一种可分级耗能的空间三维变形减震器的制作方法

本发明涉及土木工程结构消能减震技术领域，特别是涉及一种可分级耗能的空间三维变形减震器。

背景技术：

目前研发的土木工程结构所用的阻尼器主要是以一维轴线方向变形为主，少量开发了可进行二维平面变形耗能的阻尼器，如申请号为cn200810228847.x的黏弹性多维减震器，是通过黏弹性所在的平面进行剪切变形耗能，而平面外方向被锁定，不能实现空间三个坐标方向的变形耗能。同时，黏弹性受环境温度影响大，剪切变形能力有限，大位移下的耗能能力不足。因此，仅仅采用黏弹性阻尼器进行耗能是不充分的。

申请号为201621300648.1的专利通过内外两个半圆形软钢提供分级耗能，内半圆先屈服，外半圆后屈服，均为金属屈服耗能，但是，当内半圆在小位移下达不到屈服时，仍旧不能耗能，即达不到全位移量程范围耗能。同时，此阻尼器仅用在连梁跨中或框架层间，未考虑空间三个坐标方向的变形耗能。

申请号为201910539270.2的专利是通过摩擦消能组件和金属环构件实现耗能，主要用在连梁跨中，由于垂直摩擦消能平面的方向被高强螺栓固定，以及摩擦消能组件与框架组件被高强螺栓固定，此阻尼器不能在垂直摩擦消能平面的方向进行变形耗能。

申请号为cn201610922958.5的专利用在连梁中，在连梁的剪切方向实现小位移的黏弹性耗能和大位移的软钢塑性耗能，但是此专利中的连梁消能器仅是将o形软钢消能器和黏弹性阻尼器简单的并联在一起，仅仅具有一维方向的相对剪切变形，其余空间两个方向均被锁定，不能进行变形耗能。

综上可见，现有的阻尼器无法同时满足在空间三个坐标方向上均具有黏弹性和软钢组合的分级耗能特性。为适应复杂空间三维地震动特点，应开发具有空间分级耗能特性的减震器。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供一种可分级耗能的空间三维变形减震器，该减震器在空间三个坐标方向均可提供黏弹性层的剪切变形耗能，同时，设置了弧形钢板和弧形钢环，弧形钢板可实现平面两个坐标方向上的弯曲塑性变形，弧形钢环可实现垂直于弧形钢板运动平面的弯扭塑性变形。在软钢未屈服的小位移变形时，为第一级，由黏弹性材料提供耗能；在位移变形达到软钢屈服后，为第二级，由黏弹性材料和软钢共同提供耗能，耗能可覆盖全位移设计量程。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种可分级耗能的空间三维变形减震器，所述减震器包括：外钢架1、弧形钢环2、内钢架3、弧形钢板4、黏弹性层5、钢板层6，所述外钢架1包含伸出的弧形钢带101，所述内钢架3包含外伸钢板、弧形挑板301、键槽302，所述外伸钢板包括内贴板303、夹层板304、外贴板305，夹层板304厚度小于外贴板305和内贴板303，两个内钢架3的外伸钢板对接插入一定深度，并沿插入方向预留位移设计量程所需要的距离，同时交错布置；一个内钢架3的外贴板305与另一个内钢架3的内贴板303在接触面上相互贴合，且在接触面上具有磁性，可相互吸附；一个内钢架3的内贴板303与另一个内钢架3的夹层板304间设置黏弹性层5；一个内钢架3的夹层板304与另一个内钢架3的夹层板304间设置黏弹性层5；所述黏弹性层5在与厚度方向垂直的平面尺寸上不超出两侧外伸钢板范围，且每个黏弹性层5固定在两侧的外伸钢板上；两个成对布置的内钢架3可在与外伸钢板厚度方向垂直的平面上进行相对位移运动，以实现两个内钢架3间的黏弹性层5的平面剪切变形。

进一步地，所述弧形挑板301的弧长所对应的角度范围小于90°，避免成对布置的两个内钢架3同侧的弧形挑板301接触上；所述弧形钢板4两端通过焊接和螺栓连接组合的方式分别固定到两个内钢架3上，弧形钢板4的内弯弧面与弧形挑板301的外弯弧面曲率相同，且紧密贴合，确保弧形钢板4与弧形挑板301可以同步变形；弧形钢板4可在与所述外伸钢板厚度方向垂直的平面上进行弯曲塑性变形。

进一步地，所述内钢架3通过两端部的键槽302嵌入外钢架1中固定，内钢架1和外钢架3在键槽302长度方向(同所述外伸钢板的厚度方向)可相对自由滑动，其余方向均锁定；在内钢架3与外钢架1围合的空间中嵌入黏弹性层5和较薄的钢板层6，钢板层6夹在两个黏弹性层5之间固定；黏弹性层5和钢板层6在接触面上的尺寸一致，黏弹性层5与外钢架1和内钢架3的接触面沿键槽302长度方向满布固定，且距离键槽302所在的钢板留有至少10mm的间隙，避免与键槽处的钢板接触上；外钢架1和内钢架3间的黏弹性层5可沿键槽302长度方向进行剪切变形。

进一步地，所述弧形钢带101的弧长所对应的角度范围小于90°，避免两个外钢架1同侧的弧形钢带101接触上；所述弧形钢环2两端通过焊接和螺栓连接组合的方式分别固定到两个外钢架1上，弧形钢环2的内弯弧面与弧形钢带101的外弯弧面曲率相同，且紧密贴合，确保弧形钢环2与弧形钢带101可以同步变形；所述弧形钢环2的数量与一侧连接的弧形钢带101的数量相同；弧形钢环2可随着两个外钢架1沿键槽302长度方向的相对位移运动进行弯扭塑性变形。

进一步地，所述外钢架1与内钢架3采用无明显屈服点的高强钢；

进一步地，所述弧形钢环2和弧形钢板4作为金属耗能构件，采用具有低屈服点的软钢；

进一步地，所述弧形钢环2与弧形钢板4间至少留有20mm的距离，以避免在变形过程中接触到；

进一步地，所述黏弹性层5主要通过高阻尼黏弹性材料硫化的方式固定到两侧接触的钢板上，或可通过其他方式牢固黏贴在两侧接触的钢板上，以确保黏弹性层5进行剪切变形。

本发明具有如下优点：

1.本发明中的减震器在空间三个坐标方向均具有分级耗能性能，第一级为软钢屈服前的小位移情况，由黏弹性提供耗能；第二级为软钢屈服后的位移情况，由黏弹性材料和软钢共同提供耗能，且随着位移变形的增大，软钢提供耗能逐渐增大。

2.本发明中的减震器耗能充分，耗能可覆盖全位移设计量程，既能减弱空间多维风致振动，又能在小震、中震和大震中提供空间多维有效耗能。

3.本发明中的减震器适用范围广泛，除可以按照传统减震器放置在工程结构中进行消能减震以外，还可以放置在设缝结构的分缝处，距离较近的相邻结构间，以及隔震结构与周边相连的连接位置，同时，亦可应用于结构减震加固中。

4.本发明中的减震器采用具有高强钢特性的弧形挑板和弧形钢带分别对软钢构件弧形钢板和弧形钢环进行了受力保护，弧形挑板和弧形钢带设置在工作应力大的位置上，在弧形挑板与弧形钢板、弧形钢带与弧形钢环共同受力变形时，可控制软钢构件在一定的塑性应力水平，不致使软钢构件应力水平过大而拉断失效，保证软钢提供稳定的变形耗能。

5.本发明中的减震器主要是钢材连接、钢材与高阻尼黏弹性材料固定，均通过传统工艺即可制作完成，构造简单，安装便捷，耗能软钢构件可更换。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图说明

图1为本发明的立体示意图。

图2为图1中本发明中部的a-a水平剖面图。

图3为本发明中两个内钢架组合图。

图4为本发明中黏弹性层嵌入到两个内钢架的示意图。

图5为本发明中弧形钢板固定到内钢架上的示意图。

图6为本发明中外钢架与内钢架嵌入黏弹性层的示意图。

图7为本发明中弧形钢带固定到外钢架上的示意图。

图8为本发明用abaqus模拟的在图1所示x向运动的滞回曲线。

图9为本发明用abaqus模拟的在图1所示y向运动的滞回曲线。

图10为本发明用abaqus模拟的在图1所示z向运动的滞回曲线。

图11为本发明用abaqus模拟的在图1所示x向运动的应力云图。

图12为本发明用abaqus模拟的在图1所示y向运动的应力云图。

图13为本发明用abaqus模拟的在图1所示z向运动的应力云图。

图中：1-外钢架，101-弧形钢带，2-弧形钢环，3-内钢架，301-弧形挑板，302-键槽，303-内贴板，304-夹层板，305-外贴板，4-弧形钢板，5-黏弹性层，6-钢板层。

具体实施方式

本发明提供一种可分级耗能的空间三维变形减震器，如图1所示，包括外钢架1、弧形钢环2、内钢架3、弧形钢板4、黏弹性层5、钢板层6；外钢架1包含伸出的弧形钢带101，如图6所示；内钢架3，如图3所示，包含外伸钢板(303、304、305)、弧形挑板301、键槽302，所述外伸钢板包括内贴板303、夹层板304、外贴板305；夹层板304厚度小于外贴板305和内贴板303，两个内钢架3的外伸钢板(303、304、305)对接插入一定深度(优化可以插入外伸钢板的1/3-2/3)，并沿插入方向预留位移设计量程所需要的距离，同时交错布置，如图3、4所示；一个内钢架3的外贴板305与另一个内钢架3的内贴板303在接触面上相互贴合，且在接触面上具有磁性，可相互吸附，如图2所示；一个内钢架3的内贴板303与另一个内钢架3的夹层板304间设置黏弹性层5，如图2所示；一个内钢架3的夹层板304与另一个内钢架3的夹层板304间设置黏弹性层5，如图2所示；所述黏弹性层5在与厚度方向垂直的平面尺寸上不超出两侧外伸钢板范围，且每个黏弹性层5固定在两侧的外伸钢板上；两个成对布置的内钢架3可在与外伸钢板厚度方向垂直的平面上进行相对位移运动，以实现两个内钢架3间的黏弹性层5的平面剪切变形。

如图5所示，内钢架3中的弧形挑板301的弧长所对应的角度范围小于90°，避免成对布置的两个内钢架3同侧的弧形挑板301接触上；所述弧形钢板4两端通过焊接和螺栓连接组合的方式分别固定到两个内钢架3上，弧形钢板4的内弯弧面与弧形挑板301的外弯弧面曲率相同，且紧密贴合，确保弧形钢板4与弧形挑板301可以同步变形；弧形钢板4可在与所述外伸钢板厚度方向垂直的平面上进行弯曲塑性变形。

如图6所示，内钢架3通过两端部的键槽302嵌入外钢架1中固定，内钢架1和外钢架3在键槽302长度方向(同所述外伸钢板的厚度方向)可相对自由滑动，其余方向均锁定；在内钢架3与外钢架1围合的空间中嵌入黏弹性层5和较薄的钢板层6，钢板层6夹在两个黏弹性层5之间固定；黏弹性层5和钢板层6在接触面上的尺寸一致，黏弹性层5与外钢架1和内钢架3的接触面沿键槽302长度方向满布固定，且距离键槽302所在的钢板留有至少10mm的间隙，避免与键槽处的钢板接触上；外钢架1和内钢架3间的黏弹性层5可沿键槽302长度方向进行剪切变形。

如图7所示，外钢架1中的弧形钢带101的弧长所对应的角度范围小于90°，避免两个外钢架1同侧的弧形钢带101接触上；所述弧形钢环2两端通过焊接和螺栓连接组合的方式分别固定到两个外钢架1上，弧形钢环2的内弯弧面与弧形钢带101的外弯弧面曲率相同，且紧密贴合，确保弧形钢环2与弧形钢带101可以同步变形；所述弧形钢环2的数量与一侧连接的弧形钢带101的数量相同；弧形钢环2可随着两个外钢架1沿键槽302长度方向的相对位移运动进行弯扭塑性变形。

外钢架1与内钢架3采用强度超过1000mpa的高强钢；所述弧形钢环2和弧形钢板4作为金属耗能构件，采用具有低屈服点的软钢；所述弧形钢环2与弧形钢板4间至少留有20mm的距离，以避免在变形过程中接触到；所述黏弹性层5主要通过高阻尼黏弹性材料硫化的方式固定到两侧接触的钢板上，或可通过其他方式牢固黏贴在两侧接触的钢板上，以确保黏弹性层5进行剪切变形。

对本发明中的减震器用abaqus软件建立模型进行数值模拟，得到空间三个坐标方向的力-位移的滞回曲线。在空间x、y、z三个坐标方向上，软钢未屈服时，仅黏弹性提供耗能，为第一级，如图8、图9和图10所示的实线部分，滞回曲线呈椭圆状；软钢达到屈服后，由软钢和黏弹性共同参与耗能，为第二级，如图8、图9和图10所示的点线部分，滞回曲线具有明显的刚度退化特征，软钢塑性特征变化明显。

图11、图12和图13中的应力云图显示表明，空间y方向的应力最大，可达到957.9mpa，应力较大的部位主要出现在内钢架3中弧形挑板301的根部和外伸钢板的根部，x方向的最大应力出现在外钢架1中弧形钢带101的根部，z方向的最大应力出现在内钢架3中弧形挑板301的根部和外伸钢板的根部，最大值为508mpa。而软钢构件应力可维持在400mpa以内工作，说明外钢架和内钢架中的弧形钢带和弧形挑板可有效保护软钢构件，防止软钢构件断裂失效。

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