一種對結構件的運動進行阻尼的裝置以及一種支撐系統的制作方法

專利名稱：一種對結構件的運動進行阻尼的裝置以及一種支撐系統的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及保護結構系統免受動態載荷、如地震或海浪沖擊，車輛振動或風的沖擊影響。本發明更特別涉及對建筑物中位移或振動的阻尼。
本發明的背景技術當通過水平外力激勵構架時，桁架梁便會開始產生水平位移。如果這些位移較大或如果這些位移周期性地產生，那么它們則可能會對建筑物的狀況產生嚴重影響，且可能會引起嚴重的損壞，甚至會造成坍塌。
阻尼器在保護如建筑物這樣的結構中起到了重要的作用，且這些阻尼器存在各種變型。阻尼器通常通過被固定至建筑物的構架結構上的兩個移動部件之間的摩擦力或通過被加壓而在兩個腔室之間流過一根限流管的流體來阻尼所述位移。目前也存在能夠阻尼位移或振動的其它類似已知的方法或變型。一些阻尼器能夠有效地改變對應于外部條件的阻尼效果，而其它阻尼器為具有恒定阻尼特性的被動式阻尼器。典型的阻尼器制造成本較高，甚至裝配在建筑物構架內的成本更高。通常，由于現存阻尼器的笨重結構或由于阻尼器的結構特性與建筑物特性之間的相互關系，因此，必須使建筑物為特定的阻尼器而設計。
US4,409,765(Pall)涉及這樣一種建筑物，其具有一對結構件，這對結構件帶有一個將它們連接在一起的部件，且所述部件具有一個帶有摩擦面的伸縮接頭。伸縮接頭還具有用于迫使摩擦面夾在一起的夾持裝置。該專利未披露能夠提供轉動摩擦的阻尼器中類似轉動鉸鏈的組件。
本發明的概述本發明的一個目的在于提供一種阻尼器，其是建立在非常簡單的設計基礎上的且包括易于制造的部件。同時，該阻尼器必須易于組裝且其不但對于在不同支撐系統以及在有限空間中的布置而且對于在現存結構的改進以及新的結構均具有靈活性。本發明的另一個優點為具有恒定阻尼效果且提供了一種具有經濟效益且工作可靠的系統。
根據本發明，通過一種用于對土木工程建筑結構中結構件和非結構件的移動進行阻尼的裝置實現了本發明的目的，該裝置包括-至少兩個部件，這兩部件在一旋轉連接點處相互連接以便對至少兩個部件之間的相對轉動進行摩擦阻尼，該裝置包括，-夾緊裝置，其用于將所述至少兩個部件夾在一起以便在所述旋轉連接點處的所述至少兩個部件之間保持夾緊力和摩擦，-用于將所述至少兩個部件中的每一個部件連接至結構件中對應部件上的裝置。
在土木建筑中的結構件可以是梁、柱和板。被阻尼的墻壁可以包括結構件以及非結構件的組合，因此，阻尼器可對結構件和非結構件的運動進行阻尼。非結構件可以是窗戶、門、填充墻，如磚墻、墻板和隔墻。
因此-阻尼裝置可以以兩個或更多的方向、例如被安裝在多層建筑物中。
-阻尼裝置可以被安裝在具有填充磚墻的鋼筋混凝土構架結構中。
-阻尼裝置可以被安裝在較大的墻板中以減少它們的滑動破壞機理。所述墻板通常是由混凝土制成的，但是它們也可以由其它的材料，如木料、鋼或合成材料制成。
-阻尼裝置可以被安裝在高架水槽中以減弱它們的振動響應度。
-阻尼裝置可以被安裝在橋梁和高架公路上。可以沿兩個方向對其進行安裝以減弱響應度。作為一個例子，可以以第一方向布置多個阻尼器，以第二方向布置多個阻尼器。在第一方向的阻尼器可設有一阻尼構件，該阻尼構件不同于沿第二方向布置的阻尼器的阻尼構件。
-阻尼裝置可被用于由減弱升降機產生的振動，該升降機被裝配在一構架上。
-阻尼裝置可被安裝在多種海上平臺上，以減弱這些平臺由于例如由水或風產生的波動載荷所引起的振動響應。
-阻尼裝置可以被安裝在現成的汽車間中。
-阻尼裝置可以被安裝在移動式金屬帳篷中，以便阻尼帳篷的承載柱和梁的移動。
-阻尼裝置可以被用于降低構架中連接點的轉動。
-阻尼裝置可以被安裝在多層工業建筑物中。
-阻尼裝置可以被安裝在木制構架中。
-阻尼裝置可以被安裝在金屬塔中。
根據本發明的一個最佳實施例，阻尼器適于阻尼由木料或輕質金屬構架、如由輕質金屬合金制成的構架制成的預制墻板或墻壁的移動。作為一個例子，可以在板的加工廠中制造這些板并使其預裝有阻尼器。可以為板的特定用途預調節阻尼器或例如在將阻尼器安裝在住宅結構中時，可以在后期階段對阻尼器進行調節。
因其原理的簡單性，阻尼器的特性能夠使其既用于現存的結構中，又使其用于新的結構中。
所述裝置可以包括一種以夾層方式設置在兩個部件之間的摩擦填料。所述摩擦填料提供了干摩擦潤滑并能夠保持大致恒定的摩擦系數。同時，摩擦填料能夠減弱由部件的摩擦運動產生的磨損噪音。
所述裝置可還包括用于改變夾緊力的裝置。通過改變夾緊力，因此，摩擦力和夾持特性被改變并因此可被用于特定的目的，例如用于配合某一風力，地震等。用于改變夾緊力的裝置可以是機電式，電動液壓式、氣動或類似機械或電控式裝置，這些裝置能夠使阻尼器在建筑物中被有效地調節至實際狀況。
在本發明的一個最佳實施例中，連接點包括一根延伸通過所述至少兩個部件中每一部件的銷。該銷能起到將阻尼器固定在一起的唯一部件的作用，從而能夠確保阻尼器的簡易裝配以及對阻尼效果的調節。部件之間的摩擦運動或摩擦填料之間的摩擦運動是由部件繞銷轉動產生的，因此其作用就如同一根鉸鏈銷一樣。
在本發明的一個最佳實施例中，所述裝置可包括一根螺栓，其中，所述螺栓的至少一部分構成了所述銷，所述螺栓具有-一具有螺栓頭的螺栓件，
-一具有螺母頭的螺母，所述夾緊力由螺栓的預應力確定。這是本發明的一個簡單可靠的實施例，對于所述裝置的組裝以及對夾緊力的調節僅需簡單的工具即可。
所述裝置可還包括用于在一段時間期間保持大致恒定夾緊力的裝置。這一點是重要的，其原因在于摩擦力起到了夾緊力的作用且可將摩擦力調節至與夾持條件相匹配。
用于保持大致恒定夾緊力的裝置可包括至少一根彈簧，該彈簧被設置在螺栓頭和一個部件的表面之間和/或螺母頭和一個部件的表面之間。彈簧最好為一個盤簧或串聯設置的多個盤簧，或可以是被設置在螺栓頭和一個部件表面之間的一個或多個盤簧，被設置在螺母頭和另一個部件之間的另一個盤簧或多個盤簧。
在本發明的一個最佳實施例中，至少兩個部件包括以大致平行平面延伸的一塊側板和一塊中央板。所述側板最好以固定方式或以可旋轉的方式與支撐系統的一個支架連接在一起，所述支架在另一端以固定方式或可旋轉地被連接在構架的一個部件上。所述中央板以固定方式或以可旋轉的方式被安裝至構架的一個部件上，以便相應地防止或允許中央板和結構件之間的相對轉動。在這一方案中，摩擦填料最好被設置在所述側板和所述中央板之間，從而在這些板之間提供了恒定摩擦。在另一最佳實施例中，兩塊側板結合(accomplish)中央板，每一塊側板均圍繞中央板對稱設置。兩塊側板中的每一塊側板均可轉動地或以固定方式與一個構件相連或與支撐系統的一個支架相連，支架在另一端以固定方式或可轉動地與構件中的部件相連。在這一方案中，最好采用兩種摩擦材料，每一種摩擦材料均被設置在一塊相應的側板和中央板之間。
摩擦填料被用于在一段時間內且甚至是在多個周期的運動之后保持恒定的摩擦力。已經發現，一種包括由Eurodeal A/S制造的MK101石棉自由摩擦材料的所述摩擦填料適于該目的。另外，還已發現，由鋼、防腐鋼或黃銅制成側板和/或中央板的裝置是適合的，但是也可采用其它材料，如鋁或包括鋁或任何其它鋼材料的任何合金，或鋼和塑料的合成物，或塑料和玻璃纖維、碳、凱夫拉爾或類似材料的合成物，或任何陶瓷材料和玻璃纖維、碳、凱夫拉爾或類似材料的合成物。
最好，在長期測試中，如在200-1000轉測試(如400轉的測試)，促動激勵頻率為0.2-1Hz(如0.5Hz促動頻率)，所述至少兩個部件中的一個部件的位移幅度為1-20mm(如10mm)，所作用的激勵力為+10KN到-10KN(如±2.5KN)且初始夾緊力為1-8KN(如4KN)的測試中，所述夾緊力能夠表現出小于10％(如8％)的變化，甚至是小于7％(如5％)的變化。在一種特定測試中(參見下面對實驗結果的論述)，在400轉測試中，所述變化小于5％。
在另一最佳實施例中，夾持特性與力的激勵無關。這樣便確保了阻尼效果與特定的地震，風暴等的力的頻率無關。最好，在以每一頻率進行如30-轉的測試中、在正常摩擦力矩100-500Nm(如200Nm)下、在2-7Hz范圍中，裝置中摩擦連接點的摩擦力矩表現出促動頻率的相關變化小于10％，如小于5％。
最好，在至少兩個部件中的一個部件的位移幅度和摩擦連接點的能量耗散之間的關系是大致線性的。這樣便更易于模制阻尼器，從而更易于為特定的目的進行設計。
本發明的另一個方面涉及一種用于建筑結構的支撐系統，其包括至少兩個結構件和一用于對所述結構件之間的相對運動進行矩形阻尼的裝置，所述裝置包括-至少兩個部件，它們在一轉動連接點處被相互連接在一起，以便實現對至少兩個部件之間的相對轉動的摩擦阻尼。
-夾緊裝置，其用于將所述至少兩個部件夾持在一起，以便保持在所述連接點處的至少兩個部件之間的夾緊力和摩擦，-用于將至少兩個部件中每一個部件連接至所述結構件中的相應結構件上的裝置。
所述支撐系統最好包括本發明阻尼器的任何特征。用于阻尼的裝置最好包括至少兩塊前面提到的側板，這兩塊側板在它們的至少一個端部處、通過一個連接件被相互連接在一起，且將一個支架裝配至所述連接件上。在另一最佳實施例中，側板中的至少一塊側板通過一個支架被連接至所述構件中的一個上，且中央板被連接或被裝配至另一個結構件上。另外，所述側板中的至少一塊側板通過兩個支架被連接至所述構件中的一個上，兩個支架被連接至側板的相對端上，其中，所述中央板被連接或被裝配至另一個結構件上。
支撐系統可設有這樣的側板，即所述側板通過兩個支架被連接至所述構件中的一個上，所述阻尼器被設置在V形支撐中。在一些技術文獻中，這種支撐稱為V形支撐或人字型支撐。同樣，支撐系統可設有至少一塊側板，該側板通過兩個支架被連接至所述構件中的一個上，且所述阻尼器被設置在D形支撐中，同樣，支撐系統可設有至少一塊側板，該側板通過兩個支架被連接至所述構件中的一個上，且所述阻尼器被設置在K形支撐中。結構的選擇可根據實際情況且由專業設計人員選定。
本發明的另一個方面涉及一種用于對在建筑結構中大型混凝土墻板的移動進行阻尼的裝置，所述裝置包括-至少一個在第一轉動連接點被連接至至少一塊所述墻板上的部件，-所述至少一個部件在第二轉動連接點還被連接至另一塊墻板或建筑結構的類似部分上，-第一和/或第二轉動連接點對至少一個部件和所述墻板或類似建筑構件之間的相對轉動提供了摩擦阻尼，-第一和/或第二轉動連接點還提供了至少一個部件相對于被安裝在其上的墻板或類似建筑構件的滑動，所述滑動是由沿兩個垂直方向允許運動的配合公差實現的，-夾緊裝置，其用于將所述至少一個部件與所述墻板或類似建筑構件夾持在一起，以便在所述轉動連接點的所述至少一個部件和類似建筑構件之間保持夾緊力和摩擦。
本發明的詳細描述下面，參照附圖，對本發明的一個最佳實施例進行詳細說明，其中，

圖1為摩擦阻尼裝置的詳細結構的透視圖，圖2顯示了一種具有輔助摩擦阻尼裝置的鋼架，
圖3顯示了用于阻尼構架運動的阻尼機構，圖4顯示了在不同種類的支撐系統中使用摩擦阻尼器的靈活性，圖5顯示了具有多組阻尼器的可能性，圖6顯示了阻尼器在結構件中不同的設定，圖7顯示了利用不同位移幅度在滯后回線上的效果，圖8顯示了對于兩個不同夾緊力，以mm為單位的測試位移，圖9顯示了對于一種具有黃銅盤的裝置而言，60轉測試，螺栓夾緊力函數，力(位移滯后)以及力(位移滯后)放大的力函數關系曲線，圖10顯示了高摩擦材料的位移效果，圖11顯示了位移幅度對于能量耗散量的效果，圖12顯示了位移幅度和能量耗散之間的線性關系，圖13顯示了利用不同夾緊力(Ft)在摩擦力量上的效果，圖14顯示了夾緊力(Ft)在能量耗散量上的效果，圖15顯示了0.5Hz頻率，3.3KN夾緊力以及對后5轉放大的位移函數關系，圖16顯示了400轉的力函數關系，螺栓夾緊力的函數關系，力-位移滯后回線以及后10轉的位移函數關系，圖17-20顯示了由測量摩擦系數所得的結果，圖21顯示了在構架中摩擦阻尼器的實驗裝置，圖22顯示了一種動態測試的結果，圖23顯示了用于摩擦阻尼器響應測量的實驗裝置，圖24顯示了不同促動頻率2，3，4，5，6和7Hz在力矩-θ(Theta)關系上的效果，圖25顯示了促動頻率2，3，4，5，6和7Hz在水平力(Fh)-構架位移關系上的效果，圖26顯示了激振頻率測試區，圖27顯示了不同位移幅度在構架響應和能量耗散-位移關系上的效果，
圖28顯示了利用夾緊力3.77，4.55，5.55，5.86，6.63和6.89KN在力幅度上的效果。不同夾緊力在能量耗散上的效果，圖29顯示了促動幅度在構架響應上的效果以及促動幅度在最大位移幅度上的效果，圖30顯示了支撐桿中的預應力在構架位移上的效果，圖31顯示了在左側和右側桿中的構架位移，圖32顯示了3.0Hz促動頻率和0.8KN激勵力的函數曲線關系測試結果，圖33顯示了一種多層建筑物，其在每一方向的至少一個隔間中、以兩個方向安裝有一個阻尼器，圖34和圖35顯示了具有阻尼器的預制墻板，所述墻板的結構件由木料或輕質鋼材制成。
如圖1所示，摩擦減震器包括幾塊相對轉動的鋼板1和4。該阻尼器還可包括多個由摩擦填料制成的圓盤墊片，在圖1中它們的標號為3且被設置在鋼板之間，以便在裝置中提供干摩擦潤滑。摩擦填料確保了作用在鋼板上的穩定摩擦力，同時它們減小了由板之間的滑動所產生的噪音。
在本發明的最佳實施例中，阻尼器包括一塊中央板和兩塊側板。在圖1中，板1為中央板，板4為側板。如圖2所示，豎板通過一個鉸鏈可轉動地將阻尼裝置連接至框架結構的桁架梁上。在圖1中能夠最清楚地理解所述鉸鏈，且其標號為8。采用鉸鏈為的是不會將力矩引入桁架梁中。例如在無需阻尼器所設計的建筑物中對阻尼器作出改型時，這一點是重要的。另外，鉸鏈能夠提高中央板和側板之間的相對轉動量，這樣還會增大在系統中耗散的能量的量。
兩塊側板4使阻尼器連接至一加強系統，如圖2所示的人字形加強件或如D形或K形加強件的類似結構。在圖4描述了不同的加強系統。所述加強系統包括桿13，這些桿被預張緊以便防止壓縮力使它們彎曲，但是所述加強系統也可包括能夠吸收壓力的構件。所述加強件最好通過設置滑動軸承在兩端14和15可轉動地與阻尼器16和柱座連接件17相連，如圖2所示。18為上側構架柱。
使用兩塊側板的原因在于增大摩擦表面面積并提供必需的對稱性以獲得裝置的平面特性。所有的板和摩擦填料均具有一個對中孔，以便進行螺栓2和螺母5或相似類型的限制鉸鏈銷的裝配。螺栓或類似的鉸鏈銷在類似鉸鏈的連接中壓迫阻尼器的三塊板1和4以及摩擦填料4。同時，利用螺栓2控制施加在摩擦填料圓盤和鋼板上的法向力，從而改變了阻尼器的阻尼特性。
如圖2所示，當將阻尼器安裝在構架中時，其應隨動于構架的水平運動，如圖3所示。由于在中央板和上側柱之間的鉸鏈連接以及側板和加強件之間的鉸鏈連接又被可轉動地連接至底部支柱，因此構架運動的力可轉動地被傳遞至阻尼部件，如圖3所示。當構架開始產生位移時，在鋼板的摩擦面和摩擦填料之間產生的摩擦力將會阻止板在阻尼器中的轉動。其中不會發生滑動的這一階段被稱為附著階段。當在阻尼器中的作用力超過摩擦力時，會產生中央板和摩擦填料之間的滑動。此時，所述板會繞鉸鏈銷或螺栓作圓形運動的滑動。由于在加強件中的張力，因此，也會開始摩擦填料和滑動板之間的滑動，但側板會沿相對于中央板相反的方向轉動。在所述滑動階段中，阻尼器將通過滑動面之間的摩擦使能量耗散。這一階段將保持并在載荷方向逆轉時變為附著階段。
階段之間的轉變過程是通過改變力作用的方向進行的。圖3解釋了在不同方向的激發力下的阻尼器機構。
為了在阻尼器進行操作時保持恒定的夾持力，最好在螺栓頭和側板之間，在螺母和側板之間或在兩側安裝一個彈簧6。所述彈簧可采用任意的種類，但在本發明的一個最佳實施例中，使用的是盤簧6和如膜片式彈簧墊圈這樣的墊圈7的組合。這些彈簧最初是錐形的環狀盤簧，它們在壓力作用下可被壓扁。設置墊圈為的是防止在盤簧處于壓縮狀態時，由于彈簧而在鋼板上產生任何的痕跡。
阻尼器是以一種非常簡單的設計為基礎的，且僅包括易于制造的部件。同時，其易于組裝且在結構上是非常柔軟的。如圖4和6所示，不僅可以以不同的結構布置阻尼器，而且可以將其設置在不同類型的加強系統中。
阻尼器設計的簡易性允許根據預定的摩擦力和空間限制的要求制造出一種具有多個部件的裝置。圖5顯示了多部件阻尼器的一個例子，其能夠使設計者制造出一種具有幾個部件的阻尼器。在圖5中的阻尼器包括盤簧9，中央部10，側板11以及摩擦填料12。
實驗結果為了鑒定所提出的摩擦阻尼裝置的摩擦部件，在實驗室中已進行了大量的質量測驗以便評定對這種阻尼器的理論研究。
實驗程序包括兩個階段1.測試具有三種不同類型的摩擦材料的阻尼裝置。
2.測試一種縮尺模型鋼架，其具有所提供的摩擦阻尼器。
通過一種Instron機進行具有不同摩擦材料的阻尼器的測試以確定影響其性能的參數，這些測試包括對所述阻尼器的周期性測試。在裝有摩擦阻尼裝置的縮尺構架模型的測試中使用了適當的發現的材料，這些測試是通過一個振動機進行的。
這些實驗性研究是在DTU，BKM系的實驗室中作出的。
階段1，通過Instron機進行的阻尼器的測試將上述阻尼器樣品設置在型號為8502的Instron液壓測試機中。這種機器的致動器能夠施加250KN的動態載荷。通過一個控制單元能夠進行位移、促動頻率或作用力的控制。由PC運行Instron軟件“Max 5.2”進行所述測試控制。所有的測試均是根據位移，促動頻率以及所有被輸送至數據采集板系統(Data Acquisition Board System)進行的，所述數據采集板系統與系統控制器一體形成且與一PC相結合。
為了結果的直接顯示觀察，將力-位移的曲線繪制在PC監視器上。
所述阻尼器通過一個為此情況而特別設計的構架固定器固定至Instron機上，所述構架剛性與Instron機相連。阻尼器通過被剛性固定至所述固定器上的兩塊較小板與這一固定器相連。這些板中的每一塊板均通過一個鉸鏈與側板相連。之后，使用這兩塊板以使加強桿與阻尼器相連。在這些板的內側，固定了一個滾珠軸承，以便減小阻尼器的運動與縮尺構架模型所產生的摩擦。
所施加的載荷是通過一個測力計確定的，該測力計在其上固定有兩片應變片。這種測力計在兩端由一支承鉸鏈連接，以避免產生任意類型的彎曲。
利用預埋在螺栓內側的兩片應變片測量螺栓中的夾緊力。通過扳手緊固螺栓頭并易于由一萬能測量儀直接獲得讀數能夠施加所要求的夾緊力。
在阻尼器測試開始時，嘗試幾個位移裝置。使用線性可變位移轉換器(LVDT)，但由于中央板繞螺栓的轉動，因此LVDT不會跟隨這一轉動且會使其指針彎曲，從而不會提供正確的測量。變形計(CAT N0.2620-602，移動5mm，動態型)為另一種已被用于測量位移的裝置。該裝置能夠提供非常良好的分辨率，但是其對于較大的位移，特別對于大于5mm的距離并不是十分良好的。
所有這些調整裝置在測試前后均應被校準，或在測試中出現故障時，應對調整進行重新校準。
當中央板在測試期間轉動時，位于中央板邊緣的電位計頭往往會由于轉動的水平投影而略微彎曲。為了解決這一問題，在電位計頭上固定了一個特殊的滾珠。在幾種條件下對這一方案進行了測試，且該方案工作良好。
摩擦阻尼裝置的周期性測試為了評定阻尼器的特性，通過三種不同點材料黃銅，高摩擦性材料以及摩擦填料進行一系列十次動態周期性測試。
摩擦阻尼器的特性通常受某些參數影響。在測試中對這些參數進行了研究，它們是1.位移幅度2.夾緊力3.長期運轉測試黃銅盤黃銅是價格便宜且可大量購得的工業材料。因其已知的性能，黃銅已被長期采用。Popove，1993已建議因黃銅具有良好和穩定的特性，因此在其阻尼器中使用黃銅來代替鋼。在這一工作中，由于已知鋼和黃銅在摩擦中具有良好的組合作用且由于經濟原因，因此選擇了黃銅。
在研究以上提到的參數之前，應進行另一項測試，即在鋼板的一側和兩側配置盤簧墊圈。
位移效果通過5，10，15和20mm的位移幅度、以0.3Hz的促動頻率測試阻尼器。圖7描述了所施加的位移以及合成滯后回線。能夠清楚地看到在未顯示出任何波動和干擾的情況下，通過位移和摩擦力增大的面積量幾乎是恒定的。
由于板的相對速度會達到其最小值，因此在每一周期的結束時能觀測到更大的力。
夾緊力效果如圖7所示，通過不同的力夾緊螺栓以研究其在阻尼器上的效果。在這一測試中，由于摩擦力從0.65增大至1.5KN，因此會使夾緊力從13.36增大至27.32KN。在圖中能夠看到其結果。
長期運轉測試以0.3HZ的促動頻率和5mm的位移幅度進行60轉的測試，以便了解在夾緊力中的任何降低。噪音較大且所產生的熱量也非常大。結果參見圖9。
測試結果表明在60轉結束時摩擦阻力的變化量不大，其說明初期的螺栓應力仍有效。在頭十至二十加載循環次數期間，螺栓連接會從接觸面發出強噪音或震顫的振動。這些振動的噪音的存在不會過大地影響載荷水平&在大約二十轉后，在接觸面的噪音會發出與金屬銑削加工相似的穩定摩擦聲音。所述力從0.76KN增大至0.98KN。這一增大可能是由于許多相互作用現象產生的1.由于摩擦產生的熱量而造成板厚度的增大。
2.由于溫度的增大而造成的金屬軟化。
3.螺栓夾緊力的變化。
4.磨損。
5.當發生更大的表面損傷時，對光潔度和刮痕(plowing)增大的影響與滑動載荷相關。
考慮到黃銅盤幾乎沒有磨損，應能夠判定使用了黃銅的摩擦阻尼器在實際狀態下具有足夠的壽命。
高摩擦材料測試一種具有高摩擦系數的材料。該材料涂敷有研磨材料，所述研磨材料的商標為Felxovit，被用于細晶粒鋼。該材料為0.3mm的纖維盤。其被粘結在盤上以便在阻尼器中具有所要求的厚度。
所述材料能夠提供高摩擦力。
位移效果以位移幅度2和5mm測試阻尼器。如圖10所示，摩擦力在滑動中不是恒定的，且滯后現象表明它們不是穩定的。
被連接的板的厚度根據周期載荷變化。該厚度由于摩擦產生的熱量所造成的溫度提高而增大。另一方面，在接觸面上的磨損將會降低厚度。
如果板厚度由于加熱的增加大于磨損效果，那么其將會增大螺栓夾緊力，從而增大滑動力。一個例子為圖10中的60轉的黃銅測試。如果磨損效果大于加熱效果，隨后螺栓將會失去其夾緊力，其會在較低設計水平導致產生滑動且會降低能量在系統中的耗散量。圖10為這種情況的一個例子。
由于以上提到的原因，因此，需要考慮另一種材料。
摩擦填料如果另一種材料能夠盡可能地阻止磨損，同時不產生熱量，并且還能夠實現穩定的滯后現象，則能夠大大提高阻尼器的性能。通過提供一種更穩定的材料組合則可以實現這種提高。
在以一種特殊的要求進行了研究之后，發現了一種石棉自由摩擦材料(摩擦填料)。這種材料的摩擦系數為0.35-0.45。最大的抗壓強度為1100kg/cm2，工作溫度為165℃。其是一種合成材料。
通過相同的上述參數可對其進行測試。應注意到在鋼或所述材料中不會產生磨損或附著磨損，而僅會發現少量的覆蓋在鋼板上的粉末。
位移效果以2，4，6，8，10和12mm的位移幅度測試阻尼器。如圖11所示，能量耗散區域的增加與在恒定摩擦力情況下的位移幅度相關。在圖12中清楚地表明，作為一個周期區域的阻尼器的能量耗散線性地取決于如果被改型為半自動裝置則可以使阻尼器在不同位移幅度下工作的參數。
夾緊力的效果如圖13所示，通過不同的力(Ft)3.3，2.75，2.2，1.65，1.1和0.55KN夾緊螺栓以研究力在阻尼器上的效果。以5mm控制位移幅度。通過根據夾緊力繪制每轉的能量耗散。可以斷定所述關系是線型的，就法向力而言足以使用庫侖定律。
測試表明摩擦填料具有良好穩定的性能，且如圖15中通過0.5Hz促動頻率和3.3KN夾緊力進行30轉測試的位移時間曲線可知，未表現出老化或衰弱。這些良好的結果鼓勵采用長期運轉測試來檢測它們的性能。
長期運轉測試，400轉的測試為了研究在長期運轉周期測試下具有摩擦填料的阻尼器性能，使阻尼器置于達400轉、0.5Hz頻率以及4KN的夾緊力的條件下。其結果非常令人鼓舞，產生的熱量非常小，且其會使螺栓夾緊力略微增加，噪音遠低于其它材料。
-FPM測試表明對它們的摩擦面會成微不足道的損壞。
FDD在提供穩定的‘矩形’滯后回線中的成功性能是由于使用FPM產生的。結果參見圖16。
測定摩擦系數根據圖17-20，顯然，即使鋼架在彈性范圍內，測試架的回復力彈性也是雙線性的(如計算的那樣)。能夠得知，在滑動開始時，阻尼器的摩擦力會略微增大。在開始滑動后，會以穩定的摩擦力繼續滑動整個滑動長度。附圖表明將阻尼器摩擦力-滑動位移關系作為它們的相應測試結果的一個例子。在阻尼器的摩擦力中不會產生波動。當摩擦力增大時，阻尼器吸收的能量往往會降低。利用預埋的摩擦填料或黃銅會提供非常穩定的摩擦力并避免在摩擦運動中產生不正常的噪音。
由于所述裝置能夠形成這一可變化的反應，因此，它能夠作為半自動裝置被用作運動控制系統的一部分。
摩擦阻尼器能夠在大范圍的位移幅度以及恒定和穩定的摩擦力下工作。
被設計為在測試中用以固定阻尼器的‘構架固定器’的剛性不足以避免產生在使用較大力時由周期性運動產生的頂部較小的水平運動。
具有摩擦阻尼器的構架的實驗建造單層，一個隔間的鋼架模型，并對其進行靜態和動態測試，以便實驗性地確定摩擦阻尼器原理的效率。通過鋼架進行對阻尼裝置的這些測試被設計為在將阻尼器置于建筑物之前能確定阻尼器在實際條件下的性能。
模型構架的整個尺寸高為1.125米，跨距為1.10米。在圖21中能夠了解所述構架。
構架結構的柱子為50×15mm的鋼條。梁為90×50×5mm的空心矩形鋼件且通過四周的對頭焊接被剛性連接至柱上。將該結構牢固地固定在實驗室的塊狀底板上。梁的慣性力矩(1b)與柱的慣性力矩(lcol)之比為91.73，以便確保獲得非常剛性的梁。
該構架模型具有以下參數

通過激勵器施加的靜態和動態水平力激勵鋼架。該激勵器通過剛性桿與鋼架相連。沒有阻尼器的構架的固有周期為6.8Hz，其是通過自由振動測試測量的。在該測試中使用了數字存儲示波器VP5730A。
構架的動態響應為了檢測構架模型的動態特性；剛性以及質量，通過激勵器施加諧振載荷。將響應結果與對該SDOF系統的分析所得結果相比較。如圖22所示，其結果是非常令人滿意的。
實驗裝置通過力水平激勵構架梁，該力是通過被固定在構架梁和激勵器頭之間的剛性桿實驗性施加的。激勵器頭的振動是由激勵器控制器產生的且由功率放大器放大。在構件和被固定的剛性桿之間傳遞的力由一力轉換器測定。通過DAP程序連續存儲這一所測得的力。通過一臺加速度儀測量構架的加速度，該加速度儀被裝配在構架的頂部且測量結果由DAP連續存儲。利用具有被剛性固定至外部構架固定器上的滾珠頭的電位計獲得構架的位置。在圖23中示意性地描述了所述實驗裝置。
通過一臺電位計測量鋼板之間的相對轉動，該電位計具有一個被固定在側板上的滾珠頭。這些測量結果應除以電位計頭和側板中心線之間的距離。中央板的轉動由另一電位計測量，而其讀數應除以將阻尼器連接至構架梁上的鉸鏈頭和中心之間的距離。
具有摩擦阻尼器的構架模型的動態響應-實驗性評定參數研究用實驗方法研究幾個參數以確定阻尼器的性能并研究它們的關系。這些參數為-促動頻率。
-位移幅度。
-在阻尼器中的夾緊力。
-促動幅度。
-在加強桿中的預應力。
在構架中的促動頻率在檢驗摩擦減震器中的最重要參數中的一個參數為速度相關性。通過2.0，3.0，4.0，5.0，6.0和7.0Hz的促動頻率、而對于其它參數則利用相同的參數來測試所述構架。如圖2所示，表示力矩和板之間相對轉動關系的結果，θ(Theta)清楚地表明其幾乎與速度無關。
如其所表明的那樣，改變促動頻率的效果不會過分影響力矩-θ的關系曲線，其消除了為了模擬摩擦力而在庫侖定律中包括一速度相關項的必需性。研究另一關系，即水平力(Fh)與構架位移之間的關系。圖25清楚地表明不會對所述響應造成較大的影響。
位移幅度利用不同的位移幅度測試所述構架以便確定其對阻尼器運轉狀況的影響。在這些測試中，如圖27所示，通過1.75，2，2.5，3，3.5，4和4.5mm控制構架的位移。對于每一幅度而言，作為力-位移曲線區域的能量耗散為圖27中標明的構架位移。
其清楚地表明改變位移幅度會線性改變耗散能量，這與在前邊利用Instron機的測試中所發現的結果相符。
阻尼器中的夾緊力為了確定夾緊力的相關性，應從3.77，4.55，5.55，5.86，6.63和6.89KN中選擇不同的數值。如圖28所示，在這些測試中，控制位移幅度以便它們具有相同的距離，但是由于阻尼器的夾緊力，因此要求能夠產生一定位移的力的幅度是不同的。
在圖28中，清楚地表明在阻尼器中增大螺栓-夾緊力會幾乎線性增大能量耗散。這一結論與在阻尼器測試的第一階段中獲得的結論相符。這一關系的線性會導致能夠利用庫侖定律來模擬摩擦力。
力的幅度利用不同力的幅度來激勵構架。如圖29所示，控制夾緊力，在支撐中的預應力和促動頻率進行控制，并使用從0.40，0.50，0.60，0.70，0.75，0.80，0.85和0.90KN中提出的不同的力。
由于這些測試的設置，因此阻尼器不會在0.40，0.50和0.60KN下起動且不會產生滑動，而僅會產生附著，但在載荷增大至0.7KN時，則會產生滑動，且只要在力增大時位移就會增大。在圖11B中，特別當使用0.80KN的力時，構架則會作出較小的非線性響應，且對于0.85和0.90KN，響應會更大。
在支撐桿中的預應力在計算這些參數時，進行兩種測試1.1. A-大夾緊力，僅會產生附著。
1.1. B-小夾緊力，會產生附著和滑動。
在這兩種情況下，以3.0HZ促動頻率和具有能防止滑動產生的較大夾緊力值的0.80KN的力幅度激勵構架。結果參見圖30。
1.1. A-大夾緊力，僅會產生附著。
在這些測試中，分別以1.02，2.2，4.4，6.9，8.8和10.1KN對支撐桿進行預加壓。從圖(11)能夠清楚地看到增大預應力不會導致減小構架位移，特別是在采用1.02-6.9KN的力時。但當力增大至8.8和10.1KN時，由于支撐系統的剛性非常大且會防止側板的水平運動，因此會開始滑動，但作用力將會克服會引起板滑動的摩擦力。
1.1. B-小夾緊力，會產生附著和滑動。
在這些測試中使用了四個不同預應力2.0，4.0，6.0和7.7KN。在圖(11)中能清楚地看到除了最小的數值以外，增大預應力不會過分影響水平構架位移。
從確定預應力參數效果的這些測試中可知，可以得出這樣的結論，即不會在阻尼器性能上起到較大作用，而增大力不會導致提高所述性能，且通過利用最佳的預應力，能夠實現相同的所要求的響應。
長期運轉測試在不同的頻率和激勵力下，通過長期運轉測試阻尼鋼架模型。圖16表明3.0Hz促動頻率和0.8KN激勵力的時間函數測試結果。構架的響應是非常穩定和恒定的，20B，且板的相對運動也是穩定的，圖16D。在大于100轉后得出這樣的結論，即阻尼器的性能是非常令人滿意的。
也可設計使構架經受上百轉的測試，但所作出的限制會阻止這一情況。結果如圖32所示。
權利要求
1.一種用于在土木工程建筑結構中對結構件和非結構件的運動進行阻尼的裝置，該裝置包括-至少兩個部件，這兩個部件在一旋轉連接點處被相互連接以便對至少兩個部件之間的相對轉動進行摩擦阻尼，兩個部件可沿相反的方向運動，-夾緊裝置，其用于將所述至少兩個部件夾在一起，以便在所述旋轉連接點處的所述至少兩個部件之間保持夾緊力和摩擦，-用于將所述至少兩個部件中的每一個部件均連接至結構件中對應部件上的裝置。
2.根據權利要求1所述的裝置，其還包括一種摩擦填料，其被設置在所述兩個部件之間，以便在所述部件和摩擦填料之間形成接觸，從而通過摩擦阻尼所述部件的相對轉動。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，其中，所述夾緊裝置適于改變夾緊力。
4.根據權利要求1-3中任意一條所述的裝置，其中，所述連接點包括一根延伸通過至少兩個部件中每一個部件的銷。
5.根據權利要求4所述的裝置，其包括一個螺栓，所述螺栓的至少一部分構成了所述銷，所述螺栓具有-一具有螺栓頭的螺栓件，-一具有螺母頭的螺母，所述夾緊力由螺栓的預張力確定。
6.根據權利要求5所述的裝置，其還包括以一段時間保持大致恒定夾緊力的裝置。
7.根據權利要求6所述的裝置，其中，用于保持大致恒定夾緊力的裝置包括至少一個彈簧，該彈簧被設置在螺栓頭和一個部件的表面之間和/或螺母頭和一個部件的表面之間。
8.根據權利要求7所述的裝置，其中，所述彈簧包括一個盤簧。
9.根據權利要求8所述的裝置，其包括至少兩個盤簧。
10.根據權利要求9所述的裝置，其中，至少一個盤簧被設置在螺栓頭和一個所述部件的表面之間，至少一個盤簧被設置在螺母頭和另一個所述部件的表面之間。
11.根據權利要求6-10所述的裝置，其中，用于保持大致恒定夾緊力的裝置包括用于保持夾緊力的液壓、氣動和/或電子裝置。
12.根據前面權利要求中任一條所述的裝置，其中，至少兩個部件包括以大致平行平面延伸的一塊側板和一塊中央板。
13.根據權利要求12所述的裝置，其中，所述摩擦填料被設置在所述側板和所述中央板之間。
14.根據權利要求12所述的裝置，其包括繞所述中央板大致對稱設置的兩塊側板。
15.根據權利要求14所述的裝置，其包括兩種摩擦填料，每一種摩擦填料均被設置在一塊相應的側板和所述中央板之間。
16.根據權利要求12-15中任意一條所述的裝置，其中，所述中央板適于以可旋轉的方式被連接至一個結構件上，以便允許所述中央板和所述結構件之間的相對轉動。
17.根據權利要求12-15中任意一條所述的裝置，其中，所述中央板適于以固定方式被連接至一個結構件上，以便避免所述中央板和所述結構件之間的相對運動。
18.根據權利要求12-17中任意一條所述的裝置，其中，所述側板適于以可旋轉的方式被連接至一個結構件上，以便允許所述側板和所述結構件之間的相對轉動。
19.根據權利要求12-17中任意一條所述的裝置，其中，所述側板適于以固定方式被連接至一個結構件上，以避免所述側板和所述結構件之間的相對運動。
20.根據權利要求1-19中任意一條所述的裝置，其中，所述摩擦填料包括一種由Eurodeal A/S制造的MK101石棉自由摩擦材料。
21.根據權利要求1-20中任意一條所述的裝置，其中，所述至少兩個部件由鋼，防腐鋼，黃銅，鋁或包括鋁或任何其它鋼材料的任何合金，或鋼和塑料的合成物，或塑料和玻璃纖維，碳，凱夫拉爾或類似材料的合成物，或任何陶瓷材料和玻璃纖維，碳，凱夫拉爾或類似材料的合成物。
22.根據權利要求1-20中任意一條所述的裝置，其中，在以所施加的激勵力±2.5KN和初始夾緊力4KN±0.5KN、利用0.5KN±0.1HZ促動激勵頻率以及至少兩個部件中的一個部件達10mm的位移幅度進行的400轉測試中，所述夾緊力表現出的變化小于5％。
23.根據權利要求1-22中任意一條所述的裝置，其中，在裝置的摩擦連接點中的摩擦力矩表明在以每一頻率進行的30-轉周期測試中、在正常摩擦力矩200Nm±20Nm下并在2-7Hz范圍中，促動頻率相關變化小于5％。
24.根據權利要求1-23中任意一條所述的裝置，在至少兩個部件中的一個部件的位移幅度和摩擦連接點中的能量耗散之間具有大致線性關系。
25.一種用于建筑結構的支撐系統，其包括至少兩個結構件和一用于阻尼所述結構件之間相對運動的裝置，所述裝置包括-至少兩個部件，它們在一轉動連接點處被相互連接在一起，以便實現對至少兩個部件之間相對轉動的摩擦阻尼，-夾緊裝置，其用于將所述至少兩個部件夾持在一起，以便保持在所述連接點處的至少兩個部件之間的夾緊力和摩擦，-用于將至少兩個部件中每一個部件連接至所述結構件中的相應結構件上的裝置。
26.根據權利要求25所述的支撐系統，其中，用于阻尼的裝置包括根據權利要求2-24的阻尼器的任意特征。
27.根據權利要求26所述的支撐系統，其中，用于阻尼的裝置包括至少兩塊側板，這兩塊側板在它們的至少一個端部處、通過一連接件被相互連接在一起，且將一個支架裝配至所述連接件上。
28.根據權利要求26或27所述的支撐系統，其中，側板中的至少一塊側板通過一個支架被連接至所述構件中的一個上，中央板被連接或被裝配至另一個結構件上。
29.根據權利要求26-28所述的支撐系統，其中，所述側板中的至少一塊側板通過兩個支架被連接至所述構件中的一個上，兩個支架被連接至側板的相對端上，所述中央板被連接或被裝配至另一個結構件上。
30.根據權利要求26-28所述的支撐系統，其中，所述側板中的至少一塊側板通過兩個支架被連接至所述構件中的一個上，所述阻尼器被設置在V形支撐中。
31.根據權利要求26-28所述的支撐系統，其中，所述側板中的至少一塊側板通過兩個支架被連接至所述構件中的一個上，所述阻尼器被設置在D形支撐中。
32.根據權利要求26-28所述的支撐系統，其中，所述側板中的至少一塊側板通過兩個支架被連接至所述構件中的一個上，所述阻尼器被設置在K形支撐中。
33.一種用于對建筑結構中墻板的運動進行阻尼的裝置，所述裝置包括-至少一個在第一轉動連接點被連接至至少一塊墻板上的部件，-所述至少一個部件在第二轉動連接點還被連接至另一塊墻板或建筑結構的類似部分上，-第一和/或第二轉動連接點中的一個或兩個對至少一個部件和墻板或類似建筑構件之間的相對轉動提供了摩擦阻尼，-第一和/或第二轉動連接點中的一個或兩個還提供了至少一個部件相對于被安裝在其上的墻板或類似建筑構件的滑動，-夾緊裝置，其用于將所述至少一個部件與墻板或類似建筑構件夾持在一起，以便保持在所述轉動連接點的所述至少一個部件和墻板或類似建筑構件之間的夾緊力和摩擦。
全文摘要
本發明涉及保護如公寓這樣的結構系統免受由地震、風、車輛振動等引起的動態載荷的影響。當由水平外力激勵構架時,桁架梁開始水平位移。如果這種位移較大或如果它們周期性地產生,那么它們會對建筑物的狀況造成嚴重影響且會造成嚴重的損壞,甚至是坍塌。本發明涉及一種非常簡單設計成的且易于制造的阻尼器,其具有在一轉動連接點被連接在一起的兩個部件。通過將阻尼器設置在結構系統中,使在該系統中產生的位移輸送至被迫相對轉動的部件。在兩個部件之間的摩擦阻力會阻尼轉動,從而減小系統中的位移。本發明還涉及這樣一種根據系統中產生的位移可動態改變摩擦阻力的裝置。
文檔編號F16F15/02GK1373827SQ00812564
公開日2002年10月9日 申請日期2000年8月3日 優先權日1999年8月3日
發明者伊馬德·H·穆阿拉 申請人:伊馬德·H·穆阿拉