專利名稱：滾軸金屬阻尼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于土木工程結(jié)構(gòu)減震技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種安裝于建筑結(jié)構(gòu)或橋梁工程上，用于消耗地震能量的滾軸金屬阻尼器。
背景技術(shù)：
當(dāng)今建筑的發(fā)展越來(lái)越趨向于高大化，由鋼構(gòu)件、組合構(gòu)件或鋼筋混凝土構(gòu)件組成的框架結(jié)構(gòu)是建筑物中經(jīng)常被采用的結(jié)構(gòu)形式。為使建筑結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抵抗地震或風(fēng)荷載等外力破壞的能力，經(jīng)常需要在框架結(jié)構(gòu)中增設(shè)耗能構(gòu)件。與此同時(shí)，橋梁工程的發(fā)展也越來(lái)越趨向于大型化，為保證地震時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，防止發(fā)生落橋，現(xiàn)普遍在橋墩與梁板的連接處設(shè)置橡膠隔振墊，并在橋墩與梁板間配合設(shè)置耗能構(gòu)件，常見(jiàn)的耗能構(gòu)件有粘滯型阻尼器、磁流變阻尼器、金屬阻尼器等。其中金屬阻尼器因其耐久性和經(jīng)濟(jì)性較好，在工程中應(yīng)用較廣。對(duì)于阻尼器來(lái)說(shuō)，良好的耗能能力是阻尼器設(shè)計(jì)的首要考慮。在良好的耗能前提下，實(shí)現(xiàn)更大的變形能力和更小的屈服后剛度對(duì)阻尼器的減震效果至關(guān)重要。目前金屬阻尼器的一般多為鋼或組合構(gòu)件的防屈曲耗能支撐形式，主要用于承受拉力或壓力。例如，專利號(hào)為ZL200720175235.X的中國(guó)專利公開(kāi)了一種無(wú)粘結(jié)鋼骨混凝土防屈曲耗能支撐，這種耗能支撐結(jié)構(gòu)依靠在核心鋼骨構(gòu)件外部設(shè)置約束體，利用位于軸心處的核心鋼骨構(gòu)件承受軸向外力，當(dāng)受壓時(shí)，由于有約束體的限制，核心鋼骨構(gòu)件不會(huì)發(fā)生屈曲，而是在壓力達(dá)到一定極限時(shí)與受拉一樣發(fā)生屈服，從而耗散外界輸入的能量。此類(lèi)金屬阻尼器是依靠核心鋼骨構(gòu)件在外力作用時(shí)鋼材自身的拉壓屈服變形來(lái)實(shí)現(xiàn)耗能及防止建筑物被破壞的功能，但是由于鋼材的彈性模量較大，屈服時(shí)能實(shí)現(xiàn)的變形量很小，而金屬阻尼器的屈服時(shí)變形對(duì)其耗能能力，減震有效閾值以及建筑的變形限值十分重要。不僅僅是防屈曲支撐式阻尼器，對(duì)于現(xiàn)有的絕大多數(shù)金屬阻尼器來(lái)說(shuō)，由于鋼材的拉壓屈服變形小，阻尼器的構(gòu)造可設(shè)計(jì)性往往有限。因此當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)需要實(shí)現(xiàn)較大變形量，通常阻尼器的尺寸會(huì)很大，以致于難以加工、運(yùn)輸和安裝，甚至用普通鋼材根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)，這極大地限制了金屬阻尼器的推廣應(yīng)用。另一方面，大多數(shù)金屬阻尼器在耗能金屬原件發(fā)生屈曲之后仍存在較大的屈曲后剛度，這對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)不利。市場(chǎng)迫切要求一種可以實(shí)現(xiàn)較大變形量且屈服后剛度較小的新型金屬阻尼器。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有金屬耗能阻尼器的缺陷，提供一種耗能性能良好，變形量大且屈服后剛度小的滾軸金屬阻尼器。本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為該滾軸金屬阻尼器包括固定在建筑結(jié)構(gòu)或橋梁結(jié)構(gòu)上的金屬板支座和滾軸支座。一塊或多塊金屬板穿過(guò)滾軸支座，其兩端與金屬板支座固定連接，金屬板的長(zhǎng)度方向與建筑結(jié)構(gòu)承受剪切力的主方向一致；滾軸支座內(nèi)與金屬板鄰近的上表面和下表面上分別設(shè)置多個(gè)凹槽，每個(gè)凹槽內(nèi)分別設(shè)置一個(gè)滾軸，與金屬板的上下兩面滾動(dòng)或滑動(dòng)連接。所述滾軸支座分為上下兩部分，由螺栓固定。所述滾軸在每塊金屬板的上下兩側(cè)沿金屬板的長(zhǎng)度方向等間距布置，每塊金屬板上下兩側(cè)的滾軸豎向位置錯(cuò)開(kāi)。所述滾軸支座的上下兩部分之間設(shè)置多個(gè)中間層，層與層之間通過(guò)螺栓緊固連接，每?jī)蓚€(gè)中間層之間設(shè)置一塊金屬板。所述金屬板為多塊時(shí)，各金屬板的長(zhǎng)度方向平行或垂直。所述多個(gè)金屬板的長(zhǎng)度方向相互垂直時(shí)，分別對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)承受剪力的兩個(gè)方向，實(shí)現(xiàn)多向耗能；與此對(duì)應(yīng)，與金屬板所接觸的滾軸的布置方向也彼此垂直布置。所述滾軸與其所在的圓柱面凹槽，兩者接觸面之間做光滑處理，以保證滾軸在阻尼器工作時(shí)進(jìn)行自由轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滾軸與鋼板之間的滾動(dòng)摩擦。相鄰兩排的滾軸之間的豎向距離通過(guò)滾軸支座上的螺栓進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬板厚度方向不同程度的擠壓，即實(shí)現(xiàn)阻尼器不同程度的阻尼值。所述滾軸支座與滾軸之間的接觸面通過(guò)焊接連接，將滾軸固定于滾軸支座的圓柱面凹槽中，實(shí)現(xiàn)滾軸與鋼板之間的滑動(dòng)摩擦。所述金屬板支座直接安裝或通過(guò)一個(gè)輔助支架與建筑結(jié)構(gòu)上部(下部)相連接，所述滾軸支座直接安裝或通過(guò)一個(gè)輔助支架與建筑結(jié)構(gòu)下部(上部)相連接，具體安裝方法視工程情況和施工便利而定。金屬板支座和滾軸支座上分別設(shè)置與建筑結(jié)構(gòu)相連的連接機(jī)構(gòu)，所述連接機(jī)構(gòu)是通孔、螺紋孔或帶有安裝孔的耳板。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型剪切型金屬?gòu)澢哪茏枘崞骶哂腥缦聝?yōu)點(diǎn)(I)可實(shí)現(xiàn)較大變形量。金屬板在滾軸之間運(yùn)動(dòng)，此阻尼器的可實(shí)現(xiàn)變形量即為金屬板長(zhǎng)度減去滾軸支座的長(zhǎng)度。這一設(shè)計(jì)在有限的構(gòu)件尺寸內(nèi)將阻尼器的允許形變最大化，有利于提高阻尼器的耗能能力，增大阻尼器的工作閾值，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)在大變形下出色的抗震能力。(2)屈服后剛度小。滾軸金屬阻尼器利用金屬板的局部彎曲和摩擦阻力進(jìn)行耗能，金屬板屈服后剛度較小，保證了該阻尼器良好的耗能穩(wěn)定性。(3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，適用性強(qiáng)。目前現(xiàn)有的阻尼器中，阻尼器構(gòu)件特別是核心耗能原件往往涉及構(gòu)造的特殊加工以及多材料的協(xié)同工作，為阻尼器的制作生產(chǎn)和工程安裝帶來(lái)了諸多不便。滾軸金屬阻尼器無(wú)論從連接形式還是構(gòu)件制造方面都十分簡(jiǎn)單，特別是核心耗能元件即金屬板無(wú)需任何多余加工，構(gòu)造連接方式也簡(jiǎn)潔明了。且與現(xiàn)有阻尼器相比，滾軸金屬阻尼器的變形能力強(qiáng)，在有限的構(gòu)件尺寸下可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的大變形，從而大大減小了阻尼器的構(gòu)件尺寸。當(dāng)需要安裝多塊金屬板時(shí)，各金屬板平行放置即可，結(jié)構(gòu)緊湊，適用于不同的工程需要。(4)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。本實(shí)用新型可以通過(guò)改變金屬板數(shù)量、寬度、厚度滾軸的數(shù)量和半徑在設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)在較大范圍內(nèi)任意變化的屈服力和阻尼器剛度，可以滿足各類(lèi)結(jié)構(gòu)的需要。并可針對(duì)不同的工程需要和現(xiàn)場(chǎng)安裝的具體情況靈活調(diào)節(jié)金屬板支座之間的螺栓緊固件，實(shí)現(xiàn)工程安裝階段對(duì)阻尼器性能的微調(diào)。另外，滾軸阻尼器可以實(shí)現(xiàn)雙向的水平減震，兩個(gè)方向上金屬板的數(shù)量厚度等設(shè)計(jì)參數(shù)可以分別設(shè)計(jì)，以滿足結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向上不同的減震需求。[0021]試驗(yàn)證明，本實(shí)用新型利用鋼材等良好的塑性變形能力和摩擦阻尼實(shí)現(xiàn)耗能，其滯回曲線飽滿，耗能能力出色。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)新穎合理，易于加工，使用方便靈活，適用性強(qiáng)，可以有效提高建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，具有廣闊的市場(chǎng)推廣和應(yīng)用前景。

圖1為滾軸金屬阻尼器的結(jié)構(gòu)示意圖之一。圖2為圖1的Y向視圖。圖3為圖1所示滾軸金屬阻尼器的A-A剖面圖。圖4為圖1所示滾軸金屬阻尼器的B-B剖面圖。圖5為滾軸金屬阻尼器的結(jié)構(gòu)示意圖之二。圖6為圖5的Y向視圖。圖7為滾軸安裝示意圖(D部放大圖)之一。圖8為圖7所示的滾動(dòng)摩擦下金屬板和滾軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)示意圖。圖9為滾軸安裝示意圖(D部放大圖)之二。圖10為滾軸金屬阻尼器在框架結(jié)構(gòu)上的安裝示意圖。圖11為滾軸金屬阻尼器在框架結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切變形下的工作示意圖。圖12滾軸金屬阻尼器在橋梁上的應(yīng)用示意圖。圖13為圖12的C-C局部剖視圖。圖14為圖12中的E部放大圖。圖中標(biāo)號(hào)1-金屬板；2_滾軸；3_滾軸支座；4_金屬板支座；5_螺栓；6_螺栓通孔。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提供了一種滾軸金屬阻尼器，
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例一如圖1、圖2所示的本實(shí)用新型滾軸金屬阻尼器，包括金屬板I和滾軸2，以及滾軸支座3和金屬板支座4。金屬板I兩端通過(guò)金屬板支座4上的螺栓通孔6與建筑結(jié)構(gòu)固定連接，金屬板I的長(zhǎng)度方向與建筑結(jié)構(gòu)承受剪切力的方向一致。滾軸2為鋼材制成并作表面光滑處理，放置于滾軸支座3中的圓柱面凹槽中。滾軸支座3分為上下兩個(gè)部分(3 (I)和3 (2))，通過(guò)螺栓5的作用壓緊之間的滾軸2和金屬板I。滾軸2在金屬板I的上下兩側(cè)沿金屬板I的長(zhǎng)度方向等間距布置，每塊金屬板I上下兩側(cè)的滾軸2豎向位置錯(cuò)開(kāi)。相鄰兩排的滾軸2之間的豎向距離通過(guò)滾軸支座3上的螺栓5進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬板I厚度方向不同程度的擠壓。如圖7所示，滾軸2放置于滾軸支座3的圓柱面凹槽中，兩者接觸面做光滑處理，以保證滾軸2在阻尼器工作時(shí)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滾軸2與金屬板I之間的滾動(dòng)摩擦。即當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)在水平荷載的作用下產(chǎn)生水平變形時(shí)，分別與結(jié)構(gòu)上下部分相連的滾軸支座3和金屬板支座4發(fā)生水平向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，分別帶動(dòng)其上的滾軸2和金屬板I發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，滾軸2在滾軸支座3的圓柱面凹槽中自由轉(zhuǎn)動(dòng)，金屬板I在滾軸2之間“流動(dòng)”，并伴隨局部彎曲和摩擦耗能，其相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖8所示。如圖9，也可通過(guò)焊接接觸面，將滾軸2固定于滾軸支座3的圓柱面凹槽中，實(shí)現(xiàn)滾軸I與金屬板I之間的滑動(dòng)摩擦。本例中利用連螺栓6來(lái)實(shí)現(xiàn)滾軸金屬阻尼器與鋼框架結(jié)構(gòu)的連接，以及金屬板I與金屬板支座4之間的連接。在實(shí)際應(yīng)用中，也可采用其他連接構(gòu)造或焊接工藝，都可以實(shí)現(xiàn)同樣的效果。此外，為了方便與其他結(jié)構(gòu)連接，除本例中所述設(shè)置用于連接的通孔外，也可以設(shè)置螺紋孔、帶有連接孔的耳板、鎖扣、吊環(huán)等其他用于連接的結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型的滾軸金屬阻尼器，利用金屬板I作為耗能元件，通過(guò)金屬板I的局部彎曲和金屬板I與滾軸2之間的摩擦阻力實(shí)現(xiàn)減震耗能，從而達(dá)到衰減外界輸入能量，使框架結(jié)構(gòu)免于損壞的目的。本實(shí)用新型不是利用鋼材的拉壓屈服變形獲得變形量，其允許變形量即為金屬板I與滾軸支座3的長(zhǎng)度之差，可以實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)在大變形下出色的抗震能力。試驗(yàn)證明，本實(shí)用新型滯回曲線飽滿，耗能能力出色，可以有效提高建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能。且屈服后剛度小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，適用性和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，具有廣闊的市場(chǎng)推廣和應(yīng)用前景。實(shí)施例二如圖5，圖6所示，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)所受到的水平剪力較大時(shí)，可以在單個(gè)阻尼器中平行布置多塊金屬板I，金屬板I的長(zhǎng)度方向均與水平抗側(cè)力方向一致。相應(yīng)的，滾軸2亦多層布設(shè)，滾軸支座3除頂部滾軸支座3 (I)和底部滾軸支座3 (2)外，設(shè)置若干中間層3 (3)，頂部滾軸支座3 (I)和底部滾軸支座3 (2)以及中間層3 (3)之間通過(guò)螺栓5緊固連接。通過(guò)控制螺栓5的松緊實(shí)現(xiàn)各滾軸2與金屬板I之間不同程度的壓力，即實(shí)現(xiàn)阻尼器不同程度的阻尼值。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)要求在兩個(gè)方向均進(jìn)行水平減震耗能時(shí)，各層金屬板I的長(zhǎng)度方向可彼此垂直布置，實(shí)現(xiàn)多向耗能。與此對(duì)應(yīng)的，各層的滾軸2彼此垂直布置，滾軸支座3和金屬板支座4的相關(guān)構(gòu)造在原基礎(chǔ)上稍作改動(dòng)即可，相關(guān)技術(shù)原理與實(shí)施例一并無(wú)不同，在此不作進(jìn)一步論述。另外，對(duì)于多層雙向滾軸支座，可以通過(guò)控制兩個(gè)方向上金屬板的厚度、數(shù)量、滾軸的布置間距等方式對(duì)兩個(gè)方向的減震耗能能力進(jìn)行分別控制，可以充分滿足一般建筑結(jié)構(gòu)在不同方向上不同的水平抗震耗能要求。實(shí)施例三基于實(shí)施例一和實(shí)施例二所述的技術(shù)原理，由于本實(shí)用新型滾軸金屬阻尼器構(gòu)造緊湊簡(jiǎn)潔，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)可以保證其較大的變形量，因此本實(shí)用新型的整體尺寸可以控制的很小。如圖10所示，與實(shí)施例一和例二不同之處在于，當(dāng)本實(shí)用新型所安裝的結(jié)構(gòu)空間較大時(shí)，可以在鋼框架8上附加一個(gè)輔助支架7，將滾軸支座3的上部相連，將金屬板支座4與輔助支架7相連，從而將本實(shí)用新型固定于鋼框架8之上。當(dāng)然，也可將本實(shí)用新型上下倒置，使金屬板支座4與鋼框架8相連，而將滾軸支座3與輔助支架7相連，具體的安裝方法視工程情況和施工方便決定。如圖11所示，當(dāng)鋼框架8受到剪切力Fl及F2作用發(fā)生變形時(shí)，分別與鋼框架8上部和下部相固結(jié)的金屬板支座3和滾軸支座4即會(huì)發(fā)生水平向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。與此對(duì)應(yīng)的，金屬板I在滾軸2之間實(shí)現(xiàn)“流動(dòng)”，不斷通過(guò)塑性變形和摩擦作用消耗水平振動(dòng)能量，從而達(dá)到衰減外界輸入能量，使框架結(jié)構(gòu)免于損壞的目的。另外，本例僅以鋼框架為例進(jìn)行說(shuō)明，在實(shí)際應(yīng)用中，也可以用于組合構(gòu)件或鋼筋混凝土構(gòu)件組成的框架結(jié)構(gòu)，均能很好地實(shí)現(xiàn)消能減震的作用，在此不作一一說(shuō)明。實(shí)施例四用于橋梁結(jié)構(gòu)的消能減震時(shí)，如圖12、圖13、圖14所示，將本實(shí)用新型置于橋身9與橋墩11之間，與橋身支座10并聯(lián)使用。利用本實(shí)用新型滾軸金屬阻尼器中金屬板支座3和滾軸支座4上的螺栓通孔6 (常規(guī)技術(shù)方法，圖中未具體示出)將本實(shí)用新型分別與橋身9及橋墩11相連。應(yīng)注意，連接時(shí)，金屬板的長(zhǎng)度方向應(yīng)與橋身的寬度方向保持一致，亦即鋼板的幅面寬度方向與橋身的長(zhǎng)度方向一致，具體如圖13所示。本例中將本實(shí)用新型的金屬板支座3和滾軸支座4直接與橋身9及橋墩11相連，在實(shí)際應(yīng)用中，也可以借助輔助框架結(jié)構(gòu)將本實(shí)用新型與橋身9和橋墩連11接在一起，當(dāng)然，本實(shí)用新型的布置形式及使用數(shù)量也不局限于本例，可以根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行優(yōu)化選擇，也都可以起到相同的作用，在此不一一做單獨(dú)說(shuō)明，只要基于本實(shí)用新型的技術(shù)原理，都在本實(shí)用新型的保護(hù)范疇中。
權(quán)利要求1.滾軸金屬阻尼器，包括固定在建筑結(jié)構(gòu)或橋梁結(jié)構(gòu)上的金屬板支座(4)和滾軸支座(3)，其特征在于，一塊或多塊金屬板(I)穿過(guò)滾軸支座(3)，其兩端與金屬板支座(4)固定連接，金屬板(I)的長(zhǎng)度方向與建筑結(jié)構(gòu)承受剪切力的主方向一致；滾軸支座(3)內(nèi)與金屬板(I)鄰近的上表面和下表面上分別設(shè)置多個(gè)凹槽，每個(gè)凹槽內(nèi)分別設(shè)置一個(gè)滾軸(2)，與金屬板(I)的上下兩面滾動(dòng)或滑動(dòng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滾軸金屬阻尼器，其特征在于，所述滾軸支座(3)分為上下兩部分，由螺栓固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滾軸金屬阻尼器，其特征在于，所述滾軸(2)在每塊金屬板(O的上下兩側(cè)沿金屬板的長(zhǎng)度方向等間距布置，每塊金屬板上下兩側(cè)的滾軸豎向位置錯(cuò)開(kāi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的滾軸金屬阻尼器，其特征在于，所述滾軸支座(3)的上下兩部分之間設(shè)置多個(gè)中間層，層與層之間通過(guò)螺栓緊固連接，每?jī)蓚€(gè)中間層之間設(shè)置一塊金屬板⑴。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滾軸金屬阻尼器，其特征在于，所述金屬板(I)為多塊時(shí)，各金屬板的長(zhǎng)度方向平行或垂直。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滾軸金屬阻尼器，其特征在于，所述滾軸(2)與其所在的圓柱面凹槽，兩者接觸面之間做光滑處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滾軸金屬阻尼器，其特征在于，所述滾軸支座(3)與滾軸(2)之間的接觸面通過(guò)焊接連接。
專利摘要本實(shí)用新型屬于土木工程結(jié)構(gòu)減震技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種滾軸金屬阻尼器。該滾軸金屬阻尼器包括固定在建筑結(jié)構(gòu)或橋梁結(jié)構(gòu)上的金屬板支座和滾軸支座。一塊或多塊金屬板穿過(guò)滾軸支座，其兩端與金屬板支座固定連接，金屬板的長(zhǎng)度方向與建筑結(jié)構(gòu)承受剪切力的主方向一致；滾軸支座內(nèi)與金屬板鄰近的上表面和下表面上分別設(shè)置多個(gè)凹槽，每個(gè)凹槽內(nèi)分別設(shè)置一個(gè)滾軸，與金屬板的上下兩面滾動(dòng)或滑動(dòng)連接。本實(shí)用新型利用鋼材等材料良好的塑性變形能力和摩擦阻尼實(shí)現(xiàn)耗能，其滯回曲線飽滿，耗能能力出色；結(jié)構(gòu)新穎合理，易于加工，使用方便靈活，適用性強(qiáng)，可以有效提高建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，具有廣闊的市場(chǎng)推廣和應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)E01D19/00GK202850254SQ20122050487
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者潘鵬, 林勁松, 陳浩文 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 北京羿射旭科技有限公司