一种粘弹性多维自复位连梁阻尼器及其抗震韧性提升方法

技术领域

本发明涉及耗能减震技术领域，具体为一种粘弹性多维自复位连梁阻尼器。

背景技术

地震灾害一直以来都是建筑结构安全的主要威胁之一。为了增强建筑物的抗震性能，减震技术一直是结构工程领域的研究热点之一。

传统的减震技术主要包括刚性结构（如钢筋混凝土框架）和被动减震装置（如减震橡胶支座和摩擦阻尼器）等。尽管这些技术在一定程度上改善了结构的抗震能力，但仍存在一些局限性，例如刚性结构对地震响应的刚性抑制效果较强，而被动减震装置的减震效果受到限制。

为了进一步提升结构的减震性能，连梁阻尼器作为一种新型的结构减震装置应运而生。连梁阻尼器通过引入可调节的阻尼力，能够有效地耗散结构的动能，从而减小结构的振动幅度和响应。与传统的减震装置相比，连梁阻尼器具有以下优势：具备较高的能量耗散能力、可调节的阻尼特性、自复位功能以及适应不同工况的灵活性。

然而，目前的连梁阻尼器仍存在一些技术挑战和局限性。在多维减震耗能方面，尽管已经有各种类型的连梁阻尼器被提出和应用，但仍存在以下几个技术问题：

第一．对于不同工程结构的适应性和性能调节的问题。如何选择合适的阻尼器参数，包括阻尼力的大小和阻尼特性的调节，仍需要进一步的研究和探索。

第二.同时，连梁阻尼器在自复位和位移放大方面也存在一些缺失。自复位功能的实现需要考虑材料的选择、几何形状的设计以及结构的可靠性。对于位移放大的需求，如何实现有效的位移放大机制，并在不影响结构整体性能的前提下，提供可靠的位移放大效果，仍是一个挑战。

第三.此外，连梁阻尼器的设计和制造也需要综合考虑材料的选择、工艺的优化以及安装的便捷性等因素，以满足不同结构的需求和实际应用的要求。

因此，针对这些技术挑战和局限性，需要进一步的研究和创新，以提升连梁阻尼器的性能和应用范围。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种粘弹性多维自复位连梁阻尼器，该连梁阻尼器具有性能优越、安装便捷、适应性强的优点，能够满足不同工程需求和结构减震的实际应用。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术手段：

一种粘弹性多维自复位连梁阻尼器，连接在两侧截断连梁之间，用于吸收和分散两侧连梁之间的振动能量，包括：

左、右对称布置的两个主体钢板，分别是第一主体钢板和第二主体钢板，两个主体钢板的相邻端通过竖向粘弹性剪切耗能单元实现消耗两侧连梁上、下方向的相对错动；主体钢板的另一端设有与连梁连接用的连接部；

旋转粘弹性剪切耗能单元，用于消耗两侧连梁相对扭转振动时的能量；

自复位机构，为阻尼器提供恢复荷载，包括三个方向的多维自复位组件，分别是：

自复位滑槽钢板，其底部具有圆弧状凸起；

所述第一主体钢板和第二主体钢板的顶部和底部分别设有凹形滑槽，两个凹形滑槽中分别设有一个所述自复位滑槽钢板，所述自复位滑槽钢板底部的圆弧状凸起能够与所述凹形滑槽相契合，且位于所述凹形滑槽的中部；所述自复位滑槽钢板的外侧设有连接翼板，连接翼板上预留有连接孔；

竖向拉伸自复位单元，上端穿过位于主体钢板上部的自复位滑槽钢板单元上连接翼板的连接孔后通过第一紧固件连接，下端穿过位于主体钢板下部的自复位滑槽钢板单元上连接翼板的连接孔后通过第二紧固件连接；

第一旋转钢桶，与所述第一主体钢板转动连接；

第二旋转钢桶，与所述第二主体钢板转动连接；

横向拉伸单元，一端通过第一连接件紧固连接在第一旋转钢桶上，另一端通过第二连接件紧固连接在第二旋转钢桶上。

两个主体钢板的相邻端分别设有连接齿板，分别是连接在第一主体钢板上的第一连接齿板、和连接在第二主体钢板上的第二连接齿板，其中，

所述第一连接齿板与所述第二连接齿板之间彼此平行交错布置，且相邻两个连接齿板之间通过硫化或粘接固定第一粘弹性材料层实现相对固定构成所述竖向粘弹性剪切耗能单元。

所述旋转粘弹性剪切耗能单元包括：

第一旋转钢板，其一侧通过硫化或粘接固定第二粘弹性材料层与所述第一主体钢板连接；

第二旋转钢板，其一侧通过硫化或粘接固定第三粘弹性材料层与所述第二主体钢板连接；

第一旋转钢板和第二旋转钢板处于同一个安装平面；

第三旋转钢桶，与所述第一主体钢板转动连接；

第四旋转钢桶，与所述第二主体钢板转动连接；

杠杆传力杆，同时穿过第三旋转钢桶和第四旋转钢桶，一端通过第一固定扣具限位在所述第一旋转钢板表面的第一预留凹槽中，另一端通过第二固定扣具限位在所述第二旋转钢板表面的第二预留凹槽中，限位后，杠杆传力杆可沿轴向进行活动。

所述竖向拉伸自复位单元和横向拉伸单元为形状记忆合金棒材、SMA丝材、预应力钢筋或高强弹簧中的任意一种。

所述第一旋转钢筒、第二旋转钢筒、第三旋转钢筒以及第四旋转钢筒，上述四个旋转钢筒靠近钢筒中部的区域上预设有外螺纹，限位钢环Ⅰ与限位钢环Ⅱ内部的预设内螺纹与其相匹配，使得第一旋转钢筒、第二旋转钢筒、第三旋转钢筒以及第四旋转钢筒被限位在第一主体钢板和第二主体钢板预留孔洞中，只能发生旋转且不会发生竖直平面外的移动。

所述第一固定扣具和第二固定扣具结构相同，均为包括两个水平固定脚和连接在两个水平固定脚之间的弧形卡箍，所述弧形卡箍与所述杠杆传力杆的外形相匹配。

所述横向拉伸自复位单元与杠杆传力杆在同一竖直平面内，横向拉伸自复位单元与竖向拉伸自复位单元处于不同竖直平面，在空间上错位布置，避免工作时的相互影响。

本发明进一步公开一种粘弹性多维自复位连梁阻尼器的抗震韧性提升方法，当所加固的结构受到小震和风振作用时，该阻尼器两侧第一主体钢板和第二主体钢板发生小幅度相对竖向位移，第一粘弹性材料层发生剪切位移耗能减震；所述竖向拉伸自复位单元受到拉伸变形开始提供自复位荷载；第一旋转钢筒和第二旋转钢筒发生相对竖向位移，使横向拉伸自复位单元拉伸变形，也开始提供自复位荷载，杠杆传力杆与第三旋转钢筒、第四旋转钢筒同时发生旋转从而传力给旋转钢板，致使第二粘弹性材料层产生剪切变形，从而开始减震耗能；

当所加固结构受到大震作用影响时，装置两侧第一主体钢板和第二主体钢板发生大幅度竖向位移，中部的第一粘弹性材料层发生大幅剪切位移耗散地震能量，竖向拉伸自复位单元受到拉伸变形，参与耗能工作并开始提供自复位能力，第一旋转钢筒和第二旋转钢筒发生相对竖向位移，横向拉伸自复位单元拉伸变形，使其也开始参与耗能工作并加强装置的自复位性能，杠杆传力杆与第三旋转钢筒、第四旋转钢筒同时发生旋转从而传力给第一旋转钢板、第二旋转钢板，致使第二粘弹性材料层产生大幅度剪切变形，从而大幅增加装置的减震耗能能力，减小结构所受到的地震响应；

所述主体钢板居中侧上下两端具有带弧形槽的三角突起与所述自复位滑槽钢板底部的弧形凸起相契合，在竖向拉伸自复位单元的拉力下紧密贴合，当自复位滑槽钢板随着主体钢板旋转而发生位置变化时，两者会因为拉力在接触面产生的分力使得两者恢复到初始状态，这一过程中竖向拉伸自复位单元提供了拉力促使了阻尼器自复位，同时由于自复位滑槽钢板与主体钢板的同弧度也导致了阻尼器具有几何自复位的特性，这两种复位原理协同工作实现了阻尼器的自复位功能，使装置以良好的初始状态准备下一次地震作用。

有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1.机理清晰、力学稳定：本发明阻尼器的工作机理清晰明确，力学关系稳定可靠。通过精确的设计和工艺控制，阻尼器的内部机构和元件相互配合，确保其在各种工况下能够稳定工作。阻尼器的力学关系保证了其能够按照设计要求提供准确可靠的阻尼效果。这种工作机理的清晰性和力学关系的稳定性使得装配式阻尼器在实际应用中更加可靠和可预测，为结构的抗震性能提供了可靠保障。

2.强劲、可靠的自复位性能：整个阻尼器拥有的三种自复位形式，使得装置在受到外部力作用后能够自动恢复到其正常工作状态。这一特性使得阻尼器在承受较大振动或冲击负荷后能够迅速恢复并重新发挥减震效果，保证了结构的连续可用性和减震性能的稳定性。自复位功能减少了人工干预和维修的需求，降低了维护成本并提高了结构的可靠性。同时，自复位功能还增加了阻尼器的适应性和灵活性，使其能够在多次地震或风荷载事件后仍能有效地保护结构，为结构的长期安全运行提供了重要保障，也满足了当下结构加固设计的韧性要求。

3.优异的位移放大效果：该阻尼器在中部设计了旋转钢筒，利用杠杆原理，使得装置在受到相对竖向位移后产生了较大的旋转位移，输入位移或荷载的高效放大，将微小的输入转化为更大的输出，从而在减震系统中产生了显著的耗能效果。这种位移放大的有益效果使得阻尼器能够显著提升结构的抗震能力和稳定性，减少结构的振动幅度和加速度，保护建筑物和结构免受破坏和损坏。通过使用本装置的放大功能，可以满足对高耗能、高韧性需求的场景，提高抗震系统的性能和效率。

4.维修和更换的便利性：装配式设计使得阻尼器的安装、拆卸和维修更加简便。通过标准化的组件和连接方式，可以快速替换受损或老化的部件，节省了维修时间和成本。这为阻尼器的可持续运行和维护提供了便利。

5.维护成本的经济性：由于装配式阻尼器的可维修性和可更换性，可以及时修复或更换受损的部件，延长了阻尼器的使用寿命。这降低了维护成本，减少了对整体结构的干预和破坏，提高了结构的可靠性和经济效益。

6.灵活性和可调控性：该装配式阻尼器的设计使得其具有较高的灵活性和可调控性。可以根据实际需要调整阻尼器的参数，如刚度、阻尼和自复位性能等特性，以适应不同的结构和工程要求。这为优化结构的减震性能提供了灵活的手段。

7.该减震器中所述第一主体钢板、第二主体钢板居中侧上下两端具有带弧形槽的三角突起，与所述自复位滑槽钢板底部的弧形凸起相契合在自复位部件的拉力下紧密贴合，当自复位滑槽钢板随着主体钢板旋转而发生位置变化时，两者会因为拉力在接触面产生的分力使得两者恢复到初始状态。这一过程中自复位部件提供了拉力促使了阻尼器自复位，同时由于自复位滑槽钢板与主体钢板的同弧度也导致了阻尼器具有几何自复位的特性，这两种复位原理协同工作实现了阻尼器的自复位功能，使装置以良好的初始状态准备下一次地震作用。

本发明提供的一种粘弹性多维自复位连梁阻尼器，通过连接构件装配在结构梁体上，与结构共同抗震耗能，其良好的耗能能力，使其可以消耗大量的地震能量。装置具有位移放大的性能，也就提高了阻尼器的刚度，使其可以在地震影响下，为结构分担更多的地震能量，增强结构的抗震性能。装置的多自复位功能，保证了装置可以再多次地震下都能最大化的发挥出其抗震性能。

附图说明

图1是本发明粘弹性多维自复位连梁阻尼器的结构示意图；

图2是本发明粘弹性多维自复位连梁阻尼器单侧爆炸图；

图3是本发明粘弹性多维自复位连梁阻尼器上下侧半剖示意图；

图4是本发明粘弹性多维自复位连梁阻尼器左右侧半剖示意图；

图5是本发明粘弹性多维自复位连梁阻尼器旋转放大部分细部示意图；

图6是本发明粘弹性多维自复位连梁阻尼器上下侧自复位装置细部示意图；

图7是本发明粘弹性多维自复位连梁阻尼器内部结构示意图；

图8是本发明粘弹性多维自复位连梁阻尼器粘弹性主体结构示意图。

图中：1-1.第一主体钢板；1-2.第二主体钢板；2-1-1.第一粘弹性材料层；2-2-1.第二粘弹性材料层；3-1-1.自复位滑槽钢板；3-2.竖向拉伸自复位单元；3-3.横向拉伸自复位单元；4-1.杠杆传力杆；4-2-1.第一旋转钢板；4-2-2.第二旋转钢板；4-3.第一旋转钢筒；4-4.第二旋转钢筒；4-5.第三旋转钢筒；4-6.第四旋转钢筒；5-1.预紧螺母；5-2-1.限位钢环Ⅰ；5-2-2.限位钢环Ⅱ；5-3-1. 固定圆弧钢板；5-3-2.固定螺栓。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参阅图1，一种粘弹性多维自复位连梁阻尼器，包括第一主体钢板1-1、第二主体钢板1-2、若干竖向拉伸自复位单元3-2和横向拉伸自复位单元3-3；第一旋转钢板4-2-1、第二旋转钢板4-2-2、第一旋转钢筒4-3、第二旋转钢筒4-4、第三旋转钢筒4-5、第四旋转钢筒4-6、杠杆传力杆4-1、自复位滑槽钢板3-1-1和固定圆弧钢板5-3-1、固定螺栓5-3-2组成。

竖向拉伸自复位单元3-2的SMA棒材通过预紧螺母5-1锚固于自复位滑槽钢板3-1-1上，横向拉伸自复位单元3-3的SMA棒材锚固在第一旋转钢筒4-3上；杠杆传力杆4-1一端穿过第三旋转钢筒4-5，另一端穿过第四旋转钢筒4-6，被所述固定圆弧钢板5-3-1和固定螺栓5-3-2紧固在旋转钢板上；

作为一个优选实施例，为了减重，所述第一主体钢板1-1、第二主体钢板1-2均为空心钢板，且居中侧上下两端具有带弧形槽的三角突起，与自复位滑槽钢板3-1-1相契合。

所述固定扣具由固定圆弧钢板5-3-1和固定螺栓5-3-2构成，固定圆弧钢板5-3-1主体为半圆形，固定螺栓5-3-2安装于固定圆弧钢板5-3-1的水平钢板处。

所述第一旋转钢筒4-3与第二旋转钢筒4-4分别由限位钢环Ⅰ5-2-1与限位钢环Ⅱ5-2-2限位在第一主体钢板1-1和第二主体钢板1-2中的预设孔洞内。

所述竖向拉伸自复位单元3-2的SMA棒材与横向拉伸自复位单元3-3的SMA棒材，二者体量并非要求相同，应根据设计工况需要，来设定适宜的尺寸与直径。

所述固定扣具中固定圆弧钢板5-3-1和固定螺栓5-3-2的位置，以及第一旋转钢筒4-3和第二旋转钢筒4-4的开孔位置，都应根据放大比例所需进行设置，不同的固定间距会带来不同的放大效果。

所述固定圆弧钢板5-3-1与杠杆传力杆4-1二者设计上是相互契合的，从而减小震动对装置的损害。

所述自复位滑槽钢板3-1-1、第一旋转钢筒4-3、第二旋转钢筒4-4、固定圆弧钢板5-3-1等存在摩擦的部分，应在安装时均匀涂抹润滑剂或润滑油，保证装置可以正常工作。

下面对本发明提供的粘弹性多维自复位连梁阻尼器的抗震方法进行详细的说明。

1应根据所加固结构的使用设计工况，来确定该连梁阻尼器阻尼力的大小，这其中包括粘弹性材料的尺寸、厚度、布置位置以及数量等参数，并根据装置的体量和结构的需求，设置合理的自复位单元体量长度、直径和数量等参数，并可以通过预紧构件，施加给自复位单元一定的预紧力；

2该粘弹性多维自复位连梁阻尼器设置安装在梁体中部，在地震影响下，与混凝土框架共同变形吸收大量的能量，可以大幅度提升所加固结构的抗震能力及自复位能力；

3当所加固的结构受到小震和风振作用时，该装置两侧第一主体钢板和第二主体钢板发生小幅度相对竖向位移，中部的第一粘弹性材料层发生剪切位移耗能减震，竖向拉伸自复位单元受到拉伸变形开始提供自复位荷载，第一旋转钢筒和第二旋转钢筒发生相对竖向位移，使横向拉伸自复位单元拉伸变形，也开始提供自复位荷载，杠杆传力杆与第二旋转钢筒同时发生旋转从而传力给旋转钢板，致使第二粘弹性材料层产生剪切变形，从而开始减震耗能；

当所加固结构受到大震作用影响时，装置两侧第一主体钢板和第二主体钢板发生大幅度竖向位移，中部的第一粘弹性材料层发生大幅剪切位移耗散地震能量，竖向拉伸自复位单元受到拉伸变形，参与耗能工作并开始提供自复位能力，第一旋转钢筒和第二旋转钢筒发生相对竖向位移，横向拉伸自复位单元拉伸变形，使其也开始参与耗能工作并加强装置的自复位性能，杠杆传力杆与第二旋转钢筒同时发生旋转从而传力给旋转钢板，致使第二粘弹性材料层产生大幅度剪切变形，从而大幅增加装置的减震耗能能力，减小结构所受到的地震响应。

同时，竖向拉伸自复位单元与横向拉伸自复位单元的材料自复位性能以及自复位滑槽钢板的力学自复位性能，可以为受震结构在震后提供可靠的自恢复性以及韧性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。