专利名称：减小大跨或悬挑结构振动的耗能阻尼片的制作方法
技术领域：
本发明涉及结构工程、结构振动控制领域，为一种减小大跨或悬挑(包括竖向悬挑、水平悬挑、斜向悬挑)结构振动的控制装置——耗能阻尼片。
背景技术：
结构振动控制是近几十年来兴起的降低结构振动(如结构抗震抗风)的新途径。经过国内外研究者的不懈努力，结构振动控制在理论研究和工程应用两方面均取得了较大进展。作为被动控制的消能控制装置，其控制策略为应用非承重消能构件率先消耗能量，从而达到降低主结构振动响应，保护主结构的目的。美国3M公司研制生产了“3M粘弹性阻尼装置”，由两片T型外钢板、粘弹性材料和内钢板叠合而成；我国哈尔滨工业大学的吴斌和欧进萍研究开发了“多层粘弹性耗能器”(申请专利号CN02211643.5)，制成多层钢板橡胶叠合阻尼器；我国东南大学程文瀼和李爱群开发了“工程结构铅销粘弹性阻尼器”(申请专利号CN00112125.1)，该阻尼器由中间钢板、两侧钢板、阻尼层和铅销构成。上述阻尼器均可应用于建筑结构的支撑或节点中，作为粘弹性阻尼支撑或粘弹性阻尼联结节点，把结构层间变形集中到阻尼器的钢板和粘弹性材料的相对错动中，消耗振动能量，衰减结构振动反应。这些研究成果推动了结构振动控制在工程中的应用，在一定应用领域内达到了预期的目标。但以上装置的应用仍然有其局限性。首先，这些装置只能在小范围(如层间)较大变形条件下应用，其耗能效果取决于小范围变形量的大小，对于刚度较大的结构，其耗能效果难于发挥；第二，耗能装置安装对建筑功能和结构布置影响较大，在应用中须考虑专业间配合，往往由于功能限制难于实现；第三，大跨或悬挑结构往往由超静定次数不高的桁架支撑构成，应用上述阻尼装置替换原有构件势必会降低桁架的整体刚度，造成结构变形量增加；第四，上述阻尼装置不易更换和检修，由于封闭，耗能热量扩散条件不好，影响耐久性。消能控制装置在国内外已有较多的研究和应用，如美国世贸大厦双子塔在钢桁架梁下缘与钢柱连接处安装20000个钢板橡胶粘弹性阻尼器，解决了风振作用下结构振动问题；我国江苏省的宿迁市交通大厦工程采用粘弹性消能减震阻尼技术，在每个钢支撑的中部放置一个粘弹性阻尼器，增强了高烈度区结构的抗震安全性；我国广东省汕头市的潮汕星河大厦采用了复合型铅粘弹性阻尼器，有效减小了结构顶层和层间地震反应。从这些例子看，这些控制结构的技术策略力求有效、简单、经济、可靠、便于实现，其经验可以推广。但这种廉价、有效的粘弹性阻尼材料还没有广泛应用到结构控制工程中，尤其是还没有人针对大跨或悬挑结构减振问题给出一个合理和可靠的技术方案。
发明内容
本发明是提供一种减小大跨或悬挑结构振动的耗能阻尼片，达到有效、简单、经济、可靠、美观的目的。
为实现上述目的，本发明的减小大跨或悬挑结构振动的耗能阻尼片，包括钢板A、钢板B及夹在其中的高阻尼粘弹性材料层；其特征是所述的钢板A、钢板B为竖向的矩形长板，所述的钢板间设有保护钢卡，其为勾头板，板身固接或以连接件连接在钢板A或B的边沿，勾头勾在钢板B或A的背面；所述的钢板A通过连接组件与结构构件连接，连接组件由与构件相连接的U型连接件和与前述钢板A连接的倒U型连接件构成，两者横截面分别呈正、倒的U形且互相扣合，U型连接件的扣合边端内折、连接边外折延伸；倒U型连接件扣合边端制成柱状的滑动棒。
在上述基础上，本发明还可进一步完善所述的连接件的扣合边内折端的上部为外斜面。
所述的连接件槽内有橡胶垫。
所述的钢板A、钢板B其长度宜大于5米，最佳大于10米，厚度约0.5cm～5cm。
所述高阻尼粘弹性材料损耗因子应大于5％(在1Hz频率荷载激励下)，其外围断面涂有防碳化保护层。
所述的钢板A和钢板B长边底端留有对应的板间连接螺栓孔，且钢板A的孔在钢板B上的投影与钢板B上的孔重合，用螺栓拧紧用以锁定钢板A和钢板B，阻止底端两钢板相对错动；所述的钢板B的底端比钢板A长出部分留有预留结构连接螺栓孔，与结构构件连接。
本发明的耗能阻尼片将大跨或悬挑结构动力响应造成的耗能阻尼片曲率变化集中到钢板A和钢板B间的错动位移上，为高阻尼粘弹性材料施加动力剪切变形，应用较大面积高阻尼粘弹性材料动力剪切变形达到耗能减振目的。
本发明具有以下有益效果(1)本发明的耗能阻尼片构造简单，造价低廉，易于工程实现；(2)提出耗能阻尼片附着大跨或悬挑结构布置的构造，占用空间小，不影响建筑美观；(3)利用“小曲率变形累加集中错动变形及大面积累积耗能”的原理，通过耗能阻尼片弯曲变形在大面积上的累积错动造成高阻尼粘弹性材料剪切错动耗能，保证了耗能阻尼片对结构振动耗能的有效性；(4)本发明的耗能阻尼片尤其是针对高层结构顶悬挑玻璃幕墙的特点，首次提出将结构控制装置附着在玻璃幕墙上，直接对玻璃幕墙进行减振控制，同时达到减小结构顶层振动加速度的目的，控制效果明显，减小结构抗震(振)设计整体造价；(5)控制装置“有效、简单、经济、可靠、美观”，是本发明的一个特色，也是长期研究和实践经验的总结，符合工程实际需要，满足工程行业技术条件，解决了实际工程问题。
图1为本发明实施例的结构立体示意图。
图2为本发明实施例的连接组件结构立体示意图。
图3为沿图1的A-A线剖视示意图。
图4为沿图1的B-B线剖视示意图。
图5为实施例应用于广州某大厦顶部悬挑玻璃幕墙的结构示意图之一。
图6为实施例应用于广州某大厦顶部悬挑玻璃幕墙的结构示意图之二。
图7为实施例应用于广州某大厦顶部悬挑玻璃幕墙的结构示意图之三。
图中1为钢板A，2为钢板B，3为高阻尼粘弹性材料，4为钢卡，5为连接组件，51为与结构相连的连接件，511为自锁卡，512为U形槽，52为耗能阻尼片与钢板A相连的连接件，521为滑动棒，53为条形橡胶垫，6为防碳化保护层，7为结构构件，8为锁定钢板A和钢板B底端的预留栓孔，9为钢板B的底端与结构构件连接的预留螺栓孔。
具体实施例方式
下面将结合附图和实施例对本发明专利作进一步的详述。
如图1、图2所示，本发明专利的减小结构顶悬挑玻璃幕墙振动的耗能阻尼片简称耗能阻尼片，包括钢板A1、钢板B2及夹在其中的高阻尼粘弹性材料层3，钢板A1、钢板B2为竖向的矩形长板，长度宜大于5米，最佳大于10米，厚度约0.5cm～5cm，钢板间设有多个保护钢卡4，其为勾头板，板身固接或以连接件连接在钢板A1的边沿，勾头勾在钢板B2的背面，只允许钢板B、A之间相对错动而防止在耗能阻尼片工作过程中高阻尼粘弹性材料层3局部崩裂；钢板A通过连接组件5与结构构件连接，连接组件5由U型连接件51和倒U型连接件52构成，横截面分别呈正、倒的U形且互相扣合，U型连接件51的扣合边端内折、正U形槽内有橡胶垫53、连接边外折延伸与结构连接；倒U型连接件52的扣合边端制成柱状的水平滑动棒，使用时卡在U型连接件51的U形槽内只允许上下滑动(只有垂直于钢板水平方向自由度受限的单向铰)，为方便倒U型连接件滑动棒扣合边端压入，U型连接件51的扣合边内折端的上部制成外斜面构成自锁卡511，利用滑动棒压入斜面产生的向外推力使连接件的扣合边向外弹性避让，倒U型连接件的连接边52与钢板A粘接或螺栓连接，避免与有粘弹性材料的钢板A焊接；前述的高阻尼粘弹性材料层3的平面尺寸与钢板A和钢板B的重合部分尺寸相同，厚度依据计算决定，该材料损耗因子应大于5％(在1Hz频率荷载激励下)，在其外围断面包有3mm厚的防碳化保护层6。
考虑到钢卡4与钢板A连接的可靠性，也可以将钢板A做成带耳状，在钢板和高阻尼粘弹性材料粘接前将钢板A的耳部依据具体尺寸制成钢卡4，钢卡4卡住钢板B，两钢卡间距约为2m；钢板B与钢板A宽度相同，但在长边方向长出约10cm，在长出部分面积内预留栓孔9(使钢板B的一端可以通过预留栓孔与结构相连)；钢板A和钢板B的尺寸和厚度依据计算确定，在钢板A和钢板B底端预留至少两个对齐的内径约40mm的螺栓孔8，可以(但不是必需)用螺栓拧紧用以锁定钢板A和钢板B，阻止底端两钢板相对错动；钢板B的底端比钢板A长出部分留有预留螺栓孔(9)，可以(不是必需)与结构构件连接。实施例中耗能阻尼片在结构上的安装靠连接组件5，连接组件5的U型连接件51与结构构件7可采用焊接或螺栓连接，倒U型连接件52与钢板A间宜采用高强度结构粘接剂粘接，方便于工程现场定位安装，切忌对成型的阻尼片实行焊接(防止焊接高温使阻尼材料失效)；连接组件5的倒U型连接件52的滑动棒521镶嵌到U型连接件51的有自锁卡511的U形槽512内，U形槽512底部垫有条形橡胶垫53，(保证连接组件5为只有垂直于钢板面水平自由度受限的单向铰)；连接组件5沿水平滑动棒轴方向的所有细部构件尺寸一般均与钢板宽度相同，U形槽512的槽宽度与滑动棒521相同，U形槽512高度应该比滑动棒521高10mm，条形橡胶垫53高度约3mm，宽度与U形槽512内部水平宽度相同。
图5～图7为实施例应用于广州某大厦顶部悬挑玻璃幕墙的结构示意图。
广州某大厦屋顶标高为177.1m，其正立面由4层裙房屋顶立起的两片巨大外凸型曲面幕墙构成，建筑要求框架柱沿曲面边缘布置形成弧形柱，其中一片向上延伸到屋顶以上至标高198.000m处，超出屋面18米。屋顶构架承受较大风荷载，且在脉动风作用下产生复杂的振动，造成屋顶构架顶点位移和层间相对位移及顶部楼层加速度超过规范限值，悬挑玻璃幕墙振动作用于主体结构使主体结构参与振动，造成主体结构顶部产生较大响应加速度，影响建筑的舒适性能。这种环境将会对建筑使用功能和结构安全造成如下隐患(1)屋顶构架振动将对结构顶部楼层产生较大的楼层振动加速度，造成舒适度超标；(2)屋顶构架结构在风荷载作用下大幅振动，将造成玻璃幕墙构造变形，使幕墙玻璃脱落；(3)屋顶构架结构在风荷载作用下长期较大幅度的振动，易造成结构疲劳破坏；(4)屋顶构架结构振动幅度超标，易使屋顶构架局部失稳破坏。对于高档商务办公楼，建筑对使用空间的舒适度要求非常严格，即要求顶部加速度响应限制在一定范围内。本发明的重点内容为提出有效、简单、经济、可靠，便于更换且不影响美观的耗能减振装置，在较小附加投资的情况下，降低结构顶部楼层响应加速度和顶部玻璃幕墙构架的位移响应，以提高建筑舒适度和幕墙安全度。
本发明的减小结构顶悬挑玻璃幕墙振动的耗能阻尼片简称耗能阻尼片，共布置6片(钢板A和钢板B厚度均为10mm，高阻尼粘弹性材料层3厚度为12.5mm)，附着于玻璃幕墙且沿竖向设置，沿高度固定于桁架水平杆和幕墙檩条上(详见图3～图5)，使其依附在桁架水平杆和玻璃幕框架上。阻尼片等间距(每隔2.0m)采用钢卡平衡阻尼片中两块钢板对高分子阻尼材料的拉力。在结构轴④、⑦处布置的阻尼片宽度为0.4m，其余阻尼片宽度均为0.3m，④轴～⑥轴左阻尼片长24.38m，⑥轴左～⑦轴阻尼片长32.53m，⑥、⑦处的阻尼片做得长一些，主要是因为屋顶构架轴④、⑦相对薄弱，脉动风荷载作用下振动相对较大。对安装耗能阻尼片的结构模型进行计算分析，可见屋顶构架的动态响应得到了显著的改善。构架顶点脉动位移响应最大值控制效果为28.6％，加速度响应最大值控制效果为42.9％。结构顶层屋面脉动位移响应最大值控制效果为19.6％，加速度响应最大值控制效果为38.3％。
本实施例的工作原理是本发明的减小结构顶悬挑玻璃幕墙振动的耗能阻尼片简称耗能阻尼片，将突出屋面高度范围的幕墙构架动力响应造成的耗能阻尼片曲率变化集中到钢板A和钢板B间的错动位移上，为高阻尼粘弹性材料3施加动力剪切变形，达到耗能减振目的。其特点是将幕墙构架小的动力响应集中体现在钢板的错动位移上，应用较大面积高阻尼粘弹性材料动力剪切变形耗能，为幕墙构架提供较大的阻尼。
耗能阻尼片的具体施工顺序可以为工厂制作带耳状钢板A并成形钢卡4，利用钢板B与钢板A两侧钢板为模板在两钢板中间注入高阻尼粘弹性材料3进行硫化处理粘接，待硫化处理粘接完成后在高阻尼粘弹性材料层3周围涂刷3mm厚的防碳化层6；连接组件5预制完成后将条形橡胶垫粘贴至U形槽512内，51和52分开放置；工厂预制完成后运送到现场，切忌大曲率弯折耗能阻尼片。在现场首先将连接组件51固接与玻璃幕墙结构构件上，而后将连接组件52在钢板A未与高阻尼粘弹性材料粘结一侧精确定位并用sikaflex-252等高强度结构粘接剂将连接组件52与钢板A连接件连接，待连接强度达到要求后，将耗能阻尼片垂直整体吊装至楼顶标高，而后用滑轮将耗能阻尼片从桁架底部向上掉起定位，使连接组件52的滑动棒521卡入连接组件51的U形槽512内被自锁卡511卡住；用螺栓将钢板B与结构顶层构件连接，完成安装。
权利要求
1.减小大跨或悬挑结构振动的耗能阻尼片，包括钢板A(1)、钢板B(2)及夹在其中的高阻尼粘弹性材料层(3)；其特征是所述的钢板A(1)、钢板B(2)为竖向的矩形长板；所述的钢板间设有保护钢卡(4)，其为勾头板，板身固接或以连接件连接在钢板A或B的边沿，勾头勾在钢板B或A的背面；所述的钢板A通过连接组件(5)与结构构件连接，连接组件(5)由与构件相连接的U型连接件(51)和与前述钢板A连接的倒U型连接件(52)构成，两者横截面分别呈正、倒的U形且互相扣合，U型连接件(51)的扣合边端内折、连接边外折延伸；倒U型连接件(52)扣合边端制成柱状的滑动棒(521)。
2.根据权利要求1所述的减小大跨或悬挑结构振动的耗能阻尼片，其特征是所述的连接组件(5)的U形连接件(51)U形槽内有橡胶垫(53)。
3.根据权利要求1或2所述的减小大跨或悬挑结构振动的耗能阻尼片，其特征是所述的连接组件(5)的U型连接件(51)的扣合边内折端的上部为外斜面构成自锁卡(511)。
4.根据权利要求1或2所述的减小大跨或悬挑结构振动的耗能阻尼片，其特征是所述的高阻尼粘弹性材料层(3)在1Hz频率荷载激励下的损耗因子大于5％，其外围断面涂有3mm厚的防碳化保护层(6)。
5.根据权利要求3所述的减小大跨或悬挑结构振动的耗能阻尼片，其特征是所述的高阻尼粘弹性材料层(3)在1Hz频率荷载激励下的损耗因子大于5％，其外围断面涂有3mm厚的防碳化保护层(6)。
6.根据权利要求5所述的减小大跨或悬挑结构振动的耗能阻尼片，其特征是所述的钢板1、钢板2长度宜大于5米，最佳为10米以上，厚度约0.5到5cm。
7.根据权利要求1或2所述的减小大跨或悬挑结构振动的耗能阻尼片，其特征是所述的钢板A和钢板B长边底端留有对应的板间连接螺栓孔(8)，并可以用螺栓连接，阻止底端两钢板相对错动；所述的钢板B的底端比钢板A长出部分留有预留与结构连接的螺栓孔(9)，并可以与结构连接。
8.根据权利要求3所述的减小大跨或悬挑结构振动的耗能阻尼片，其特征是所述的钢板A和钢板B长边底端留有对应的板间连接螺栓孔(8)，并可以用螺栓连接，阻止底端两钢板相对错动；所述的钢板B的底端比钢板A长出部分留有预留与结构连接的螺栓孔(9)，并可以与结构连接。
9.根据权利要求4所述的减小大跨或悬挑结构振动的耗能阻尼片，其特征是所述的钢板A和钢板B长边底端留有对应的板间连接螺栓孔(8)，并可以用螺栓连接，阻止底端两钢板相对错动；所述的钢板B的底端比钢板A长出部分留有预留与结构连接的螺栓孔(9)，并可以与结构连接。
10.根据权利要求6所述的减小大跨或悬挑结构振动的耗能阻尼片，其特征是所述的钢板A和钢板B长边底端留有对应的板间连接螺栓孔(8)，并可以用螺栓连接，阻止底端两钢板相对错动；所述的钢板B的底端比钢板A长出部分留有预留与结构连接的螺栓孔(9)，并可以与结构连接。
全文摘要
一种减小大跨或悬挑(包括竖向悬挑、水平悬挑、斜向悬挑)结构振动的耗能阻尼片高阻尼粘弹性材料层3两侧粘有钢板A和钢板B(或多层钢板和粘弹性材料层组合)；钢板A1、钢板B为竖向的矩形长板，钢板间设有保护钢卡4，其为勾头板，板身固接或以连接件连接在钢板A或B的边沿，勾头勾在钢板B或A的背面；钢板A通过连接组件5与结构构件连接，连接组件5由与构件相连接的U型连接件51和与前述钢板A连接的倒U型连接件52构成，两者横截面分别呈正、倒的U形且互相扣合，U型连接件51的扣合边端内折、连接边外折延伸；倒U型连接件52扣合边端制成柱状的滑动棒521。安装方式为通过单向连接件5与结构构件7相连。工作机理为将大跨或悬挑结构动力响应造成的耗能阻尼片曲率变化集中到钢板A和钢板B间的错动位移上，为高阻尼粘弹性材料3施加动力剪切变形，应用较大面积高阻尼粘弹性材料3动力剪切变形耗能减振。本发明有效、简单、经济、可靠、美观，首次提出阻尼片在结构大跨或悬挑方向附着布置，减小大跨或悬挑(包括竖向悬挑、水平悬挑、斜向悬挑)结构的振动效果明显。
文档编号E04B1/342GK1865616SQ20061003541
公开日2006年11月22日 申请日期2006年5月10日 优先权日2006年5月10日
发明者滕军, 刘红军, 刘文光 申请人:滕军