CN102561173A - 内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置，属于土木工程、航空航天工程技术领域。本发明包括剪切增稠液、钢筒、活塞杆、活塞端头、内部封口、密封挡板和连接端。连接端与结构相连，在环境变化或普通荷载等作用下连接锁定装置与结构同时做慢速运动，结构连接形式不变，在动力作用下，结构的速度明显增大，此时连接锁定装置中的剪切增稠液由液相急剧变为固相，装置起到刚性连杆的作用，结构连接形式由铰接变为刚接，从而改变荷载传递路径，限制结构的位移和变形，起到保护结构的作用。

Description

内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置

技术领域

本发明涉及一种内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置，属于土木工程、航空航天工程技术领域。

背景技术

在以建筑和桥梁为代表的传统工程结构中，结构及其构件的连接形式是固定不变的，常见的形式包括刚接(可以传递轴力、剪力、弯矩和扭矩等)、铰接(只能传递轴力和剪力，不能传递弯矩)和半刚接(介于前两者之间)等。在正常使用阶段，结构的连接形式是确保结构传递荷载功能的基本保证。在地震、飓风以及其他不可抗拒的自然灾害和突发事件中，结构构件消耗外部环境输入的能量，同时也将产生比较严重的内力和变形。在很多情况下结构将产生损伤甚至破坏，从而导致结构整体的功能失效。近年来，结构振动控制技术逐步得到发展和应用，主要包括被动控制、主动控制及混合控制几种方式，其基本原理是依靠在结构上安装的耗能构件进行耗能减振，降低结构的动力反应，从而保证结构主体的安全，而结构主体的形态、连接方式以及力学特性并不发生人为的改变。结构振动控制的优点是形式丰富且效果较明显，目前存在的不足是设计流程和施工工艺较复杂，占用结构的使用空间，造价相对较高等。

从结构本身着手，使其在动力作用时能够通过改变结构或构件的连接方式和力学特性的方法降低结构的动力反应是一种新的理念，也可以部分克服上述振动控制的不足，为结构防灾减灾提供更多样性的技术支持，具有重大的工程意义。

发明内容

本发明涉及一种内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置，属于土木工程、航空航天工程技术领域。

本发明提出了一种能够在动力作用下改变结构连接形式的锁定装置，本装置具有无需外部能源、制作简单、布置灵活、成本低廉等特点。针对地震和飓风等幅值、速度和加速度变化较剧烈的外部动力，本装置内部的剪切增稠液在高速冲击下由液相转变为固相，动力撤除后，又迅速从固相转变为液相，且其变化是可逆的。因此可以将结构或构件原有的铰接形式迅速转变为刚接形式，限制了结构的自由度，改变其力学特性，从而减小结构的变形，达到减振的效果。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置，包括剪切增稠液、钢筒、活塞杆、活塞端头、内部封口、密封挡板和连接端；所述钢筒的外部为圆柱形，其内部具有多个圆柱形的平行孔道，每个孔道内设置有活塞杆，每个活塞杆可在各自的孔道内运动，所述孔道中与活塞杆之间注满剪切增稠液；所述钢筒一端设置有密封挡板，与所述连接端连接的活塞端头穿过密封挡板深入钢筒并与钢筒内的多个平行孔道连接；所述孔道端部与活塞杆之间以及钢筒与活塞端头之间均设置有内部封口用以将所述孔道密封；所述连接端还与建筑结构相连。

所述的连接端与建筑结构或构件相连，在环境变化或普通荷载等作用下连接锁定装置与结构同时做慢速运动，结构连接形式不变，在动力作用下，结构的速度明显增大，此时连接锁定装置中的剪切增稠液由液相急剧变为固相，装置起到刚性连杆的作用，结构连接形式由铰接变为刚接，从而改变荷载传递路径，限制结构的位移和变形，起到保护结构作用。

其中，每个活塞杆在各自的孔道内运动可以确保在动力作用时活塞杆可以均匀分散地传递荷载。

所述的剪切增稠液，其材料成分可以是以下材料中的一种或多种：聚乙二醇和硅微粒、乙二醇和硅微粒、二氧化硅微粒、聚氯乙烯微粒。通常状态下剪切增稠液以液相存在，当结构产生较大速度的运动时，在活塞杆的传动下剪切增稠液急剧变为固相。

所述的内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置，其钢筒每个孔道内的活塞杆直径不小于孔道直径的1/3，以确保活塞杆使剪切增稠液产生稳定均匀的剪切变形。

所述的内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置，其内部封口和密封挡板可以采用高性能钢材或高强度树脂类材料对钢筒进行密封，确保剪切增稠液不挥发或外渗。

所述的内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置，其连接端应与建筑结构或构件进行刚接，确保钢筒本身在外部动力作用下能够传递荷载和抗力。

所述的内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置，在剪切增稠液为液相时，活塞杆在孔道中的位移量程范围不得小于±5mm，以确保结构连接形式在正常状态下不发生改变。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明中的剪切增稠液，在结构或构件产生较大速度的运动时，在活塞杆的带动下由液相急剧变为固相，依靠材料特性的变化实现结构连接形式的改变，无需外部能源、机理明确。

2)本发明采用多活塞杆的形式，受力均匀，便于调整，可以便捷地实现结构的减振控制。

3)本发明构造较简单，所用材料成本较低，不影响原有结构的使用功能，可以在结构使用的任何阶段进行施工安装。

附图说明

图1为本发明的内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置侧剖面示意图；

图2为本发明的内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置横剖面示意图；

图3为本发明的内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置在连续梁桥上应用的示意图；

图4为本发明的内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置在建筑结构伸缩缝处应用的示意图；

图中：1-剪切增稠液，2-钢筒，3-活塞杆，4-活塞端头，5-内部封口，6-密封挡板，7-连接端，8-主梁锚固连接件，9-桥梁主梁，10-滑动支座，11-桥墩，12-伸缩缝，13-被伸缩缝隔离的一侧结构，14-被伸缩缝隔离的另一侧结构。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

实施例1：

如图1-3所示，对于传统的连续梁桥，为了保证桥梁主梁9在正常使用时因温度的变化能够自由伸缩，一般采用桥梁主梁9与其中一个桥墩刚接，而在其他桥墩设滑动支座形成铰接的方式。但是在地震作用或车辆冲击下，能量易集中在与主梁刚结的桥墩上，造成局部的应力集中和损伤破坏。将内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置安装在桥梁多个滑动支座10附近，并使其与桥墩11和桥梁主梁9相连接。连接锁定装置基本不约束桥梁结构中的温度、收缩和徐变产生的缓慢运动，即不影响结构的正常使用功能。当桥梁突然承受动力作用时，该装置发生锁定，使滑动支座10处的铰接形式变成刚接形式，从而可以将弯矩、轴力和剪力等传给相连接的桥墩11和桥梁主梁9，增强桥梁的抗力和安全性。一旦动力作用消失，该装置又恢复正常功能。

首先，根据实际桥梁的平面尺寸、估算的质量和工程需求确定内含剪切增稠液1的速度型结构连接锁定装置的尺寸、性能以及剪切增稠液1的材料成分和总量，并制作连接锁定装置的各个部分。包括剪切增稠液1、钢筒2、活塞杆3、活塞端头4、内部封口5、密封挡板6和连接端7；钢筒2的外部为圆柱形，其内部具有多个圆柱形的平行孔道，每个孔道内设置有活塞杆3，每个活塞杆3可在各自的孔道内运动，孔道中与活塞杆3之间注满剪切增稠液1；钢筒2一端设置有密封挡板6，与连接端7连接的活塞端头4穿过密封挡板6深入钢筒2并与钢筒2内的多个平行孔道连接；孔道端部与活塞杆3之间以及钢筒2与活塞端头4之间均设置有内部封口5用以将所述孔道密封；连接端7还与建筑结构相连。剪切增稠液1材料成分是以下材料中的一种或多种：聚乙二醇和硅微粒、乙二醇和硅微粒、二氧化硅微粒、聚氯乙烯微粒，且钢筒2每个孔道内的活塞杆3的直径不小于孔道直径的1/3，当剪切增稠液1为液相时，活塞杆3在孔道中的位移量程范围不得小于±5mm。

其次，保持钢筒2呈水平状态，将剪切增稠液1注入钢筒2内部的孔道中，再将活塞杆3平行插入相应孔道内并保证规定的位移量程。用内部封口5将孔道密封，用密封挡板6将钢筒2端部密封。将活塞端头4与连接端7焊接。

之后，将内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置安装在桥梁多个滑动支座10附近，并使其连接端与主梁锚固连接件8相连接。确保动力作用时桥梁主梁9与桥墩11整体受力。

实施例2：

如图4所示，对于部分平面尺寸比较大的建筑结构，为了防止结构由于气候温度变化使其产生裂缝或破坏，常常需要沿结构长度方向的适当部位设置竖向伸缩缝12。在地震作用下，伸缩缝12两侧的结构部分13和14容易产生碰撞使结构发生局部的破损，严重时将导致结构功能失效。将多个内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置均匀安装在结构的伸缩缝12间，将连接锁定装置两端分别与伸缩缝12两侧的结构13和14相连。连接锁定装置不约束结构因温度产生的正常收缩和徐变。当结构突然承受地震作用时，该装置发生锁定，使伸缩缝两侧的结构部分刚接，从而可以相互传递弯矩、轴力和剪力，保证结构变成协调运动的整体，降低地震破坏。一旦地震作用消失，该装置又恢复正常功能。

首先，根据伸缩缝12宽度、实际结构的平面尺寸、质量和工程需求确定内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置的尺寸、性能以及剪切增稠液1的材料成分和总量，并制作连接锁定装置的各个部分，其结构和连接形式同实施例1，此处不再重复。

其次，保持钢筒2呈水平状态，将剪切增稠液1注入钢筒2内部的孔道中，再将活塞杆3平行插入相应孔道内并保证规定的位移量程。用内部封口5将孔道密封，用密封挡板6将钢筒2端部密封。将活塞端头4与连接端7焊接。

之后，将内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置安装在伸缩缝12间，并使其使连接端与伸缩缝两侧的结构部分锚固连接。

以上为本发明的2个典型实施例，但本发明的实施不限于此。

Claims (4)

1.内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置，其特征在于：包括剪切增稠液(1)、钢筒(2)、活塞杆(3)、活塞端头(4)、内部封口(5)、密封挡板(6)和连接端(7)；所述钢筒(2)的外部为圆柱形，其内部具有多个圆柱形的平行孔道，每个孔道内设置有活塞杆(3)，每个活塞杆(3)可在各自的孔道内运动，所述孔道中与活塞杆(3)之间注满剪切增稠液(1)；所述钢筒(2)一端设置有密封挡板(6)，与所述连接端(7)连接的活塞端头(4)穿过密封挡板(6)深入钢筒(2)并与钢筒(2)内的多个平行孔道连接；所述孔道端部与活塞杆(3)之间以及钢筒(2)与活塞端头(4)之间均设置有内部封口(5)用以将所述孔道密封；所述连接端(7)还与建筑结构相连。

2.根据权利要求1所述的内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置，其特征在于：所述剪切增稠液(1)材料成分是以下材料中的一种或多种：聚乙二醇和业微粒、乙二醇和硅微粒、二氧化硅微粒、聚氯乙烯微粒。

3.根据权利要求1所述的内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置，其特征在于：钢筒(2)每个孔道内的活塞杆(3)的直径不小于孔道直径的1/3，以确保活塞杆(3)使剪切增稠液(1)产生稳定均匀的剪切变形。

4.根据权利要求1所述的内含剪切增稠液的速度型结构连接锁定装置，其特征在于：在剪切增稠液(1)为液相时，活塞杆(3)在孔道中的位移量程范围不得小于±5mm，以确保结构连接形式在正常状态下不发生改变。

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