一种具有耗能时序的多重耗能阻尼器及其优化设计方法

【技术领域】

本发明涉及阻尼器技术领域，具体涉及一种具有耗能时序的多重耗能阻尼器及其优化设计方法。

【背景技术】

金属屈服阻尼器是用软钢或其它软金属材料做成的各种形式的阻尼耗能器。金属屈服后具有良好的滞回性能，利用某些金属具有的弹塑性滞回变形耗能，包括软钢阻尼器、铅阻尼器和形状记忆合金阻尼器等。它对结构进行振动控制的机理是将结构振动的部分能量通过金属的屈服滞回耗能耗散掉，从而达到减小结构反应的目的，软钢阻尼器是充分利用软钢进入塑性阶段后具有良好的滞回特性。目前很多阻尼器初始刚度不够大，材料屈服分散面积不够大，耗能结构设计的还不是很充分，无法使结构的动能或弹性势能等能量充分转化成热能等形式耗散掉，很多阻尼器仅仅正常使用时能增大建筑结构整体刚度，但是在发生大震时，很多阻尼器无法满足减少建筑结构地震反应的要求。因此，实有必要提供一种具有耗能时序的多重耗能阻尼器及其优化设计方法解决上述问题。

【发明内容】

本发明公开了一种具有耗能时序的多重耗能阻尼器及其优化设计方法，利用连接板和弹性件的性能，可以更多的吸收和耗散能量，并且在具有耗能时序性的同事，又具备自复位的能力。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种具有耗能时序的多重耗能阻尼器，包括：

内衬型钢，围成内置空间；

外套型钢，环设于所述内衬型钢四周并与所述内衬型钢间隔形成间隙；

连接件，设置于所述间隙内并连接所述内衬型钢和所述外套型钢；

核心筒，收容于所述内置空间内，所述核心筒、内衬型钢及外套型钢的中轴线位于同一直线上，所述核心筒包括：

中心轴；

两个活塞，设置于所述中心轴的相对两端，所述活塞套设于所述中心轴上，并可沿所述中心轴移动；

弹性件，套设于所述中心轴上，并设置于两个所述活塞之间；

固定件，套设于所述活塞的外圆周并与所述活塞焊接固定；

夹具，设置于所述间隙内并与所述固定件之间通过螺钉固定，所述内衬型钢上贯穿设置有避让所述螺钉的长圆孔，所述长圆孔的延伸方向与所述核心筒的中轴线方向平行，所述螺钉可沿所述长圆孔的延伸方向直线运动，所述夹具靠近所述外套型钢的一面向靠近所述内衬型钢方向凹陷形成有卡槽，所述连接件靠近所述内衬型钢的一面向靠近所述内衬型钢方向凸出形成有传力板，所述传力板对应卡设于所述卡槽内。

优选的，所述内衬型钢包括上内衬型钢和下内衬型钢，所述上内衬型钢靠近所述下内衬型钢的一端设置有第一连接法兰，所述下内衬型钢靠近所述上内衬型钢的一端设置有第二连接法兰，所述第一连接法兰和所述第二连接法兰通过弹簧螺栓紧固形成一体。

优选的，所述内衬型钢的外表面向靠近所述外套型钢方向凸出有第一端承平台，所述外套型钢的内表面向靠近所述内衬型钢方向凸出形成有第二端承平台，所述连接件一端与所述第一端承平台固定，另一端与所述第二端承平台固定，所述连接件和所述第二端承平台之间通过高强螺栓连接，所述高强螺栓的螺杆依次穿过所述外套型钢、第二端承平台及所述连接件，实现三者的固定，所述高强螺栓的头部露设于所述外套型钢外。

优选的，所述连接件与所述第二端承平台接触的一面凸出形成有第一凸条，所述第二端承平台与所述连接件接触的一面凸出形成有第二凸条，所述第一凸条和所述第二凸条交错设置并配合形成摩擦副。

优选的，所述连接件为采用形状记忆合金材料制成的板体。

优选的，所述弹性件为采用形状记忆合金制成的碟簧。

优选的，所述核心筒设置为分体式的结构，其包括上核心筒和下核心筒，其中所述上核心筒包括上中心轴、上活塞、上弹性件及上固定件；所述下核心筒包括下中心轴、下活塞、下弹性件及下固定件；所述上中心轴包括上轴体及设置于所述上轴体一端的上限位板；所述下中心轴包括下轴体及设置于所述下轴体一端的下限位板，所述上轴体和所述下轴体的中轴线位于同一直线上，所述上限位板和所述下限位板固定，所述上弹性件夹设于所述上活塞和所述上限位板之间，所述下弹性件夹设于所述下活塞和所述下限位板之间，所述上限位板与所述下限位板固定，所述上固定件与所述上活塞固定，所述下固定件与所述下活塞固定。

优选的，所述夹具的数量为偶数个，其包括第一夹具及第二夹具，所述第一夹具和所述第二夹具各占所述夹具总数的一半，所述第一夹具通过所述螺钉与所述上固定件固定；所述第二夹具通过所述螺钉与所述下固定件固定，两个所述第一夹具形成一组，一组中的两个所述第一夹具关于所述内衬型钢的中轴线对称设置；两个所述第二夹具形成一组，一组中的两个所述第二夹具关于所述内衬型钢的中轴线对称设置，所述传力板与所述夹具一一对应，所述传力板包括第一传力板和第二传力板，其中所述第一传力板与所述第一夹具连接，所述第二传力板与所述第二夹具连接。

本发明还提供上述的具有耗能时序的多重耗能阻尼器的优化设计方法，包括如下步骤：

S1:建立具有耗能时序的多重耗能阻尼器的有限元模型，对所述有限元模型进行模态分析获得第一阶模态的弹性振动特性，其中，所述弹性振动特性包括周期T、有效质量M、振型参与系数Γ以及振型向量

S2：基于所述的第一阶模态的弹性振动特性的侧向力分布，对所述有限元模型进行滞回推覆分析获得模型的滞回参数，其中所述滞回参数包括屈服后第一刚度比α

S3：根据能量平衡原理，对所述有限元模型建立等效单自由度模型，获取所述等效单自由度模型的耗能能力曲线；其中，所述等效单自由度模型的耗能能力通过所述有限元模型在侧向力下各楼层的吸收能之和利用增量方法求得，公式如下：

W

式中，F为有限元模型的侧向力分布向量，m为有限元模型的质量矩阵，

S4：利用增量方法计算所述等效单自由度模型基于能量的位移，公式如下：

式中，

S5：按照抗震设计规范选取符合场地要求的地震动记录，并获得结构的等效单自由度模型在地震动作用下的能量系数γ和峰值加速度M

其中，W

S6：将有限元模型的耗能能力曲线和能量需求曲线绘制于同一坐标系求其交点A，比较点A的横坐标x

S7：按第一阶振型向量估算各楼层的峰值层间位移角和峰值加速度响应，结合规范和结构性能的需求对峰值层间位移角和峰值加速度响应进行评估，如满足要求则优化结束；若不满足要求，执行步骤S8；

S8：调节所述连接件的性能参数，以改变所述具有耗能时序的多重耗能阻尼器的阻尼系数和速度指数；对配置优化后的具有耗能时序的多重耗能阻尼器再次建模，并转至步骤S1。

与相关技术相比，本发明提供的一种具有耗能时序的多重耗能阻尼器，由外套型钢、内衬型钢、连接件和核心筒通过使用高强螺栓进行机械连接而组成，通过利用连接件与核心筒中弹性件的性能，可以更多的吸收和耗散能量，使得本发明在具有耗能时序性的同时，又具备自复位的能力。本发明还提供一种具有耗能时序的多重耗能阻尼器的优化设计方法，利用了具有耗能时序的多重耗能阻尼器的“能力”与“需求”曲线，针对性地进行了优化。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图，其中：

图1为本发明提供的具有耗能时序的多重耗能阻尼器的立体结构示意图；

图2为图1所示的具有耗能时序的多重耗能阻尼器沿A-A线的剖视图；

图3为外套型钢的结构示意图；

图4为上内衬型钢和下内衬型钢的半剖结构示意图；

图5为图2所示B区域的放大图；

图6为图2所示C区域的放大图；

图7为图2所示D区域的放大图；

图8为图1所示的具有耗能时序的多重耗能阻尼器省略外套型钢后的结构示意图；

图9为核心筒的结构示意图。

附图标记说明：

1-内衬型钢，10-间隙，1A-上内衬型钢，1B-下内衬型钢，11A-第一连接法兰，11B-第二连接法兰，11C-弹簧螺栓，12-第一端承平台，13-长圆孔，2-外套型钢，21-第二端承平台，3-连接件，31-传力板，4-核心筒，41-中心轴，42-活塞，43-弹性件，44-固定件，4A-上核心筒，4B-下核心筒，41A-上中心轴、42A-上活塞、43A-上弹性件，44-上固定件，41B-下中心轴、42B-下活塞、43B-下弹性件，44B-下固定件，411A-上轴体，412A-上限位板，411B-下轴体，412B-下限位板，5-高强螺栓，6-夹具，60-卡槽，6A-第一夹具，6B-第二夹具，7-螺钉，8-弹簧螺栓。

【具体实施方式】

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

请结合参阅图1-9，本发明提供一种具有耗能时序的多重耗能阻尼器，包括内衬型钢1、外套型钢2、连接件3及核心筒4。

所述内衬型钢1围成内置空间，所述外套型钢2环设于所述内衬型钢1四周并与所述内衬型钢间隙形成间隙10。所述内衬型钢1的形状可以为圆柱体形、三棱柱形、四棱柱形以及其他多棱柱形的筒状结构，所述外套型钢2的形状可以为圆柱体形、三棱柱形、四棱柱形以及其他多棱柱形的筒状结构，二者任意组合进行嵌套，本实施方式对此不做限制。具体的，在本实施方式中，所述内衬型钢1和所述外套型钢2均为长方体形的筒状结构，且所述内衬型钢1的四个侧壁和所述外套型钢2的四个侧壁一一对应平行。

所述内衬型钢1包括上内衬型钢1A和下内衬型钢1B，所述上内衬型钢1A和下内衬型钢1B拼接形成一体。具体的，所述上内衬型钢1A靠近所述下内衬型钢1B的一端设置有第一连接法兰11A，所述下内衬型钢1B靠近所述上内衬型钢1A的一端设置有第二连接法兰11B，所述第一连接法兰11A和所述第二连接法兰11B通过弹簧螺栓11C紧固形成一体。将所述内衬型钢1设置为分体式的结构，可以方便在施工现场的安装及拆卸。

所述连接件3设置于所述间隙10内并连接所述内衬型钢1和所述外套型钢2。进一步的，所述内衬型钢1的外表面向靠近所述外套型钢2方向凸出有第一端承平台12，所述外套型钢2的内表面向靠近所述内衬型钢1方向凸出形成有第二端承平台21，所述连接件3一端与所述第一端承平台12固定，另一端与所述第二端承平台21固定。所述第一端承平台12的设置，可以使所述连接件3与所述内衬型钢1外表面间隔，所述第二端承平台21的设置，可以使所述连接件3与所述外套型钢2的内表面间隔，避免所述连接件3与所述内衬型钢1及外套型钢3接触，影响所述连接件3形变。所述连接件3与所述第一端承平台12采用螺栓进行固定，可以方便安装和拆卸。所述第一端承平台12可以设置于所述上内衬型钢1A上，也可以设置于所述下内衬型钢1B上，本实施方式对此不做限制。

进一步的，所述连接件3与所述第二端承平台21接触的一面凸出形成有第一凸条，所述第二端承平台21与所述连接件3接触的一面凸出形成有第二凸条，所述第一凸条和所述第二凸条交错设置并配合形成摩擦副。通过摩擦副的摩擦作用，可以起到耗能的效果。所述连接件3和所述第二端承平台21之间通过高强螺栓5连接，所述高强螺栓5的螺杆依次穿过所述外套型钢1、第二端承平台21及所述连接件3，实现三者的固定，所述高强螺栓5的头部露设于所述外套型钢1外，可以方便在安装时拧动所述高强螺栓5。

优选的，所述连接件3可以选择为弹性结构，利用所述连接件3的弹性可以起到耗能作用。在本实施方式中，所述连接件3为形状记忆合金材料制成的板体，其在具备弹性的同时，还具备自复位能力。所述连接件3的数量为四个，所述内衬型钢1的每个侧壁位置均设置有一个所述连接件3。

所述核心筒4收容于所述内置空间内，所述核心筒4、内衬型钢1及外套型钢2的中轴线位于同一直线上。

所述核心筒4包括中心轴41、活塞42、弹性件43及固定件44。

所述活塞42的数量为两个，两个所述活塞42设置于所述中心轴41的相对两端，所述活塞42套设于所述中心轴41上，并可沿所述中心轴41移动。所述活塞42与外界的载荷连接。

所述弹性件43套设于所述中心轴41上，并设置于两个所述活塞42之间。优选的，所述弹性件43为采用形状记忆合金制成的碟簧。

在本实施方式中，所述核心筒4设置为分体式的结构，其包括上核心筒4A和下核心筒4B，其中所述上核心筒4A包括上中心轴41A、上活塞42A、上弹性件43A及上固定件44A；所述下核心筒4B包括下中心轴41B、下活塞42B、下弹性件43B及下固定件44B。所述上中心轴41A包括上轴体411A及设置于所述上轴体411A一端的上限位板412A；所述下中心轴41B包括下轴体411B及设置于所述下轴体411B一端的下限位板412B。所述上轴体411A和所述下轴体411B的中轴线位于同一直线上，所述上限位板412A和所述下限位板412B固定。所述上弹性件43A夹设于所述上活塞42A和所述上限位板412A之间，所述下弹性件43B夹设于所述下活塞42B和所述下限位板412B之间。所述固定件44套设于所述活塞42的外圆周并与所述活塞42焊接固定，且所述固定件44与所述活塞42一一对应设置。在本实施方式中，所述上固定件44A与所述上活塞42A固定，所述下固定件44B与所述下活塞42B固定。

进一步的，所述具有耗能时序的多重耗能阻尼器还包括夹具6，所述夹具6设置于所述间隙10内并与所述固定件44之间通过螺钉7固定，所述内衬型钢1上贯穿设置有避让所述螺钉7的长圆孔13，所述长圆孔13的延伸方向与所述核心筒4的中轴线方向平行，所述螺钉7可以沿所述长圆孔13的延伸方向直线运动。

所述夹具6靠近所述外套型钢2的一面向靠近所述内衬型钢1方向凹陷形成有卡槽60，所述连接件3靠近所述内衬型钢1的一面向靠近所述内衬型钢1方向凸出形成有传力板31，所述传力板31对应卡设于所述卡槽60内，所述卡槽60可以对所述传力板31形成限位，同时所述传力板31和所述卡槽60的配合结构还可以起到传力作用，将力通过所述夹具6传导至所述核心筒4上，通过所述核心筒4中弹性件43的弹性作用进行耗能，所述弹性件43采用形状记忆合金材料制成，在具备弹性的同时，还具备自复位能力。

进一步的，夹具6的数量为偶数个，其包括第一夹具6A及第二夹具6B，所述第一夹具6A和所述第二夹具6B各占所述夹具6总数的一半。所述第一夹具6A通过所述螺钉7与所述上固定件44A固定；所述第二夹具6B通过所述螺钉7与所述下固定件44B固定。

两个所述第一夹具6A形成一组，一组中的两个所述第一夹具6A关于所述内衬型钢1的中轴线对称设置；两个所述第二夹具6B形成一组，一组中的两个所述第二夹具6B关于所述内衬型钢1的中轴线对称设置。

所述传力板3与所述夹具6一一对应，所述传力板3包括第一传力板3A和第二传力板3B，其中所述第一传力板3A与所述第一夹具6A连接，所述第二传力板3B与所述第二夹具6B连接。

在本实施方式中，为了更清楚的说明本发明的内容，将所述上内衬型钢1A及下内衬型钢1B的四个侧壁分别按照顺时针方向依次定义为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁及第四侧壁，所述第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁及第四侧壁依次首尾相接，所述第一侧壁和所述第三侧壁平行，所述第二侧壁和所述第四侧壁平行。其中所述第一夹具6A设置于所述上内衬型钢1A的第一侧壁及所述第三侧壁的外表面，所述第二夹具6B设置于所述下内衬型钢1B的第二侧壁及第四侧壁的外表面。该种设置方式，使得位于第一侧壁和第三侧壁位置的连接件3A可以将作用力传导至所述上弹性件43A，位于所述第二侧壁和所述第四侧壁位置的连接件3B可以将作用力传导至所述下弹性件43B，由此将最终的作用力都归于所述核心筒4上，由所述核心筒4承担主要的耗能作用。位于第一侧壁和第三侧壁位置的两个连接件3A对称设置，可以保证该方向上的两侧受力平衡，位于所述第二侧壁和第四侧壁位置的两个连接件3B对称设置，可以保证该方向上的两侧受力平衡。

具体的，本发明提供的具有耗能时序的多重耗能阻尼器的安装过程为：

(1)将上弹性件43A及上活塞42A依次套设在上中心轴41A上，完成上核心筒4A的组装；将下弹性件43B及下活塞42B依次套设在下中心轴41B上，完成上核心筒4B的组装；将上限位板412A与下限位板412B对齐并固定，完成核心筒4的组装；

(2)将上内衬型钢1A和下内衬型钢1B通过弹簧螺栓8固定；

(3)将所述连接件3与所述第一端承平台12固定，然后安装所述夹具6，使所述卡槽60与所述传力板31对齐，然后通过所述螺钉7将所述夹具6和固定件44固定到一起；

(4)将外套型钢1套在内衬型钢1外围，然后将所述连接件3与所述第二端承平台21固定；最后将上内衬型钢1A和下内衬型钢1B的两端分别与主体构件连接，完成安装。

本发明提供的一种具有耗能时序的多重耗能阻尼器的使用原理为：

主体构件与内衬型钢1连接，将拉力传导至所述内衬型钢1，并通过所述连接件3的传力作用，将力传导至所述外套型钢2上，使外套型钢1受压，所述连接件3与所述第二端承平台21的摩擦副作用，通过摩擦进行第一次耗能；拉力增大时，所述连接件3产生形变，产生第二次耗能，此时所述传力板31会驱动所述夹具产生位移，带动所述螺钉7在所述长圆孔12内发生位移，并带动所述活塞43沿所述中心轴41发生位移，所述活塞43运动会带动所述弹性件42同步发生运动，通过所述弹性件42的弹性作用，产生第三次耗能。三次耗能具有时序性，可以更多的吸收和耗散能量，并且所述连接件3和所述弹性件42均采用形状记忆合金制成，还具有自复位能力。

本发明还提供一种具有耗能时序的多重耗能阻尼器的优化设计方法，包括如下步骤：

S1:建立具有耗能时序的多重耗能阻尼器的有限元模型，对所述有限元模型进行模态分析获得第一阶模态的弹性振动特性，其中，所述弹性振动特性包括周期T、有效质量M、振型参与系数Γ以及振型向量

S2：基于所述的第一阶模态的弹性振动特性的侧向力分布，对所述有限元模型进行滞回推覆分析获得模型的滞回参数，其中所述滞回参数包括屈服后第一刚度比α

S3：根据能量平衡原理，对所述有限元模型建立等效单自由度模型，获取所述等效单自由度模型的耗能能力曲线；其中，所述等效单自由度模型的耗能能力通过所述有限元模型在侧向力下各楼层的吸收能之和利用增量方法求得，公式如下：

W

式中，F为有限元模型的侧向力分布向量，m为有限元模型的质量矩阵，

S4：利用增量方法计算所述等效单自由度模型基于能量的位移，公式如下：

式中，

S5：按照抗震设计规范选取符合场地要求的地震动记录，并获得结构的等效单自由度模型在地震动作用下的能量系数γ和峰值加速度M

其中，W

S6：将有限元模型的耗能能力曲线和能量需求曲线绘制于同一坐标系求其交点A，比较点A的横坐标x

S7：按第一阶振型向量估算各楼层的峰值层间位移角和峰值加速度响应，结合规范和结构性能的需求对峰值层间位移角和峰值加速度响应进行评估，如满足要求则优化结束；若不满足要求，执行步骤S8；

S8：调节所述连接件的性能参数，以改变所述具有耗能时序的多重耗能阻尼器的阻尼系数和速度指数；对配置优化后的具有耗能时序的多重耗能阻尼器再次建模，并转至步骤S1。

与相关技术相比，本发明提供的一种具有耗能时序的多重耗能阻尼器，由外套型钢、内衬型钢、连接件和核心筒通过使用高强螺栓进行机械连接而组成，通过利用连接件与核心筒中弹性件的性能，可以更多的吸收和耗散能量，使得本发明在具有耗能时序性的同时，又具备自复位的能力。本发明还提供一种具有耗能时序的多重耗能阻尼器的优化设计方法，利用了具有耗能时序的多重耗能阻尼器的“能力”与“需求”曲线，针对性地进行了优化。

以上对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本发明的保护范围之内。