黏滞阻尼器以及带有黏滞阻尼器和屈曲约束耗能杆的连梁

技术领域

本发明属于土木工程结构抗震与防灾减灾技术领域，涉及抗震连梁，具体涉及黏滞阻尼器以及带有黏滞阻尼器和屈曲约束耗能杆的连梁。

背景技术

消能减震技术是指在原结构中某些相对变形较大的部位安装阻尼器或者将某些非承重构件设计成消能构件，与原结构组成一个新的结构系统，当地震来临时，阻尼器或消能构件先于结构进入耗能状态，大量消耗地震输入能量，从而提高抗震性能。相比于传统的抗震结构而言，消能减震结构具有以下特点和优势：消能减震结构体系由于设有附加的非承重耗能构件（耗能支撑、耗能剪力墙等）或耗能装置等，在强震来临时，它们率先进入耗能阶段消耗大部分地震能量，为结构多增添一道防线，保证主体结构和构件免遭破坏，可控性较强，从而很大程度的提高了建筑物的安全性。

授权公告号为CN114293674B的中国专利公开了一种连梁，该连梁采用四个SMA摩擦复合阻尼器作为消能减震结构，能够在地震时实现自我修复，提高了连梁的耗能能力，同时减小了连梁的震后残余位移。上述现有技术中存在的主要缺陷为：虽然SMA摩擦复合阻尼器能够抵抗大震带来的损伤，但由于其结构阻尼不足，导致其在小震或中震时难以充分进入塑性以耗散地震能量。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种黏滞阻尼器以及带有黏滞阻尼器和屈曲约束耗能杆的连梁，解决现有技术中连梁的消能减震结构的阻尼和耗能能力有待进一步提高的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种带有黏滞阻尼器和屈曲约束耗能杆的连梁，包括平行设置的上黏滞阻尼器和下屈曲约束耗能杆，还包括平行设置的上屈曲约束耗能杆和下黏滞阻尼器；所述的上黏滞阻尼器和下黏滞阻尼器的结构相同，所述的上屈曲约束耗能杆和下屈曲约束耗能杆的结构相同。

所述的上黏滞阻尼器包括阻尼器缸体，阻尼器缸体的轴向一端封闭且轴向另一端开放，阻尼器缸体开放的轴向一端固定设置有阻尼器封盖；所述的阻尼器缸体内可活动式设置有活塞杆，活塞杆的轴向一端固定设置有活塞，阻尼器缸体和阻尼器挡板所围成的密闭空间为阻尼介质腔；所述的阻尼器缸体内固定设置有阻尼器挡板，阻尼器挡板的中心处开设有通孔，活塞杆的轴向另一端穿过阻尼器挡板中心处的通孔且位于阻尼器缸体内。

所述的阻尼器缸体内设置有第一SMA细棒和第二SMA细棒；第一SMA细棒的轴向一端固定连接在阻尼器缸体封闭的轴向一端上，第一SMA细棒的轴向另一端穿过活塞并且可活动式设置在活塞内，第一SMA细棒伸出活塞的轴向另一端上固定连接有第一细棒限位块；第二SMA细棒的轴向一端穿过活塞并且可活动式设置在活塞内，第二SMA细棒伸出活塞的轴向一端上固定连接有第二细棒限位块，第二SMA细棒的轴向另一端固定连接在阻尼器挡板上；第一SMA细棒的轴向另一端和第二SMA细棒的轴向一端以活塞中心轴线为对称轴相对设置。

所述的阻尼器缸体、阻尼器封盖和阻尼器挡板所围成的空间为齿轮组设置腔；齿轮组设置腔内设置有有齿轮盒，齿轮盒的轴向一端封闭且轴向另一端开放，齿轮盒的轴向一端固定在活塞杆的轴向另一端上；齿轮盒的内壁上设置有一对齿轮轨道，一对齿轮轨道以齿轮盒的中心轴线为对称轴相对设置，齿轮轨道上啮合有大齿轮；所述的齿轮盒内可活动式设置有导杆，导杆的轴向一端上设置有齿条并啮合有一对小齿轮，一对小齿轮以导杆为对称轴相对设置。

所述的大齿轮与小齿轮固定相连接且为同心设置，一个小齿轮和一个大齿轮共同组成一个齿轮组，导杆在轴向方向上进行移动后能够驱动齿轮组转动，使得齿轮组能够在齿轮轨道上沿着轴向方向进行运动。

本发明还具有如下技术特征：

所述的阻尼器缸体封闭的轴向一端上固定设置有阻尼器连接耳板；所述的阻尼器封盖的中心处开设有通孔，导杆的轴向另一端穿过阻尼器封盖的中心通孔并伸出阻尼器缸体外，导杆的轴向另一端上固定设置有导杆连接耳板。

所述的下屈曲约束耗能杆包括外套筒，外套筒的两端均开放，外套筒内嵌套有内杆，内杆的中间段的横截面为十字形，内杆轴向两段的横截面均为圆形。

所述的内杆的轴向一端上开设有左销钉孔，内杆的轴向另一端上开设有右销钉孔，内杆的轴向两端保留圆形截面，开设的左销钉孔和右销钉孔用于将屈曲约束耗能杆安装在连梁上。

所述的上屈曲约束耗能杆和下屈曲约束耗能杆形成的夹角为α

所述的连梁包括左非消能梁段和右非消能梁段，左非消能梁段和右非消能梁段平行相对且沿着竖向方向设置；左非消能梁段和右非消能梁段之间铰接有上弦杆和下弦杆，上弦杆和下弦杆平行相对且沿着横向方向设置。

所述的左非消能梁段的内侧铰接有上屈曲约束耗能杆的一端，上屈曲约束耗能杆的另一端铰接在上弦杆的内侧上，上弦杆的内侧上还铰接有上黏滞阻尼器的一端，上黏滞阻尼器的另一端铰接在右非消能梁段的内侧上；右非消能梁段的内侧上还铰接有下黏滞阻尼器的一端，下黏滞阻尼器的另一端铰接在下弦杆的内侧上，下弦杆的内侧上还铰接有下屈曲约束耗能杆的一端，下屈曲约束耗能杆的另一端铰接在左非消能梁段的内侧上。

所述的左非消能梁段内侧的顶部设置有第一连接端头，左非消能梁段内侧的底部设置有第二连接端头；所述的右非消能梁段内侧的顶部设置有第三连接端头，右非消能梁段内侧的底部设置有第四连接端头；所述的第一连接端头、第二连接端头、第三连接端头和第四连接端头两两相对设置且结构相同。

本发明还保护如上所述的黏滞阻尼器。

本发明与现有技术相比，具有如下有益的技术效果：

（Ⅰ）本发明的连梁以两个黏滞阻尼器和两个屈曲约束耗能杆作为消能减震结构，屈曲约束耗能杆和黏滞阻尼器性能互补，其中，屈曲约束耗能杆在大震下屈曲约束耗能杆充分进入塑性耗散地震能量，增大连梁的耗能能力，以避免非耗能梁段和剪力墙的损伤；黏滞阻尼器能够在小震和中震下增大结构的附加阻尼，减小地震加速度，在小震作用下也能够发挥出不错的耗能能力，同时为连梁提供自复位能力。综合上述分析可知，相比于现有技术中的连梁，本发明的连梁的结构阻尼更大，具有更强的耗能能力，屈曲约束耗能杆和黏滞阻尼器协同工作，能够有效提高连梁的抗震韧性。

（Ⅱ）本发明的连梁中的两个屈曲约束耗能杆和两个黏滞阻尼器采取菱形四角结构进行布设，能够减小屈曲约束耗能杆和黏滞阻尼器的尺寸，从而减轻重量，方便安装和损伤后拆卸更换，减少修复时间和成本，提高经济性。

（Ⅲ）本发明的黏滞阻尼器的结构能够保证了SMA材料不会出现受压屈曲的现象，进而保证了阻尼器能够提供自复位功能；相比较于SMA丝，采用SMA细棒参与受力时更加稳定，能够显著减少残余位移为连梁提供自复位功能；齿轮结构能够放大位移从而实现放大阻尼器的速度，使阻尼器在小震作用下，也可以具有不错的耗能能力。

（Ⅳ）本发明的屈曲约束耗能杆的内杆为十字型结构，十字形截面的两侧刚度相同，不存在明显的弱轴，在受压时有稳定的多波屈曲现象；此外，并且截面削弱后的十字形截面仍可以匹配内径较小的圆形外套管，使内核和圆形外套管之间的间距较小，从而减小内核与圆形外套管之间的摩擦力。该屈曲约束耗能杆的稳定性好，构造简单且易更换。

附图说明

图1为黏滞阻尼器的整体结构示意图。

图2为黏滞阻尼器的齿轮结构的示意图。

图3为黏滞阻尼器的变形状态示意图，图3中：（a）表示黏滞阻尼器处于平衡状态，（b）表示黏滞阻尼器处于拉伸状态，（c）表示黏滞阻尼器处于收缩状态。

图4为屈曲约束耗能杆的结构示意图。

图5为屈曲约束耗能杆的横截面示意图。

图6为内杆的结构示意图。

图7为外套筒的结构示意图。

图8为带有黏滞阻尼器和屈曲约束耗能杆的连梁的整体结构示意图。

图9为上弦杆的结构示意图。

图10为第一连接端头的结构示意图。

图11为带有黏滞阻尼器和屈曲约束耗能杆的连梁的变形状态示意图。

图中各标号的含义为：1-上黏滞阻尼器，2-上屈曲约束耗能杆，3-下屈曲约束耗能杆，4-下黏滞阻尼器，5-左非消能梁段，6-右非消能梁段，7-上弦杆，8-下弦杆，9-第一铰接件，10-第二铰接件，11-第三铰接件，12-第四铰接件，13-第五铰接件，14-第六铰接件，15-第七铰接件，16-第八铰接件，17-第一连接端头，18-第二连接端头，19-第三连接端头，20-第四连接端头。

101-阻尼器缸体，102-阻尼器封盖，103-活塞杆，104-活塞，105-阻尼介质腔，106-阻尼器挡板，107-第一SMA细棒，108-第二SMA细棒，109-齿轮组设置腔，110-齿轮盒，111-齿轮轨道，112-大齿轮，113-导杆，114-小齿轮，115-阻尼器连接耳板，116-导杆连接耳板，117-第一细棒限位块，118-第二细棒限位块。

201-外套筒，202-内杆，203-左销钉孔，204-右销钉孔。

701-方钢管混凝土，702-端板，703-圆形耳板。

1701-连接主板，1702-高强螺栓，1703-横向加劲肋，1702-竖向加劲肋。

F表示外力，箭头表示外力的方向。

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

具体实施方式

本发明中：SMA指的是形状记忆合金。

需要说明的是，本发明中的所有用到的零部件，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的零部件，例如：内杆202为现有技术中已知的具有弹性的杆，优选钢杆、镍合金杆、合金钢杆或形状记忆合金杆。

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例给出一种黏滞阻尼器，如图1和图2所示，包括阻尼器缸体101，阻尼器缸体101的轴向一端封闭且轴向另一端开放，阻尼器缸体101开放的轴向一端固定设置有阻尼器封盖102；阻尼器缸体101内可活动式设置有活塞杆103，活塞杆103的轴向一端固定设置有活塞104，阻尼器缸体101和阻尼器挡板106所围成的密闭空间为阻尼介质腔105；阻尼器缸体101内固定设置有阻尼器挡板106，阻尼器挡板106的中心处开设有通孔，活塞杆103的轴向另一端穿过阻尼器挡板106中心处的通孔且位于阻尼器缸体101内；阻尼器缸体101内设置有第一SMA细棒107和第二SMA细棒108；第一SMA细棒107的轴向一端固定连接在阻尼器缸体101封闭的轴向一端上，第一SMA细棒107的轴向另一端穿过活塞104并且可活动式设置在活塞104内，第一SMA细棒107伸出活塞104的轴向另一端上固定连接有第一细棒限位块117；第二SMA细棒108的轴向一端穿过活塞104并且可活动式设置在活塞104内，第二SMA细棒108伸出活塞104的轴向一端上固定连接有第二细棒限位块118，第二SMA细棒108的轴向另一端固定连接在阻尼器挡板106上；第一SMA细棒107的轴向另一端和第二SMA细棒108的轴向一端以活塞104中心轴线为对称轴相对设置。

如图1和图2所示，阻尼器缸体101、阻尼器封盖102和阻尼器挡板106所围成的空间为齿轮组设置腔109；齿轮组设置腔109内设置有有齿轮盒110，齿轮盒110的轴向一端封闭且轴向另一端开放，齿轮盒110的轴向一端固定在活塞杆103的轴向另一端上；齿轮盒110的内壁上设置有一对齿轮轨道111，一对齿轮轨道111以齿轮盒110的中心轴线为对称轴相对设置，齿轮轨道111上啮合有大齿轮112；齿轮盒110内可活动式设置有导杆113，导杆113的轴向一端上设置有齿条并啮合有一对小齿轮114，一对小齿轮114以导杆113为对称轴相对设置；大齿轮112与小齿轮114固定相连接且为同心设置，一个小齿轮114和一个大齿轮112共同组成一个齿轮组，导杆113在轴向方向上进行移动后能够驱动齿轮组转动，使得齿轮组能够在齿轮轨道111上沿着轴向方向进行运动。

本实施例中，第一细棒限位块117和第二细棒限位块118分别对第一SMA细棒107和第二SMA细棒108起到限位作用。如图3中的（a）和（b）所示，当活塞104向左发生相对运动时，由于第二细棒限位块118的限位作用，会使第二SMA细棒108受拉伸长，而第一SMA细棒107的长度则保持不变，如图3中的（a）和（c）所示，当活塞104向右发生相对运动时，由于第一细棒限位块117的限位作用，会使第一SMA细棒107受拉伸长，而第二SMA细棒108的长度则保持不变。相比较于SMA丝，SMA细棒参与受力时更加稳定，能够显著减少残余位移为连梁提供自复位功能。

本实施例中，阻尼介质腔105内填充有粘性流体介质，例如硅油，在活塞104往复运动过程中，硅油通过活塞104与阻尼器缸体101之间的空隙流动从而实现摩擦耗能，为连梁提供附加阻尼，阻尼介质腔105的大小以及活塞104与阻尼器缸体101之间的空隙大小影响阻尼器的耗能效果。

本实施例中，齿轮组设置腔109、齿轮盒110、齿轮轨道111、大齿轮112和小齿轮114所组成的齿轮结构能够放大导杆113的位移，从而实现活塞104移动速度的放大，使得阻尼器在小震和中震作用下，也能够具有不错的耗能能力。大齿轮112和小齿轮114的尺寸根据实际情况进行选择，大齿轮112和小齿轮114的半径之比影响速度放大倍率。

本实施例中，阻尼器挡板106对活塞杆103起到支撑和导向作用；阻尼器封盖102对导杆113起到支撑和导向作用。

作为本实施例的一种具体方案，如图1所示，阻尼器缸体101封闭的轴向一端上固定设置有阻尼器连接耳板115；阻尼器封盖102的中心处开设有通孔，导杆113的轴向另一端穿过阻尼器封盖102的中心通孔并伸出阻尼器缸体101外，导杆113的轴向另一端上固定设置有导杆连接耳板116，阻尼器连接耳板115和导杆连接耳板116用于将黏滞阻尼器安装在连梁内。

实施例2：

本实施例给出一种屈曲约束耗能杆，如图4至图7所示，包括外套筒201，外套筒201的两端均开放，外套筒201内嵌套有内杆202，内杆202的中间段的横截面为十字形，内杆202轴向两段的横截面均为圆形。

本实施例中，内杆202是将圆柱状杆体的中间位置削去四角，进而形成了十字形状截面，在遇到地震时，该特殊形状的截面处能够充分进入塑性耗能，内杆202的截面面积可以增大或减小，以满足不同的实际使用要求。外套筒201能够抑制内杆202受压时屈曲，起到保护内杆202的作用。

作为本实施例的一种具体方案，如图4和图6所示，内杆202的轴向一端上开设有左销钉孔203，内杆202的轴向另一端上开设有右销钉孔204，内杆202的轴向两端保留圆形截面，开设的左销钉孔203和右销钉孔204用于将屈曲约束耗能杆安装在连梁上。

实施例3：

本实施例给出一种带有黏滞阻尼器和屈曲约束耗能杆的连梁，如图8所示，包括平行设置的上黏滞阻尼器1和下屈曲约束耗能杆3，还包括平行设置的上屈曲约束耗能杆2和下黏滞阻尼器4；上黏滞阻尼器1和下黏滞阻尼器4的结构相同，上黏滞阻尼器1和下黏滞阻尼器4采用实施例1中的黏滞阻尼器；上屈曲约束耗能杆2和下屈曲约束耗能杆3的结构相同，上屈曲约束耗能杆2和下屈曲约束耗能杆3采用实施例2中的屈曲约束耗能杆。

本实施例中，连梁的承载力由上屈曲约束耗能杆2和下屈曲约束耗能杆3来提供，上黏滞阻尼器1和下黏滞阻尼器4只提供附加阻尼。

本实施例中，黏滞阻尼器能够增大结构阻尼，减小地震加速度，在小震作用下也可以发挥出不错的耗能能力，相比较于SMA丝，选择SMA细棒作为受力结构则更加稳定，能够显著减少残余位移，为连梁提供自复位功能。

作为本实施例的一种具体方案，如图8所示，上屈曲约束耗能杆2和下屈曲约束耗能杆3形成的夹角为α

本实施例中，菱形四角布置可以减小屈曲约束耗能杆和黏滞阻尼器的尺寸，从而减轻重量，方便安装和损伤后拆卸更换，减少修复时间和成本。

作为本实施例的一种具体方案，如图8所示，连梁包括左非消能梁段5和右非消能梁段6，左非消能梁段5和右非消能梁段6平行相对且沿着竖向方向设置；左非消能梁段5和右非消能梁段6之间铰接有上弦杆7和下弦杆8，上弦杆7和下弦杆8平行相对且沿着横向方向设置；左非消能梁段5的内侧铰接有上屈曲约束耗能杆2的一端，上屈曲约束耗能杆2的另一端铰接在上弦杆7的内侧上，上弦杆7的内侧上还铰接有上黏滞阻尼器1的一端，上黏滞阻尼器1的另一端铰接在右非消能梁段6的内侧上；右非消能梁段6的内侧上还铰接有下黏滞阻尼器4的一端，下黏滞阻尼器4的另一端铰接在下弦杆8的内侧上，下弦杆8的内侧上还铰接有下屈曲约束耗能杆3的一端，下屈曲约束耗能杆3的另一端铰接在左非消能梁段5的内侧上。

本实施例中，如图9所示，上弦杆7和下弦杆8的结构相同。上弦杆7包括方钢管混凝土701、端板702和圆形耳板703，方钢管混凝土701两端分别中心对齐焊接端板702和圆形耳板703，一个端板702和一个圆形耳板703共同组成连接件。

本实施例中，左非消能梁段5和右非消能梁段6均采用现有技术中已知的常规的普通型钢梁，非消能梁段的外侧固接与剪力墙内。左非消能梁段5和右非消能梁段6的屈服承载力大于上弦杆7和下弦杆8的极限承载力，确保左非消能梁段5和右非消能梁段6保持弹性。

作为本实施例的一种具体方案，如图8所示，左非消能梁段5内侧的中间位置从上到下依次设置有第一铰接件9和第二铰接件10；上弦杆7内侧的中间位置从左到右依次设置有第三铰接件11和第四铰接件12；右非消能梁段6内侧的中间从上到下依次设置有第五铰接件13和第六铰接件14；下弦杆8内侧的中间位置从左到右依次设置有第七铰接件15和第八铰接件16。

本实施例中，第一铰接件9、第二铰接件10、第三铰接件11、第四铰接件12、第五铰接件13、第六铰接件14、第七铰接件15和第八铰接件16的承载力大于上黏滞阻尼器1、上屈曲约束耗能杆2、上屈曲约束耗能杆3和下黏滞阻尼器4传递来的拉力或压力的1.2倍，以保证有足够的安全冗余度。

作为本实施例的一种具体方案，如图8所示，左非消能梁段5内侧的顶部设置有第一连接端头17，左非消能梁段5内侧的底部设置有第二连接端头18；右非消能梁段6内侧的顶部设置有第三连接端头19，右非消能梁段6内侧的底部设置有第四连接端头20；第一连接端头17、第二连接端头18、第三连接端头19和第四连接端头20两两相对设置且结构相同。本实施例中，上弦杆7和下弦杆8通过连接件和第一连接端头17、第二连接端头18、第三连接端头19、第四连接端头20实现固定安装。

作为本实施例的一种具体方案，上屈曲约束耗能杆2的左销钉孔203和右销钉孔204内均设置有销钉，上屈曲约束耗能杆2的轴向一端通过左销钉孔203和销钉铰接在第一铰接件9内，上屈曲约束耗能杆2的轴向另一端通过右销钉孔204和销钉铰接在第三铰接件11内；下屈曲约束耗能杆3的左销钉孔203和右销钉孔204内均设置有销钉，下屈曲约束耗能杆3的轴向一端通过左销钉孔203和销钉铰接在第二铰接件10内，下屈曲约束耗能杆3的轴向另一端通过右销钉孔204和销钉铰接在第七铰接件15内。

作为本实施例的一种具体方案，如图10所示，第一连接端头17包含一个连接主板1701、四个高强螺栓1702、两个横向加劲肋1703和两个竖向加劲肋1702，连接端头的连接主板1701通过高强螺栓1702分别与左非消能梁段5和右非消能梁段6相连，两个横向加劲肋1703和两个竖向加劲肋1702对称焊接在连接主板的另一面上，两个横向加劲肋1703的间距大于连接件的高度，两个竖向加劲肋1702的间距大于连接件的厚度。连接端头中的高强螺栓1702提供的承载力应大于连接端头受到水平拉力的1.2倍，以保证有足够的安全冗余。

作为本实施例的一种具体方案，上黏滞阻尼器1的阻尼器连接耳板115和第四铰接件12通过销钉实现铰接，上黏滞阻尼器1的导杆连接耳板116和第五铰接件13通过销钉实现铰接，下黏滞阻尼器4的阻尼器连接耳板115和第八铰接件16通过销钉实现铰接，下黏滞阻尼器4的导杆连接耳板116和第六铰接件14通过销钉实现铰接。

本发明的工作过程和原理如下：

如图11所示，在地震作用下，左非消能梁段5和右非消能梁段6的相对位置发生改变，使得上弦杆7和下弦杆8的相对位置也发生改变，进而使得上屈曲约束耗能杆2和下黏滞阻尼器4因拉伸而变长，下屈曲约束耗能杆3和上黏滞阻尼器1因压缩为变短，上述变形过程中只有上黏滞阻尼器1、上屈曲约束耗能杆2、下屈曲约束耗能杆3和下黏滞阻尼器4进入塑性状态耗散能量，所以损伤只集中在上黏滞阻尼器1、上屈曲约束耗能杆2、下屈曲约束耗能杆3和下黏滞阻尼器4上，便于震后修复和更换。