CN113338688B - 一种适用于隔震层的双向双阶屈服的金属消能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于隔震层的双向双阶屈服的金属消能器，包括：第一屈服耗能段和第二屈服耗能段；所述第一屈服耗能段由四组U形耗能单元正交布置而成，用于吸收两个方向输入的地震能量；所述第二屈服耗能段由两组剪切屈服耗能钢板正交布置而成，并在上下两端设置端板提供端部约束。本发明具有匹配隔震层大震位移的变形能力，在隔震层较大位移下仍能保持正常的耗能减震工作状态；同时具有双阶屈服耗能的特点，随着地震作用的增加，该金属消能器的出力可分阶段提升，保证该金属消能器在不同震级下均具有优良的耗能减震效果。

Description

一种适用于隔震层的双向双阶屈服的金属消能器

技术领域

本发明涉及建筑隔震结构技术领域，尤其是涉及一种适用于隔震层的双向双阶屈服的金属消能器，也可称之为一种可应于隔震层的具有双阶屈服点的履带式金属阻尼器。

背景技术

隔震结构体系是指在建筑物上部结构的底部与基础面之间设置某种隔震装置，使之与固结于地基中的基础地面分离开来的一种结构体系。隔震***的隔震层采用隔震支座等装置，其水平刚度远远低于上部结构的抗侧刚度，因此，结构的自振周期大大延长，避开地震动的卓越周期，使结构的地震加速度反应大大减小，变形主要集中消耗在隔震层，输入到结构的地震能量主要被隔震层消耗，而上部结构相对变形非常小，由此实现隔离上部建筑结构震害的目标。由于隔震结构的变形主要集中于隔震层，在隔震层布置阻尼器减震装置，可以极大的提升阻尼器的耗能减震效率。同时，通过隔震层阻尼器在地震时的滞回耗能，可以有效加大隔震层的阻尼，消耗地震输入能量，能够很好的抑制隔震层位移和减小上部结构的加速度，进一步减小上部结构的地震反应。

目前应用于建筑结构领域的减震装置可大致分为速度型阻尼器和位移型阻尼器。速度型阻尼器的阻尼力与阻尼器两端的相对速度的指数成正比，相对速度越大，为结构提供的阻尼力越大，同时具有在微小位移时即可发挥耗能减震作用的特点。位移型阻尼器的耗能减震效果与阻尼器两端的相对位移有关，一般来说，在阻尼力一定的情况下，阻尼器的相对位移越大，其耗能效果越好。

现阶段，应用于隔震层的减震装置主要为以黏滞阻尼器为代表的速度型阻尼器，在隔震层中采用位移型阻尼器的应用相对较少。布置于隔震层的黏滞阻尼器在小震下即可发挥耗能减震作用，可以为结构体提供较高的附加阻尼比，但是随着震级的增加，黏滞阻尼器为结构附加的阻尼比降低，即耗能效果逐渐降低。传统的位移型阻尼器，如屈曲约束支成撑等由于阻尼器的刚度较大，布置于隔震层时将显著地加大隔震层的刚度，降低上部结构的隔震效果，因此在隔震结构中不被广泛使用。对于传统的应用于隔震层的位移型阻尼器，由于其刚度不能过大，故而阻尼器能够提供的阻尼力无法达到较大的吨位，其耗能减震效果有限。另一方面，由于隔震层的位移较大，突破了传统位移型阻尼器的极限位移，造成在隔震层采用传统位移型阻尼器时产品参数的设计困难。

传统的金属阻尼器主要有以下缺点：

(1)、首先，金属阻尼器受金属材料特性的限制，即由于金属材料的极限应变不会很大(如建筑结构领域常用的钢材，其材料的屈服应变一般为0.002左右，对应材料的极限应变多在0.05～0.1的范围)。采用金属型阻尼器进行减震设计时，阻尼器两端的最大变形不会很大，通常在5～10cm的范围。而隔震建筑在罕遇地震作用下，隔震层的最大位移通常可达到500～800cm。因此，采用传统的金属阻尼器，不能与隔震建筑隔震层的大位移特性相匹配，也就无法将之应用于隔震层这种具有大变形位置，对结构进行耗能减震设计。

(2)、更进一步地，传统的金属阻尼器的屈服耗能段通常只有一段，即传统的金属阻尼器只可在某一特定震级下发挥耗能功能。也就是说，传统的金属阻尼器在进行减震设计时，只可选择在某一特定的地震作用下发挥耗能减震作用。比如说，传统的金属阻尼器若选择在小震阶段开始屈服耗能，则其对应的初始屈服力较小，在中、大震作用下其耗能减震效果较差，同时还有断裂失效的危险；传统的金属阻尼器若选择在大震下屈服耗能，则其屈服力将会设计的较高，以保证阻尼器在小震和中震作用下不至于屈服，由此阻尼器在小震和中震作用下仅为结构提供附加刚度，造成结构刚度加大，可能造成加大结构在小震和中震时的地震作用，对结构造成不利影响。

(3)、除此之外，当遭遇超过设计水准的地震作用时，如传统金属阻尼器在极罕遇地震下，金属阻尼器极有可能发生断裂。而在结构遭受极罕遇地震作用这种情况下，主体结构构件已经大幅度进入塑性损伤的破坏状态，此时阻尼器的断裂是突然性发生的，将造成整体结构的刚度突变，近而导致建筑结构坍塌。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于隔震层的双向双阶屈服的金属消能器，以解决现有技术中存在的技术问题。该金属消能器具有匹配隔震层大震位移的变形能力，在隔震层较大位移下仍能保持正常的耗能减震工作状态；同时具有双阶屈服耗能的特点，随着地震作用的增加，该金属消能器的出力可分阶段提升，保证该金属消能器在不同震级下均具有优良的耗能减震效果。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种适用于隔震层的双向双阶屈服的金属消能器，其包括：第一屈服耗能段和第二屈服耗能段；所述第一屈服耗能段由四组U形耗能单元正交布置而成，用于吸收两个方向输入的地震能量；所述第二屈服耗能段由两组剪切屈服耗能钢板正交布置而成，并在上下两端设置端板提供端部约束。

优选地，该金属消能器还包括：上部锚栓、定位法兰、限位键、限位环和下部锚栓；

所述第一屈服耗能段的上部与所述定位法兰连接；

所述第一屈服耗能段的下部与所述限位环连接；

所述第二屈服耗能段的上部与所述定位法兰连接；

所述第二屈服耗能段的下端与所述限位键连接；

所述限位键位于所述限位环的内侧；

所述上部锚栓设置于所述定位法兰上；

所述下部锚栓设置于所述限位环上。

优选地，所述U形耗能单元上部的直线段外端与所述定位法兰的外侧壁连接；所述U形耗能单元下部的直线段外端与所述限位环的外侧壁连接。

优选地，所述U形耗能单元的截面宽度自其直线段至弧线段呈由大到小的渐变设置。

优选地，所述U形耗能单元的截面厚度自其直线段至弧线段呈由大到小的渐变设置。

优选地，所述第二屈服耗能段包括：上部约束端板、下部约束端板和剪切屈服耗能钢板；所述剪切屈服耗能钢板由两组剪切屈服耗能钢板正交布置而成；所述剪切屈服耗能钢板的上端设置上部约束端板，所述上部约束端板与所述定位法兰连接；所述剪切屈服耗能钢板的下端设置下部约束端板，所述下部约束端板与所述限位键连接。

优选地，所述第二屈服耗能段的刚度和屈服力大于所述第一屈服耗能段。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明相较传统阻尼器采用双阶屈服的设计模式，且两个阶段耗能段的屈服原理不同。第一屈服耗能段利用U形软钢的弯曲变形屈服耗能机制，使U形软钢的屈服点可以随着变形流动，避免屈服点集中，保证阻尼器具有很大的变形能力，在隔震层较大变形下也不致断裂失效。第二屈服耗能段利用金属剪切变形的屈服耗能机制，保证阻尼器在第二段较小屈服位移时及可达到较大的屈服力。

(2)相较于传统阻尼器只能在某一震级下具有较好的耗能效果，在其他震级下耗能效果逐渐降低的缺点，本发明可根据地震作用的大小及结构的耗能需求，分别针对在不同震级下的耗能需求设计阻尼器的屈服力，可使阻尼器的耗能减震效果随着震级的提升而不断增加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1为本发明实施例提供的金属消能器的立体图；

图2为本发明实施例提供的金属消能器的侧视图；

图3为本发明实施例提供的金属消能器的俯视图；

图4为本发明实施例提供的金属消能器的***图；

图5为本发明实施例提供的金属消能器处于第一工作状态的示意图；

图6为本发明实施例提供的金属消能器处于第二工作状态的示意图；

图7为本发明实施例提供的金属消能器分段屈服滞回曲线图。

图标：1-上部锚栓；2-定位法兰；3-第二屈服耗能段；4-限位键；5-第一屈服耗能段；6-限位环；7-下部锚栓。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

结合图1至图6所示，本实施例提供一种适用于隔震层的双向双阶屈服的金属消能器，该金属消能器可与隔震层的上下隔震支墩相连,从而发挥耗能减震效果。值得说明的是，本实施例也可称之为一种可应于隔震层的具有双阶屈服点的履带式金属阻尼器，所以，对于术语金属消能器与金属阻尼器在本申请中可等同替换。

具体地，该金属消能器包括：第一屈服耗能段5和第二屈服耗能段3；

所述第一屈服耗能段5由四组U形耗能单元正交布置而成，用于吸收两个方向输入的地震能量；第一屈服耗能段5的U形耗能单元选择低屈服点，延性好的软钢制成。根据地震作用的大小和结构耗能需求，第一屈服阻尼器的截面大小可以选择设计相应不同大小的截面。

所述第二屈服耗能段3由两组剪切屈服耗能钢板正交布置而成，并在上下两端设置端板提供端部约束,防止钢板出现面外屈曲。第二屈服耗能段3的剪切屈服耗能钢板可选择屈服点较高的钢材制作而成。第二屈服耗能段3钢板厚度大于第一屈服耗能段5，其刚度和屈服力大于第一屈服耗能段5，因此，随着地震作用的增加，阻尼器进入第二屈服耗能段3工作状态，阻尼力变大，耗能效果进一步提升。根据地震作用的大小和结构耗能需求，第二屈服耗能段3的板件截面具体数值需要根据工程需求进行设计。

金属消能器的具体形式可根据实际需要灵活设置，以下以一具体结构进行举例说明。

优选地，该金属消能器还包括：上部锚栓1、定位法兰2、第一屈服耗能段5、第二屈服耗能段3、限位键4、限位环6和下部锚栓7；所述第一屈服耗能段5的上部与所述定位法兰2连接；所述第一屈服耗能段5的下部与所述限位环6连接；所述第二屈服耗能段3的上部与所述定位法兰2连接；所述第二屈服耗能段3的下端与所述限位键4连接；所述限位键4位于所述限位环6的内侧；所述上部锚栓1设置于所述定位法兰2上；所述下部锚栓7设置于所述限位环6上。

具体地，定位法兰2的外轮廓形状为圆形。

对应地，限位环6的形状为圆环形。

优选地，第一屈服段与定位法兰2、限位环6之间可通过焊接连接或螺栓连接的方式进行固定。

优选地，第二屈服段与定位法兰2由于材质相同，其连接方式可采用螺栓连接或者焊接连接。

进一步地，所述U形耗能单元上部的直线段外端与所述定位法兰2的外侧壁连接；所述U形耗能单元下部的直线段外端与所述限位环6的外侧壁连接。所述U形耗能单元的截面宽度自其直线段至弧线段呈由大到小的渐变设置。所述U形耗能单元的截面厚度自其直线段至弧线段呈由大到小的渐变设置。可见，为使第一屈服耗能段5及早地进入屈服耗能状态，提高其耗能减震效果，还可将第一屈服耗能段5的U形耗能单元设计成渐变的截面，即直线段的截面到弧线段的截面宽度与截面厚度可由大到小逐渐改变，使弧线段截面在地震作用下及早屈服。可以理解的是，本实施中一种较佳地实施例中，弧线段的中点位置截面宽度与截面厚度均为最小值。

优选地，所述第二屈服耗能段3包括：上部约束端板、下部约束端板和剪切屈服耗能钢板；所述剪切屈服耗能钢板由两组剪切屈服耗能钢板正交布置而成；所述剪切屈服耗能钢板的上端设置上部约束端板，所述上部约束端板与所述定位法兰2连接；所述剪切屈服耗能钢板的下端设置下部约束端板，所述下部约束端板与所述限位键4连接。

本实施例中，第一屈服耗能段5与第二屈服耗能段3之间通过设置限位键4和限位环6可以分阶段进行屈服耗能。当限位键4和限位环6之间的间隙大于0时，阻尼器处于第一工作状态，即在较小的地震作用下，阻尼器的位移未超过限位环6内环半径，阻尼器仅第一屈服耗能段5进入屈服耗能工作状态；当限位键4和限位环6之间的间隙等于0时，阻尼器处于第二工作状态，即随着地震作用的增加，在中震和大震作用下，阻尼器的位移超过了限位环6内环半径的限值，阻尼器的第一屈服耗能段5和第二屈服耗能段3均进入屈服耗能的工作状态。

第一屈服耗能段5在小震下即可屈服耗能，第二屈服耗能段3可根据结构的耗能需求，通过合理设置限位环6内环的半径大小，将第二屈服耗能段3设计成在中震或在大震作用下才开始屈服耗能，当阻尼器变形不超过限位环6内径的时，第二屈服耗能段3在第一屈服耗能段5工作时不会进入工作状态，不影响第一屈服耗能段5的工作。

如图7所示，给出了在某特定截面下，双阶屈服型履带式金属阻尼器各阶屈服耗能段典型的滞回耗能曲线。在阻尼器位移较小的情况下，第一屈服耗能段5进入屈服耗能的状态，随着阻尼器两端位移的增加，第一和第二屈服耗能段3同时进入屈服耗能状态。从阻尼器总的滞回曲线可以看到，随着阻尼器位移的增加，阻尼器的阻尼力有一个明显的提升，表明第二屈服耗能段3开始进入工作状态，阻尼器的滞回耗能曲线所包围的面积增大，即阻尼器的耗能能力随着地震作用的增加而逐渐提升。

综上，本申请具有如下优点：

(1)、本申请相较传统阻尼器采用双阶屈服的设计模式，且两个阶段耗能段的屈服原理不同。第一屈服耗能段5利用U形软钢的弯曲变形屈服耗能机制，使U形软钢的屈服点可以随着变形流动，避免屈服点集中，保证阻尼器具有很大的变形能力，在隔震层较大变形下也不致断裂失效。第二屈服耗能段3利用金属剪切变形的屈服耗能机制，保证阻尼器在第二段较小屈服位移时及可达到较大的屈服力。

(2)、相较于传统阻尼器只能在某一震级下具有较好的耗能效果，在其他震级下耗能效果逐渐降低的缺点，本发明可根据地震作用的大小及结构的耗能需求，分别针对在不同震级下的耗能需求设计阻尼器的屈服力，可使阻尼器的耗能减震效果随着震级的提升而不断增加。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种适用于隔震层的双向双阶屈服的金属消能器，其特征在于，包括：第一屈服耗能段、第二屈服耗能段、上部锚栓、定位法兰、限位键、限位环和下部锚栓；所述第一屈服耗能段由四组U形耗能单元正交布置而成，用于吸收两个方向输入的地震能量；所述第二屈服耗能段由两组剪切屈服耗能钢板正交布置而成，并在上下两端设置端板提供端部约束；

所述第一屈服耗能段的上部与所述定位法兰连接；所述第一屈服耗能段的下部与所述限位环连接；所述第二屈服耗能段的上部与所述定位法兰连接；所述第二屈服耗能段的下端与所述限位键连接；所述限位键位于所述限位环的内侧；所述上部锚栓设置于所述定位法兰上；所述下部锚栓设置于所述限位环上；

所述第二屈服耗能段包括：上部约束端板、下部约束端板和剪切屈服耗能钢板；所述剪切屈服耗能钢板由两组剪切屈服耗能钢板正交布置而成；所述剪切屈服耗能钢板的上端设置上部约束端板，所述上部约束端板与所述定位法兰连接；所述剪切屈服耗能钢板的下端设置下部约束端板，所述下部约束端板与所述限位键连接。

2.根据权利要求1所述的适用于隔震层的双向双阶屈服的金属消能器，其特征在于，所述U形耗能单元上部的直线段外端与所述定位法兰的外侧壁连接；

所述U形耗能单元下部的直线段外端与所述限位环的外侧壁连接。

3.根据权利要求2所述的适用于隔震层的双向双阶屈服的金属消能器，其特征在于，所述U形耗能单元的截面宽度自其直线段至弧线段呈由大到小的渐变设置。

4.根据权利要求3所述的适用于隔震层的双向双阶屈服的金属消能器，其特征在于，所述U形耗能单元的截面厚度自其直线段至弧线段呈由大到小的渐变设置。

5.根据权利要求1所述的适用于隔震层的双向双阶屈服的金属消能器，其特征在于，所述第二屈服耗能段的刚度和屈服力大于所述第一屈服耗能段。

Images