CN110725427A - 一种免震损可自恢复型金属双筒空间减震消能器 - Google Patents

Abstract

一种免震损可自恢复型金属双筒空间减震消能器，属于土木工程结构消能减震领域。包括消能筒A、消能筒B、限位环板、限位挡板、限位槽板、限位环腔、连接件、定位挂板和薄橡胶垫。其特征在于：两个消能筒间靠连接件磁体吸附固定，同时两个消能筒的接触面间通过凹槽和凸缘吻合镶嵌形成咬合，以实现双筒三维相对变形被约束；在消能筒内部设置拉伸和挤压变形的限位装置，可控制消能筒变形范围；当双筒相对拉伸变形过大时，吸附的接触面脱开并各自恢复变形，变形较小时又吸附咬合使双筒恢复成一个整体。本发明可实现消能筒在一定变形范围内产生稳定的塑性耗能，能适应空间三维变形及大位移，可自动恢复初始状态，免于震后修复，构造简单，安装便捷。

Description

一种免震损可自恢复型金属双筒空间减震消能器

技术领域

本发明涉及土木工程结构消能减震技术领域，特别是涉及一种免震损可自恢复型金属双筒空间减震消能器。

背景技术

目前，金属消能器在工程结构消能减震中的应用日益增多，其主要原理是由金属材料屈服后产生的塑性滞回变形耗散地震能量，减缓结构的震动响应，避免结构发生破环。现有的软钢消能器有轴向屈服型、剪切屈服型、弯曲屈服型和扭转屈服型。

历次地震灾害表明，地震波的频段较宽，大震过后伴随有频繁的余震，因此金属消能器的持续耗能能力至关重要，确保在大震下消能器不发生损坏，满足结构大位移需要。而目前大部分金属消能器变形能力有限，往往在一次大震下产生损坏，因丧失变形耗能能力而失效。在经历一次地震之后，大多数种类的金属消能器都不能继续使用，需要更换或维护。

现有的金属耗能器主要在一维线单元或二维平面发生屈服变形耗能，不能更好的适应结构空间三维震动的特点，容易在垂直耗能变形方向上产生屈曲导致消能器提前失效，不利于稳定耗散地震能量。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种免震损可自恢复型金属双筒空间减震消能器，该消能器通过磁吸力和镶嵌形式将两个形状相同的金属耗能筒吸附咬合为一个可实现空间三维变形的整体，双筒可在小变形下提供稳定的弯曲耗能，在大变形下克服磁吸力而相互脱开，可防止因结构的大位移而造成消能器变形过大导致的失效。在一次地震后，双筒通过磁吸力和镶嵌形式可自行恢复初始状态。同时，双筒中的弧形板在耗能变形中的屈服位置不断变化，既可以充分发挥弧形板的塑性变形增强耗能能力，也可以显著提高消能器的低周疲劳性能。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种免震损可自恢复型金属双筒空间减震消能器，其特征在于：包括消能筒A、消能筒B、限位环板、限位挡板、限位槽板、限位环腔、连接件、定位挂板和薄橡胶垫。所述消能筒A的截面为类椭圆形，由矩形板和弧形板焊接或螺栓连接而成，一片圆孔矩形板采用铁质高强钢且开有大小不等的若干圆孔和矩形孔A，其在消能筒A外侧作为接触面连接消能筒B，另一片高强钢材质的矩形板在外侧通过焊接和螺栓连接固定在定位挂板上，弧形板采用非磁性材质的记忆合金，是主要的塑性弯曲耗能部件；在消能筒A内部设置拉伸和挤压变形的限位装置，一个是在消能筒A截面的长径边固定高强钢材质的限位环板，限位环板有两个且呈半椭圆形，分别在消能筒A中的两片矩形板内侧焊接，形成限位环腔，另一个是在消能筒A截面的长径中轴处设置限位槽板和限位挡板，限位槽板截面呈H形，H形长边的空槽插入限位挡板，其空槽宽度比限位挡板的厚度大4mm，H形短边端部与消能筒A的弧形板焊接；限位挡板一侧端部与消能筒A的弧形板焊接为一个整体，另一侧插入限位槽板的空腔内，并确保限位挡板平面与限位槽板平面间可相对自由滑动。

所述消能筒B在与消能筒A的接触面上设置与消能筒A中矩形板圆孔位置对应的钢铁质球状凸缘，该球状凸缘完全吻合嵌入圆孔内形成镶嵌，可以实现双筒三维相对位移被嵌固约束；所述消能筒B在与消能筒A接触的一片凸缘矩形板上开有大小不等的若干矩形孔B；所述矩形孔B与矩形孔A大小相同，接触位置完全对应；所述消能筒B的其余部分与消能筒A的完全相同。

所述消能筒A与消能筒B接触面位置的两个限位环腔内各放置一个具有磁铁条的连接件；所述连接件沿长度方向贯穿限位环腔，并通过磁铁条上的矩形凸缘完全吻合嵌入两侧铁质高强钢的矩形孔A和矩形孔B中吸附固定；两个所述连接件在端部的接触面通过磁吸力吸附固定；所述连接件由两端L形磁铁块和中部磁铁条通过黏贴吸附组成，且在无接触部位的表面依次粘贴薄橡胶夹层和钢铁质薄外壳。

所述消能筒A与消能筒B接触的外表面上，即消能筒A中的圆孔矩形板的外表面上牢固粘贴一层薄橡胶垫，薄橡胶垫圆孔的位置与所粘贴的矩形板上的圆孔大小和位置相同；所述限位环板外表面牢固粘贴薄橡胶垫；所述限位挡板在面对限位槽板的表面上牢固粘贴薄橡胶垫；在两个所述连接件的端部相接触面的各自表面上粘贴薄橡胶垫；所述薄橡胶垫的作用是缓冲受力，避免各构件间碰撞接触时产生磨损。所述四个限位环腔内部粘贴并充满橡胶。

所述定位挂板通过螺栓连接或焊接可靠固定在防震缝、防震沟两侧的主体结构墙、柱或梁上。

所述消能筒A与所述消能筒B相对靠近发生挤压变形，当限位环板抵住限位槽板的表面时，双筒间的挤压变形达到最大，即耗能筒中的弧形板压弯达到最大；所述消能筒A与所述消能筒B相对远离发生拉伸变形，当限位挡板抵住限位槽板的空槽内部最深处钢板时，双筒间抵抗拉伸变形的刚度陡增，并接近最大值，即耗能筒中的弧形板拉弯刚度增大，限制弧形板的拉弯变形过大，使弧形板保持在低屈服应力状态工作，避免双筒在相互脱开前弧形板达到极限抗拉强度。所述限位环板、限位挡板和限位槽板保证了弧形板在有限变形范围内产生稳定的弯曲耗能。

所述消能筒A与消能筒B接触面上的最大磁吸力应控制在能使双筒中的弧形板产生塑性屈服时所受到的力与弧形板达到极限强度时受到的力之间；所述消能筒A与所述消能筒B的相对分离变形较小时，即相对分离变形在双筒中产生的拉力小于磁吸力时，双筒以镶嵌形式咬合并通过磁吸力固定为一个整体，可在空间上进行稳定的三维变形耗能；所述消能筒A与所述消能筒B的相对分离变形较大时，即相对分离变形在双筒中产生的拉力大于磁吸力时，双筒分别克服磁场做功使接触面脱开，脱开后的消能筒A与消能筒B各自恢复变形，即双筒形成独立单元使应力下降变形恢复；当分开的消能筒A与消能筒B又相对靠近时，接触面间受到磁吸力而紧密贴合，同时凸缘完全嵌入圆孔中使双筒精准复位，重新固定为一个整体，又共同进行空间三维变形耗能。

本发明的有益效果：

1.本发明中通过双筒接触面间磁吸力的吸附咬合以及限位装置，可以使消能筒中的弧形板弯曲耗能部件实现在有限变形范围内保持一定的屈服应力水平，产生稳定持续的弯曲耗能。

2.本发明中主体结构产生大位移时，由于消能筒的抗拉强度大于其接触面间的磁场吸力，双筒间克服磁场吸力可相互脱开，形成独立单个消能筒，降低消能筒受到的拉应力，免于消能筒自身在大变形条件下损坏失效。

2.本发明中双筒接触面间通过磁吸力和镶嵌咬合可实现消能器在地震作用下的自恢复功能。

3.本发明具有空间三维变形特点，能够完全匹配和适应复杂地震动的空间三维震动情况，实现阻尼器的空间三维变形耗能，空间双筒形状耗能面积大，双筒中的记忆合金弧形板在耗能变形过程中屈服位置不断变化，既可以充分发挥弧形板的塑性变形增强耗能能力，也可以显著提高消能器的低周疲劳性能。

4.本发明使用范围较广泛，既可用于新建建筑物也可安装在既有建筑物中进行结构减震加固，制作安装便捷，构造简单，在保证有效变形耗能的同时具有良好的整体稳定性和工作安全性。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为图1在A-A处的正截面剖视图；

图3为本发明中消能筒A示意图；

图4为本发明中消能筒B示意图；

图5为本发明中连接件示意图；

图6为本发明结构的分解示意图；

图7为本发明用ABAQUS模拟的空间三维合力-合位移滞回曲线图。

图8为本发明在框架结构中的应用实例。

1-消能筒A，2-消能筒B，11-弧形板，12-圆孔矩形板，13-圆孔，14-矩形孔A，2-消能筒B，22-凸缘矩形板，23-球状凸缘，24-矩形孔B，3-限位环板，4-限位挡板，5-限位槽板，6-限位环腔，71-L形磁铁块，72-磁铁条，721-矩形凸缘，8-定位挂板，9-薄橡胶垫，91-薄橡胶垫圆孔。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明所述的一种免震损可自恢复型金属双筒空间减震消能器，其特征在于：包括消能筒A(1)、消能筒B(2)、限位环板(3)、限位挡板(4)、限位槽板(5)、限位环腔(6)、连接件(图5所示)、定位挂板(8)和薄橡胶垫(9)。所述消能筒A的截面为类椭圆形，由矩形板和弧形板(11)焊接或螺栓连接而成，一片圆孔矩形板(12)采用铁质高强钢且开有大小不等的若干圆孔(13)和矩形孔A(14)，其在消能筒A(1)外侧作为接触面连接消能筒B(2)，另一片高强钢材质的矩形板在外侧通过焊接和螺栓连接固定在定位挂板(8)上，弧形板(11)采用非磁性材质的记忆合金，是主要的塑性弯曲耗能部件；在消能筒A(1)内部设置拉伸和挤压变形的限位装置，一个是在消能筒A(1)截面的长径边固定高强钢材质的限位环板(3)，限位环板(3)有两个且呈半椭圆形，分别在消能筒A(1)中的两片矩形板内侧焊接，形成限位环腔(6)，另一个是在消能筒A(1)截面的长径中轴处设置限位槽板(5)和限位挡板(4)，限位槽板(5)截面呈H形，H形长边的空槽插入限位挡板(4)，其空槽宽度比限位挡板(4)的厚度大4mm，H形短边端部与消能筒A(1)的弧形板焊接；限位挡板(4)一侧端部与消能筒A(1)的弧形板(11)焊接为一个整体，另一侧插入限位槽板(5)的空腔内，并确保限位挡板(4)平面与限位槽板(5)平面间可相对自由滑动。

所述消能筒B(2)在与消能筒A(1)的接触面上设置与消能筒A(1)中圆孔矩形板(12)圆孔(13)位置对应的钢铁质的球状凸缘(23)，该球状凸缘(23)完全吻合嵌入圆孔(13)内形成镶嵌，可以实现双筒三维相对位移被嵌固约束；所述消能筒B(2)在与消能筒A(1)接触的一片凸缘矩形板(22)上开有大小不等的若干矩形孔B(24)；所述矩形孔B(24)与矩形孔A(14)大小相同，接触位置完全对应；所述消能筒B(2)的其余部分与消能筒A(1)的完全相同。

所述消能筒A(1)与消能筒B(2)接触面位置的两个限位环腔(6)内各放置一个具有磁铁条(72)的连接件，如图5所示；所述连接件沿长度方向贯穿限位环腔(6)，并通过磁铁条(72)上的矩形凸缘(721)完全吻合嵌入两侧铁质高强钢的矩形孔A和矩形孔B中吸附固定；所述连接件在端部的接触面通过磁吸力吸附固定；所述连接件由两端L形磁铁块(71)和中部磁铁条(72)通过黏贴吸附组成，且在无接触部位的表面依次粘贴薄橡胶夹层和钢铁质薄外壳。

所述消能筒A(1)与消能筒B(2)接触的外表面上，即消能筒A(1)中的圆孔矩形板(12)的外表面上牢固粘贴一层薄橡胶垫(9)，薄橡胶垫圆孔的(91)位置与所粘贴的圆孔矩形板(12)上的圆孔(13)大小和位置相同；所述限位环板(3)外表面牢固粘贴薄橡胶垫(9)；所述限位挡板(4)在面对限位槽板(5)的表面上牢固粘贴薄橡胶垫(9)；在两个所述连接件的端部相接触面的各自表面上粘贴薄橡胶垫(9)；所述薄橡胶垫(9)的作用是缓冲受力，避免各构件间碰撞接触时产生磨损。所述四个限位环腔(6)内部牢固粘贴并充满橡胶。

所述定位挂板(8)通过螺栓连接或焊接可靠固定在防震缝或防震沟两侧的主体结构墙、柱或梁上。

在实际操作上，所述消能筒A(1)与所述消能筒B(2)相对靠近发生挤压变形，当限位环板(3)抵住限位槽板(5)的外表面时，双筒间的挤压变形达到最大，即耗能筒中的弧形板压弯达到最大；所述消能筒A(1)与所述消能筒B(2)相对远离发生拉伸变形，当限位挡板(4)抵住限位槽板(5)的空槽内部最深处钢板时，双筒间抵抗拉伸变形的刚度陡增，并接近最大值，即耗能筒中的弧形板(11)拉弯刚度增大，防止弧形板(11)的拉弯变形过大，使弧形板(11)保持在一定屈服应力范围内工作，避免双筒在相互脱开前弧形板(11)达到极限抗拉强度。所述限位环板(3)、限位挡板(4)和限位槽板(5)保证了弧形板(11)在有限变形范围内产生稳定的弯曲耗能。

所述消能筒A(1)与消能筒B(2)接触面上的最大磁吸力应控制在能使双筒中的弧形板(11)产生塑性屈服时所受到的力与弧形板(11)达到极限强度时受到的力之间；所述消能筒A(1)与所述消能筒B(2)的相对分离变形较小时，即相对分离变形在双筒中产生的拉力小于磁吸力时，双筒以镶嵌形式咬合并通过磁吸力固定为一个整体，可在空间上进行稳定的三维变形耗能；所述消能筒A(1)与所述消能筒B(2)的相对分离变形较大时，即相对分离变形在双筒中产生的拉力大于磁吸力时，双筒分别克服磁场做功使接触面脱开，脱开后的消能筒A(1)与消能筒B(2)各自恢复变形，即双筒形成独立单元使应力下降变形恢复；当分开的消能筒A(1)与消能筒B(2)又相对靠近时，接触面间受到磁吸力而紧密贴合，同时球状凸缘(23)完全嵌入圆孔(13)中使双筒精准复位，重新固定为一个整体，又共同进行空间三维变形耗能。

当双筒作为整体进行空间三维变形耗能时，其滞回曲线，如图7所示，采用合成的空间三维合力与合位移表示，即三维合力：

三位合位移：

本消能器可安装在防震缝、防震沟两侧的主体结构上，如图8中的框架实例所示，消能器安装在防震缝两侧的框架柱间。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来设，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种免震损可自恢复型金属双筒空间减震消能器，其特征在于：包括消能筒A、消能筒B、限位环板、限位挡板、限位槽板、限位环腔、连接件、定位挂板和薄橡胶垫。所述消能筒A的截面为类椭圆形，由矩形板和弧形板焊接或螺栓连接而成，一片圆孔矩形板采用铁质高强钢且开有大小不等的若干圆孔和矩形孔A，其在消能筒A外侧作为接触面连接消能筒B，另一片高强钢材质的矩形板在外侧通过焊接和螺栓连接固定在定位挂板上，弧形板采用非磁性材质的记忆合金，是主要的塑性弯曲耗能部件；在消能筒A内部设置拉伸和挤压变形的限位装置，一个是在消能筒A截面的长径边固定高强钢材质的限位环板，限位环板有两个且呈半椭圆形，分别在消能筒A中的两片矩形板内侧焊接，形成限位环腔，另一个是在消能筒A截面的长径中轴处设置限位槽板和限位挡板，限位槽板截面呈H形，H形长边的空槽插入限位挡板，其空槽宽度比限位挡板的厚度大4mm，H形短边端部与消能筒A的弧形板焊接；限位挡板一侧端部与消能筒A的弧形板焊接为一个整体，另一侧插入限位槽板的空腔内，并确保限位挡板平面与限位槽板平面间可相对自由滑动。

2.根据权利要求1所述一种免震损可自恢复型金属双筒空间减震消能器，其特征在于：所述消能筒B在与消能筒A的接触面上设置与消能筒A中矩形板圆孔位置对应的钢铁质球状凸缘，该球状凸缘完全吻合嵌入圆孔内形成镶嵌，可以实现双筒三维相对位移被嵌固约束；所述消能筒B在与消能筒A接触的一片凸缘矩形板上开有大小不等的若干矩形孔B；所述矩形孔B与矩形孔A大小相同，接触位置完全对应；所述消能筒B内部的其余部分与消能筒A的完全相同。

3.根据权利要求1-2所述一种免震损可自恢复型金属双筒空间减震消能器，其特征在于：所述消能筒A与消能筒B接触面位置的两个限位环腔内各放置一个具有磁铁条的连接件；所述连接件沿长度方向贯穿限位环腔，并通过磁铁条上的矩形凸缘完全吻合嵌入两侧铁质高强钢的矩形孔A和矩形孔B中吸附固定；两个所述连接件在端部的接触面通过磁吸力吸附固定；所述连接件由两端L形磁铁块和中部磁铁条通过黏贴吸附组成，且在无接触部位的表面依次粘贴薄橡胶夹层和钢铁质薄外壳。

4.根据权利要求1-3所述一种免震损可自恢复型金属双筒空间减震消能器，其特征在于：所述消能筒A与消能筒B接触的外表面上，即消能筒A中的圆孔矩形板的外表面上牢固粘贴一层薄橡胶垫，薄橡胶垫圆孔的位置与所粘贴的矩形板上的圆孔大小和位置相同；所述限位环板外表面牢固粘贴薄橡胶垫；所述限位挡板在面对限位槽板的表面上牢固粘贴薄橡胶垫；在两个所述连接件的端部相接触面的各自表面上粘贴薄橡胶垫；所述薄橡胶垫的作用是缓冲受力，避免各构件间碰撞接触时产生磨损。所述四个限位环腔内部粘贴并充满橡胶。

5.根据权利要求1所述一种免震损可自恢复型金属双筒空间减震消能器，其特征在于：所述定位挂板通过螺栓连接或焊接可靠固定在防震缝、防震沟两侧的主体结构墙、柱或梁上。

6.根据权利要求1-5所述一种免震损可自恢复型金属双筒空间减震消能器，其特征在于：所述消能筒A与所述消能筒B相对靠近发生挤压变形，当限位环板抵住限位槽板的表面时，双筒间的挤压变形达到最大，即耗能筒中的弧形板压弯达到最大；所述消能筒A与所述消能筒B相对远离发生拉伸变形，当限位挡板抵住限位槽板的空槽内部最深处钢板时，双筒间抵抗拉伸变形的刚度陡增，并接近最大值，即耗能筒中的弧形板拉弯刚度增大，限制弧形板的拉弯变形过大，使弧形板保持在低屈服应力状态工作，避免双筒在相互脱开前弧形板达到极限抗拉强度。所述限位环板、限位挡板和限位槽板保证了弧形板在有限变形范围内产生稳定的弯曲耗能。

7.根据权利要求1-6所述一种免震损可自恢复型金属双筒空间减震消能器，其特征在于：所述消能筒A与消能筒B接触面上的最大磁吸力应控制在能使双筒中的弧形板产生塑性屈服时所受到的力与弧形板达到极限强度时受到的力之间；所述消能筒A与所述消能筒B的相对分离变形较小时，即相对分离变形在双筒中产生的拉力小于磁吸力时，双筒以镶嵌形式咬合并通过磁吸力固定为一个整体，可在空间上进行稳定的三维变形耗能；所述消能筒A与所述消能筒B的相对分离变形较大时，即相对分离变形在双筒中产生的拉力大于磁吸力时，双筒分别克服磁场做功使接触面脱开，脱开后的消能筒A与消能筒B各自恢复变形，即双筒形成独立单元使应力下降变形恢复；当分开的消能筒A与消能筒B又相对靠近时，接触面间受到磁吸力而又重新紧密贴合，同时凸缘完全嵌入圆孔中使双筒精准复位，重新固定为一个整体，又共同进行空间三维变形耗能。

Images