一种位移放大型金属扭转耗能阻尼器

1.本发明涉及建筑减震领域，特别是涉及一种位移放大型金属扭转耗能阻尼器。


背景技术：

2.金属阻尼器属于位移相关型阻尼器，位移相关型阻尼器指阻尼器耗散振动能量通过结构变形致使阻尼器作功实现，目前常用的金属阻尼器主要是采用特种金属材料(软钢)或合金为材料制作的一种易屈服、高耗能的结构抗震(振)装置，主要利用特种软钢板材屈服后的塑性形变来耗散地震等外部输入能量，属于位移相关型消能减震(振)装置；金属阻尼器是一种被动耗能装置，具有构造简单、造价低廉、力学模型简明等特点，其中软钢屈服后在反复循环荷载作用下仍具有稳定的滞回特性；金属阻尼器既可应用于混凝土结构，也可应用于钢结构，并已在一些工程中应用于重型木结构；金属阻尼器具有许多优异的性能，受到了国内外学者和建筑工程专家的广泛认可，并被大量应用于实际工程中。
3.但是，现有的金属阻尼器的耗能通常采用弯曲塑性变形模式，性能完全取决于位移幅值，当位移较小时耗能能力有限；在桥梁使用寿命中，阻尼器处桥梁发生变形位移存在较小值，而当建筑结构位移值较小时，金属阻尼器的工作耗能能力有限，没有充分发挥它的耗能优势。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明的发明目的在于：提供了一种位移放大型金属扭转耗能阻尼器，通过位移放大机构及扭转耗能模式来解决建筑结构位移值较小时，金属阻尼器的耗能能力有限的问题。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种位移放大型金属扭转耗能阻尼器，包括扭转耗能管、增速齿轮系和曲柄滑块机构，所述增速齿轮系包括传动连接的始端主动轮和末端从动轮，所述曲柄滑块机构包括连杆端，所述连杆端与始端主动轮的转轴转动连接，所述末端从动轮与扭转耗能管同轴固定连接。
6.曲柄滑块机构将来自建筑结构的直线位移运动转化为转动，曲柄滑块机构的转动运动状态输出给增速齿轮系的始端主动轮，使得始端主动轮转动，再经过增速齿轮系的作用，即末端从动轮的角速度大于始端主动轮的角速度，使得末端从动轮的角速度放大，再由末端从动轮带动扭转耗能管进行扭转消能；实现扭转耗能管对于建筑结构微小位移的消能；另外，从增强扭转耗能管消能的角度来说，始端主动轮与末端从动轮的半径比越大越好。
7.需要说明的是，扭转耗能管即是金属阻尼器的耗能核心部件，本发明采用的是普通的金属阻尼器，故而，在此就对于扭转耗能管的耗能结构不再详细描述。
8.作为上述技术方案的进一步限定，位移放大型金属扭转耗能阻尼器还包括阻尼器基座，所述扭转耗能管与所述阻尼器基座固定连接，所述始端主动轮与所述阻尼器基座固定连接
9.进一步的，所述扭转耗能管通过固定装置与所述阻尼器基座固定连接，所述始端主动轮通过第一销轴与所述阻尼器基座固定连接，所述末端从动轮通过紧固装置与所述扭转耗能管固定连接；扭转耗能管通过固定装置固定在阻尼器基座上，提高本发明的结构整体性，始端主动轮通过第一销轴固定到阻尼器基座上，并在运动过程中绕着第一销轴转动，末端从动轮通过紧固装置与所述扭转耗能管固定连接，末端从动轮带动扭转耗能管进行扭转消能。
10.进一步的，所述扭转耗能管内设置有刚性内衬，所述刚性内衬沿所述扭转耗能管轴向方向设置，所述刚性内衬与阻尼器基座固定连接。
11.设置刚性内衬的目的在于：防止扭转耗能管在受扭时发生整体屈曲并约束其耗能部件的局部屈曲，这样在外力的作用下可以使扭转耗能管能达到全截面的充分屈服，保证扭转耗能管只发生耗能扭转；即设置刚性内衬可以有效防止弯曲方向的变形，提升扭转耗能管的出力。
12.进一步的，所述刚性内衬的截面包括工字截面或十字截面。工字截面或十字截面的刚性内衬可以增强刚性内衬的稳定性，使得刚性内衬不易发生扭转，从而实现对于扭转耗能管本身的固定。
13.进一步的，所述刚性内衬设置为相互平行的两处；设置两处的刚性内衬可以进一步保证阻尼器的出力。
14.作为一种可行的技术方案，所述曲柄滑块机构包括对心式曲柄滑块机构或偏置式曲柄滑块机构。
15.不论是对心式曲柄滑块机构或偏置式曲柄滑块机构，都能够实现将建筑结构的直线位移转化为转动，从而利用到本发明的增速齿轮系进行角速度的放大，这两者的区别在于偏置式曲柄滑块具有急回特性，但是本发明并没有利用到这一点，故而，对心式曲柄滑块机构或偏置式曲柄滑块机构都能适用于本发明。
16.作为一种优选的技术方案，所述增速齿轮系包括传动连接的2
‑
3个齿轮，众所周知，增速齿轮系可以包括若干个传动连接的齿轮，本发明由于一般是应用在建筑结构中，起到震(振)动消能的作用，由于工作环境的限制，故而本发明的高度不能无限扩大，并且从传递能量和消能反应效率的方面而言，增速齿轮系的齿轮传动次数不易过多，故而本发明将传动连接的2
‑
3个齿轮作为增速齿轮系的优选方案；可以理解的是，始端主动轮与末端从动轮的半径比越大越能提升末端从动轮的角速度，从而实现对于微小位移的更好消能。
17.作为一种优选的技术方案，所述曲柄滑块机构对称设置为两组，两组所述曲柄滑块机构的铰点设置于不同侧，相应的增速齿轮系也是设置为两组；即是将两组曲柄滑块机构设置为相反的运动方向，两组增速齿轮系的末端从动轮从不同的转动方向牵引扭转耗能管，使得扭转耗能管的消能效率更高。
18.作为上述技术方案的进一步限定，两组所述始端主动轮通过同一销轴固定；即是通过一个第一销轴同时固定两组始端主动轮，从而增强本发明结构精简性和加强本发明的结构整体性。
19.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明具有以下积极的技术效果：
20.1、通过本发明设置的增速齿轮系和曲柄滑块机构的放大位移传动结构，可以将曲柄滑块机构输入的微小位移转化为转动，再对转动角速度进行放大，从而增强扭转耗能管
对于微小位移的耗能能力。
21.2、本发明的曲柄滑块机构的滑块端与建筑结构中的桥梁结构、房屋结构等固定连接，将建筑结构的微小位移转化为转动引入到增速齿轮系中，再由增速齿轮系进行角速度的放大，增速齿轮系的末端从动轮带动扭转耗能管进行扭转消能，实现对于建筑结构的微小位移的消能。
22.3、本发明设置的阻尼器基座和刚性内衬可以实现扭转耗能管的良好工作，消能过程顺利，不易出现扭转耗能管整体屈服的现象，保证扭转耗能管的在消能工作中的出力。
23.4、本发明可以对称设置两组运动方向相反的增速齿轮系，并通过同一销轴固定两组增速齿轮系中的始端主动轮，增强本发明结构精简性和结构整体性。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：
25.图1是本发明对称设置两组增速齿轮系时的结构示意图；
26.图2为本发明曲柄滑块机构的铰点位于左侧时工作示意图；
27.图3为本发明曲柄滑块机构的铰点位于右侧时工作示意图；
28.图4为本发明增速齿轮系的工作原理图；
29.图5为本发明扭转耗能管的扭矩
‑
转角滞回耗能曲线图；
30.图中标记：1
‑
阻尼器基座；2
‑
扭转耗能管；3
‑
增速齿轮系；31
‑
始端主动轮；32
‑
末端从动轮；4
‑
曲柄滑块机构；41
‑
滑块端；42
‑
铰点；5
‑
固定装置；6
‑
第一销轴；7
‑
建筑结构；8
‑
刚性内衬；9
‑
紧固装置。
具体实施方式
31.下面结合附图，对本发明作详细的说明。
32.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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
33.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.需要说明的是，本发明的扭转耗能管采用金属薄壁扭转耗能管，其工作原理为：利用金属的滞回性能耗散输入的能量，通过金属薄壁管发生的扭转变形来产生耗能，以实现保护主体结构的目的。
35.需要说明的是，如图4所示，本发明中的增速齿轮系3的工作原理为：设始端主动轮31的半径为r,末端从动轮32的半径为r。因两齿轮运作时为啮合传动，故线位移s相等，即s
主
＝s
从
，又由于s
主
＝r
×
θ1，s
从
＝r
×
θ2，推导可得其中θ1，θ2分别表示大小齿轮的转
动角度，因此增速齿轮系3可以实现末端从动轮32的转动角速度大于始端主动轮31的转动转动角速度。
36.如图5所示，图5是一般的位移型金属阻尼器的扭矩
‑
转角滞回耗能曲线，图中，θ为位移型金属阻尼器的扭转角度，t
扭
为扭矩值，a代表弹性阶段，b代表塑性阶段；从图中可以看出在扭矩值小时，金属阻尼器处于弹性阶段a，扭转角度θ也很小，随着扭矩值的增大，扭转角度θ达到临界点后，金属阻尼器进入塑性阶段b。
37.另外的，在本领域中，金属阻尼器包括软钢阻尼器和铅阻尼器，其中软钢阻尼器是利用软钢良好的滞回性能耗散输入的能量，通过金属薄壁管发生的扭转变形来产生耗能，以实现保护主体结构的目的；铅阻尼器则是一种耗能性能优越的阻尼器，铅具有密度大、塑性强、电阻率大、强度小、导热率低、熔点低、耐腐蚀等特点，铅的柔性和延展性都很高，有很好的变形跟踪能力，在室温下做塑性循环时，理论上铅是不会出现累积疲劳现象的；但是考虑到实际的应用，目前国际上圆柱型的铅阻尼器应用比较少，铅阻尼器的力学性能受形状和参数的影响较大。故而本发明优选的金属阻尼器基础为软钢阻尼器。
38.实施例1
39.如图1至图3所示，本发明较佳的一个实施方式，一种位移放大型金属扭转耗能阻尼器，包括扭转耗能管2、增速齿轮系3和曲柄滑块机构4，所述增速齿轮系3包括两个齿轮，分别为始端主动轮31和末端从动轮32，始端主动轮31和末端从动轮32啮合连接，所述曲柄滑块机构4包括连杆端，所述始端主动轮31的转轴与所述连杆端转动连接，所述末端从动轮32与扭转耗能管2同轴固定连接。
40.扭转耗能管2的两侧设置有转向相反的两套曲柄滑块机构4，即两组所述曲柄滑块机构4的铰点42设置于不同侧；所述曲柄滑块机构4采用对心式曲柄滑块机构；
41.还包括阻尼器基座1，阻尼器基座1设置在建筑结构7的下方，所述扭转耗能管2通过固定装置5与所述阻尼器基座1固定连接，所述始端主动轮31通过第一销轴6与所述阻尼器基座1固定连接；所述末端从动轮32通过紧固装置9与所述扭转耗能管2固定连接，紧固装置9可选择为可拆卸式固定连接方式，比如螺栓或者销轴，保证末端从动轮32与扭转耗能管2固定到一起，能够实现末端从动轮32带动扭转耗能管2消能即可。
42.所述扭转耗能管2内设置有相互平行的两处刚性内衬8，所述刚性内衬8沿所述扭转耗能管2轴向方向设置，所述刚性内衬8与阻尼器基座1固定连接；所述刚性内衬8的截面为工字截面或十字截面。
43.本发明的工作原理为：当建筑结构7发生微小的位移时，通过曲柄滑块机构4将位移运动转化为转动，并且曲柄滑块机构4的连杆端与始端主动轮31的转轴转动连接，连杆端带动始端主动轮31一起绕着第一销轴6转动，通过增速齿轮系3的传动，使得末端从动轮32的角速度大于始端主动轮31，实现角速度的增大，末端从动轮32与扭转耗能管2同轴固定连接，末端从动轮32带动扭转耗能管2进行扭转消能；相应的，本实施例设置了两组曲柄滑块机构4，两组所述曲柄滑块机构4的铰点42设置于不同侧，即两组所述曲柄滑块机构4的运动方向相反，从而实现两组增速齿轮系3的运动方向相反，两组增速齿轮系3的末端从动轮32从不同的转动方向牵引扭转耗能管2，使得扭转耗能管2的出力效率更高。
44.本实施例还设置了两处刚性内衬8，设置刚性内衬8是为了防止扭转耗能管2在受扭时发生整体屈曲并约束其局部屈曲，使扭转耗能管2在外力的作用下能达到全截面的充
分屈服，使扭转耗能管2只发生扭转；设置刚性内衬8可以有效防止弯曲方向的变形，提升扭转耗能管2的出力。
45.本实施例还设置了两组所述始端主动轮31通过同一销轴进行固定；即是通过一个第一销轴6同时固定两组始端主动轮31，从而增强本发明结构精简性和加强本发明的结构整体性。
46.实施例2
47.本实施例与实施例1的区别在于，本实施例采用只在一侧设置曲柄滑块机构4，相应的，曲柄滑块机构4也只与一个增速齿轮系3相匹配，即本实施例是进行单侧位移放大消能，即将扭转耗能管2的一端与末端从动轮32同轴固定连接，扭转耗能管2的另一端固定连接在阻尼器基座1上，虽然消能效果相对于双侧设置的形式较弱，但是也能将建筑结构7的微小位移转化为角速度，并将角速度进行放大，进一步再完成消能。
48.在上文中，结合具体的实施例对本发明的各种实施方式进行了描述。然而，应当得出的理解是：本发明的对各个实施例描述的用意不是对本发明的限制。以上所述仅是本发明的示范性实施例，而非用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由权利要求确定。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。