一种多功能自适应变刚度减震装置及其安装方法

本发明属于建筑物振动控制，涉及一种多功能自适应变刚度减震装置及其安装方法。

背景技术：

1、随着城镇化水平不断提升，地震下如何保全建筑功能基本不中断或可快速恢复日趋重要，抗震韧性建设因此成为建筑防震减灾的重大战略方向。按照常规抗震理念设计的建筑，即使结构地震位移、震中性态以及震后损伤程度达到预期目标，也将面临震后修复时间长、修复困难需要拆除重建、以及重建成本高等问题。可见，建筑地震灾害程度直接影响着抗震韧性的实现，包括结构抗震能力和建筑使用功能两个方面的可恢复性。

2、现有结构振动控制措施，能够从本质上提升结构抗震能力的可恢复性，但对建筑使用功能考虑不足。例如隔震、消能减震、摇摆及自复位构件等，通过限制结构位移、残余位移和损伤，显著提升了结构构件的抗震性能和韧性，即结构抗震能力的可恢复性。至于建筑使用功能的可恢复性，取决于非结构构件和附属机电设备的损伤程度，通常与结构位移和加速度都密切相关。然而现有振动控制装置，大多并未实现对结构加速度的合理控制，表现为：隔震装置即便减小了上部结构的动力反应，但隔震结构在高烈度地震下也将面临发生倾覆破坏的风险；速度型耗能元件减小结构位移和加速度是以基底剪力的增大为代价；位移型耗能元件会引起结构刚度增加，造成加速度反应比常规结构的还要大，进而使加速度敏感型非结构构件和附属机电设备的破坏程度更加严重，以致延缓建筑使用功能的震后恢复。

3、因此，为了减轻建筑震害、提升建筑抗震韧性，有必要研发可同时限制结构位移和加速度的新型振动控制装置。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，提供一种兼顾控制结构位移和加速度反应，能够在不同阶段实现不同功能目标，功能机制和刚度可根据结构受力状态转化的多功能自适应变刚度减震装置及其安装方法。

2、为了实现上述目的，本发明提供的技术方案：

3、一种多功能自适应变刚度减震装置，包括粘滞阻尼器1和变刚度部件2，变刚度部件2对称设置于粘滞阻尼器1两侧，并通过连接部件与粘滞阻尼器1连接，形成变形协调的整体；所述连接部件包括第一刚架3、第二刚架4、抗剪键5和连杆6。

4、所述粘滞阻尼器1由前耳环8、活塞杆9、缸体10、套管11和后耳环12构成，活塞杆9与缸体10组成活塞装置，前耳环8与活塞杆9的前端、缸体10的尾端与套管11通过螺纹和紧定螺钉连接，后耳环12采用焊接连接的方式与套管11固定连接。

5、所述第一刚架3由第一立柱13和第一横梁14构成，第一立柱13一侧的上、下端分别与一根第一横梁14的一端固定连接，第一立柱13和两根第一横梁14相互垂直，在第一立柱13中部设置有与第一横梁14平行的第一圆形通孔15；套管11靠近缸体10的部位通过焊接安装在第一圆形通孔15内，以实现粘滞阻尼器1与第一立柱13之间的固定连接；粘滞阻尼器1平行于第一横梁14，后耳环12位于第一立柱13的另一侧；第一横梁14的另一端为圆弧面，用于安装变刚度部件2。

6、所述第二刚架4由第二立柱16和第二横梁17构成，第二立柱16一侧的上、下端分别与一根第二横梁17的一端固定连接，第二横梁17和第二立柱16相互垂直；两根第二横梁17与两根第一横梁14分别在第二立柱16与第一立柱13上固定的高度一一对应对应；在第二立柱16中部设有第二圆形通孔18，第二圆形通孔18与第一圆形通孔15的位置相对应；第二立柱16中部设有第三圆形通孔19，且第二圆形通孔18与第三圆形通孔19相通；活塞杆9通过直线轴承7和抗剪键5与第二立柱16连接，从而实现抗剪键5失效后活塞杆9与第二立柱16的滑动连接；其中，直线轴承7安装在第二立柱16中部的第二圆形通孔18内，与第二立柱16固定连接；抗剪键5安装在第三圆形通孔19，在活塞杆9与第二立柱16的连接部位中心、且垂直于第二刚架4所在平面；前耳环8位于第二立柱16的另一侧；第二横梁17的另一端为圆弧面，与第一横梁14的另一端配合，用于安装变刚度部件2。

7、所述变刚度部件2包括导管20、固定螺栓21和弹簧元件；弹簧元件由端块22、预压弹簧23和滑块24构成，设置于导管20内部；导管20为中空圆管，其底端设置有与固定螺栓21外螺纹相匹配的内螺纹，导管20通过内螺纹与固定螺栓21连接；导管20平行于第一立柱13和第二立柱16，导管20的中部与第一横梁14和第二横梁17的端部圆弧面固定连接，其中，位于粘滞阻尼器1上方的变刚度部件2倒置，位于粘滞阻尼器1下方的变刚度部件2正向布置；预压弹簧23的两端分别与端块22的上表面和滑块24的下表面固定连接；端块22的下表面与固定螺栓21抵接，端块22的侧面设有两个对称的圆柱销25，导管20靠近固定螺栓21的端部设有与圆柱销25相匹配的导管竖缝26，圆柱销25安装在导管竖缝26内并与竖缝壁面抵接；导管20、固定螺栓21与圆柱销25之间的配合，使预压弹簧23兼具受压和受拉的能力；所述滑块24与导管20内表面为滑动连接，滑块24的上表面设有第一铰耳27；粘滞阻尼器1的活塞杆9上设有两个与两个第一铰耳27分别相对的第二铰耳28，通过连杆6将第二铰耳28与第一铰耳27相连接；第一铰耳27和第二铰耳28分别与滑块24和活塞杆9固定连接，固定螺栓21的头部和导管20之间依次设有垫圈31和导管套箍32。

8、所述连杆6通过其两端的双耳板29，分别与第一铰耳27和第二铰耳28铰接连接，允许连杆6绕着第一铰耳27和第二铰耳28转动；在初始状态时，连杆6平行于第一立柱13和第二立柱16，通过改变连杆6长度，可实现对预压弹簧23初始压缩量的调整。

9、所述第一立柱13和第二立柱16的高度相同，所述第一刚架3、第二刚架4可以采用矩形钢管、正方形钢管或工字型钢制作。

10、所述变刚度部件2采取对称设置的方式进行布置，数量至少为2个，且为偶数个；当变刚度部件2数量多于2个时，第二横梁17、第一横梁14上需要设置对应数量的固定连接口，且活塞杆9上需要设置对应数量的第二铰耳28。

11、所述预压弹簧23在初始状态时，处于压缩状态，其外径比导管20内径约小5～10mm。

12、所述抗剪键5的强度满足于：在多遇地震作用下处于弹性工作状态，在设防地震作用下发生脆性剪切破坏。

13、所述预压弹簧23的初始压缩量满足于：在设防地震和罕遇地震作用下，预压弹簧23在自然长度范围内伸长，为结构提供负刚度；在极罕遇地震作用下，预压弹簧23在自然长度范围外拉长，为结构提供正刚度。其中，不同水准地震的划分参考《建筑抗震设计规范》(gb 50011-2010)。

14、所述第一刚架3、第二刚架4、连杆6的强度和刚度满足于：在预压弹簧23和地震荷载共同作用下，处于弹性工作状态，其自身变形可忽略。

15、上述多功能自适应变刚度减震装置的安装方法，包括以下步骤：

16、步骤s1：第一刚架3和第二刚架4的安装。采用焊接连接的方式，在第一立柱13一侧的上端和下端分别对中安装一根第一横梁14，形成第一刚架3，要求第一横梁14和第一立柱13垂直；按此种方式，在第二立柱16一侧的上端和下端分别对中安装一根第二横梁17，形成第二刚架4，要求第二横梁17和第一立柱13垂直。

17、步骤s2：粘滞阻尼器1与第一刚架3的连接。在第一圆形通孔15内穿入粘滞阻尼器1，采用焊接连接的方式，将粘滞阻尼器1的套管11与第一立柱13固定连接，要求粘滞阻尼器1平行于第一横梁14，且后耳环12位于第一立柱13另一侧。

18、步骤s3：第一刚架3与变刚度部件2的连接。采用焊接连接的方式，将第一横梁14远离第一立柱13的端部与变刚度部件2的导管20进行连接，要求导管20平行于第一立柱13。

19、步骤s4：安装直线轴承7。采用螺栓连接或焊接连接的方式，将直线轴承7安装于第二立柱16的第二圆形通孔18内。

20、步骤s5：粘滞阻尼器1与第二刚架4的连接。先拆卸粘滞阻尼器1的前耳环8，再将活塞杆9穿入直线轴承7，然后安装抗剪键5和前耳环8。

21、步骤s6：第二刚架4与变刚度部件2的连接。采用焊接连接的方式，将第二横梁17远离第二立柱16的端部与变刚度部件2的导管20进行连接。

22、步骤s7：安装第一铰耳27和第二铰耳28。采用焊接连接的方式，将第一铰耳27和第二铰耳28分别与弹簧元件的滑块24和粘滞阻尼器1的活塞杆9固定连接。

23、步骤s8：变刚度部件2的安装。通过圆柱销25和导管竖缝26之间的相互配合，将弹簧元件安装于导管20内部，然后再依次安装导管套箍32、垫圈31和固定螺栓21。

24、步骤s9：安装连杆6。将连杆6通过销轴30分别与第一铰耳27和第二铰耳28进行连接。

25、本发明的有益效果是：

26、1、本发明一种多功能自适应变刚度减震装置，通过变刚度部件、抗剪键与粘滞阻尼器的有效结合，使其随地震强度的增加按既定次序表现出普通支撑、负刚度阻尼器和正刚度阻尼器的功能，上述功能转变和刚度变化是通过抗剪键失效和变刚度部件预压弹簧的变形机制实现的。该减震装置的多功能机制，使结构在不同水准地震作用下的位移和加速度都能得到合理控制，从而减轻建筑地震灾害程度，提升建筑抗震韧性。

27、2、本发明通过设置抗剪键，可使该减震装置在多遇地震作用下发挥普通支撑功能，通过为结构提供正刚度将其位移和加速度控制在允许范围内。在设防地震和罕遇地震作用下，该减震装置的工作机制随抗剪键失效而发生转变，通过变刚度部件提供负刚度结合粘滞阻尼耗能，发挥负刚度阻尼器功能；其负刚度可延长结构自振周期，从而减小结构所受地震作用、基底剪力和加速度反应；同时其阻尼耗能又可显著减小结构位移反应。在极罕遇地震作用下，该减震装置通过变刚度部件提供正刚度结合粘滞阻尼耗能，发挥正刚度阻尼器功能，可有效限制结构地震反应和防止建筑倒塌。

28、3、本发明通过设置预压弹簧和连杆，实现了变刚度部件的负刚度工作机制和正刚度工作机制之间转变的鲁棒性。

29、4、本发明通过变刚度部件的负刚度工作机制，可显著提升粘滞阻尼器在设防地震和罕遇地震作用下的耗能效率，从而显著改善结构抗震性能。