CN105256913B - 一种形状记忆合金绞线自复位摩擦防屈曲支撑 - Google Patents

Abstract

一种形状记忆合金绞线自复位摩擦防屈曲支撑，属于防灾减震技术领域。主要由一字型钢板内芯、内外钢套管、摩擦板、高强度螺栓、形状记忆合金绞线、左右端板、垫板以及锚具构成。一字型钢板内芯的两端分别焊接加劲肋，并且分别连接在左右端板上。内钢套管充当外围约束钢管套在一字型钢板外，一字型钢板在内钢套管中倾斜对角放置，内钢套管与一字型钢板内芯具有一定的间隙。内钢套管与右端板连接，外钢套管与左端板连接，摩擦板通过高强度螺栓安装在内外钢套管的相互嵌套部分之间，形状记忆合金绞线预张拉后通过锚具锚固在内外钢套管间。本发明为了解决普通支撑在大震或中震作用下出现过量的残余变形而加大的震后维护和重建成本。

Description

一种形状记忆合金绞线自复位摩擦防屈曲支撑

技术领域

本发明涉及土木工程抗震技术领域，是一种应用于建筑工程建设领域中的耗能减震构件，自复位摩擦防屈曲支撑具有良好的耗能能力和自复位能力。

背景技术

近年来，地震造成的社会和经济问题使得结构抗震技术受到越来越多的关注。框架支撑体系在一定程度上解决了结构的抗侧刚度问题，但是普通支撑在大震往复荷载作用下易造成自身和连接处的失效与破坏，同时支撑屈曲后耗能能力变差，难以有效耗散地震输入能量。防屈曲支撑在受拉和受压时都可屈服而不屈曲，因此克服了传统支撑受压时屈曲强度明显低于受拉时的拉伸强度，并且滞回环面积过小的缺点。将屈曲约束支撑运用到钢结构和混凝土结构中，在正常使用情况下，对于结构以提供刚度为主，当遭受强烈地震时，屈曲约束支撑进入塑性变形阶段，利用其屈服但不屈曲的特性，依靠钢材的高屈服力及较大的塑性变形来给结构耗能，但是，防屈曲支撑通过钢材发生塑性变形来耗散地震能量，导致震后结构留有较大残余变形，增大了后期加固修复难度。强烈地震作用下结构产生的过大侧向变形及残余变形正是结构破坏倒塌的直接原因，对于即将倒塌或可能经历后续地震的结构，残余变形会对其产生严重影响，此外，当残余变形角大于0.5％时，结构修复成本大于重建成本，造成不必要的经济损失。

2009年1月在NEES/E-defense美国地震工程第二阶段合作研究计划会议上，美日学者首次提出将“可修复功能城市”作为地震工程合作的大方向。2011年我国学者明确了结构抗震设计的新概念-可恢复功能结构。可恢复功能抗震结构是指地震(设防或罕遇地震)后不需修复或在部分使用状态下稍许修复即可恢复其使用功能的结构，且结构体系易于建造和维护，全寿命成本效益高。为了解决支撑耗能和自复位的问题，国内外学者对其展开了大量研究。目前，国内外学者已研制的自复位支撑根据支撑自复位恢复力产生的原理主要分为两类：耗能部分与自复位系统并联连接；耗能部分与自复位系统串联连接安装。目前所研究的各种自复位支撑基本都能够在耗能的同时实现自复位能力，但也有一些不足之处，例如耗能部分与自复位系统并联的自复位支撑与传统的支撑相比大多构造较复杂，对加工工艺要求很高，而且较难找到合适的材料自恢复预应力材料。因此，接下来的研究主要聚焦在构造简单，工作机理明确的自复位耗能支撑的研发。

发明内容

发明的目的是为了解决防屈曲支撑在大震或中震作用下出现过量的残余变形而加大的震后维护和重建成本以及耗能能力不足的问题而提出的一种形状记忆合金绞线自复位摩擦防屈曲支撑。

本发明为解决上述技术问题采取的方案是：自复位摩擦防屈曲支撑主要由防屈曲支撑、摩擦装置、自复位系统三部分来实现良好的耗能能力和自复位功能，其特征在于：该支撑由一字型钢板内芯、内外钢套管、摩擦板、高强度螺栓、形状记忆合金绞线、左右端板、垫板以及锚具构成。

所述的防屈曲支撑部分：一字型钢板内芯的两端分别焊接在左右端板上，并且一字型钢板内芯的两端焊接加劲肋以实现内芯截面的平缓过渡从而避免应力集中。一字型钢板内芯外还有左套管和右套管，左套管和右套管充当外围约束钢管套，左套管和右套管截面为长方形，左套管的左端固定在左端板上，左套管的右端距离右端板有一定的空间，右套管的右端固定在右端板上，右套管的左端距离左端板有一定的空间；右套管和左套管一个套在另一个内部，内部的称为内套管，外部的称为外套管，一字型钢板内芯位于内套管的对角面位置；内套管与一字型钢板内芯之间设有一定的空隙；内套管和外套管之间也有一定的空隙；外套管每个侧面设有长方形通孔；

所述的摩擦装置部分：外套管每个侧面长方形通孔内壁处紧贴摩擦板，摩擦板向内与内套管的外壁焊接在一起；外套管每个侧面长方形通孔的外壁处有(3)，高强度螺栓穿过(3)、外套管侧面长方形通孔、摩擦板、内套管，将外套管、摩擦板和内套管紧密贴合在一起；

所述的自复位部分：自复位材料选用形状记忆合金绞线，外套管每个侧面，形状记忆合金绞线穿过摩擦板、倾斜的锚固于内外套管相互嵌套重叠的部位，每侧形状记忆合金绞线至少包括轴向镜像对称布置的两对，这样当内外钢套管有相对位移时，总有一组形状记忆合金绞线处于受拉状态以保证自复位功能的实现。

本发明外套管每个侧面设置多个长方形通孔，设置多个高强度螺栓进行加固贴合；可以设置多组镜像对称布置的形状记忆合金绞线。

摩擦板由橡胶和钢板固定连接组成，钢板部分焊接在内套管外壁上，橡胶部分紧贴在外套管内壁上，钢板部分和橡胶部分均设有开孔和开槽来安装高强度螺栓和锚固形状记忆合金绞线。

在一字型钢板外，一字型钢板在内套管中倾斜对角布置，内钢套管与一字型钢板内芯之间设有一定的空隙，从而保证内芯可以自由变形耗能，同时能构成防屈曲机构防止内芯单元发生局部屈曲。

摩擦板通过高强度螺栓固定在内外钢套管相互嵌套重叠部分之间，摩擦板的下端焊接在内钢套管外径壁上，摩擦板的上端紧贴在外钢套管的内径壁上，外钢套管设有开槽，这样当内外钢套管间有相对位移时，通过摩擦板与外钢套管相互滑动产生的摩擦力来耗能。利用形状记忆合金绞线的超弹性对其进行预拉，使其在预拉过程中不出现松弛状态，通过控制形状记忆合金绞线的预拉力来控制支撑的残余位移，同时形状记忆合金绞线的高阻尼特性也可以改善支撑的耗能能力。

本发明的工作机理是：自复位摩擦防屈曲支撑在地震作用下所承受的轴向力，一方面由防屈曲部分的内芯来承担，另一方面由摩擦部分的摩擦板来承担。当支撑所受的轴向力大于摩擦部分的静摩擦力时，内外钢套管开始相对滑动，此时摩擦部分开始耗能起作用，由于形状记忆合金绞线预拉力的存在，形状记忆合金绞线会提供给摩擦板一定的预紧力，且该力随着相对位移的增大而增大，此时摩擦力也越来越大。随着相对位移的继续增大，防屈曲部分的内芯达到屈服承载力，防屈曲部分开始耗能起作用，此时自复位摩擦防屈曲支撑开始由内芯的屈服和摩擦板的摩擦共同耗能。由于形状记忆合金绞线仅有受拉承载力，将每侧形状记忆合金绞线成反对称倾斜布置后，无论自复位摩擦防屈曲支撑处于受拉还是受压状态，总有一组形状记忆合金绞线处于受拉状态，使其具有一定的自复位功能，减小内芯的残余变形，确保了支撑的自复位能力。形状记忆合金绞线预拉力的存在加大了摩擦力，显著改善了摩擦部分的耗能效果。

本发明的优点在于：

本发明的一种形状记忆合金绞线自复位摩擦防屈曲支撑，在地震作用下减震效果明显，且具有良好的自复位功能，主要体现在以下几点：

1、该支撑通过内芯的屈服和摩擦板的摩擦来共同耗能，即在同一耗能减震器中，利用不同的耗能机理共同耗能，这是对耗能减震设计新思想的一种应用。

2、传统的防屈曲支撑的设计轴向力全由内芯承担，而自复位摩擦防屈曲支撑的轴向力由摩擦板和内芯共同承担，该支撑有较高的承载力和充分的耗能效果。

3、传统的摩擦耗能支撑存在螺栓的松动使摩擦力迅速衰减的问题，而自复位摩擦防屈曲支撑由于形状记忆合金绞线预拉力的存在而提供给摩擦板一定的预紧力，该力且随着相对位移的增大而增大，显著改善了摩擦耗能的效果。

4、摩擦部分不仅可以分担构件所受的部分轴向地震作用力，还可以降低防屈曲支撑内芯的最大变形，这种附加耗能装置有利于将地震反应降到最低。

5、无论自复位摩擦防屈曲支撑处于受拉还是受压状态，总有一组形状记忆合金绞线处于受拉状态，使其具有一定的自复位功能，减小内芯的残余变形，确保了支撑的自复位能力。

6、利用形状记忆合金绞线的超弹性特征，不仅可以保证该支撑的自复位功能，而且不受内芯轴向变形能力的限定。

附图说明

图1为自复位摩擦防屈曲支撑的俯视图；

图2为图1自复位摩擦防屈曲支撑的F-F正剖面图：

图3为图1自复位摩擦防屈曲支撑的G-G正剖面图：

图4为图3自复位摩擦防屈曲支撑的横截面图；

图5为防屈曲部分的纵截面图；

图6为图5防屈曲部分的横截面图；

(1)左端板、(2)外钢套管、(3)螺栓垫板、(4)内芯单元、(5)摩擦板、(6)加劲肋、(7)内钢套管、(8)形状记忆合金绞线、(9)摩擦板的钢垫板、(10)绞线垫板、(11)右端板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

本发明的

实施例1

结合图1-6说明自复位摩擦防屈曲支撑的实施方式。

所述的防屈曲部分：一字型钢板选用低屈服点Q235钢材，一字型钢板的两端各焊接两块加劲肋以实现内芯截面的平缓过渡从而避免应力集中带来的影响，其两端分别焊接在左右端板上。内套管充当外围约束钢管套在一字型钢板外，一字型钢板在内套管中倾斜对角布置，内钢套管与一字型钢板内芯之间设有一定的空隙，从而保证内芯可以自由变形耗能，同时能构成防屈曲机构防止一字型钢板发生局部屈曲。

所述的摩擦部分：内钢套管与右端板焊接，外钢套管与左端板焊接，内钢套管嵌套于外钢套管之间，摩擦板由橡胶和钢板粘结组成，钢板部分和橡胶部分均设有开孔和开槽来安装高强度螺栓和锚固形状记忆合金绞线。每块摩擦板通过4个高强度螺栓固定在内外钢套管相互重叠部分之间，摩擦板的下端焊接在内钢套管外径壁上，摩擦板的上端紧贴在外钢套管的内径壁上，外钢套管和摩擦板均设有开槽，这样当内外钢套管间有相对位移时，通过摩擦板与外钢套管相互滑动产生的摩擦力来耗能。

所述的自复位部分：自复位材料选用形状记忆合金绞线，利用形状记忆合金绞线的超弹性对其进行预拉，使其在拉压过程中不出现松弛状态，通过控制形状记忆合金绞线的预拉力来控制支撑的残余位移，同时形状记忆合金绞线的高阻尼特性也可以改善支撑的耗能能力。形状记忆合金绞线穿过摩擦板成10-30度角倾斜的锚固于内外钢套管之间，形状记忆合金绞线仅具有受拉承载能力，每侧形状记忆合金绞线成反对称布置两对，这样当内外钢套管有相对位移时，总有形状记忆合金绞线处于受拉状态以保证自复位功能的实现。

Claims (4)

1.一种形状记忆合金绞线自复位摩擦防屈曲支撑，其特征在于，由防屈曲支撑、摩擦装置、自复位系统三部分组成，主要由一字型钢板内芯、内外钢套管、摩擦板、高强度螺栓、形状记忆合金绞线、左右端板、垫板以及锚具构成；

所述的防屈曲支撑部分：一字型钢板内芯的两端分别焊接在左右端板上，并且一字型钢板内芯的两端焊接加劲肋以实现内芯截面的平缓过渡从而避免应力集中；一字型钢板内芯外还有左套管和右套管，左套管和右套管充当外围约束钢管套，左套管和右套管截面为长方形，左套管的左端固定在左端板上，左套管的右端距离右端板有一定的空间，右套管的右端固定在右端板上，右套管的左端距离左端板有一定的空间；右套管和左套管一个套在另一个内部，内部的称为内套管，外部的称为外套管，一字型钢板内芯位于内套管的对角面位置；内套管与一字型钢板内芯之间设有一定的空隙；内套管和外套管之间也有一定的空隙；外套管每个侧面设有长方形通孔；

所述的摩擦装置部分：外套管每个侧面长方形通孔内壁处紧贴摩擦板，摩擦板向内与内套管的外壁焊接在一起；外套管每个侧面长方形通孔的外壁处有垫板， 高强度螺栓穿过垫板、外套管侧面长方形通孔、摩擦板、内套管，将外套管、摩擦板和内套管紧密贴合在一起；

所述的自复位系统部分：自复位材料选用形状记忆合金绞线，外套管每个侧面，形状记忆合金绞线穿过摩擦板、倾斜的锚固于内外套管相互嵌套重叠部分之间，每侧形状记忆合金绞线至少包括轴向镜像对称布置的两对，这样当内外钢套管有相对位移时，总有一组形状记忆合金绞线处于受拉状态以保证自复位功能的实现。

2.按照权利要求1的一种形状记忆合金绞线自复位摩擦防屈曲支撑，其特征在于，外套管每个侧面设置多个长方形通孔，设置多个高强度螺栓进行加固贴合。

3.按照权利要求1的一种形状记忆合金绞线自复位摩擦防屈曲支撑，其特征在于，设置多组镜像对称布置的形状记忆合金绞线。

4.按照权利要求1的一种形状记忆合金绞线自复位摩擦防屈曲支撑，其特征在于，摩擦板由橡胶和钢板固定连接组成，钢板部分焊接在内套管外壁上，橡胶部分紧贴在外套管内壁上，钢板部分和橡胶部分均设有开孔和开槽来安装高强度螺栓和锚固形状记忆合金绞线。