一种具有变阻尼和自复位特性的黏滞阻尼模块单元

本发明属于结构工程减震，具体涉及一种具有变阻尼和自复位特性的黏滞阻尼模块单元。

背景技术：

1、抗震设计是在地震中保护人们的生命财产安全、保持结构完整性和安全性的重要途径。近年来，世界各地发生的多次强震都表明，传统的“抗”震设计思路可保证结构在设防地震水准下不倒塌，但是大量的建筑在震后成为“站立的废墟”，修复或重建仍造成了极大的经济损失。因此，提高建筑物的抗震韧性，使建筑在遭受特定水准地震作用后能够维持与恢复其原有功能的能力，已经成为我国许多城市防震减灾工作的奋斗目标。

2、在此背景下，自复位技术作为一种新兴的提升建筑结构抗震韧性的技术受到广泛关注。自复位技术不仅避免了结构出现塑性损伤，仅在接缝处或指定部件内部产生几何非线性行为，具有更大的变形能力；且与自复位装置和耗能装置相结合，具有良好的自复位能力和耗能能力。但是，自复位技术在控制最大位移和加速度响应，以及提升耗能能力方面并无明显优势。

3、结构消能减震技术也是地震工程领域应用非常广泛的一种技术。间隙式黏滞阻尼墙即是一种有效的耗能减震装置，是由内、外钢板间的高黏性流体介质产生剪切变形，由黏滞流体介质的剪切阻抗力耗散振动能量，减小结构的地震或风致响应。间隙式黏滞阻尼墙为速度和位移相关型阻尼器，其经典力学模型可简单表达为式(1)。其中，fc(t)为黏滞阻尼力；fk(t)为弹性恢复力；μ为黏滞流体介质的黏度；a和h分别为内钢板与外箱体的摩擦面积和间距；u(t)和u'(t)分别为内钢板和外箱体的相对位移和相对速度；α为由性能试验得到的阻尼指数；t为时间。可见，在高频荷载激励下，即荷载速度较大而变形较小时，间隙式黏滞阻尼墙的黏滞阻尼力较大；相反，在低频荷载激励下，即荷载速度较小而变形较大时，黏滞阻尼力较小；在动力激励卸载过程中，间隙式黏滞阻尼墙释放大量阻尼力从而最大程度降低对结构自复位能力的影响。

4、f(t)＝fc(t)+fk(t)＝μa[u'(t)/h]α+μa[u(t)/h2]    (1)

5、间隙式黏滞阻尼墙有诸多优异性能，比如，相较于传统杆式黏滞阻尼器，阻尼力效果更佳，且避免了在高速高压下的泄漏及疲劳损伤等问题；安装便捷，装置简单，施工误差对其减震性能影响较小，后期维修保养费用低；布置灵活，适用范围广，在新建和既有的框架、框剪及多高层结构中均可使用。

6、然而，间隙式黏滞阻尼墙在小震下能产生较大的阻尼力，但在大震下阻尼力的增长相对平缓，导致减震效果“小震和大震不能兼顾”；其附加刚度随着地震波峰值加速度或位移幅值的增大均逐渐减小；间隙式黏滞阻尼墙在震后没有自复位能力，因此难以控制结构残余位移。这些问题在许多高烈度区建筑中尤为显著，且随着建筑物的高度、跨度增加及结构复杂化，抗震问题更加凸显，传统抗震和减震设计在兼顾经济性和多性能目标方面都存在巨大挑战。此外，常规间隙式黏滞阻尼墙尺寸较大，影响建筑功能，因此使用场景受限。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明公开了一种具有变阻尼和自复位特性的黏滞阻尼模块单元，该阻尼模块单元融合了间隙式黏滞阻尼墙和自复位技术的优势。引入的变黏滞阻尼特性，能使其黏滞阻尼力在较大位移响应幅值时显著提升，兼顾低频动力激励下的减震效果；融合的自复位技术可以在较宽荷载频域内降低结构的残余位移，提升结构在不确定性地震作用后自动快速恢复能力。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种具有变阻尼和自复位特性的黏滞阻尼模块单元，包括：运动件；固定件；sma螺杆；限位螺杆；间隙控制板。

4、所述运动件由上连接板、垂直焊接于其侧面的两块主动剪切板、居中的复位挡板、以及两块限位耳板组成。复位挡板侧面设计有沿运动方向凹凸交错的主动坡面。复位挡板还设计有若干沿运动方向的sma螺杆长螺栓孔。限位耳板设计有圆螺栓孔。上连接板有若干螺栓孔用于锚固连接外部构件。

5、所述间隙控制板的一个侧面设计为与运动件的复位挡板侧面的主动坡面相对应的被动坡面。间隙控制板还设计有若干sma螺杆沉头孔，与复位挡板内的sma螺杆长螺栓孔相对应。

6、所述固定件由下连接板和外箱板组成。外箱板是垂直焊接于下连接板侧面的四面封闭的箱型板，外箱板沿运动方向的侧面有限位螺杆长螺栓孔，与限位耳板的圆螺栓孔相对应。下连接板有若干螺栓孔用于锚固连接外部构件。

7、所述具有变阻尼和自复位特性的黏滞阻尼模块单元，两块间隙控制板通过sma螺杆分别固定于复位挡板两侧；运动件的主动剪切板和复位挡板被装于固定件的外箱板内；两块间隙控制板分别与同侧的外箱板围城四面封闭的空间，该空间填充黏滞阻尼介质。

8、所述具有变阻尼和自复位特性的黏滞阻尼模块单元，可根据多阶段多目标的耗能和复位能力需求设计确定两块间隙控制板和复位挡板的滑移长度、对应的坡面角度和sma螺杆的初始预应力，间隙控制板和主动剪切板之间的初始剪切间隙，以及主动剪切板和外箱板之间的固定剪切间隙。

9、所述具有变阻尼和自复位特性的黏滞阻尼模块单元，其工作原理是，初始状态时，sma螺杆施加了初始预应力，从而使得间隙控制板和复位挡板之间存在初始压应力。当运动件带动主动剪切板和复位挡板向左(或向右)运动且运动相对位移不超过滑移长度时，间隙控制板和复位挡板之间存在滑动摩擦力；同时，间隙控制板和主动剪切板之间的黏滞阻尼介质，以及主动剪切板和外箱板之间的黏滞阻尼介质，都因自身剪切变形而产生剪切阻抗力，该剪切阻抗力与相对运动的速度有关；此时的滑动摩擦力和黏滞阻尼介质的剪切阻抗力共同构成了黏滞阻尼模块单元的抗剪承载力。当运动件带动主动剪切板和复位挡板向左(或向右)运动且运动相对位移超过滑移长度时，间隙控制板会沿着复位挡板的被动坡面向外扩张，从而导致间隙控制板和主动剪切板之间的剪切间隙发生变化，从而产生变化的剪切阻抗力，主动剪切板和外箱板之间的剪切间隙不变，剪切阻抗力也不变，两者之和即为总黏滞阻尼力，因此可根据设计目标位移产生可变黏滞阻尼力，提高了阻尼效率和适应性。同时，间隙控制板的扩张也会引起施加了预应力的sma螺杆被二次拉伸，此时sma螺杆提供了阻碍间隙控制板扩张的反力，从而产生了复位挡板的抵抗力；此时的滑动摩擦力、黏滞阻尼介质的剪切阻抗力和复位挡板的抵抗力共同构成了黏滞阻尼模块单元的抗剪承载力。当卸去外部荷载时，被二次拉伸的sma螺杆会产生复位力，推动复位挡板恢复至其初始位置，实现自复位特性。需要说明的是，黏滞阻尼模块单元的复位目标根据工程需求确定，而其复位能力取决于sma螺杆的初始预应力和滑移长度。

10、由于地震作用的随机性，包含了较宽频域激励成分。常规黏滞阻尼墙仅能在高频动力激励下大量耗能而降低地震峰值响应；引入的变黏滞阻尼特性，能使其黏滞阻尼力和承载力在较大位移响应幅值时显著提升，兼顾低频动力激励下的减震效果；融合的自复位技术可以在较宽荷载频域内降低结构的残余位移，提升结构在震后自动快速恢复能力。可见，具有变阻尼和自复位特性的黏滞阻尼模块单元在结构设计上更为先进，结合了自复位技术和黏滞阻尼墙减震技术的优势，其刚度和阻尼可以按照预设控制目标自适应地改变。

11、本发明的有益效果是：

12、1.常规黏滞阻尼墙仅能在高频动力激励下大量耗能而降低地震峰值响应，而本发明的黏滞阻尼模块单元不仅保障了高频动力激励的卓越耗能能力，且引入的变黏滞阻尼特性，能使其黏滞阻尼力在较大位移响应幅值时显著提升，兼顾低频动力激励下的减震效果，因此兼顾了小震和大震的不同减震需求。

13、2.融合的自复位技术可以在较宽荷载频域内降低结构的残余位移，提升结构在震后自动快速恢复能力。

14、3.自复位技术与黏滞阻尼减震技术结合，并引入变黏滞阻尼的特性，具有位移和速度强相关的耗能能力，可实现各类结构构件、非结构构件、设备和人员等对承载能力、耗能能力、复位能力和舒适度等多目标协同减震控制；特别地，对建筑结构抵御大震和超大震十分有利。

15、4.可通过合理设计将多个黏滞阻尼模块单元同向并联或串联增强耗能或变形能力，实现高性能减震效果；也可合理设计将多个阻尼模块单元双向串联可实现双向减震耗能，可用于基础双向隔震。

16、5.装置原理简单，易于实现标准化生产和应用，无需附加额外的耗能和自复位装置，即可显著提升结构抗震韧性，有效节约建筑结构的全寿命周期成本。