一种金属阻尼器的设计方法与流程

本发明属于土木、建筑、结构工程减震技术领域，具体涉及一种用于减隔震装置、支座、防撞装置等减震消能结构中的金属阻尼器的设计方法。

背景技术：

我国是个地震频发的国家，在公路桥梁发展逐渐趋于大型化的今天，地震对结构安全的影响受到了越来越多的重视，为了提高结构抵抗地震及突发性外力破坏的能力，各种形式的减隔震及防撞装置逐渐得到了广泛的应用。金属阻尼器作为一种工作性能稳定、经济型较好的耗能元件，近年来也逐渐开始被应用于各类工程的抗震设计中。但是金属阻尼器往往刚度较大且允许的阻尼位移较小，在大的地震位移下，极易产生应变分布不均匀，发生局部破坏，不能有效的起到保护结构的作用。因此，当需要承受大变形的时候，通常需要增大阻尼器的设计尺寸，这又给加工、运输、安装造成很大的困难，极大的影响了金属阻尼器在各类工程中的推广应用。另外，目前常见的金属阻尼器由于外形结构方面的原因，普遍存在整体受力不均匀，塑性耗能区域相对较小等缺陷，一方面造成了严重的材料浪费，另一方面也不利于提高阻尼效果。

为了解决这一问题，研究人员提出了C型结构的金属阻尼器，所述阻尼器由中部的一段或若干段连续的以C型结构为单元主体的金属板及两端的连接耳板组成，金属板与连接耳板为一次成型结构；金属板的中心线为一段标准的椭圆弧，即为C形金属板(月牙形金属板)；连接耳板呈空心圆环形结构，可用固定螺栓或销钉穿过圆环中心将阻尼器与其它部件固定。所说的单元主体可根据需要由1个至多个组成，两个时中部可以直接加工为一体或者两个连接耳板叠置形成类似3型的结构，多个时以此类推。

但是现有的C型阻尼器制造时材料使用率低，使用时变形能力弱，因此阻尼效果并不理想。

技术实现要素：

本发明提供一种金属阻尼器的设计方法，可实现阻尼器外形曲线及刚度的精确设计，解决现有阻尼器材料使用率低、变形能力弱、阻尼效果不理想的问题。

为实现本发明的目的，本发明提出了一种金属阻尼器的设计方法，阻尼器的C形金属板为一变宽度的等厚金属板，其外形曲线及刚度的设计包括以下步骤：

第一步：求解阻尼器内、外轮廓曲线；

(a)根据安装尺寸的要求确定阻尼器椭圆中心线的长轴a、短轴b，椭圆弧起点、终点对应于椭圆参数方程中的圆心角θ_S、θ_E；

(b)根据等刚性设计方法，建立阻尼器力学模型，得出阻尼器截面宽度H_θ随圆心角θ的变化关系，具体如下：

$H_{\mathrm{\θ}}=\frac{F_{n\mathrm{\θ}}+\sqrt{{F_{n\mathrm{\θ}}}^2+24\·{\mathrm{\σ}}_y\·B\·M_{\mathrm{\θ}}}}{2\·{\mathrm{\σ}}_y\·B}---\left(1\right)$

其中：B为阻尼器设计厚度；σ_y为材料屈服强度；Fy为设计屈服力；

$\mathrm{\α}=arctan\left(\frac{b({\mathrm{sin\θ}}_S-{\mathrm{sin\θ}}_E)}{a({\mathrm{cos\θ}}_S-{\mathrm{cos\θ}}_E)}\right)---\left(2\right)$

$F_{n\mathrm{\θ}}=F_y\·cos\left(arctan\right(\frac{tan\mathrm{\α}+\frac{b\·\cot \mathrm{\θ}}{a}}{1-tan\mathrm{\α}\·\frac{b\·\cot \mathrm{\θ}}{a}}\left)\right)---\left(3\right)$

$M_{\mathrm{\θ}}=F_y\·\frac{|a\·tan\mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\θ}-b\·\sin \mathrm{\θ}+b\·{\mathrm{sin\θ}}_S-a\·tan\mathrm{\α}\·{\mathrm{cos\θ}}_S|}{\sqrt{{\tan }^2\mathrm{\α}+{(-1)}^2}}---\left(4\right)$

(c)根据固定螺栓或销钉的材料强度、加工水平及设计需求等确定连接耳板处的开孔及外形尺寸；

第二步：求解阻尼器设计刚度

(a)根据能量法原理，建立阻尼器变性能计算模型，得出弹性变形极限Ux计算公式如下：

$U_x={\mathrm{\ϵ}}_y\·\frac{2\·{{\mathrm{\Δ}}_{{\mathrm{\θ}}_m}}^{0.5}}{H_{\max }\·({\tan }^2\mathrm{\α}+1)}\·{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_S}^{{\mathrm{\θ}}_E}{{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\θ}}}^{0.5}\·\sqrt{{(-a\·cos\mathrm{\θ})}^2+{(b\·sin\mathrm{\θ})}^2}{d}_{\mathrm{\θ}}---\left(5\right)$

其中：εy为材料的屈服应变；

$H_{max}=\sqrt{\frac{6}{B\·{\mathrm{\σ}}_y}\·\frac{F_y\·{\mathrm{\Δ}}_{{\mathrm{\θ}}_m}}{\sqrt{{\tan }^2\mathrm{\α}+{(-1)}^2}}}---\left(6\right)$

Δ_θ＝|a·tanα·cosθ-b·sinθ+b·sinθ₀-a·tanα·cosθ₀| (7)

${\mathrm{\Δ}}_{{\mathrm{\θ}}_m}=|\mathrm{\α}\·tan\mathrm{\α}\·{\mathrm{cos\θ}}_m-b\·{\mathrm{sin\θ}}_m+b\·{\mathrm{sin\θ}}_0-\mathrm{\α}\·tan\mathrm{\α}\·{\mathrm{cos\θ}}_0|---\left(8\right)$

${\mathrm{\θ}}_m=arctan\frac{-b}{a\·tan\mathrm{\α}}---\left(9\right)$

(b)求出阻尼器的一次刚度计算公式：

$K_1=\frac{F_y}{U_x}---\left(10\right)$

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、材料使用率高：金属阻尼器主要通过材料塑性变形吸收并消耗能量，本发明所述阻尼器采用等刚性设计方法，可保证各截面同步发生塑性变形，有效增大进入塑性工作阶段的材料占比，解决普通阻尼器塑性工作区域小，材料使用率低的问题。

2、变形能力强：本发明所提出设计方法，可将结构变形均匀的分散到阻尼器的不同截面处，有效提高结构承受大变形的能力；同时，通过结构参数的调整，可进一步对阻尼位移大小进行定制化的设计。

3、阻尼效果好：本发明提供的设计方法，可以根据所需的阻尼力及基本限定尺寸分别对阻尼器的外形曲线及刚度等参数进行精确设计，保证其力学性能符合使用要求；同时，提高的了材料使用率，也在一定程度上增大了阻尼比，有效提高了阻尼器的使用效果。

4、结构灵活多变，可适用于不同的场合：本发明提出的方法中，金属板可以为对称或非对称结构，可根据产品的要求选择不同的弧线段，这样可以适用于不同体积的产品，也便于安装，所以对于场地施工的要求大大降低。

附图说明

图1为对称型金属阻尼器基本外形示意图。

图2为非对称型金属阻尼器基本外形示意图。

图3为E型金属阻尼器基本外形示意图一

图4为E型金属阻尼器基本外形示意图二

图5为金属阻尼器的线性单向串联使用方式一

图6为金属阻尼器的线性单向串联使用方式二

图7为金属阻尼器的线性配对串联使用方式一

图8为金属阻尼器的线性配对串联使用方式二

图9为金属阻尼器的S形串联使用方式一

图10为金属阻尼器的S形串联使用方式二

图11为金属阻尼器的环形串联使用方式一

图12为金属阻尼器的环形串联使用方式二

图13为金属阻尼器的环形并联使用方式一

图14为金属阻尼器的环形并联使用方式二

图15为金属阻尼器的空间组合使用方式

图16为图15的剖视图

附图标记说明如下：

1－C形金属板，2－连接耳板，3－等刚臂金属阻尼器，4－连接螺栓，5－连接块，6－纵向导轨,7

－内固定圈，8－外固定圈，9－浮动体，10－固定体。

具体实施方式

本发明提供了一种椭圆形等刚臂金属阻尼器及其设计方法，下面结合附图介绍具体实施方式：

实施方式一：非对称型金属阻尼器基本外形及设计方法

一种非对称型金属阻尼器(如图1)，包括C形金属板，其中心线取自一段非对称的椭圆弧。利用等刚性设计方法，使各截面最大正应力相等，并均达到材料的屈服应力，当阻尼器发生大变形时，各截面可同时进入塑性工作状态，产生阻尼效应，达到耗能的目的。采用等刚性设计，使阻尼器在压缩或拉伸时，可保证整体变形的均匀性，避免出现应变的局部积累，导致元件破坏失效。

阻尼器设计过程中，中心线参数及所取弧线段可根据安装要求确定，其余技术参数由设计屈服力及阻尼器设计厚度进行计算。阻尼器主要设计参数有：截面宽度H，弹性变形极限U及一次刚度K₁，具体方法如下：

步骤(一):

(a)根据安装要求确定阻尼器中心线长轴、短轴尺寸a、b及所取弧线段起点、终点对应于椭圆参数方程中的圆心角θ_S、θ_E。

(b)根据结构要求，确定阻尼器的设计屈服力Fy；根据材料类型确定材料的屈服强度σ_y与屈服应变εy；将步骤(a)、(b)、(c)中选定的参数带入方程(1)，求得阻尼器截面宽度H和截面对应圆心角θ的对应关系：

$H_{\mathrm{\θ}}=\frac{F_{n\mathrm{\θ}}+\sqrt{{F_{n\mathrm{\θ}}}^2+24\·{\mathrm{\σ}}_y\·B\·M_{\mathrm{\θ}}}}{2\·{\mathrm{\σ}}_y\·B}$

其中：B为阻尼器设计厚度；σy为材料屈服强度；Fy为设计屈服力；

$\mathrm{\α}=arctan\left(\frac{b({\mathrm{sin\θ}}_S-{\mathrm{sin\θ}}_E)}{a({\mathrm{cos\θ}}_S-{\mathrm{cos\θ}}_E)}\right)$

$F_{n\mathrm{\θ}}=F_y\·cos\left(arctan\right(\frac{tan\mathrm{\α}+\frac{b\·\cot \mathrm{\θ}}{a}}{1-tan\mathrm{\α}\·\frac{b\·\cot \mathrm{\θ}}{a}}\left)\right)$

$M_{\mathrm{\θ}}=F_y\·\frac{|a\·tan\mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\θ}-b\·\sin \mathrm{\θ}+b\·{\mathrm{sin\θ}}_S-a\·tan\mathrm{\α}\·{\mathrm{cos\θ}}_S|}{\sqrt{{\tan }^2\mathrm{\α}+{(-1)}^2}}$

(c)根据设计需求确定连接耳板处的开孔及外形尺寸；

第二步：求解阻尼器设计刚度

(d)将步骤(a)、(b)、(c)中选定的参数带入方程(5)，得出弹性变形极限Ux：

$U_x={\mathrm{\ϵ}}_y\·\frac{2\·{{\mathrm{\Δ}}_{{\mathrm{\θ}}_m}}^{0.5}}{H_{\max }\·({\tan }^2\mathrm{\α}+1)}\·{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_S}^{{\mathrm{\θ}}_E}{{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\θ}}}^{0.5}\·\sqrt{{(-a\·cos\mathrm{\θ})}^2+{(b\·sin\mathrm{\θ})}^2}{d}_{\mathrm{\θ}}$

其中：εy为材料的屈服应变；

$H_{max}=\sqrt{\frac{6}{B\·{\mathrm{\σ}}_y}\·\frac{F_y\·{\mathrm{\Δ}}_{{\mathrm{\θ}}_m}}{\sqrt{{\tan }^2\mathrm{\α}+{(-1)}^2}}}$

Δ_θ＝|a·tanα·cosθ-b·sinθ+b·sinθ_S-a·tanα·cosθ_S|

${\mathrm{\Δ}}_{{\mathrm{\θ}}_m}=|\mathrm{\α}\·tan\mathrm{\α}\·{\mathrm{cos\θ}}_m-b\·{\mathrm{sin\θ}}_m+b\·{\mathrm{sin\θ}}_S-\mathrm{\α}\·tan\mathrm{\α}\·{\mathrm{cos\θ}}_S|$

${\mathrm{\θ}}_m=arctan\frac{-b}{a\·tan\mathrm{\α}}$

(b)求得一次刚度：

$K_1=\frac{F_y}{U_x}$

实施方式二：对称型金属阻尼器基本外形及设计方法

一种对称型金属阻尼器(如图2)，其中心线取自一段对称的椭圆弧。其设计方法与实施方式一一致，为实施方式一所述非对称型金属阻尼器的应用特例。

对称型和非对称型阻尼器在外形尺寸、阻尼特性曲线等特性上有一定差异，可根据具体使用要求进行选择设计。

实施方式三：E型等刚臂金属阻尼器

将两个对称(或非对称)型金属阻尼器串成一体，形成E形结构，如图3、图4所示。该E型阻尼器可在阻尼力不变的情况下，将阻尼位移增大为单体阻尼器的2倍，其设计计算方法和单体阻尼器相似，根据安装方式的不同，可分为带中间安装孔(如图4)和不带中间安装孔(如图3)的两种形式。

实施方式四：金属阻尼器的线性组合使用方式

单个阻尼器的位移量满足不了使用要求时，可将多个阻尼器通过不同的方式串联使用，如图4～图9所示，将若干个对称(或非对称)型金属阻尼器3通过连接螺栓4固定于连接块5上，连接块置于纵向导轨6中。具体可分为以下三种串联方式：

1.线性单向串联方式：如图5、图6所示，各阻尼器通过连接块进行首尾相接，串联后整体的阻尼力约等于单个阻尼器的阻尼力，阻尼位移为各阻尼器之和；

2.线性配对串联方式：如图7、图8所示，先将阻尼器两两相对并列布置，然后再通过连接块进行首尾相接，串联后的阻尼力约等于单个阻尼器阻尼力的两倍，阻尼位移为单个阻尼器阻尼位移与所串联的阻尼器对数之积；

3.S形串联方式：如图9、图10所示，各阻尼器通过连接块进行首尾相接，相邻两个阻尼器安装方向相对，串联后整体的阻尼力约等于单个阻尼器的阻尼力，阻尼位移为各阻尼器之和。串联使用方式可在阻尼力不变的情况下，成倍的提高整体的阻尼位移，比较适合于小阻尼力、大变形及安装空间狭长的情况下使用。

实施方式五：金属阻尼器的环形组合使用方式

环形组合使用方式可分为串联和并联两种。

环形串联使用方式如图11、图12所示，将若干个对称(或非对称)型金属阻尼器3通过连接螺栓4及连接块5进行首尾相连，各连接块分别固定于不同的结构体或单个结构体的不同位置处。当连接块固定于不同结构体上时，各相邻结构体之间可通过阻尼器互相约束，当某个结构发生相对位移时，与其相邻两个结构体将通过阻尼器将其拉回原位置，保持整体相对位置不变。当连接块固定于单个结构体的不同位置处时，可使结构具有维持轮廓形状，抵抗局部变形的能力。

环形并联使用方式如图13、图14所示，将若干个对称(或非对称)型金属阻尼器3，单个或成对的通过连接螺栓4及连接块5分别固定于内固定圈7及外固定圈8上。该连接方式可用于桥梁支座、桥墩防撞、大型立柱抗震装置中，可同时抵抗平面内多方位的位移及扭转变形，实现对结构的全方位防护。

实施方式六：金属阻尼器的空间组合使用方式

空间组合使用方式如图15、图16所示，将若干个对称(或非对称)型金属阻尼器3的两端分别通过连接螺栓4及连接块5固定于浮动体9及固定体10上，各阻尼器均布置与竖直面内，并沿轴向分布排列。空间布置方式可同时抵抗竖向及水平面内的震动与位移，适用于所保护装置可自由浮动的情况。

本发明内容不仅限于所列举实施方案，本领域技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。