一种可控应变幅耗能钢阻尼器

1.本发明属于土木工程技术领域，涉及一种可控应变幅耗能钢阻尼器。


背景技术：

2.增加结构阻尼是结构减隔震设计的重要手段，目前较为常用的阻尼器包括液压粘滞阻尼、钢阻尼器和摩擦阻尼器，其中钢阻尼器由于造价便宜，性能稳定，得到广泛应用。国内外的研究人员和工程设计人员依据结构特点、施工条件和所处工程环境等因素，提出了各式各样的钢阻尼器，如：矩形板钢阻尼器、三角板钢阻尼器、x形钢阻尼器、棒状钢阻尼器，其工作原理即通过钢材进入塑性之后的屈服耗能。但当前的钢阻尼器普遍存在低周疲劳性能不足的问题，强震下阻尼器的位移较大，导致地震下钢材处于高应变幅(最大应变与最小应变的差值)状态，阻尼器的失效循环数相应地减少。为此工程中常需要增大阻尼器的结构尺寸以减小钢材地震下的应变幅，该种做法显然不够经济且受阻尼器安装空间限制，且震后维修困难。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是为了提供一种可控应变幅耗能钢阻尼器，以克服现有技术中钢阻尼器在强震下应变幅较高、低周疲劳性能不足、经济性较差或震后维修困难等缺陷。本发明提供了一种应变幅可控，最大行程可调，可适应地震下大位移，同时震后养护维修方便的阻尼器，即可控应变幅耗能钢阻尼器。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
5.一种可控应变幅耗能钢阻尼器，其包括上下平行放置的第一平板和第二平板，所述第一平板与主梁连接，所述第二平板与桥墩或盖梁连接，所述第一平板和第二平板之间设有塑性耗能组件，所述塑性耗能组件包括交替缠绕在所述第一平板和所述第二平板上的塑性耗能条带，且所述塑性耗能条带的两端与所述第二平板固定连接，当地震时，所述第一平板与所述第二平板发生相对错动，所述塑性耗能条带发生塑性变形且限制所述第一平板与所述第二平板的相对错动。
6.进一步的，所述第一平板与所述第二平板均包括平直段以及位于所述平直段的纵向两端的圆弧段，所述圆弧段向外侧凸出，所述塑性耗能条带沿所述平直段的横向缠绕。
7.进一步的，所述塑性耗能条带设有单条或若干条，当所述塑性耗能条带设有若干条时，每条塑性耗能条带分别沿所述第一平板和所述第二平板的长度方向依次交替缠绕在所述第一平板和所述第二平板上。
8.进一步的，所述第一平板和第二平板之间还设有拉索，所述拉索的缠绕方式和固定方式都与所述塑性耗能条带相同。当发生极罕遇地震，阻尼器位移超过最大行程时，高强度的柔性拉索可提供额外的限位作用。
9.进一步的，所述第一平板的上方设有与主梁连接的第四平板，所述第四平板的下表面设有凹槽，所述第一平板的两端设有限位板，所述限位板的上端卡入所述凹槽中并且
可沿竖直方向在所述凹槽内部移动。
10.更进一步的，所述限位板呈工字型，所述凹槽的边缘向内侧延伸并抵住所述限位板的竖直段。
11.更进一步的，所述限位板与所述第一平板螺栓连接。
12.更进一步的，所述第四平板与主梁螺栓连接。
13.进一步的，在所述第一平板的纵向两端设有滚筒本体，所述滚筒本体的中心轴线与所述第一平板的横向平行，所述塑性耗能条带围绕所述滚筒本体缠绕在所述第一平板上。
14.更进一步的，所述第一平板的横向两端设有第一固定板，所述第一固定板与主梁螺栓连接，所述滚筒本体与所述第一固定板连接。
15.更进一步的，所述第一平板的纵向两端与所述滚筒本体的形状适配。
16.更进一步的，所述第一平板与所述第一固定板螺栓连接。
17.进一步的，所述第二平板的下表面设有若干凹槽，所述塑性耗能条带沿所述凹槽缠绕在所述第二平板上。
18.进一步的，所述第二平板的下表面连接有第三平板，所述第三平板设有将所述塑性耗能条带固定在所述第二平板上的螺栓组件。
19.更进一步的，所述第三平板与所述第二平板螺栓连接。
20.进一步的，所述第二平板连接有第二固定板，所述第二固定板与桥墩或盖梁螺栓连接。
21.更进一步的，所述第二平板与所述第二固定板螺栓连接。
22.进一步的，所述塑性耗能条带为圆柱形条状或长方体形条状。
23.进一步的，所述第一平板的宽度可根据地震下所述第一平板与所述第二平板的相对位移进行设计。
24.进一步的，所述塑性耗能条带可以采用钢、铝、铜、形状记忆合金等耗能金属材料制成，也可以是耗能芯材外包纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer，frp)的组合结构。
25.本发明阻尼器的塑性耗能条带的应变幅可通过调整第一平板和第二平板的圆弧段的半径进行设计，阻尼器的最大行程可通过改变第一平板和第二平板的宽度进行调整。
26.地震时，第一平板和第二平板发生相对错动，带动塑性耗能条带变形耗能，维持桥梁稳定。由于第一平板接触塑性耗能条带的两端为圆弧形，处于圆弧段的塑性耗能条带的曲率为圆弧段半径的倒数，处于平直段的塑性耗能条带的曲率为0，当第一平板和第二平板发生相对错动时，原本位于平直段的塑性耗能条带移动至圆弧段，此时塑性耗能条带会发生塑性变形，且塑性耗能条带的最大应变仅与塑性耗能条带的曲率半径相关，本发明阻尼器的最大行程为第一平板宽度与第二平板宽度之和的一半。本发明阻尼器可作为长大桥梁的横桥向阻尼器使用，所设置的塑性耗能条带可以实现在横桥向进行耗能，在纵桥向自由活动，允许桥梁纵桥向正常使用情况下发生的温度变形。
27.本发明阻尼器可进一步在第一平板的上方设置与主梁连接的第四平板，第四平板的下表面设有凹槽，第一平板的两端设有限位板，限位板的上端卡入凹槽中并且可沿竖直方向在凹槽内部移动。这种设计对阻尼器的第一平板在竖向上的位移具有一定的约束作
用，约束刚度随着竖向位移的增加而增大，当与支座联合使用时可防止支座的脱空。此外，当发生极罕遇地震，本发明阻尼器的位移超过设计最大行程时，所设置的高强度拉索能够对第一平板以及第二平板进行限位。震后养护维修中，仅需拧下第一平板以及第二平板的螺栓，重新更换塑性耗能条带即可。
28.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
29.(1)本发明阻尼器的塑性耗能条带的应变幅可通过调整第一平板和第二平板的圆弧段的半径进行设计，阻尼器的最大行程可通过第一平板和第二平板的宽度进行调整，可以实现应变幅可控，最大行程可调，提高了低周疲劳性能；
30.(2)本发明阻尼器设置的塑性耗能条带可以实现在横桥向进行耗能，在纵桥向自由活动，从而适应桥梁纵桥向发生的温度变形；
31.(3)本发明阻尼器在第一平板和第二平板之间还可设置高强度拉索，拉索的缠绕方式和固定方式与塑性耗能条带相同，当发生极罕遇地震，阻尼器位移超过最大行程时，高强度拉索可提供额外的限位作用；
32.(4)本发明阻尼器构造简单，经济性强，震后养护维修方便，仅需拧下第一平板以及第二平板的螺栓，重新更换塑性耗能条带即可，因此适合推广和应用。
附图说明
33.图1为实施例1可控应变幅耗能钢阻尼器的结构示意图；
34.图2为塑性耗能条带的结构示意图；
35.图3为第二平板的结构示意图；
36.图4为第三平板的结构示意图；
37.图5为实施例2可控应变幅耗能钢阻尼器的结构示意图；
38.图6为实施例2第一平板的结构示意图；
39.图7为实施例3可控应变幅耗能钢阻尼器的结构示意图；
40.图8为实施例3限位板的结构示意图；
41.图9为实施例3第四平板的结构示意图；
42.图10为本发明阻尼器在地震中第一平板与第二平板发生相对错动位移达到最大时的示意图。
43.图中标记说明：
44.1-第一固定螺栓、2-第一固定板、3-第一平板、4-第二固定螺栓、5-第二固定板、6-第二平板、7-第三螺栓、8-塑性耗能条带、9-第三平板、10-第一螺栓孔、11-第二螺栓孔、12-限位板、13-第四平板、14-滚筒本体。
具体实施方式
45.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，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。
46.以下各实施方式或实施例中，如无特别说明的功能部件或结构，则表明其均为本领域为实现对应功能而采用的常规部件或常规结构。
47.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
48.在本发明的描述中，除非另有说明，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
49.为克服现有技术中钢阻尼器在强震下应变幅较高、低周疲劳性能不足、经济性较差或震后维修困难等缺陷，本发明提供了一种应变幅可控，最大行程可调，可适应地震下大位移，同时震后养护维修方便的阻尼器，即可控应变幅耗能钢阻尼器，请参见图1、图5和图7，该阻尼器包括上下平行放置的第一平板3和第二平板6，所述第一平板3与主梁连接，所述第二平板6与桥墩或盖梁连接，所述第一平板3和第二平板6之间设有塑性耗能组件，所述塑性耗能组件包括交替缠绕在所述第一平板3和所述第二平板6上的塑性耗能条带8，且所述塑性耗能条带8的两端与所述第二平板6固定连接，当地震时，所述第一平板3与所述第二平板6发生相对错动，所述塑性耗能条带8发生塑性变形且限制所述第一平板3与所述第二平板6的相对错动。
50.在一些具体的实施方式中，请参见图1、图3，所述第一平板3与所述第二平板6均包括平直段以及位于所述平直段的纵向两端的圆弧段，所述圆弧段向外侧凸出，所述塑性耗能条带8沿所述平直段的横向缠绕。
51.在一些具体的实施方式中，所述塑性耗能条带8设有单条或若干条，当所述塑性耗能条带8设有若干条时，每条塑性耗能条带8分别沿所述第一平板3和所述第二平板6的长度方向依次交替缠绕在所述第一平板3和所述第二平板6上。
52.在一些具体的实施方式中，所述第一平板3和第二平板6之间还设有拉索，所述拉索的缠绕方式和固定方式都与所述塑性耗能条带8相同。当发生极罕遇地震，阻尼器位移超过最大行程时，高强度的拉索可提供额外的限位作用。
53.在一些具体的实施方式中，请参见图7和图9，所述第一平板3的上方设有与主梁连接的第四平板13，所述第四平板13的下表面设有凹槽，所述第一平板3的两端设有限位板12，所述限位板12的上端卡入所述凹槽中并且可沿竖直方向在所述凹槽内部移动。
54.更具体的实施方式中，请参见图8，所述限位板12呈工字型，所述凹槽的边缘向内侧延伸并抵住所述限位板12的竖直段。
55.更具体的实施方式中，所述限位板12与所述第一平板3螺栓连接。
56.更具体的实施方式中，所述第四平板13与主梁螺栓连接。
57.在一些具体的实施方式中，请参见图5，在所述第一平板3的纵向两端设有滚筒本体14，所述滚筒本体14的中心轴线与所述第一平板3的横向平行，所述塑性耗能条带8围绕所述滚筒本体14缠绕在所述第一平板3上。
58.更具体的实施方式中，所述第一平板3的横向两端设有第一固定板2，所述第一固定板2与主梁通过第一固定螺栓1连接，所述滚筒本体14与所述第一固定板2连接。
59.更具体的实施方式中，请参见图6，所述第一平板3的纵向两端与所述滚筒本体14的形状适配。
60.更具体的实施方式中，请参见图1和图7，所述第一平板3与所述第一固定板2通过
第二固定螺栓4连接。
61.在一些具体的实施方式中，请参见图3，所述第二平板6的下表面设有若干凹槽，所述塑性耗能条带8沿所述凹槽缠绕在所述第二平板6上。
62.在一些具体的实施方式中，请参见图1、图4、图5、图7，所述第二平板6的下表面连接有第三平板9，所述第三平板9设有将所述塑性耗能条带8固定在所述第二平板6上的螺栓组件，所述第三平板9设有对应的第二螺栓孔11。
63.更具体的实施方式中，所述第三平板9与所述第二平板6螺栓连接，所述第三平板9设有对应的第一螺栓孔10。
64.在一些具体的实施方式中，请参见图1、图5、图7，所述第二平板6连接有第二固定板5，所述第二固定板5与桥墩或盖梁连接。
65.更具体的实施方式中，所述第二平板6与所述第二固定板5通过第三螺栓7连接，所述第二固定板5与桥墩或盖梁螺栓连接。
66.在一些具体的实施方式中，所述塑性耗能条带8为圆柱形条状或长方体形条状。
67.在一些具体的实施方式中，所述第一平板3的宽度可根据地震下所述第一平板3与所述第二平板6的相对位移进行设计。
68.在一些具体的实施方式中，所述塑性耗能条带8可以采用钢、铝、铜、形状记忆合金等耗能金属材料制成，也可以是耗能芯材外包纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer，frp)的组合结构。
69.实施例1：
70.本实施例提供了一种可控应变幅耗能钢阻尼器，如图1所示，该阻尼器包括第一固定螺栓1、第一固定板2、第一平板3、第二固定螺栓4、第二固定板5、第二平板6、第三螺栓7、塑性耗能条带8、第三平板9。
71.第一平板3和第二平板6上下平行放置，第一平板3与第一固定板2通过第二固定螺栓4连接，第一固定板2与主梁通过第一固定螺栓1连接。第二平板6与第二固定板5通过第三螺栓7连接，第二固定板5与桥墩或盖梁螺栓连接。如图1和图3所示，第一平板3与第二平板6均包括平直段以及位于平直段的纵向两端的圆弧段，圆弧段向外侧凸出。
72.如图1和图2所示，单条塑性耗能条带8交替缠绕在第一平板3和第二平板6上，如图3所示，第二平板6的下表面设有若干凹槽，塑性耗能条带8沿该凹槽缠绕在第二平板6上。本实施例塑性耗能条带8为圆柱形条状，材质为铝。
73.如图1所示，第二平板6的下表面连接有第三平板9，第三平板9与第二平板6螺栓连接，如图4所示，第三平板9设有对应的第一螺栓孔10；第三平板9设有将塑性耗能条带8的两端固定在第二平板6上的螺栓组件，如图4所示，第三平板9设有对应的第二螺栓孔11。
74.本实施例阻尼器震后养护维修中，仅需拧下第一平板3以及第二平板6的螺栓，重新更换塑性耗能条带8即可。
75.本实施例塑性耗能条带8的应变幅可通过调整第一平板3和第二平板6的圆弧段的半径进行设计，阻尼器的最大行程可通过改变第一平板3和第二平板6的宽度进行调整。地震时，第一平板3和第二平板6发生相对错动，带动塑性耗能条带8变形耗能，维持桥梁稳定。由于第一平板3接触塑性耗能条带8的两端为圆弧形，处于圆弧段的塑性耗能条带8的曲率为圆弧段半径的倒数，处于平直段的塑性耗能条带8的曲率为0，当第一平板3和第二平板6
发生相对错动时，原本位于平直段的塑性耗能条带8移动至圆弧段，此时塑性耗能条带8会发生塑性变形，且塑性耗能条带8的最大应变仅与塑性耗能条带8的曲率半径相关，如图10所示，本实施例阻尼器的最大行程为第一平板3宽度与第二平板6宽度之和的一半。
76.本实施例第一平板3的宽度可根据地震下第一平板3与第二平板6的相对位移进行设计。
77.本实施例阻尼器可作为长大桥梁的横桥向阻尼器使用，所设置的塑性耗能条带8可以实现在横桥向进行耗能，在纵桥向自由活动，从而允许桥梁纵桥向正常使用情况下发生的温度变形。
78.实施例2：
79.与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，如图5所示，在第一平板3的纵向两端设有滚筒本体14，滚筒本体14与第一固定板2连接，滚筒本体14的中心轴线与第一平板3的横向平行，塑性耗能条带8围绕滚筒本体14缠绕在第一平板3上。如图6所示，第一平板3的纵向两端与滚筒本体14的形状适配。
80.实施例1中第一平板3与第二平板6发生相对错动时，塑性耗能条带8与第一平板3之间会发生滑动摩擦。本实施例通过设置滚筒本体14，可使塑性耗能条带8与滚筒本体14发生滚动摩擦，减小了摩擦力，使阻尼器的耗能仅由塑性耗能条带8屈服提供，便于设计。
81.实施例3：
82.与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，如图7所示，不设置第一固定板2，而增设限位板12和第四平板13。第四平板13设置在第一平板3的上方，第四平板13与主梁通过第一固定螺栓1连接，如图9所示，第四平板13的下表面设有凹槽，如图8所示，第一平板3的横向两端设有呈工字型的限位板12，限位板12的下端与第一平板3通过第二固定螺栓4连接，第四平板13的凹槽边缘向内侧延伸并抵住限位板12的竖直段，限位板12的上端卡入凹槽中，限位板12的上端可沿竖直方向在凹槽内部移动。
83.这种设计对第一平板3在竖向上的位移具有一定的约束作用，约束刚度随着竖向位移的增加而增大，当该阻尼器与支座联合使用时可防止支座的脱空。此外，这种设计允许阻尼器发生小幅度的竖向位移，可提高该阻尼器的适用性和实用性。
84.实施例4：
85.与实施例1相同，绝大部分均相同，除了本实施例中，在第一平板3和第二平板6之间还设有高强度拉索，拉索的缠绕方式和固定方式都与塑性耗能条带8相同。当发生极罕遇地震，阻尼器位移超过最大行程时，高强度拉索可提供额外的限位作用。
86.实施例5：
87.与实施例1相同，绝大部分均相同，除了本实施例中，设置多条塑性耗能条带8，每条塑性耗能条带8分别沿第一平板3和第二平板6的长度方向依次交替缠绕在第一平板3和第二平板6上。
88.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。