三角形鋼板開孔式阻尼器的製造方法
2023-10-19 23:19:32
三角形鋼板開孔式阻尼器的製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種三角形鋼板開孔阻尼器，包括鋼板、底板、上部擋板和球形傳力鍵，所述鋼板設計成開孔式的耗能鋼板，鋼板平面幾何形狀為三角形，平面的鋼板上開一個橢圓形孔,三角形板的底邊固嵌於所述底板，頂點通過所述球形傳力鍵與所述上部擋板緊密貼合。開孔阻尼器的三角形鋼板採用高強軟鋼，挖空鋼板破壞時應變偏低部分，明顯改善了鋼板破壞時的應變均勻性，使鋼材的耗能利用率達到最大化，實現節省鋼材目的。橢圓形開孔能夠克服三角形鋼板的應力集中問題，並保證鋼板的屈服耗能能力和位移能力基本不變。本實用新型製作簡單、施工方便、可維修更換，耐久性好，經濟效益高，可應用於建築工程和橋梁工程的減震設計。
【專利說明】三角形鋼板開孔式阻尼器
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬於土木工程、地震工程【技術領域】，具體為設置在建築和橋梁結構中 的一種三角形鋼板開孔式阻尼器。
【背景技術】
[0002] 近年來，我國在建築和橋梁工程結構的減、隔震技術方面進行了大量的研究，也有 諸多類型的阻尼器專利得到申請。傳統的抗震設計是通過結構自身的抗震性能來抵抗地震 作用，但這種抗震方式以犧牲結構部分構件為代價，並且缺乏自我調節能力，在超出設防水 準的地震下很可能不滿足安全性的要求。而減隔震裝置作為額外增設於結構中部分，通過 耗減地震能量，保護結構的安全，已經受到廣泛工程設計人員的推崇。
[0003] 目前減隔震裝置有很多，其中金屬阻尼器具有構造簡單、形式多樣、滯回耗能能力 好、堅實耐用、經濟性好等優點，是國內外廣泛研究的一種結構耗能減震裝置。最早被提出 的三角形、X形這類經典的金屬阻尼器理論上具有整體同時屈服，鋼材利用率較高的優點。 但通過有限元分析發現：這種金屬阻尼器在鋼板破壞時，絕大部分鋼板各截面外緣點沒有 達到極限應變，鋼板應變均勻性並沒有達到令人滿意的效果，造成了鋼材的浪費。為了進一 步改善鋼板破壞時應變均勻性，提高鋼材利用率與經濟效益，有必要研究一種新型鋼板阻 尼器。
【發明內容】
[0004] 本實用新型給出一種三角形鋼板開孔阻尼器，其目的是解決原有經典的三角形鋼 板阻尼器破壞時應變均勻性差，實際鋼材利用率低的不足等諸多問題，進而提供一種具有 良好的應變均勻性，同時具有較好耗能能力和位移能力，開孔的應力集中現象不明顯，構造 合理的的三角形鋼板開孔阻尼器
[0005] 本實用新型給出的技術方案如下：
[0006] -種三角形鋼板開孔阻尼器，包括鋼板、底板、上部擋板和球形傳力鍵，其特徵在 於，所述鋼板設計成開孔式的耗能鋼板，鋼板平面幾何形狀為三角形，平面的鋼板上開一個 橢圓形孔，三角形板的底邊固嵌於所述底板，頂點通過所述球形傳力鍵與所述上部擋板緊 密貼合。鋼板材料建議選取屈服強度345MPa的高強軟鋼，以保證其具有較高的初始剛度 和良好的塑性性能。需要注意的是：第一，三角形鋼板開孔阻尼器受力形式為受彎構件。第 二，為避免應力集中，開孔形狀為橢圓形；第三，為保證鋼板完整性，開孔邊緣應預留足夠的 寬度。第四，橢圓形開孔能夠明顯改善鋼板破壞時應變均勻性。第五，橢圓形開孔不影響阻 尼器位移能力和耗能能力。
[0007] 本實用新型裝置中的耗能部件為開橢圓孔的三角形鋼板，橢圓孔長軸方向與板寬 方向互相垂直。橢圓孔中心距底邊在0.36?0.44H之間（H為三角板板高），橢圓孔長軸為 0. 2?0. 28H之間，橢圓孔短軸為0. 12B?0. 16B之間（B為三角形板寬）。此外，開孔部分 的面積控制在原有三角形鋼板面積的7%?10%，開孔橢圓的離心率為0. 85?0. 9。橢圓 形開孔的任一邊界點與三角形鋼板邊界的最小距離不應小於3cm。
[0008] 本實用新型適用於建築工程與橋梁工程的減震設計。通過對三角形鋼板上開橢圓 形孔，使得本實用新型在不影響阻尼器位移能力和屈服耗能能力的情況下，能有效改善鋼 板破壞時應變均勻性差的問題，實現節約鋼材的目的。而且橢圓形開孔，避免了應力集中問 題，也保證了鋼板的屈服耗能能力和位移能力不降低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009] 圖1三角形鋼板應力拓撲優化結果。
[0010] 圖2開孔前後鋼板模型的力一位移曲線：（a)未開孔鋼板。
[0011] 圖3開孔前後鋼板模型的力一位移曲線：（b)開橢圓孔鋼板。圖4開孔前後鋼板 模型的力一位移曲線：（a)未開孔鋼板。
[0012] 圖5開孔前後鋼板模型的力一位移曲線：（b)開橢圓孔鋼板。
[0013] 圖6為三角形開橢圓形孔阻尼器橫向圖。
[0014] 圖中：1為頂板,2為上部擋板,3為螺栓,4為三角形鋼板,5為底板,6為球形傳力 鍵，7為橢圓形開孔。
[0015] 圖7為三角形開橢圓形孔阻尼器縱向圖。
[0016] 圖8為一種三角形鋼板開孔阻尼器實例在橋梁中應用示意圖。
[0017] 圖中：8為支座，9為主梁，10為橋墩。
[0018] 圖9為一種三角形鋼板開孔阻尼器實例在建築支撐中應用示意圖。
[0019] 圖中：11為框架梁，12為框架柱，13為斜撐。
【具體實施方式】
[0020] 為了探求一個合理的鋼板構造，對三角形鋼板建立有限元模型進行了拓撲優化。 拓撲優化結果表明，鋼板應變較低處集中在鋼板中部和底部，初步考慮挖去這幾部分。但是 挖去2個底角，很大程度上降低鋼板首次屈服剛度而且應力集中問題難於克服，故不考慮。 如果在鋼板中間挖圓孔，會出現嚴重的應力集中問題，大大降低鋼板的位移能力；此外，如 果橢圓孔長軸與底邊平行，那麼應變改善效果十分有限，故這2種開孔方式不予考慮。如圖 1所示。
[0021] 進一步據此提出橋梁開孔阻尼器的構造：在三角形鋼板上中部應變偏低部分開橢 圓形孔。橢圓孔中心距底邊在0.40H左右（H為三角板板高），橢圓孔長軸約為0. 25H，橢圓 孔短軸約為B/7 (B為板寬）。為保持阻尼器鋼板屈服耗能能力和位移能力，開孔部分的面積 應控制在原有三角形鋼板面積的7%?10%，且開孔橢圓的離心率建議取值為0. 85?0. 9。 橢圓形開孔的任一邊界點與三角形鋼板邊界的最小距離不應小於3cm。
[0022] 本實用新型中，所用的鋼材型號、鋼材的尺寸設計與數目以及焊接工藝的選取，都 應按照設計要求靈活調整，以保證在不影響阻尼器耗能能力和位移能力的前提下，實現改 善鋼板破壞時應變均勻性的問題，提高鋼材利用率，並最終實現節省鋼材的目的。
[0023] 本實用新型中，所述開孔阻尼器中橢圓形開孔的具體尺寸和位置應根據設計要求 並參考本實用新型說明書而定。
[0024] 本實用新型提供的技術方案的優點：
[0025] 1)通過設置橢圓形開孔，提高了鋼板屈服破壞時的應變均勻性，鋼材利用率明顯 提高，同時開孔並未降低鋼板阻尼器的耗能能力，鋼板的位移能力甚至略有提高，這一構造 可以節省鋼材，取得良好經濟效益。例如，通過對板寬B = 0. 6m、板高H = 0. 4m、板厚t = 0? 02m的三角形鋼板進行拓撲優化，在鋼板中部開一個長軸為180mm，短軸為80mm的橢圓 孔，橢圓中心距鋼板底端150mm，得到鋼板在地震作用下主要參數變化如表1所示。
[0026] 通過對比發現：開橢圓孔後，單塊鋼板可以節省10%的用鋼量，同時單塊鋼板位 移能力的提高，也可降低阻尼器中鋼板數目，這樣可進一步降低鋼材用量到開孔前三角形 鋼板阻尼器的80%以下，這對於提高鋼材利用率是十分有利的，能夠取得良好經濟效益。 而且開橢圓孔後，鋼板的耗能能力基本沒有變化。首次屈服剛度雖有下降，但仍保持在很高 的水平。
[0027] 表1拓撲優化後開孔三角形鋼板參數變化表
[0028]
【權利要求】
1. 一種三角形鋼板開孔阻尼器，包括鋼板、底板、上部擋板和球形傳力鍵，其特徵在於， 所述鋼板設計成開孔式的耗能鋼板，鋼板平面幾何形狀為三角形，平面的鋼板上開一個橢 圓形孔，三角形板的底邊固嵌於所述底板，頂點通過所述球形傳力鍵與所述上部擋板緊密 貼合。
2. 如權利要求1所述的三角形鋼板開孔阻尼器，其特徵在於：所述開橢圓孔的三角形 鋼板，橢圓孔長軸方向與板寬方向互相垂直。
3. 如權利要求2所述的三角形鋼板開孔阻尼器，其特徵在於，橢圓孔中心距底邊控制 在0. 36H?0. 44H，H為三角板板高，橢圓孔長軸控制在0. 22H?0. 28H，橢圓孔短軸控制在 0. 12?0. 16B，B為三角形板寬。
4. 如權利要求2所述的三角形鋼板開孔阻尼器，其特徵在於，橢圓形開孔部分的面積 控制在原有三角形鋼板面積的7%?10%，開孔橢圓的離心率為0. 85?0. 9。
5. 如權利要求2所述的三角形鋼板開孔阻尼器，其特徵在於，橢圓形開孔的任一邊界 點與三角形鋼板邊界的最小距離不應小於3cm。
【文檔編號】E04B1/98GK204162993SQ201420357692
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年6月30日 優先權日:2014年6月30日
【發明者】劉騰飛, 沈星, 倪曉博, 葉愛君, 陳 光, 羅富元 申請人:同濟大學