CN113494143B - 波纹钢板墙-转动铅阻尼器双功能复合减震装置及其双阶段抗震控制方法 - Google Patents

波纹钢板墙-转动铅阻尼器双功能复合减震装置及其双阶段抗震控制方法 Download PDF

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Abstract

波纹钢板墙‑转动铅阻尼器双功能复合减震装置及其双阶段抗震控制方法，本申请涉及建筑工程技术的耗能减震领域。减震装置，包括无屈曲波纹钢板(1)，边缘构件(2)，转动铅剪切阻尼器(3)，连接端板(4)、高强螺栓(5)，其中：所述边缘构件(2)与主体结构断开，等。转动铅剪切阻尼器3与无屈曲波纹钢板1可协同工作，实现双阶段抗震，第一阶段采用屈服位移较小的铅阻尼器3在小震下为结构提供附加阻尼力，抵消由于波纹钢板墙1提供的额外刚度增大的结构动力响应，并进一步减小结构在小震下的动力响应；第二阶段，在大震下铅阻尼器与波纹钢板墙屈服耗能减震。

Description

波纹钢板墙-转动铅阻尼器双功能复合减震装置及其双阶段 抗震控制方法
技术领域
本申请涉及建筑工程技术的耗能减震领域。
背景技术
波纹钢板墙是一种非常有效的消能减震构件，能在中等和罕遇地震下屈服耗能。最接近现有技术：
李国强、孙飞飞、金华建等于2017年6月6日申请提交的“无屈曲波形结构耗能构件及其设计方法”(中国申请申请号201710425071.X)。
李国强、孙飞飞、金华建等于2017年6月6日申请提交的“抗震保温隔声一体化墙”(中国申请申请号201710552568.8)。
以上充分利用波型的面外刚度大优点，保证构件性能优越，经济性好，加工方便，具有广泛的应用前景。但是，该类波纹钢板墙虽是一种非常有效的消能减震构件，其特性为：在小震下保持弹性，为结构只提供刚度和承载力，中、大震下屈服消能，减小了结构所受地震作用，且提供一定的屈服后刚度。其应用时，波纹钢板墙目前仍存在两方面问题：
问题一：小震下，由于波纹钢板墙提高了结构的刚度，同时也提高了输入结构的地震作用，在接近场地特征周期时，波纹钢板墙提高结构刚度引起的结构楼层层间位移减小量，有可能会小于因结构刚度提高地震作用增大引起的结构楼层层间位移增大量。应对此类问题，现有技术中可以通过增大主体结构截面以满足小震情况下弹性设计要求，显然，这类方案经济性能很差，不具有推广意义。
问题二：如图1所示波纹钢板墙的受力机理：在地震作用下，中间波纹钢板(1)主要受剪力，两侧边缘构件(2)为平衡无屈曲波纹钢板(1)的倾覆弯矩，主要受竖向轴力，而在图1所示边缘构件(2)的外侧翼缘(2-2)必将受竖向力最大。由此导致的问题是：地震作用是往复两个方向循环的，大震下，波纹钢板墙边缘构件外侧翼缘(2-2)也往复“一会受拉”、“一会受压”，且应力幅最大，因此，外侧翼缘(2-2)会发生疲劳破坏，继而导致波纹钢板无法正常工作，影响了波纹钢板的广泛推广。
发明内容
本申请的目的在于克服现有技术的不足，提供一种波纹钢板墙-转动铅阻尼器双功能复合减震装置，该装置安装在框架结构的上下梁之间，利用地震时引发结构楼层的层间位移引起波纹钢板的剪切塑性变形，从而提供阻尼力。
该装置可以实现双阶段减震控制，在小震下转动铅阻尼器先屈服耗能减震，波纹钢板墙保持弹性为结构提供刚度；在中震或大震下铅阻尼器与波纹钢板墙共同屈服耗能减震；
也实现了易于更换的装配式，易于安装施工和运输。
技术方案
一种波纹钢板——转动铅阻尼器双功能复合减震装置，其特征在于：包括无屈曲波纹钢板(1)，边缘构件(2)，转动铅剪切阻尼器(3)，连接端板(4)、高强螺栓(5)，其中：
所述无屈曲波纹钢板是钢板弯折出梯形波纹，为核心部件；
所述边缘构件(2)与主体结构断开，边缘构件(2)布置在无屈曲波纹钢板(1)左右两侧；
所述连接端板(4)布置在无屈曲波纹钢板和边缘构件(2)上下两侧；
所述无屈曲波纹钢板(1)与边缘构件(2)焊接，与边缘构件(2)共同焊接在连接端板(4)上；
所述高强螺栓(5)与转动铅剪切阻尼器(3)相连，无屈曲波纹钢板(1)倾覆弯矩引起的轴力经由高强螺栓(5)、转动铅剪切阻尼器(3)传递到边缘构件(2)上，期间转动铅剪切阻尼器(3)转动剪切变形，所述高强螺栓(5)承受无屈曲波纹钢板(1)倾覆弯矩引起的轴力；
所述转动铅剪切阻尼器(3)放置在无屈曲波纹钢板(1)的四角，其一侧连接板与边缘构件(2)的外侧翼缘(2-2)螺栓连接，另一侧与连接端板(4)螺栓连接，从而形成双功能复合减震装置；转动铅剪切阻尼器(3)放在角部，通过转动变形剪切铅块。
一种波纹钢板——转动铅阻尼器双功能复合减震装置双阶屈服减震控制方法，其特征在于，转动铅剪切阻尼器3与无屈曲波纹钢板1可协同工作，实现双阶段抗震，
第一阶段采用屈服位移较小的转动铅剪切阻尼器3在小震下为结构提供附加阻尼力，抵消由于无屈曲波纹钢板1提供的额外刚度增大的结构动力响应，并进一步减小结构在小震下的动力响应；
第二阶段，在大震下铅阻尼器与波纹钢板墙屈服耗能减震。
本申请有以下特点：
(1)可实现双阶段控制。该装置根据不同结构不同工况进行，不同参数的设计，来控制各个阶段的起始点。
(2)采用铅阻尼器作为第一阶段的抗震元件，金属铅的结晶在变形后可以恢复，不会出现金属的疲劳效应，耐久性高。
(3)波纹钢板墙易于震后更换，易于安装，转动铅阻尼器也易于更换与安装。震后损坏的波纹钢板墙可以快速更换。
(4)加工简单，成本较低，易于安装，易于更换。
附图说明
图1为现有技术波纹钢板墙减震装置结构示意图。
图2为本申请实施例提供的一种波纹钢板墙—转动铅阻尼器双功能复合减震装置的正视图。
图3为本申请实施例提供的一种波纹钢板墙—转动铅阻尼器双功能复合减震装置的1-1剖面图。
图4a为本申请实施例提供的转动铅阻尼器正视图。
图4b为本申请实施例提供的转动铅阻尼器侧视图。
图5为本申请安装于上下梁之间示意图。
图6为实施例复合构件双阶屈服减震机理示意图。
具体实施方式
以下将通过具体实施例来对本申请提供的波纹钢板铅复合双功能构件进行详细说明。
实施例1
本申请技术方案思路：通过削弱边缘构件的角部，同时设置高强螺栓辅以承担上部结构传来的轴力，并在四角设置本申请专门设计的转动型铅阻尼器满足小震下的体系弹性设计要求。
为了实现上述目标，本申请提供了如下技术方案：
一种波纹钢板——转动铅阻尼器双功能复合减震装置，其特征在于：包括无屈曲波纹钢板(1)，边缘构件(2)，转动铅剪切阻尼器(3)，连接端板(4)、高强螺栓(5)，如图2、图3所示其中：
波纹钢板是一块波纹钢板，钢板弯折出梯形波纹，为核心部件，该核心部件本身为现有技术。
所述边缘构件(2)与主体结构断开，边缘构件(2)布置在无屈曲波纹钢板(1)左右两侧，连接端板(4)布置在波纹钢板和边缘构件(2)上下两侧。
所述无屈曲波纹钢板(1)与边缘构件(2)焊接，然后与边缘构件(2)共同焊接在连接端板(4)上。
所述高强螺栓(5)与转动铅剪切阻尼器(3)相连，无屈曲波纹钢板(1)倾覆弯矩引起的轴力经由高强螺栓(5)、转动铅剪切阻尼器(3)传递到边缘构件(2)上，期间转动铅剪切阻尼器(3)转动剪切变形，所述高强螺栓(5)承受无屈曲波纹钢板(1)倾覆弯矩引起的轴力。
所述转动铅剪切阻尼器(3)放置在无屈曲波纹钢板(1)的四角，其一侧连接板与边缘构件(2)的外侧翼缘(2-2)螺栓连接，另一侧与连接端板(4)螺栓连接，从而形成双功能复合减震装置。转动铅剪切阻尼器(3)放在角部，通过转动变形剪切铅块，在小震下就可以为结构耗散地震能量，减小结构所受地震作用，并可实现双阶屈服减震。
进一步公开本申请设计的转动铅剪切阻尼器(3)，如图4a\b：所述的转动铅剪切阻尼器(3)由连接板(31)，外钢板(32)，铅块(33),内钢板(34)组成。连接板(31)预开螺栓孔与外钢板(32)、内钢板(34)焊接。外钢板(32)、内钢板(34)为1/4空心圆钢板。铅块(33)为1/4空心圆板件，分别焊接在内钢板(34)，两侧。外钢板(32)内侧与分别与位于内钢板(34)两侧的铅块(33)焊接。
安装后：边缘构件布置在波纹钢板左右两侧，上下分别焊接有连接端板。波纹钢板四周焊接在由边缘构件和连接端板围成的框架之内，形成波纹钢板墙。转动铅阻尼器放置在波纹钢板墙的四角，其连接板板分别与波纹钢板墙的边缘构件的翼缘和连接端板栓接。
作为实施例，具体实施时：
所述的波纹钢板(1)是一块波纹钢板，钢板弯曲出梯形波纹。波纹钢板波型为无屈曲波型，可保证波纹钢板在墙高(墙体上连接端板到下连接端板的垂直距离)的1/50水平剪切变形下不发生面外屈曲。所述的边缘构件(2)为工字型钢，腹板上开有弧形孔洞，并焊接有圆弧加劲肋，翼缘预开螺栓孔用于与转动铅剪切阻尼器(3)栓接。连接端板预开螺栓孔用于与上下梁(6)固定。所述的连接端板(4)预开螺栓孔用于与上下连梁固定，并预开螺栓孔用于与转动铅剪切阻尼器(3)端板栓接。
该装置安装在框架结构的上下梁(6)之间，利用地震时引发结构楼层的层间位移引起波纹钢板的剪切塑性变形，同时引发铅阻尼器的转角变形，从而提供阻尼力。该装置可以实现双阶段减震，在小震下铅阻尼器先屈服耗能减震，波纹钢板墙保持弹性为结构提供刚度。在中震或大震下铅阻尼器与波纹钢板墙共同屈服耗能减震。
以上技术方案，该装置可实现双阶屈服减震，小震下转动铅剪切阻尼器3先屈服耗能减震，波纹钢板墙1保持弹性，只提供弹性抗侧刚度；在中、大震下波纹钢板墙1也进入屈服，并与转动铅剪切阻尼器3共同屈服耗能减震。该装置构造简单，空间节约，安装方便，且易于震后更换。
实施例2
基于上述实施例1结构技术方案，本申请的转动铅剪切阻尼器3与无屈曲波纹钢板1可协同工作，实现双阶屈服减震控制。
双阶段抗震，第一阶段采用屈服位移较小的转动铅剪切阻尼器3在小震下为结构提供附加阻尼力，抵消由于波纹钢板墙1提供的额外刚度增大的结构动力响应，并进一步减小结构在小震下的动力响应。
第二阶段，在大震下铅阻尼器与波纹钢板墙屈服耗能减震。
为了实现转动铅剪切阻尼器3和波纹钢板墙1的两阶段工作，首先根据转动铅剪切阻尼器3和波纹钢板墙1的设计方法确定各自的材料参数和装置尺寸；然后，根据结构的两阶段抗震需求确定转动铅剪切阻尼器3与波纹钢板墙1的转动刚度比和屈服承载力比来控制转动铅阻尼器复合双功能构件的屈服转角比。如图6所示，具体机理如下：
(1)根据转动铅剪切阻尼器的剪切面积、厚度几何参数，确定其屈服承载力Fsy、屈服位移ds，α为屈服后刚度比；该确定关系在本领域已属于常规技术。
(2)根据无屈曲波纹钢板的材料、几何尺寸，确定其屈服承载力Fby、屈服位移db；该确定关系在本领域已属于常规技术。
(3)得到复合构件的双阶屈服参数；
(4)根据结构在小震下和中大震下的实际的消能需求和刚度需求，确定所需的承载力比Fsy/Fby和和屈服位移比ds/db取值范围，并使得小震下结构的楼层间位移d1满足db>d1>ds，中震或大震下结构的楼层间屈服位移d2满足d2>db；该确定关系在本领域已属于常规技术。
(5)调整转动铅剪切阻尼器和无屈曲波纹钢板的力学性能参数，并满足上述承载力比和屈服位移比取值范围。

Claims (4)

1.一种波纹钢板墙—转动铅阻尼器双功能复合减震装置，其特征在于：包括无屈曲波纹钢板(1)，边缘构件(2)，转动铅剪切阻尼器(3)，连接端板(4)、高强螺栓(5)，其中：
所述无屈曲波纹钢板由钢板弯折出梯形波纹，为核心部件；
所述边缘构件(2)与主体结构断开，边缘构件(2)布置在无屈曲波纹钢板(1)左右两侧；
所述连接端板(4)布置在无屈曲波纹钢板和边缘构件(2)上下两侧；所述的连接端板(4)预开螺栓孔用于与上下连梁固定；
所述无屈曲波纹钢板(1)与边缘构件(2)焊接，与边缘构件(2)共同焊接在连接端板(4)上；
所述高强螺栓(5)与转动铅剪切阻尼器(3)相连，无屈曲波纹钢板(1)倾覆弯矩引起的轴力经由高强螺栓(5)、转动铅剪切阻尼器(3)传递到边缘构件(2)上，期间转动铅剪切阻尼器(3)转动产生剪切变形，所述高强螺栓(5)承受无屈曲波纹钢板(1)倾覆弯矩引起的轴力；无屈曲波纹钢板四周焊接在由边缘构件和连接端板围成的框架之内，形成波纹钢板墙；
所述的转动铅剪切阻尼器(3)由连接板(31)，外钢板(32)，铅块(33),内钢板(34)组成；连接板(31)预开螺栓孔与外钢板(32)、内钢板(34)焊接；外钢板(32)、内钢板(34)为1/4空心圆钢板；铅块(33)为1/4空心圆板件，分别焊接在内钢板(34)两侧；外钢板(32)内侧与分别位于内钢板(34)两侧的铅块(33)焊接；
所述转动铅剪切阻尼器(3)放置在波纹钢板墙的四角，其一侧连接板与边缘构件(2)的外侧翼缘(2-2)螺栓连接，另一侧与连接端板(4)螺栓连接，从而形成波纹钢板墙—转动铅阻尼器双功能复合减震装置。
2.一种波纹钢板墙—转动铅阻尼器双功能复合减震装置双阶段抗震控制方法，使用如权利要求1所述的复合减震装置，其特征在于，转动铅剪切阻尼器(3)与无屈曲波纹钢板(1)可协同工作，实现双阶段抗震，
第一阶段采用屈服位移较小的转动铅剪切阻尼器(3)在小震下为结构提供附加阻尼力，抵消由于无屈曲波纹钢板(1)提供的额外刚度增大的结构动力响应，并进一步减小结构在小震下的动力响应；
第二阶段，在大震下转动铅剪切阻尼器与波纹钢板墙共同屈服耗能减震。
3.如权利要求2所述的一种波纹钢板墙—转动铅阻尼器双功能复合减震装置双阶段抗震控制方法，其特征在于，
首先根据转动铅剪切阻尼器(3)和无屈曲波纹钢板(1)的设计方法确定各自的材料参数和装置尺寸；
然后，根据结构的两阶段抗震需求确定转动铅剪切阻尼器(3)与无屈曲波纹钢板(1)的转动刚度比和屈服承载力比来控制波纹钢板墙—转动铅阻尼器双功能复合减震装置的屈服转角比。
4.如权利要求2所述的一种波纹钢板墙—转动铅阻尼器双功能复合减震装置双阶段抗震控制方法，其特征在于，具体机理如下：
(1)根据转动铅剪切阻尼器的剪切面积、厚度几何参数，确定其屈服承载力Fsy、屈服位移ds，α为屈服后刚度比；该确定关系在本领域已属于常规技术；
(2)根据无屈曲波纹钢板的材料、几何尺寸，确定其屈服承载力Fby、屈服位移db；该确定关系在本领域已属于常规技术；
(3)得到复合构件的双阶屈服参数；
(4)根据结构在小震下和中大震下的实际的消能需求和刚度需求，确定所需的屈服承载力比Fsy/Fby和屈服位移比ds/db取值范围，并使得小震下结构的楼层间位移d1满足db>d1>ds，中震或大震下结构的楼层间屈服位移d2满足d2>db；该确定关系在本领域已属于常规技术；
(5)调整转动铅剪切阻尼器和无屈曲波纹钢板的力学性能参数，并满足上述屈服承载力比和屈服位移比的取值范围。
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