CN103469921A - 预压弹簧自恢复耗能支撑 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于自恢复耗能支撑技术领域的一种预压弹簧自恢复耗能支撑。所述支撑包括内管、外管、弹簧、弹簧挡板、导块；内管由左侧内管、右侧内管、Ⅰ号钢管、Ⅰ号钢管左侧挡板、Ⅰ号钢管右侧挡板、内管左侧挡块、内管右侧挡块、内管外侧摩擦板、高强螺栓、内管连接板构成；外管由左侧外管、右侧外管、Ⅱ号钢管、外管左侧挡板、外管右侧挡板、外管内部左侧挡块、外管内部右侧挡块、外管内侧摩擦板、外管连接板构成；弹簧由Ⅰ号弹簧、Ⅱ号弹簧构成，Ⅰ号弹簧套置在左侧内管管外，Ⅱ号弹簧套置在右侧内管管外；弹簧两端连接弹簧挡板。本发明的优点是减少了结构的残余变形，施工方便，地震作用后易于维修更换，缩短了影响正常使用状态的时间。

Description

预压弹簧自恢复耗能支撑

技术领域

本发明属于自恢复耗能支撑技术领域，具体涉及一种预压弹簧自恢复耗能支撑。

背景技术

地震是人类长期以来面临的一种重大自然灾害，造成大量人员伤亡以及建筑物的破坏或倒塌。随着科技与经济的发展，抗震设计规范在不断的完善，我国现行的抗震设计规范为《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），基本的抗震设防目标是“小震不坏，中震可修，大震不倒”。由于地震作用的复杂性和不确定性、结构本身（材料、强度、几何参数、计算模式）的不确定性、设计分析简化模型的误差以及场地条件的不确定性，即使按现行规范进行抗震设计与优化的建筑结构，当遭遇高于本地区设防烈度的强地震作用时也可能发生严重破坏乃至倒塌。即使保持了结构的整体完整性，但由于变形过大，部分构件的严重破坏而需要大范围的加固修复，甚至只能推倒重建造成了巨大的浪费，影响了人们的正常生活。为此，出现了一种新型的分灾控制体系—自恢复功能结构，不仅能够消耗地震传输给主结构的能量，实现分灾功能，控制结构局部失效模式的出现，而且震后能够很快的恢复其正常使用功能，帮助人们尽快恢复正常生活，如自复位摇摆墙结构体系及自恢复耗能支撑体系等。

现有支撑主要有按照当前规范设计的普通支撑，防屈曲支撑，应用形状记忆合金及预应力钢筋的自恢复支撑等。这几种支撑存在以下问题：普通支撑易受压屈曲，其拉压滞回反应明显不对称，大震时的往复荷载极易造成支撑本身和连接的失效或破坏，且屈曲后的滞回耗能能力变差，难以有效地消耗地震输入的能量；防屈曲支撑采用双线性滞回模型，滞回曲线饱满，耗能能力强，但这种支撑体系在地震作用后，尤其是大震后，存在很大的残余变形，使得加固修复比较难，甚至无法修复，造成了经济损失并且影响使用；形状记忆合金自恢复耗能支撑充分利用了形状记忆合金的超弹性性能，旗形滞回曲线饱满，减少甚至消除了残余变形。但是形状记忆合金的性能受温度影响，并且在变形后需要通过对形状记忆合金加热使其恢复到变形前的状态，升温可能会对支撑的其它构件产生不利的影响；采用预应力钢筋的自恢复耗能支撑由于预应力钢筋弹性变形小的缺点，满足不了典型框架结构层间位移的需求。

受压弹簧可以作为复位材料，且具有一定的耗能能力。在弹簧的弹性范围之内，调整弹簧的刚度即可调整支撑滞回曲线的饱满程度，从而改变支撑的耗能能力。弹簧变形后不需要采取任何措施即可恢复到变形前的状态，而且能够弥补预应力钢筋变形小的缺点。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种预压弹簧自恢复耗能支撑，其特征在于，所述支撑包括内管、外管、弹簧、弹簧挡板、导块；

所述内管由左侧内管、右侧内管、Ⅰ号钢管、Ⅰ号钢管左侧挡板、Ⅰ号钢管右侧挡板、内管左侧挡块、内管右侧挡块、内管外侧摩擦板、高强螺栓、内管连接板构成；

内管连接板、左侧内管、Ⅰ号钢管、右侧内管、内管右侧挡块依次焊接连接；内管左侧挡块焊接于左侧内管，Ⅰ号钢管左侧挡板焊接在左侧内管和Ⅰ号钢管左侧上，Ⅰ号钢管右侧挡板焊接在右侧内管和Ⅰ号钢管右侧上，内管外侧摩擦板、高强螺栓焊接于Ⅰ号钢管外侧；

所述外管由左侧外管、右侧外管、Ⅱ号钢管、外管左侧挡板、外管右侧挡板、外管内部左侧挡块、外管内部右侧挡块、外管内侧摩擦板、外管连接板构成；

外管左侧挡板焊接于左侧外管，外管内部左侧挡块焊接于Ⅱ号钢管左侧，外管内部右侧挡块焊接于Ⅱ号钢管右侧，外管右侧挡板、外管连接板焊接于右侧外管，外管内侧摩擦板焊接于Ⅱ号钢管内侧；

所述弹簧由Ⅰ号弹簧、Ⅱ号弹簧构成，Ⅰ号弹簧套置在左侧内管管外，Ⅱ号弹簧套置在右侧内管管外；弹簧两端连接弹簧挡板；

所述弹簧挡板有4个，分别为Ⅰ号弹簧左侧挡板、Ⅰ号弹簧右侧挡板、Ⅱ号弹簧左侧挡板、Ⅱ号弹簧右侧挡板；Ⅰ号弹簧左侧挡板、Ⅰ号弹簧右侧挡板套在左侧内管的两侧，Ⅱ号弹簧左侧挡板、Ⅱ号弹簧右侧挡板套在右侧内管的两侧，用来连接弹簧、挤压弹簧并传递内管、外管与弹簧之间的力。

所述导块安置在Ⅰ号钢管、Ⅱ号钢管之间，保证内管、外管平稳的相对滑动。

所述左侧内管和右侧内管为圆形截面薄壁钢管。

所述Ⅰ号钢管为矩形截面薄壁钢管。

所述弹簧的外径小于左侧外管、右侧外管的内径，弹簧内径大于左侧内管、右侧内管的外径。

所述弹簧挡板为中间开圆孔的矩形挡板，其圆孔直径大于左侧内管、右侧内管的外径，保证弹簧挡板可以相对滑动。

所述外管左侧挡板、外管右侧挡板为中间开圆孔的矩形挡板，其圆孔直径大于内管左侧挡块、内管右侧挡块的直径，用来阻挡弹簧挡板，确保内管、外管的相对滑动。

所述内管外侧摩擦板、外管内侧摩擦板中间分别预留孔洞，高强螺栓穿过内管外侧摩擦板、外管内侧摩擦板中间的预留孔洞，连接挤压内管外侧摩擦板、外管内侧摩擦板，形成摩擦装置，在内管、外管发生相对滑动时摩擦耗能。

所述内管、外管之间的缝隙用密封材料密封，防止在正常使用状态下内管、外管内部腐蚀。

所述左侧内管、右侧内管、Ⅰ号钢管、左侧外管、右侧外管、Ⅱ号钢管的材料采用普通碳素结构钢Q235钢，弹簧采用热轧弹簧钢牌号为60CrMnA，弹簧挡板、Ⅰ号钢管左侧挡板、Ⅰ号钢管右侧挡板、内管左侧挡块、内管右侧挡块、内管外侧摩擦板、内管连接板、外管左侧挡板、外管右侧挡板、外管内部左侧挡块、外管内部右侧挡块、外管内侧摩擦板、外管连接板采用低合金高强度结构钢Q345钢，高强螺栓采用10.9级（20MnTiB）。

本发明的有益效果为：与普通支撑相比，预压弹簧自恢复耗能支撑利用摩擦装置耗散地震输入的能量，在受拉和受压的作用下表现出相同的性能，减少了结构的残余变形，施工方便，地震作用后易于维修更换，缩短了影响正常使用状态的时间。

与防屈曲支撑相比，预压弹簧自恢复耗能支撑拥有防屈曲支撑耗能能力大的性能，在地震往复荷载作用下不会发生塑性变形，地震作用后减少甚至消除了结构的残余变形。

与运用形状记忆合金的自恢复耗能支撑相比，在弹簧的弹性变形范围内，地震作用后不需要采取任何措施即可恢复到变形前的状态。弹簧还具有缓冲地震的作用，从而减少了地震对非结构物的破坏，减少了经济损失。

与运用预应力钢筋的自恢复耗能支撑相比，在弹簧的弹性变形范围内，弹簧的变形能力远大于预应力钢筋的变形能力，能够满足典型框架结构层间位移的需求，从而增大了构件的耗能能力。

附图说明

图1为本发明预压弹簧自恢复耗能支撑的结构示意图；

图2为本发明预压弹簧自恢复耗能支撑外管示意图；

图3为本发明预压弹簧自恢复耗能支撑内管示意图；

图4为本发明预压弹簧自恢复耗能支撑1-1剖面图；

图5为本发明预压弹簧自恢复耗能支撑2-2剖面图；

图6为本发明预压弹簧自恢复耗能支撑3-3剖面图；

图中标号：

左侧弹簧为Ⅰ号弹簧；右侧弹簧为Ⅱ号弹簧；内管矩形截面钢管为Ⅰ号钢管；与内管矩形截面对应的外管部分为Ⅱ号钢管；1-左侧外管；2-右侧外管；3-左侧内管；4-右侧内管；5-Ⅰ号弹簧左侧挡板；6-Ⅱ号弹簧右侧挡板；7-内管左侧挡块；8-内管右侧挡块；9-外管左侧挡板；10-外管右侧挡板；11-Ⅰ号弹簧右侧挡板；12-Ⅱ号弹簧左侧挡板；13-Ⅰ号钢管左侧挡板；14-Ⅰ号钢管右侧挡板；15-外管内部左侧挡块；16-外管内部右侧挡块；17-导块；18-外管内侧摩擦板；19-摩擦面；20-内管外侧摩擦板；21-高强螺栓；22-内管连接板；23-外管连接板。

具体实施方式

下面结合附图对优选实施例作详细说明。

如图1所示为本发明预压弹簧自恢复耗能支撑的结构示意图。该支撑包括内管、外管、弹簧、弹簧挡板、导块，内管、外管及弹簧构成恢复装置，弹簧提供恢复力，内管、外管传递力。外管内侧摩擦板18、内管外侧摩擦板20及高强螺栓21构成耗能装置，耗散地震输入的能量。弹簧由Ⅰ号弹簧、Ⅱ号弹簧构成，弹簧的外径小于左侧外管1、右侧外管2的内径，大于左侧内管3、右侧内管4的外径，Ⅰ号弹簧套置在左侧内管3管外，Ⅱ号弹簧套置在右侧内管4管外；弹簧两端连接弹簧挡板；弹簧挡板有4个，分别为Ⅰ号弹簧左侧挡板5、Ⅰ号弹簧右侧挡板11、Ⅱ号弹簧左侧挡板6、Ⅱ号弹簧右侧挡板12；弹簧挡板为中间开圆孔的矩形挡板，其圆孔直径大于左侧内管3、右侧内管4的外径，保证弹簧挡板可以相对滑动。Ⅰ号弹簧左侧挡板5、Ⅰ号弹簧右侧挡板11套在左侧内管3的两侧，Ⅱ号弹簧左侧挡板6、Ⅱ号弹簧右侧挡板12套在右侧内管4的两侧，用来连接弹簧、挤压弹簧并传递内管、外管与弹簧之间的力。Ⅰ号弹簧、Ⅱ号弹簧和Ⅰ号弹簧左侧挡板5、Ⅰ号弹簧右侧挡板11、Ⅱ号弹簧左侧挡板6、Ⅱ号弹簧右侧挡板12构成了恢复装置。导块17安置在Ⅰ号钢管、Ⅱ号钢管之间，保证内管、外管平稳的相对滑动。

如图2为本发明预压弹簧自恢复耗能支撑外管示意图。外管由左侧外管1、右侧外管2、Ⅱ号钢管、外管左侧挡板9、外管右侧挡板10、外管内部左侧挡块15、外管内部右侧挡块16、外管内侧摩擦板18、外管连接板23构成；外管左侧挡板9焊接于左侧外管1，外管内部左侧挡块15焊接于Ⅱ号钢管左侧，外管内部右侧挡块16焊接于Ⅱ号钢管右侧，外管右侧挡板9、外管连接板23焊接于右侧外管2，外管内侧摩擦板18焊接于Ⅱ号钢管内侧。外管左侧挡板9、外管右侧挡板10为中间开圆孔的矩形挡板，其圆孔直径大于内管左侧挡块7、内管右侧挡块8的挡块直径，用来阻挡弹簧挡板，确保内管、外管的相对滑动。

如图3为本发明预压弹簧自恢复耗能支撑内管示意图。内管由左侧内管3、右侧内管4、Ⅰ号钢管、Ⅰ号钢管左侧挡板5、Ⅰ号钢管右侧挡板11、内管左侧挡块7、内管右侧挡块8、内管外侧摩擦板20、高强螺栓21、内管连接板22构成；内管连接板22、左侧内管3、Ⅰ号钢管、右侧内管4、内管右侧挡块8依次焊接连接；内管左侧挡块7焊接于左侧内管3，Ⅰ号钢管左侧挡板5焊接在左侧内管3和Ⅰ号钢管左侧上，Ⅰ号钢管右侧挡板11焊接在右侧内管4和Ⅰ号钢管右侧上，内管外侧摩擦板20、高强螺栓21焊接于Ⅰ号钢管外侧。左侧内管3和右侧内管4为圆形截面薄壁钢管。Ⅰ号钢管为矩形截面薄壁钢管。所述内管外侧摩擦板20、外管内侧摩擦板18中间分别预留孔洞，高强螺栓21穿过内管外侧摩擦板20、外管内侧摩擦板18中间的预留孔洞，连接挤压内管外侧摩擦板20、外管内侧摩擦板18控制初始摩擦力的大小，产生摩擦面19，形成摩擦装置，在内管、外管发生相对滑动时摩擦耗能。内管、外管之间的缝隙用密封材料密封，防止在正常使用状态下内管、外管内部腐蚀。

如图4、图5、图6分别为本发明预压弹簧自恢复耗能支撑1-1剖面图、2-2剖面图、3-3剖面图；

本发明所示的预压弹簧自恢复耗能支撑的具体实现过程如下：应用时，按照受力及变形要求给弹簧施加初始的预压力，将预压弹簧自恢复耗能支撑作为斜支撑铰接在建筑结构上下层之间，内管连接板22与建筑结构上（下）层连接，外管连接板23与建筑结构上（下）层连接。在正常使用的状态下，由弹簧的预压力及摩擦力提供支持力。当地震荷载作用在结构上时，外荷载超过了弹簧的预压力及摩擦力时，内外管发生相对运动，摩擦装置耗散地震输入的能量，卸载时弹簧提供恢复力使结构恢复到变形前的状态。

当构件受拉时，内管连接板22拉动左侧内管3向左移动，Ⅰ号钢管推动Ⅰ弹簧右侧挡板11向左移动，Ⅰ号弹簧左侧挡板5向右移动从而压缩弹簧，弹簧变形增大对内管、外管的反作用力增大。右侧内管4带动挡块8向左移动，推动Ⅱ号弹簧右侧挡板6，压缩Ⅱ号弹簧，外管内部右侧挡块16推动Ⅱ号弹簧左侧挡板12向右移动使得弹簧的压缩变形增大，压力增大。当卸载时，Ⅰ号弹簧挤压Ⅰ号弹簧左侧挡板5和Ⅰ号弹簧右侧挡板11，Ⅱ号弹簧挤压Ⅱ号弹簧左侧挡板6和Ⅱ号弹簧右侧挡板12，弹簧挡板挤压内管、外管使得支撑在完全卸载时能够恢复到变形前的状态。在内管、外管发生相对滑动时，摩擦装置耗散地震输入的能量，从而达到了耗散地震时输入的能量以及地震后恢复到变形前状态的目的，并且减少了结构的残余变形。

当构件受压时，内管连接板22推动左侧内管3向右移动，从而推动内管左侧挡块7向右移动，挡块7向右移动推动Ⅰ号弹簧左侧挡板5向右移动从而压缩Ⅰ号弹簧，Ⅰ号弹簧右侧挡板11受到外管内部左侧挡块15向左的推力，进而压缩Ⅰ号弹簧使得弹簧压缩变形增大。同时Ⅰ号钢管向右移动推动Ⅱ号弹簧左侧挡板12向右移动，压缩Ⅱ号弹簧；外管连接板23向左移动，外管右侧挡板10推动Ⅱ号弹簧右侧挡板6向左移动压缩Ⅱ号弹簧，从而使弹簧的变形增大，弹簧的压力增大。当地震后，卸载时弹簧挤压内管、外管使其恢复到变形前的状态，实现了地震作用时耗散地震输入的能量，地震作用后恢复到变形前的状态，减少了结构的残余变形。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.预压弹簧自恢复耗能支撑，其特征在于，所述支撑包括内管、外管、弹簧、弹簧挡板、导块；

所述内管由左侧内管、右侧内管、Ⅰ号钢管、Ⅰ号钢管左侧挡板、Ⅰ号钢管右侧挡板、内管左侧挡块、内管右侧挡块、内管外侧摩擦板、高强螺栓、内管连接板构成；

内管连接板、左侧内管、Ⅰ号钢管、右侧内管、内管右侧挡块依次焊接连接；内管左侧挡块焊接于左侧内管，Ⅰ号钢管左侧挡板焊接在左侧内管和Ⅰ号钢管左侧上，Ⅰ号钢管右侧挡板焊接在右侧内管和Ⅰ号钢管右侧上，内管外侧摩擦板、高强螺栓焊接于Ⅰ号钢管外侧；

所述外管由左侧外管、右侧外管、Ⅱ号钢管、外管左侧挡板、外管右侧挡板、外管内部左侧挡块、外管内部右侧挡块、外管内侧摩擦板、外管连接板构成；

外管左侧挡板焊接于左侧外管，外管内部左侧挡块焊接于Ⅱ号钢管左侧，外管内部右侧挡块焊接于Ⅱ号钢管右侧，外管右侧挡板、外管连接板焊接于右侧外管，外管内侧摩擦板焊接于Ⅱ号钢管内侧；

所述弹簧由Ⅰ号弹簧、Ⅱ号弹簧构成，Ⅰ号弹簧套置在左侧内管管外，Ⅱ号弹簧套置在右侧内管管外；弹簧两端连接弹簧挡板；

所述弹簧挡板有4个，分别为Ⅰ号弹簧左侧挡板、Ⅰ号弹簧右侧挡板、Ⅱ号弹簧左侧挡板、Ⅱ号弹簧右侧挡板；Ⅰ号弹簧左侧挡板、Ⅰ号弹簧右侧挡板套在左侧内管的两侧，Ⅱ号弹簧左侧挡板、Ⅱ号弹簧右侧挡板套在右侧内管的两侧，用来连接弹簧、挤压弹簧并传递内管、外管与弹簧之间的力。

所述导块安置在Ⅰ号钢管、Ⅱ号钢管之间，保证内管、外管平稳的相对滑动。

2.根据权利要求1所述预压弹簧自恢复耗能支撑，其特征在于，所述左侧内管和右侧内管为圆形截面薄壁钢管。

3.根据权利要求1所述预压弹簧自恢复耗能支撑，其特征在于，所述Ⅰ号钢管为矩形截面薄壁钢管。

4.根据权利要求1所述预压弹簧自恢复耗能支撑，其特征在于，所述弹簧的外径小于左侧外管、右侧外管的内径，弹簧内径大于左侧内管、右侧内管的外径。

5.根据权利要求1所述预压弹簧自恢复耗能支撑，其特征在于，所述弹簧挡板为中间开圆孔的矩形挡板，其圆孔直径大于左侧内管、右侧内管的外径，保证弹簧挡板可以相对滑动。

6.根据权利要求1所述预压弹簧自恢复耗能支撑，其特征在于，所述外管左侧挡板、外管右侧挡板为中间开圆孔的矩形挡板，其圆孔直径大于内管左侧挡块、内管右侧挡块的直径，用来阻挡弹簧挡板，确保内管、外管的相对滑动。

7.根据权利要求1所述预压弹簧自恢复耗能支撑，其特征在于，所述内管外侧摩擦板、外管内侧摩擦板中间分别预留孔洞，高强螺栓穿过内管外侧摩擦板、外管内侧摩擦板中间的预留孔洞，连接挤压内管外侧摩擦板、外管内侧摩擦板，形成摩擦装置，在内管、外管发生相对滑动时摩擦耗能。

8.根据权利要求1所述预压弹簧自恢复耗能支撑，其特征在于，所述内管、外管之间的缝隙用密封材料密封，防止在正常使用状态下内管、外管内部腐蚀。

9.根据权利要求1所述预压弹簧自恢复耗能支撑，其特征在于，所述左侧内管、右侧内管、Ⅰ号钢管、左侧外管、右侧外管、Ⅱ号钢管的材料采用普通碳素结构钢Q235钢，弹簧采用热轧弹簧钢牌号为60CrMnA，弹簧挡板、Ⅰ号钢管左侧挡板、Ⅰ号钢管右侧挡板、内管左侧挡块、内管右侧挡块、内管外侧摩擦板、内管连接板、外管左侧挡板、外管右侧挡板、外管内部左侧挡块、外管内部右侧挡块、外管内侧摩擦板、外管连接板采用低合金高强度结构钢Q345钢，高强螺栓采用10.9级（20MnTiB）。

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