一种铰接式剪刀支撑阻尼器系统及减振效能评估方法与流程

本发明属于阻尼器减振领域，更具体地，涉及一种铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统及减振效能评估方法。

背景技术：

随着现代生活水平的日益提高，人们开始对生活质量、人身安全以及财产安全越来越重视，特别是在人们所处建筑结构的安全性、耐久性与舒适度方面。因此，建筑结构的消能减振技术的发展也越来越得到人们的密切关注。而阻尼器系统作为一种有效的减振消能装置，能有效地控制结构的动力响应，以提供运动的阻力，耗减运动能量的装置在航空、航天、军工、汽车、建筑结构等行业中被普遍使用，特别是对地震荷载、风荷载、爆炸冲击荷载等比较敏感的建筑结构，阻尼器系统体现出卓越的减振消能特性以及位移控制效果，具有良好的经济性、安全性以及可靠性。

以传统的等位移式阻尼器减振系统为例，其阻尼器的变形量与框架结构的层间变形量相等。但是，随着框架结构、框架-核心筒结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构以及组合结构等结构形式成为现代结构的主流，这些结构层间变形相对较小，使得装设的传统阻尼器由于变形量受到限制而不能有效地发挥耗能特性，达不到预期的减振效果。

因此，寻找一种更加有效的、可靠的、具有位移放大机制的阻尼器系统已成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统及减振效能评估方法，其目的在于，通过刚性杆相互之间以及刚性杆与阻尼器之间的连接构造的设计，对阻尼器的位移及耗能能力进行放大，由此解决传统阻尼系统在结构层间变形较小的情况下不利于阻尼器有效发挥耗能特性的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统，用于安装至结构薄弱层框架中进行减振，包括：左上部阻尼器mn、右上部阻尼器tu、左下部阻尼器rs、右下部阻尼器pq、二十四个刚性杆以及十三个铰接点；

二十四个刚性杆分别为：em、fn、gp、hq、ir、js、kt、lu、ae、eo、af、fo、bk、ko、bl、lo、ci、io、cj、jo、dg、go、dh、ho；

十三个铰接点分别为点a～点l以及点o；

点a～点d依次分别设于结构薄弱层框架的上左、上右、下左、下右四个角落的节点处；

ae、af的a端铰接于点a，bk、bl的b端铰接于点b，ci、cj的c端铰接于点c，dg、dh的d端铰接于点d，ae、em、eo的e端铰接于点e，af、fo、fn的f端铰接于点f，bk、kt、ko的k端铰接于点k，bl、lu、lo的l端铰接于点l，ci、ir、io的i端铰接于点i，cj、js、jo的j端铰接于点j，dg、gp、go的g端铰接于点g，dh、hq、ho的h端铰接于点h，eo、fo、go、ho、io、jo、ko、lo的o端铰接于点o；

左上部阻尼器mn两端分别与em、fn的对应端刚性连接，右上部阻尼器tu两端分别与kt、lu的对应端刚性连接、左下部阻尼器rs两端分别与em、fn的对应端刚性连接、右下部阻尼器pq两端分别与em、fn的对应端刚性连接。

进一步地，刚性杆em、左上部阻尼器mn与刚性杆fn依次刚性连接且轴线共线；刚性杆gp、右下部阻尼器pq与刚性杆hq依次刚性连接且轴线共线；刚性杆ir、左下部阻尼器rs与刚性杆js依次刚性连接且轴线共线；刚性杆kt、右上部阻尼器tu与刚性杆lu依次刚性连接且轴线共线。

进一步地，连线ao为连线ef的中垂线或者互为中垂线，连线do为连线gh的中垂线或者互为中垂线，连线bo为连线kl的中垂线或者互为中垂线，连线co为连线ij的中垂线或者互为中垂线。

进一步地，各铰接点与各刚性杆之间均采用高强螺栓铰接。

进一步地，点a、点o、点d共线，和/或点b、点o、点c共线。

进一步地，在不影响二十四个刚性杆安装的前提下，铰接点o可以位于结构框架平面内的任意位置。

为了实现上述目的，按照本发明的另一方面，提供了一种铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统的减振效能评估方法，定义铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统往复运动一周期消耗的能量为edη，传统等位移阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量为ed，则二者的比值λ可表示为：

式中，λ为edη与ed的比值；

edη为铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统往复运动一周期消耗的能量；

ed为传统等位移阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量；

π为圆周率；

ω为圆频率；

cα为阻尼器的阻尼系数；

η为铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统将阻尼器位移放大的倍数；

u为阻尼器运动的位移量；

α为阻尼器的阻尼指数；

θ1为夹角∠bao的值；

θ2为夹角∠abo的值；

θ3为夹角∠ocd的值；

θ4为夹角∠odc的值；

θ5为夹角∠eao的值；

θ6为夹角∠lbo的值；

θ7为夹角∠ico的值；

θ8为夹角∠hdo的值。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明的铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统，通过刚性杆与刚性杆以及刚性杆与阻尼器之间的连接设计，将四个阻尼器置于四个近似剪刀一样可以开合的剪刀型刚性杆铰接架构中，有效地放大阻尼器的运动位移，充分地发挥了阻尼器的减振消能特性，从根本上弥补了传统等位移阻尼器系统由于变形量受到限制而不能发挥其耗能特性，实现了阻尼器良好的减振效果，使减振结构的安全性、可靠性以及稳定性增强，经济实用，施工操作简单快捷，有效地保障了结构工程在强烈地震荷载、风荷载、爆炸冲击荷载等作用下的正常使用。

2、由于铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统独特的铰接方式，使得铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统中的左上部阻尼器mn、右上部阻尼器tu、左下部阻尼器rs、右下部阻尼器pq以及二十四个刚性杆均只受到轴向力作用，而没有弯矩作用，更好地发挥出铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统的位移放大作用。

3、采用四个铰接式剪刀支持阻尼器架构，可以在不影响二十四个刚性杆安装的前提下，将铰接点o设于结构框架平面内的任意位置，从而大大提升了减振系统的设计自由度，适用面更广。

4、基于本发明的减振效能评估方法，可以对设计好的减振系统进行验证，从而根据实际场景的减振能力需求对减振系统进行调节，以达到最契合当前使用环境的减振效果。

附图说明

图1为铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统在结构框架中的安装示意图；

图2为图1的简化模型示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参照图1所示，作为本发明的铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统的优选实施例，其包括：左上部阻尼器mn、右上部阻尼器tu、左下部阻尼器rs、右下部阻尼器pq、刚性杆em、刚性杆fn、刚性杆gp、刚性杆hq、刚性杆ir、刚性杆js、刚性杆kt、刚性杆lu、刚性杆ae、刚性杆eo、刚性杆af、刚性杆fo、刚性杆bk、刚性杆ko、刚性杆bl、刚性杆lo、刚性杆ci、刚性杆io、刚性杆cj、刚性杆jo、刚性杆dg、刚性杆go、刚性杆dh、刚性杆ho、铰接点a、铰接点b、铰接点c、铰接点d、铰接点e、铰接点f、铰接点g、铰接点h、铰接点i、铰接点j、铰接点k、铰接点l、铰接点o。

安装之前，根据结构体系类型，确定的结构最薄弱层，分析并优化设计铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统的施工方案。确定需要安装铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统的部位后，在该部位的柱顶与梁端的节点处，设置铰接点a与铰接点b，即图1中的左上角、右上角节点处；在该部位的柱底处，设置铰接点c与铰接点d，即图1中的左下角、右下角节点处。

确定点a～点d的安装位置以后，在左上部阻尼器mn的两端分别设置刚性杆fn与刚性杆em，而且左上部阻尼器mn与刚性杆fn、刚性杆em之间采用刚性连接；在右上部阻尼器tu的两端分别设置刚性杆kt与刚性杆lu，而且右上部阻尼器tu与刚性杆kt、刚性杆lu之间采用刚性连接；在左下部阻尼器rs的两端分别设置刚性杆ir与刚性杆js，而且左下部阻尼器rs与刚性杆ir、刚性杆js之间采用刚性连接；在右下部阻尼器pq的两端分别设置刚性杆gp与刚性杆hq，而且右下部阻尼器pq与刚性杆gp、刚性杆hq之间采用刚性连接。

并且，刚性杆ae、刚性杆af的a端铰接于点a，刚性杆bk、刚性杆bl的b端铰接于点b，刚性杆ci、刚性杆cj的c端铰接于点c，刚性杆dg、刚性杆dh的d端铰接于点d，刚性杆ae、刚性杆em、刚性杆eo的e端铰接于点e，刚性杆af、刚性杆fo、刚性杆fn的f端铰接于点f，刚性杆bk、刚性杆kt、刚性杆ko的k端铰接于点k，刚性杆bl、刚性杆lu、刚性杆lo的l端铰接于点l，刚性杆ci、刚性杆ir、刚性杆io的i端铰接于点i，刚性杆cj、刚性杆js、刚性杆jo的j端铰接于点j，刚性杆dg、刚性杆gp、刚性杆go的g端铰接于点g，刚性杆dh、刚性杆hq、刚性杆ho的h端铰接于点h，刚性杆eo、刚性杆fo、刚性杆go、刚性杆ho、刚性杆io、刚性杆jo、刚性杆ko、刚性杆lo的o端铰接于点o；

在铰接点a、铰接点b、铰接点c、铰接点d、铰接点e、铰接点f、铰接点g、铰接点h、铰接点i、铰接点j、铰接点k、铰接点l以及铰接点o处，刚性杆的连接均采用高强螺栓铰接。左上部阻尼器mn、右上部阻尼器tu、左下部阻尼器rs、右下部阻尼器pq与刚性杆之间的连接均采用刚性连接。

不仅如此，刚性杆em、左上部阻尼器mn与刚性杆fn依次刚性连接且轴线共线；刚性杆gp、右下部阻尼器pq与刚性杆hq依次刚性连接且轴线共线；刚性杆ir、左下部阻尼器rs与刚性杆js依次刚性连接且轴线共线；刚性杆kt、右上部阻尼器tu与刚性杆lu依次刚性连接且轴线共线；连线ao为左上部阻尼器mn的中垂线，连线do为右下部阻尼器pq的中垂线，连线bo为右上部阻尼器tu的中垂线，连线co为左下部阻尼器rs的中垂线。

最后，对铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统进行防腐防火处理。

另外，通过本发明的铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统将阻尼器位移放大η倍时，其速度也放大η倍，若定义铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统往复运动一周期消耗的能量为edη，传统等位移阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量为ed，则二者的比值λ可表示为公式(a)，当阻尼器的总耗能量随着阻尼指数α的增大而增大，通过铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统放大阻尼器位移后，阻尼器耗能明显增加。

式中，λ为edη与ed的比值；edη为铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统往复运动一周期消耗的能量；ed为传统等位移阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量；π为圆周率；ω为圆频率；cα为阻尼器的阻尼系数；η为铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统将阻尼器位移放大的倍数；u为阻尼器运动的位移量；α为阻尼器的阻尼指数；θ1为夹角∠bao的值；θ2为夹角∠abo的值；θ3为夹角∠ocd的值；θ4为夹角∠odc的值；θ5为夹角∠eao的值；θ6为夹角∠lbo的值；θ7为夹角∠ico的值；θ8为夹角∠hdo的值。

不仅如此，由于本发明提供的铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统独特的铰接方式，使得铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统中的左上部阻尼器mn、右上部阻尼器tu、左下部阻尼器rs、右下部阻尼器pq、刚性杆em、刚性杆fn、刚性杆gp、刚性杆hq、刚性杆ir、刚性杆js、刚性杆kt、刚性杆lu、刚性杆ae、刚性杆eo、刚性杆af、刚性杆fo、刚性杆bk、刚性杆ko、刚性杆bl、刚性杆lo、刚性杆ci、刚性杆io、刚性杆cj、刚性杆jo、刚性杆dg、刚性杆go、刚性杆dh以及刚性杆ho只受到轴向力作用，而没有弯矩作用，更好地发挥出铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统的位移放大作用。

此外，铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统中的刚性杆em、刚性杆fn、刚性杆gp、刚性杆hq、刚性杆ir、刚性杆js、刚性杆kt、刚性杆lu、刚性杆ae、刚性杆eo、刚性杆af、刚性杆fo、刚性杆bk、刚性杆ko、刚性杆bl、刚性杆lo、刚性杆ci、刚性杆io、刚性杆cj、刚性杆jo、刚性杆dg、刚性杆go、刚性杆dh以及刚性杆ho均应满足轴心受拉构件的强度验算公式(c)以及轴心受压构件的稳定性验算公式(d)。铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统中高强螺栓应满足受剪承载力验算公式(e)。

式中，σ为轴心受拉构件的强度；nt为构件的轴心拉力；an为构件的净截面面积；ft为构件的抗拉强度；nc为构件轴心压力；为轴心受压构件的稳定性系数(取截面对应的相互对接的两主轴稳定系数中的较小者)；a为构件毛截面面积；fc为构件的抗压强度；nv为高强螺栓的受剪承载力；n为高强螺栓的受剪面的数目；d为高强螺栓杆的直径；fv为高强螺栓的抗剪强度设计值。

下面用更为具体的实施例进一步展开本发明。对于典型的阻尼器，如果选择阻尼系数cα为500kn·s/m以及阻力指数α为0.2的粘滞阻尼器；取一榀框架结构的薄弱层层高h为3.6m，宽度l为3.3m；铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统中的刚性杆em、刚性杆fn、刚性杆gp、刚性杆hq、刚性杆ir、刚性杆js、刚性杆kt、刚性杆lu、刚性杆ae、刚性杆eo、刚性杆af、刚性杆fo、刚性杆bk、刚性杆ko、刚性杆bl、刚性杆lo、刚性杆ci、刚性杆io、刚性杆cj、刚性杆jo、刚性杆dg、刚性杆go、刚性杆dh以及刚性杆ho的钢材选取q345钢，截面为圆形，直径为0.05m，ft为265mpa，fc为265mpa，轴心受压的稳定性系数为0.668，所受到的最大轴心拉力nt为300kn，所受到的最大轴心压力nc为300kn；铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统中高强螺栓应满足受剪承载力nv为300kn，抗剪强度设计值fv为310mpa。

我们以六种角度设计作为示例，对本发明的效果展开说明。

【实例1】

如果取夹角θ1、夹角θ2、夹角θ3以及夹角θ4均为50°，角θ5、夹角θ6、夹角θ7及夹角θ8为10°。

由公式(b)可知，

此时，铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统能将阻尼器位移放大14.582倍。

由公式(a)可知，

此时，铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统往复运动一周期消耗的能量edη是传统等位移阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量ed的24.922倍。

不仅如此，由公式(c)可知，

满足要求。

由公式(d)可知，

满足要求。

由公式(e)可知，

满足设计要求。

【实例2】

如果取夹角θ1、夹角θ2、夹角θ3以及夹角θ4均为45°，夹角θ5、夹角θ6、夹角θ7及夹角θ8为10°。

由公式(b)可知，

此时，铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统能够将阻尼器位移放大16.041倍。

由公式(a)可知，

此时，铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统往复运动一周期消耗的能量edη是传统等位移阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量ed的27.943倍。

【实例3】

如果取夹角θ1、夹角θ2、夹角θ3以及夹角θ4均为40°，夹角θ5、夹角θ6、夹角θ7及夹角θ8为10°。

由公式(b)可知，

此时，铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统能够将阻尼器位移放大17.378倍。

由公式(a)可知，

此时，铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统往复运动一周期消耗的能量edη是传统等位移阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量ed的30.761倍。

【实例4】

如果取夹角θ1、夹角θ2、夹角θ3以及夹角θ4均为35°，夹角θ5、夹角θ6、夹角θ7及夹角θ8为10°。

由公式(b)可知，

此时，铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统能够将阻尼器位移放大18.583倍。

由公式(a)可知，

此时，铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统往复运动一周期消耗的能量edη是传统等位移阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量ed的33.338倍。

【实例5】

如果取夹角θ1、夹角θ2、夹角θ3以及夹角θ4均为30°，夹角θ5、夹角θ6、夹角θ7及夹角θ8为10°。

由公式(b)可知，

此时，铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统能够将阻尼器位移放大19.646倍。

由公式(a)可知，

此时，铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统往复运动一周期消耗的能量edη是传统等位移阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量ed的35.639倍。

【实例6】

如果取夹角θ1、夹角θ2、夹角θ3以及夹角θ4均为15°，夹角θ5、夹角θ6、夹角θ7及夹角θ8为10°。

由公式(b)可知，

此时，铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统能够将阻尼器位移放21.912倍。

由公式(a)可知，

此时，铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统往复运动一周期消耗的能量edη是传统等位移阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量ed的40.627倍。

通过上述实例可知，本发明的铰接式剪刀支撑阻尼器减振系统均能够有效地放大阻尼器的运动位移，使得阻尼器系统往复运动一周期消耗的能量显著增加，充分地发挥了阻尼器的减振消能特性，从根本上弥补了传统等位移阻尼器系统由于变形量受到限制而不能发挥其耗能特性，实现了阻尼器良好的减振效果，使减振结构的安全性、可靠性以及稳定性增强，经济实用，施工操作简单快捷，能够有效地保障结构工程在强烈地震作用、风荷载、爆炸冲击荷载等作用下的正常使用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。