CN109629703A - 一种带有螺旋筒的复合耗能阻尼器及柱脚抗震结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于土木工程抗震领域与减震领域，涉及一种带有螺旋筒的复合耗能阻尼器及柱脚抗震结构，包括上端板、下端板、螺旋筒、内置圆柱空腔筒体、连接件、筒体内含球形耗能颗粒群、筒体底部内置普通弹簧。上端板开30°竖向圆弧螺栓孔，且与柱脚中预埋件采用高强螺栓连接，下端板与柱脚中预埋件通过竖向螺栓孔中的高强螺栓连接；钢环与螺旋片分别上下焊接形成螺旋筒；螺旋筒与上下端板焊接，筒体与螺旋筒通过连接件连接，内置筒体通过自身及其上的部件与上下端板焊接。本发明所述的复合耗能阻尼器用于框架柱柱脚处，比传统阻尼器有更好的减震耗能效果。

Description

一种带有螺旋筒的复合耗能阻尼器及柱脚抗震结构

技术领域

发明属于土木工程抗震与减震领域，主要涉及结构减震控制***中的复合耗能阻尼器，具体涉及一种带有螺旋筒的复合耗能阻尼器及柱脚抗震结构。

背景技术

目前高层超高层建筑越来越多，对于结构的抗震要求也随之提高，并且柱脚作为结构当中一个承上启下的部位，对整个结构起重要作用，抗震与减震的提出是有必要的，而现在地震、强风的影响下，对多方向、多类型复合耗能的阻尼器有更多的需求。因此需要寻求一种复合耗能效果更好的复合耗能阻尼器。

发明内容

为了提高结构的抗震与减震的作用效果，本发明的目的在于提供一种带有螺旋筒的复合耗能阻尼器及柱脚抗震结构，该阻尼器通过挤压摩擦耗能颗粒、螺旋筒的变形、弹簧的压缩的复合耗能方式能更好的保护柱脚，耗能效果更好。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种带有螺旋筒的复合耗能阻尼器，包括上端板、下端板、螺旋筒和内置减震单元，螺旋筒包括上钢环和下钢环，上钢环和下钢环之间沿圆周方向均匀分布有若干螺旋钢片，螺旋钢片的上下两端分别与上钢环和下钢环连接；上钢环与上端板固定连接，下钢环与下端板固定连接；内置减震单元包括上圆柱空腔筒体、下圆柱空腔筒体和圆柱杆，下圆柱空腔筒体固定于下端板上并处于下钢环内圈，下圆柱空腔筒体与下钢环同轴；下圆柱空腔筒体上端具有开口，内腔底部设有弹簧，上圆柱空腔筒体的下端从下圆柱空腔筒体上端的开口伸入下圆柱空腔筒体的内腔并与弹簧上端连接；上圆柱空腔筒体的上端具有开口，圆柱杆的下端从该开口伸入上圆柱空腔筒体的内腔，圆柱杆的下端固定连接有上圆形薄钢板，上圆形薄钢板将上圆柱空腔筒体的内腔分隔为上下两个腔室，上下两个腔室中均填充有球形耗能颗粒群；圆柱杆的上端与上端板固定连接。

螺旋钢片所在的螺旋线的轴线与上钢环以及下钢环的轴线同轴。

螺旋钢片的高度小于螺旋钢片所在螺旋线的螺距。

上钢环上连接有连接件，连接件包括球头细杆、短圆柱环和薄圆环钢板，球头细杆包括细杆设置于细杆一端的球头，短圆柱环从端面向内开设有若干个沿短圆柱环周向均匀分布的用于嵌入球头的凹槽，短圆柱环的外侧壁在与每个凹槽相对应的位置分别开设有与凹槽相通的侧向开口，球头细杆的球头设置于所述凹槽内，球头细杆的细杆从所述侧向开口伸出并与上钢环内侧壁固定连接；薄圆环钢板与短圆柱环的端面固定连接，圆柱杆的上端贯穿短圆柱环并与短圆柱环之间间隙配合。

上圆柱空腔筒体的下端固定连接有下圆形薄钢板，下圆形薄钢板将下圆柱空腔筒体的内腔分隔为上下两个腔室，弹簧设置于下部的腔室内。

上圆形薄钢板的上下表面分别设有上橡胶垫和下橡胶垫，上圆柱空腔筒体的内壁面设有第一缓冲材料层。

上圆柱空腔筒体与下圆柱空腔筒体上端的开口之间间隙配合；圆柱杆与上圆柱空腔筒体上端的开口之间间隙配合。

球形耗能颗粒群中包括金属球和橡胶颗粒，金属球和橡胶颗粒的直径均不大于10mm。

螺旋钢片与上钢环之间焊接，螺旋钢片与下钢环之间焊接，上钢环与上端板之间焊接，下钢环与下端板之间焊接，上圆柱空腔筒体下端与下圆形薄钢板焊接，下圆柱空腔筒体与下端板焊接，圆柱杆的下端与上圆形薄钢板焊接，圆柱杆的上端与上端板焊接。

一种柱脚抗震结构，包括开设于柱脚塑性应变集中区域的安装腔以及安装于安装腔中的所述带有螺旋筒的复合耗能阻尼器，带有螺旋筒的复合耗能阻尼器的下端板在下钢环外周开设有若干螺栓孔，下端板通过螺栓与安装腔的底部固定连接；带有螺旋筒的复合耗能阻尼器的上端板在上钢环的外周开设有若干圆弧螺栓孔，圆弧螺栓孔所在圆与上钢环同轴，上端板通过螺栓与安装腔的顶部连接。

本发明具有如下有益效果：

本发明带有螺旋筒的复合耗能阻尼器在受压时，螺旋筒通过螺旋钢片能够实现自身“扭转”压缩耗能，同时内置减震单元的圆柱杆向下运动，圆柱杆带动整个上圆柱空腔筒体向下挤压下圆柱空腔筒体中的弹簧，实现弹簧压缩耗能，同时圆柱杆带动上圆形薄钢板向下挤压上圆柱空腔筒体下腔体中的球形耗能颗粒群，球形耗能颗粒群通过相互挤压摩擦耗能。当本发明的阻尼器受拉时，主要是对螺旋筒进行竖向拉伸耗能，同时圆柱杆带动上圆形薄钢板向上挤压上圆柱空腔筒体上腔体中的球形耗能颗粒群，球形耗能颗粒群通过相互挤压摩擦耗能。综上，本发明的阻尼器能够通过挤压摩擦耗能颗粒、螺旋筒的变形、弹簧的压缩的复合耗能，当设置在柱脚后能够能更好的保护柱脚，耗能效果更好。

由上述本发明带有螺旋筒的复合耗能阻尼器的有益效果可知，本发明的柱脚抗震结构能够利用该阻尼器的复合耗能，实现对柱脚的保护；同时下端板通过螺栓与安装腔的底部固定连接，上端板通过螺栓与安装腔的顶部连接，因此便于拆装；为了适应柱脚处的安装情况，上端板在上钢环的外周开设有若干圆弧螺栓孔，在上端板通过螺栓与安装腔的顶部连接时，螺栓不将上端板固定死，而是当阻尼器承受拉压力时，螺旋筒变形过程中，使上端板能够发生旋转，从而使螺旋筒能够更好的进行变形耗能，实现对柱脚的保护。

附图说明

图1为本发明一种带有螺旋筒的复合耗能阻尼器的结构示意图；

图2为本发明的连接件、上钢环及其组装的示意图；

图3为本发明的螺旋筒的示意图；

图4为本发明的复合耗能件的拆解示意图；

图5为本发明的内置减震单元内部的示意图；

图6为本发明的柱脚抗震结构示意图。

图中各个标号的含义为：1-上端板，2-下端板，3-1上钢环，3-2-下钢环，3-3-螺旋钢片，4-上圆柱空腔筒体，5-下圆柱空腔筒体，6-1-球头细杆，6-2-凹槽，6-3-短圆柱环，6-4-薄圆环钢板，7-球形耗能颗粒群，8-弹簧，9-圆弧螺栓孔，10-圆柱杆，11-1上圆形薄钢板，11-2-下圆形薄钢板，12-1上橡胶垫，12-2-下橡胶垫，13-第一缓冲材料层，14-第二缓冲材料层，15-柱脚，16-安装腔。

具体实施方式

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1～图5所示，本发明的带有螺旋筒的复合耗能阻尼器，包括上端板1、下端板2、螺旋筒3和内置减震单元，螺旋筒3包括上钢环3-1和下钢环3-2，上钢环3-1和下钢环3-2之间沿圆周方向均匀分布有若干螺旋钢片3-3，螺旋钢片3-3的上下两端分别与上钢环3-1和下钢环3-2焊接，螺旋钢片3-3所在的螺旋线的轴线与上钢环3-1以及下钢环3-2的轴线同轴，螺旋钢片3-3的高度小于螺旋钢片3-3所在螺旋线的螺距，上钢环3-1和下钢环3-2对螺旋钢片3-3有更好的固定与约束作用，螺旋筒吸收不同方向的地震能量，并通过自身变形实现耗能；上钢环3-1与上端板1焊接，下钢环3-2与下端板2焊接；内置减震单元包括上圆柱空腔筒体4、下圆柱空腔筒体5和圆柱杆10，下圆柱空腔筒体5固定于下端板2上并处于下钢环3-2内圈，下圆柱空腔筒体5与下钢环3-2同轴；下圆柱空腔筒体5上端具有开口，内腔底部设有弹簧8，上圆柱空腔筒体4的下端从下圆柱空腔筒体5上端的开口伸入下圆柱空腔筒体5的内腔，上圆柱空腔筒体4与下圆柱空腔筒体5上端的开口之间间隙配合，因此上圆柱空腔筒体4与下圆柱空腔筒体5之间可相对移动，上圆柱空腔筒体4的下端焊接有下圆形薄钢板11-2，下圆形薄钢板11-2将下圆柱空腔筒体5的内腔分隔为上下两个腔室，弹簧8设置于下部的腔室内，下圆形薄钢板11-2可与弹簧8上端连接，下圆柱空腔筒体5的内壁面设有第二缓冲材料层14，下圆形薄钢板11-2的直径应与粘结第二缓冲材料层14后的下圆柱空腔筒体5的内径一致；上圆柱空腔筒体4的上端具有开口，圆柱杆10的下端从该开口伸入上圆柱空腔筒体4的内腔，圆柱杆10与上圆柱空腔筒体4上端的开口之间间隙配合，因此圆柱杆10与上圆柱空腔筒体4之间可相对移动，圆柱杆10的下端焊接有上圆形薄钢板11-1，上圆形薄钢板11-1将上圆柱空腔筒体4的内腔分隔为上下两个腔室，上下两个腔室中均填充有球形耗能颗粒群7，球形耗能颗粒群7采用金属球和橡胶颗粒的混合物，金属球和橡胶颗粒直径均不大于10mm，圆柱杆10以拉压形式通过上圆形薄钢板11-1挤压摩擦球形耗能颗粒群7吸收地震能量；上圆形薄钢板11-1的上下表面分别设有上橡胶垫12-1和下橡胶垫12-2，上圆柱空腔筒体4的内壁面设有第一缓冲材料层1，上圆形薄钢板11-1、上下橡胶垫的直径应与粘结第一缓冲材料层13后的上圆柱空腔筒体4的内径一致；圆柱杆10的上端与上端板1焊接；圆柱杆10上端与上端板1下表面焊接，下圆柱空腔筒体5下表面与下端板2上表面焊接，其目的是实现上下端板和内置耗能单元部分的连接，使地震产生的能量更好由柱传到耗能部分具有较好的耗能效果。

如图2～图4所示，上钢环3-1上连接有连接件，连接件包括球头细杆6-1、短圆柱环6-3和薄圆环钢板6-4，球头细杆6-1包括细杆设置于细杆一端的球头，短圆柱环6-3从端面向内开设有若干个沿短圆柱环6-3周向均匀分布的用于嵌入球头的凹槽6-2，短圆柱环6-3的外侧壁在与每个凹槽相对应的位置分别开设有与凹槽相通的侧向开口，球头细杆6-1的球头设置于所述凹槽内，球头细杆6-1的细杆从所述侧向开口伸出并与上钢环3-1内侧壁表面的凸出的预留方块焊接；薄圆环钢板6-4与短圆柱环6-3的端面焊接；圆柱杆10的上端贯穿短圆柱环6-3并与短圆柱环6-3之间间隙配合该连接件的设置能够实现螺旋筒与上圆柱空腔筒体4以及下圆柱空腔筒体5形成整体协调工作，具有更好的耗能效果。

作为本发明优选的实施方案，螺旋钢片3-3的螺旋角为45°，螺旋钢片3-3设置5个，螺旋钢片3-3采用超弹性钢材，上圆形薄钢板11-1设置于圆柱空腔筒体4的中部，

参照图6，本发明的柱脚抗震结构，包括开设于柱脚15塑性应变集中区域的安装腔16以及安装于安装腔16中的所述带有螺旋筒的复合耗能阻尼器，带有螺旋筒的复合耗能阻尼器的下端板2在下钢环3-2外周开设有若干螺栓孔，下端板2通过螺栓与安装腔16的底部固定连接；带有螺旋筒的复合耗能阻尼器的上端板1在上钢环3-1的外周开设有若干圆弧螺栓孔9，圆弧螺栓孔9所在圆与上钢环3-1同轴，圆弧螺栓孔9所在圆弧对应的圆心角为30°，上端板1通过螺栓与安装腔16的顶部连接。框架柱柱脚中预埋件在设计时就已确定并在施工时预埋。本发明所述的阻尼器的尺寸根据阻尼器安装腔的大小确定。本发明的复合耗能阻尼器主要耗能部位在地震发生后，首先产生塑性变形耗能，保证结构自身不受破坏，震后即可对阻尼器或部分破坏部件进行拆卸和更换。

上端板1与柱脚预埋件中的竖向螺栓孔通过高强螺栓连接，螺栓连接时注意应满足竖向强度，同时保证螺栓可以在圆弧螺栓孔9中滑动。下端板2和柱脚预埋件通过竖向普通螺栓孔中的高强螺栓连接。

柱脚15易破坏的区域设置本发明的阻尼器，引导地震能量集中于本发明的阻尼器上，能够有效保护主体结构，震后对阻尼器进行更换，从而可以快速恢复结构的功能。该阻尼器耐久性好、易安装更换，耗能效果更明显、对建筑功能和外观影响较小的特点。

本发明的阻尼器的耗能功能是这样实现的：当阻尼器受压时，螺旋筒自身“扭转”压缩耗能，同时与内部的圆柱杆10向下运动，圆柱杆10带动整个上圆柱空腔筒体4通过下圆形薄钢板11-2向下挤压下圆柱空腔筒体5中的弹簧8实现弹簧压缩耗能，同时圆柱杆10带动上圆形薄钢板11-1向下挤压其下部球形耗能颗粒群7，球形耗能颗粒群7通过相互挤压摩擦耗能。当阻尼器受拉时，主要是螺旋筒竖向拉伸耗能，同时圆柱杆10带动上圆形薄钢板11-1向上挤压其上部球形耗能颗粒群7，球形耗能颗粒群7通过相互挤压摩擦耗能。该阻尼器更好实现扭转、摩擦组合耗能，耗能效果更好。

总上所述，本发明具有如下显著的优点：

(1)本发明的上端板设有若干个30°圆弧螺栓孔，下端板设有若干个螺栓孔，与外部结构采用螺栓连接，连接稳定，且在地震作用后可以有效快速更换，达到连接更换简易的目的。

(2)进一步说，本发明提供的可更换的带螺旋筒的复合耗能阻尼器，将其放置于框架柱柱脚处即塑性区域，震后对内阻尼器的更换，大大提高了建筑物震后恢复使用柱脚的能力，其经济性和实用性更强。

(3)本发明的耗能部分主要由三部分组成，第一部分为螺旋筒耗能，第二部分为筒体内球形颗粒相互挤压摩擦耗能，第三部分为弹簧压缩耗能。本发明可利用螺旋筒，球形耗能颗粒及弹簧组合耗能使其在竖直方向有良好的耗能能力。

Claims (10)

1.一种带有螺旋筒的复合耗能阻尼器，其特征在于，包括上端板(1)、下端板(2)、螺旋筒(3)和内置减震单元，螺旋筒(3)包括上钢环(3-1)和下钢环(3-2)，上钢环(3-1)和下钢环(3-2)之间沿圆周方向均匀分布有若干螺旋钢片(3-3)，螺旋钢片(3-3)的上下两端分别与上钢环(3-1)和下钢环(3-2)连接；上钢环(3-1)与上端板(1)固定连接，下钢环(3-2)与下端板(2)固定连接；内置减震单元包括上圆柱空腔筒体(4)、下圆柱空腔筒体(5)和圆柱杆(10)，下圆柱空腔筒体(5)固定于下端板(2)并处于下钢环(3-2)内圈，下圆柱空腔筒体(5)与下钢环(3-2)同轴；下圆柱空腔筒体(5)上端具有开口，内腔底部设有弹簧(8)，上圆柱空腔筒体(4)的下端从下圆柱空腔筒体(5)上端的开口伸入下圆柱空腔筒体(5)的内腔并与弹簧(8)上端连接；上圆柱空腔筒体(4)的上端具有开口，圆柱杆(10)的下端从该开口伸入上圆柱空腔筒体(4)的内腔，圆柱杆(10)的下端固定连接有上圆形薄钢板(11-1)，上圆形薄钢板(11-1)将上圆柱空腔筒体(4)的内腔分隔为上下两个腔室，上下两个腔室中均填充有球形耗能颗粒群(7)；圆柱杆(10)的上端与上端板(1)固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种带有螺旋筒的复合耗能阻尼器，其特征在于，螺旋钢片(3-3)所在的螺旋线的轴线与上钢环(3-1)以及下钢环(3-2)的轴线同轴。

3.根据权利要求2所述的一种带有螺旋筒的复合耗能阻尼器，其特征在于，螺旋钢片(3-3)的高度小于螺旋钢片(3-3)所在螺旋线的螺距。

4.根据权利要求1所述的一种带有螺旋筒的复合耗能阻尼器，其特征在于，上钢环(3-1)上连接有连接件，连接件包括球头细杆(6-1)、短圆柱环(6-3)和薄圆环钢板(6-4)，球头细杆(6-1)包括细杆设置于细杆一端的球头，短圆柱环(6-3)从端面向内开设有若干个沿短圆柱环(6-3)周向均匀分布的用于嵌入球头的凹槽(6-2)，短圆柱环(6-3)的外侧壁在与每个凹槽相对应的位置分别开设有与凹槽相通的侧向开口，球头细杆(6-1)的球头设置于所述凹槽内，球头细杆(6-1)的细杆从所述侧向开口伸出并与上钢环(3-1)内侧壁固定连接；薄圆环钢板(6-4)与短圆柱环(6-3)的端面固定连接，圆柱杆(10)的上端贯穿短圆柱环(6-3)并与短圆柱环(6-3)之间间隙配合。

5.根据权利要求1所述的一种带有螺旋筒的复合耗能阻尼器，其特征在于，上圆柱空腔筒体(4)的下端固定连接有下圆形薄钢板(11-2)，下圆形薄钢板(11-2)将下圆柱空腔筒体(5)的内腔分隔为上下两个腔室，弹簧(8)设置于下部的腔室内。

6.根据权利要求5所述的一种带有螺旋筒的复合耗能阻尼器，其特征在于，螺旋钢片(3-3)与上钢环(3-1)之间焊接，螺旋钢片(3-3)与下钢环(3-2)之间焊接，上钢环(3-1)与上端板(1)之间焊接，下钢环(3-2)与下端板(2)之间焊接，上圆柱空腔筒体(4)下端与下圆形薄钢板(11-2)焊接，下圆柱空腔筒体(5)与下端板(2)焊接，圆柱杆(10)的下端与上圆形薄钢板(11-1)焊接，圆柱杆(10)的上端与上端板(1)焊接。

7.根据权利要求1所述的一种带有螺旋筒的复合耗能阻尼器，其特征在于，上圆形薄钢板(11-1)的上下表面分别设有上橡胶垫(12-1)和下橡胶垫(12-2)，上圆柱空腔筒体(4)的内壁面设有第一缓冲材料层13。

8.根据权利要求1所述的一种带有螺旋筒的复合耗能阻尼器，其特征在于，上圆柱空腔筒体(4)与下圆柱空腔筒体(5)上端的开口之间间隙配合；圆柱杆(10)与上圆柱空腔筒体(4)上端的开口之间间隙配合。

9.根据权利要求1所述的一种带有螺旋筒的复合耗能阻尼器，其特征在于，球形耗能颗粒群(7)中包括金属球和橡胶颗粒，金属球和橡胶颗粒的直径均不大于10mm。

10.一种柱脚抗震结构，其特征在于，包括开设于柱脚(15)塑性应变集中区域的安装腔(16)以及安装于安装腔(16)中的如权利要求1所述的带有螺旋筒的复合耗能阻尼器，带有螺旋筒的复合耗能阻尼器的下端板(2)在下钢环(3-2)外周开设有若干螺栓孔，下端板(2)通过螺栓与安装腔(16)的底部固定连接；带有螺旋筒的复合耗能阻尼器的上端板(1)在上钢环(3-1)的外周开设有若干圆弧螺栓孔(9)，圆弧螺栓孔(9)所在圆与上钢环(3-1)同轴，上端板(1)通过螺栓与安装腔(16)的顶部连接。