一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器

摘要

本发明涉及一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器，属建筑领域。一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器，包括开孔核心板、外约束板以及锥状连接件；所述开孔核心板设有用于连接所述锥状连接件的第一连接孔和第二连接孔，及用于连接所述外约束板的第三连接孔；所述锥状连接件位于所述开孔核心板的上下两端，所述锥状连接件的内端在外力作用下可通过位于所述第二连接孔内的第二紧固件在所述开孔核心板上相对滑动；所述外约束板位于所述开孔核心板的中部两侧，并与开孔核心板通过位于第三连接孔的第三紧固件连接。本发明为柱、桥墩等结构抗震提供了一种全新的耗能装置。

权利要求

1.一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器，其特征在于，包括：开孔核心板、外约束板以及锥状连接件；所述开孔核心板设有用于连接所述锥状连接件的第一连接孔和第二连接孔，及用于连接所述外约束板的第三连接孔；所述锥状连接件位于所述开孔核心板的上下两端，锥状连接件的外端与开孔核心板通过位于第一连接孔上的第一紧固件连接，锥状连接件的内端与开孔核心板通过位于第二连接孔上的第二紧固件连接，所述锥状连接件的内端在外力作用下可通过位于所述第二连接孔内的第二紧固件在所述开孔核心板上相对滑动；所述外约束板位于所述开孔核心板的中部两侧，并与开孔核心板通过位于第三连接孔的第三紧固件连接，所述外约束板在外力作用下可通过位于所述第三连接孔内的第三紧固件在所述开孔核心板上相对滑动；所述外约束板与所述锥状连接件在所述开孔核心板上的滑动方向相同；所述外约束板为等腰梯形，等腰梯形的两个底边平行于开孔核心板的拉压方向，等腰梯形的下底位于开孔核心板的外侧，等腰梯形的上底位于开孔核心板的内侧；

所述锥状连接件的内端位于两个外约束板之间，锥状连接件的内端与外端之间具有两个与等腰梯形腰面平行的倾斜过渡面；倾斜过渡面和等腰梯形腰面之间留有等间距的变形间隙。

2.根据权利要求1所述的一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器，其特征在于，在所述外约束板内表面、锥状连接件内端内表面均覆盖一层无粘结材料。

3.根据权利要求1-2任一所述的一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器，其特征在于，所述开孔核心板为耗能钢板；所述外约束板为外约束钢板。

4.根据权利要求1-2任一所述的一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器，其特征在于，所述第一连接孔为圆孔；所述第二连接孔和第三连接孔为长条形孔。

5.根据权利要求1-2任一所述的一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器，其特征在于，在所述开孔核心板上的中部耗能段还开设有用于截面削弱的圆形孔。

6.根据权利要求1-2任一所述的一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器，其特征在于，所述第一紧固件、第二紧固件及第三紧固件均为螺栓。

说明书

一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器

技术领域

[0001] 本发明涉及建筑领域，特别涉及一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器。

背景技术

[0002] 目前，地震正处于一种高频率发生的趋势。地震对建筑产生的巨大破坏，不仅对国家经济产生冲击，同时也危害人身安全，如何建造新型高性能抗震建筑则成为现阶段土木行业研究的重点。目前在抗震设计中多采用延性设计和减震隔震设计，延性设计通常利用塑性铰进行耗能，但无疑这样则会给结构带来难以修复的损伤，而减震隔震设计则能通过相应的耗能装置消耗地震能量，且震后具有良好的可修复性特点。多数学者对耗能装置进行了研究并应用于实际工程中，如应用于框架结构的BRB屈曲约束支撑以及应用于桥梁与桥墩之间的叠层橡胶支座等均具有良好的消耗地震能量的效果。结构在地震作用下会相应地吸收地震能量，耗能能力大小则是评价结构抗震性能好坏的指标之一，多数耗能装置的耗能能力有限，如自复位桥墩中利用外置钢筋进行耗能，但利用外置钢筋消耗地震能量的大小有待提高。此外，低屈服点钢成为目前研究的热点，究其原因在于其具有弹塑性滞回能力优异的特点。基于此，发明了一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器，其具有优异的耗能效果，适用于梁柱节点以及桥墩节点的抗震。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种能充分发挥板材耗能性能的为梁柱或者桥墩节点提供耗散地震能量的拉压屈服耗能阻尼器，便于构件的震后修复。

[0004] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

[0005] 一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器，其特征在于，包括：开孔核心板、外约束板以及锥状连接件；所述开孔核心板设有用于连接所述锥状连接件的第一连接孔和第二连接孔，及用于连接所述外约束板的第三连接孔；所述锥状连接件位于所述开孔核心板的上下两端，锥状连接件的外端与开孔核心板通过位于第一连接孔上的第一紧固件连接，锥状连接件的内端与开孔核心板通过位于第二连接孔上的第二紧固件连接，所述锥状连接件的内端在外力作用下可通过位于所述第二连接孔内的第二紧固件在所述开孔核心板上相对滑动；所述外约束板位于所述开孔核心板的中部两侧，并与开孔核心板通过位于第三连接孔的第三紧固件连接，所述外约束板在外力作用下可通过位于所述第三连接孔内的第三紧固件在所述开孔核心板上相对滑动；所述外约束板与所述锥状连接件在所述开孔核心板上的滑动方向相同。

[0006] 所述外约束板为等腰梯形，等腰梯形的两个底边平行于开孔核心板的拉压方向，等腰梯形的下底位于开孔核心板的外侧，等腰梯形的上底位于开孔核心板的内侧；所述锥状连接件的内端位于两个外约束板之间，锥状连接件的内端与外端之间具有两个与等腰梯形腰面平行的倾斜过渡面；倾斜过渡面和等腰梯形腰面之间留有变形间隙。

[0007] 在所述外约束板内表面、锥状连接件内端内表面均覆盖一层无粘结材料。

[0008] 所述开孔核心板为耗能钢板；所述外约束板为外约束钢板。

[0009] 所述第一连接孔为圆孔；所述第二连接孔和第三连接孔为长条形孔。

[0010] 在所述开孔核心板上的中部耗能段还开设有用于截面削弱的圆形孔。

[0011] 所述第一紧固件、第二紧固件及第三紧固件均为螺栓。

[0012] 与现有技术相比，本发明耗能阻尼器具有如下有益效果：

[0013] 本发明通过核心板上的连接孔和位于连接孔位置的紧固件，为外约束钢板的自由滑动创造了条件，使得外约束钢板只起核心板平面外的屈曲约束作用。

[0014] 本发明采用锥形连接件以及梯形外约束板，外约束钢板与锥形连接件之间对称的倾斜缝隙使得核心板有足够的变形能力，使得核心板在受到轴向压力时，不会发生缝隙间的扭转屈曲。

[0015] 外约束钢板内表面以及锥形连接件较窄端内表面均覆盖一层无粘结材料。减小摩擦力对开孔核心板拉压性能的影响。

附图说明

[0016] 图1为本发明一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器整体实施例的外观示意图；

[0017] 图2为本发明一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器开孔核心板外观示意图；

[0018] 图3为本发明一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器外约束钢板外观示意图；

[0019] 图4为本发明一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器锥形连接件外观示意图；

[0020] 图5为本发明一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器无粘结材料布置位置示意图；

[0021] 图6为本发明一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器螺栓布置位置示意图；

[0022] 图7为本发明一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器锥形连接件延展设计的实施例示意图；

[0023] 图8为本发明一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器可延展连接方式整体实施例示意图；

[0024] 图9为本发明耗能阻尼器受力变形示意图；

[0025] 图10是图9耗能阻尼器的核心板屈曲示意图；

[0026] 图11为本发明一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器部分实施例分析的滞回曲线；

[0027] 图12为与实施例对比的采用矩形外约束钢板有限元模型图；

[0028] 图13为与实施例对比的采用矩形外约束钢板受力后变形示意图；

[0029] 图14为与本实施例对比的开孔方式一初始屈服示意图；

[0030] 图15为与本实施例对比的开孔方式一最终屈服示意图；

[0031] 图16为与本实施例对比的开孔方式二最终屈服示意图；

[0032] 图17为本实施例核心板开孔方式最终屈服示意图。

具体实施方式

[0033] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

[0034] 实施例基本如图1-7所示。

[0035] 本实施例中一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器，包括：开孔核心板1、外约束钢板2、锥形连接件3、高强螺栓4和普通螺栓5、无粘结材料7；如附图2、附图7所示，开孔核心板两端开有螺栓孔，中部开有长条形孔8和9以及用于截面削弱的圆形孔10；如附图3所示，外约束钢板为一梯形状且开有螺栓孔的钢板；如附图4所示，锥形连接件为一呈漏斗状且开有螺栓孔以及与外部装置连接的预留孔6的钢板。开孔核心板1的两面与外约束钢板2通过普通螺栓可拆卸连接；开孔核心板1的两端通过高强螺栓4与锥形连接件连接，利用高强螺栓的预紧力对开孔核心板进行约束；锥形连接件较窄端采用普通螺栓5可拆卸连接，普通螺栓5穿过长条形孔9。

[0036] 如图1所示的一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器整体实施例的外观示意图，外约束钢板与锥形连接件的斜缝应保持一定距离，所保持的距离大小必须大于核心板极限位移的大小。外约束钢板与锥形连接件较窄端边缘预留1-2mm左右间距。

[0037] 如图6所示的一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器螺栓布置位置示意图，普通螺栓5与其穿过的各自的长条形孔均保留一定的间隙，预留间隙的大小必须大于核心板极限位移的大小。

[0038] 这样设置后，可得核心板有充分的变形能力。

[0039] 如图5所示的一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器无粘结材料布置位置示意图，在外约束钢板的内表面以及锥形连接件较窄端内表面覆盖一层无粘结材料。

[0040] 这样设置后，外约束钢板可自由滑动，仅仅起约束核心板平面外屈曲的作用，同时可避免锥形连接件较窄端与核心板因过大摩擦力而影响核心板的滞回性能。

[0041] 如图6所示的一种基于开孔钢板拉压屈服的耗能阻尼器螺栓布置位置示意图，核心板开有圆形孔10，圆形孔10不穿过任何的螺栓。

[0042] 这样设置后，圆形孔以及长条形孔将一起提供截面削弱的能力。将核心板的屈服区域控制在板中区域，使得核心板具有优异的耗能能力。

[0043] 本实施例中的开孔核心板可采用LY100钢材、LY160钢材、Q235B钢材的一种制成。

[0044] 本实施例中的外约束钢板、锥形连接件可采用Q345钢材、Q390钢材、Q420钢材以上等级的一种制成，所采用的强度等级必须大于开孔核心板采用材料的强度等级，所采用的厚度不宜小于开孔核心板厚度的2.5倍。

[0045] 本实施例中的高强螺栓可采用9.8级、10.9级及以上等级的一种。

[0046] 本实施例中的无粘结材料可采用丁基橡胶带等粘结力小的材料。

[0047] 本实施例中的锥形连接件预留部分可根据需要延展成其他形状与外部装置连接，如图7、图8提供了延展方式为角钢形式外部装置连接的实施例作为参考。

[0048] 通过abaqus有限元软件对设置成梯形状外约束钢板进行分析，如图9和图10，所采用的核心板强度等级为Q235B,厚度为6mm，截面形式为410×270mm，对核心板采用位移加载的方式进行分析。则可以看到，核心板的屈曲变形是很微小的，因此，设置成斜面的梯形外约束钢板，不仅可以保留核心板充足的变形能力，同时能够有效约束缝隙之间核心板的扭转屈曲。滞回曲线(图11)也呈现一种非常饱满的状态，说明本金属阻尼具有优异的耗能能力。因此，在钢板的屈曲约束中，采用倾斜设置的外约束部件相比于平直设置的外约束构建具有极大的优势。

[0049] 图11和图12是采用T型连接件及矩形外约束板的有限元分析结果，外约束钢板与T形连接件之间的缝隙为水平的，可以看到，水平缝之间发生了很明显的扭转屈曲，进而导致其他区域向着平面外发生屈曲。这是因为外约束钢板上下均为平直设置的缝，使得核心板更易向着平面外发生屈曲而失效。

[0050] 通过矩形外约束板与梯形外约束板的对比可见，本发明外约束钢板采用梯形是有道理的，由于核心板是通过拉压屈服进行耗能的，因此外约束钢板与锥形连接件必定要保留一定的缝隙使得核心板有足够的变形能力，关键在于，缝隙方向的设置对核心板的屈曲程度具有极大的影响。而外约束钢板上下的斜面的设置，使得核心板在受到轴向压力时，不会发生缝隙间的扭转屈曲。

[0051] 开孔形式主要对于耗能情况有所影响，开孔所在的位置会率先诱导初始屈服点的位置。比如图14和图15，中部未开孔，而在轴向力方形的1/3处开孔，初始屈服点则在开孔处(图中的位置P处，颜色较浅的地方，为屈服区域)，这对于构件的受力是不利的，随着荷载的增大，此构件开孔部位达到极限强度时，钢板中部(图中的位置S,颜色较深的地方，为未屈服区域)还未完全屈服，而开孔部位已经接近受拉极限，因此没有充分利用材料的耗能能力。同样又如图16所示，由于开孔位置不合理使得中轴线两侧截面严重削弱，截面只是部分屈服，同样没有充分利用材料的性能

[0052] 在本发明中，由于核心板与外约束钢板以及锥形连接件所要连接的固定长条形孔之外，还包含中轴线上用于截面削弱的圆形孔，长条形孔又同样可以达到削弱截面的作用，达到一孔多用的作用。图17为本发明核心板表面屈服部位示意图，可以看出，除开孔位置的上下两侧，板表面的其他部位均处于屈服状态，屈服部位均匀，板被充分用于耗能。

[0053] 在钢板耗能中，为使材料的屈服区域呈现均匀的分布，充分发挥材料的力学性能。需要合理地设计界面开孔形状，不同的开孔形状将很大程度上影响板的耗能性能。本发明开孔形式已经过多种开孔形式对比，在满足能够约束板的平面外屈曲的条件下，最后确定最优的一组形式。