CN106567324A - 一种基于碟簧的全钢自复位防屈曲支撑 - Google Patents

Abstract

一种基于碟簧的全钢自复位防屈曲支撑，属于土木工程防灾减震技术领域。主要由一字型钢板内芯、加劲肋、无粘结材料、内外套管、组合碟簧、挡块，挡板、左右连接板构成。该支撑由防屈曲部分和自复位部分组成，防屈曲部分由一字型钢板内芯、加劲肋、无粘结材料、内套管、左右连接板构成，自复位部分由内套管、碟簧、挡块，挡板、外套管构成。本发明可有效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；以及现有的自复位耗能支撑中的自复位材料造价昂贵、极限弹性变形能力不足等问题。一种基于碟簧的全钢自复位防屈曲支撑构造简单，工作机理明确，经济适用，性能稳定。

Description

一种基于碟簧的全钢自复位防屈曲支撑

技术领域

本发明涉及土木工程抗震技术领域，是一种应用于建筑和桥梁工程领域中的耗能减震装置，该全钢自复位防屈曲支撑具有良好的耗能能力和自复位功能。

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的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。

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，国内外学者已研发一些自复位支撑，一类是耗能部分与自复位系统并联连接；另一类是耗能部分与自复位系统串联连接。当前，各种新型自复位支撑虽然能在耗能的同时能实现自复位能力，但也存在一起明显不足，如自复位材料通常应具有高弹性模量和高变形能力，比如形状记忆合金及一些不易老化、不易腐蚀且极限弹性变形能力较高的韧性复合材料，如芳纶纤维，但是造价较高，不经济。玻璃纤维和碳纤维造价较低，但是耐久性、韧性或者锚固性能限制了它们在自复位体系中的应用；其次，部分自复位体系采用的耗能机制为摩擦耗能，摩擦面的老化会使得其耗能能力不再稳定；还有部分预紧螺栓存在的松动可能性，这也成为影响摩擦阻尼器性能的潜在因素。而金属耗能不存在这个问题，目前金属耗能器中耗能能力最稳定的当属防屈曲支撑。最后，耗能部分与自复位部分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。因此，本发明提出的一种基于碟簧的全钢自复位防屈曲支撑构造简单，工作机理明确，经济适用，性能稳定。

发明内容

本发明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，以及现有的自复位耗能支撑中的自复位材料造价昂贵、极限弹性变形能力不足等问题而提出的一种基于碟簧的全钢自复位防屈曲支撑。

本发明为解决上述问题提出的技术方案，如下：

采用碟簧作为新型的自复位元件，通过碟簧的个数和不同的组合方式(叠合或并合)来满足该支撑的轴向变形及恢复力要求。

选用防屈曲支撑作为金属耗能器，可以避免自复位耗能支撑中摩擦耗能存在的摩擦面老化及预紧螺栓松动问题。

一种基于碟簧的全钢自复位防屈曲支撑主要由防屈曲部分、自复位部分来实现良好的耗能能力和自复位功能，其特征在于：该支撑主要由一字型钢板内芯、加劲肋、无粘结材料、内外套管、组合碟簧、挡块、挡板、左右连接板构成；

一字型钢板内芯的两端分别焊接在左右连接板上，并且一字型钢板内芯的两端分别焊接加劲肋以实现钢芯截面的平缓过渡从而避免应力集中；在一字型钢板内芯屈服段的表面涂一层无粘结可膨胀材料，如橡胶、硅胶、乳胶等；内套管套在一字型钢板内芯外，并将内套管套右端焊接在右连接板上，同时内套管的左端与左连接板之间有空隙不连接；

外套管套在内套管外，内套管和外套管之间有空隙，外套管的左端与左连接板固定焊接在一起，外套管的右端与右连接板之间有空隙，不连接；在内外套管空隙两端均设有中挡块、上下挡块和挡板，内套管穿过中挡块并与中挡块固定连接在一起，中挡块的上下两侧分别设有一个上下挡块，上下挡块分别固定在外套管上，中挡块和上下挡块之间设有缝隙，且上下相对；内套管穿过挡板，挡板紧贴中挡块，挡板相对内套管可沿轴向自由滑动；沿轴向，两挡板相对且距离比较接近，在两挡板之间填充有数个叠合或并合的预压碟簧。

内套管两端在对应的一字型钢板内芯端部和一字型钢板内芯加劲肋部位设有缝隙，见图7。

在内套管和外套管之间设有多组中挡块、上下挡块和挡板的组合，在任意两相对的挡板之间填充一段预压碟簧，内套管和外套管之间形成多段布置的预压碟簧，如图2。

无粘结可膨胀材料可以减小或有效消除核心单元与约束单元间的摩擦力，以避免拉压不对称的出现。内套管作为屈曲约束机构提供给钢芯弯曲限制，避免钢芯受压时屈曲，同时内套管的右端焊接加劲肋以避免其失稳。

选用碟簧作为新型的自复位元件，通过将不同个数的碟簧叠合或并合在一起以满足支撑实现自复位功能所需的轴向变形和恢复力要求。外套管连接在左连接板上，内套管连接在右连接板上，上下挡块连接在外套管上，中挡块连接在内套管上，上下挡块和中挡块之间保留一定的间隙并对齐。左右挡板穿过内套管紧贴在挡块之间，挡板与挡块并不作任何连接。碟簧组合好之后并经预压填充在左右挡板之间。这样内外套管、挡板，挡块一起形成一道滑动机制，在该滑动机制下，支撑无论处于受拉还是受压状态，组合碟簧总是处于受压状态以保证支撑拥有足够的恢复力。

本发明的工作机理是：地震作用下，全钢自复位防屈曲支撑所承受的轴向力，一方面由防屈曲部分的钢芯来承担，另一方面由自复位部分来承担。当支撑所受的轴向力大于组合碟簧的预压力时，内外套管开始相对滑动，内外套管、挡板、挡块、组合碟簧形成的滑动机制使得支撑无论处于受拉状态还是受压状态，组合碟簧总是处于受压状态以提供足够的恢复力。防屈部分的钢芯连接在左右连接板上，当支撑的轴向位移超过钢芯的屈服位移时，钢芯开始耗能。组合碟簧还必须克服与内套管之间的摩擦才能运动，因此自复位部分也存在摩擦耗能。当支撑的轴向位移超过钢芯的极限变形时，防屈曲部分开始失效，此时自复位部分依然可以提供一定的刚度和耗能，支撑仍可继续发挥作用。该支撑的构造简单、工作机理明确、经济适用、性能稳定，具有多重耗能和保护机制。

本发明的优点在于：

本发明的一种基于碟簧的全钢自复位防屈曲支撑，在地震作用下减震效果明显，且具有良好的耗能能力和自复位功能，主要体现在以下几点：

1、采用碟簧作为自复位元件，不同个数的碟簧通过叠合或并合的方式组合在一起并经预压后能满足支撑不同的轴向变形和恢复力的要求，这样便克服了现有的自复位材料极限弹性变形能力不足以及造价高等问题。

2、传统的防屈曲支撑的设计轴向力全由钢芯承担，一旦钢芯断裂后支撑便会失效。而全钢自复位防屈曲支撑的轴向力由防屈曲部分和自复位部分共同承担，当支撑的轴向位移超过钢芯的极限变形时，防屈曲部分失效，但此时自复位部分依然可提供一定刚度和耗能，该支撑具有多重耗能和保护机制。

3、现有的自复位耗能支撑中部分还采用摩擦耗能机制，摩擦耗能存在螺栓的松动使摩擦力迅速衰减以及摩擦面老化的问题，该支撑采用金属的屈服来耗能，耗能性能稳定，显著改善了耗能效果。

4、自复位部分引出了一种全新的滑动机制，在该滑动机制下全钢自复位防屈曲支撑无论处于受拉状态还是受压状态，组合碟簧总是处于受压状态以保证支撑拥有足够的恢复力。

附图说明

图1为全钢自复位防屈曲支撑的整体示意图；

图2为全钢自复位防屈曲支撑并联两段组合碟簧装置的整体示意图；

图3为图1全钢自复位防屈曲支撑的正剖视图；

图4为图2全钢自复位防屈曲支撑的A-A横截面图；

图5为图2全钢自复位防屈曲支撑的B-B横截面图；

图6为图2全钢自复位防屈曲支撑的C-C横截面图；

图7为图1全钢自复位防屈曲支撑的防屈曲部分装配图。

附图标记说明

1—左连接板；2—右连接板；3—一字型钢板内芯；4-1—钢芯左端加劲肋；4-2—钢芯右端加劲肋；5—无粘结可膨胀材料；6—内套管；7-1—左端上下挡块；7-2—右端上下挡块；8-1—左端中挡块；8-2—右端中挡块；9-1—左端挡板；9-2—右端挡板；10—碟簧；11—外套管；12—内套管加劲肋。

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。

实施例1

结合图1-7说明全钢自复位防屈曲支撑的实施方式。

防屈曲部分：所述的防屈曲部分由左右连接板、一字型钢板内芯、钢芯加劲肋、无粘结可膨胀材料、内套管构成。一字型钢板内芯经低屈服点Q235钢材切割成型，钢芯的左右两端各焊接两块加劲肋以实现钢芯截面的平缓过渡从而避免应力集中带来的影响，钢芯的两端及其两端的加劲肋分别焊接在左右连接板上。在钢芯的屈服段表面均匀涂上一层1-2mm的无粘结可膨胀材料以减小或有效消除核心单元与约束单元间的摩擦力，以避免拉压不对称的出现，本实施例中的无粘结材料选用导热硅胶。内套管作为屈曲约束机构以提供给钢芯弯曲限制，避免钢芯受压时屈曲，内套管由两块切割成型的钢板焊接而成，焊接的形式采用坡口焊，并将焊接完的表面磨平。内套管套在涂上无粘结材料的钢芯上，并将其右端焊接在右连接板上，同时内套管的右端焊接加劲肋以避免其失稳。

自复位部分：所述的自复位部分由内套管、组合碟簧、挡板、挡块、外套管构成。选用碟簧作为新型的自复位元件，不同个数的碟簧通过叠合或并合的方式组合在一起，碟簧需经预压后填充在内外套管之间以提供给该支撑一定的恢复力。中挡块焊接在内套管上，上下挡块焊接在外套管上，上下挡块和中挡块的位置必须平齐，挡板自由地填充在挡块之间，外套管左端焊接在左连接板上。当支撑的所受到的轴向力大于组合碟簧的预压力时，内外套管开始相对滑动，此时支撑无论处于受拉还是受压状态，组合碟簧总是处于受压状态。

Claims (4)

1.一种基于碟簧的全钢自复位防屈曲支撑，其特征在于，该支撑主要由一字型钢板内芯、加劲肋、无粘结材料、内外套管、组合碟簧、挡块、挡板、左右连接板构成；

一字型钢板内芯的两端分别焊接在左右连接板上，并且一字型钢板内芯的两端分别焊接加劲肋以实现钢芯截面的平缓过渡从而避免应力集中；在一字型钢板内芯屈服段的表面涂一层无粘结可膨胀材料，如橡胶、硅胶、乳胶等；内套管套在一字型钢板内芯外，并将内套管套右端焊接在右连接板上，同时内套管的左端与左连接板之间有空隙不连接；

外套管套在内套管外，内套管和外套管之间有空隙，外套管的左端与左连接板固定焊接在一起，外套管的右端与右连接板之间有空隙，不连接；在内外套管空隙两端均设有中挡块、上下挡块和挡板，内套管穿过中挡块并与中挡块固定连接在一起，中挡块的上下两侧分别设有一个上下挡块，上下挡块分别固定在外套管上，中挡块和上下挡块之间设有缝隙，且上下相对；内套管穿过挡板，挡板紧贴中挡块，挡板相对内套管可沿轴向自由滑动；沿轴向，两挡板相对且距离比较接近，在两挡板之间填充有数个叠合或并合的预压碟簧。

2.按照权利要求1所述的一种基于碟簧的全钢自复位防屈曲支撑，其特征在于，内套管两端在对应的一字型钢板内芯端部和一字型钢板内芯加劲肋部位设有缝隙。

3.按照权利要求1所述的一种基于碟簧的全钢自复位防屈曲支撑，其特征在于，在内套管和外套管之间设有多组中挡块、上下挡块和挡板的组合，在任意两相对的挡板之间填充一段预压碟簧，内套管和外套管之间形成多段布置的预压碟簧。

4.按照权利要求1所述的一种基于碟簧的全钢自复位防屈曲支撑，其特征在于，无粘结可膨胀材料选自橡胶、硅胶、乳胶。