一种对结构件的运动进行阻尼的装置以及一种支撑系统的制作方法

专利名称：一种对结构件的运动进行阻尼的装置以及一种支撑系统的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及保护结构系统免受动态载荷、如地震或海浪冲击，车辆振动或风的冲击影响。本发明更特别涉及对建筑物中位移或振动的阻尼。
本发明的背景技术当通过水平外力激励构架时，桁架梁便会开始产生水平位移。如果这些位移较大或如果这些位移周期性地产生，那么它们则可能会对建筑物的状况产生严重影响，且可能会引起严重的损坏，甚至会造成坍塌。
阻尼器在保护如建筑物这样的结构中起到了重要的作用，且这些阻尼器存在各种变型。阻尼器通常通过被固定至建筑物的构架结构上的两个移动部件之间的摩擦力或通过被加压而在两个腔室之间流过一根限流管的流体来阻尼所述位移。目前也存在能够阻尼位移或振动的其它类似已知的方法或变型。一些阻尼器能够有效地改变对应于外部条件的阻尼效果，而其它阻尼器为具有恒定阻尼特性的被动式阻尼器。典型的阻尼器制造成本较高，甚至装配在建筑物构架内的成本更高。通常，由于现存阻尼器的笨重结构或由于阻尼器的结构特性与建筑物特性之间的相互关系，因此，必须使建筑物为特定的阻尼器而设计。
US4,409,765(Pall)涉及这样一种建筑物，其具有一对结构件，这对结构件带有一个将它们连接在一起的部件，且所述部件具有一个带有摩擦面的伸缩接头。伸缩接头还具有用于迫使摩擦面夹在一起的夹持装置。该专利未披露能够提供转动摩擦的阻尼器中类似转动铰链的组件。
本发明的概述本发明的一个目的在于提供一种阻尼器，其是建立在非常简单的设计基础上的且包括易于制造的部件。同时，该阻尼器必须易于组装且其不但对于在不同支撑系统以及在有限空间中的布置而且对于在现存结构的改进以及新的结构均具有灵活性。本发明的另一个优点为具有恒定阻尼效果且提供了一种具有经济效益且工作可靠的系统。
根据本发明，通过一种用于对土木工程建筑结构中结构件和非结构件的移动进行阻尼的装置实现了本发明的目的，该装置包括-至少两个部件，这两部件在一旋转连接点处相互连接以便对至少两个部件之间的相对转动进行摩擦阻尼，该装置包括，-夹紧装置，其用于将所述至少两个部件夹在一起以便在所述旋转连接点处的所述至少两个部件之间保持夹紧力和摩擦，-用于将所述至少两个部件中的每一个部件连接至结构件中对应部件上的装置。
在土木建筑中的结构件可以是梁、柱和板。被阻尼的墙壁可以包括结构件以及非结构件的组合，因此，阻尼器可对结构件和非结构件的运动进行阻尼。非结构件可以是窗户、门、填充墙，如砖墙、墙板和隔墙。
因此-阻尼装置可以以两个或更多的方向、例如被安装在多层建筑物中。
-阻尼装置可以被安装在具有填充砖墙的钢筋混凝土构架结构中。
-阻尼装置可以被安装在较大的墙板中以减少它们的滑动破坏机理。所述墙板通常是由混凝土制成的，但是它们也可以由其它的材料，如木料、钢或合成材料制成。
-阻尼装置可以被安装在高架水槽中以减弱它们的振动响应度。
-阻尼装置可以被安装在桥梁和高架公路上。可以沿两个方向对其进行安装以减弱响应度。作为一个例子，可以以第一方向布置多个阻尼器，以第二方向布置多个阻尼器。在第一方向的阻尼器可设有一阻尼构件，该阻尼构件不同于沿第二方向布置的阻尼器的阻尼构件。
-阻尼装置可被用于由减弱升降机产生的振动，该升降机被装配在一构架上。
-阻尼装置可被安装在多种海上平台上，以减弱这些平台由于例如由水或风产生的波动载荷所引起的振动响应。
-阻尼装置可以被安装在现成的汽车间中。
-阻尼装置可以被安装在移动式金属帐篷中，以便阻尼帐篷的承载柱和梁的移动。
-阻尼装置可以被用于降低构架中连接点的转动。
-阻尼装置可以被安装在多层工业建筑物中。
-阻尼装置可以被安装在木制构架中。
-阻尼装置可以被安装在金属塔中。
根据本发明的一个最佳实施例，阻尼器适于阻尼由木料或轻质金属构架、如由轻质金属合金制成的构架制成的预制墙板或墙壁的移动。作为一个例子，可以在板的加工厂中制造这些板并使其预装有阻尼器。可以为板的特定用途预调节阻尼器或例如在将阻尼器安装在住宅结构中时，可以在后期阶段对阻尼器进行调节。
因其原理的简单性，阻尼器的特性能够使其既用于现存的结构中，又使其用于新的结构中。
所述装置可以包括一种以夹层方式设置在两个部件之间的摩擦填料。所述摩擦填料提供了干摩擦润滑并能够保持大致恒定的摩擦系数。同时，摩擦填料能够减弱由部件的摩擦运动产生的磨损噪音。
所述装置可还包括用于改变夹紧力的装置。通过改变夹紧力，因此，摩擦力和夹持特性被改变并因此可被用于特定的目的，例如用于配合某一风力，地震等。用于改变夹紧力的装置可以是机电式，电动液压式、气动或类似机械或电控式装置，这些装置能够使阻尼器在建筑物中被有效地调节至实际状况。
在本发明的一个最佳实施例中，连接点包括一根延伸通过所述至少两个部件中每一部件的销。该销能起到将阻尼器固定在一起的唯一部件的作用，从而能够确保阻尼器的简易装配以及对阻尼效果的调节。部件之间的摩擦运动或摩擦填料之间的摩擦运动是由部件绕销转动产生的，因此其作用就如同一根铰链销一样。
在本发明的一个最佳实施例中，所述装置可包括一根螺栓，其中，所述螺栓的至少一部分构成了所述销，所述螺栓具有-一具有螺栓头的螺栓件，
-一具有螺母头的螺母，所述夹紧力由螺栓的预应力确定。这是本发明的一个简单可靠的实施例，对于所述装置的组装以及对夹紧力的调节仅需简单的工具即可。
所述装置可还包括用于在一段时间期间保持大致恒定夹紧力的装置。这一点是重要的，其原因在于摩擦力起到了夹紧力的作用且可将摩擦力调节至与夹持条件相匹配。
用于保持大致恒定夹紧力的装置可包括至少一根弹簧，该弹簧被设置在螺栓头和一个部件的表面之间和/或螺母头和一个部件的表面之间。弹簧最好为一个盘簧或串联设置的多个盘簧，或可以是被设置在螺栓头和一个部件表面之间的一个或多个盘簧，被设置在螺母头和另一个部件之间的另一个盘簧或多个盘簧。
在本发明的一个最佳实施例中，至少两个部件包括以大致平行平面延伸的一块侧板和一块中央板。所述侧板最好以固定方式或以可旋转的方式与支撑系统的一个支架连接在一起，所述支架在另一端以固定方式或可旋转地被连接在构架的一个部件上。所述中央板以固定方式或以可旋转的方式被安装至构架的一个部件上，以便相应地防止或允许中央板和结构件之间的相对转动。在这一方案中，摩擦填料最好被设置在所述侧板和所述中央板之间，从而在这些板之间提供了恒定摩擦。在另一最佳实施例中，两块侧板结合(accomplish)中央板，每一块侧板均围绕中央板对称设置。两块侧板中的每一块侧板均可转动地或以固定方式与一个构件相连或与支撑系统的一个支架相连，支架在另一端以固定方式或可转动地与构件中的部件相连。在这一方案中，最好采用两种摩擦材料，每一种摩擦材料均被设置在一块相应的侧板和中央板之间。
摩擦填料被用于在一段时间内且甚至是在多个周期的运动之后保持恒定的摩擦力。已经发现，一种包括由Eurodeal A/S制造的MK101石棉自由摩擦材料的所述摩擦填料适于该目的。另外，还已发现，由钢、防腐钢或黄铜制成侧板和/或中央板的装置是适合的，但是也可采用其它材料，如铝或包括铝或任何其它钢材料的任何合金，或钢和塑料的合成物，或塑料和玻璃纤维、碳、凯夫拉尔或类似材料的合成物，或任何陶瓷材料和玻璃纤维、碳、凯夫拉尔或类似材料的合成物。
最好，在长期测试中，如在200-1000转测试(如400转的测试)，促动激励频率为0.2-1Hz(如0.5Hz促动频率)，所述至少两个部件中的一个部件的位移幅度为1-20mm(如10mm)，所作用的激励力为+10KN到-10KN(如±2.5KN)且初始夹紧力为1-8KN(如4KN)的测试中，所述夹紧力能够表现出小于10％(如8％)的变化，甚至是小于7％(如5％)的变化。在一种特定测试中(参见下面对实验结果的论述)，在400转测试中，所述变化小于5％。
在另一最佳实施例中，夹持特性与力的激励无关。这样便确保了阻尼效果与特定的地震，风暴等的力的频率无关。最好，在以每一频率进行如30-转的测试中、在正常摩擦力矩100-500Nm(如200Nm)下、在2-7Hz范围中，装置中摩擦连接点的摩擦力矩表现出促动频率的相关变化小于10％，如小于5％。
最好，在至少两个部件中的一个部件的位移幅度和摩擦连接点的能量耗散之间的关系是大致线性的。这样便更易于模制阻尼器，从而更易于为特定的目的进行设计。
本发明的另一个方面涉及一种用于建筑结构的支撑系统，其包括至少两个结构件和一用于对所述结构件之间的相对运动进行矩形阻尼的装置，所述装置包括-至少两个部件，它们在一转动连接点处被相互连接在一起，以便实现对至少两个部件之间的相对转动的摩擦阻尼。
-夹紧装置，其用于将所述至少两个部件夹持在一起，以便保持在所述连接点处的至少两个部件之间的夹紧力和摩擦，-用于将至少两个部件中每一个部件连接至所述结构件中的相应结构件上的装置。
所述支撑系统最好包括本发明阻尼器的任何特征。用于阻尼的装置最好包括至少两块前面提到的侧板，这两块侧板在它们的至少一个端部处、通过一个连接件被相互连接在一起，且将一个支架装配至所述连接件上。在另一最佳实施例中，侧板中的至少一块侧板通过一个支架被连接至所述构件中的一个上，且中央板被连接或被装配至另一个结构件上。另外，所述侧板中的至少一块侧板通过两个支架被连接至所述构件中的一个上，两个支架被连接至侧板的相对端上，其中，所述中央板被连接或被装配至另一个结构件上。
支撑系统可设有这样的侧板，即所述侧板通过两个支架被连接至所述构件中的一个上，所述阻尼器被设置在V形支撑中。在一些技术文献中，这种支撑称为V形支撑或人字型支撑。同样，支撑系统可设有至少一块侧板，该侧板通过两个支架被连接至所述构件中的一个上，且所述阻尼器被设置在D形支撑中，同样，支撑系统可设有至少一块侧板，该侧板通过两个支架被连接至所述构件中的一个上，且所述阻尼器被设置在K形支撑中。结构的选择可根据实际情况且由专业设计人员选定。
本发明的另一个方面涉及一种用于对在建筑结构中大型混凝土墙板的移动进行阻尼的装置，所述装置包括-至少一个在第一转动连接点被连接至至少一块所述墙板上的部件，-所述至少一个部件在第二转动连接点还被连接至另一块墙板或建筑结构的类似部分上，-第一和/或第二转动连接点对至少一个部件和所述墙板或类似建筑构件之间的相对转动提供了摩擦阻尼，-第一和/或第二转动连接点还提供了至少一个部件相对于被安装在其上的墙板或类似建筑构件的滑动，所述滑动是由沿两个垂直方向允许运动的配合公差实现的，-夹紧装置，其用于将所述至少一个部件与所述墙板或类似建筑构件夹持在一起，以便在所述转动连接点的所述至少一个部件和类似建筑构件之间保持夹紧力和摩擦。
本发明的详细描述下面，参照附图，对本发明的一个最佳实施例进行详细说明，其中，

图1为摩擦阻尼装置的详细结构的透视图，图2显示了一种具有辅助摩擦阻尼装置的钢架，
图3显示了用于阻尼构架运动的阻尼机构，图4显示了在不同种类的支撑系统中使用摩擦阻尼器的灵活性，图5显示了具有多组阻尼器的可能性，图6显示了阻尼器在结构件中不同的设定，图7显示了利用不同位移幅度在滞后回线上的效果，图8显示了对于两个不同夹紧力，以mm为单位的测试位移，图9显示了对于一种具有黄铜盘的装置而言，60转测试，螺栓夹紧力函数，力(位移滞后)以及力(位移滞后)放大的力函数关系曲线，图10显示了高摩擦材料的位移效果，图11显示了位移幅度对于能量耗散量的效果，图12显示了位移幅度和能量耗散之间的线性关系，图13显示了利用不同夹紧力(Ft)在摩擦力量上的效果，图14显示了夹紧力(Ft)在能量耗散量上的效果，图15显示了0.5Hz频率，3.3KN夹紧力以及对后5转放大的位移函数关系，图16显示了400转的力函数关系，螺栓夹紧力的函数关系，力-位移滞后回线以及后10转的位移函数关系，图17-20显示了由测量摩擦系数所得的结果，图21显示了在构架中摩擦阻尼器的实验装置，图22显示了一种动态测试的结果，图23显示了用于摩擦阻尼器响应测量的实验装置，图24显示了不同促动频率2，3，4，5，6和7Hz在力矩-θ(Theta)关系上的效果，图25显示了促动频率2，3，4，5，6和7Hz在水平力(Fh)-构架位移关系上的效果，图26显示了激振频率测试区，图27显示了不同位移幅度在构架响应和能量耗散-位移关系上的效果，
图28显示了利用夹紧力3.77，4.55，5.55，5.86，6.63和6.89KN在力幅度上的效果。不同夹紧力在能量耗散上的效果，图29显示了促动幅度在构架响应上的效果以及促动幅度在最大位移幅度上的效果，图30显示了支撑杆中的预应力在构架位移上的效果，图31显示了在左侧和右侧杆中的构架位移，图32显示了3.0Hz促动频率和0.8KN激励力的函数曲线关系测试结果，图33显示了一种多层建筑物，其在每一方向的至少一个隔间中、以两个方向安装有一个阻尼器，图34和图35显示了具有阻尼器的预制墙板，所述墙板的结构件由木料或轻质钢材制成。
如图1所示，摩擦减震器包括几块相对转动的钢板1和4。该阻尼器还可包括多个由摩擦填料制成的圆盘垫片，在图1中它们的标号为3且被设置在钢板之间，以便在装置中提供干摩擦润滑。摩擦填料确保了作用在钢板上的稳定摩擦力，同时它们减小了由板之间的滑动所产生的噪音。
在本发明的最佳实施例中，阻尼器包括一块中央板和两块侧板。在图1中，板1为中央板，板4为侧板。如图2所示，竖板通过一个铰链可转动地将阻尼装置连接至框架结构的桁架梁上。在图1中能够最清楚地理解所述铰链，且其标号为8。采用铰链为的是不会将力矩引入桁架梁中。例如在无需阻尼器所设计的建筑物中对阻尼器作出改型时，这一点是重要的。另外，铰链能够提高中央板和侧板之间的相对转动量，这样还会增大在系统中耗散的能量的量。
两块侧板4使阻尼器连接至一加强系统，如图2所示的人字形加强件或如D形或K形加强件的类似结构。在图4描述了不同的加强系统。所述加强系统包括杆13，这些杆被预张紧以便防止压缩力使它们弯曲，但是所述加强系统也可包括能够吸收压力的构件。所述加强件最好通过设置滑动轴承在两端14和15可转动地与阻尼器16和柱座连接件17相连，如图2所示。18为上侧构架柱。
使用两块侧板的原因在于增大摩擦表面面积并提供必需的对称性以获得装置的平面特性。所有的板和摩擦填料均具有一个对中孔，以便进行螺栓2和螺母5或相似类型的限制铰链销的装配。螺栓或类似的铰链销在类似铰链的连接中压迫阻尼器的三块板1和4以及摩擦填料4。同时，利用螺栓2控制施加在摩擦填料圆盘和钢板上的法向力，从而改变了阻尼器的阻尼特性。
如图2所示，当将阻尼器安装在构架中时，其应随动于构架的水平运动，如图3所示。由于在中央板和上侧柱之间的铰链连接以及侧板和加强件之间的铰链连接又被可转动地连接至底部支柱，因此构架运动的力可转动地被传递至阻尼部件，如图3所示。当构架开始产生位移时，在钢板的摩擦面和摩擦填料之间产生的摩擦力将会阻止板在阻尼器中的转动。其中不会发生滑动的这一阶段被称为附着阶段。当在阻尼器中的作用力超过摩擦力时，会产生中央板和摩擦填料之间的滑动。此时，所述板会绕铰链销或螺栓作圆形运动的滑动。由于在加强件中的张力，因此，也会开始摩擦填料和滑动板之间的滑动，但侧板会沿相对于中央板相反的方向转动。在所述滑动阶段中，阻尼器将通过滑动面之间的摩擦使能量耗散。这一阶段将保持并在载荷方向逆转时变为附着阶段。
阶段之间的转变过程是通过改变力作用的方向进行的。图3解释了在不同方向的激发力下的阻尼器机构。
为了在阻尼器进行操作时保持恒定的夹持力，最好在螺栓头和侧板之间，在螺母和侧板之间或在两侧安装一个弹簧6。所述弹簧可采用任意的种类，但在本发明的一个最佳实施例中，使用的是盘簧6和如膜片式弹簧垫圈这样的垫圈7的组合。这些弹簧最初是锥形的环状盘簧，它们在压力作用下可被压扁。设置垫圈为的是防止在盘簧处于压缩状态时，由于弹簧而在钢板上产生任何的痕迹。
阻尼器是以一种非常简单的设计为基础的，且仅包括易于制造的部件。同时，其易于组装且在结构上是非常柔软的。如图4和6所示，不仅可以以不同的结构布置阻尼器，而且可以将其设置在不同类型的加强系统中。
阻尼器设计的简易性允许根据预定的摩擦力和空间限制的要求制造出一种具有多个部件的装置。图5显示了多部件阻尼器的一个例子，其能够使设计者制造出一种具有几个部件的阻尼器。在图5中的阻尼器包括盘簧9，中央部10，侧板11以及摩擦填料12。
实验结果为了鉴定所提出的摩擦阻尼装置的摩擦部件，在实验室中已进行了大量的质量测验以便评定对这种阻尼器的理论研究。
实验程序包括两个阶段1.测试具有三种不同类型的摩擦材料的阻尼装置。
2.测试一种缩尺模型钢架，其具有所提供的摩擦阻尼器。
通过一种Instron机进行具有不同摩擦材料的阻尼器的测试以确定影响其性能的参数，这些测试包括对所述阻尼器的周期性测试。在装有摩擦阻尼装置的缩尺构架模型的测试中使用了适当的发现的材料，这些测试是通过一个振动机进行的。
这些实验性研究是在DTU，BKM系的实验室中作出的。
阶段1，通过Instron机进行的阻尼器的测试将上述阻尼器样品设置在型号为8502的Instron液压测试机中。这种机器的致动器能够施加250KN的动态载荷。通过一个控制单元能够进行位移、促动频率或作用力的控制。由PC运行Instron软件“Max 5.2”进行所述测试控制。所有的测试均是根据位移，促动频率以及所有被输送至数据采集板系统(Data Acquisition Board System)进行的，所述数据采集板系统与系统控制器一体形成且与一PC相结合。
为了结果的直接显示观察，将力-位移的曲线绘制在PC监视器上。
所述阻尼器通过一个为此情况而特别设计的构架固定器固定至Instron机上，所述构架刚性与Instron机相连。阻尼器通过被刚性固定至所述固定器上的两块较小板与这一固定器相连。这些板中的每一块板均通过一个铰链与侧板相连。之后，使用这两块板以使加强杆与阻尼器相连。在这些板的内侧，固定了一个滚珠轴承，以便减小阻尼器的运动与缩尺构架模型所产生的摩擦。
所施加的载荷是通过一个测力计确定的，该测力计在其上固定有两片应变片。这种测力计在两端由一支承铰链连接，以避免产生任意类型的弯曲。
利用预埋在螺栓内侧的两片应变片测量螺栓中的夹紧力。通过扳手紧固螺栓头并易于由一万能测量仪直接获得读数能够施加所要求的夹紧力。
在阻尼器测试开始时，尝试几个位移装置。使用线性可变位移转换器(LVDT)，但由于中央板绕螺栓的转动，因此LVDT不会跟随这一转动且会使其指针弯曲，从而不会提供正确的测量。变形计(CAT N0.2620-602，移动5mm，动态型)为另一种已被用于测量位移的装置。该装置能够提供非常良好的分辨率，但是其对于较大的位移，特别对于大于5mm的距离并不是十分良好的。
所有这些调整装置在测试前后均应被校准，或在测试中出现故障时，应对调整进行重新校准。
当中央板在测试期间转动时，位于中央板边缘的电位计头往往会由于转动的水平投影而略微弯曲。为了解决这一问题，在电位计头上固定了一个特殊的滚珠。在几种条件下对这一方案进行了测试，且该方案工作良好。
摩擦阻尼装置的周期性测试为了评定阻尼器的特性，通过三种不同点材料黄铜，高摩擦性材料以及摩擦填料进行一系列十次动态周期性测试。
摩擦阻尼器的特性通常受某些参数影响。在测试中对这些参数进行了研究，它们是1.位移幅度2.夹紧力3.长期运转测试黄铜盘黄铜是价格便宜且可大量购得的工业材料。因其已知的性能，黄铜已被长期采用。Popove，1993已建议因黄铜具有良好和稳定的特性，因此在其阻尼器中使用黄铜来代替钢。在这一工作中，由于已知钢和黄铜在摩擦中具有良好的组合作用且由于经济原因，因此选择了黄铜。
在研究以上提到的参数之前，应进行另一项测试，即在钢板的一侧和两侧配置盘簧垫圈。
位移效果通过5，10，15和20mm的位移幅度、以0.3Hz的促动频率测试阻尼器。图7描述了所施加的位移以及合成滞后回线。能够清楚地看到在未显示出任何波动和干扰的情况下，通过位移和摩擦力增大的面积量几乎是恒定的。
由于板的相对速度会达到其最小值，因此在每一周期的结束时能观测到更大的力。
夹紧力效果如图7所示，通过不同的力夹紧螺栓以研究其在阻尼器上的效果。在这一测试中，由于摩擦力从0.65增大至1.5KN，因此会使夹紧力从13.36增大至27.32KN。在图中能够看到其结果。
长期运转测试以0.3HZ的促动频率和5mm的位移幅度进行60转的测试，以便了解在夹紧力中的任何降低。噪音较大且所产生的热量也非常大。结果参见图9。
测试结果表明在60转结束时摩擦阻力的变化量不大，其说明初期的螺栓应力仍有效。在头十至二十加载循环次数期间，螺栓连接会从接触面发出强噪音或震颤的振动。这些振动的噪音的存在不会过大地影响载荷水平&在大约二十转后，在接触面的噪音会发出与金属铣削加工相似的稳定摩擦声音。所述力从0.76KN增大至0.98KN。这一增大可能是由于许多相互作用现象产生的1.由于摩擦产生的热量而造成板厚度的增大。
2.由于温度的增大而造成的金属软化。
3.螺栓夹紧力的变化。
4.磨损。
5.当发生更大的表面损伤时，对光洁度和刮痕(plowing)增大的影响与滑动载荷相关。
考虑到黄铜盘几乎没有磨损，应能够判定使用了黄铜的摩擦阻尼器在实际状态下具有足够的寿命。
高摩擦材料测试一种具有高摩擦系数的材料。该材料涂敷有研磨材料，所述研磨材料的商标为Felxovit，被用于细晶粒钢。该材料为0.3mm的纤维盘。其被粘结在盘上以便在阻尼器中具有所要求的厚度。
所述材料能够提供高摩擦力。
位移效果以位移幅度2和5mm测试阻尼器。如图10所示，摩擦力在滑动中不是恒定的，且滞后现象表明它们不是稳定的。
被连接的板的厚度根据周期载荷变化。该厚度由于摩擦产生的热量所造成的温度提高而增大。另一方面，在接触面上的磨损将会降低厚度。
如果板厚度由于加热的增加大于磨损效果，那么其将会增大螺栓夹紧力，从而增大滑动力。一个例子为图10中的60转的黄铜测试。如果磨损效果大于加热效果，随后螺栓将会失去其夹紧力，其会在较低设计水平导致产生滑动且会降低能量在系统中的耗散量。图10为这种情况的一个例子。
由于以上提到的原因，因此，需要考虑另一种材料。
摩擦填料如果另一种材料能够尽可能地阻止磨损，同时不产生热量，并且还能够实现稳定的滞后现象，则能够大大提高阻尼器的性能。通过提供一种更稳定的材料组合则可以实现这种提高。
在以一种特殊的要求进行了研究之后，发现了一种石棉自由摩擦材料(摩擦填料)。这种材料的摩擦系数为0.35-0.45。最大的抗压强度为1100kg/cm2，工作温度为165℃。其是一种合成材料。
通过相同的上述参数可对其进行测试。应注意到在钢或所述材料中不会产生磨损或附着磨损，而仅会发现少量的覆盖在钢板上的粉末。
位移效果以2，4，6，8，10和12mm的位移幅度测试阻尼器。如图11所示，能量耗散区域的增加与在恒定摩擦力情况下的位移幅度相关。在图12中清楚地表明，作为一个周期区域的阻尼器的能量耗散线性地取决于如果被改型为半自动装置则可以使阻尼器在不同位移幅度下工作的参数。
夹紧力的效果如图13所示，通过不同的力(Ft)3.3，2.75，2.2，1.65，1.1和0.55KN夹紧螺栓以研究力在阻尼器上的效果。以5mm控制位移幅度。通过根据夹紧力绘制每转的能量耗散。可以断定所述关系是线型的，就法向力而言足以使用库仑定律。
测试表明摩擦填料具有良好稳定的性能，且如图15中通过0.5Hz促动频率和3.3KN夹紧力进行30转测试的位移时间曲线可知，未表现出老化或衰弱。这些良好的结果鼓励采用长期运转测试来检测它们的性能。
长期运转测试，400转的测试为了研究在长期运转周期测试下具有摩擦填料的阻尼器性能，使阻尼器置于达400转、0.5Hz频率以及4KN的夹紧力的条件下。其结果非常令人鼓舞，产生的热量非常小，且其会使螺栓夹紧力略微增加，噪音远低于其它材料。
-FPM测试表明对它们的摩擦面会成微不足道的损坏。
FDD在提供稳定的‘矩形’滞后回线中的成功性能是由于使用FPM产生的。结果参见图16。
测定摩擦系数根据图17-20，显然，即使钢架在弹性范围内，测试架的回复力弹性也是双线性的(如计算的那样)。能够得知，在滑动开始时，阻尼器的摩擦力会略微增大。在开始滑动后，会以稳定的摩擦力继续滑动整个滑动长度。附图表明将阻尼器摩擦力-滑动位移关系作为它们的相应测试结果的一个例子。在阻尼器的摩擦力中不会产生波动。当摩擦力增大时，阻尼器吸收的能量往往会降低。利用预埋的摩擦填料或黄铜会提供非常稳定的摩擦力并避免在摩擦运动中产生不正常的噪音。
由于所述装置能够形成这一可变化的反应，因此，它能够作为半自动装置被用作运动控制系统的一部分。
摩擦阻尼器能够在大范围的位移幅度以及恒定和稳定的摩擦力下工作。
被设计为在测试中用以固定阻尼器的‘构架固定器’的刚性不足以避免产生在使用较大力时由周期性运动产生的顶部较小的水平运动。
具有摩擦阻尼器的构架的实验建造单层，一个隔间的钢架模型，并对其进行静态和动态测试，以便实验性地确定摩擦阻尼器原理的效率。通过钢架进行对阻尼装置的这些测试被设计为在将阻尼器置于建筑物之前能确定阻尼器在实际条件下的性能。
模型构架的整个尺寸高为1.125米，跨距为1.10米。在图21中能够了解所述构架。
构架结构的柱子为50×15mm的钢条。梁为90×50×5mm的空心矩形钢件且通过四周的对头焊接被刚性连接至柱上。将该结构牢固地固定在实验室的块状底板上。梁的惯性力矩(1b)与柱的惯性力矩(lcol)之比为91.73，以便确保获得非常刚性的梁。
该构架模型具有以下参数

通过激励器施加的静态和动态水平力激励钢架。该激励器通过刚性杆与钢架相连。没有阻尼器的构架的固有周期为6.8Hz，其是通过自由振动测试测量的。在该测试中使用了数字存储示波器VP5730A。
构架的动态响应为了检测构架模型的动态特性；刚性以及质量，通过激励器施加谐振载荷。将响应结果与对该SDOF系统的分析所得结果相比较。如图22所示，其结果是非常令人满意的。
实验装置通过力水平激励构架梁，该力是通过被固定在构架梁和激励器头之间的刚性杆实验性施加的。激励器头的振动是由激励器控制器产生的且由功率放大器放大。在构件和被固定的刚性杆之间传递的力由一力转换器测定。通过DAP程序连续存储这一所测得的力。通过一台加速度仪测量构架的加速度，该加速度仪被装配在构架的顶部且测量结果由DAP连续存储。利用具有被刚性固定至外部构架固定器上的滚珠头的电位计获得构架的位置。在图23中示意性地描述了所述实验装置。
通过一台电位计测量钢板之间的相对转动，该电位计具有一个被固定在侧板上的滚珠头。这些测量结果应除以电位计头和侧板中心线之间的距离。中央板的转动由另一电位计测量，而其读数应除以将阻尼器连接至构架梁上的铰链头和中心之间的距离。
具有摩擦阻尼器的构架模型的动态响应-实验性评定参数研究用实验方法研究几个参数以确定阻尼器的性能并研究它们的关系。这些参数为-促动频率。
-位移幅度。
-在阻尼器中的夹紧力。
-促动幅度。
-在加强杆中的预应力。
在构架中的促动频率在检验摩擦减震器中的最重要参数中的一个参数为速度相关性。通过2.0，3.0，4.0，5.0，6.0和7.0Hz的促动频率、而对于其它参数则利用相同的参数来测试所述构架。如图2所示，表示力矩和板之间相对转动关系的结果，θ(Theta)清楚地表明其几乎与速度无关。
如其所表明的那样，改变促动频率的效果不会过分影响力矩-θ的关系曲线，其消除了为了模拟摩擦力而在库仑定律中包括一速度相关项的必需性。研究另一关系，即水平力(Fh)与构架位移之间的关系。图25清楚地表明不会对所述响应造成较大的影响。
位移幅度利用不同的位移幅度测试所述构架以便确定其对阻尼器运转状况的影响。在这些测试中，如图27所示，通过1.75，2，2.5，3，3.5，4和4.5mm控制构架的位移。对于每一幅度而言，作为力-位移曲线区域的能量耗散为图27中标明的构架位移。
其清楚地表明改变位移幅度会线性改变耗散能量，这与在前边利用Instron机的测试中所发现的结果相符。
阻尼器中的夹紧力为了确定夹紧力的相关性，应从3.77，4.55，5.55，5.86，6.63和6.89KN中选择不同的数值。如图28所示，在这些测试中，控制位移幅度以便它们具有相同的距离，但是由于阻尼器的夹紧力，因此要求能够产生一定位移的力的幅度是不同的。
在图28中，清楚地表明在阻尼器中增大螺栓-夹紧力会几乎线性增大能量耗散。这一结论与在阻尼器测试的第一阶段中获得的结论相符。这一关系的线性会导致能够利用库仑定律来模拟摩擦力。
力的幅度利用不同力的幅度来激励构架。如图29所示，控制夹紧力，在支撑中的预应力和促动频率进行控制，并使用从0.40，0.50，0.60，0.70，0.75，0.80，0.85和0.90KN中提出的不同的力。
由于这些测试的设置，因此阻尼器不会在0.40，0.50和0.60KN下起动且不会产生滑动，而仅会产生附着，但在载荷增大至0.7KN时，则会产生滑动，且只要在力增大时位移就会增大。在图11B中，特别当使用0.80KN的力时，构架则会作出较小的非线性响应，且对于0.85和0.90KN，响应会更大。
在支撑杆中的预应力在计算这些参数时，进行两种测试1.1. A-大夹紧力，仅会产生附着。
1.1. B-小夹紧力，会产生附着和滑动。
在这两种情况下，以3.0HZ促动频率和具有能防止滑动产生的较大夹紧力值的0.80KN的力幅度激励构架。结果参见图30。
1.1. A-大夹紧力，仅会产生附着。
在这些测试中，分别以1.02，2.2，4.4，6.9，8.8和10.1KN对支撑杆进行预加压。从图(11)能够清楚地看到增大预应力不会导致减小构架位移，特别是在采用1.02-6.9KN的力时。但当力增大至8.8和10.1KN时，由于支撑系统的刚性非常大且会防止侧板的水平运动，因此会开始滑动，但作用力将会克服会引起板滑动的摩擦力。
1.1. B-小夹紧力，会产生附着和滑动。
在这些测试中使用了四个不同预应力2.0，4.0，6.0和7.7KN。在图(11)中能清楚地看到除了最小的数值以外，增大预应力不会过分影响水平构架位移。
从确定预应力参数效果的这些测试中可知，可以得出这样的结论，即不会在阻尼器性能上起到较大作用，而增大力不会导致提高所述性能，且通过利用最佳的预应力，能够实现相同的所要求的响应。
长期运转测试在不同的频率和激励力下，通过长期运转测试阻尼钢架模型。图16表明3.0Hz促动频率和0.8KN激励力的时间函数测试结果。构架的响应是非常稳定和恒定的，20B，且板的相对运动也是稳定的，图16D。在大于100转后得出这样的结论，即阻尼器的性能是非常令人满意的。
也可设计使构架经受上百转的测试，但所作出的限制会阻止这一情况。结果如图32所示。
权利要求
1.一种用于在土木工程建筑结构中对结构件和非结构件的运动进行阻尼的装置，该装置包括-至少两个部件，这两个部件在一旋转连接点处被相互连接以便对至少两个部件之间的相对转动进行摩擦阻尼，两个部件可沿相反的方向运动，-夹紧装置，其用于将所述至少两个部件夹在一起，以便在所述旋转连接点处的所述至少两个部件之间保持夹紧力和摩擦，-用于将所述至少两个部件中的每一个部件均连接至结构件中对应部件上的装置。
2.根据权利要求1所述的装置，其还包括一种摩擦填料，其被设置在所述两个部件之间，以便在所述部件和摩擦填料之间形成接触，从而通过摩擦阻尼所述部件的相对转动。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述夹紧装置适于改变夹紧力。
4.根据权利要求1-3中任意一条所述的装置，其中，所述连接点包括一根延伸通过至少两个部件中每一个部件的销。
5.根据权利要求4所述的装置，其包括一个螺栓，所述螺栓的至少一部分构成了所述销，所述螺栓具有-一具有螺栓头的螺栓件，-一具有螺母头的螺母，所述夹紧力由螺栓的预张力确定。
6.根据权利要求5所述的装置，其还包括以一段时间保持大致恒定夹紧力的装置。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，用于保持大致恒定夹紧力的装置包括至少一个弹簧，该弹簧被设置在螺栓头和一个部件的表面之间和/或螺母头和一个部件的表面之间。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述弹簧包括一个盘簧。
9.根据权利要求8所述的装置，其包括至少两个盘簧。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，至少一个盘簧被设置在螺栓头和一个所述部件的表面之间，至少一个盘簧被设置在螺母头和另一个所述部件的表面之间。
11.根据权利要求6-10所述的装置，其中，用于保持大致恒定夹紧力的装置包括用于保持夹紧力的液压、气动和/或电子装置。
12.根据前面权利要求中任一条所述的装置，其中，至少两个部件包括以大致平行平面延伸的一块侧板和一块中央板。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述摩擦填料被设置在所述侧板和所述中央板之间。
14.根据权利要求12所述的装置，其包括绕所述中央板大致对称设置的两块侧板。
15.根据权利要求14所述的装置，其包括两种摩擦填料，每一种摩擦填料均被设置在一块相应的侧板和所述中央板之间。
16.根据权利要求12-15中任意一条所述的装置，其中，所述中央板适于以可旋转的方式被连接至一个结构件上，以便允许所述中央板和所述结构件之间的相对转动。
17.根据权利要求12-15中任意一条所述的装置，其中，所述中央板适于以固定方式被连接至一个结构件上，以便避免所述中央板和所述结构件之间的相对运动。
18.根据权利要求12-17中任意一条所述的装置，其中，所述侧板适于以可旋转的方式被连接至一个结构件上，以便允许所述侧板和所述结构件之间的相对转动。
19.根据权利要求12-17中任意一条所述的装置，其中，所述侧板适于以固定方式被连接至一个结构件上，以避免所述侧板和所述结构件之间的相对运动。
20.根据权利要求1-19中任意一条所述的装置，其中，所述摩擦填料包括一种由Eurodeal A/S制造的MK101石棉自由摩擦材料。
21.根据权利要求1-20中任意一条所述的装置，其中，所述至少两个部件由钢，防腐钢，黄铜，铝或包括铝或任何其它钢材料的任何合金，或钢和塑料的合成物，或塑料和玻璃纤维，碳，凯夫拉尔或类似材料的合成物，或任何陶瓷材料和玻璃纤维，碳，凯夫拉尔或类似材料的合成物。
22.根据权利要求1-20中任意一条所述的装置，其中，在以所施加的激励力±2.5KN和初始夹紧力4KN±0.5KN、利用0.5KN±0.1HZ促动激励频率以及至少两个部件中的一个部件达10mm的位移幅度进行的400转测试中，所述夹紧力表现出的变化小于5％。
23.根据权利要求1-22中任意一条所述的装置，其中，在装置的摩擦连接点中的摩擦力矩表明在以每一频率进行的30-转周期测试中、在正常摩擦力矩200Nm±20Nm下并在2-7Hz范围中，促动频率相关变化小于5％。
24.根据权利要求1-23中任意一条所述的装置，在至少两个部件中的一个部件的位移幅度和摩擦连接点中的能量耗散之间具有大致线性关系。
25.一种用于建筑结构的支撑系统，其包括至少两个结构件和一用于阻尼所述结构件之间相对运动的装置，所述装置包括-至少两个部件，它们在一转动连接点处被相互连接在一起，以便实现对至少两个部件之间相对转动的摩擦阻尼，-夹紧装置，其用于将所述至少两个部件夹持在一起，以便保持在所述连接点处的至少两个部件之间的夹紧力和摩擦，-用于将至少两个部件中每一个部件连接至所述结构件中的相应结构件上的装置。
26.根据权利要求25所述的支撑系统，其中，用于阻尼的装置包括根据权利要求2-24的阻尼器的任意特征。
27.根据权利要求26所述的支撑系统，其中，用于阻尼的装置包括至少两块侧板，这两块侧板在它们的至少一个端部处、通过一连接件被相互连接在一起，且将一个支架装配至所述连接件上。
28.根据权利要求26或27所述的支撑系统，其中，侧板中的至少一块侧板通过一个支架被连接至所述构件中的一个上，中央板被连接或被装配至另一个结构件上。
29.根据权利要求26-28所述的支撑系统，其中，所述侧板中的至少一块侧板通过两个支架被连接至所述构件中的一个上，两个支架被连接至侧板的相对端上，所述中央板被连接或被装配至另一个结构件上。
30.根据权利要求26-28所述的支撑系统，其中，所述侧板中的至少一块侧板通过两个支架被连接至所述构件中的一个上，所述阻尼器被设置在V形支撑中。
31.根据权利要求26-28所述的支撑系统，其中，所述侧板中的至少一块侧板通过两个支架被连接至所述构件中的一个上，所述阻尼器被设置在D形支撑中。
32.根据权利要求26-28所述的支撑系统，其中，所述侧板中的至少一块侧板通过两个支架被连接至所述构件中的一个上，所述阻尼器被设置在K形支撑中。
33.一种用于对建筑结构中墙板的运动进行阻尼的装置，所述装置包括-至少一个在第一转动连接点被连接至至少一块墙板上的部件，-所述至少一个部件在第二转动连接点还被连接至另一块墙板或建筑结构的类似部分上，-第一和/或第二转动连接点中的一个或两个对至少一个部件和墙板或类似建筑构件之间的相对转动提供了摩擦阻尼，-第一和/或第二转动连接点中的一个或两个还提供了至少一个部件相对于被安装在其上的墙板或类似建筑构件的滑动，-夹紧装置，其用于将所述至少一个部件与墙板或类似建筑构件夹持在一起，以便保持在所述转动连接点的所述至少一个部件和墙板或类似建筑构件之间的夹紧力和摩擦。
全文摘要
本发明涉及保护如公寓这样的结构系统免受由地震、风、车辆振动等引起的动态载荷的影响。当由水平外力激励构架时,桁架梁开始水平位移。如果这种位移较大或如果它们周期性地产生,那么它们会对建筑物的状况造成严重影响且会造成严重的损坏,甚至是坍塌。本发明涉及一种非常简单设计成的且易于制造的阻尼器,其具有在一转动连接点被连接在一起的两个部件。通过将阻尼器设置在结构系统中,使在该系统中产生的位移输送至被迫相对转动的部件。在两个部件之间的摩擦阻力会阻尼转动,从而减小系统中的位移。本发明还涉及这样一种根据系统中产生的位移可动态改变摩擦阻力的装置。
文档编号F16F15/02GK1373827SQ00812564
公开日2002年10月9日 申请日期2000年8月3日 优先权日1999年8月3日
发明者伊马德·H·穆阿拉 申请人:伊马德·H·穆阿拉