基于杠杆原理阻尼器的设计和探讨

基于杠杆原理阻尼器的设计和探讨

发表时间：2019-08-11T11:48:34.717Z 来源：《防护工程》2019年9期作者：刘建武[导读] 适应性强，既可用于工程结构的抗震，又可用于工程结构抗风，既可用于新建工程结构，又可用于既有工程结构的抗震加固和改造。

广州大学土木工程学院广东广州 510006

摘要：针对部分阻尼器在结构进入弹塑性阶段时未能充分发挥耗能能力的不足之处，研发出能将结构较小转角位移进行放大的基于杠杆原理铅粘弹性阻尼器。文中阐述了该阻尼器的构造特点、放大原理，并建立了阻尼器的Abaqus有限元模型，通过对比基于杠杆原理铅粘弹性阻尼器和无放大功能的简单剪切板型阻尼器的滞回曲线，表明该阻尼器构造合理，耗能能力提升显著。

关键词：阻尼器；杠杆原理；滞回曲线；耗能能力

1、位移放大功能阻尼器提出

本文研究开发一种基于杠杆原理的铅粘弹性阻尼器，该阻尼器的内部设置了一个杠杆原理，利用这一原理可将结构产生的小位移根据不同的杆轴比例放大成为作用阻尼器内部的耗能位移，通过将结构的位移或转角进行放大，使得位移型阻尼器的耗能能力得到最充分的发挥，同时阻尼器装置的外形尺寸相对较小。图1为基于杠杆原理的铅粘弹性阻尼器的整体构造示意图.

(a)实体模型图

图1 基于杠杆原理的铅粘弹性阻尼器构造示意图

2、阻尼器构造特点

基于杠杆原理的铅粘弹性阻尼器的组成包括：转动剪切钢板、固定钢板、外支撑钢板、铅芯、薄钢板、粘弹性橡胶材料、转动轴1、转动轴2、滑动套孔、连接钢板和铅芯封盖。橡胶和钢板的有效连接，是采用硫化机进行高温高压硫化连接，这种硫化作用也是目前采用最广的一种方法，能有效保证阻尼器在耗能过程中防止橡胶和钢板分离。转动剪切钢板和固定钢板是预先留好孔洞，橡胶和钢板硫化完成后将铅芯也采用高温高压硫化在注入预留的孔洞中，盖上铅芯封盖。完成硫化后进行转动剪切钢板和固定钢板的装配，将滑动套孔放入转动剪切钢板中间孔位置，用转动轴2将转动剪切钢板和固定钢板连接，当外界产生位移时，转动剪切钢板就以固定钢板圆孔为轴心绕着转动轴1转动剪切，阻尼器在产生剪切过程中滑动套孔也会沿着转动剪切钢板中间的条形孔上下轻微滑动，而固定钢板和外支撑钢板采用转动轴2相连。阻尼器的耗能主要来自铅芯挤压剪切和橡胶的剪切耗能。

3、阻尼器放大原理

根据转动相同角度的同一圆心、不同半径圆弧的弧长等于它们半径之比的原理来实现位移或转角的放大。阻尼器的放大的效果需要结合外部结构产生的变形特点、阻尼器内部的耗能材料的性质、结构体系的抗震等级要求等因素综合考虑确定；同时，可参考抗震结构抗震体系的抗震设计的需求，可任意调整阻尼器的内部刚度和阻尼力，以达到抗震结构的耗能能力最佳效果。

4、阻尼器的放大效果对比

4.1、滞回曲线对比

通过分别对基于杠杆原理的铅黏弹性阻尼器和无放大功能的简单剪切板型的铅粘弹性阻尼器施加相同单调幅值加载，得到力与位移的滞回曲线，如图2所示，由两个阻尼器的单调幅值加载的滞回曲线可知，滞回曲线饱满，在相同剪切位移幅值作用下基于杠杆原理铅粘弹性阻尼器的耗能为981.93kN?mm,对比模型阻尼器的耗能为108.25kN?mm，可得本阻尼器的耗能能力是对比模型的9倍；可知基于杠杆原理铅粘弹性阻尼器的耗能能力强，小位移作用下就能发挥优良的耗能能力。

(b)对比模型铅芯应力分布云图

图3 两个对比模型铅芯应力分布云图

4.2铅芯应力分布对比

铅芯是铅粘弹性阻尼器的耗能主要部分，且耗能能力的大小也主要受铅芯的挤压和剪切塑性变形的影响，图3分别是基于杠杆原理的铅黏弹性阻尼器和无放大功能的简单剪切板型的铅粘弹性阻尼器在相同位移下铅芯所产生的变形应力分布图，很明显基于杠杆原理的铅黏弹性阻尼器中的3个铅芯所产生的剪切变形远大于无放大功能的简单剪切板型的铅粘弹性阻尼器中的3个铅芯产生的剪切变形，也说明了基于杠杆原理的铅黏弹性阻尼器的耗能能力效果更好；且通过两个阻尼器的3个铅芯的应力分布可知，铅芯与复合弹性体接触两个面都产生完全屈服，而铅芯与固定钢板和剪切钢板接触区域均未发生屈服，由于钢板与铅芯之间形成了一个“套箍”的约束作用。

5、结语

综上所述，结构内部构件变形虽然可能已进入弹塑性状态，但结构梁柱节点处产生的位移较小，该阻尼器可结构产生的小位移进行放大，使得阻尼器中的耗能材料的耗能能力得到最充分的发挥；适用范围广，适应性强，既可用于工程结构的抗震，又可用于工程结构抗风，既可用于新建工程结构，又可用于既有工程结构的抗震加固和改造。

参考文献

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