一种设有粘弹性阻尼器的钢结构减震耗能体系及设计方法

摘要

本发明提供了一种设有粘弹性阻尼器的钢结构减震耗能体系及设计方法，属于建筑抗震领域。该设有粘弹性阻尼器的钢结构减震耗能体系包括框架和设置在框架内的粘弹性阻尼器和波纹钢板剪力墙；所述粘弹性阻尼器的上部和框架的上部连接，所述粘弹性阻尼器的下部与所述波纹钢板剪力墙连接；所述波纹钢板剪力墙的下部通过连接件与框架的下部连接，两侧与框架分离。

说明书

技术领域

本发明属于建筑抗震领域，具体涉及一种设有粘弹性阻尼器的钢结构减震 耗能体系及设计方法。

背景技术

现代建筑中，对于传统的钢板剪力墙抗侧力体系，因其具有承载力高、延 性好、耗能能力强等优点在实际工程中应用广泛。为了消除在小位移下对传统 钢板剪力墙的损害，将粘弹性阻尼器应用于钢框架中，与此同时引入位移极限 机理，使粘弹性阻尼器在小位移下产生剪切滞回变形，耗散输入的地震能量， 减少结构的震动反应。此外为了充分利用钢板材料的强度和延性，必须解决薄 钢板剪力墙的平面外弹性失稳问题，在钢框架中布置波纹钢板剪力墙，通过其 面外的几何形状提供了较大的面外刚度，使自身不易发生屈曲，抗剪性能强于 平钢板，提高了墙体的屈曲性能。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种设有粘弹性 阻尼器的钢结构减震耗能体系及设计方法，消除在小位移下对传统钢板剪力墙 的损害，其次用波纹钢板代替平钢板来增强结构的抗剪承载力，解决平钢板剪 力墙的出平面弹性失稳问题，更好的发挥钢板材料的强度和延性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种设有粘弹性阻尼器的钢结构减震耗能体系，包括框架和设置在框架内 的粘弹性阻尼器和波纹钢板剪力墙；

所述粘弹性阻尼器的上部和框架的上部连接，所述粘弹性阻尼器的下部与 所述波纹钢板剪力墙连接；

所述波纹钢板剪力墙的下部通过连接件与框架的下部连接，两侧与框架分 离。

作为对本技术方案的进一步限定，所述框架包括纵向设置的两根框架柱和 横向设置的两根框架梁，每根框架梁的一端均与一根框架柱连接，另一端均与 另一根框架柱连接；

所述粘弹性阻尼器的上部与上方的框架梁连接，下部与所述波纹钢板剪力 墙连接，所述波纹钢板剪力墙的下部与下方的框架梁通过连接件连接；

所述波纹钢板剪力墙的两侧与两根框架柱均分离。

作为对本技术方案的进一步限定，所述粘弹性阻尼器包括一组粘弹性阻尼 装置，每个粘弹性阻尼装置包括内钢板和U形的外钢板，所述内钢板的一部分 插入到外钢板的U形结构内，在内钢板的两侧与外钢板之间均设有粘弹性材料， 在所述外钢板、粘弹性材料和内钢板上开有通孔，栓钉穿过该通孔；所述栓钉 的外圆柱面与内钢板上的通孔的内壁紧密连接，与外钢板的通孔的内壁之间有 缝隙；在所述栓钉穿出外钢板的两端处设有垫片。

在所述内钢板伸出外钢板的部分开有螺栓孔，用于与波纹钢板剪力墙连接。

所述粘弹性材料和内钢板的两侧面以及和外钢板的内侧面均是通过高温高 压硫化的方法粘合成为一个整体；

作为对本技术方案的进一步限定，每个所述粘弹性阻尼装置的上部均通过 焊接的方式与上方框架梁的下翼缘连接，下部均通过在所述螺栓孔内安装的螺 栓将所述粘弹性阻尼装置与波纹钢板剪力墙连接。

作为对本技术方案的进一步限定，所述波纹钢板剪力墙为横置蜂窝型结构。

作为对本技术方案的进一步限定，所述框架梁和框架柱均采用工字型钢。

作为对本技术方案的进一步限定，在所述框架梁的两端分别焊接有端板， 通过节点螺栓将所述端板与框架柱连接。

所述连接件为鱼尾板。

一种设有粘弹性阻尼器的钢结构减震耗能体系的设计方法，包括：

(1)通过受力分析计算，确定所述粘弹性材料的厚度h_V和单层剪切面积A_d；

(3)确定波纹钢板剪力墙的波纹尺寸和钢板厚度t；

(3)将所述波纹钢板剪力墙的下部通过连接件与下方的框架梁连接，再将 所述粘弹性阻尼器的上部与上方框架梁的下翼缘焊接固定，下部通过螺栓与波 纹钢板剪力墙的上部连接。

所述步骤(1)是这样实现的：

所述粘弹性材料的厚度h_V的计算公式为：h_V＝d_y//0.05；

所述粘弹性材料的单层剪切面积A_d的计算公式为：

式中，V_i为框架第i层的层间剪力；G′为粘弹性材料的储存剪切模量， 取1200KN/m²；u_d为粘弹性阻尼器的水平位移，取粘弹性阻尼器的屈服位移值d_y， 根据确定d_y，d_sy为结构层间屈服位移限值；m为第i层布置粘弹性阻尼器 的数量。

所述步骤(2)是这样实现的：

所述波纹钢板剪力墙的波纹尺寸包括波长、波高、水平段与斜段长度比以 及角度，具体如下：

波长q＝2(a+b)的取值范围是：150mm～300mm；

波高d的取值范围是：30mm～100mm；

水平段与斜段长度比a/c的取值范围：1～2；

角度θ的取值范围：30°～60°；

所述钢板厚度的取值范围计算公式为：

式中，t为钢板厚度；r_R为抗震分项系数，取1.2；l为钢板宽度；f_y为钢 材抗拉强度设计值；钢板的剪切屈服应力ω＝max{a，c}，a为波纹水平 段长度，b是指波纹斜段的水平投影长度，c为波纹斜段长度；υ为泊松比(取 0.3)；K_l局部剪切屈曲破坏影响系数；E为材料弹性模量。

所述钢板厚度的取值范围：1.6mm～6mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将粘弹性阻尼器与钢框架 波纹钢板剪力墙相结合，钢框架作为结构边缘构件承担全部竖向荷载和倾覆弯 矩，粘弹性阻尼器与波纹钢板剪力墙内置于钢框架内承担全部侧向力，可以大 幅度提升框架的抗侧刚度，减小结构本身的侧移；在抗震过程中首先由粘弹性 阻尼器通过粘弹性材料的剪切滞回变形来抵抗小震或强风荷载(第一阶段)，在 中震或强震荷载作用下，粘弹性阻尼器不再产生剪切变形而耗能，而是将侧向 力传递给横置的波纹钢板剪力墙，通过波纹钢板剪力墙来消耗地震能量(第二 阶段)，达到减震耗能的目的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2-1为图1中A处的主视图。

图2-2为图1中A处的第一立体结构示意图。

图2-3为图1中A处的第二结构示意图。

图3为图1中B处详图。

图4-1为图1中C处第一结构示意图。

图4-2为图1中C处第二结构示意图。

图4-3为图1中C处的螺栓。

图5-1为粘弹性阻尼器的第一受力分析图。

图5-2为粘弹性阻尼器的第二受力分析图。

图6为结构等代示意图。

图中，1-框架柱，2-框架梁，3-鱼尾板，4-端板，5-节点螺栓，B-波纹钢板 剪力墙，C-粘弹性阻尼器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图1至图4-3所示，本发明包括框架和设置在框架内的粘弹性阻尼器C和 波纹钢板剪力墙B；

所述粘弹性阻尼器C的上部和框架的上部连接，所述粘弹性阻尼器C的下 部与所述波纹钢板剪力墙B连接；

所述波纹钢板剪力墙B的下部通过连接件与框架的下部连接，两侧与框架 分离。

所述框架包括纵向设置的两根框架柱1和横向设置的两根框架梁2，每根框 架梁2的一端均与一根框架柱1连接，另一端均与另一根框架柱1连接；

所述粘弹性阻尼器C的上部与上方的所述框架梁2连接，下部与所述波纹 钢板剪力墙B连接，所述波纹钢板剪力墙B的下部与下方的所述框架梁2通过 连接件连接；

所述波纹钢板剪力墙B的两侧与两根框架柱1均分离。

所述波纹钢板剪力墙B为横置蜂窝型结构；

所述框架梁2和框架柱1均采用工字型钢；

在所述框架梁2的两端分别焊接有端板4，通过节点螺栓5将所述端板4与 框架柱1连接；

所述连接件为鱼尾板3。

所述钢框架包括框架柱1和框架梁2，框架柱1和框架梁2的连接方式采用 两端外伸端板式连接，即框架梁2与端板4通过焊接连接，端板4与框架柱1 通过节点螺栓5进行连接；所述粘弹性阻尼器C上部与框架梁2下翼缘通过焊 接连接，下部与波纹钢板剪力墙B通过螺栓连接，波纹钢板剪力墙B与焊接于 框架梁2的鱼尾板3(鱼尾板3起到连接波纹钢板剪力墙B与框架梁2的作用， 同时起到传递荷载的作用)通过焊接连接，波纹钢板剪力墙B两侧与框架柱1 分离。

所述粘弹性阻尼器C包括一组粘弹性阻尼装置，粘弹性阻尼装置具体结构 如图4所示，由U形的外钢板42、内钢板41、粘弹性材料43、栓钉45、垫片 44与螺栓孔45组成。所述内钢板41的一部分插入到外钢板42的U形结构内， 在内钢板41的两侧与外钢板42之间均设有粘弹性材料43，粘弹性材料43和钢 板是通过高温高压硫化的方法使其粘合成为一个整体；在外钢板42、粘弹性材 料43和内钢板41上开有通孔，栓钉45穿过通孔；栓钉45的外圆柱面与内钢 板41上的通孔内壁紧密连接，而与外钢板42的通孔内壁之间留有一定缝隙46； 在所述栓钉45穿出外钢板42的两端处设有垫片44。每个所述粘弹性阻尼装置 的上部均通过焊接的方式与上方的所述框架梁2的下翼缘连接，在所述内钢板 41伸出所述外钢板42的部分开有螺栓孔45，用于与所述波纹钢板剪力墙B连 接。

粘弹性材料43和钢板是通过高温高压硫化的方法使其粘合成为一个整体， 栓钉45是为了引入位移极限机理而设置的，栓钉45的外圆柱面与内钢板上的 通孔内壁紧密连接，由粘结剂粘结固定于内钢板41通孔内壁上，而与外钢板42 的通孔内壁之间留有一定缝隙46，预留缝隙的取值应小于粘弹性材料的屈服位 移，在位移小于预留缝隙46时通过粘弹性材料43的剪切变形来耗散能量，当 位移超过预留缝隙时，栓钉45的外圆柱面与外钢板42接触，粘弹性材料43不 能产生剪切变形，而是通过栓钉45将荷载传递给波纹钢板剪力墙B。

粘弹性材料和钢板是通过高温高压硫化的方法使其粘合成为一个整体，栓 钉是为了引入位移极限机理而设置的，栓钉的外圆柱面与内钢板上的通孔内壁 紧密连接，由粘结剂粘结固定于内钢板通孔内壁上，而与外部U型钢板的通孔 内壁之间留有一定缝隙，预留缝隙的取值应小于粘弹性材料的屈服位移dy，在 位移小于预留缝隙时通过粘弹性材料的剪切变形来耗散能量，当位移超过预留 缝隙时，栓钉的外圆柱面与外钢板接触，粘弹性材料不能产生剪切变形，而是 通过栓钉将荷载传递给波纹钢板剪力墙。

所述粘弹性材料43采用高分子聚合物，大部分为丙烯酸聚合物或玻璃态物 质，可以采用天然橡胶作为粘弹性材料。

按基于承载力的设计方法，粘弹性阻尼器和波纹钢板剪力墙的选取是依据 其在地震中所承受的荷载来确定的。当荷载小于粘弹性阻尼器所承受的屈服力 时，作用在框架各层的地震力通过粘弹性材料的剪切变形来耗散.当荷载超过粘 弹性阻尼器的屈服力时，由于位移极限机理的存在，粘弹性阻尼器不再剪切耗 能，而是通过波纹钢板剪力墙来耗散地震能量。

(1)首先粘弹性阻尼器在地震荷载作用下的受力如图5-1和图5-2所示，通过 受力分析计算，确定粘弹性材料的厚度和剪切面积的大小，选择适当的粘弹性 阻尼器应用到结构中。

(2)其次确定波纹钢板剪力墙的波纹尺寸和钢板厚度，将波纹钢板剪力墙等效 成如图6所示的简化模型。

一、粘弹性材料的剪切面积A_d和厚度h_V的设计方法：

1、在地震荷载作用下，粘弹性阻尼器的屈服力(mP_d)应小于框架结构的层间 剪力V_i(通过计算求得并作为已知量)：

mP_d≤V_i(1)

式中，P_d为单个粘弹性阻尼器的屈服力；

V_i为框架第i层的层间剪力；

m为第i层布置粘弹性阻尼器的数量，其值通过公式m＝A_di/A_d确定，其中 A_di为m＝1时第i层粘弹性阻尼器总的单层受剪面积，A_d为单个粘弹性阻尼器的 单层受剪面积(见图5-1)，并且每个阻尼器有两个剪切面。

2、公式(1)中的P_d可通过如下两式计算得到，参照粘弹性阻尼器的受力图(见 图5-1)：

P_d＝2·τ·A_d(2)

$P_d=2·K_d·u_d=2·\frac{G^{\prime }{A}_d}{h_v}{u}_d---\left(3\right)$

式中，τ为粘弹性材料的剪切应力(见图5-1)；

A_d为粘弹性材料的单层受剪面积(见图5-2)；

K_d为阻尼器的刚度系数；

G′为粘弹性材料的储存剪切模量，一般取1200KN/m²；

u_d为粘弹性阻尼器的水平位移(见图5-1)，此处取阻尼器的屈服位移值 d_y，根据《建筑抗震设计规范》中公式(12.3.6-2)确定d_y，式中，d_sy为 结构层间屈服位移限值；

h_V为竖向相邻两片剪切钢板间粘弹性材料层厚度(见图5-1)，为满足抗 震要求，粘弹性材料层厚度h_v应满足tanγ：粘弹性材料剪切角正切 值，取tanγ＝1。因此根据水平剪切应变来确定粘弹性材料层的厚度， 即h_V＝d_y/0.05满足抗震要求。

3、根据公式(1)和(3)可得第i层粘弹性材料的单层受剪面积A_d(见图5-2) 的计算公式，即

$A_d=\frac{V_i{h}_v}{2{\mathrm{mG}}^{\prime }{u}_d}---\left(4\right)$

二、波纹钢板尺寸的设计步骤如下：

实际工程中波纹钢板的常用尺寸如下(见图3)：

波长q＝2(a+b)的取值范围：150mm～300mm；

波高d的取值范围：30mm～100mm；

水平段与斜段长度比a/c的取值范围：1～2；

板厚t的取值范围：1.6mm～6mm；

角度θ的取值范围：30°～60°。

为了发挥波纹钢板材料的强度和延性，保证其有足够的耗能能力，波纹钢 板所提供的抗剪承载力(τ·l·t)应大于水平地震力(r_R·V_i)，即

τ·l·t＞r_R·V_i(5)

式中，r_R为抗震分项系数，取1.2；

l为钢板宽度；

t为钢板厚度；

τ为波纹钢板剪力墙剪切应力，此时τ取钢板的剪切屈服应力f_y为钢材抗拉强度设计值。

由(5)式确定波纹钢板的最小厚度：

$t>\frac{\sqrt{3}{\gamma }_R·V_i}{l·f_y}---\left(6\right)$

波纹钢板剪力墙的局部剪切屈曲弹性承载力计算公式：

${\tau }_l=K_l\frac{{\pi }^{2}E}{12\left(1-{\upsilon }^2\right)}{\left(\frac{t}{\omega }\right)}^2---\left(7\right)$

式中，K_l局部剪切屈曲破坏影响系数；

E为材料弹性模量；

υ为泊松比(取0.3)；

ω＝max{a，c}，a为波纹水平段长度，c为波纹斜段长度(见图5)。

以波纹钢板的弹性局部剪切屈曲作为极限状态来确定波纹钢板的最大厚度，即 τ_l＜τ_y，因此波纹钢板的最大厚度计算公式为：

$t<\frac{2\omega }{\pi }\sqrt{\frac{3{\tau }_y\left(1-{\upsilon }^2\right)}{K_{l}E}}---\left(8\right)$

根据公式(6)和(8)可得波纹钢板厚度的取值范围，即

$\frac{\sqrt{3}{\gamma }_R·V_i}{l·f_y}<t<\frac{2\omega }{\pi }\sqrt{\frac{3{\tau }_y\left(1-{\upsilon }^2\right)}{K_{l}E}}---\left(9\right)$

本发明在施工方面比较简单快捷，首先将波纹钢板剪力墙通过连接件与框 架连接，再选取合适的粘弹性阻尼器通过连接件与框架梁下翼缘和波纹钢板剪 力墙连接即可；钢框架采用的两端外伸端板式连接方式属于半刚性连接，与传 统钢框架中采用的刚性连接方式相比，两端外伸端板式连接方式可以增强结构 的变形耗能能力。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言， 在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形， 而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是 优选的，而并不具有限制性的意义。