一种具有多维耗能功能的复合型低屈服点金属阻尼器

本发明涉及一种具有多维耗能功能的复合型低屈服点金属阻尼器，可以在平面内的任意方向、竖向及扭转方向进行变形和耗能减震,屈服强度低且耗能效率高。本发明属于土木工程的防灾减灾技术领域。

背景技术：

我国大部分地区需要考虑抗震设防，提升建筑结构的抗震减震技术水平具有重要意义。阻尼器是一种优良的耗能减震装置，但目前的阻尼器通常只能参与一种类型的减震耗能，不能很好地实现复杂多维地震动下结构充分减震耗能。因此，本发明提出一种具有多维耗能功能的复合型低屈服点金属阻尼器。该装置的力学原理为：结合弯曲耗能阻尼器和剪切耗能阻尼器的各种优点，同时将外钢筒和外钢环用钢板连接，将弯曲阻尼器和剪切阻尼器的优势互补，形成能够在多个方向进行充分耗能的多维低屈服点钢阻尼器。对于其中的弯曲耗能阻尼器，根据不同要求设置了不同的镂空形式，可实现充分的弯曲变形耗能，并令全截面同时达到屈服，使耗能能力极大提高从而达到良好减震的效果。对于其中的剪切耗能阻尼器，由不同屈服强度的多种钢组合成低屈服点阻尼器，可抵抗剪切变形。例如此部分阻尼器可由低屈服点钢(ly160)和普通钢(q345)组成，按照不同厚度和比例组合。在地震中，低屈服材料率先进入变形并达到屈服阶段，节点进行充分耗能减震。内钢筒与外钢筒之间的阻尼器和外钢筒与外钢圈之间的钢板，可以很好地发挥抗扭作用和复位功能，进行减震耗能，从而保障结构的稳定。

技术实现要素：

为了改善结构在地震中破坏情况，本发明提出一种具有多维耗能功能的复合型低屈服点金属阻尼器，该装置能有效地发挥耗能减震的作用，同时兼有竖向和扭转方向的振动阻尼和复位功能。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种具有多维耗能功能的复合型低屈服点金属阻尼器，主要包括：弯曲耗能阻尼器(1)、剪切耗能阻尼器(2)、内钢筒(3)、外钢筒(4)、外钢圈(5)、钢板(6)组成，其特征是：内钢筒(3)、外钢筒(4)、外钢圈(5)同轴，弯曲耗能阻尼器(1)和剪切耗能阻尼器(2)沿钢筒圆周径向水平对称布置，用焊接的方式与内钢筒(3)、外钢筒(4)进行固定。外钢筒(4)和外钢圈(5)同轴，钢板(6)沿圆周径向水平对称布置，用焊接的方式固定，其两端分别固定在外钢筒(4)和外钢圈(5)上。内钢筒(3)与外部支撑固接后再与需要控制的结构相连。

弯曲耗能阻尼器(1)可实现弯曲变形耗能，并根据不同要求设置了不同的镂空形式，来达到理想的减震效果。在地震作用下，弯曲耗能阻尼器(1)的全截面可同时达到屈服，在地震后便于更换，从而利于修复并抵抗余震作用。

剪切耗能阻尼器(2)可实现剪切变形耗能。剪切耗能阻尼器(2)主要包括内钢筒与外钢筒之间的局部镂空耗能金属板。耗能金属板可由多种厚度和屈服强度不一样的钢板以不同比例组合，多种耗能金属板交错布置并相互之间固定连接，之后通过高强度螺栓连接。

外钢筒(4)和外钢圈(5)之间用钢板(6)进行连接，可更好地进行扭转变形的耗能。当结构受到上下运动的力时，内钢筒(3)和外钢筒(4)会产生相对运动，弯曲耗能阻尼器(1)和剪切耗能阻尼器(2)可以对上下变形进行充分耗能，来保证主体结构的安全。

弯曲耗能阻尼器(1)和剪切耗能阻尼器(2)中的部分钢板可以采用低屈服点钢，低屈服点钢的屈服应力不应大于200mpa。弯曲耗能阻尼器(1)和剪切耗能阻尼器(2)中的耗能金属板的厚度可以不同，具有最小厚度的板的厚度范围为1mm～10mm；具有最大厚度的板的厚度不能超过50mm。弯曲耗能阻尼器(1)和剪切耗能阻尼器(2)中的耗能金属板之间的距离可以不同，最小间距的范围为1倍最小板厚～2倍最小板厚，最大间距的范围2倍最大板厚～3倍最大板厚。

与内钢筒(3)相连的任一剪切耗能阻尼器内的耗能金属板的数量不能低于3个；与内钢筒(3)相连的任一的弯曲耗能阻尼器内的耗能金属板的数量不能低于3个；内钢筒(3)、外钢筒(4)、外钢圈(5)的厚度应为弯曲耗能阻尼器和剪切耗能阻尼器中最厚耗能金属板厚度的3倍以上。

本发明的功能如下：

内钢筒和外钢筒之间均匀布置弯曲耗能阻尼器和剪切耗能阻尼器，在地震时可以对平面内任意方向的震动进行耗能。内钢筒和外钢筒具有竖向和扭转方向的振动阻尼及复位功能。外钢筒和外钢环用钢板连接，可使扭转方向的振动阻尼提高以及使该阻尼器具有更好的复位功能。

结构受到弯曲作用，弯曲耗能阻尼器达到屈服阶段时，实现耗能减震。结构受到剪切作用，剪切耗能阻尼器中的低屈服材料率先进入变形并达到屈服阶段，节点进行充分耗能减震。结构受到扭转作用，内钢筒和外钢筒之间可产生相对转动，可以对扭转作用进行耗能，同时外钢圈对外钢筒的相对转动，也可以对扭转作用进行耗能。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)弯曲耗能阻尼器的形状是基于满应力设计理论对传统金属阻尼器进行了形状优化设计，优化后的阻尼器在受力作用下可实现全截面达到屈服，性能优越。

2)剪切耗能阻尼器的耗能金属板由不同厚度的低屈服点钢和普通钢的钢板以不同比例组合，因此等效屈服强度较低且可调控。

3)弯曲耗能金属阻尼器的满应力设计，三角形阻尼器是可达到满应力的理想化模型，其顶部接触面太小使其在应用中无法和建筑结构可靠地连接在一起，在即将参与耗能的时顶部节点就会被拉断破坏掉。弯曲耗能金属阻尼器做了优化形状，阻尼器可做成上下对称式，上下端均采用固定方式与结构连接。阻尼器受弯时反弯点在其中间，阻尼器的受力形式相当于四个独立的三角板组成。

4)剪切耗能阻尼器的满应力设计，内部优化阻尼器应力分布较均匀，但应力水平相对较低。边缘优化阻尼器受力均匀，应力水平高，最符合满应力设计准则。

附图说明

图1为本发明装置的俯视图

图2为本发明装置的剖面图

图3为本发明装置的剖面图

图4为本发明装置的立体示意图

图5为本发明装置的弯曲耗能阻尼器结构图

图6为本发明装置的软钢耗能阻尼器机构图

图7为本发明装置的实施示意图

图中：1－弯曲耗能阻尼器、2－剪切耗能阻尼器、3－内钢筒、4－外钢筒、5－外钢圈、6－钢板。

具体实施方式

实施例1：

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

所提出的具有多维耗能功能的复合型低屈服点金属阻尼器，可以在平面内的任意方向发挥耗能减震的作用，同时兼有竖向和扭转方向的振动阻尼和复位功能的阻尼器。其中包括弯曲耗能阻尼器(1)、剪切耗能阻尼器(2)、内钢筒(3)、外钢筒(4)、外钢圈(5)、钢板(6)。

实施步骤如下：

1)本实例中，应用的建筑为钢混框架结构，整体共5层，层高为4.2m。对于安装阻尼器的框架局部，阻尼器的上端与梁柱节点固接，下端与柱脚固接，连接方式为螺栓连接。柱距为6.0m，连接阻尼器的支撑装置整体长度为9.9m，斜撑截面为工字型截面，规格为630×180×17mm。

具有多维耗能功能的复合型低屈服点金属阻尼器的设计参数如下：外钢筒和内钢筒的厚度均为40mm，外钢圈的厚度为35mm，内钢筒的内径120mm，外径为200mm，外钢筒的内径为520mm，外径为600mm，弯曲耗能阻尼器的截面长度最长处为160mm，耗能金属板板厚分别为6mm和8mm，单个弯曲耗能阻尼器设置4个耗能金属板，边缘两个耗能金属板厚度为8mm，中间两个耗能金属板厚度为6mm。剪切耗能阻尼器的截面长度最长处为160mm，耗能金属板板厚分别为6mm和8mm，单个剪切耗能阻尼器设置9个耗能金属板，不同板厚的耗能金属板交替放置。钢板的截面高度为60mm，阻尼器整体高度为1.2m。6mm厚的耗能金属板的屈服强度为ly160,8mm厚的耗能金属板的屈服强度为q345。弯曲耗能阻尼器放置6个，相邻弯曲耗能阻尼器的间距为168mm，单个弯曲耗能阻尼器中，边缘耗能金属板与相邻耗能金属板的间距为8mm，中间两个相邻的耗能金属板间距为16mm。

根据要求选用相应尺寸的构件，将内钢筒与外钢筒之间用弯曲耗能阻尼器和剪切耗能阻尼器进行焊接。

焊接时，剪切耗能阻尼器的高度与内钢筒和外钢筒的高度相同，耗能金属板板厚分别为6mm和8mm，单个剪切耗能阻尼器设置9个耗能金属板，不同板厚的耗能金属板交替放置，边缘耗能金属板板厚均为8mm。弯曲耗能阻尼器放置6个，相邻弯曲耗能阻尼器的间距为168mm，单个弯曲耗能阻尼器中，边缘耗能金属板与相邻耗能金属板的间距为8mm，中间两个相邻的耗能金属板间距为16mm。

用钢板将外钢圈和外钢筒进行连接，焊接时应保证钢板分布均匀。

经过有限元模拟，在0.4g地震下的结构的在两个水平方向的位移减震率分别为19.8％和14.6％，扭转角减震率为8.2％。

以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。