專利名稱：剪切彎曲組合型分階段屈服軟鋼阻尼器的制作方法
技術領域：
本發明涉及土木工程抗震與減震領域，尤其涉及結構被動減震控制系統中的金屬耗能阻尼器，具體的說是一種可以為建筑結構提供附加阻尼比、減少結構地震反應的剪切彎曲組合型分階段屈服軟鋼阻尼器。
背景技術：
金屬耗能阻尼器是利用金屬材料進入塑性范圍后滯回耗能。由于軟鋼、鉛、形狀記憶金屬等金屬材料具有良好的延性和滯回能力，因而被廣泛用來制造各種類型的阻尼器。從受力形式上可分為軸向屈服型、剪切屈服型、彎曲屈服型和扭轉屈服型阻尼器。目前應用較多且具有代表性的阻尼器產品有x型和三角形阻尼器、剪切型軟鋼阻尼器、扭轉梁耗能器、彎曲梁耗能器、U行鋼板耗能器、鋼棒耗能器、圓環、雙圓環耗能器、加勁圓環耗能器等。相對于油阻尼器、粘彈性阻尼器和黏滯阻尼器等其他阻尼器，金屬阻尼器有易加工、易維修更換、價格低廉、耗能能力穩定、受溫度和外界環境影響小等諸多優點，因此被廣泛應用于新建的混凝土結構、鋼結構或老舊建筑的抗震加固。目前已有的阻尼器大多耗能形式單一，無法同時滿足小震和大震時的要求。許多阻尼器只在大震下起作用，小震時則在彈性狀態，地震能量由主體結構耗散，造成了一定程度的損傷；另外一些阻尼器屈服位移較小，能夠滿足小震時就屈服耗能，大震時也有較好的延性，能夠達到大震耗能的要求，但是這類阻尼器往往附加給結構的剛度較大，進而導致地震作用的增大，這是一個惡性循環。另一方面，阻尼器小震時就進入塑性變形，未經歷大震即需全部更換，經濟性較差。而地震一般伴隨著主震、余震或群震的地震序列，而余震大多緊隨主震之后不久發生，且余震震級往往較大，延續時間長，故研發多階段耗能的阻尼器成為當務之急。

發明內容
本發明的目的是針對現有金屬耗能阻尼器普遍存在耗能水準單一的缺點，提出了一種能夠根據地震能量的大小實現不同屈服狀態的剪切彎曲組合型分階段屈服軟鋼阻尼器。本發明的目的是通過以下技術方案解決的
一種剪切彎曲組合型分階段屈服軟鋼阻尼器，包括兩塊L形側鋼板、X形軟鋼耗能鋼片、X形鋼片連接板、矩形軟鋼耗能鋼片、矩形鋼片連接板和矩形鋼片加勁板，其特征在于所述的兩塊L形側鋼板呈原點對稱設置，X形軟鋼耗能鋼片的兩端分別與兩塊平行設置的X形鋼片連接板垂直焊接相連后構成X形鋼片耗能組件；矩形軟鋼耗能鋼片的肋壁與矩形鋼片加勁板垂直焊接相連且矩形軟鋼耗能鋼片的上端和下端分別與兩塊平行設置的矩形鋼片連接板垂直焊接相連后構成矩形鋼片耗能組件；X形鋼片耗能組件和矩形鋼片耗能組件并排設置在L形側鋼板構成的腔體內并分別通過高強螺栓與L形側鋼板的豎直面固定相連。所述的X形鋼片耗能組件和矩形鋼片耗能組件沿L形側鋼板豎直面的水平方向并排設置。所述X形鋼片耗能組件兩端的X形鋼片連接板通過高強螺栓與L形側鋼板的豎直側壁固定相連。所述矩形鋼片耗能組件兩端的矩形鋼片連接板通過高強螺栓與L形側鋼板的豎直側壁固定相連。所述的X形軟鋼耗能鋼片豎直分布在兩塊X形鋼片連接板之間。所述的X形軟鋼耗能鋼片為彎曲型軟鋼耗能鋼片，矩形軟鋼耗能鋼片為剪切型軟鋼耗能鋼片；所述的X形軟鋼耗能鋼片和矩形軟鋼耗能鋼片采用屈服強度在100MPa-225MPa之間的低屈服點鋼制成。所述的L形側鋼板、X形鋼片連接板、矩形鋼片連接板和矩形鋼片加勁板采用屈服強度不低于235MPa的鋼材制成。所述的L形側鋼板的水平面通過高強螺栓與建筑結構相連。本發明相比現有技術有如下優點
本發明通過采用兩種不同形狀及耗能方式的軟鋼耗能鋼片組裝成X形鋼片耗能組件和矩形鋼片耗能組件安裝在L形側鋼板構成的腔體內，其中剪切型的矩形軟鋼耗能鋼片屈服位移小、初始剛度大、耗能能力強，而彎曲型的X形軟鋼耗能鋼片的屈服位移較大、初始剛度小、極限位移大；使得小風或小震時，矩形軟鋼耗能鋼片經歷很小的位移即進入塑性耗能，而X形軟鋼耗能鋼片則處于彈性狀態，大風大震時，X形軟鋼耗能鋼片開始屈服，與剪切型的矩形軟鋼耗能鋼片共同耗能，從而實現阻尼器的分階段屈服耗能的效果，并且X形軟鋼耗能鋼片極限位移大的特點使得阻尼器具有更強的安全儲備。本發明有效解決了傳統剪切或彎曲型阻尼器減震水準單一的缺點，而且結構簡單、制造成本低、易于安裝更換、空間占有率小、對建筑的功能和外觀影響較小，并具有耗能能力強、分階段耗能效果好、耐久性好的特點。本發明在實際工程設計中，可以通過調整兩種軟鋼耗能鋼片的數量、比例、幾何尺寸、材料以及側板的尺寸等參數制作出不同初始剛度、初始屈服位移、第二屈服位移和耗能能力等力學性能參數的阻尼器。


附圖I為本發明的阻尼器立體結構示意 附圖2為本發明的阻尼器內部布置示意 附圖3為本發明的X形鋼片耗能組件結構示意 附圖4為本發明的矩形鋼片耗能組件結構示意 附圖5為本發明的阻尼器安裝結構平面示意 附圖6為本發明的阻尼器進行基本性能荷載試驗后得到的滯回曲線 附圖7為本發明的阻尼器的基本性能數值模擬與荷載試驗滯回曲線對比 附圖8為本發明的阻尼器進行疲勞性能荷載試驗后得到的滯回曲線 附圖9為本發明的阻尼器在建筑結構中采用中間柱型安裝的示意 附圖10為本發明的阻尼器在建筑結構中采用支撐型安裝的示意圖。其中I一L形側鋼板；2—X形軟鋼耗能鋼片；3—X形鋼片連接板；4一矩形軟鋼耗能鋼片；5—矩形鋼片連接板；6—矩形鋼片加勁板；7 — X形鋼片耗能組件；8—矩形鋼片耗能組件。
具體實施例方式如圖1-5所示一種剪切彎曲組合型分階段屈服軟鋼阻尼器，包括兩塊L形側鋼板
I、X形軟鋼耗能鋼片2、X形鋼片連接板3、矩形軟鋼耗能鋼片4、矩形鋼片連接板5和矩形鋼片加勁板6，其中兩塊L形側鋼板I呈原點對稱設置構成一個框架結構，X形軟鋼耗能鋼片2的兩端分別與兩塊平行設置的X形鋼片連接板3垂直焊接相連，X形軟鋼耗能鋼片2豎直分布在兩塊X形鋼片連接板3之間且多個X形軟鋼耗能鋼片2和兩塊X形鋼片連接板3構成一個X形鋼片耗能組件7 ;矩形軟鋼耗能鋼片4的肋壁與矩形鋼片加勁板6垂直焊接相連且矩形軟鋼耗能鋼片4的上端和下端分別與兩塊平行設置的矩形鋼片連接板5垂直焊 接相連后構成矩形鋼片耗能組件8，其中通常采用一個矩形軟鋼耗能鋼片4、兩塊矩形鋼片加勁板6和兩塊矩形鋼片連接板5構成一個矩形鋼片耗能組件8，但亦可使用一個矩形軟鋼耗能鋼片4、一塊矩形鋼片加勁板6和兩塊矩形鋼片連接板5構成一個矩形鋼片耗能組件8 ；X形鋼片耗能組件7和矩形鋼片耗能組件8沿L形側鋼板I豎直面的水平方向并排設置在L形側鋼板I構成的腔體內并分別通過高強螺栓與L形側鋼板I的豎直面固定相連，即X形鋼片耗能組件7兩端的X形鋼片連接板3通過高強螺栓與L形側鋼板I的豎直側壁固定相連，矩形鋼片耗能組件8兩端的矩形鋼片連接板5通過高強螺栓與L形側鋼板I的豎直側壁固定相連，其中X形鋼片耗能組件7和矩形鋼片耗能組件8的數量可根據實際工程設計需要選用山形側鋼板I的水平面通過高強螺栓與建筑結構相連。本發明的剪切彎曲組合型分階段屈服軟鋼阻尼器屬于位移型阻尼器，是依靠軟鋼材料在外力作用下屈服進入塑性狀態不斷吸收能量。為了保證阻尼器能夠盡早的進入工作狀態，更大程度地保護主體結構，耗能材料的屈服強度不宜過高，并且為保證阻尼器在較大位移的情況下仍能夠正常工作，不至于發生延性破壞或低周疲勞破壞，要求耗能材料要有較大的延性，所以X形軟鋼耗能鋼片2和矩形軟鋼耗能鋼片4均采用屈服強度在100MPa-225MPa之間的低屈服點軟鋼材料制成，其幾何尺寸應根據實際減震方案中的結構尺寸和耗能要求確定。同時阻尼器中的X形軟鋼耗能鋼片2采用彎曲型軟鋼耗能鋼片，以在鋼片的平面外往復的彎曲變形形式來消耗能量；矩形軟鋼耗能鋼片4采用剪切耗能型鋼片，以在鋼片的平面內往復剪切運動來消耗能量。兩種耗能鋼片在往復運動情況下，都會受到鋼片豎向的力和彎矩，豎向高度發生變化，這會大大削弱鋼片的耗能能力；其中矩形鋼片加勁板6要保護矩形軟鋼耗能鋼片4在豎向應變上的一致性，否則矩形軟鋼耗能鋼片4在大位移時，兩端部會出現應力集中，大大不利于耗能。另外為保證L形側鋼板1、X形鋼片連接板3、矩形鋼片連接板5和矩形鋼片加勁板6在大震下保持穩定，因此都采用屈服強度不低于235MPa的鋼材制成，并具有一定的厚度。在實際工程設計中，可以通過調整兩種軟鋼耗能鋼片的數量、比例、幾何尺寸、材料以及側板的尺寸等參數制作出不同初始剛度、初始屈服位移、第二屈服位移和耗能能力等力學性能參數的阻尼器。下面通過基本性能試驗和疲勞性能試驗得出該阻尼器的力與位移關系的滯回曲線以及疲勞位移歷程，確定其疲勞壽命。試驗采用十六塊X形軟鋼耗能鋼片2和一塊矩形軟鋼耗能鋼片4，兩種鋼片皆采用日本進口的高性能低屈服點軟鋼JIS LY225制作；其它構件采用Q235鋼制作，其中每四塊X形軟鋼耗能鋼片2和二塊X形鋼片連接板3組成一個X形鋼片耗能組件7，每個矩形鋼片耗能組件8由一塊矩形軟鋼耗能鋼片4、兩塊矩形鋼片連接板5和兩塊矩形鋼片加勁板6構成，然后四個X形鋼片耗能組件7和一個矩形鋼片耗能組件8與兩塊L形側鋼板I通過螺栓固定連接構成一本發明所闡述的剪切彎曲組合型分階段屈服軟鋼阻尼器。其中各部件的尺寸如表I所示。
表I阻尼器各部件尺寸(單位mm)
權利要求
1.一種剪切彎曲組合型分階段屈服軟鋼阻尼器，包括兩塊L形側鋼板(1)、X形軟鋼耗能鋼片(2)、X形鋼片連接板(3)、矩形軟鋼耗能鋼片(4)、矩形鋼片連接板(5)和矩形鋼片加勁板(6)，其特征在于所述的兩塊L形側鋼板(I)呈原點對稱設置，X形軟鋼耗能鋼片(2)的兩端分別與兩塊平行設置的X形鋼片連接板(3)垂直焊接相連后構成X形鋼片耗能組件(7);矩形軟鋼耗能鋼片(4)的肋壁與矩形鋼片加勁板(6)垂直焊接相連且矩形軟鋼耗能鋼片(4)的上端和下端分別與兩塊平行設置的矩形鋼片連接板(5)垂直焊接相連后構成矩形鋼片耗能組件(8) ；X形鋼片耗能組件(7)和矩形鋼片耗能組件(8)并排設置在L形側鋼板(I)構成的腔體內并分別通過高強螺栓與L形側鋼板(I)的豎直面固定相連。
2.根據權利要求I所述的剪切彎曲組合型分階段屈服軟鋼阻尼器，其特征在于所述的X形鋼片耗能組件(7)和矩形鋼片耗能組件(8)沿L形側鋼板(I)豎直面的水平方向并排設置。
3.根據權利要求I所述的剪切彎曲組合型分階段屈服軟鋼阻尼器，其特征在于所述X形鋼片耗能組件(7)兩端的X形鋼片連接板(3)通過高強螺栓與L形側鋼板(I)的豎直側壁固定相連。
4.根據權利要求I所述的剪切彎曲組合型分階段屈服軟鋼阻尼器，其特征在于所述矩形鋼片耗能組件(8)兩端的矩形鋼片連接板(5)通過高強螺栓與L形側鋼板(I)的豎直側壁固定相連。
5.根據權利要求I所述的剪切彎曲組合型分階段屈服軟鋼阻尼器，其特征在于所述的X形軟鋼耗能鋼片(2)豎直分布在兩塊X形鋼片連接板(3)之間。
6.根據權利要求I所述的剪切彎曲組合型分階段屈服軟鋼阻尼器，其特征在于所述的X形軟鋼耗能鋼片(2)為彎曲型軟鋼耗能鋼片，矩形軟鋼耗能鋼片(4)為剪切型軟鋼耗能鋼片；所述的X形軟鋼耗能鋼片(2)和矩形軟鋼耗能鋼片(4)采用屈服強度在100MPa-225MPa之間的低屈服點鋼制成。
7.根據權利要求I所述的剪切彎曲組合型分階段屈服軟鋼阻尼器，其特征在于所述的L形側鋼板(I)、X形鋼片連接板(3)、矩形鋼片連接板(5)和矩形鋼片加勁板(6)采用屈服強度不低于235MPa的鋼材制成。
8.根據權利要求I所述的剪切彎曲組合型分階段屈服軟鋼阻尼器，其特征在于所述的L形側鋼板(I)的水平面通過高強螺栓與建筑結構相連。
全文摘要
本發明公開了一種剪切彎曲組合型分階段屈服軟鋼阻尼器，該阻尼器包括兩塊呈原點對稱設置的L形側鋼板(1)，X形軟鋼耗能鋼片(2)的兩端分別與兩塊平行設置的X形鋼片連接板(3)垂直焊接相連后構成X形鋼片耗能組件(7)；矩形軟鋼耗能鋼片(4)的肋壁與矩形鋼片加勁板(6)垂直焊接相連且矩形軟鋼耗能鋼片(4)的上端和下端分別與兩塊平行設置的矩形鋼片連接板(5)垂直焊接相連后構成矩形鋼片耗能組件(8)；X形鋼片耗能組件(7)和矩形鋼片耗能組件(8)并排設置在L形側鋼板(1)構成的腔體內并分別通過高強螺栓與L形側鋼板(1)的豎直面固定相連。本發明的結構簡單、耗能能力強、分階段耗能效果好，適用范圍廣。
文檔編號E04B1/98GK102635176SQ201210143138
公開日2012年8月15日 申請日期2012年5月10日 優先權日2012年5月10日
發明者劉偉慶, 劉鋒, 杜東升, 王曙光 申請人:南京工業大學