一种带有圆管顶端开放闭合式软钢耗能阻尼器

1.本发明属于土木工程抗震与减震领域，涉及一种带有圆管顶端开放闭合式软钢耗能阻尼器。


背景技术：

2.随着国民经济的不断发展，越来越多的高层建筑和超高层建筑出现在人们的视野。但是高层建筑中水平荷载带来的影响尤为突出，相较于中低层在使用过程中。
3.针对地震中破坏和未完全倒塌建筑研究，尤其在高度较高的建筑更加重视了减震和隔振，“以柔克刚”在最大程度上减小损失。通过增加构件尺寸和体积来抵御地震所带来的能量，显然是不经济的做法，并且也造成了空间的浪费。传统建筑主要依靠自身结构形变来吸收地震能，在震后损伤几乎是不可逆的。因此亟需一种能够吸收地震时建筑结构变形的能量、既能够使建筑结构具有一定的变形能力、还能够保证建筑结构不被破坏的结构耗能阻尼器。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述问题，提供了一种带有圆管顶端开放闭合式软钢耗能阻尼器，本发明能够有效吸收建筑结构的能量，保护建筑结构的整体结构。
5.为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
6.一种带有圆管顶端开放闭合式软钢耗能阻尼器，包括上端板、下端板、角部波形钢板、侧边限位板、中间竖板、压片减震器和耗能筒组件；
7.中间竖板设置于上端板和下端板之间，中间竖板的上下两端分别与上端板和下端板固定连接，中间竖板呈十字形；下端板上在中间竖板的每个端部正对位置均固定设置有侧边限位板；中间竖板的每个端部与与其正对的侧边限位板之间设置有压片减震器，压片减震器呈弓形，压片减震器的两端与中间竖板的端部连接，压片减震器的顶部与侧边限位板相接触；
8.位于相对位置的两个侧边限位板之间连接有两个耗能筒组件，其中一个耗能筒组件穿过中间竖板上与这两个侧边限位板平行的一个边，另一个耗能筒组件穿过中间竖板上与这两个侧边限位板平行的另一个边，这两个耗能筒组件关于中间竖板上与这两个侧边限位板垂直的边对称，中间竖板上开设有供耗能筒组件穿过的孔；
9.耗能筒组件包括扩张作用器、闭合作用套管、闭合套管连接板以及开放闭合式圆管，扩张作用器的两端外缘设有斜倒角，扩张作用器的两端对称、同轴设有闭合作用套管，扩张作用器和闭合作用套管均通过闭合套管连接板与中间竖板固定连接，每个闭合作用套管的内腔套设有开放闭合式圆管，开放闭合式圆管一端的周向均匀分布有若干纵向缺口，开放闭合式圆管的该端位于闭合作用套管内，开放闭合式圆管的该端的内径小于扩张作用器的外径且不小于扩张作用器斜倒角小端的直径；开放闭合式圆管的另一端与侧边限位板连接；
10.相邻的侧边限位板之间设有角部波形钢板，角部波形钢板的两侧分别与所述相邻的侧边限位板的上部边缘接触，所有角部波形钢板的顶部均与上端板固定连接，角部波形钢板的下端与下端板之间留有预设距离。
11.优选的，侧边限位板与下端板之间还设有限位板加劲肋。
12.优选的，压片减震器采用由若干弹簧钢条叠加组合而成的板状弹簧。
13.优选的，压片减震器的两端与中间竖板端部之间轴连接，转轴与中间竖板端部垂直。
14.优选的，扩张作用器为一筒状结构，扩张作用器的中部为一段圆柱环，圆柱环的两端为圆台形的环状结构，闭合套管连接板与扩张作用器的中部固定连接。
15.优选的，开放闭合式圆管为一段圆环，开放闭合式圆管的内径小于扩张作用器的外径、大于扩张作用器的内径，开放闭合式圆管的外壁与闭合套管连接板固定连接。
16.优选的，开放闭合式圆管通过螺栓与侧边限位板连接，侧边限位板上供该螺栓穿过的孔为水平方向上的长孔，开放闭合式圆管与侧边限位板之间在螺栓连接处能沿着长孔能相对滑动。
17.优选的，相邻的侧边限位板之间连接两块形状相同的角部波形钢板，两块形角部波形钢板均含有一个波峰一个波谷，两块形角部波形钢板连接为凸字形结构，凸字形结构的凸起部位朝向上端板的四角位置，凸字形结构的侧边与相邻的侧边限位板之间连接。
18.优选的，中间竖板的上下两端分别与上端板和下端板焊接，下端板与侧边限位板之间焊接，扩张作用器与闭合套管连接板之间焊接，闭合作用套管与闭合套管连接板之间焊接，闭合套管连接板与中间竖板之间焊接，角部波形钢板与侧边限位板接触部分落在侧边限位板的厚度区域内，角部波形钢板与上端板之间焊接。
19.优选的，上端板和下端板均为矩形结构且对应边平行，中间竖板的十字轴心与上端板和下端板的中心轴重合，中间竖板的边与上端板和下端板的面对称轴平行，所述带有圆管顶端开放闭合式软钢耗能阻尼器关于中间竖板的边为对称结构。
20.本发明具有如下显著的优点：
21.本发明带有圆管顶端开放闭合式软钢耗能阻尼器可对两个相互垂直方向产生的水平作用力吸收和消耗，在具体操作时上端板角部的波形钢板在与对应侧边限位板接触时，可发生与波形钢板肋平面垂直方向发生塑性变形；与此同时扩张作用器发挥作用，在上端板与结构发生水平位移时，开放闭合式圆管设有缺口的一端轴向移动并套在扩张作用器的外部，扩张作用器使开放闭合式圆管设有缺口的端部扩张，产生塑性变形消耗部分能量，当上端板发生相反方向位移时，被扩张的开放闭合式圆管在闭合作用套管的作用下恢复；压片减震器在侧边限位板的限制下，发生弹性变形吸收能量，在自身恢复变形的同时可提供开放闭合式圆管与闭合作用套管共同工作的反方向作用力。
22.进一步的，开放闭合式圆管与侧边限位板之间在螺栓连接处能沿着长孔能相对滑动且开放闭合式圆管通过螺栓设置在对应侧边限位板上可滑动，不阻碍垂直方向受力时工作。进而保护重要结构不发生破坏，当阻尼器内部变形构件破坏无法工作时，可对其部分破坏构件进行更换恢复其整体功能。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；
24.图1为本发明带有圆管顶端开放闭合式软钢耗能阻尼器的爆炸结构示意图。
25.图2为本发明带有圆管顶端开放闭合式软钢耗能阻尼器(未显示上端板以及角部波形钢板)的俯视图。
26.图3为本发明带有圆管顶端开放闭合式软钢耗能阻尼器的主视图。
27.图4为本发明的压片减震器示意图。
28.图5(a)为本发明扩张作用器和闭合作用套管组合爆炸图；图5(b)为本发明扩张作用器和闭合作用套管组合图。
29.图6为本发明开放闭合式圆管示意图。
30.图7为本发明的波形钢板示意图。
31.图中：1-上端板，2-下端板；3-第一角部波形钢板，4-第二角部波形钢板，5-第三角部波形钢板，6-第四角部波形钢板；7-第五角部波形钢板，8-第六角部波形钢板，9-第七角部波形钢板，10-第八角部波形钢板；11-第一侧边限位板，12-第二侧边限位板，13-第三侧边限位板， 14-第四侧边限位板；15-第一限位板加劲肋，16-第二限位板加劲肋，17-第三限位板加劲肋；18-第一中间竖板，19-第二中间竖板，20-第三中间竖板，21-第四中间竖板；22-第一压片减震器，23-第二压片减震器，24-第三压片减震器，25-第四压片减震器；26-第一上层开放闭合式圆管，26-1-缺口，27-第二上层开放闭合式圆管，28-第三上层开放闭合式圆管，29-第四上层开放闭合式圆管；30-第一下层开放闭合式圆管，31-第二下层开放闭合式圆管，32-第三下层开放闭合式圆管，33-第四下层开放闭合式圆管；34-第一上层闭合作用套管，35-第二上层闭合作用套管，36-第三上层闭合作用套管，37-第四上层闭合作用套管；38-第一下层闭合作用套管， 39-第二下层闭合作用套管，40-第三下层闭合作用套管，41-第四下层闭合作用套管；42-第一扩张作用器；42-1-斜倒角，43-第二扩张作用器，44-第三扩张作用器，45-第四扩张作用器； 46-第一闭合套管连接板，47-第二闭合套管连接板；48-第一弹簧钢条，49-第二弹簧钢条，50
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第三弹簧钢条，51-第四弹簧钢条；52-第一固定器，53-第二固定器，54-第三固定器，55-第四固定器，56-第五固定器，57-第六固定器。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
33.请参阅图1至图7，本发明带有圆管顶端开放闭合式软钢耗能阻尼器，包括上端板1、下端板2、角部波形钢板、侧边限位板、中间竖板、压片减震器和耗能筒组件；中间竖板设置于上端板1和下端板2之间，中间竖板的上下两端分别与上端板1和下端板2固定连接，中间竖板呈十字形；具体的参照图1、图2，中间竖板由第一中间竖板18、第二中间竖板19、第三间竖板20和第四中间竖板21连接为一整体结构，第一中间竖板18与第三间竖板20为整体且有开孔，第二中间竖板19和第四中间竖板21分别垂直焊接在第一中间竖板18与第三中间竖板 20两侧且有开孔。上端板1焊接在组合的中间竖板上部，下端板2焊接在组合的中间竖板下部。下端板2上在中间竖板的每个端部(也即第一中间竖板18、第二中间竖板19、第三间竖板20和第四中间竖板21外端)正对位置均固定设置有侧边限位板；
34.上端板1四个角部下部分别设置两个波形钢板，一共设置八个波形钢板，八个波形钢板分分别为第一角部波形钢板3、第二角部波形钢板4、第三角部波形钢板5、第四角部波形钢板6、第五角部波形钢板7、第六角部波形钢板8、第七角部波形钢板9和第八角部波形钢板10，以俯视逆时针方向依次顺序设置，其中第一角部波形钢板3和第二角部波形钢板4连接为一个整体后设置在上端板1的第一个角，第三角部波形钢板5和第四角部波形钢板6连接为一个整体后设置在上端板1的第二个角，第五角部波形钢板7和第六角部波形钢板8连接为一个整体后设置在上端板1的第三个角，第七角部波形钢板9和第八角部波形钢板10连接为一个整体后设置在上端板1的第四个角。参见图1、图3和图7，上述每一个角部波形钢板均含有一个波峰一个波谷，两块角部波形钢板连接为凸字形结构，凸字形结构的凸起部位朝向上端板1的四角位置。上端板1每边的两角部波形钢板之间间距为侧边限位板长度，这样能够使两个两块角部波形钢板连接而成的凸字形结构的两侧边插在相邻两个侧边限位板之间，以图3为例，第一角部波形钢板3和第二角部波形钢板4连接后的整体结构设置在第一侧边限位板11与第二侧边限位板12之间，且该整体结构与第一侧边限位板11与第二侧边限位板12的纵向侧边相接触。
35.第一中间竖板18的外端与第一侧边限位板11之间、第二中间竖板19的外端与第二侧边限位板12之间、第三间竖板20的外端与第三侧边限位板13之间以及第四中间竖板21的外端与第四侧边限位板14之间分别设置有第一压片减震器22、第二压片减震器23、第三压片减震器24和第四压片减震器25，每个压片减震器呈弓形，压片减震器的上下两端与对应的中间竖板的上下两端通过螺栓连接，螺栓与中间竖板垂直，压片减震器的顶部与侧边限位板相接触；
36.第一中间竖板18、第二中间竖板19、第三间竖板20和第四中间竖板21上分别贯穿设置有耗能筒组件，其中第一中间竖板18和第三间竖板20上连接的耗能筒组件对称，且这两个耗能筒组件的两端分别与第二侧边限位板12以及第四侧边限位板14连接；第二中间竖板19和第四中间竖板21上连接的耗能筒组件对称，且这两个耗能筒组件的两端分别与第一侧边限位板11以及第三侧边限位板13连接，第一中间竖板18和第三间竖板20上连接的耗能筒组件位于第二中间竖板19和第四中间竖板21上连接的耗能筒组件的上方；中间竖板上开设有供耗能筒组件穿过的孔；
37.参见图1-图3以及图5(a)和图5(b)，耗能筒组件包括扩张作用器、闭合作用套管、闭合套管连接板以及开放闭合式圆管，扩张作用器的两端外缘设有斜倒角，扩张作用器的两端对称、同轴设有闭合作用套管，扩张作用器和闭合作用套管均通过闭合套管连接板与中间竖板固定连接，每个闭合作用套管的内腔套设有开放闭合式圆管，开放闭合式圆管一端的周向均匀分布有若干纵向缺口，开放闭合式圆管的该端位于闭合作用套管内，开放闭合式圆管的该端的内径小于扩张作用器的外径且不小于扩张作用器斜倒角小端的直径；开放闭合式圆管的另一端与侧边限位板连接；扩张作用器为一筒状结构，扩张作用器的中部为一段圆柱环，圆柱环的两端为圆台形的环状结构，闭合套管连接板与扩张作用器的中部固定连接。开放闭合式圆管为一段圆环，开放闭合式圆管的内径小于扩张作用器的外径、不小于扩张作用器斜倒角小端的直径，开放闭合式圆管的外壁与闭合套管连接板固定连接。
38.以图2所示的方位为例，左右方位的两个耗能筒组件分别记为第一耗能筒组件和第二耗能筒组件，上下方位的两个耗能筒组件分别记为第三耗能筒组件和第四耗能筒组
件。
39.以穿过第一中间竖板18、两端与第四侧边限位板14以及第二侧边限位板12的耗能筒组件为例进行以下说明：该耗能筒组件包括第一上层闭合作用套管34、第四上层闭合作用套管 37、第一扩张作用器42、第一闭合套管连接板46、第二闭合套管连接板47、两个第一上层开放闭合式圆管26，第一上层闭合作用套管34、第四上层闭合作用套管37通过第一闭合套管连接板46和第二闭合套管连接板47与第一扩张作用器42焊接在第一中间竖板18上的开孔内；第二上层闭合作用套管35、第三上层闭合作用套管36通过第一闭合套管连接板46和第二闭合套管连接板47与第二扩张作用器43焊接在第三中间竖板20得开孔内。第一扩张作用器固定设置在第一中间竖板开孔上；第二扩张作用器固定设置在第三中间竖板开孔上；第三扩张作用器固定设置在第二中间竖板开孔上；第四扩张作用器固定设置在第四中间竖板开孔上。第一上层闭合作用套管和第四上层闭合作用套管固定设置在第一中间竖板两侧；第二上层闭合作用套管和第三上层闭合作用套管固定设置在第三中间竖板两侧。第一下层闭合作用套管和第二下层闭合作用套管固定设置在第二中间竖板两侧；第三下层闭合作用套管和第四下层闭合作用套管固定设置在第四中间竖板两侧。
40.第一下层闭合作用套管38、第二下层闭合作用套管39通过第一闭合套管连接板46和第二闭合套管连接板47与第三扩张作用器44焊接在第二中间竖板19开孔内；第三下层闭合作用套管40、第四下层闭合作用套管41通过第一闭合套管连接板46和第二闭合套管连接板47 与第四扩张作用器45焊接在第四中间竖板21开孔内。
41.第一上层开放闭合式圆管26和第二上层开放闭合式圆管27通过端部板螺栓连接在第二侧边限位板12内侧两端；第三上层开放闭合式圆管28和第四上层开放闭合式圆管29通过端部板螺栓连接在第四侧边限位板14内侧两端；第一下层开放闭合式圆管30和第四下层开放闭合式圆管33通过端部板螺栓连接在第一侧边限位板11内侧两端；第二下层开放闭合式圆管31 和第三下层开放闭合式圆管32通过端部板螺栓连接在第三侧边限位板13内侧两端。且开放闭合式圆管通过螺栓设置在对应侧边限位板上可滑动。
42.第一压片减震器22通过螺栓设置在第一中间竖板18端部；第二压片减震器23通过螺栓设置在第二中间竖板19端部；第三压片减震器24通过螺栓设置在第三中间竖板20端部；第四压片减震器25通过螺栓设置在第四中间竖板21端部。
43.第一侧边限位板11、第二侧边限位板12、第三侧边限位板13和第四侧边限位板14焊接在下端板2侧端。各侧边限位板外侧焊接第一限位板加劲肋15、第二限位板加劲肋16、第三限位板加劲肋17分别与开放闭合式圆管与中间竖板对正且第一限位板加劲肋15和第三限位板加劲肋17空有螺栓滑动空间。
44.压片减震器采用第一弹簧钢条48、第二弹簧钢条49、第三弹簧钢条50和第四弹簧钢条 51叠合而成，采用第一固定器52、第二固定器53、第三固定器54、第四固定器55、第五固定器56和第六固定器57固定。
45.第一侧边限位板11、第二侧边限位板12、第三侧边限位板13和第四侧边限位板14以俯视逆时针方向焊接在下端板2四周并保证在各边中部。
46.第二中间竖板19和第四中间竖板21焊接在第一中间竖板18与第三中间竖板20的中线。
47.保持上端板1的形心与组合中间竖板的竖向中心轴对齐。
48.第一角部波形钢板3和第八角部波形钢板10、第二角部波形钢板4和第三角部波形钢板5、第四角部波形钢板6和第五角部波形钢板7、第六角部波形钢板8和第七角部波形钢板9距离上端板1侧边距分别与第一侧边限位板11、第二侧边限位板12、第三侧边限位板13、第四侧边限位板14的位置保持统一，且角部波形钢板与侧边限位板接触部分落在侧边限位板厚度区域内。
49.第一角部波形钢板3和第八角部波形钢板10上沿焊接在上端板1；第二角部波形钢板4 和第三角部波形钢板5上沿焊接在上端板1；第四角部波形钢板6和第五角部波形钢板7上沿焊接在上端板1；第六角部波形钢板8和第七角部波形钢板9上沿焊接在上端板1。
50.第一扩张作用器42、第一上层闭合作用套管34、第四上层闭合作用套管37、第一上层开放闭合式圆管26和第四上层开放闭合式圆管29圆心在一条水平线上。
51.第二扩张作用器43、第二上层闭合作用套管35、第三上层闭合作用套管36、第二上层开放闭合式圆管27和第三上层开放闭合式圆管28圆心在一条水平线上。
52.第三扩张作用器44、第一下层闭合作用套管38、第二下层闭合作用套管39、第一下层开放闭合式圆管30和第二下层开放闭合式圆管31圆心在一条水平线上。
53.第四扩张作用器45、第三下层闭合作用套管40、第四下层闭合作用套管41、第三下层开放闭合式圆管32和第四下层开放闭合式圆管33圆心在一条水平线上。
54.侧边限位板外侧焊接第一限位板加劲肋15、第二限位板加劲肋16、第三限位板加劲肋17 分别与开放闭合式圆管圆心与中间竖板对正，且第一限位板加劲肋15和第三限位板加劲肋17 空有螺栓滑动空间。
55.压片减震器由四片相同曲率不同长度的第一弹簧钢条48、第二弹簧钢条49、第三弹簧钢条50和第四弹簧钢条51叠合叠合且保证中部对齐，由第一固定器52、第二固定器53、第三固定器54、第四固定器55、第五固定器56和第六固定器57使弹簧钢条紧密贴合固定。
56.第一闭合套管连接板46和第二闭合套管连接板47分别固定设置于闭合作用套管两侧，与扩张作用器共同固定设置于中间竖板开孔上。
57.第一压片减震器22与第一侧边限位板11接触但不受力；第二压片减震器23与第二侧边限位板12接触但不受力；第三压片减震器24与第三侧边限位板13接触但不受力；第四压片减震器25与第四侧边限位板14接触但不受力。
58.波形钢板由平钢板弯折而成，波角、波长和波深可根据实际情况灵活定义。
59.本发明的阻尼器装置，在受到水平作用力后，内部构件在两个相互垂直的方向发生形变，从而吸收和耗散能量，牺牲自己进而保护结构重要构件的功能，并且破坏后可以快速更换，施工方便，操作简单。
60.综上，本发明采用屈服点较低的可拆卸构件具有较强的塑性变形及耗能能力，对结构性能的影响在可控范围之内，而且容易生产制造，便于安装拆卸，材料廉价，能够满足结构更换的适用性要求，与结构的连接简单，并且它的结构形式可以根据实际工程的需要进行灵活设计。
61.本发明带有圆管顶端开放闭合式软钢耗能阻尼器的工作机理如下：
62.以图2为例受到左右水平作用(平行于纸面或者屏幕)
63.当受到向左的水平作用力时，组合中间竖板和上端板1向左移动，与下端板产生位移，第二中间竖板19和第四中间竖板21移动的同时带动第四扩张作用器45、第三扩张作用
器44向左移动进入第四下层开放闭合式圆管33、第一下层开放闭合式圆管30内部且使其开口端开放变形吸收和消耗部分能量(纵向以第一上层开放闭合式圆管26、第一上层闭合作用套管34为例组合中间竖板上的第一上层闭合作用套管34接触第一上层开放闭合式圆管26后，并随之带动第一上层开放闭合式圆管26向左滑动)。与此同时，第一压片减震器22与第一侧边限位板 11接触发生挤压变形，吸收部分能量，在第一压片减震器22弹性极限范围内，可提供向右的反力支持整体恢复原状；第三压片减震器24与第三侧边限位板13分离。上端板向左移动时第六角部波形钢板8、第三角部波形钢板5与第四侧边限位板14、第二侧边限位板12接触并被挤压发生塑性变形消耗能量。
64.之后当受到向右的水平作用时，第四下层闭合作用套管41、第一下层闭合作用套管38随着组合中间竖板向右移动将已经开放形变第四下层开放闭合式圆管33、第一下层开放闭合式圆管30摩擦推动发生收缩闭合，恢复变形能力(纵向以第一上层开放闭合式圆管26、第一上层闭合作用套管34为例组合中间竖板上的第一上层闭合作用套管34接触第一上层开放闭合式圆管26后，并随之带动第一上层开放闭合式圆管26向右滑动)。与此同时，第一压片减震器 22恢复变形可提供向右的反力支持整体恢复原状。第二中间竖板19和第四中间竖板21移动的同时带动第三扩张作用器44、第四扩张作用器45向右移动进入第三下层开放闭合式圆管32、第二下层开放闭合式圆管31内部且使其开口端开放变形吸收和消耗部分能量。第三压片减震器24与第三侧边限位板13接触发生挤压变形，吸收部分能量，在第三压片减震器24弹性极限范围内，可提供向右的反力支持整体恢复原状；第一压片减震器22与第一侧边限位板11分离。上端板向右移动时第七角部波形钢板9、第二角部波形钢板4与第四侧边限位板14、第二侧边限位板12接触并被挤压发生塑性变形消耗能量。以此重复循环。
65.正交方向受到作用时同理工作。
66.从上述可以看出，本发明带有圆管顶端开放闭合式软钢耗能阻尼器能够适用于结构受到较大水平作用力时，且具备破坏后可更换的能力。
67.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。