CN101629432A - 剪切型金属弯曲耗能阻尼器 - Google Patents
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Abstract
剪切型金属弯曲耗能阻尼器属于土木工程结构减震技术领域，特别是一种用于减震耗能的金属阻尼器。其特征是，所采用的核心金属耗能元件为至少一块通过弯曲实现耗能能力的金属板，该金属板的两端分别与上连接板和下连接板固定连接，且与上连接板和下连接板垂直；该金属板的厚度方向与建筑结构承受剪切力的方向一致。本发明利用钢材等良好的塑性变形能力强的金属材料实现耗能，并利用其弯曲变形实现较大的变形量，其结构新颖合理，易于加工，使用方便灵活，适用性强，可以有效提高建筑结构和桥梁结构的抗震性能，具有广阔的市场推广应用前景。
Description
技术领域
剪切型金属弯曲耗能阻尼器属于土木工程结构减震技术领域，具体涉及一种桥梁工程中设置于桥墩与梁板间的构件或建筑结构耗能构件，特别是一种用于减震耗能的金属阻尼器。
背景技术
当今建筑的发展越来越趋向于高大化，由钢构件、组合构件或钢筋混凝土构件组成的框架结构是建筑物中经常被采用的结构形式。为使建筑结构具有较强的抵抗地震或风荷载等外力破坏的能力，经常需要在框架结构中增设金属型耗能构件。而桥梁工程的发展也越来越趋向于大型化，为保证地震时桥梁结构的安全性，防止发生落桥，现普遍在桥墩与梁板的连接处设置橡胶隔振垫，并在桥墩与梁板间配合设置耗能构件，常见的耗能构件有粘滞型阻尼器、磁流变阻尼器、金属阻尼器等。其中金属阻尼器因其耐久性和经济性较好，在工程中应用较多。目前金属阻尼器的一般多为钢或组合构件的防屈曲耗能支撑形式，主要用于承受拉力或压力，承受剪切力的能力较弱。例如，专利号为ZL200720175235.X的中国专利公开了一种无粘结钢骨混凝土防屈曲耗能支撑，这种耗能支撑结构依靠在核心钢骨构件外部设置约束体，利用位于轴心处的核心钢骨构件承受轴向外力，当受压时，由于有约束体的限制，核心钢骨构件不会发生屈曲，而是在压力达到一定极限时与受拉一样发生屈服，从而耗散外界输入的能量。由于此类支撑结构涉及多种材料及其相互配合，通常结构较复杂，加工工艺要求也很严格。另外，此类支撑结构是依靠核心钢骨构件在外力作用时钢材自身的拉压屈服变形来实现耗能及防止建筑物被破坏的功能，但是由于钢材的弹性模量较大，屈服时能实现的变形量很小。因此，当需要实现较大变形量，特别是需要实现较大剪切变形时，通常支撑结构的尺寸会很大，以致于很难加工、运输和安装，甚至用普通钢材根本无法实现，这极大地限制了此类金属阻尼器的推广应用。市场迫切要求一种能承受较大剪切力并能实现较大变形量的新型金属阻尼器。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中金属耗能阻尼器的缺陷，提供一种结构简单紧凑、可以实现较大剪力变形的剪切型金属弯曲耗能阻尼器。
本发明的特征在于，包括固定在建筑结构上的上连接板和下连接板，以及核心金属耗能元件，所述核心金属耗能元件为至少一块通过弯曲实现耗能能力的金属板，该金属板的两端分别与上连接板和下连接板固定连接，且与上连接板和下连接板垂直；该金属板的厚度方向与建筑结构承受剪切力的方向一致。
所述金属板是钢板、铅板或形状记忆合金。
所述金属板数量多于一块时，金属板之间相互间隔地平行设置。
所述金属板中部的截面尺寸小于或等于上下两端的截面尺寸。
所述金属板宽度方向两侧的形状可以对称。
所述金属板宽度方向两侧的形状可以不对称。
所述上连接板和下连接板上分别设置有与建筑结构相连的连接机构，所述连接机构是通孔、螺纹孔或带有安装孔的耳板。
所述下连接板下端通过一个辅助支架与建筑结构连接；或上连接板上端通过一个辅助支架与建筑结构连接；或下连接板下端通过一个辅助支架与建筑结构连接，且上连接板上端通过另一个辅助支架与建筑结构连接。
所述金属板的两端分别与上连接板和下连接板固定连接的方式是采用焊接，在上连接板及下连接板上分别加工出相应数量及尺寸的凹槽，然后将所述金属板的两端分别***上、下连接板的凹槽后再进行焊接。
本发明的剪切型金属弯曲耗能阻尼器，利用钢板作为耗能元件，当上下两端受剪力作用时，利用钢板上下端受弯屈服时产生的塑性铰转动实现耗能。当需要承受较大的剪力作用时，可以增加钢板的数量，增加时应将钢板间隔地平行设置于上连接板和下连接板之间，结构十分简单紧凑。
与现有技术相比，本发明剪切型金属弯曲耗能阻尼器具有如下优点：
1)可实现较大变形量。本发明中利用通过弯曲实现耗能能力的钢板作为耗能元件，当上下两端受剪力作用时，利用钢板产生的弯曲变形——即耗能元件的弯曲变形，从而可在有限的高度内获得较大的变形量。而现有防屈曲耗能支撑结构利用的是支撑元件钢材料自身的拉压屈服变形来获得变形量，由于钢材的弹性模量较大，因此能实现的变形量很小。
2)结构简单紧凑。本发明以钢板、铅板或形状记忆合金等金属材料作为耗能元件，无需另设约束结构。而现有防屈曲支撑结构除设置核心钢耗能元件外，还需要设置约束结构，约束结构通常包括混凝土、防粘连材料及钢管等多种不同材料，所以加工过程中工序较多，结构也比较复杂。
3)可承受较大的剪切力。本发明可以实现较大变形量，并且可以通过增加金属板的数量和调整金属板的宽度来提高承受剪切载荷的能力，因此可以承受较大的剪切力。并且当设置多块金属板时，金属板间仅需要保留适当变形让位空间即可，因此整体尺寸较小。而现有防屈曲支撑结构可以实现的变形量很小，其仅适于变形量较小的结构而不适用于变形较大的结构部位。
4)可设计性强。本发明可以通过改变金属板数量、宽度、厚度和形状实现在较大范围内任意变化的屈服力，屈服位移，可以满足各类结构的需要。
试验证明，本发明利用钢材等良好的塑性变形能力实现耗能，并利用其弯曲变形实现较大的变形量，其结构新颖合理，易于加工，使用方便灵活，适用性强，可以有效提高建筑结构和桥梁结构的抗震性能，具有广阔的市场推广应用前景。
附图说明
图1为剪切型金属弯曲耗能阻尼器的结构示意图之一。
图2为图1的A向视图。
图3为图1所示剪切型金属弯曲耗能阻尼器的应用示意图之一。
图4为图3所示条件下剪切型金属弯曲耗能阻尼器的工作示意图之一。
图5为图1所示剪切型金属弯曲耗能阻尼器的应用示意图之二。
图6为图5所示条件下剪切型金属弯曲耗能阻尼器的工作示意图之二。
图7为剪切型金属弯曲耗能阻尼器的结构示意图之二。
图8为图7的B向视图。
图9为剪切型金属弯曲耗能阻尼器的结构示意图之三。
图10剪切型金属弯曲耗能阻尼器的结构示意图之四。
图11为图10的C向剖视图。
图12为图11的俯视图。
图13为剪切型金属弯曲耗能阻尼器在桥梁上的应用示意图。
图14为图13的E-E局部剖视图。
图15为图13中的D部放大图。
具体实施方式
实施例一
如图1、图2所示本发明剪切型金属弯曲耗能阻尼器，包括上连接板1、下连接板2和核心钢耗能元件，核心钢耗能元件为平面设置的一块钢板3，钢板3的两端分别与上连接板1和下连接板2牢固焊连成一体。为方便与其他构件连接，在上连接板1和下连接板2上还分别设置有用于与其他结构相连的连接结构，本例中连接结构为通孔4。
在框架结构中使用时，如图3、图4所示，钢框架5上焊接固定有与上、下连接板相对应的连接法兰7，利用紧固件6将上连接板1和下连接板2与连接法兰固定在一起，从而将本发明牢牢固定在钢框架5上。当钢框架5受到剪切力F1及F2作用发生变形时，由于本发明采用抗弯刚度较小的钢板作为核心钢耗能元件，因此在两端受到较大剪切力作用的情况下，钢板上下端受弯屈服时会发生弯曲变形，利用钢材在塑性变形过程中产生的塑性铰转动实现耗能，从而达到衰减外界输入能量，使框架结构免于损坏的作用。
由于本发明剪切型金属弯曲耗能阻尼器是依靠钢材受剪时良好的塑性变形能力来获得变形量，即利用构件的变形在有限的高度内获得较大的弯曲变形，而不是利用钢材的拉压屈服变形获得变形量，因此可以实现较大的变形量，耗散更多能量，更有利于框架结构的保护。
本例中利用连接法兰7来实现本实用新型与钢框架结构的连接，在实际应用中，也可以将本发明直接焊连在钢框架上或利用紧固件直接固定在钢框架上，也都可以实现同样的效果。此外，为了方便与其他结构连接，上、下连接板上除本例中所述设置用于连接的通孔外，也可以设置螺纹孔、带有连接孔的耳板、锁扣、吊环等其他用于连接的结构。
另外，本例仅以钢框架为例进行说明，在实际应用中，也可以用于组合构件或钢筋混凝土构件组成的框架结构，也能很好地实现消能减震的作用。另外，本发明还可以用于桥梁、楼层间等场所，例如用于桥身与桥墩之间，与桥身支座并联使用，都是基于钢板的弯曲变形和塑性弯曲变形耗能的技术原理，在此不作一一说明。
需要指出的是，将本发明建筑结构连接时，应注意钢板的厚度方向应与建筑结构承受剪切力的方向保持一致，以使钢板的变形及耗能能力达到最佳。
实施例二
基于实施例一所述技术原理，由于本发明剪切型金属弯曲耗能阻尼器可以实现较大的变形量，因此本发明的整体尺寸可以控制的很小。如图5、图6所示，与实施例一不同之处在于，当本发明剪切型金属弯曲耗能阻尼器尺寸很小时，可以在钢框架上附加一个辅助支架9，再将上连接板1与钢框架上固定设置的连接法兰7相连，将下连接板2与辅助支架9上固定设置的连接法兰7相连，从而将本发明牢固连接在钢框架5上。当钢框架5受到剪切力F1及F2作用发生变形时，由于本发明采用抗弯刚度较小的钢板作为核心钢耗能元件，因此在两端受到较大剪力作用的情况下，钢板上下端受弯屈服时会发生弯曲变形，利用钢材在塑性变形过程中产生的塑性铰转动实现耗能，从而达到衰减外界输入能量，使框架结构免于损坏的作用。
由于本发明的整体尺寸可以设置得较小，因此，占用安装空间很小，其适用性更强。除本例所述结构的辅助支架外，利用其他结构的辅助支架或其他的连接方式，只要可以将将本发明牢固连接在钢框架上，也都可以实现同样的效果。
实施例三
如图7、图8所示本发明剪切型金属弯曲耗能阻尼器，与实施例一的区别在于，由于本发明受剪切载荷作用时，所述核心钢耗能元件的中部承受力矩较小，为降低***刚度并节约钢材，在钢板3中部适当切除掉部分材料，将钢板3制成近似“工”字形形状，使钢板的中部截面尺寸小于两端截面尺寸。此外，为承受较大的剪切力作用，增加钢板的数量，共设置三块钢板作为核心钢耗能元件。设置时，三块钢板相互平行设置，彼此之间保留适当间距作为变形预留空间及焊接操作的让位空间。为便于与其他构件连接，上连接板1和下连接板2上分别设置带有连接孔的耳板8。
当钢板的尺寸及形状一定时，增加钢板的数量可以使整个耗能阻尼器装置承受剪切力的能力成倍提高，因此在设计应用时，十分方便。此外，由于设置多块钢板时，钢板间不需预留很大空间，因此，不会显著增大本发明的整体尺寸。
除本例中提到的“工”字形外，还可以将钢板加工成如图9所示的沙漏形等形状，也都能实现使钢板的中部面积尺寸小于两端面积尺寸，从而达到减少钢材用量的目的。一般情况下，为使产品变形能力均衡，并且具有良好的外观效果，制作时在钢板的中部沿钢板幅面中垂线从两侧尽可能对称地切除部分材料，当然，必要时也可以非对称地进行材料切除。
实施例四
如图10、图11、图12所示剪切型金属弯曲耗能阻尼器，除钢板的数量及形状变化外，与实施例二的主要不同之处在于，为了保证钢板3与上连接板1及下连接板2的垂直关系和牢固连接，制作时，根据钢板的尺寸及其设置的数量及间距，在上连接板1及下连接板2上分别加工出相应数量及尺寸的凹槽，然后将钢板的两端分别***上、下连接板的凹槽后再进行焊接。这样有利于提高并保证钢板与上、下连接板之间的连接强度，同时也可以有效保证钢板与上、下连接板间的垂直关系。另外，为便于与其他构件连接，上连接板1和下连接板2上分别设置螺纹孔10。
用于桥梁结构的消能减震时，如图13、图14、图15所示，将本发明得剪切型金属弯曲耗能阻尼器14置于桥身11与桥墩12之间，与桥身支座13并联使用，利用本发明剪切型金属弯曲耗能阻尼器14的上连接板1和下连接板2上设置的螺纹孔，用紧固件(常规技术方法，图中未具体示出)将本发明分别与桥身11及桥墩12相连。应注意，连接时，钢板3的厚度方向应与桥身的长度方向保持一致，亦即钢板的幅面宽度方向与桥身的宽度方向一致，具体如图15所示，以使钢板的变形及耗能能力达到最佳。
本例中将本发明的上、下连接板直接与桥身及桥墩相连，在实际应用中，也可以借助辅助框架结构将本发明与桥身和桥墩连接在一起，当然，本发明的布置形式及使用数量也不局限于本例，可以根据工程实际进行优化选择，也都可以起到相同的作用，在此不一一做单独说明，只要基于本发明的技术原理，都在本发明的保护范畴中。
Claims (9)
1、剪切型金属弯曲耗能阻尼器，其特征在于，包括固定在建筑结构上的上连接板和下连接板，以及核心金属耗能元件，所述核心金属耗能元件为至少一块通过弯曲实现耗能能力的金属板，该金属板的两端分别与上连接板和下连接板固定连接，且与上连接板和下连接板垂直；该金属板的厚度方向与建筑结构承受剪切力的方向一致。
2、如权利要求1所述的剪切型金属弯曲耗能阻尼器，其特征在于，所述金属板是钢板、铅板或形状记忆合金。
3、如权利要求1所述的剪切型金属弯曲耗能阻尼器，其特征在于，所述金属板数量多于一块时，金属板之间相互间隔地平行设置。
4、如权利要求1所述的剪切型金属弯曲耗能阻尼器，其特征在于，所述金属板中部的截面尺寸小于或等于上下两端的截面尺寸。
5、如权利要求1所述的剪切型金属弯曲耗能阻尼器，其特征在于，所述金属板宽度方向两侧的形状对称。
6、如权利要求1所述的剪切型金属弯曲耗能阻尼器，其特征在于，所述金属板宽度方向两侧的形状不对称。
7、如权利要求1所述的剪切型金属弯曲耗能阻尼器，其特征在于，所述上连接板和下连接板上分别设置有与建筑结构相连的连接机构，所述连接机构是通孔、螺纹孔或带有安装孔的耳板。
8、如权利要求1所述的剪切型金属弯曲耗能阻尼器，其特征在于，所述下连接板下端通过一个辅助支架与建筑结构连接；或上连接板上端通过一个辅助支架与建筑结构连接；或下连接板下端通过一个辅助支架与建筑结构连接，且上连接板上端通过另一个辅助支架与建筑结构连接。
9、如权利要求1所述的剪切型金属弯曲耗能阻尼器，其特征在于，所述金属板的两端分别与上连接板和下连接板固定连接的方式是采用焊接，在上连接板及下连接板上分别加工出相应数量及尺寸的凹槽，然后将所述金属板的两端分别***上、下连接板的凹槽后再进行焊接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20100120 |