一种多轴耗能自平衡式自复位摩擦连梁阻尼器

技术领域

本发明属于土木工程中抗震与消能减震领域，主要是涉及一种多轴耗能自平衡式自复位摩擦连梁阻尼器。

背景技术

随着建筑业不断发展，高层建筑大量出现。其中剪力墙由于能够提高建筑结构的整体稳定性与抗震性能，被广泛应用于高层建筑结构中。然而，相邻剪力墙之间的钢筋混凝土连梁在地震作用下较易受损，并往往产生难以修复的破坏。一般而言，在侧向力的作用下，连梁端部会同时产生相对剪切位移与相对轴向位移。

为提高连梁-剪力墙结构的整体抗震性能，一种有效解决方法为采用可更换的阻尼器替换部分连梁。而摩擦阻尼器具有构造简单、取材方便、造价低廉、安装与维护方便等优点，应用到连梁阻尼器中形成摩擦连梁阻尼器可提供较大的附加阻尼力与附加刚度，表现出良好的库伦特性，从而提供可靠的耗能能力与减震效果。然而现有的摩擦型连梁阻尼器较少，另外，在变形产生后阻尼器本身存在较大的残余变形，对建筑结构修复产生较大阻碍。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多轴耗能自平衡式自复位摩擦连梁阻尼器。

本发明实现的具体技术方案为：

一种多轴耗能自平衡式自复位摩擦连梁阻尼器，可针对连梁两端发生相对剪切位移及轴向位移时实现摩擦耗能，引入方便控制SMA合金丝预紧力的自复位机制，该自复位机制包括耗能构造、自复位构造，所述耗能构造包括第一耗能构造、第二耗能构造，所述自复位构造包括横向自复位构造、竖向自复位构造。

进一步地，所述第一耗能构造在相对轴向地震荷载下，由八块带孔钢片(400)组合成的两组菱形阻尼器，由于预紧力作用，两两带孔钢片(400)之间发生相对转动，由中间的第二合金摩擦片(420)承担摩擦耗能；两组菱形阻尼器对称布置，单组菱形摩擦阻尼器包括四块带孔钢片(400)、第二合金摩擦片(420)，通过上下两根第四连接螺栓(411)、左右两根第三连接螺栓(410)和第二T型螺母(412)将两组菱形摩擦阻尼器相连。

进一步地，所述第二耗能构造在相对剪切地震荷载作用下，圆盘(300)发生转动，由于预紧力作用，圆盘(300)与弯板(100)发生相对转动时，由中间的第一合金摩擦片(200)承担摩擦耗能。

进一步地，所述第二耗能构造，包括对称布置的两组长圆孔转动摩擦阻尼器，单组长圆孔转动摩擦阻尼器包括两块弯板(100)、中间圆盘(300)，所述弯板(100)和中间圆盘(300)之间设置第一合金摩擦片(200)，通过第一连接螺栓(110)、第二连接螺栓(111)与第一T型螺母(112)，再用端部连接板(500)通过多根端部连接螺栓(510)进行整体固定以与剪力墙墙体相连，在菱形摩擦阻尼器和长圆孔转动摩擦阻尼器接触面处设置聚四氟乙烯片(430)，起一定的润滑作用，减少钢材间的直接摩擦损耗。

进一步地，所述单组长圆孔转动摩擦阻尼器由第一连接螺栓(110)、第二连接螺栓(111)先后通过弯板(100)上弯板螺栓第一圆通孔(101)、弯板螺栓第二圆通孔(103)、第一合金摩擦片第一通孔(201)、第一合金摩擦片第三通孔(203)进行限位，由第三连接螺栓(410)带动中间圆盘第二圆通孔(303)，使第二连接螺栓(111)在中间圆盘长圆通孔(302)区间内发生位移。

进一步地，所述横向自复位构造，在弯板第一槽孔(104)内对称设置两个预设螺纹插块(610)，使用夹具将横向SMA丝(620)固定在无预设螺纹的插块(600)上，再装入弯板第二槽孔(105)内，插入第一内六角连接螺栓(630)，先后通过无预设螺栓插块第二通孔(602)和有预设螺纹插块通孔(611)；所述横向自复位构造，通过对第一内六角连接螺栓(630)进行拧紧，可实现对横向SMA丝(620)施加预应力，且预应力的程度都可手动控制，在阻尼器发生相对剪切或拉伸运动时，横向自复位构造起作用。

进一步地，所述竖向自复位构造，在菱形阻尼器的上下两第三连接螺栓(411)处设置不规则空心钢构造(700)，使用夹具将竖向SMA丝(730)固定在无预设螺纹的小长方体SMA丝通孔(712)处，插入第二内六角螺栓(720)，先后通过无预设螺纹的小长方体螺栓通孔(711)和不规则空心钢构造带螺纹通孔(701)，通过放松插入在不规则空心钢构造带螺纹通孔(701)内的第二内六角连接螺栓(720)进行对竖向SMA丝(730)施加预应力；所述竖向自复位构造，通过对第二内六角连接螺栓(720)进行放松，可实现对竖向SMA丝(730)施加预应力，且预应力的程度都可手动控制，在阻尼器发生相对收缩运动时，竖向自复位构造起作用。

进一步地，调节第一连接螺栓(110)、第二连接螺栓(111)与第一T型螺母(112)的预紧力，满足阻尼器不同程度相对剪切运动摩擦耗能；调节第三连接螺栓(410)、第四连接螺栓(411)与第二T型螺母(412)的预紧力，可满足阻尼器不同程度相对轴向运动的摩擦耗能。

进一步地，在设计地震荷载下，阻尼器发生相对剪切或相对轴向运动时，形状记忆合金SMA丝将发生超弹性变形，阻尼器本体刚材构造都处于弹性状态。

进一步地，在地震荷载消失后，由于横向SMA丝(620)和竖向SMA丝(730)存在预应力，整个连梁体系将在形状记忆合金恢复力的作用下复位到初始状态，无全局的残余变形。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)由于轴力对连梁阻尼器的力学性能影响不如剪力那样显著，在目前主流的连梁阻尼器体系中主要考虑其力学特性受剪力作用的影响，忽略轴向力对其的影响，导致其抗轴向力性能较差，因此本发明首次提出在不损害连梁阻尼器抗剪切能力的前提下，在连梁阻尼器中部布置菱形阻尼器，以满足其一定的抗轴向力性能要求。

(2)与现有技术相比，本发明首次在摩擦连梁阻尼器中提出用预紧SMA丝的办法作为自复位构造为结构系统提供自复位性能，提供可更换性能的同时减少了建筑在灾害后的修复时间。

(3)本连梁阻尼器发明在地震作用下，具有同时承受剪力与轴力作用的耗能模式，其中的预紧SMA丝提供的自复位构造为结构系统提供自复位性能，提供可更换性能的同时减少了建筑在灾害后的修复时间。

(4)本发明对可恢复功能连梁式阻尼器的发展与运用具有实际意义和工程应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的具体实施方式和技术方案，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做简单介绍，其中：

图1显示为本发明实施例的立体结构示意图；

图2显示为本发明实施例的结构俯视图；

图3显示为本发明实施例的结构主视图；

图4显示为本发明实施例的结构后视图；

图5显示为本发明实施例的左右弯板结构示意图(包括5a、5b)；

图6显示为本发明实施例的中间圆盘结构示意图；

图7显示为本发明实施例的第一合金摩擦片结构示意图；

图8显示为本发明实施例的第二合金摩擦片结构示意图；

图9显示为本发明实施例的聚四氟乙烯片结构示意图。

附图标记说明：(100)弯板；(101)弯板螺栓第一圆通孔；(102)弯板螺栓长圆通孔；(103)弯板螺栓第二圆通孔；(104)弯板第一槽孔；(105)弯板第二槽孔；(106)弯板侧边螺栓通孔；(110)第一连接螺栓；(111)第二连接螺栓；(112)第一T型螺母；(200)第一合金摩擦片；(201)第一合金摩擦片第一通孔；(202)第一合金摩擦片第二通孔；(203)第一合金摩擦片第三通孔；(300)中间圆盘；(301)中间圆盘第一圆通孔；(302)中间圆盘长圆通孔；(303)中间圆盘第二圆通孔；(400)带孔钢片；(401)带孔钢片第一通孔；(402)带孔钢片第二通孔；(410)第三连接螺栓；(411)第四连接螺栓；(412)第二T型螺母；(420)第二合金摩擦片；(421)第二合金摩擦片通孔；(430)聚四氟乙烯片；(431)聚四氟乙烯片通孔；(500)端部连接板；(501)端部连接板通孔；(510)端部连接螺栓群；(600)无预设螺纹插块；(601)无预设螺纹插块第一通孔；(602)无预设螺栓插块第二通孔；(610)有预设螺纹插块；(611)有预设螺纹插块通孔；(620)横向SMA丝；(630)第一内六角连接螺栓；(700)不规则空心钢构造；(701)不规则空心钢构造带螺纹通孔；(702)不规则空心钢构造通孔；(710)无预设螺纹的小长方体；(711)无预设螺纹的小长方体螺栓通孔；(712)无预设螺纹的小长方体SMA丝通孔；(720)第二内六角连接螺栓；(730)竖向SMA丝。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

为了清楚地展示本发明实施例的目的、技术方案和优点，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行完整的描述。当然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中间”、“横向”、“竖向”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，或者是本发明产品使用时时常摆放的方位或位置，这类术语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特定构造或方位。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隐含指明所指示的技术特征和数量。

如图1至图9所示。本发明(一种多轴耗能自平衡式自复位摩擦连梁阻尼器)包括耗能构造和自复位构造，包括：第一耗能构造(针对轴向力的菱形摩擦阻尼器)、第二耗能构造(针对剪切力的长圆孔转动摩擦阻尼器)、横向自复位结构和竖向自复位结构。

具体实施过程如下：

第一部分实现第二耗能构造和横向自复位构造的装配，第二耗能构造是由对称布置的两组长圆孔转动摩擦阻尼器组成，横向自复位构造是由无预设螺纹插块(600)、有预设螺纹插块(610)、横向SMA丝(620)和第一内六角连接螺栓(630)组成。需要注意的是横向SMA丝(620)具体根数根据实际情况而定。

单组长圆孔转动摩擦阻尼器具体实施方式如下：在对称布置的两块弯板(100)中间依次对称布置两块第一合金摩擦片(200)，最中间布置中间圆盘(300)，保证弯板螺栓第一圆通孔(101)与第一合金摩擦片第一通孔(201)、中间圆盘第一圆通孔(301)重合；弯板螺栓第二圆通孔(103)与第一合金摩擦片第三通孔(203)重合，与中间圆盘长圆通孔(302)弧口相切；中间圆盘第二圆通孔(303)与第一合金摩擦片第二通孔(202)重合，与弯板螺栓长圆通孔(102)弧口相切，第一连接螺栓(110)先后通过弯板螺栓第一圆通孔(101)、第一合金摩擦片第一通孔(201)、中间圆盘第一通孔(301)，第二连接螺栓(111)先后通过弯板螺栓第二圆通孔(103)、第一合金摩擦片第三通孔(203)、中间圆盘长圆通孔(302)进入，在与第一T型螺母紧固之前，需装入已在结构外初步连接好的横向自复位构造(还未对SMA丝施加预应力)，无预设螺纹插块(600)插入弯板第一槽孔(104)，有预设螺纹插块(610)插入弯板第二槽孔(105)。最后将端部连接板(500)上的端部连接板通孔(501)与弯板侧边螺栓通孔(106)重合，插入端部连接螺栓群(510)以便于与墙体相连。

第二部分实现第一耗能构造和竖向自复位构造的装配，第一耗能构造是由中间对称布置的两组菱形摩擦阻尼器组成，竖向自复位构造是由不规则空心钢构造(700)、无预设螺纹的小长方体(710)、竖向SMA丝(730)和第二内六角连接螺栓(720)组成。需要注意的是竖向SMA丝(730)具体根数根据实际情况而定。

单组菱形摩擦阻尼器具体实施方式如下：四块带孔钢片(400)成一定角度，依次叠放，中间设置第二合金摩擦片(420)，先用菱形阻尼器第三连接螺栓(410)穿过菱形阻尼器外侧带孔钢片第一通孔(401)、聚四氟乙烯片通孔(431)、弯板螺栓长圆通孔(102)、中间圆盘第二圆通孔(303)，在对称面与第二T型螺母(412)紧固；在插入菱形阻尼器第四连接螺栓(411)时，需装配已在结构外初步连接好的竖向自复位构造(还未对SMA丝施加预应力)，两根菱形阻尼器第四连接螺栓(411)通过不规则空心钢构造(700)的不规则空心钢构造通孔(702)，在对面处与第二T型螺母(412)紧固。

本发明的相对剪切耗能工作原理如下：相对剪切地震荷载下，阻尼器的端部连接板(500)带动着弯板(100)会有一个相对剪切的运动趋势，左右两处菱形阻尼器第三连接螺栓(410)会在弯板螺栓长圆通孔(102)区间内产生位移，从而带动中间圆盘(300)转动，简言之，是中间圆盘(300)和外侧弯板(100)发生相对转动，此摩擦耗能由第一合金摩擦片(200)承担，预紧力由第一连接螺栓(110)、第二连接螺栓(111)和第一T型螺母(112)来控制。

本发明的相对轴向耗能工作原理如下：相对轴向地震荷载下，左右两组转动摩擦阻尼器产生相对轴向运动趋势，利用“平行四边形的不稳定性”性质，充当左右两组转动摩擦阻尼器连接部分的由八块带孔钢片(400)、第二合金摩擦片(420)、第三连接螺栓(410)、第四连接螺栓(411)、第二T型螺母(412)组成的菱形阻尼器，发生相对收缩/拉伸位移，此转动摩擦耗能由第二合金摩擦片(420)承担，预紧力由菱形阻尼器第三连接螺栓(410)、第四连接螺栓(411)和第二T型螺母(412)来控制。

需要注意的是，本发明在菱形摩擦阻尼器和长圆孔转动摩擦阻尼器的四个接触面处均设置了聚四氟乙烯片(430)，起一定的润滑作用，减小阻尼器在发生相对剪切与相对轴向耗能时这些地方的摩擦损耗。

本发明自复位机制工作原理如下：由于在阻尼器工作前，通过拧紧第一内六角连接螺栓(630)对横向SMA丝(620)施加一定的预应力，通过放松第二内六角连接螺栓(720)对竖向SMA丝(730)施加一定的预应力。需要注意的是，由于横向自复位构造与竖向自复位构造都是对称的，故为了避免形状记忆合金丝预应力的提前损失，不管是对第一内六角连接螺栓(630)拧紧还是对第二内六角连接螺栓(720)放松，都是上下一起或左右一起对称性的工作。当地震荷载消失后，在形状记忆合金丝恢复力的作用下，阻尼器结构恢复原状。

最后，需要说明的是，阻尼器的相对剪切运动与相对轴向运动，可能单独发生，也可能同时发生，故长圆孔转动摩擦阻尼器与菱形阻尼器，横向自复位机制与竖向自复位机制，在特殊情况下会同时工作，但整体的工作并不影响其单独的性能。以上各实施例仅用来说明本发明的技术方案，而非对其进行限制。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。