一种双向复合耗能的消能减震装置及其使用方法

本发明属于建筑工程消能减震，具体涉及一种双向复合耗能的消能减震装置及其使用方法。

背景技术：

1、消能减震技术是在结构某些部位设置耗能装置，在主体结构进入塑性阶段前，耗能装置率先进入耗能工作状态，从而减少主体结构在地震作用下的损伤程度。金属阻尼器是消能装置中最为常见的一种，其通过钢材的塑性变形耗散地震能量，具有构造简单、滞回性能稳定的优点。然而，现有的金属阻尼器大多只能在单一方向进行耗能，而地震会引起结构发生空间变形。另外，安装在结构中的金属阻尼器需要在结构产生一定的侧向变形后才能进入塑性耗能状态，即现有的金属阻尼器大多是针对中大震设计，小震时不能充分发挥作用，而小震也会使建筑中非结构构件发生损伤。此外，依靠钢板拉压变形耗能的金属阻尼器，一旦钢板发生面外屈曲，耗能能力将极具下降，为了防止钢板发生面外屈曲，常在钢板上加约束套筒、约束钢板等，增加了制造难度。

2、现有技术中，cn208329250u公开了一种应用于厂房梁端的双向耗能软钢阻尼器，双向耗能软钢阻尼器实则是沿着梁、柱平面内的水平方向和竖直方向变形耗能，只具备梁柱平面内的耗能能力，不能耗散梁柱平面外的地震能量。此外，该阻尼器耗能形式单一，需要在软钢发生一定的塑性变形后才开始耗能，不能耗散小震下的地震能量。cn209429306u公开了一种可更换的双向复合耗能软钢阻尼器，但是也只具备在剪力墙平面内的竖直方向和水平方向的耗能能力，不具备剪力墙平面外的耗能能力。

3、因此，急需研发一种具备多方向耗能能力，且能够满足不同抗震设防目标的消能减震装置。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题就是提供一种双向复合耗能的消能减震装置及其使用方法，该装置在地震作用下可双向转动，通过耳板间的摩擦和周围的耗能钢板组变形耗散结构各方向的地震能量，减轻结构构件损伤。采用的技术方案为：

2、一种双向复合耗能的消能减震装置，包括双向转动钢制铰和耗能钢板组；

3、所述双向转动钢制铰包括正方形的上端板和下端板，上端板、下端板的中部均设置垂直于端板的耳板；各耳板上均设置螺栓孔，通过耳板、销轴、螺栓实现上端板和下端板的连接；

4、所述耗能钢板组包括上连接板、下连接板和中间的耗能钢板，耗能钢板组安装于双向转动钢制铰的上端板和下端板之间。

5、耳板一端连接端板，另一端的形状不受限制，可为圆弧形、方形或其它形状。

6、销轴为双向销轴，在两个相互垂直的方向设置圆形轴，销轴的直径与耳板螺栓孔适配，使双向转动钢制铰可在两个方向转动。

7、优选的，所述上端板的中部设置四个垂直于端板的耳板，各耳板相互垂直；下端板的中部设置四个垂直于端板的耳板，各耳板与上端板的耳板两两对齐重叠，螺栓孔的位置对正，中间通过双向销轴穿过两耳板的螺栓孔进行连接，采用螺栓固定。

8、优选的，耳板与耳板接触的位置，安装摩擦片；也可通过将相互接触的耳板表面进行特殊处理（喷砂、钢丝刷清除浮锈等），达到预定的摩擦系数来实现。

9、所述的摩擦片可选用黄铜板或刹车片等耐磨材料，所述的螺栓可选用高强度承压型螺栓或高强度摩擦型螺栓。

10、优选的，所述上端板、下端板的四个耳板交叉重叠对齐，横向位置上端板的耳板在外侧、下端板的耳板在内侧，纵向位置上端板的耳板在内侧、下端板的耳板在外侧；或上端板的耳板套在下端板耳板的外侧；或上端板的耳板套在下端板耳板的内侧，各耳板的大小适配。

11、优选的，所述耗能钢板组设置四个，分别安装在双向转动钢制铰上端板和下端板之间的四侧，且耗能钢板组的高度与上端板和下端板之间的距离适配。

12、优选的，各耗能钢板组的上连接板、下连接板的大小相同，为长方形结构，其长度与宽度的和与上端板或下端板的边长相等。

13、优选的，各耗能钢板组的上连接板、下连接板之间均匀安装3～10片耗能钢板，各耗能钢板垂直于上连接板、下连接板。

14、优选的，上连接板、下连接板在未安装耗能钢板的空隙，设置螺栓孔，上端板、下端板的四周设置与上连接板、下连接板相适配的螺栓孔。上/下连接板和上/下端板可以通过螺栓进行连接。

15、优选的，耗能钢板上、下两侧的宽度与上连接板、下连接板的宽度相等；耗能钢板的削弱形式可为多边形削弱、狗骨式削弱或其它形状的削弱。

16、作为进一步的优选，所述耗能钢板的削弱形式为狗骨式削弱，即形状为两头宽、中间窄的结构，两侧为等腰梯形、中间为窄一些的方形连成的一体结构，这样可以使耗能钢板较早进入屈服耗能。

17、所述耗能钢板为削弱软钢板，采用低屈服点的q235钢材，所述消能减震装置的其余部分采用q355高强度钢材。目的是在地震作用下使削弱软钢板优先屈服耗能，将地震损伤集中在削弱软钢板上，耗能钢板组与双向转动钢制铰螺栓连接，震后拆卸损伤严重的耗能钢板组即可实现快速修复。

18、一种双向复合耗能的消能减震装置的使用方法，包括如下步骤：

19、（1）根据需要的高度，确定耳板的高度，将各耳板和摩擦片依次套在双向销轴上，然后将上端板和下端板与各自的耳板进行焊接连接，形成双向转动钢制铰；

20、（2）选择高度适配的耗能钢板，耗能钢板组根据抗震目标安装所需数量的耗能钢板；

21、（3）在建筑结构中与双向复合耗能的消能减震装置进行连接的预制梁、预制柱或基础承台上预先设置预埋型钢，预埋型钢的连接面上设置与上端板或下端板相对应的螺栓孔；

22、（4）在施工现场，将双向转动钢制铰的上、下端板的螺栓孔、预制梁、预制柱或基础承台的预埋型钢连接面的螺栓孔，以及耗能钢板组上、下连接板的螺栓孔相对齐，通过螺栓将三者进行连接，从而将预制梁和预制柱或预制柱与基础承台连接为一体。

23、首先将双向转动钢制铰的上、下端板的螺栓孔与预制梁、预制柱的预埋板的螺栓孔（或预制柱与基础承台上预埋板的螺栓孔）相对应。接下来，在双向转动钢制铰的四周放置耗能钢板组，耗能钢板组的上、下连接板的螺栓孔与上、下端板的螺栓孔相对应。最后，用螺栓将预埋型钢、端板和连接板三者连接在一起，从而实现预制梁与预制柱或预制柱与基础承台之间的连接。

24、优选的，耗能钢板组的高度为施工时待连接的预制柱高度的1/12～1/8。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

26、本发明提供一种双向复合耗能的消能减震装置，构造简单，制作方便，双向转动钢制铰和耗能钢板组可在工厂预制，施工时将双向转动钢制铰、耗能钢板组和结构的其它构件进行现场拼装即可，有利于实现结构的装配化施工。

27、本发明耗能机理明确，地震作用会使结构的纵向和横向都产生侧向变形，从而使耳板绕着销轴横向和纵向产生转动，耳板与摩擦片产生摩擦耗散地震能量，当地震作用逐渐增强时，耳板转动角度逐渐增大，耳板周围的耗能钢板组产生塑性变形，此时耗能装置是摩擦和软钢变形同时耗能。

28、本发明的耗能钢板组采用的是被削弱的低屈服点钢材，可使其先于结构的其它构件发生变形，从而将损伤控制在耗能钢板组上，震后更换新的耗能钢板组即可实现震后的快速修复。

29、通过改变摩擦片的材料，调节耳板两侧螺栓的预紧力来改变摩擦力的大小，通过改变耗能钢板组的削弱形式或增减耗能钢板组的数量、高度来改变消能减震装置的耗能能力，满足不同抗震目标的需求。