一种新型的组合型剪切弯曲阻尼器的制作方法

本发明涉及建筑抗震领域，具体涉及一种新型的组合型剪切弯曲阻尼器。

背景技术：

在金属阻尼器中，地震输入能量通过金属的非弹性变形消散。金属阻尼器由于其简单、经济和有效的能量耗散机制而被广泛用于结构的抗震保护中。

在过去的几十年中已经开发了各种类型的金属阻尼器，其通常可以分类为剪切型和弯曲型。剪切型金属阻尼器利用金属板的剪切塑性变形来消散能量，这些阻尼器通常具有“i”部分，其中腹板用于在剪切变形下消散能量和翼缘在腹板的两侧用于为腹板提供端部约束。因此，屈服可以均匀地分布在腹板中，而翼缘大部分保持弹性。另一方面，弯曲型金属阻尼器利用金属板的弯曲塑性变形来耗散能量，在这些阻尼器中，一系列“x”形，三角形，菱形或带孔形状的金属板平行放置，并设计有固定的端部条件。因此，弯曲曲率可以沿板的高度均匀分布，使得屈服可以在板的高度上同时发生，从而使得金属材料的经济和最佳使用。但是，由于平面外屈曲产生的有害影响，剪切型金属阻尼器的滞后性能不如弯曲型金属阻尼器的滞后性能稳定，剪切型金属阻尼器的刚度和强度则明显大于弯曲型金属阻尼器的刚度和强度。

由此提出将两种类型的阻尼器组合起来利用它们各自的优点。通过将弯曲阻尼器与剪切阻尼器结合制造一种新型的剪切弯曲组合阻尼器，其中剪切板阻尼器中腹板的平面外屈曲受到弯曲阻尼器的限制。相同形状的成对矩形钢板，使它们可以作为一体化阻尼单元交互工作，使得新型剪切弯曲阻尼器有弯曲型金属阻尼器稳定的滞后性能。而且，又兼有剪切型金属阻尼器的刚度和强度。因此可以在强烈的地震运动中使建筑物保持充足的结构稳定性。新型阻尼器安装在支撑的顶部，使新型阻尼器的安装架构不受到空间的约束。因此，研发一种组合型剪切弯曲阻尼器具有重要工程意义。此外，剪切弯曲阻尼器具有较低的制造成本，而且便于批量生产，矩形钢板由于弯曲屈服可以在发生严重地震事件后轻松更换。

cn202731009u披露了一种组合式剪切型金属阻尼器，其特征在于：包括彼此平行的上刚性连接板和下刚性连接板，所述上刚性连接板和下刚性连接板间设有若干个两端分别顶靠于上刚性连接板的下表面和下刚性连接板的上表面间且位于同一平面的剪切耗能单元。

上述的组合式剪切型金属阻尼器能有效提高消能效果、减小阻尼器对结构受力的集中影响，并方便安装。但是关于改善剪切阻尼器的滞后性能，使剪切弯曲阻尼器有稳定的滞后性能并未提出解决方案。

技术实现要素：

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种新型的组合型剪切弯曲阻尼器，改善剪切阻尼器的滞后性能，使剪切弯曲阻尼器有稳定的滞后性能；而且，又兼有剪切型金属阻尼器的刚度和强度。在不改变剪切阻尼器体积的情况下，使得剪切弯曲阻尼器的滞后性能更稳定；同时也能提高阻尼器刚度和承载力。不但增加阻尼器强度、刚度和承载力，而且便于加工安装，降低生产周期和成本。

本发明是通过下述的技术方案来实现的：

本发明提供的组合型剪切弯曲阻尼器，该阻尼器包括：两个端板、一个腹板、两个翼缘板和至少一对矩形钢板；

两个端板分别为上端板和下端板；

两个翼缘板分别为第一翼缘板和第二翼缘板；

上端板和下端板之间连接有腹板，上端板分别与第一翼缘板和第二翼缘板的上顶部相连接；下端板分别与第一翼缘板和第二翼缘板的下底部相连接；

腹板的两端分别有第一翼缘板和第二翼缘板，腹板的两侧有至少一对矩形钢板；

所有矩形钢板的上顶端与上端板相连接；这三对矩形钢板的下底端与下端板相连接。

优选的，本发明所提供的阻尼器包括：两个端板、一个腹板、两个翼缘板和三对矩形钢板；

两个端板分别为上端板和下端板；

两个翼缘板分别为第一翼缘板和第二翼缘板；

上端板和下端板之间连接有腹板，上端板分别与第一翼缘板和第二翼缘板的上顶部相连接；下端板分别与第一翼缘板和第二翼缘板的下底部相连接；

腹板的两端分别有第一翼缘板和第二翼缘板，腹板的两侧有三对矩形钢板，分别是第一矩形钢板、第二矩形钢板、第三矩形钢板、第四矩形钢板、第五矩形钢板、第六矩形钢板；腹板与这三对矩形钢板有较小的空隙；

这三对矩形钢板的上顶端与上端板相连接；这三对矩形钢板的下底端与下端板相连接。

相邻矩形钢板之间的间距相等。

每对矩形钢板均对称分布于腹板的两侧。

腹板为具有低屈服强度和高变形特性的金属材料所制成的板，腹板的平面形状为矩形。腹板材料由于需要其剪切做功耗能，所以采用屈服点较低、延性较强的金属材料(ly160钢板或者其他屈服点较低、延性较强的金属材料)，腹板1平面形状为矩形，由机械水平切割形成。

翼缘端板和上下端板可选用q345钢或其它易加工、价格便宜的高强度钢。翼缘端板和上下端板平面形状为矩形，由机械水平切割形成。

这三对矩形钢板为具有低屈服强度和高变形特性的金属材料所制成的钢板。由于要使其弯曲做功，所以采用屈服点较低、延性较强的金属材料，平面形状为矩形，可采用低屈服点的无缝钢板，由机械水平切割形成。矩形钢板与腹板和翼缘端板登高。切割矩形钢板内侧的上角和下角以形成进入孔(即上孔)，使得沿腹板的顶部和底部边缘的角焊缝可以穿过。

第一翼缘板和第二翼缘板为高强度钢板，截面为矩形。

第一翼缘端板和第二翼缘端板等高，第一翼缘端板和第二翼缘端板通过螺栓连接分别与框架梁和人字形支撑端板相连接；该阻尼器的总高度h取值为260～300mm，阻尼器的腹板、矩形钢板和第一翼缘板高度h取值为220～260mm，矩形钢板的厚度tk取值范围在8～12mm之间，第一翼缘板和第二翼缘板厚度td取值为8～14mm；框架梁和人字支撑的端板厚度ta取值为20mm，腹板的厚度取值范围tw：

优选的，本发明所提供的第一翼缘端板和第二翼缘端板等高，第一翼缘端板和第二翼缘端板通过螺栓连接分别与框架梁和人字形支撑相连接；该阻尼器的总高度h取值为280mm，阻尼器的腹板、矩形钢板和第一翼缘端板和第二翼缘端板高度h取值为240mm，矩形钢板的厚度tk取值范围在10mm之间，第一翼缘端板和第二翼缘端板厚度td取值为12mm；上下连接框架梁和人字支撑的端板的厚度ta取值为20mm，腹板的厚度取值范围tw：

本发明的有益效果在于：

(1)本发明可实现全部工厂化生产，现场直接拼装，提高施工效率，减少施工现场环境污染，提高装配率。而且此金属阻尼器很容易制作和安装，价格便宜；

(2)本阻尼器由四部分或焊接或栓接组成，钢板之间的连接，使之或弯曲或剪切受力，提高阻尼器的刚度和承载力，使阻尼器的滞后性能更稳定；

(3)本发明体积较小，可直接安装于支撑顶部，不需要考虑阻尼器的大小、安装问题，支撑底部或顶部有充足的空间可供使用，提高施工质量和效率；

(4)本发明在剪切与弯曲耗能之间没有明显连接，各自独立做工，使阻尼器更好的进行能量耗散。

附图说明

图1为本发明剪切弯曲阻尼器的安装位置图；

图2是本发明剪切弯曲阻尼器图1中a的样图；

图3是本发明剪切弯曲阻尼器的平面图；

图4是本发明剪切弯曲阻尼器的俯视图；

图5是本发明剪切弯曲阻尼器的左视图；

图6是本发明剪切弯曲阻尼器图5中b的细节样图；

图7是本发明剪切弯曲阻尼器的受力简图；

图中，1-腹板，201-第一翼缘板，202-第二翼缘板，401-上端板，402-下端板，301-第一矩形钢板，302-第二矩形钢板，303-第三矩形钢板，304-第四矩形钢板，305-第五矩形钢板，306-第六矩形钢板，401-上端板，402-下端板，5-角焊缝。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明，以便本领域的技术人员更了解本发明，但并不因此限制本发明。

实施例1

该阻尼器包括：两个端板、一个腹板1、两个翼缘板和三对矩形钢板；两个端板分别为上端板401和下端板402；

两个翼缘板分别为第一翼缘板201和第二翼缘板202；

上端板401和下端板402之间连接有腹板1，上端板401分别与第一翼缘板201和第二翼缘板202的上顶部相连接；下端板402分别与第一翼缘板201和第二翼缘板202的下底部相连接；

腹板1的两端分别有第一翼缘板201和第二翼缘板202，腹板1的两侧有三对矩形钢板，分别是第一矩形钢板301、第二矩形钢板302、第三矩形钢板303、第四矩形钢板304、第五矩形钢板305、第六矩形钢板306；

第一矩形钢板301、第二矩形钢板302、第三矩形钢板303、第四矩形钢板304、第五矩形钢板305和第六矩形钢板306的上顶端与上端板401相连接；这三对矩形钢板的下底端与下端板402相连接。

以上的这三对矩形钢板匀为具有低屈服强度和高变形特性的金属材料所制成的钢板。由于要使其弯曲做功，所以采用屈服点较低、延性较强的金属材料，平面形状为矩形，可采用低屈服点的无缝钢板，由机械水平切割形成。矩形钢板与腹板和翼缘端板登高。切割矩形钢板内侧的上角和下角以形成进入孔(即上孔)，使得沿腹板的顶部和底部边缘的角焊缝5可以穿过。

本发明应用在7-9层的民用框架结构中，层高在3.6～3.9米之间，假设框架所受水平力为p1，根据力法中的对称性可以求出阻尼器的承载力，且设为f，计算简图为图7。由于阻尼器是安装在框架中间顶部，需要与人字形支撑相协调，所以需要的尺寸有限制，且根据多个梁顶端阻尼器高度值参考，设计阻尼器总高度h建议取值为280mm，阻尼器的腹板、矩形钢板和翼缘板高度h建议取值为240mm。而且由于矩形钢板需要弯曲受力，根据构造要求矩形钢板的厚度tk建议取值范围在8～12mm之间，翼缘端板为约束腹板，翼缘端板厚度td建议取值约为8～14mm。上下连接框架梁和人字支撑的端板，厚度ta取值为20mm。

作为对本技术方案的进一步限定，所述本发明主要耗能部位为腹板和矩形钢板，但由于腹板先于矩形钢板屈服，所以本次计算主要计算腹板的厚度tw。

计算过程如下：

腹板的弹性屈曲强度如下：

qse＝τebwtw(1)

式中：qse—腹板的弹性屈曲强度；

τe—腹板的临界屈服应力；

bw—腹板宽度；

tw—腹板厚度：

如果使用薄矩形板作为腹板，腹板的弹性屈曲强度qse的值通常大于腹板的屈服强度qys，以防止腹板在屈服前弯曲。

式中：ks—腹板的屈曲系数；

e—弹性模量；

λ—长细比；

ν—泊松比：

α—纵横比：

由求出

tw≥1.22mm(5)

剪切弯曲阻尼器的耗能主要分为三个阶段：

腹板的弹性刚度：

腹板的屈服强度：

矩形钢板的弹性刚度：

矩形钢板的屈服刚度：

式中：ks—腹板的屈曲系数；

g—钢的剪切模量；

fyw—腹板的屈服应力；

n—矩形钢板个数；

bk—矩形钢板宽度；

fyk—矩形钢板的屈服应力；

第一阶段：腹板和矩形钢板均处于弹性阶段。

阻尼器的弹性刚度：k1＝ks+kb；

阻尼器的位移：

阻尼器的承载力：

第二阶段：腹板剪切分量产生屈服，矩形钢板仍然保持弹性。

阻尼器的弹性刚度：k2＝kb

阻尼器的位移：

阻尼器的承载力：

第三阶段：腹板剪切分量和矩形钢板均屈服。

阻尼器做功耗能，所承受的力需要大于第一阶段的fy1，而且小于第二阶段的fy2，即：

fy1≤f≤fy2(6)

由此得出腹板的厚度取值范围tw：

本发明是关于剪切阻尼器和弯曲阻尼器的混合结构形式，本发明中的阻尼器内部结构为：剪切板与弯曲板之间无明显连接，各自独立工作，使阻尼器更好的进行能量耗散。而专利文献cn202731009u《一种组合式剪切型金属阻尼器》仅是关于剪切阻尼器的加强结构形式，仅剪切板进行能量耗散。

从效果上来看，本发明有效减少由于平面外屈曲产生的有害影响，使剪切弯曲阻尼器有稳定的滞回性能，又兼有剪切型金属阻尼器的刚度和强度。而上述的cn202731009u仅提高了阻尼器的消能抗震能力，并未提出改善剪切阻尼器的滞回性能的解决方法。本发明针对于上述的专利文献中的缺陷，所提出的技术方案能使剪切弯曲阻尼器具有稳定的滞回性能且保持较好的刚度和强度。

本发明中关于阻尼器的承载力计算和剪切腹板的厚度计算：

承载力计算：

剪切腹板厚度计算：

本发明中应用方便灵活，可根据阻尼器的具体受力情况进行相应结构计算，可得出阻尼器的具体尺寸，应用方便。