[0001] 本发明涉及建筑结构减震领域，特别地涉及一种分级耗能摩擦金属剪切复合消能器。

[0002] 地震是一种突发式自然灾害，对人类的生存和发展造成了极大的威胁，而这些灾害主要是由于地震过程中建筑结构发生过大的变形损坏或倒塌引起的。为了减少地震带来的损失，已经发展起来各种类型的耗能减震方法。在建筑结构的关键部位设置耗能装置或消能器，通过摩擦、弯曲、弹塑性变形等消耗地震能量，可以减小主体结构的地震反应。

[0003] 根据耗能原理的不同，常用的消能器大致上分为速度相关型和位移相关型耗能消能器。其中速度相关型消能器的出力大小与结构响应速度成比例关系，如黏滞流体消能器和黏滞阻尼墙等；位移相关型消能器利用其屈服平台进行耗能，如金属软钢消能器、防屈曲钢板墙、屈曲约束支撑、摩擦消能器等，其中多选用金属材料，可利用其面外弯曲，或者面内剪切屈服后进行塑性耗能。

[0004] 摩擦消能器为位移型消能器，其工作原理是利用两个接触面相对运动产生摩擦力来消耗建筑物的振动能量，其工作过程主要经历附着和滑动两个状态，耗能能力主要取决于摩擦片参数和正压力的大小。当外部荷载小于消能器最大静摩擦力时，此时装置处于附着状态；当外部荷载大于摩擦消能器的最大静摩擦力时，装置滑动产生摩擦消耗能量。摩擦消能器具有良好、稳定的耗能能力，可靠的工作性能，能有效的减小结构的地震反应，同时，由于其造价低廉、构造简单、安装和维护方便的特点。

[0005] 金属剪切型消能器利用低屈服点消能腹板在平面内的剪切变形及塑性累积，耗散地震动输入结构的能量，具有性能稳定、耐久性好、安装方便、维护费用较低等优点。金属剪切消能器经通过合理构造腹板加劲，选用特殊材质，确保消能器腹板在往复荷载作用下屈服而不屈曲，具有疲劳性能好，变形能力强的特点。

[0006] 但是，现有技术中，单一的摩擦消能器开始启动后，屈服后刚度骤减，这将引起结构的刚度突变，在某些楼层形成不利的失效机制，对结构整体抗震性能不利。因此亟需提出一种效果良好的、分级耗能的复合消能器。

[0028] 本发明实施方式中，将摩擦消能单元和金属剪切消能单元并联，两者分别作为第一级和第二级的消能装置。第一级的摩擦消能单元抗侧刚度较小，极限位移较大，第二级的金属剪切消能单元抗侧刚度较大，屈服位移和极限位移较小。因此，二者结合可以提高复合消能器的消能能力和结构抗震性能，以下通过附图和具体实施例进行详细描述。

[0029] 如图1至图5所示，本发明实施方式提供的分级耗能摩擦金属剪切复合消能器可以包括：相对间隔设置、互相平行的上底座10和下底座20；并列设置在上底座10和下底座20之间的摩擦消能单元30和金属剪切消能单元40；设置在上底座10或下底座20之上、位于金属剪切消能单元40的两侧的一对限位装置50，各个限位装置50与金属剪切消能单元40外表面的间距等于第二级金属剪切消能单元进入工作状态时的变形。对间距进行上述要求，是为了保证：当起到第一级消能作用的摩擦消能单元30的水平位移达到最大时，能够顺利启动金属剪切消能单元40进入工作状态。需要说明的是，图1中一对限位装置50设置在上底座10上仅仅是出于示例而非限制。

[0030] 可选地，摩擦消能单元30的消能方向和金属剪切消能单元40的消能方向一致。例如，图1中的摩擦消能单元30能够消减水平方向的震动输入，金属剪切消能单元40同样能够消减水平方向的震动输入。此时这两个消能单元协同工作效果最好。

[0031] 可选地，摩擦消能单元30包括：一块中间钢板301，中间钢板301与上底座10或下底座20中的一者固定连接，中间钢板301具有阵列分布的多个第一通孔303；紧贴中间钢板301两个侧面设置的一对摩擦板302，一对摩擦板302与上底座10或下底座20中的另一者固定连接，摩擦板302具有阵列分布的多个第二通孔304，多个第二通孔304与多个第一通孔303位置对应；多个预紧螺栓(图中未示出)，多个预紧螺栓贯穿多个第一通孔303和多个第二通孔304，以实现中间钢板301与一对摩擦板302连接。其中，中间钢板301和摩擦板302的材料可以为钢材，二者之间可喷砂处理形成摩擦面，或设置黄铜等摩擦材料。

[0032] 可选地，中间钢板301与上底座10或下底座20中的一者通过螺栓固定方式连接，并且，一对摩擦板302与上底座10或下底座20中的另一者通过焊接方式连接。

[0033] 可选地，还包括：设置在上底座10或下底座20上的一对夹持连接钢板601，能够夹持摩擦消能单元30的中间钢板301的上端局部或下端局部，一对夹持连接钢板601上具有阵列分布的多个第三通孔602；设置在中间钢板301的上端局部或下端局部的、阵列分布的多个第四通孔305，多个第四通孔305与多个第三通孔602位置对应；多个连接螺栓(图中未示出)，多个连接螺栓贯穿第三通孔602和多个第四通孔305，以实现中间钢板301与一对夹持连接钢板601连接。例如：图1中夹持连接钢板601设置在上底座10上，夹持连接钢板601夹持中间钢板301的上端局部。需要说明的是，图1仅仅是出于示例而非限制。在其他实施例中，夹持连接钢板601也可以设置在下底座20上，夹持连接钢板601夹持中间钢板301的下端局部。

[0034] 可选地，金属剪切消能单元40包括：相对间隔设置、互相平行的上连接板401和下连接板402，上连接板401与上底座10固定连接，下连接板402与下底座20固定连接；消能腹板403，第一连接板401、消能腹板403和第二连接板402呈“工”形连接，且消能腹板403设置于第一连接板401和第二连接板402之间。其中，消能腹板403的材料为软钢。

[0035] 可选地，上连接板401与上底座10采用螺栓固定连接，并且下连接板402与下底座20之间留有缝隙；或者，上连接板401与上底座10之间留有缝隙，并且下连接板402与下底座
20采用螺栓固定连接。

[0036] 可选地，金属剪切消能单元40还包括：多个加劲肋404，多个加劲肋404关于消能腹板403对称设置于消能腹板403的两个侧面。设计加劲肋404可以使消能腹板403的表面受力均匀，避免出现局部面外变形。

[0037] 可选地，多个加劲肋404呈网格状排布。该网格状包含菱形、矩形、波浪形或其他不规则形状，可以灵活设置。

[0038] 可选地，金属剪切消能单元40还包括：关于消能腹板403对称设置的一对翼缘板405，一对翼缘板405与消能腹板403垂直连接，且设置于第一连接板401和第二连接板402之间。翼缘板405可以增加消能腹板403的边缘支撑能力，避免边缘集中受力塌陷。

[0039] 本发明实施方式提供的分级耗能摩擦金属剪切复合消能器，具体工作机理为：(1)小震作用下：第一级的摩擦消能单元率先进入屈服耗能，由于小震下结构的层间水平变形小于限位装置与第二级的金属剪切型消能单元之间的水平距离，金属剪切型消能单元未进入工作状态，且不影响第一屈服段的消能效果。(2)中震或大震作用下：结构的层间水平变形比小震下显著变大，达到或超过限位装置与第二级的金属剪切型消能单元之间的水平距离，金属剪切型消能单元进入工作状态，产生剪切变形消能，由于第二级的金属剪切型消能单元的刚度和承载力显著高于第一段的刚度和承载力，很好的适应了地震作用的增大和结构的消能需求，与第一级的摩擦消能单元的耗能能力叠加，共同发挥消能作用。

[0040] 由上可知，由于第一级的摩擦消能单元的极限位移较大，在大震下也能够正常工作，容易满足极限变形的要求；第二级的金属剪切型消能单元的极限位移较小，但在中震或大震下才开始屈服消能，也容易满足极限变形的要求。

[0041] 图6为本发明实施方式提供的分级耗能摩擦金属剪切复合消能器的滞回曲线图，横轴为消能装置水平剪切变形，纵轴为消能装置水平剪切力。本发明分级耗能摩擦金属剪切复合消能器的工作过程可以参见图6所示，其中l1为金属剪切消能单元器的上连接板与位于两侧限位装置的间距。密集虚线所示为第一级摩擦消能单元滞回曲线，第一级摩擦消能单元的变形等于整个消能单元的变形，且在第二级金属剪切型消能单元未进入工作之前，第一级摩擦消能单元滞回曲线与复合消能器总的滞回曲线完全一致。稀疏虚线所示为第二级金属剪切消能单元滞回曲线，第二级金属剪切型消能单元进入工作状态时的变形即为l1，l1也是第一屈服段和第二屈服段之间的变形差，第二级金属剪切型消能单元的滞回曲线为双线性，如图6所示。实线为第一级摩擦消能单元和第二级金属剪切型消能单元滞回曲线的叠加效果，即总滞回曲线。

[0042] 本发明实施例的分级耗能摩擦金属剪切复合消能器，克服了单级摩擦消能器屈服后刚度不足的缺点，将摩擦消能单元和金属剪切消能单元分别作为第一级和第二级的消能装置。刚发生地震输入时，在摩擦消能单元进入工作状态，随着地震输入的增大，结构地震反应和层间变形的增大，金属剪切消能单元对主结构层刚度具有一定的补偿作用，实现多阶段抗震性能目标。该分级耗能摩擦金属剪切复合消能器较好的利用了摩擦消能单元和金属剪切型消能单元的消能机制和产品特点，能较好地适应不同级别地震作用下的结构消能需求，可提供更全面的保护，是性能更优良的减震产品。该分级耗能摩擦金属剪切复合消能器综合利用了摩擦消能单元和金属剪切型消能单元的消能机制和产品特点，能较好地适应不同级别地震作用下的结构消能需求，可提供更全面的保护，是性能更优良的减震产品。

[0043] 上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。