一种损伤可视化支撑型金属剪切阻尼器的制作方法

本发明涉及建筑工程结构领域，尤其涉及一种损伤可视化支撑型金属剪切阻尼器。

背景技术：

当今建筑的跨度和高度不断刷新，钢筋混凝土结构、钢结构和组合结构等是经常被采用的结构形式。为使建筑结构具有较强的抵抗地震或风荷载等外力破坏的能力，经常需要在框架结构中增设耗能构件。现有的减隔震构件有屈曲约束支撑、叠层橡胶隔震支座、油性阻尼器等。阻尼器，是提供运动的阻力，耗减运动能量的装置。在航天、航空、军工、枪炮、汽车等行业中早已应用各种各样的阻尼器来减振消能。从二十世纪七十年代后，人们开始逐步地把这些技术转用到建筑、桥梁、铁路等结构工程中，其发展十分迅速。其中运用于结构工程的阻尼器主要有液体阻尼器和金属阻尼器两类。金属阻尼器因其构造简单，施工方便，造价低，在工程中应用较多。

阻尼器主要用于吸收地震输入结构的能量，金属阻尼器的阻尼力一般与振动系统运动的位移成比例，一般同时要考虑其刚度、强度、延性和耗能能力。本发明所指的多板支撑型金属剪切阻尼器就是金属阻尼器的一种。剪切阻尼器利用金属材料剪切塑性变形特性，消耗地震输入到结构的能量，从而达到减震的目的。剪切阻尼器因为构造简单，结构初始刚度大，且刚度可调，滞回性能稳定，疲劳性能好等优点，得到了大量的工程应用。

目前大多数剪切阻尼器采用的是铅剪切阻尼器，利用铅块的剪切塑性变形消耗地震能量，由于铅材料在室温下做塑性循环时不会发生累计疲劳现象，塑性变形性能好，加上取材简便、经济性好，铅剪切阻尼器取得了广泛的应用。公开号为cn202090456u的实用新型专利，和公布号为cn102155057a的发明专利，分别公开了两种不同形式的铅剪切阻尼器，主要原理都是利用铅柱(块)的剪切变形来消耗能量。但是铅剪切阻尼器有其自身的缺点：1、当阻尼器承载力越大时，铅剪切阻尼器的体积相应也越大，在结构中需要占用的空间就越大，给阻尼器的安装带来不便；2、在中震和大震来临后，无法直观的观察剪切阻尼器的残余变形，进而判断阻尼器是否需要维修更换；3、铅的熔点为327.4℃，在出现火灾等高温情况下时，铅容易融化，使阻尼器失效，进一步可能危及结构整体安全。

公布号为cn108589952a的发明专利，公开了一种高耗能剪切阻尼器，包括辅助耗能板、翼缘、上安装板、环状方形劲肋、腹板、下安装板，上安装板和下安装板呈上、下相对设置，通过在两侧分别安装一个辅助耗能板形成一个方形框结构；下安装板的两端各设置有一道定位槽，两道定位槽呈平行状态；两个翼缘分别垂直安装于定位槽内，且其上部与上安装板下表面接触；腹板的两端分别安装在两个翼缘的中部，且与翼缘垂直相交，腹板的上端与下端分别与上安装板和下安装板相接触；环状方形劲肋固定在腹板上。该耗能剪切阻尼器利用腹板的剪切变形来消耗能量，存在的问题是构造十分复杂，耗能构件少，而其他辅助约束构件多，阻尼器承载能力难以根据实际情况调整。

技术实现要素：

针对以上不足，本发明提供了一种损伤可视化支撑型金属剪切阻尼器，体积小巧，结构简单，制作安装简单方便，可根据实际情况灵活调整改变阻尼器的承载力和耗能能力，达到减震的作用，减少主体结构受到的机械损伤。

本发明的技术方案为：

一种损伤可视化支撑型金属剪切阻尼器，包括金属制的连接板和耗能板，所述耗能板表面开孔，所述连接板与耗能板以方案一或方案二的形式连接：

方案一：所述连接板包括端板和加强板，所述端板为两块、相互平行设置，所述耗能板为若干块方形剪切板、相互平行设置于两块端板之间，方形剪切板的两端面分别与端板的相对表面连接固定，最外侧的方形剪切板与端板形成立方体结构，所述增强板连接固定在相邻方形剪切板的中部；

方案二：所述连接板为一块长直板，所述耗能板连接固定在连接板的两端。

所述方案一中，所述方形剪切板的中部的增强板固定处不开孔。

所述方形剪切板为四块。

所述方形剪切板为竖向或横向放置。

所述端板为矩形钢板或工字钢或方钢管。

所述方案二中，所述连接板为工字型长直板，所述耗能板为工字型剪切板，两者都具有腹板和两侧的翼缘，所述工字型剪切板的腹板与工字型长直板的腹板两端垂直相交并连接固定，所述工字型剪切板的腹板开孔。

所述方案二中，所述连接板为十字型长直板，所述耗能板为四块方形剪切板围绕组成的立方体结构，每一块方形剪切板与十字型长直板的一条十字边垂直相交并连接固定，所述方形剪切板表面开孔。

所述耗能板的开孔形状为长条形或椭圆形或菱形或带圆弧倒角的矩形或以上形状的组合。

所述连接固定方式均为等强焊接连接，焊接部位在焊接前经过打磨预处理。

本发明的金属剪切阻尼器包括金属制的连接板和耗能板，耗能板的表面开孔，连接板将两块以上的耗能板连接在一起，增加承载耗能能力。耗能板作为受力构件，承受外部传来的拉力和压力。当地震来临时，地震带来的荷载强度输入主体结构，传递至本发明的金属剪切阻尼器，压力经过连接板传递到耗能板，由于连接板的刚度较大，而耗能板的表面开孔，相对较易在地震力的作用下发生剪切变形，塑性变形可以消耗地震输入主体结构的能量，达到减震的作用，减少主体结构受到的地震损伤。

本发明的连接方案一中，耗能板的中部设有增强板，增强板连接处的耗能板表面细长段不开孔，不参与剪切变形。在地震力作用下，该不开孔的细长段会在耗能板平面外发生变形，其变形方式为：在耗能板受到压力作用时外鼓，在耗能板受到拉力作用时内凹，通过观察该细长段耗能板在平面外的变形量，判断地震后该阻尼器是否需要维修或更换，达到损伤可视化，方便重新进行减隔震装置的部署及设置。其次，可以根据实际承载力的需要，通过改变耗能板的数量，达到适应承载力的实际需要，调整灵活方便，适应范围广。

本发明的连接方案二中，连接板为工字型或十字型长直板，耗能板为工字型剪切板或四块方形剪切板围绕组成的立方体结构，因此该种金属剪切阻尼器适应于框架支撑。受到压力时，压力通过一端的耗能板传递到连接板，再通过连接板传递到较远处的另一端的耗能板，达到共同耗能减震的目的。当需要不同的承载力时，可以通过改变耗能板的长度，即工字型剪切板或方形剪切板的长度，实现灵活调整承载能力的目的。同时，可以根据框架结构的不同尺寸，通过调整连接板的长度，以适应不同框架结构的目的，调整灵活方便，适应范围广。

附图说明

图1为本发明的支撑型金属剪切阻尼器的实施例一的立体图；

图2为本发明的支撑型金属剪切阻尼器的实施例一的部件爆炸图；

图3为本发明的支撑型金属剪切阻尼器的耗能板的长条形开孔示意图；

图4为本发明的支撑型金属剪切阻尼器的耗能板的菱形开孔示意图；

图5为本发明的支撑型金属剪切阻尼器的耗能板的椭圆形开孔示意图；

图6为本发明的支撑型金属剪切阻尼器的耗能板的带圆弧倒角的矩形开孔示意图；

图7为本发明的支撑型金属剪切阻尼器的实施例二的立体图；

图8为本发明的支撑型金属剪切阻尼器的实施例二的正视图；

图9为本发明的支撑型金属剪切阻尼器的实施例二的俯视图；

图10为本发明的支撑型金属剪切阻尼器的实施例二的右视图；

图11为本发明的支撑型金属剪切阻尼器的实施例三的立体图；

图12为本发明的支撑型金属剪切阻尼器的实施例三的正视图；

图13为本发明的支撑型金属剪切阻尼器的实施例三的右视图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

本发明的损伤可视化支撑型金属剪切阻尼器，包括金属制的连接板和耗能板，耗能板表面开孔，连接板与耗能板以方案一或方案二的形式连接。金属材质可以选用普通钢材，阻尼器外表面涂刷防火材料，金属材质如钢材的熔点在1500℃以上，具有良好的防火性能。

实施例一

连接方式为方案一，参考图1-图6，连接板包括端板11和加强板31，端板11为两块，相互平行横向设置，耗能板为两块方形剪切板21、相互平行纵向设置于两块端板11之间，方形剪切板21的两端面分别与两块端板11的相对表面连接固定，方形剪切板21与端板11形成立方体结构。增强板31设置在相邻方形剪切板21的中部，用于增加方形剪切板21的连接强度。在方形剪切板21的中间细长部位，即增强板31固定处不开孔。

由于端板11的刚度较大，而方形剪切板21表面开孔，在受拉或受压时易发生剪切塑性变形，耗散能量，达到减震的目的。端板11和增强板31的作用在于连接多个相互平行的方形剪切板21，使多个方形剪切板21能够同时剪切变形，端板11和增强板31在地震作用下不会屈服，始终处于弹性状态。方形剪切板21在地震初期首先发生弹性阶段的剪切变形，此时并不消耗能量，方形剪切板21继续受压变形进入塑性变形，塑性变形耗能，由此消耗地震输入主体结构的能量，减少地震引起的主体结构损伤。塑性剪切变形带动端板11和增强板31发生位移，端板11和增强板31的相对位移就是方形剪切板21的剪切变形值。

由于方形剪切板21的中间细长部位不开孔，不参与剪切变形，在地震力作用下，该段细长部位会产生方形剪切板21所在平面外的变形，变形方式为：方形剪切板21受压时外鼓，方形剪切板21受拉时内凹，通过观察该段细长部位在平面外的变形量，可以获取阻尼器的剪切变形历史信息，判断地震后该减震装置是否需要维修或更换，震后损伤可以直接观测到，达到损伤可视化。

方形剪切板21的数量可以为若干个，可根据荷载力大小灵活设置其数量，以满足荷载力的实际需要。经过相关实验验证，当方形剪切板21为四块时，阻尼器的承载力和耗能能力均较为理想。本发明的金属剪切阻尼器体积小巧，占用空间小，安装维修方便。方形剪切板21可以为竖向放置或横向放置，整个金属阻尼器的体积不变。端板11为矩形钢板或工字钢或方钢管，可以根据方形剪切板21的数量和排列采取不同形式的端板11。端板11、方形剪切板21和增强板31可以采用牌号为q235、q345或q390的钢材或其它高性能金属材料。

如图3-图6所示，方形剪切板21的开孔形状可以为长条形、椭圆形、菱形或带圆弧倒角的矩形的其中一种，或以上形状的组合。改变开孔的形式和数量，可以改变方形剪切板21的初始刚度，从而改变方形剪切板21的承载力和耗能能力，进一步满足实际耗能需要。本发明的金属剪切阻尼器可以适用于各种情况下的减震避震，结构简单，使用方便，克服了现有技术中的铅剪切阻尼器和结构复杂的阻尼器所带来的各项缺陷，减少地震给主体结构带来的损伤。

实施例二

连接方式为方案二，参考图7-图10，连接板为一块工字型长直板12，耗能板为工字型剪切板22，两者都具有腹板和两侧的翼缘，腹板和翼缘采用焊接连接。工字型剪切板22固定在工字型长直板12的两端，耗能板22的腹板与连接板12的腹板两端垂直相交并且连接固定，工字型剪切板22的腹板开孔。由于工字型长直板12为长度较长，本实施例的金属剪切阻尼器适用于框架支撑。

工字型剪切板22的腹板开孔，在荷载作用下形成剪形变形区。地震来临时，地震带来的荷载输入主体结构，传递至实施例二的金属剪切阻尼器，压力通过工字型剪切板22传递到工字型长直板12，再通过工字型长直板12传递到另一端的工字型剪切板22。通过受力分析可以得到，在剪切板、长直板、剪切板之间形成两个靠近剪切板的剪切区，工字型剪切板22的腹板受到剪切力，发生剪切变形。首先是弹性阶段的剪切变形，此时并不消耗能量；工字型剪切板22继续受压变形进入塑性阶段，此时塑性变形耗能，从而消耗地震输入主体结构的能量，达到减震的作用。

可以根据框架结构的尺寸，改变本方案的工字型长直板12长度，以适应不同尺寸的框架结构，调整灵活方便，适应范围广。由于框架结构的荷载不同，支撑型金属剪切阻尼器所需要的承载力也不同。在本方案中，当需要不同的承载力时，可以通过改变工字型剪切板22的长度来实现，工字型剪切板22的长度越大，剪切区的距离也就越大，相应的承载力会变大，极限耗能能力也会随之增大。另外，与方案一相同，也可以改变工字型剪切板22的腹板上的开孔形式和数量，以调整剪切板的初始刚度，一般来说，开孔数量越少，大小越小，剪切板的初始刚度越强，承载力也越大，反之则初始刚度和承载力均下降。

实施例三

连接方式为方案二，参考图11-图13，连接板为一块十字型长直板13，耗能板为四块方形剪切板21围绕组成的立方体结构，每一块方形剪切板21与十字型长直板13的一条十字边垂直相交并连接固定，四块方形剪切板21的表面开孔。本实施例由八块方形剪切板21参与剪切变形，初始刚度大，耗能能力强，轴向变形少，适用于承载力要求较大的情况。由于十字型长直板13为长度较长，本实施例的金属剪切阻尼器适用于框架支撑。

四块方形剪切板21的表面开孔，在荷载作用下形成剪形变形区。地震来临时，地震带来的荷载输入主体结构，传递至实施例三的金属剪切阻尼器，压力通过四块方形剪切板21围绕形成的立方体结构传递到十字型长直板13，再通过十字型长直板13传递到另一端的方形剪切板21。通过受力分析可以得到，在剪切板、长直板、剪切板之间形成两个靠近剪切板的剪切区，四块方形剪切板21受到剪切力，发生剪切变形。首先是弹性阶段的剪切变形，此时并不消耗能量；方形剪切板21继续受压变形进入塑性阶段，此时塑性变形耗能，从而消耗地震输入主体结构的能量，达到减震的作用。

可以根据框架结构的尺寸，改变本方案的十字型长直板13长度，以适应不同尺寸的框架结构，调整灵活方便，适应范围广。由于框架结构的荷载不同，支撑型金属剪切阻尼器所需要的承载力也不同。在本方案中，当需要不同的承载力时，可以通过改变方形剪切板21的长度来实现，方形剪切板21的长度越大，剪切区的距离也就越大，相应的承载力会变大，极限耗能能力也会随之增大。另外，与方案一相同，也可以改变方形剪切板21上的开孔形式和数量，以调整剪切板的初始刚度，一般来说，开孔数量越少，大小越小，剪切板的初始刚度越强，承载力也越大，反之则初始刚度和承载力均下降。

以上三个实施例的连接板和耗能板的连接固定方式均为等强焊接连接，焊接部位在焊接前进行打磨预处理，保证焊接节点强度，保证阻尼器在整个地震作用过程中焊缝不会被破坏，地震力仅仅使耗能板发生剪切塑性变形。

本发明的损伤可视化支撑型金属剪切阻尼器，可以广泛应用于结构抗震领域，利用支撑型金属剪切阻尼器的耗能板的剪切塑性变形来耗能，构造简单，无需外部防屈曲组件，施工方便，经济性好，且震后损伤可以直接观测到，有效改善现有剪切阻尼器的金属屈曲约束支撑制作复杂、内部损伤不可见、施工不便等缺陷。本发明的金属剪切阻尼器体积小巧，结构简单，制作安装简单方便，可根据实际情况灵活调整改变阻尼器的承载力和耗能能力，达到减震的作用，减少主体结构受到的机械损伤。

以上公开的仅为本发明的实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。