的耗能作用，其位移放大系数均小于1.0，工作效率不高，需要在建筑结构中布置较多数量的阻尼器才能起到一定的耗能效果。肘节型属于机械放大型机构，其位移放大系数为f＝sinθ1/cos(θ1+θ2)+sinθ2，θ1为上支撑杆与竖向的夹角，θ2为下支撑杆与水平向的夹角，位移放大效果仅依赖于两肘节支撑杆之间的钝角夹角，初始夹角过小时位移放大系数小于1.0，初始夹角过大时位移放大系数大于4.0，但若此时结构的层间变形过大，则肘节支撑可发挥的夹角变形余地迅速减小，接近180
°
三点共线后将因支撑杆件内力急剧增大至无穷大而破坏失效，因此工程应用中合理设计的肘节式阻尼器位移放大系数为2.0～3.5，肘节二连杆对应的锐角夹角为[13
°
，23
°
]。伸臂型阻尼器的布置方式通过伸臂的杠杆放大作用来提高设置在伸臂末端的阻尼器工作效率，位移放大系数与伸臂长度/伸臂高度的比值相关，设置在建筑结构层间的伸臂，其尺寸则取决于结构层间的跨高比，因此位移放大系数一般为2.0～4.0。以上两种阻尼器放大式布置都存在位移放大效果有限的问题，且肘节型阻尼器的二连杆夹角实际设计幅度小，安装精度要求高，而伸臂型阻尼器的设计及构造受建筑使用条件影响较大。
[0003]
建筑消能阻尼器按照类型划分为速度型阻尼器、位移型阻尼器及复合型阻尼器。速度型阻尼器的耗能能力与阻尼器两端的相对速度相关，如黏滞阻尼器、黏弹性阻尼器等；位移型阻尼器的耗能能力与阻尼器两端的相对位移相关，如屈曲约束支撑、摩擦阻尼器等；复合型阻尼器的耗能能力与阻尼器两端的相对位移和相对速度相关，如铅黏弹性阻尼器等。在各类建筑消能阻尼器中，速度型黏滞阻尼器是一种主要由缸体、活塞、粘滞材料等部分组成，利用液体黏滞材料运动时产生黏滞阻尼耗散能量的减震装置。由于黏滞阻尼器的自身刚度较小，具有足够大的变形能力，其力与位移的滞回性能和疲劳性能优良，可以有效降低结构在各种动力荷载作用下的反应，常用于高层结构的地震与风振控制。黏滞阻尼器的主要设计控制参数之一为速度指数α，工程上速度指数的应用范围主要在α＝[0.15～1]区间，如图6所示为黏滞阻尼器的阻尼力与速度指数的曲线图，其范围内阻尼器的力学性能
在速度指数α＝1时，黏滞阻尼器出力与速度为线性关系，即力的增长幅度与速度增长的幅度相同；α≠1时，黏滞阻尼器出力与速度的关系为非线性关系；特别地，在速度不大时，对于α<1的黏滞阻尼器，即力的增长幅度小于速度增长的幅度，α越小，阻尼器的耗能效果越好；当α>1时，力的增长幅度大于速度增长的幅度，其耗能面积小且随着速度越大，力的增长幅度越快。因此现有技术中一般多采用前期耗能能力强的速度指数为α<1的黏滞阻尼器。
[0004]
如何在建筑结构层间变形有限的情况下有效地提高阻尼器的工作效率，充分发挥阻尼器的耗能效果，愈发受到广大工程师的关注。此外，单一耗能效果的阻尼器无法实现结构在不同工作阶段的耗能需求，如何构造具有复合耗能能力的消能系统也逐渐成为工程界和学术界的研究热点。


技术实现要素：

[0005]
为了解决上述问题，本实用新型的目的是提供一种多重位移放大连接机构，该连接机构通过悬臂桁架、肘节二连杆、构筑物的有机联系构造形成稳定性高、响应快、变形多重放大的连杆机构，并与连接在机构内部的阻尼器形成受力自平衡的消能系统，通过将阻尼器轴向位移多重放大进而使阻尼器的阻尼作用多重逐级放大，从而实现放大效率高、响应快、自平衡、大变形阻尼耗能的目的。本实用新型的另外一个目的还在于提供一种自平衡复合消能系统，采用两个速度参数不同的阻尼器并联设置，在一个阻尼器发生故障的时候，不影响整个阻尼器的使用，且两个不同参数的阻尼器能够互补以实现持续增加复合阻尼力，此外悬臂桁架弦杆或斜腹杆采用位移型阻尼器构成的支撑杆，可进一步实现消能系统的复合耗能作用。
[0006]
基于此，本实用新型提供了一种多重位移放大连接机构，包括第一支撑杆、第二支撑杆、悬臂桁架、构筑物，所述悬臂桁架固定连接在所述构筑物上，所述第一支撑杆的一端与第二支撑杆的一端铰接形成一个具有中部活动铰的肘节二连杆，且所述肘节二连杆的第一支撑杆和第二支撑杆呈夹角布置，所述第一支撑杆的另一端铰接在所述悬臂桁架末端，所述第二支撑杆的另一端铰接在所述构筑物上。
[0007]
作为优选方案，所述第一支撑杆和第二支撑杆的初始的锐角夹角为[15
°
，45
°
]。
[0008]
作为优选方案，所述构筑物包括剪力墙、支撑框架和框架柱，所述悬臂桁架的一端固定连接在所述剪力墙或支撑框架上，所述肘节二连杆中的第二支撑杆的另一端铰接在所述框架柱或剪力墙或支撑框架上。
[0009]
一种自平衡复合消能系统的技术方案，包括阻尼器和权利要求1 所述多重位移放大连接机构，所述阻尼器的一端铰接于所述肘节二连杆的中部活动铰上，所述阻尼器的另一端铰接于所述悬臂桁架末端，且与所述第一支撑杆的另一端的铰接点不重合。
[0010]
作为优选方案，所述第一支撑杆与所述第二支撑杆铰接，所述阻尼器的一端铰接在所述第一支撑杆上或者铰接在第二支撑杆上。
[0011]
作为优选方案，所述阻尼器为并联设置的第一阻尼器和第二阻尼器，所述第一阻尼器的两端与所述第二阻尼器的两端通过端部连接铰连接。
[0012]
作为优选方案，所述第一阻尼器为速度型阻尼器或位移型阻尼器，所述第二阻尼器为速度型阻尼器或位移型阻尼器。
[0013]
作为优选方案，所述第一阻尼器为速度指数小于1的黏滞阻尼器，所述第二阻尼器
为速度指数大于1的黏滞阻尼器。
[0014]
作为优选方案，所述悬臂桁架由悬臂桁架弦杆和悬臂桁架腹杆连接组成，所述桁架腹杆包括斜腹杆和/或竖腹杆，所述悬臂桁架弦杆和斜腹杆为普通钢支撑。
[0015]
作为优选方案，所述悬臂桁架弦杆、斜腹杆为位移型阻尼器，所述位移型阻尼器为屈曲约束支撑或摩擦阻尼器。
[0016]
有益效果：本实用新型的多重位移放大连接机构，可将构筑物的变形转化为第一重放大行程效果的悬臂桁架末端转动变形，并驱动铰接于悬臂桁架末端的第二重放大行程效果的肘节二连杆，形成二重放大形成效果的连杆机构。本实用新型的自平衡复合消能系统的阻尼器一端铰接于肘节二连杆的中部活动铰上，阻尼器另一端铰接于所述悬臂桁架上，且与肘节二连杆中的第一支撑杆的另一端铰接点不重和，使得阻尼器变形具有三重放大行程效果。当肘节二连杆中的第二支撑杆的另一端铰接于剪力墙或支撑框架上时，有利于阻尼器变形获得显著的四重放大行程效果，阻尼器位移放大系数可达6.0以上。阻尼器位移放大系数可根据实际需求进行调整和选择，可控性非常明显。对于承受同等震动作用的建筑结构所需阻尼器的数量大大减少，从而降低工程造价。本实用新型的另一个显著优点是，阻尼器设置于多重位移放大连接机构内部，并未与构筑物直接相连，使得悬臂桁架、阻尼器、肘节二连杆三者两两牵制连接，构成稳定的面外自平衡状态和动力自平衡状态，消能系统大大简化了面外稳定的构造措施，且传力明确、经济合理、安全可靠。
[0017]
此外，两个并联设置的阻尼器如同时采用黏滞阻尼器或同时采用位移型阻尼器，可实现同类型阻尼器的阻尼叠加放大效果；如两个并联设置的阻尼器分别采用不同类型的阻尼器，则可实现消能系统复合耗能的目的，满足结构在不同工作阶段的耗能需求。而且在一个阻尼器发生故障的时候，不影响整个消能系统的使用。桁架形式的悬臂桁架刚度大，杆件传力明确、直接，材料应用效率高，可保证阻尼器充分发挥大变形阻尼耗能效果。当采用位移型阻尼器全部或部分替换悬臂桁架的杆件时，还可发挥位移型阻尼器高承载力耗能特性，与肘节二连杆相连的阻尼器共同受力、复合耗能，实现阻尼耗能能力的稳定、持续增长，满足结构在不同工作阶段的耗能需求。
附图说明
[0018]
图1是现有技术阻尼器墙型布置及其变形分解示意图；
[0019]
图2是现有技术阻尼器支撑型布置及其变形分解示意图；
[0020]
图3是现有技术阻尼器剪切型布置及其变形分解示意图；
[0021]
图4是现有技术阻尼器肘节型布置及其变形分解示意图；
[0022]
图5是现有技术阻尼器伸臂型布置及其变形分解示意图；
[0023]
图6是黏滞阻尼器的阻尼力与速度指数的曲线图；
[0024]
图7是本实用新型消能系统实施例的阻尼器位移放大的变形分解示意图；
[0025]
图8是本实用新型消能系统的实施例的内力传力路径示意图；
[0026]
图9是本实用新型消能系统的结构示意图一；
[0027]
图10是本实用新型消能系统的结构示意图二；
[0028]
图11是本实用新型消能系统的并列设置的阻尼器示意图；
[0029]
图12是本实用新型消能系统的结构示意图三。
[0030]
其中，1、第一支撑杆；2、第二支撑杆；11、中部活动铰；12、肘节二连杆；31、悬臂桁架弦杆；32、悬臂桁架腹杆；321、悬臂桁架斜腹杆；322、悬臂桁架竖腹杆；41、剪力墙或支撑框架；42、框架柱或剪力墙或支撑框架；5、阻尼器；51、第一阻尼器；52、第二阻尼器；53、端部连接铰；6、屈曲约束支撑。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
[0032]
一种自平衡复合消能系统的实施例，如图9所示，本实用新型包括阻尼器5和多重位移放大连接机构，多重位移放大连接机构，第一支撑杆1、第二支撑杆2、悬臂桁架、构筑物，悬臂桁架固定连接在构筑物上，第一支撑杆1的一端与第二支撑杆2的一端铰接形成一个具有中部活动铰11的肘节二连杆12，且肘节二连杆12的第一支撑杆1和第二支撑杆2呈夹角布置，第一支撑杆1的另一端铰接在所述悬臂桁架末端，第二支撑杆2的另一端铰接在所述构筑物上。阻尼器 5的一端铰接于肘节二连杆12的中部活动铰11上，阻尼器5的另一端铰接于悬臂桁架上，且与第一支撑杆1的另一端的铰接点不重合。构筑物包括剪力墙、支撑框架和框架柱，悬臂桁架的一端固定连接在所述剪力墙或支撑框架41上，肘节二连杆12中第二支撑杆2的另一端铰接在所述框架柱或剪力墙或支撑框架42上。
[0033]
消能系统中的阻尼器5一端铰接于肘节二连杆12的中部活动铰 11上，连接在悬臂桁架末端和构筑物之间的肘节二连杆12在一定夹角状态下可带动与之相连的阻尼器5产生开合运动；由于悬臂桁架固定连接于构筑物上，可将构筑物的变形转化传动至悬臂桁架末端，而肘节二连杆12中的第一支撑杆1的另一端铰接于悬臂桁架末端，阻尼器5的另一端铰接于悬臂桁架末端，且与肘节二连杆12中的第一支撑杆1的另一端铰接点不重和，通过悬臂桁架、肘节二连杆12、构筑物的有机联系构造形成稳定性高、响应快、变形多重放大的连杆机构，并与连接在机构内部的阻尼器5形成受力自平衡的消能系统，通过将阻尼器5轴向位移多重放大进而使阻尼器5的阻尼作用多重逐级放大，从而实现放大效率高、响应快、自平衡、大变形阻尼耗能的目的。
[0034]
其中，图7为本实用新型实施例阻尼器位移放大的变形分解示意图，肘节二连杆12在一定夹角状态下的开合运动具有放大行程效果 (如θ1＝34
°
，θ2＝37.7
°
，则设置肘节二连杆12的位移放大系数为 f
10
＝sinθ1/cos(θ1+θ2)+sinθ2＝2.5)，而固定连接在构筑物上的平面空间悬臂桁架，可将构筑物的变形转化为悬臂桁架末端转动变形，该转动变形具有一重放大行程效果(如l1＝2h，则设置的位移放大系数为f2＝2.0)，并驱动使得铰接于悬臂桁架末端的肘节二连杆12 产生二重放大行程效果，经过理论推导及等效计算，受悬臂桁架驱动的肘节二连杆12的位移放大系数f1近似等于两个串联组合单元(悬臂桁架、肘节二连杆12)的位移放大系数的乘积，即f1≈f10* f2＝2.5*2.0＝5.0，显著放大了铰接于肘节二连杆12中部活动铰11上的阻尼器5变形。另外，由于阻尼器5另一端位移被悬臂桁架末端直接放大产生三重放大行程效果，最终多重位移放大连接机构的位移放大系数f近似等于阻尼器5两端的两个并联组合单元(悬臂桁架、悬臂桁架+肘节二连杆12)的位移放大系数的加法叠加，即 f≈f1+f20＝5.0+1.0＝6.0，阻尼器5的变形(位移)获得了显著放大，且阻尼器5位移放大系数可根据实际需求进行调整和选择，可控性非常明显。对于承受同等震动作用的建筑
结构所需阻尼器的数量大大减少，从而降低工程造价。
[0035]
其中，在高层结构中，剪力墙及支撑框架(41、42)的弯曲变形与结构高度呈正相关性，框架柱42则弯曲变形小，剪切变形大，因此悬臂桁架固定连接在刚度较强的剪力墙及支撑框架41上时，有利于将结构变形顺利转化为悬臂桁架末端的转动变形，而肘节二连杆 12中的第二支撑杆2的另一端可铰接在框架柱或剪力墙或支撑框架 42上，如果第二支撑杆2的另一端铰接在具有同样转动作用的剪力墙或支撑框架42上时，则有利于连接机构位移放大系数的成倍叠加，实现连接机构的四重放大行程效果，进一步提高了连接机构的有效性、普适性及放大效率。
[0036]
其中，本实用新型的自平衡复合消能系统的阻尼器5设置于多重位移放大连接机构内部，并未与构筑物直接相连，阻尼器5一端铰接在肘节二连杆12的中部活动铰11之上，阻尼器5另一端铰接于所述悬臂桁架上，且与第一支撑杆1与悬臂桁架相连的铰接点不重和，使得悬臂桁架、阻尼器5、肘节二连杆12三者两两牵制连接，构成稳定的面外自平衡状态，消能系统面外稳定性获得了极大提高，实现了连接机构及消能系统整体面外自平衡的可行性，从而大大简化了其保持面外稳定性的构造措施。此外，本实用新型消能系统还具有动力自平衡特性，运动工作状态下消能系统的内力传力路径如图8所示。由图8可知，外力在连接机构及阻尼器5内部自行流转、消化，传力路线简短、直接、明确，实现了运动工作状态下达到动力自平衡的目的，使得消能系统内部拉、压受力的各杆件均能充分发挥各自材料的承载能力，所需杆件截面小；同时，消能系统与构筑物相连的传力出入口仅为三个，为平面空间组件传力平衡状态所需最少的传力点数，传力点集中可使构造设计方便、简单。综上可知，本实用新型创新的自平衡构造使得消能系统传力明确、经济合理、安全可靠。
[0037]
作为优选，肘节二连杆12中第一支撑杆1和第二支撑杆2的初始的锐角夹角为[15
°
，45
°
]。由于传统的肘节二连杆12位移放大系数f 大于1.0对应的初始锐角夹角为40
°
，而工程应用中常用位移放大系数 [3.5～2.0]，肘节二连杆12对应的初始锐角夹角为[13
°
，23
°
]，即位移放大系数3.5对应初始锐角夹角为13
°
，位移放大系数2.0对应初始锐角夹角为23
°
，且初始锐角夹角越小，位移放大系数越大。由于悬臂桁架对肘节二连杆12的二重放大行程作用，肘节二连杆12位移放大系数f大于1.0时对应的初始锐角夹角由40
°
增大至65
°
，位移放大系数 2.0时对应初始锐角夹角由23
°
增大至45
°
，位移放大系数6.0时对应初始锐角夹角为15
°
，同时为避免肘节二连杆12的第一支撑杆1和第二支撑杆2在运动过程中出现共线的临界状态，被二重放大行程作用的肘节二连杆12初始锐角夹角最小不小于15
°
，则本实用新型的肘节二连杆12初始锐角夹角取为[15
°
，45
°
]，本实用新型的肘节二连杆初始锐角夹角变化幅度约为传统肘节二连杆的钝角夹角变化幅度的3倍，且位移放大系数1.0对应的初始锐角夹角明显增大，说明该机构变形响应快、放大效率高，使得本实用新型消能系统对建筑空间使用的适应性、布置多样性及安装可行性获得了明显提高。
[0038]
其中，阻尼器5的一端铰接于所述第一支撑杆1上或所述第二支撑杆2上，如图10所示，可实现阻尼器的灵活安装和快速、稳定的受力传递。
[0039]
其中，阻尼器5为并联设置的第一阻尼器51和第二阻尼器52，第一阻尼器51的两端与第二阻尼器52的两端通过端部连接铰53连接，如图10～图11所示。阻尼器5为并联设置的第一阻尼器51和第二阻尼器52，且预留50～150mm的间隔，避免产生干涉，第一阻尼器51的两端与第二阻尼器52的两端通过端部连接铰53连接。利用两个并联设置的阻尼器能够达到
阻尼放大的消能效果，而且在一个阻尼器发生故障的时候，不影响整个消能系统的使用。
[0040]
其中，第一阻尼器51为速度型阻尼器或位移型阻尼器，第二阻尼器52为速度型阻尼器或位移型阻尼器。两个并联设置的阻尼器如同时采用黏滞阻尼器或同时采用位移型阻尼器，可实现同类型阻尼器的阻尼叠加放大效果；如两个并联设置的阻尼器分别采用不同类型的阻尼器，则可实现消能系统复合耗能的目的。
[0041]
其中，第一阻尼器51为速度指数小于1的黏滞阻尼器，第二阻尼器52为速度指数大于或等于1的黏滞阻尼器。并列设置两个不同参数的黏滞阻尼器能够在放大阻尼器的耗能能力的同时使阻尼器的耗能能力持续，避免速度指数小于1的黏滞阻尼器后期阻尼力增长较慢而降低其消能效果；其中当消能系统前期变形(速度)不大时，速度指数α<1的第一阻尼器51耗能显著，为主要耗能构件，速度指数α>1的第二阻尼器52出力很小且耗能效果小，不影响α<1黏滞阻尼器效果的发挥；当消能系统后期变形增大时，速度指数α<1的第一阻尼器51耗能增长效果有限，但仍可维持一定量的耗能，而速度指数α>1第二阻尼器52的阻尼力和耗能效果逐渐发挥，且阻尼力增长迅速，这样在建筑结构整个震(振)动的过程中，阻尼力能够持续到整个减震(振)过程中而且不会减弱，此时两种阻尼器共同受力、复合耗能，实现阻尼耗能能力的稳定和持续增长，满足结构在不同工作阶段的耗能需求。
[0042]
其中，悬臂桁架由悬臂桁架弦杆31和悬臂桁架腹杆32连接组成，桁架腹杆32包括斜腹杆321和/或竖腹杆322，悬臂桁架弦杆31和斜腹杆321为普通钢支撑，如图10所示。本实用新型实施例采用普通钢支撑材料的悬臂桁架弦杆31和腹杆32通过焊接或铰接方式连接组成，腹杆还可根据实际情况采用斜腹杆321和/或竖腹杆322方式调节悬臂桁架的刚度及受力性能，确保悬臂桁架具有刚度大、构造安装灵活、质量轻、传力明确的优势，从而将构筑物的层间变形完全通过悬臂桁架的转动传递给肘节二连杆12，保证阻尼器5充分发挥大变形阻尼耗能效果
[0043]
其中，悬臂桁架弦杆31、斜腹杆321为位移型阻尼器，位移型阻尼器为屈曲约束支撑6或摩擦阻尼器，如图12所示。由于钢支撑屈曲承载力远小于屈服承载力，在材料未充分发挥前容易出现屈曲失稳现象，丧失稳定持续的承载能力及刚度能力。为保证普通钢支撑不出现屈曲失稳，常规手段是采用增大截面法进一步提高其屈曲承载力，导致材料用量增加，相关的构造难度也相应增大。另一种提高稳定承载力的方法是采用位移型阻尼器，如屈曲约束支撑6或摩擦阻尼器，其不仅初始刚度大、承载力高，并且具有刚度可控、耗能效果良好及滞回性能稳定等优势。通过将悬臂桁架中的悬臂桁架弦杆或斜腹杆全部或部分杆件采用屈曲约束支撑6或摩擦阻尼器等效替代，构造出足够刚度的悬臂桁架，在满足肘节二连杆12开合运动充分发挥阻尼器5变形的情况下，适当的发挥位移型阻尼器刚度大、高承载力耗能特性，与肘节二连杆12相连阻尼器5共同受力、复合耗能，实现阻尼耗能能力的稳定、持续增长，满足结构在不同工作阶段的耗能需求。
[0044]
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。