一种折叠式粘滞阻尼器及含有其的耗能机构

摘要

本发明涉及一种折叠式粘滞阻尼器，第一杆的一个端部与所述活塞拉杆铰接，第一杆的另外一个端部与所述第二杆的一个端部铰接，第二杆的另外一个端部与油缸连接杆铰接；第一杆的一个端部与活塞拉杆铰接的位置记为A，第二杆的另外一个端部与油缸连接杆铰接的位置称为记为B；结构连接杆一与第一杆铰接，结构连接杆二与第二杆铰接；结构连接杆一与第一杆铰接的位置记为D，结构连接杆二与第二杆铰接记为E，第一杆和第二杆铰接的位置记为C；其中，DE平行于AB。上述折叠式粘滞阻尼器，能够应用于框架结构以及结构物之间。

权利要求

1.一种折叠式粘滞阻尼器，其特征在于，包括：活塞拉杆（1-1）、活塞（1-2）、油缸（1-3）、油缸连接杆（1-4）、第一杆（3-1）、第二杆（3-2）；

其中，活塞拉杆（1-1）、活塞（1-2）、油缸（1-3）、以及油缸（1-3）中填充的粘滞阻尼液构成了粘滞阻尼器，油缸连接杆（1-4）与油缸（1-3）连接且与活塞拉杆（1-1）分别设置在油缸的两侧；

其中，所述第一杆（3-1）的一个端部与所述活塞拉杆（1-1）铰接，所述第一杆（3-1）的另外一个端部与所述第二杆（3-2）的一个端部铰接，所述第二杆（3-2）的另外一个端部与油缸连接杆（1-4）铰接；所述第一杆（3-1）的一个端部与所述活塞拉杆（1-1）铰接的位置记为A，所述第二杆（3-2）的另外一个端部与油缸连接杆（1-4）铰接的位置称为记为B；

还包括：结构连接杆一（4-1）和结构连接杆二（4-2），所述结构连接杆一（4-1）与第一杆（3-1）铰接，结构连接杆二（4-2）与第二杆（3-2）铰接；

 结构连接杆一（4-1）与第一杆（3-1）铰接的位置记为D，结构连接杆二（4-2）与第二杆（3-2）铰接的位置记为E， 第一杆（3-1）和第二杆（3-2）铰接的位置记为C；

其中，DE平行于AB；

第一杆（3-1）、第二杆（3-2）、结构连接杆一（4-1）、结构连接杆二（4-2）、活塞拉杆（1-

1）、油缸连接杆（1-4）共面。

2.如权利要求1所述的折叠式粘滞阻尼器，其特征在于， 第一杆和第二杆的两端分别设置有凸榫（5-1）和凹槽（5-2），在第一杆、第二杆分别与结构连接杆一、结构连接杆二连接的部分也设置有凹槽，在所述凸榫（5-1）和凹槽（5-2）上均设置有销钉孔（5-3）。

3.一种框架结构的耗能机构，其特征在于，在上梁和下梁之间安装有如权利要求1或2所述的折叠式粘滞阻尼器，其中，折叠式粘滞阻尼器中的AB方向平行于上梁。

4.如权利要求3所述的框架结构的耗能机构，其特征在于，在初始状态下，折叠式粘滞阻尼器的∠ABC或∠BAC采用钝角。

5.一种结构物之间的耗能机构，其特征在于，包括第一阻尼器，第二阻尼器，第三阻尼器，其分别于结构物之间连接；

第一阻尼器，第二阻尼器，第三阻尼器采用如权利要求1或2所述的折叠式粘滞阻尼器；

初始状态下，第一阻尼器、第二阻尼器的DE方向平行且第一阻尼器与第二阻尼器的DE之间的距离不等；第一阻尼器、第二阻尼器与第三阻尼器的DE方向垂直。

说明书

一种折叠式粘滞阻尼器及含有其的耗能机构

技术领域

[0001] 本发明专利涉及一种防灾减灾领域，特别涉及一种折叠式粘滞阻尼器、框架结构的耗能机构、结构物之间的耗能机构。

背景技术

[0002] 粘滞阻尼器与速率、位移有直接关系。许多学者对提高阻尼器的速率或位移大小进行了研究，可以分为以下三类：第一，杠杆原理，如CN203742014U、CN106284726A、 CN105735508A，利用杠杆原理将结构构件间的位移进行放大；第二，剪刀式结构，如CN105178468A、CN106088386A、CN202731008U，实质上是利用了四边形形变时，一个对角线的变形引起的另外一个对角线的变形；第三，利用齿轮组来改变速度、位移，如 CN105735508A。

[0003] 上述的剪刀式结构，阻尼器的速率、位移放大倍数随着结构物的位移大小始终在不断变化，设计时对于阻尼器的作用不方便考虑。而采用杠杆原理，虽然速率与位移放大倍数能够提前确定，但是其只能适用于变形方向预知的条件下。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供折叠式粘滞阻尼器，使得其在结构物之间任意的变形条件下均能保证恒定的速率与位移放大倍数；本发明的另外的目的是提供一种框架结构的耗能机构、结构物之间的耗能机构，以便提高框架结构、结构物之间的抗震性能。

[0005] 一种折叠式粘滞阻尼器，包括：活塞拉杆1-1、活塞1-2、油缸1-3、油缸连接杆1-4、第一杆3-1、第二杆3-2；

[0006] 其中，活塞拉杆1-1、活塞1-2、油缸1-3、以及油缸1-3中填充的粘滞阻尼液构成了粘滞阻尼器，油缸连接杆1-4与油缸1-3连接且与活塞拉杆1-1分别设置在油缸的两侧；

[0007] 其中，所述第一杆3-1的一个端部与所述活塞拉杆1-1铰接，所述第一杆3-1的另外一个端部与所述第二杆3-2的一个端部铰接，所述第二杆3-2的另外一个端部与油缸连接杆1-4铰接；所述第一杆3-1的一个端部与所述活塞拉杆1-1铰接的位置记为A，所述第二杆3-2的另外一个端部与油缸连接杆1-4铰接的位置称为记为B；

[0008] 还包括：结构连接杆一4-1和结构连接杆二4-2，所述结构连接杆一4-1与第一杆3-1铰接，结构连接杆二4-2与第二杆3-2铰接；

[0009] 结构连接杆一4-1与第一杆3-1铰接的位置记为D，结构连接杆二4-2与第二杆3-2铰接的位置记为E，第一杆3-1和第二杆3-2铰接的位置记为C；

[0010] 其中，DE平行于AB；

[0011] 第一杆3-1、第二杆3-2、结构连接杆一4-1、结构连接杆二4-2、活塞拉杆1-1、油缸连接杆1-4共面。

[0012] 进一步，第一杆和第二杆的两端分别设置有凸榫5-1和凹槽5-2，在第一杆、第二杆分别与结构连接杆一、结构连接杆二连接的部分也设置有凹槽，在所述凸榫5-1和凹槽5-2上均设置有销钉孔5-3。

[0013] 一种框架结构的耗能机构，在上梁和下梁之间安装有前述的折叠式粘滞阻尼器，其中，折叠式粘滞阻尼器中的AB方向平行上梁。

[0014] 进一步，在初始状态下，折叠式粘滞阻尼器的∠ABC或∠BAC采用钝角。

[0015] 一种结构物之间的耗能机构，包括第一阻尼器，第二阻尼器，第三阻尼器，其分别于结构物之间连接；第一阻尼器，第二阻尼器，第三阻尼器采用前述的折叠式粘滞阻尼器；初始状态下，第一阻尼器、第二阻尼器的DE方向平行且第一阻尼器与第二阻尼器的DE之间的距离不等；第一阻尼器、第二阻尼器与第三阻尼器的DE方向垂直。

[0016] 采用上述技术方案，与现有技术相比，优点包括以下几点。

[0017] 第一，折叠式粘滞阻尼器的DE平行于AB，使得粘滞阻尼器的速率放大倍数固定。

[0018] 第二，应用于框架结构时，将DE平行于梁，能够将折叠式粘滞阻尼器的效果发挥到最大。

[0019] 第三，采用3个阻尼器的组合：初始状态下，两个阻尼器平行、且两者DE距离不等，另外1个阻尼器与前面1个阻尼器垂直，能够保证不论结构物之间如何变化，均能够保证其中的1个阻尼器耗能。附图说明：

[0020] 图1：实施例一的折叠式粘滞阻尼器平面结构设计图。

[0021] 图2：实施例一的折叠式粘滞阻尼器原理图。

[0022] 图3：实施例一的折叠式粘滞阻尼器在垂直位移下的变形示意图。

[0023] 图4：实施例一的折叠式粘滞阻尼器在水平位移下的变形示意图。

[0024] 图5：对比例一的粘滞阻尼器的结构图。

[0025] 图6：对比例二的结构设计图。

[0026] 图7：折叠式粘滞阻尼器在位移与速度方向相同情况下的计算分析图。

[0027] 图8：折叠式粘滞阻尼器在位移与速度方向不同情况下的计算分析图。

[0028] 图9：实施例二的折叠式粘滞阻尼器的结构设计图。

[0029] 图10：实施例三的折叠式粘滞阻尼器的结构设计图。

[0030] 图11：折叠式粘滞阻尼器的无耗能轨迹线示意图。

[0031] 图12：第一阻尼器、第三阻尼器在结构位移下的夹角计算分析图。

[0032] 图13：第一杆、第二杆的竖向截面图。

[0033] 附图标记：1-1活塞拉杆，1-2活塞，1-3油缸，1-4油缸连接杆，3-1第一杆，3-2 第二杆，4-1结构连接杆一，4-2结构连接杆二，5-1凸榫，5-2凹槽，5-3销钉孔。

具体实施方式

[0034] 实施例一：如图1所示，折叠式粘滞阻尼器包括：活塞拉杆1-1、活塞1-2、油缸1-3、油缸连接杆1-4；还包括有：第一杆3-1、第二杆3-2，所述第一杆3-1的一个端部与所述活塞拉杆1-1铰接，所述第一杆3-1的另外一个端部与所述第二杆3-2的一个端部铰接，所述第二杆3-2的另外一个端部与油缸连接杆1-4铰接；

[0035] 所述第一杆3-1的一个端部与所述活塞拉杆1-1铰接的位置记为A，所述第二杆3-2的另外一个端部与油缸连接杆1-4铰接的位置称为记为B；AB的连线与活塞拉杆的轴线平行，即与活塞拉杆沿着油缸运动的方向相同；

[0036] 还包括：结构连接杆一4-1与第一杆3-1铰接，结构连接杆二4-2与第二杆3-2铰接；

[0037] 结构连接杆一4-1与第一杆3-1铰接的位置记为D，结构连接杆二4-2与第二杆3-2铰接记为E，第一杆3-1和第二杆3-2铰接的位置记为C；

[0038] 其中，DE平行于AB，其优点在于：不论DE大小多少，粘滞阻尼器的位移、速率放大倍数均是AC/CD，即放大倍数是固定的，这样的设计方便用于工程计算。

[0039] 结构连接杆一4-1、结构连接杆二的一端均与结构物固接，因此CD之间产生的形变即为结构物之间的位移。

[0040] 如图3所示，当D点发生CD方向上的位移时，即结构物产生了沿着CD方向远离的位移时，A、B、C、D变化到了A1、B1、C1、D1，DD1＝x，AB的拉伸变化量为：(AC/CD) x，在此过程中，AB的方向不变、只是向内移动，ABC构成的三角形不会发生偏转，∠ACB 变大；当D点发生CD方向上的位移时，即结构物沿着CD方向接近的位移时，AB压缩，∠ ACB变小。

[0041] 如图4所示，当D点发生垂直于CD方向上的位移，ABC构成的三角形发生偏转，∠ACB也发生相应变化。

[0042] 实施例二：以往的研究主要是研究阻尼器的位移放大效应，但是将结构物的位移输入到阻尼器中，也存在一定的位移效应。

[0043] 以图5的对比例一为例说明：为框架梁柱结构，地震时，以上、下梁之间的层间变形位移为主，在上下梁之间设置一粘滞阻尼器，即粘滞阻尼器固定在上、下梁上，上下梁的高度为h，阻尼器长度为L，角度与水平方向呈α，阻尼器在水平方向的投影长度为M，其位移关系满足：M2+h2＝L2，两边对时间t求导，可得：

[0044] 其中，L'表示阻尼器的速度，M'表示层间变形速度。

[0045] 上式表明，α越小，阻尼器的速度越大，因此这也说明了现有技术中的粘滞阻尼器一般设置在对角线位置。但是，需要说明的是：上式也说明：阻尼器的速度小于层间变形速度。

[0046] 按照上述的计算结构，容易想到的设计如图6所示的对比例二，将实施例一种的折叠式粘滞阻尼器的AB方向平行于对角线方向安装；但是，上述结果可能存在错误。在上、下梁上采用本发明的折叠式粘滞阻尼器时，结构物的变形速度传导到阻尼器时，其放大效应要考虑2个方面：一是结构物的变形速度到铰接点DE的速度，2是DE的变形速度到AB的变形速度。由于DE与AB平行，因而其放大倍数是可计算的。但是，对于前1个因素，按照图6的设计，DE的速度小于结构物的变形速度，即阻尼器耗能的速度存在“一放大、一缩小”的效果。

[0047] 由于结构连接杆一4-1、结构连接杆二4-2的一端均与结构固接，因此结构物之间的形变即为DE之间的形变。

[0048] 如图7所示，结构物产生了大小为x，方向与AB初始方向呈90°-θ角时的形变时，即DD1＝x，ED之间的形变大小记录为y，其大小为： 将其对时间t求导，可求得 将x＝0代入，可得：y'＝sinθx'，即ED的位移速度
＝结构物的速度×结构物速度与ED方向夹角的正弦值。对于对比例一的情况而言，上、下梁以层间变形为主，θ＝90°，即AB、DE的方向与变形方向相同时，DE的速度最大。

[0049] 更广泛的，如图8所示，结构物产生了大小为x，方向与AB初始方向呈90°-θ角时的形变时，结构物的速度为v'，方向与AB初始方向90°-β，可求得，此时DE的速度y'为：

[0050]

[0051] 根据上式，可求得，AB的速度为：

[0052] 从前面的分析可知，对于对比例一的情况而言，重新设计的结构如图9所示，AB平行于DE平行于梁，此时DE的速度＝梁层间变形速度，在AC/CD这一比例相同的情况下， AB之间的速度达到最大。

[0053] 阻尼器中的各个杆件如AC、BC杆、以及上梁、下梁与D、E点连接的杆件采用强度较高的型钢，在初始状态下，∠ABC或∠BAC采用钝角，以利于安装。

[0054] 实施例三：如图10所示，包括3个实施例一中的阻尼器：第一阻尼器，第二阻尼器，第三阻尼器，其分别于结构物连接；初始状态下，第一阻尼器、第二阻尼器的DE方向平行，且与第三阻尼器的DE方向垂直，第一阻尼器、第二阻尼器的DE之间的距离不等。

[0055] 针对变形已知的情况下，如实施例二中的情形，AB平行于变形方向即可。但是，对于变形方向未知的结构物，采用实施例一的阻尼器，其仍然存在着以下技术缺陷：即在某些情况下，其无法实现耗能。

[0056] 如实施例二中分析，DE的线速度满足以下关系：

[0057]

[0058] 在y'＝0时，阻尼器无法实现耗能效果，即满足以下关系时：

[0059]

[0060] 上述关系式实际表达的意思是：如图11所示，在图11中的轨迹线上，耗能器无法耗能。为了方便表示，由于其耗能只与结构的相对变形有关，因此轨迹线实质表达的是DE两点的相对位移。即如果D、或者D1沿着上述轨迹线变形时，y'始终为0，耗能器始终无法发生耗能效果的。当然，实际情况中，结构物的相对位移不大可能会发生沿着图11中所述的变形。但是，在某一时刻，是有可能的。如在初始状态下，结构物的相对位移方向与DE、AB垂直时，此时无法发生耗能情况。在中间状态下，结构物的变形速度方向D1E垂直时，耗能器也无法有效耗能。

[0061] 当仅仅采用第一阻尼器、第三阻尼器时，以图12所示，在结构物产生相对位移为x，方向与第三阻尼器的AB向呈θ；可以得到：变形之后的第一阻尼器DE与第三阻尼器的AB 向夹角η1、第一阻尼器DE与第三阻尼器的AB向夹角η2：

[0062]

[0063] 当η1＝η2时，表明：第一阻尼器和第三阻尼器处于平行关系。

[0064] 如果η1＝η2无解，说明第一阻尼器与第三阻尼器不论结构物如何震动，两者不可能处于平行位置，自然可保证两个阻尼器中的其中一个可以保持耗能；如果η1＝η2有解，说明第一阻尼器与第三阻尼器之间在某种条件下，两者处于平行，此时在垂直于DE方向的位移，两者仍然无法有效耗能，即无法保证两个阻尼器在任意条件下保持一个耗能。

[0065] 求解上式，有：

[0066]

[0067] 上述结果表明：仅仅设置两个在初始状态下相互垂直的阻尼器，并不能保证其一定能够耗能。

[0068] 进一步需要说明的是：不论初始状态下两个阻尼器DE之间的夹角如何变化，均不能保证两者中的1个一定能够耗能。

[0069] 对于第一阻尼器、第二阻尼器而言，由于其DE方向保持平行，其特点是：θ＝90°或者180°时，两者保持平行关系外，其他条件下，两者均可以保持不平行关系。

[0070] 所以，将上述第一阻尼器、第二阻尼器、第三阻尼器组合在一起，可以不论结构物产生何种变形，均能保证三者之中的其中一个保持耗能：在θ＝90°或者180°时，不论结构变形的方向如何变化，第三阻尼器必然能够耗能；而其他条件下，第一阻尼器和第二阻尼器之中的一个必然能够耗能。通过合理的设计耗能器，可以保证结构物不论在何种条件，均能保证其中的一个耗能，这对于提高结构的耗能可靠性具有重要意义。

[0071] 需要说明的是：第一杆3-1、第二杆3-2、结构连接杆一4-1、结构连接杆二4-2、活塞拉杆1-1、活塞1-2、油缸1-3、油缸连接杆1-4保持在同一个面内，以避免产生面外旋转。

[0072] 为了使得本申请中的折叠式粘滞阻尼器满足平面铰接，两杆可以采用：凸榫-凹槽+ 销钉的方式。如图13所示，为本申请的第一杆、第二杆的截面图，其两端分别设计有凸榫 5-1和凹槽5-2，在第一杆、第二杆与结构连接杆一、结构连接杆二连接的部分也设置有凹槽，在所述凸榫5-1和凹槽5-2设置有销钉孔5-3，以便于销钉的插入。

[0073] 以上已详细描述了本方面的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落入本申请所附权利要求书的保护范围中。