一种具有双重耗能特性的金属-可变摩擦复合阻尼器

摘要

本发明提供了一种具有双重耗能特性的金属‑可变摩擦复合阻尼器，属于土木工程抗震技术领域。该阻尼器包括上连接金属板、中连接金属板和下连接金属板，上连接板和下连接板分别通过螺栓与主体结构固定连接，中连接金属板和上连接金属板间设置有至少一耗能金属板，中连接金属板与下连接金属板间依次设置有滑动金属板和摩擦耗能金属板，预紧力施加机构依次穿过中连接金属板、滑动金属板、摩擦耗能金属板以及下连接金属板，用于施加将滑动金属板和摩擦耗能金属板夹紧的预紧力。本发明克服了传统摩擦阻尼器在振动过程中处于停止阶段时仅为结构提供刚度而无法发挥耗能能力的不足，从而实现了“双重耗能”的效果，满足结构多级抗震设防的性能需求。

权利要求

1.一种具有双重耗能特性的金属‑可变摩擦复合阻尼器，其特征在于，包括：上连接金属板、一块或两块中连接金属板和下连接金属板，所述上连接板和所述下连接板分别通过螺栓与主体结构固定连接，靠近所述下连接金属板的中连接金属板和所述上连接金属板或靠近其的中连接金属板间设置有至少一耗能金属板，所述耗能金属板的底端与靠近所述下连接金属板的所述中连接金属板固定连接，所述耗能金属板的顶端与所述上连接金属板或靠近其的所述中连接金属板固定连接，所述中连接金属板与所述下连接金属板和所述上连接金属板至少之一间依次设置有滑动金属板和摩擦耗能金属板，所述摩擦耗能金属板为钢板，所述摩擦耗能金属板为单面摩擦式或对称摩擦式，且所述摩擦耗能金属板表面设有不同摩擦系数区域，且所述摩擦耗能金属板表面中部区域的摩擦系数低于两侧区域的摩擦系数，预紧力施加机构依次穿过所述中连接金属板、所述滑动金属板、所述摩擦耗能金属板以及所述下连接金属板或所述上连接金属板，将所述中连接金属板与所述下连接金属板和所述上连接金属板至少之一相连接，用于施加将所述滑动金属板和所述摩擦耗能金属板夹紧的预紧力。

2.根据权利要求1所述的具有双重耗能特性的金属‑可变摩擦复合阻尼器，其特征在于，所述预紧力施加机构包括高强螺栓、预紧弹簧、垫圈和固定螺母，所述高强螺栓依次穿过所述中连接金属板、所述滑动金属板、所述摩擦耗能金属板及所述下连接金属板或所述上连接金属板，并与所述固定螺母适配安装，所述预紧弹簧和所述垫圈安装于所述高强螺栓的根部和所述中连接金属板表面之间。

3.根据权利要求2所述的具有双重耗能特性的金属‑可变摩擦复合阻尼器，其特征在于，所述预紧弹簧为碟形弹簧。

4.根据权利要求2所述的具有双重耗能特性的金属‑可变摩擦复合阻尼器，其特征在于，所述中连接金属板的底部或顶部开设有第一卡槽，所述滑动金属板的顶部或底部卡于所述第一卡槽内，所述下连接金属板的顶部或所述上连接金属板的底部开设有第二卡槽，所述摩擦耗能金属板的底部或顶部卡于所述第二卡槽内，所述中连接金属板和所述滑动金属板上开设有多组相对应的圆孔，所述摩擦耗能金属板及所述下连接金属板或所述上连接金属板上开设有与所述圆孔相对应的长孔，所述高强螺栓依次穿过所述圆孔和所述长孔，并与所述固定螺栓适配安装。

5.根据权利要求1所述的具有双重耗能特性的金属‑可变摩擦复合阻尼器，其特征在于，所述上连接金属板、所述中连接金属板、所述下连接金属板、所述滑动金属板均为矩形钢板件。

6.根据权利要求1所述的具有双重耗能特性的金属‑可变摩擦复合阻尼器，其特征在于，所述耗能金属板的数量为一块或多块，所述耗能金属板采用钢板或形状记忆合金制成，所述耗能金属板呈矩形，其表面设有镂空或两侧设有弧边，且镂空的形状为菱形、方形或长条形。

说明书

一种具有双重耗能特性的金属‑可变摩擦复合阻尼器

技术领域

[0001] 本发明涉及土木工程抗震技术领域，尤其是涉及一种具有双重耗能特性的金属‑可变摩擦复合阻尼器。

背景技术

[0002] 消能减震结构是指在建筑中安装消能减震装置(如金属阻尼器、摩擦阻尼器等)，通过消能减震装置的相对变形来耗散输入结构的地震能量，达到预期的防震减震要求。传统的金属阻尼器受限于金属材料塑性变形能力，在高烈度地震(尤其是极罕遇地震)作用下会存在因塑性变形能力有限而失效破坏的风险。另外，传统的摩擦阻尼器仅能在所受推力超过起滑力时发挥摩擦耗能作用，当所受推力小于起滑力而处于停止状态时，阻尼器不能发挥摩擦耗能作用，即摩擦阻尼器在多遇地震乃至极罕遇地震作用下处于停止状态时无法发挥耗能作用，从而难以满足结构的多水准抗震设防需求。

[0003] 因此，迫切需要研发具备大行程、鲁棒性强、造价低廉、适于工程应用的新型阻尼器。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种具有双重耗能特性的金属‑可变摩擦复合阻尼器，该复合阻尼器能够解决上述背景技术中提出的问题。

[0005] 本发明提供一种具有双重耗能特性的金属‑可变摩擦复合阻尼器，包括：上连接金属板、至少一中连接金属板和下连接金属板，所述上连接板和所述下连接板分别通过螺栓与主体结构固定连接，靠近所述下连接金属板的中连接金属板和所述上连接金属板或靠近其的中连接金属板间设置有至少一耗能金属板，所述中连接金属板与所述下连接金属板或所述上连接金属板间依次设置有滑动金属板和摩擦耗能金属板，预紧力施加机构依次穿过所述中连接金属板、所述滑动金属板、所述摩擦耗能金属板以及所述下连接金属板或所述上连接金属板，用于施加将所述滑动金属板和所述摩擦耗能金属板夹紧的预紧力。

[0006] 作为优选技术方案，所述中连接金属板的数量为一块，所述耗能金属板的底端与所述中连接金属板固定连接，所述耗能金属板的顶端与所述上连接金属板固定连接，所述中连接金属板与所述下连接金属板通过所述预紧力施加机构相连接。

[0007] 作为优选技术方案，所述中连接金属板的数量为两块，所述耗能金属板设置于两块所述中连接金属板间，且所述耗能金属板的顶端和底端分别与各所述中连接金属板固定连接，且各个所述中连接金属板分别与所述上连接金属板和所述下连接金属板通过所述预紧力施加机构相连接。

[0008] 进一步地，所述预紧力施加机构包括高强螺栓、预紧弹簧、垫圈和固定螺母，所述高强螺栓依次穿过所述中连接金属板、所述滑动金属板、所述摩擦耗能金属板及所述下连接金属板或所述上连接金属板，并与所述固定螺母适配安装，所述预紧弹簧和所述垫圈安装于所述高强螺栓的根部和所述中连接金属板表面之间。

[0009] 进一步地，所述预紧弹簧为碟形弹簧。

[0010] 进一步地，所述中连接金属板的底部或顶部开设有第一卡槽，所述滑动金属板的顶部或底部卡于所述第一卡槽内，所述下连接金属板的顶部或所述上连接金属板的底部开设有第二卡槽，所述摩擦耗能金属板的底部或顶部卡于所述第二卡槽内，所述中连接金属板和所述滑动金属板上开设有多组相对应的圆孔，所述摩擦耗能金属板及所述下连接金属板或所述上连接金属板上开设有与所述圆孔相对应的长孔，所述高强螺栓依次穿过所述圆孔和所述长孔，并与所述固定螺栓适配安装。

[0011] 进一步地，所述上连接金属板、所述中连接金属板、所述下连接金属板、所述滑动金属板均为矩形钢板件。

[0012] 进一步地，所述耗能金属板的数量为一块或多块，所述耗能金属板采用钢板或形状记忆合金制成，所述耗能金属板呈矩形，其表面设有镂空或两侧设有弧边，且镂空的形状为菱形、方形或长条形。

[0013] 进一步地，所述摩擦耗能金属板为钢板，所述摩擦耗能金属板为单面摩擦式或对称摩擦式，且所述摩擦耗能金属板表面的摩擦系数相同。

[0014] 进一步地，所述摩擦耗能金属板为钢板，所述摩擦耗能金属板为单面摩擦式或对称摩擦式，且所述摩擦耗能金属板表面设有不同摩擦系数区域，且所述摩擦耗能金属板表面中部区域的摩擦系数低于两侧区域的摩擦系数。

[0015] 相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

[0016] 1.该金属‑可变摩擦复合阻尼器适用于多级抗震设防，在多遇地震乃至极罕遇地震作用下，首先由耗能金属板滞回耗能，当其恢复力大于等于摩擦耗能金属板的最大静摩擦力时，耗能金属板保持当前弹塑性状态不变，摩擦耗能金属板起滑，产生恒定或可变摩擦力发挥摩擦耗能能力；在振动过程中，当摩擦耗能金属板处于停止状态时，仍由耗能金属板继续发生弹塑性变形耗能，克服了传统摩擦阻尼器在振动过程中处于停止阶段时仅为结构提供刚度而无法发挥耗能能力的不足，从而实现了“双重耗能”的效果，满足结构多级抗震设防的性能需求；

[0017] 2.耗能金属板始终在其极限位移之内发生弹塑性变形，不会因阻尼器产生过大位移而失效，对摩擦耗能金属板设计足够长的滑移距离，则即使在极罕遇或更大地震作用下，其仍可发挥预设的摩擦耗能能力，因此，该复合阻尼器具有大行程的可靠减震能力且可保证不失效；

[0018] 3.摩擦耗能金属板可设置成若干不同摩擦系数区域，可实现在小行程利用低摩擦系数耗能钢板来充分耗能，在大行程下利用高摩擦系数耗能钢板来实现摩擦耗能的同时，更好控制结构的振动响应，从而起到限位作用，因此，该阻尼器的摩擦系数可变且能在大行程下起到限位作用；

[0019] 4.该阻尼器构造简洁、工作机理明确、生产制作简易，尤其适用于对金属阻尼器及其既有减震结构的改造，可快速装卸和更换，适用于实际工程应用。

附图说明

[0020] 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地介绍，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。

[0021] 图1为本发明实施例一的整体结构主视示意图；

[0022] 图2是本发明实施例一的沿纵向剖切后的侧视示意图；

[0023] 图3是本发明实施例一的预紧力施加机构示意图；

[0024] 图4是本发明实施例一的耗能金属板的主视示意图；

[0025] 图5是本发明实施例二的摩擦耗能金属板的截面示意图；

[0026] 图6是本发明实施例三的整体结构主视示意图；

[0027] 图7是本发明实施例三的沿纵向剖切后的侧视示意图；

[0028] 图8是本发明实施例四的整体结构主视示意图；

[0029] 图9是本发明实施例四的沿纵向剖切后的侧视示意图；

[0030] 图10是本发明实施例五的整体结构主视示意图；

[0031] 图11是本发明实施例五的沿纵向剖切后的侧视示意图。

[0032] 附图标记说明：

[0033] 1：上连接金属板；2：下连接金属板；3：中连接金属板；4：耗能金属板；5：滑动金属板；6：摩擦耗能金属板；61：低摩擦系数区域；62：高摩擦系数区域；7：预紧力施加机构；71：高强螺栓；72：预紧弹簧；73：垫圈；74：固定螺母。

具体实施方式

[0034] 下面将结合实施例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。

[0035] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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。

[0036] 此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0037] 实施例一

[0038] 如图1和图2所示，本实施例中提供了一种具有双重耗能特性的金属‑可变摩擦复合阻尼器，其包括上连接金属板1、下连接金属板2、中连接金属板3、耗能金属板4、滑动金属板5、摩擦耗能金属板6和预紧力施加装置7。

[0039] 具体地，上连接金属板1和下连接金属板2均为带若干螺栓孔的矩形钢板，二者分别通过高强度螺栓与主体结构固定连接，耗能金属板4为由低屈服点钢材制作而成的钢板，其顶端与上连接金属板1固定连接，底端与中连接金属板3固定连接；滑动金属板5叠置在摩擦耗能金属板6上方，形成摩擦耗能组，且二者放置于中连接金属板3和下连接金属板2之间，预紧力施加机构7依次穿过中连接金属板3、滑动金属板5、摩擦耗能金属板6和下连接金属板2，并进行紧固，用于为摩擦耗能组施加预设的法向压力，即提供二者间夹紧的预紧力。

[0040] 如图3所示，具体地，在本实施例中预紧力施加机构7包括高强螺栓71、预紧弹簧72、垫圈73和固定螺母74，其中，预紧弹簧72采用碟形弹簧，垫圈73为高强度垫圈，高强螺栓
71依次穿过预紧弹簧72、垫圈73、中连接金属板3、滑动金属板5、摩擦耗能金属板6和下连接金属板2，并与固定螺母74适配拧紧，通过拧紧固定螺母74以及预紧弹簧72，可以对滑动金属板5和摩擦耗能金属板6组成的摩擦耗能组施加预设的法向压力，即预紧力。

[0041] 具体地，中连接金属板3的底部开设有第一卡槽，滑动金属板5的顶部卡于第一卡槽内，下连接金属板2的顶部开设有第二卡槽，摩擦耗能金属板6的底部卡于第二卡槽内，中连接金属板3和滑动金属板5上开设有多组相对应的圆孔，摩擦耗能金属板6及下连接金属板2上开设有与所述圆孔相对应的长孔，高强螺栓71依次穿过各组对应的圆孔和长孔，并与固定螺栓74适配安装，从而将摩擦耗能组施加夹紧预紧力。在多遇地震乃至极罕遇地震作用下，首先由耗能金属板4滞回耗能，当其恢复力大于等于摩擦耗能金属板6的最大静摩擦力时，耗能金属板4保持当前弹塑性状态不变，中连接金属板3和滑动金属板5一体动作，相对摩擦耗能金属板6和下连接金属板2滑动，产生恒定或可变摩擦力，发挥摩擦耗能能力。

[0042] 在本实施例中，上连接金属板1、中连接金属板3、下连接金属板2、滑动金属板5均为矩形钢板件。耗能金属板4的数量为一块，耗能金属板4采用钢板或形状记忆合金制成，耗能金属板4呈矩形，其表面设有镂空或两侧设有弧边，镂空的形状为菱形、方形或长条形，如图4所示。

[0043] 具体地，摩擦耗能金属板6由低屈服点钢材制作而成，可根据实际工程需求采用形状记忆合金材料来生产，摩擦耗能金属板6为单面摩擦式或对称摩擦式(即上下表面均设置有摩擦区域)，在本实施例中，各摩擦耗能金属板6表面的摩擦系数相同。

[0044] 具体地，当阻尼器发生往左(往右)位移(小于摩擦耗能钢板6的起滑位移)，上连接金属板1发生相同位移，耗能金属板4上端由于与上连接金属板1固定连接，亦产生相同的位移，与中连接金属板3固定连接的耗能金属板4下端由于其出力小于Ff＝μN(μ为摩擦耗能钢板6的摩擦系数，N为预紧力施加机构7施加的预紧力)而处于初始位置，从而耗能金属板4处于往复滞回耗能状态，摩擦耗能金属板6处于静止状态，进而实现小位移下耗能金属板4充分发挥耗能效果。

[0045] 具体地，当阻尼器发生往左(往右)位移(大于摩擦耗能钢板6的起滑位移)，上连接金属板1发生相同位移，耗能金属板4上端由于与上连接金属板1固定连接，亦发生相同的位移，与中连接金属板3固定连接的耗能金属板4下端由于其出力大于Ff＝μN(μ为摩擦耗能钢板6的摩擦系数，N为预紧力施加机构7施加的预紧力)而发生相同位移，从而耗能金属板4处于静止状态，摩擦耗能金属板6处于摩擦耗能状态，进而实现大位移下摩擦耗能金属板6充分发挥耗能效果。

[0046] 综上所述，本实施例中耗能金属板4和摩擦耗能金属板6均能在多遇地震乃至极罕遇地震下发挥预设的耗能效果，从而实现装置在结构全寿命周期充分耗能的目标，进而满足结构多级抗震设防的性能目标。

[0047] 实施例二

[0048] 实施例一中，摩擦耗能金属板6为摩擦系数固定的单一摩擦耗能板，而本实施例中，摩擦耗能金属板6表面设有不同摩擦系数区域，具体可设置为表面中部的低摩擦系数区域61和两侧的高摩擦系数区域62，如图5所示。滑动金属板5的初始位置位于低摩擦系数区域61中间，当装置发生往复小行程位移(超过低摩擦系数区域61的起滑位移)时，滑动金属板5始终在低摩擦系数区域61长度范围内进行往复运动，从而利用低摩擦系数区域61来发挥预设的摩擦耗能能力；当装置发生往复大行程位移(超过高摩擦系数区域62的起滑位移)时，利用高摩擦系数区域62来发挥预设的摩擦耗能能力。通过具有高、低摩擦系数区域的摩擦耗能金属板6使用，使得装置的摩擦系数可变，在实现摩擦耗能的同时，更好控制结构的振动响应且起到限位作用。

[0049] 实施例三

[0050] 在实施例一的基础上，本实施例中，中连接金属板3的数量为两块，耗能金属板4设置于两块中连接金属板3间，且耗能金属板4的顶端和底端分别与各中连接金属板3固定连接。在本实施例中，上侧的中连接金属板3与上连接金属板1之间同样设置有由滑动金属板5和摩擦耗能金属板6组成的摩擦耗能组，且摩擦耗能组与中连接金属板3与上连接金属板1同样通过预紧力施加机构7施加法向的预紧力，其结构与连接关系与实施例一中摩擦耗能组与中连接金属板3与下连接金属板2位置和连接关系关于耗能金属板4的中间水平线相对称，如图6和图7所示。

[0051] 通过该方式可以提高摩擦耗能效果，在多遇地震乃至极罕遇地震作用下，首先安装于两中连接金属板3之间的耗能金属板4滞回耗能，当其恢复力大于等于上下两个摩擦耗能金属板6的最大静摩擦力时，耗能金属板4保持当前弹塑性状态不变，上下两个摩擦耗能金属板4与滑动金属板5间相对滑动，产生恒定或可变摩擦力发挥摩擦耗能能力。相比实施例一中技术方案，摩擦耗能组摩擦耗能后的相对滑移位移更大，耗能更多。

[0052] 实施例四

[0053] 在实施例一的基础上，本实施例中的耗能金属板4的数量为多组，如图8和图9所示，利用多组耗能金属板4同时弯曲变形实现进一步弯曲耗能，将原有的剪切耗能转换为弯曲耗能，以取得更高的弹塑性变形耗能效果。

[0054] 实施例五

[0055] 在实施例三的基础上，本实施例中的耗能金属板4的数量为根据工程实际需求设置为多组，如图10和图11所示，从而在提高了摩擦耗能效果的同时，通过多组耗能金属板4同时弯曲变形进一步实现弯曲耗能，以取得在实现更高摩擦耗能效率的同时，提高阻尼器的弹塑性变形耗能效果。

[0056] 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。