CN104947824A - 一种搭接式自定心摩擦耗能支撑 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搭接式自定心摩擦耗能支撑，包括矩形内套管、矩形外套管、连接内套管底板和外套管底板的摩擦耗能部件、设置于内套管内的第一端板、设置于外套管内的第二端板、设置在内套管中并且两端分别锚固于第一端板和第二端板的预拉杆，内套管的一部分插入外套管中并与之搭接，内套管插入外套管中的一端与第二端板接触，第一端板与外套管的一端接触，内套管的非搭接端顶板和底板分别连接有第一连接板，外套管的非搭接端顶板和底板分别连接有第二连接板；第一端板通过设置的第一端板橡胶垫与内套管推板接触，第二端板通过设置的第二端板橡胶垫与内套管推板接触。

Description

一种搭接式自定心摩擦耗能支撑

技术领域

本发明属于土木工程领域，涉及一种用于减小工程结构地震灾害的搭接式自定心摩擦耗能支撑。

背景技术

地震给人类带来极其严重的灾难。传统的抗震设计采用的是延性设计方法，即在地震作用下，通过结构部分构件的提前屈服和破坏，但整体不至于丧失功能，依靠构件的塑性变形来耗散大部分的地震能量，从而达到保证主体结构安全的目的。

摩擦耗能支撑是一种通过滑动摩擦做功将动能转化为热能，以此耗散地震能量的耗能构件。由于其具有耗能能力强、减震效果好和震后易更换等优点，且相比于金属屈服耗能支撑的耗能能力会随着累计塑性变形的增加而逐渐退化，摩擦耗能支撑在经过多次循环拉伸和压缩变形后耗能能力无明显下降，因此，近年来摩擦耗能支撑得到了较多的关注和应用。但是摩擦耗能支撑的滑动摩擦一旦启动，支撑便会出现不可恢复的永久变形，导致其框架结构在震后易于产生较大的残余变形，从而大幅提高了结构的修复难度和费用。

为有效控制摩擦耗能支撑的残余变形，可将由预拉杆、双重套管和端板组成的自定心系统引入摩擦耗能支撑中，形成自定心摩擦耗能支撑。地震时，自定心摩擦耗能支撑凭借施加在预拉杆中的预张力能有效克服因滑动摩擦启动而产生的永久变形，从而显著减小结构的残余变形，使其到达自定心的效果。但由于传统预拉杆材料极限弹性应变较小，在产生较大变形后会引起不可恢复的塑性应变，从而导致预张力的损失，进而影响支撑的自定心效果。为此，在设计自定心摩擦耗能支撑时，都尽可能使双重套管的长度接近支撑全长，从而通过增大预拉杆长度使支撑在满足结构地震变形要求的同时又不影响自复位能力。可是套管长度过大也引起了支撑重量的增加，不利于结构的抗震。此外，在自定心摩擦耗能支撑的工作过程中，随着套管和端板的接触或分离，支撑的刚度会出现明显的突变，使结构在地震时产生较大的加速度，引起结构中精密设备和非结构构件的损坏。

针对现有自定心摩擦耗能支撑存在的问题，本发明提出一种采用形状记忆合金预拉杆和套管搭接构造的新型自定心摩擦耗能支撑形式，在保证有效控制结构地震位移响应和残余变形的基础上，还能有效减小支撑的自重和实现支撑工作时刚度的平滑过度。

发明内容

技术问题：本发明针对已有自定心摩擦耗能支撑自重大和工作过程中出现刚度突变的缺陷，提供一种可有效减小支撑自身重量以及能实现工作时刚度平滑过度的搭接式自定心摩擦耗能支撑。

技术方案：本发明的搭接式自定心摩擦耗能支撑，包括矩形内套管、矩形外套管、连接所述内套管底板和外套管底板的摩擦耗能部件、设置于内套管内的第一端板、设置于外套管内的第二端板、设置在内套管中并且两端分别锚固于第一端板和第二端板的预拉杆，内套管的一部分插入外套管中并与之搭接，内套管插入外套管中的一端与第二端板接触，第一端板与外套管的一端接触，内套管的非搭接端顶板和底板分别连接有第一连接板，外套管的非搭接端顶板和底板分别连接有第二连接板；内套管与外套管的搭接方式为：在内套管的搭接部分，顶板上设有内套管缺口，两侧板分别设置有槽口，两侧板上同时设置有内套管推板，在外套管的搭接部分，顶板设有外套管缺口，外套管缺口下方设置有外套管第一推板，外套管第一推板的下方设置有外套管第二推板，外套管第一推板插入内套管顶板上的内套管缺口，外套管第二推板插入内套管上的槽口。

进一步的，外套管的侧板上设置有端板承台，第二端板通过侧面设置的第二端板支撑板放置在端板承台上，第一端板通过侧面设置的第一端板支撑板插入内套管上的槽口。

进一步的，外套管第一推板和外套管第二推板固定安装在外套管的侧板上，外套管第一推板和外套管第二推板的间距等于内套管缺口和槽口之间的距离，内套管推板、外套管第一推板和外套管第二推板沿套管轴向的长度均等于内套管和外套管的搭接长度，内套管的槽口和外套管的端板承台沿套管轴向的长度应根据支撑设计轴向变形的要求确定。

进一步的，摩擦耗能部件包括摩擦内板、设置在摩擦内板两侧的摩擦外板，位于摩擦内板和摩擦外板之间的摩擦垫片，外套管的底板设置有底槽，摩擦外板与外套管的底板连接，摩擦内板穿过底槽与内套管的底板连接。

进一步的，第一端板通过设置的第一端板橡胶垫与内套管推板接触，第二端板通过设置的第二端板橡胶垫与内套管推板接触。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本技术方案有效的减小了支撑自身的重量。由于形状记忆合金具有超弹性特征，其最大可恢复应变约为传统纤维筋的三倍，这为自定心系统采用套管搭接构造形式提供了条件。与传统的自定心摩擦耗能支撑的套管沿支撑全长布置相比，由于本技术方案的自定心系统采用套管搭接构造形式，可以有效限制套管的长度，从而实现减小支撑自重的效果。套管搭接长度可根据不同要求进行灵活调整，当套管搭接长度取为支撑长度的1/3时，支撑自重相比于套管沿支撑全长布置时减小约40％，从而能有效减小结构地震时所承受的水平荷载，更利于结构地震响应的控制。

(2)本技术方案有效的减小结构地震时的最大楼层加速度。对于传统的自定心摩擦耗能支撑，由于其端板和套管之间为刚性接触，致使在支撑工作过程中随着套管和端板的接触和分离，支撑的刚度会发生明显的突变，从而引起结构在地震时产生过大的楼层加速度，造成建筑中的精密设备和非结构构件的损坏。而本技术方案在端板与套管接触的一侧添加了橡胶垫，能够起到柔性缓冲的作用，使支撑刚度在工作过程中能够平滑过渡，通过控制结构地震时的最大楼层加速度，以减小由建筑中的非结构构件和设备损坏造成的经济损失。

(3)本技术方案易于日常维护与震后修复。与传统自定心摩擦耗能支撑的套管采用全封闭设计以及摩擦原件位于套管内部相比，本技术方案由于在内套管和外套管上预留了缺口，便于技术人员对预拉杆锚具进行日常的检修和维护，而摩擦耗能部件则位于外套管的下部，检修和更换也较为方便。震后对结构进行震后修复时，只需通过拆卸螺栓的方式更换摩损严重的摩擦垫片，从而大大简化了修复的难度。此外，因为摩擦耗能部件可重复使用，而不像屈曲耗能构件在震后由于塑形变形较大，需大量更换，所以也大大节约了结构震后的维修费用。

(4)本技术方案为结构提供了双重耗能。当结构承受强烈地震作用时，传统的自定心摩擦耗能支撑仅通过摩擦耗能部件吸收地震能量。而本技术方案除了通过摩擦耗能部件的滑动摩擦消耗地震能量，使结构的振动响应得到衰减，形成第一重耗能外，由于形状记忆合金具有超弹性和耗能特征，因此对于采用形状记忆合金预拉杆的自定心系统，除了能为支撑提供克服残余变形所需的自定心恢复力，还能提供额外的耗能能力，是本技术方案的第二重耗能构件，从而能更有效的控制结构的地震响应。

附图说明

图1为本发明装置的正视图；

图2为图1的A-A剖面图；

图3为图1的B-B剖面图；

图4为图1的C-C剖面图；

图5为图1的纵向剖面图；

图6为摩擦耗能部件的正视图；

图7为图6的A-A剖面图；

图8为图6的B-B剖面图；

图9为内套管的正视图一；

图10为内套管的正视图二；

图11为图9的A-A剖面图；

图12为图9的B-B剖面图；

图13为图9的纵向剖面图；

图14为外套管的正视图一；

图15为外套管的正视图二；

图16为图14的A-A剖面图；

图17为图14的B-B剖面图；

图18为图14的C-C剖面图；

图19为图14的纵向剖面图；

图20为第一端板正视图；

图21为第一端板侧视图；

图22为第二端板正视图；

图23为第二端板侧视图；

图24为本发明的原位示意图；

图25为本发明的受拉状态示意图；

图26为本发明的受压状态示意图。

图中有：内套管1、内套管缺口11、槽口12、内套管推板13、外套管2、外套管缺口21、外套管第一推板22、外套管第二推板23、端板承台24、底槽25、摩擦耗能部件3、摩擦内板31、摩擦外板32、摩擦垫片33、预拉杆4、第一端板5、第一端板支撑板51、第一端板橡胶垫52、第二端板6、第二端板支撑板61、第二端板橡胶垫62、第一连接板7、第二连接板8。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1～图5所示，本发明的搭接式自定心摩擦耗能支撑，包括矩形内套管1、矩形外套管2、连接内套管1底板和外套管2底板的摩擦耗能部件3、设置于内套管1内的第一端板5、设置于外套管2内的第二端板6、设置在内套管1中并且两端分别锚固于第一端板5和第二端板6的预拉杆4，内套管1的一部分插入外套管2中并与之搭接，内套管1插入外套管2中的一端与第二端板6接触，而第一端板5与外套管2的一端接触，内套管1的非搭接端顶板和底板分别连接有第一连接板7，外套管2的非搭接端顶板和底板分别连接有第二连接板8，支撑通过第一连接板7和第二连接板8与主体结构进行连接，而预拉杆4的材料为具有超弹性和耗能特性的形状记忆合金。

如图9～图13所示，在内套管1的搭接部分，顶板上设有内套管缺口11，两侧板分别设置有槽口12，两侧板上同时设置有内套管推板13。如图14～图19所示，在外套管2的搭接部分，顶板设有外套管缺口21，外套管缺口21下方设置有外套管第一推板22，外套管第一推板22的下方设置有外套管第二推板23，外套管第一推板22和外套管第二推板23固定安装在外套管2的侧板上，外套管2的侧板上设置有端板承台24，外套管2的底板设置有底槽25。如图5所示，内套管1与外套管2的搭接方式为：外套管第一推板22插入内套管1顶板上的内套管缺口11，外套管第二推板23插入内套管1上的槽口12。其中外套管第一推板22和外套管第二推板23的间距等于内套管缺口11和槽口12之间的距离，内套管推板13、外套管第一推板22和外套管第二推板23沿套管轴向的长度均等于内套管1和外套管2的搭接长度，内套管1的槽口12和外套管2的端板承台24沿套管轴向的长度应根据支撑设计轴向变形的要求确定。

如图5和图20～图23所示，第二端板6通过侧面设置的第二端板支撑板61放置在端板承台24上，第一端板5通过侧面设置的第一端板支撑板51插入内套管1上的槽口12，第一端板5通过设置的第一端板橡胶垫52与内套管推板13接触，第二端板6通过设置的第二端板橡胶垫62与内套管推板13接触，第一端板橡胶垫52与第一端板5的连接方式以及第二端板橡胶垫62与第二端板6的连接方式均可采用胶粘或螺栓连接的形式，第一端板5和第二端板6仅在施加于预拉杆4中的预张力作用下紧紧的顶住内套管推板13、外套管第一推板22和外套管第二推板23的两端，以保证在支撑受拉和受压时，第一端板5和第二端板6能够与内套管推板13、外套管第一推板22和外套管第二推板23分离，使预拉杆4能够伸长。如图6～图8所示，摩擦耗能部件3包括摩擦内板31、设置在摩擦内板31两侧的摩擦外板32，位于摩擦内板31和摩擦外板32之间的摩擦垫片33。如图3所示，摩擦外板32与外套管2的底板连接，摩擦内板31穿过外套管2的底槽25与内套管1的底板连接，摩擦内板31与摩擦外板32的滑动方向沿外套管2轴向设置，通过螺栓将摩擦内板31、摩擦外板32和摩擦垫片33连接起来，通过改变摩擦垫片33的材料、摩擦面积和拧螺栓的扭矩可对摩擦耗能部件3的耗能能力进行调节。

在本技术方案中内套管1和外套管2起到两个重要作用：(1)内套管1和外套管2可分别带动摩擦内板31和摩擦外板32的相对滑动，通过摩擦耗能部件3的滑动摩擦力消耗地震能力；(2)内套管1和外套管2与预拉杆4、第一端板5和第二端板6组成自定心系统，通过在预拉杆4中施加预张力以消除摩擦耗能部件3的残余变形，实现整体自定心的目的。

搭接式自定心摩擦耗能支撑的工作原理如图24～图26所示，由于对预拉杆4施加了初始预张力，当支撑未承受外荷载时(见图24)，第一端板5和第二端板6会紧贴内套管推板13、外套管第一推板22和外套管第二推板23的两端。当支撑受拉时(见图25)，第一连接板7和第二连接板8会产生相互远离的趋势，内套管1在第一连接板7的带动下向左移动，并通过内套管推板13向左顶推第一端板5，外套管2在第二连接板8的带动下向右移动，并通过外套管第一推板22和外套管第二推板23向右顶推第二端板6。当支撑受压时(见图26)，第一连接板7和第二连接板8会产生相互靠近的趋势，内套管1在第一连接板7的带动下向右移动，并通过内套管推板13向右顶推第二端板6，外套管2在第二连接板8的带动下向左移动，并通过外套管第一推板22和外套管第二推板23向左顶推第一端板5。无论支撑受拉或受压，第一端板5和第二端板6始终相互远离，由此保证在支撑变形过的程中预拉杆4始终受拉伸长，为支撑持续提供自定心所需的恢复力。而摩擦耗能部件3的摩擦内板31和摩擦外板32则分别随内套管1和外套管2一起运动，使得在摩擦内板31和摩擦外板32的滑动面上产生了滑动摩擦力，以消耗地震能量。

本技术发明的安装工序为：在内套管1的顶板切割内套管缺口11，在内套管1的两侧板上切割槽口12以及焊接内套管推板13→在外套管2的顶板切割外套管缺口21，在外套管2的两侧板上焊接外套管第一推板22、外套管第二推板23和端板承台24，在外套管2的底板切割底槽25→将摩擦内板31焊接在内套管1的底部，将两块摩擦外板32焊接在外套管2的底槽25的两侧→将第一端板支撑板51插入内套管1的槽口12中，第二端板支撑板61放置于外套管2的端板承台24上→将外套管第一推板22插入内套管1顶板上的内套管缺口11，将外套管第二推板23插入内套管1上的槽口12，完成内套管1和外套管2的搭接安装→将预拉杆4穿入内套管1中，在施加预应力后锚固在第一端板5和第二端板6上→通过螺栓将摩擦内板31和摩擦外板32连接起来→将第一连接板7分别与内套管1非搭接端顶板和底板焊接，将第二连接板8分别与外套管2非搭接端顶板和底板焊接。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种搭接式自定心摩擦耗能支撑，其特征在于，该支撑包括矩形内套管(1)、矩形外套管(2)、连接所述内套管(1)底板和外套管(2)底板的摩擦耗能部件(3)、设置于内套管(1)内的第一端板(5)、设置于外套管(2)内的第二端板(6)、设置在内套管(1)中并且两端分别锚固于第一端板(5)和第二端板(6)的预拉杆(4)，所述内套管(1)的一部分插入外套管(2)中并与之搭接，内套管(1)插入外套管(2)中的一端与第二端板(6)接触，所述第一端板(5)与外套管(2)的一端接触，所述内套管(1)的非搭接端顶板和底板分别连接有第一连接板(7)，外套管(2)的非搭接端顶板和底板分别连接有第二连接板(8)；

所述内套管(1)与外套管(2)的搭接方式为：在内套管(1)的搭接部分，顶板上设有内套管缺口(11)，两侧板分别设置有槽口(12)，两侧板上同时设置有内套管推板(13)，在所述外套管(2)的搭接部分，顶板设有外套管缺口(21)，所述外套管缺口(21)下方设置有外套管第一推板(22)，所述外套管第一推板(22)的下方设置有外套管第二推板(23)，所述外套管第一推板(22)插入内套管(1)顶板上的内套管缺口(11)，所述外套管第二推板(23)插入内套管(1)上的槽口(12)。

2.根据权利要求1所述的搭接式自定心摩擦耗能支撑，其特征在于，所述外套管(2)的侧板上设置有端板承台(24)，所述第二端板(6)通过侧面设置的第二端板支撑板(61)放置在端板承台(24)上，所述第一端板(5)通过侧面设置的第一端板支撑板(51)插入槽口(12)。

3.根据权利要求1或2所述的搭接式自定心摩擦耗能支撑，其特征在于，所述外套管第一推板(22)和外套管第二推板(23)固定安装在外套管(2)的侧板上，外套管第一推板(22)和外套管第二推板(23)的间距等于内套管缺口(11)和槽口(12)之间的距离，内套管推板(13)、外套管第一推板(22)和外套管第二推板(23)沿套管轴向的长度均等于内套管(1)和外套管(2)的搭接长度，内套管(1)的槽口(12)和外套管(2)的端板承台(24)沿套管轴向的长度应根据支撑设计轴向变形的要求确定。

4.根据权利要求1或2所述的搭接式自定心摩擦耗能支撑，其特征在于，所述摩擦耗能部件(3)包括摩擦内板(31)、设置在所述摩擦内板(31)两侧的摩擦外板(32)，位于摩擦内板(31)和摩擦外板(32)之间的摩擦垫片(33)，所述外套管(2)的底板设置有底槽(25)，所述摩擦外板(32)与外套管(2)的底板连接，所述摩擦内板(31)穿过底槽(25)与内套管(1)的底板连接。

5.根据权利要求1或2所述的搭接式自定心摩擦耗能支撑，其特征在于，所述第一端板(5)通过设置的第一端板橡胶垫(52)与内套管推板(13)接触，所述第二端板(6)通过设置的第二端板橡胶垫(62)与内套管推板(13)接触。