一种防屈曲剪切板阻尼器及其设计方法

本发明属于建筑工程和结构工程抗震领域，具体涉及一种防屈曲剪切板阻尼器及其设计方法及应用。

背景技术：

地震会引起建筑结构的严重破坏，造成大量房屋破坏或倒塌，使人民生命财产蒙受巨大损失。为了减少地震给人们带来的巨大损失，近年来消能减震技术得到了迅速发展。在结构的节点、支撑、剪力墙、楼层空间、主附结构等部位设置阻尼器装置，通过阻尼器的弯曲、剪切、扭转变形来耗散地震能量，减少结构的地震反应，从而减轻结构的损伤程度，达到消能减震的效果。应用最为普遍的一类阻尼器是金属阻尼器。

一般金属剪切型阻尼器通过两种方式进行耗能，一种是通过耗能板剪切屈服耗能，另一种是通过耗能板弯曲屈服耗能。其中剪切钢板阻尼器是利用钢板平面内产生剪切弹塑性变形进行耗能减震，因其具有制作简单、耗能性能良好、初始刚度大、经济性好等优点被研究并应用于房屋和桥梁结构中。但研究发现，剪切钢板阻尼器在往复荷载作用下，随着剪切变形的增大，腹板易发生平面外屈曲，阻尼器的滞回曲线过早出现捏缩，致使其承载力和耗能能力下降并且很快发生破坏退出工作。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术存在的问题，解决剪切钢板阻尼器腹板发生平面外屈曲致使其承载力和耗能能力下降问题，设计了一种防屈曲剪切板阻尼器，该阻尼器不仅具有优良的耗能性能，还能够有效降低剪切钢板的平面外屈曲现象，提高该阻尼器的耗能减震效果；同时使用高强螺栓与应用结构连接，易于安装与拆卸，可实现震后可更换功能。

为达到上述效果，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种防屈曲剪切板阻尼器的设计方法包括：

根据阻尼器实际布置位置和内力情况，确定弹性屈服荷载py；根据实际布置位置尺寸设定阻尼器高厚比h/t；

根据弹性屈服荷载py得到阻尼器截面面积a：

其中，fy为材料屈服应力，b为阻尼器长度，t为阻尼器板材厚度，α为放大系数；

根据虚功原理，计算阻尼器矩形截面的弹性刚度k：

得到阻尼器矩形截面钢板的弹性屈服位移δy：

其中，分别为单位荷载p作用下的弯曲和剪切变形；e为弹性模量，ν为泊松比，k为截面切应力分布不均匀修正系数；

将弹性屈服位移δy乘以折减系数β得到弹性屈服位移：

δy发＝βδy

检验δy是否满足抗震层间侧移要求，若不满足则重新选择高厚比h/t，重新计算截面面积，直至满足要求。

本发明进而提供了一种防屈曲剪切板阻尼器，包括波形防屈曲剪切耗能板、上端板和下端板，上端板和下端板平行布置，在上端板和下端板之间垂直连接有波形防屈曲剪切耗能板；所述波形防屈曲剪切耗能板是由直板冷加工处理形成，由三段直板和两段曲板与上下端板平行方向间隔分布依次连接构成；三段直板分别布置在两端部和中部，两段曲板为半圆弧段，布置在中部直板段两侧，且圆弧开口方向相反。

作为优选，所述直板位于波形防屈曲剪切耗能板两端部和中部，曲板位于直板之间，为半圆弧段，两半圆弧段曲率半径大小一致。

作为优选，位于中部的直板段宽度为两端部直板段宽度的一半。

作为优选，直板段长度与曲板直径尺寸比例为：直a：曲b：直c：曲b：直a＝1:1:0.5:1:1。

作为优选，位于波形防屈曲剪切耗能板两端部和中部的直板和相邻于直板之间的半圆弧段曲板关于中部直板段的形心中心对称布置，且全截面剪力合力通过此形心。

作为优选，所述波形防屈曲剪切耗能板由一整块完整的直钢板经过冷加工而成，直板与曲板连接处以圆弧过渡。

作为优选，所述波形防屈曲剪切耗能板与上端板和下端板采用焊接连接；上端板和下端板通过高强螺栓与应用结构相连。

作为优选，上端板和下端板采用q345钢材；波形防屈曲剪切耗能板采用ly225或q235钢材。

本发明的防屈曲剪切板阻尼器能够在剪力墙连梁和安置人字支撑于框架结构中应用。

本发明防屈曲剪切板阻尼器可应用于框架结构中，上端板与框架梁相连，下端板与人字支撑相连，人字支撑下部与框架柱相连。防屈曲剪切板阻尼器的上端板和下端板均开有螺栓孔，可通过高强螺栓与应用结构相连。

防屈曲剪切板阻尼器还可应用于剪力墙连梁中，安置于剪力墙连梁中部。连梁中预埋钢板与阻尼器上端板和下端板通过高强螺栓相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本防屈曲剪切板阻尼器中直板主要通过发生沿强轴方向的剪切变形发挥耗能作用，曲板主要通过发生平面外的弯曲变形耗能，曲板能够有效减轻面外屈曲，在上下端板发生沿耗能板强轴方向的相对位移情况下，耗能板的三段直板会发生平面内的剪切变形，两段曲板会发生平面外的弯曲变形，弯曲变形是沿着耗能板的强轴方向，将矩形钢板腹板中部大位移下发生的面外变形转变成沿着耗能板强轴的弯曲变形，从而减轻面外屈曲程度，提升耗能能力。本阻尼器具有面外屈曲程度小、延性好、耗能能力强等诸多优越性能，是一种理想的耗能元件。

该结构具有以下优点：

1、该结构可以有效解决剪切钢板阻尼器在往复荷载作用下，腹板易发生平面外屈曲的问题。

2、当阻尼器工作时，可以有效解决剪切钢板阻尼器延性不足，承载力下降突然且迅速的问题。

3、可以有效解决剪切钢板阻尼器的滞回曲线过早出现捏缩，耗能能力下降大并且很快发生破坏退出工作的问题。

4、可根据防屈曲剪切板阻尼器所应用的结构实际构件尺寸和结构层间位移角限值调整波形防屈曲剪切耗能板尺寸大小，使得其能够在不同的结构中达到理想目标。

5、防屈曲剪切板阻尼器能够实现地震集中损伤，震后快速更换，恢复建筑结构预定功能。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为波形防屈曲剪切耗能板几何参数确定图；

图3为矩形钢板阻尼器直观图；

图4(a)、(b)、(c)分别为矩形钢板阻尼器几何参数、剪力、弯矩简化分析模型；

图5(a)、(b)为本发明应用实例图；

图6为滞回曲线对比图；

图7为骨架曲线对比图；

图8为等效粘滞阻尼比对比图；

图9为累积总耗能对比图；

图10为本发明加载至36.60mm平面外变形正视图；

图11为矩形钢板阻尼器加载至27.64mm平面外变形正视图；

图12为本发明加载至27.64mm平面外变形正视图。

图中：1-波形防屈曲剪切耗能板；2-直板；3-曲板；4-上端板；5-下端板；6-螺栓孔；7-波形防屈曲剪切耗能板。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种防屈曲剪切板阻尼器，包括波形防屈曲剪切耗能板1、上端板4和下端板5。上端板和下端板平行布置，在上端板4和下端板5之间设置有波形防屈曲剪切耗能板1，波形防屈曲剪切耗能板是由直板冷加工处理形成将波形防屈曲剪切耗能板1的顶端焊接于上端板4，底端焊接于下端板5。

波形防屈曲剪切耗能板1由三段直板2和两段曲板3在横向上间隔分布依次连接组成。可由一整块完整的直钢板经过冷加工处理而成，直板与曲板连接处做倒角处理。可最大限度降低钢板的初始缺陷，减轻初始缺陷对屈服强度的影响，两段曲板3的开口朝向相反，以实现最大化弯曲耗能能力。

在本发明的一个实例中，直板2有三段，其中中间直板2段长度为两端直板2段长度的一半；曲板3有两段，为半圆弧段，曲率半径大小一致，且圆弧开口方向相反；三段直板分别布置在两端部和中部。三段直板2和两段曲板3关于中间直板的形心中心对称布置，且全截面剪力合力通过此形心。采用参数限制参见图2为波形防屈曲剪切耗能板几何参数确定图，三段直板2长度与两段曲板3外表面直径尺寸比例为：直a：曲b：直c：曲b：直a＝1:1:0.5:1:1。其中，上端板和下端板采用q345钢材；波形防屈曲剪切耗能板采用ly225或q235钢材。

本发明的波形防屈曲剪切耗能板1是通过一块完整的矩形板经过冷加工处理而来，所以本发明的简化分析模型采用等高厚比h/t等长度b的矩形钢板阻尼器推导其理论屈服荷载和屈服位移，如图4(a)-(c)所示，为矩形截面钢板阻尼器几何参数和简化分析模型。横截面最大切应力根据材料力学可得：

式中τmax为横截面最大切应力；py为横截面处剪力；a＝t×b为横截面面积。

由mises屈服准则：

当截面中部切应力最大时，正应力为零，此时可看做纯剪状态，可得：

式中σx、σy和σz为正应力，τxy、τyz和τzx为切应力；fy为材料屈服应力。由式(2)(3)得再代入式(1)可得矩形截面钢板阻尼器的弹性屈服荷载为：

由虚功原理可得荷载作用下端部位移δy，即：

式中分别为单位荷载p作用下的弯曲和剪切变形；i(z)为横截面惯性矩；e为弹性模量；k为截面切应力分布不均匀修正系数，矩形截面取k＝1.2；分别为单位力和单位荷载p作用下x处截面的弯矩；分别为单位力和单位荷载p作用下x处截面剪力。

将式(4)、(6)、(7)代入式(5)可得矩形截面钢板阻尼器的弹性屈服位移：

式中ν为泊松比。

由于本发明的波形防屈曲剪切耗能板1含有曲板3，纯剪切直板2耗能部分比矩形耗能钢板小，所以极限承载力低于矩形耗能钢板。所以设计本发明的截面尺寸时，需要将矩形截面钢板阻尼器的弹性屈服荷载和位移进行放大或折减。

根据表1模拟计算结果，矩形截面钢板阻尼器与本发明的弹性屈服荷载比为α＝py/py发＝1.88，刚度比为k/k发＝1.8，所以可推导出本发明的弹性屈服位移比即将矩形截面钢板阻尼器的弹性屈服荷载乘以放大系数α＝1.88，弹性屈服位移乘以折减系数β＝0.96计算所得矩形板截面尺寸，然后加工成所述的波形防屈曲剪切耗能板1。

表1模拟计算具体数值表。

表1

下面给出本发明防屈曲剪切板阻尼器的设计方法：

首先，根据阻尼器实际布置位置内力情况确定弹性屈服荷载py，根据实际布置位置尺寸设定阻尼器高厚比h/t。

其次，将此弹性屈服荷载py乘以放大系数α＝1.88，由公式得到阻尼器长度b和截面面积a。

其中，fy为材料屈服应力，b为阻尼器长度，t为阻尼器板材厚度，α为放大系数。

然后根据虚功原理计算得矩形截面阻尼器弹性刚度进而得到矩形截面钢板阻尼器的弹性屈服位移

其中，分别为单位荷载p作用下的弯曲和剪切变形；e为弹性模量，ν为泊松比，k为截面切应力分布不均匀修正系数。

最后将弹性屈服位移δy乘以折减系数β＝0.96得到的本发明的弹性屈服位移δy发＝βδy，检验δy是否满足抗震层间侧移要求，若不满足则重新选择高厚比h/t，重新计算截面面积，直至满足。

下面结合附图对本发明效果和应用做进一步说明。

参考图5(a)所示，为本发明应用实例图，应用结构为框架结构时，防屈曲剪切板阻尼器7可通过人字支撑安置于框架结构中，其中上端板4与框架梁相连，下端板5与人字支撑相连。参考图5(b)所示，应用结构为剪力墙连梁时，防屈曲剪切板阻尼器7可安置于剪力墙连梁中间部位，连梁中预埋钢板与上端板4和下端板5通过高强螺栓相连，发挥耗能减震作用，同时螺栓连接易于安装与拆卸，可实现震后可更换功能。

当阻尼器工作时(上端板4和下端板5发生相对位移时)，矩形耗能钢板发生剪切变形后易发生平面外屈曲，这时所述波形防屈曲剪切耗能板1中的曲板3耗能板将发挥重要作用。耗能板的三段直板2会发生平面内的剪切变形，两段曲板3会发生平面外的弯曲变形，相比矩形钢板阻尼器发生剪切变形的范围小，弯曲变形的方向是沿着耗能板的强轴方向，将矩形钢板腹板中部会发生的面外变形转变成沿着耗能板强轴的弯曲变形，从而减轻面外屈曲程度，提升耗能能力。本阻尼器具有面外屈曲程度小、塑性变形能力大、延性好、耗能能力强等诸多优越性能，是一种理想的耗能元件。

参见图3所示，为矩形钢板阻尼器的直观图，采用与本发明相同的材质，在高厚比一致、钢材用量一致的情况下，施加相同的以位移控制的循环往复荷载。

参见图6所示，为本发明与矩形钢板阻尼器在往复加载下的滞回曲线对比图，由于本发明的波形防屈曲剪切耗能板1含有曲板3，纯剪切直板2耗能部分比矩形耗能钢板小，极限承载力低于矩形耗能钢板，但矩形耗能钢板一旦出现面外屈曲，承载力下降迅速，加载位移仅到达27.64mm时便达到破坏荷载，本发明加载位移达到36.60mm时达到破坏荷载，可见矩形钢板阻尼器与本发明相比过早发生破坏。同时本发明滞回曲线饱满，捏缩现象小，承载力下降缓慢，具有较好的延性性能和耗能能力。

参见图7所示，为本发明与矩形钢板阻尼器骨架曲线对比图，根据《建筑抗震试验方法规程》4.5.4条计算获得本发明的延性系数为13.22，矩形钢板阻尼器的延性系数为8.78，本发明的延性系数明显大于矩形钢板阻尼器的延性系数，本发明具有更好的延性。

参见图8所示，为等效粘滞阻尼比对比图，等效粘滞阻尼比在试件屈服前随加载位移的增大而增大，本发明与矩形钢板阻尼器屈服后等效粘滞阻尼比都在0.55-0.59之间。矩形耗能钢板在四个角进入屈服后，腹板中部开始产生面外屈曲，等效粘滞阻尼比迅速下降，耗能能力降低。本发明四个角进入屈服后，腹板中部并未发生面外屈曲，因此等效粘滞阻尼比下降缓慢，呈现较好的延性和耗能性能。参见图9所示，为累积总耗能对比图，可见本发明累积总耗能明显高于矩形耗能板，累积总耗能提高了19.49％，说明本发明的耗能性能优于矩形耗能板。

参见图10所示，为本发明加载至36.60mm时波形防屈曲剪切耗能板1平面外屈曲变形正视图，与图11所示，矩形钢板阻尼器加载至27.64mm时平面外屈曲变形正视图相比，本发明平面外屈曲程度小于矩形钢板阻尼器平面外屈曲程度。这是由于矩形钢板阻尼器承载力先于本发明降至极限承载力的85％，此时是矩形钢板阻尼器的最大平面外屈曲位移约为41.14mm，本发明最大平面外屈曲位移为39.43mm。参见图12所示，为本发明加载位移达到27.64mm时的平面外屈曲程度，波形防屈曲剪切耗能板1的平面外屈曲位移约为26.19mm，平面外屈曲降低程度为36.34％，可见本发明平面外屈曲程度明显小于矩形钢板阻尼器平面外屈曲程度，并且本发明波形防屈曲剪切耗能板1腹板中部并未发生明显的面外屈曲变形。

综上，说明本发明可有效防止耗能板面外屈曲，是一种优秀的耗能元件。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。