CN103397595A

CN103397595A - 一种金属阻尼器及其设计方法

Info

Publication number: CN103397595A
Application number: CN2013103371352A
Authority: CN
Inventors: 潘鹏; 陈浩文; 邓开来
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-08-05
Also published as: CN103397595B

Abstract

一种金属阻尼器及其设计方法属于土木工程结构减震技术领域。该阻尼器由上盖板、下盖板以及核心金属耗能元件组成；所述核心金属耗能元件为一块连续的U形开槽金属板，由一段圆弧段和两段平直段组成；开槽金属板的圆弧段和部分平直段上的沿宽度方向等间距开设若干连续槽。设计时，首先依照建筑需要确定阻尼器高度，其次根据面内恢复力公式和面外恢复力公式得出钢板厚度、平直段长度、阻尼器宽度的数值关系；再根据优化公式调整三个参数的具体数值，使阻尼器不发生预料之外的破坏模式；最后确定阻尼器数量和螺栓尺寸。本发明利用塑性变形能力强的金属材料实现耗能，利用弯曲变形实现纵向较大变形，并提供较大的侧向变形能力和抗疲劳性能。

Description

一种金属阻尼器及其设计方法

技术领域

本发明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中的金属阻尼器及其设计方法。

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。但由于钢材的弹性模量较大，钢支撑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。

为了解决这一问题，有研究人员设计出一种金属屈服阻尼器，该阻尼器的核心金属耗能构件为一带状金属板，形状类似于四百米跑道。将该阻尼器布置于桥梁或建筑结构中，金属板长度方向与结构承受剪力方向一致。该阻尼器提供了沿长度方向较大的剪切变形能力。但是，该类型阻尼器只能控制面内的恢复力，而对面外恢复力没法进行有效设计。然而建筑物在实际使用过程中会受到各个方向的水平左右，阻尼器也必然会受到沿宽度方向的水平力。因此，理论和实验验证均表明，上述阻尼器的侧向变形能力和抗疲劳性能较差，容易在实际使用过程中发生预期之外的破坏形态，影响设计和使用。

发明内容

本发明是为提供一种结构简单、可以同时实现面内面外恢复力精确设计，提供两个方向上良好的变形能力和抗疲劳性能的金属阻尼器，用以解决现有技术中金属耗能阻尼器只能进行面内设计、单向布置且面外稳定性不足的弊端。

本发明的设计方案为：该阻尼器由固定在建筑结构上的上盖板、下盖板以及核心金属耗能元件组成；所述核心金属耗能元件为一块连续的U形开槽金属板，由一段圆弧段和两段平直段组成；开槽金属板的圆弧段和部分平直段上的沿宽度方向等间距开设若干连续槽；开槽金属板平直段的未开槽部分设置螺孔，通过螺栓与上下盖板固定连接；上下盖板一端开设通孔与开槽金属板和建筑结构同时固定连接，另一端开设的螺栓孔仅与建筑结构固定连接。

所述下盖板或上盖板通过一个辅助支架与建筑结构连接；或上下盖板均通过辅助支架与建筑结构连接。

所述辅助支架为带有安装孔的耳板。

本发明还提供了所述金属阻尼器的设计方法，可以根据各种工况下所需的面内和面外恢复力需求分别对阻尼器的各个参数进行精确设计，保证其力学性能、疲劳性能和稳定性能符合使用要求。包括以下步骤：

（a）根据安装空间确定阻尼器高度H；

（b）将所需面内恢复力和面外恢复力带入恢复力设计公式，得到开槽金属板的厚度t，开槽金属板的平直段长度l，阻尼器宽度b的两组关系式：

面内恢复力公式：

F_{u} = (f_{y} + (f_{u} - f_{y}) (1 - e^{- λt / H})) \frac{t^{2} b}{2 H};

面外恢复力公式：

F = (0.262 \frac{t}{b} + 0.461) \frac{f_{u} {tb}^{2} D}{D^{2} / 4 + (l + 0.5 H)^{2}};

其中f_y,f_u,λ分别是钢材的屈服强度、极限强度和材料硬化参数，D为最大面外变形量；

（c）基于步骤（b）得到的关系式，综合稳定性优化方程得到t、l、b的具体数值，使得阻尼器不发生预料之外的破坏模式，其中R表示开槽金属板的圆弧段部分的半径；

（d）根据材料性能、加工水平和设计需求确定阻尼器数量和螺栓尺寸。

本发明具有如下优点：

1）可设计性强。本发明可以对面内和面外恢复力分别进行精确设计，解决了此类阻尼器侧向稳定性差，抗疲劳能力弱的弊端。通过改变开槽金属板长度、宽度、厚度，开槽的数量，长度和宽度，可以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。

2）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开槽金属板作为耗能元件，当上下两端受剪力作用时，利用开槽金属板产生的弯曲变形在有限的高度内获得较大的变形量。

3）提供侧向较强的变形能力和抗疲劳能力，使该阻尼器在使用过程中不易出现侧向底周疲劳破坏。

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，可以有效提高建筑和桥梁结构的抗震性能，具有广阔的市场推广和应用前景。

附图说明

图1为本发明金属阻尼器的主视图。

图2为图1的后视图。

图3为图1的侧视图。

图4为开槽金属板的示意图之一。

图5为开槽金属板的示意图之二。

图6为上（下）盖板的示意图。

图7为金属阻尼器的工作示意图之一。

图8为金属阻尼器的工作示意图之二。

图9为金属阻尼器在框架中的应用示意图之一。

图10为金属阻尼器在框架中的应用示意图之二

图11为金属阻尼器在桥梁上的应用示意图。

图12为图11的C向剖面图。

图13为开槽型U字金属阻尼器在桥梁上的应用示意图之二。

图14为图13的C向剖面图。

图中标号：

1-开槽金属板；2-上盖板；3-下盖板；4-螺栓孔；5-通孔；6-圆弧段；7-平直段。

具体实施方式

本发明提供了一种金属阻尼器及其设计方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

实施例一

如图1、图2、图3所示的金属阻尼器，包括核心金属耗能元件、上盖板2和下盖板3，所述核心金属耗能元件为一块连续的通过碾压实现弯曲变形的U形开槽金属板1。

如图4和图5所示，开槽金属板1由圆弧段6和平直段7组成，圆弧段6和平直段7上的一部分沿宽度方向等间距连续开槽；平直段7的未开槽部分设置螺栓孔；如图6所示，上下盖板一端的开设通孔5同时与开槽金属板1和建筑结构固定连接，另一端开设的螺栓孔4仅与建筑结构固定连接。

安装时，开槽金属板1的开槽方向与建筑结构承受剪切力的方向相垂直。图7演示了该阻尼器在水平力作用下的变形模式，弯曲变形集中在平直段7的右端和弯曲段6.

图8演示了该阻尼器在框架结构中的布置方式，所述上盖板2与框架梁固结，下盖板3通过一个辅助支架与建筑结构连接。当然，也可以上盖板2通过一个辅助支架与建筑结构连接，下盖板3固定于结构底板；或上下盖板均通过辅助支架与建筑结构连接。

由于本发明金属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。可以根据实际需要布置多个，以达到设计要求。

具体安装时，涉及到金属阻尼器的尺寸，有四个主要的技术参数，分别为阻尼器高度H，开槽金属板的厚度t，开槽金属板的平直段长度l，阻尼器宽度b。以上四个参数通过下述方法得到：

（a）根据安装空间确定阻尼器高度H；

面内恢复力公式：

F_{u} = (f_{y} + (f_{u} - f_{y}) (1 - e^{- λt / H})) \frac{t^{2} b}{2 H};

面外恢复力公式：

F = (0.262 \frac{t}{b} + 0.461) \frac{f_{u} {tb}^{2} D}{D^{2} / 4 + (l + 0.5 H)^{2}};

（c）基于步骤（b）得到的关系式，综合稳定性优化方程

得到t、l、b的具体数值，使得阻尼器不发生预料之外的破坏模式，其中R表示开槽金属板的圆弧段部分的半径；

由于本发明金属阻尼器是利用构件的变形在有限的高度内获得较大的弯曲变形，而不是直接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。

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。此外，为了方便与其他结构连接，上、下盖板上除本例中所述设置用于连接的通孔外，也可以设置带有连接孔的耳板、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，都是基于开槽金属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。

实施例二

如图9和图10所示，本例与实施例一类似，不同的是本例中金属阻尼器布置方向与例一中垂直。

实际上，金属阻尼器的各向性能均相当稳定，在实际安装中，可以根据各种建筑构造要求任意安装，安装方向可灵活设计。

实施例三

用于桥梁结构的消能减震时，如图11、图12所示，将本发明的金属阻尼器置于桥身与桥墩之间，与桥身支座并联使用，利用本发明金属阻尼器的上盖板2和下盖板3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及桥墩相连。连接时，金属板的开槽方向可与桥身的长度方向平行或垂直，图11和图12画出了开槽金属板的开槽方向与桥身长度方向平行时的安装示意图，图13和图14画出了开槽金属板的开槽方向宽与桥身长度方向垂直时的安装示意图。

本例中将本发明的上、下盖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

1.一种金属阻尼器，其特征在于，该阻尼器由固定在建筑结构上的上盖板、下盖板以及核心金属耗能元件组成；所述核心金属耗能元件为一块连续的U形开槽金属板，由一段圆弧段和两段平直段组成；开槽金属板的圆弧段和部分平直段上的沿宽度方向等间距开设若干连续槽；开槽金属板平直段的未开槽部分设置螺孔，通过螺栓与上下盖板固定连接；上下盖板一端开设通孔与开槽金属板和建筑结构同时固定连接，另一端开设的螺栓孔仅与建筑结构固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种金属阻尼器，其特征在于，所述下盖板或上盖板通过一个辅助支架与建筑结构连接；或上下盖板均通过辅助支架与建筑结构连接。

3.一种权利要求1所述金属阻尼器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

（a）根据安装空间确定阻尼器高度H；

面内恢复力公式：

F_{u} = (f_{y} + (f_{u} - f_{y}) (1 - e^{- λt / H})) \frac{t^{2} b}{2 H};

面外恢复力公式：

F = (0.262 \frac{t}{b} + 0.461) \frac{f_{u} {tb}^{2} D}{D^{2} / 4 + (l + 0.5 H)^{2}};

（c）基于步骤（b）得到的关系式，综合稳定性优化方程