CN107893563A - 装配式自复位耗能支撑装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装配式自复位耗能支撑装置，属于土木工程领域。所述装配式自复位耗能支撑装置包括外围约束单元、自复位单元、内芯连接单元和内部耗能单元，外围约束单元包括第一约束板、第二约束板、底板、槽钢约束单元；自复位单元包括第一限位挡板，第三限位挡板、第三小挡板、第二限位挡板、预应力筋，预应力筋用锚具固定，内芯连接单元包括芯板、第一小挡板、第二小挡板。本发明能够充分利用现有的阻尼器，使大部分阻尼器都能通过该自复位装置来组装成自复位耗能支撑。

Description

装配式自复位耗能支撑装置

技术领域

本发明涉及土木工程领域，特别是指一种装配式自复位耗能支撑装置。

背景技术

地震引发的灾害一直以来都受到社会各界的广泛关注，而框架结构是现阶段使用较多的一种结构形式。在框架结构中，最初是利用改善建筑物本身的梁柱结构的绝对刚度来抗震。但这种方式不仅成本高，而且在地震后建筑物会产生较大侧移，梁柱也会受到损伤，导致建筑物的修复成本太高。

框架-支撑体系在一定程度上解决了框架体系的抗侧刚度问题，但是在框架结构中的支撑很难承受地震的反复作用，导致节点处或支撑自身的损坏与失效。另外，在支撑发生屈曲后，就会失去其耗能能力。为了充分发挥支撑的抗震性能，避免支撑在承受较大压力时发生屈曲，研究者设计了屈曲约束支撑。

屈曲约束支撑能在承受地震力作用的情况下保证自身屈服而不屈曲，这极大地增加了其滞回曲线的面积，提高了其受地震作用下的耗能能力，但屈曲约束支撑在承受地震作用后，自身会产生较大的残余变形，结构主体也会因此出现较大的残余变形，不易、甚至无法修复。

为解决屈曲约束支撑受地震作用后残余变形较大的问题，国内外学者提出了自复位耗能支撑的概念。自复位耗能支撑不仅能在地震时起到耗能减震的作用，还能在地震结束后通过提供自复位力使结构恢复到原来的位置。

自复位耗能支撑的耗能能力一般由阻尼器实现，而阻尼器经过多年的发展类型已十分丰富，如果能制作一套通用的自复位装置来配合不同类型的阻尼器实现自复位能力，就可以满足不同结构体系的不同自复位需求，且能充分利用阻尼器研究成果，充分扩大自复位耗能支撑的应用范围。

发明内容

本发明提供一种装配式自复位耗能支撑装置，其能够充分利用现有的阻尼器，使大部分阻尼器都能通过该自复位装置来组装成自复位耗能支撑。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种装配式自复位耗能支撑装置，包括外围约束单元、自复位单元、内芯连接单元和内部耗能单元，其中：

所述外围约束单元包括相对设置的第一约束板和第二约束板，所述第一约束板和第二约束板的底部通过底板连接，顶部相对分离，所述第一约束板和第二约束板的侧面设置有用于限制整个支撑装置出现面外失稳的槽钢约束单元，所述底板的外侧用于与建筑物一侧的梁/柱连接；

所述自复位单元包括第一限位挡板，所述第一限位挡板设置在所述第一约束板和第二约束板的顶部，所述底板的上方设置有第三限位挡板，所述第三限位挡板的上方在所述第一约束板和第二约束板的内侧下部分别固设有用于限制所述第三限位挡板向上运动的第三小挡板，所述第一约束板和第二约束板的内侧在所述第一限位挡板和第三限位挡板之间设置有至少一个第二限位挡板，所述第一约束板、第二约束板、底板和第一限位挡板之间形成空腔，所述自复位单元还包括沿纵向贯穿所述空腔的预应力筋，所述预应力筋依次穿过所述第一限位挡板、第二限位挡板和第三限位挡板并且两端向外伸出所述第一限位挡板和第三限位挡板之后用锚具固定；

所述内芯连接单元包括芯板，所述芯板的一端用于与建筑物另一侧的梁/柱连接，另一端依次穿过所述第一限位挡板、第二限位挡板和第三限位挡板的中部到达所述底板的上方，所述第一限位挡板的内侧在所述芯板上固设有用于推动所述第一限位挡板向上运动的第一小挡板，所述芯板上在所述第三限位挡板的上方固定设置有第二小挡板，所述第二小挡板在芯板的带动下向下移动时推动第三限位挡板向下移动，所述第二小挡板在芯板的带动下向上移动时由所述第二限位挡板进行限位；

所述内部耗能单元设置在所述第一约束板和芯板之间、以及所述第二约束板和芯板之间。

进一步的，所述内部耗能单元为多个U型耗能阻尼器。

进一步的，所述底板的外侧连接有第一支撑端板，所述第一支撑端板的末端设置有用于与建筑物一侧的梁/柱连接的第一端板连接板，所述芯板的外端连接有第二支撑端板，所述第二支撑端板的末端设置有用于与建筑物另一侧的梁/柱连接的第二端板连接板。

进一步的，所述第一限位挡板为U型，所述第一限位挡板的两个侧壁上开设有沿整个支撑装置纵向方向的长圆形螺栓孔，所述第一限位挡板与所述第一约束板和第二约束板之间通过第一螺栓连接。

进一步的，当整个支撑装置受拉时，未受力时所述长圆形螺栓孔的长度小于等于所述预应力筋可拉伸的长度，所述第二小挡板与所述第二限位挡板之间的距离小于等于所述长圆形螺栓孔的长度。

进一步的，当整个支撑装置受压时，所述第三限位挡板可向下移动的距离小于等于所述预应力筋可拉伸的长度。

进一步的，所述第二限位挡板为“H”形状的钢构件，所述第二限位挡板与所述第一约束板和第二约束板之间通过第二螺栓连接；所述第三限位挡板为矩形挡板，所述第三小挡板为一对由三块直钢板焊接而成的截面形状为三角形的挡板。

进一步的，所述U型耗能阻尼器由依靠塑性变形或者摩擦进行耗能的元件组成。

进一步的，所述槽钢约束单元的两端分别与所述第一约束板和第二约束板通过第二螺栓连接，所述U型耗能阻尼器的两个侧壁分别与所述第一约束板或第二约束板及芯板采用第三螺栓连接，所述第三小挡板焊接在所述第一约束板和第二约束板的内侧下部。

进一步的，所述第一螺栓为高强摩擦型螺栓，所述第二螺栓和第三螺栓均为普通螺栓；各单元均由钢材制作而成。

本发明具有以下有益效果：

本发明的装配式自复位耗能支撑装置，外围约束单元、自复位单元和内芯连接单元之间构造区分明确、力学模型简单、功能分配合理，安装方便，可以任意组合不同形式的阻尼器与预应力筋以达到使用需求；本发明的构造可以实现震后对内芯连接单元的快速拆卸，进行破损检测与更换，有效的实现了钢结构构件加工的工业化。

附图说明

图1为本发明的装配式自复位耗能支撑装置的主视图；

图2为本发明的装配式自复位耗能支撑装置的左视图；

图3为本发明的装配式自复位耗能支撑装置的自复位系统的结构示意图；

图4(a)～图4(c)为本发明的装配式自复位耗能支撑装置受到向上的拉力时的状态示意图，其中，图4(a)为整体结构示意图，图4(b)为图4(a)中A部分的局部放大图，图4(c)为图4(a)中B部分的局部放大图；

图5(a)～图5(c)为本发明的装配式自复位耗能支撑装置受到向下的压力时的状态示意图，其中，图5(a)为整体结构示意图，图5(b)为图5(a)中C部分的局部放大图，图5(c)为图5(a)中D部分的局部放大图；

图6为本发明的装配式自复位耗能支撑装置的第一约束板和第二约束板的示意图；

图7为本发明的装配式自复位耗能支撑装置的芯板的示意图；

图8为本发明的装配式自复位耗能支撑装置的第三限位挡板的示意图；

图9为本发明的装配式自复位耗能支撑装置的槽钢约束单元的示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种装配式自复位耗能支撑装置，如图1～图9所示，包括外围约束单元、自复位单元、内芯连接单元和内部耗能单元，其中：

外围约束单元包括相对设置的第一约束板1和第二约束板2，第一约束板1和第二约束板2的底部通过底板3连接，顶部相对分离，第一约束板1和第二约束板2的侧面设置有用于限制整个支撑装置出现面外失稳的槽钢约束单元4(槽钢约束单元可以为多个，如图1所示，优选为四个，等距离间隔分布在第一约束板1和第二约束板2之间，其中：最上面的槽钢约束单元固定在第一约束板1和第二约束板2之间的上部，其余三个的固定位置与第二限位挡板的固定位置相一致)，底板3的外侧用于与建筑物一侧的梁/柱连接；

自复位单元包括第一限位挡板5，第一限位挡板5设置在第一约束板1和第二约束板2的顶部，底板3的上方设置有第三限位挡板6(第三限位挡板6与第一约束板1和第二约束板2无直接连接关系)，第三限位挡板6的上方在第一约束板1和第二约束板2的内侧下部分别固设有用于限制第三限位挡板6向上运动的第三小挡板7，第一约束板1和第二约束板2的内侧在第一限位挡板5和第三限位挡板6之间设置有至少一个第二限位挡板8(第一限位挡板5、第二限位挡板8都与第一约束板1和第二约束板2有直接连接关系，第二限位挡板8用于对第二小挡板限位，第二限位挡板8的具体数量可以根据阻尼器的大小灵活设置，如果阻尼器很小很密集，可以隔两个就设置一个第二限位挡板，只要不影响阻尼器的放置就可以)，第一约束板1、第二约束板2、底板3和第一限位挡板5之间形成空腔18，自复位单元还包括沿纵向贯穿空腔18的预应力筋12，预应力筋12依次穿过第一限位挡板5、第二限位挡板8和第三限位挡板6并且两端向外伸出第一限位挡板5和第三限位挡板6之后用锚具13固定；

内芯连接单元包括芯板9，芯板9的一端用于与建筑物另一侧的梁/柱连接，另一端依次穿过第一限位挡板5、第二限位挡板8和第三限位挡板6的中部到达底板3的上方，第一限位挡板5的内侧在芯板9上固定设置有用于推动第一限位挡板5向上运动的第一小挡板10，芯板9上在第三限位挡板6的上方固定设置有第二小挡板11，第二小挡板11在芯板9的带动下向下移动时推动第三限位挡板6向下移动，第二小挡板11在芯板9的带动下向上移动时由第二限位挡板8进行限位；

内部耗能单元设置在第一约束板1和芯板9之间、以及第二约束板2和芯板9之间。

本发明的装配式自复位耗能支撑装置，外围约束单元、自复位单元和内芯连接单元之间构造区分明确、力学模型简单、功能分配合理、安装方便，可以任意组合不同形式的阻尼器与预应力筋以达到使用需求；本发明的构造可以实现震后对内芯连接单元的快速拆卸，进行破损检测与更换，有效的实现了钢结构构件加工的工业化。

优选的，内部耗能单元为多个U型耗能阻尼器14，U型耗能阻尼器14的数量以及布置位置均可以灵活设置，例如：可以采用如图1所示的布置方式，也可以采用如图4(a)和如图5(a)所示的布置方式，均可以起到耗能作用。应当理解的是，本发明除了可以采用U型耗能阻尼器外，还可以采用其他耗能元件，比如：在由第一约束板1、第二约束板2、底板3、第一限位挡板5形成的空腔内设置直钢板，均可以达到使用需求。内部耗能单元可以为支撑装置提供较高的自复位能力。

优选的，底板3的外侧连接有第一支撑端板17，第一支撑端板17的末端设置有用于与建筑物一侧的梁/柱连接的第一端板连接板19，芯板9的外端连接有第二支撑端板15，第二支撑端板15的末端设置有用于与建筑物另一侧的梁/柱连接的第二端板连接板16。

本发明中，第一限位挡板5为U型，第一限位挡板5的两个侧壁上开设有沿整个支撑装置纵向方向的长圆形螺栓孔，第一限位挡板5与第一约束板1和第二约束板2之间通过第一螺栓连接。

本发明的装配式自复位耗能支撑装置，图1为未工作时的初始状态，第一限位挡板5位于长圆形螺栓孔的最下侧，第三限位挡板6紧靠在第三小挡板7的下表面，预应力筋和内部耗能单元均处于未拉伸状态；工作时，当芯板9受到向上的拉力时，如图4(a)～图4(b)所示，图4(a)中箭头方向为拉力方向，第三限位挡板6靠在第三小挡板7上，第二小挡板11在芯板9的带动下向上移动时由第二限位挡板8进行限位，第一小挡板10推动第一限位挡板5沿长圆形螺栓孔向上移动，使第一限位挡板5与第一约束板1和第二约束板2的顶部之间产生一定的距离，在芯板9往上移动的过程中，预应力筋被拉伸，内部耗能单元也会被拉伸，从而起到耗能作用；当芯板9受到向下的压力时，如图5(a)～图5(c)所示，图5(a)中箭头方向为压力方向，第一限位挡板5位于长圆形螺栓孔的最下侧，即第一限位挡板5靠在第一约束板1和第二约束板2的顶部，第二小挡板11在芯板9的带动下向下移动时推动第三限位挡板6向下移动，使第三限位挡板6与第三小挡板7之间产生一定的距离，预应力筋被拉伸，内部耗能单元也会被拉伸，从而起到耗能作用；当向上的拉力或者向下的压力撤掉时，预应力筋12和内部耗能单元产生的回弹力会将第一限位挡板5或者第三限位挡板6拽回原位置，从而实现自复位功能。

优选的，当整个支撑装置受拉时，未受力时长圆形螺栓孔的长度小于等于预应力筋12可拉伸的长度，以使预应力筋保持在其弹性范围之内，第二小挡板11与第二限位挡板8之间的距离L(如图1中所示)小于等于长圆形螺栓孔的长度，以使整个支撑装置能够正常工作。另外，当整个支撑装置受压时，第三限位挡板6可向下移动的距离M(如图5(c)中所示)小于等于预应力筋12可拉伸的长度。以使预应力筋保持在其弹性范围之内。

进一步的，第二限位挡板8为“H”形状的钢构件，第二限位挡板8与第一约束板1和第二约束板2之间通过第二螺栓连接；第三限位挡板6为矩形挡板，第三小挡板7为一对由三块直钢板焊接而成的截面形状为三角形的挡板。

优选的，U型耗能阻尼器14可以由依靠塑性变形或者摩擦进行耗能的元件组成。

进一步的，槽钢约束单元4的两端分别与第一约束板1和第二约束板2通过第二螺栓连接，U型耗能阻尼器14的两个侧壁分别与第一约束板1或第二约束板2及芯板9采用第三螺栓连接，第三小挡板7焊接在第一约束板1和第二约束板2的内侧下部。

作为本发明的一种改进，第一螺栓优选为高强摩擦型螺栓，第二螺栓和第三螺栓均优选为普通螺栓，第二螺栓和第三螺栓可以采用相同规格的螺栓。高强摩擦型螺栓使连接件之间不会发生相对滑移变形，被连接板件按弹性整体受力；普通螺栓结构简单，拆装方便，容易更换。各单元均由钢材制作而成。这种材料使得各单元制作简单、质量可靠、截面较小、外形美观；而且这种材料使得U型耗能阻尼器具有良好的塑性变形能力和耗能能力，能够大量吸收输入建筑结构物的能量。

本发明的申请人之前提出了一种带U型耗能板的屈曲约束钢支撑(申请号为201620379687.9)，发明人研究发现，该“带U型耗能板的屈曲约束钢支撑”因无自复位功能，在遭受大震的情况下会产生较大的残余变形，残余变形超过了0.5％，修复成本大于重建成本；而本发明图1所示的实施例的装配式自复位耗能支撑装置，经过试验测试，证明在预应力筋保持弹性的情况下，残余变形不超过0.01％。

以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种装配式自复位耗能支撑装置，其特征在于，包括外围约束单元、自复位单元、内芯连接单元和内部耗能单元，其中：

所述外围约束单元包括相对设置的第一约束板和第二约束板，所述第一约束板和第二约束板的底部通过底板连接，顶部相对分离，所述第一约束板和第二约束板的侧面设置有用于限制整个支撑装置出现面外失稳的槽钢约束单元，所述底板的外侧用于与建筑物一侧的梁/柱连接；

所述自复位单元包括第一限位挡板，所述第一限位挡板设置在所述第一约束板和第二约束板的顶部，所述底板的上方设置有第三限位挡板，所述第三限位挡板的上方在所述第一约束板和第二约束板的内侧下部分别固设有用于限制所述第三限位挡板向上运动的第三小挡板，所述第一约束板和第二约束板的内侧在所述第一限位挡板和第三限位挡板之间设置有至少一个第二限位挡板，所述第一约束板、第二约束板、底板和第一限位挡板之间形成空腔，所述自复位单元还包括沿纵向贯穿所述空腔的预应力筋，所述预应力筋依次穿过所述第一限位挡板、第二限位挡板和第三限位挡板并且两端向外伸出所述第一限位挡板和第三限位挡板之后用锚具固定；

所述内芯连接单元包括芯板，所述芯板的一端用于与建筑物另一侧的梁/柱连接，另一端依次穿过所述第一限位挡板、第二限位挡板和第三限位挡板的中部到达所述底板的上方，所述第一限位挡板的内侧在所述芯板上固设有用于推动所述第一限位挡板向上运动的第一小挡板，所述芯板上在所述第三限位挡板的上方固定设置有第二小挡板，所述第二小挡板在芯板的带动下向下移动时推动第三限位挡板向下移动，所述第二小挡板在芯板的带动下向上移动时由所述第二限位挡板进行限位；

所述内部耗能单元设置在所述第一约束板和芯板之间、以及所述第二约束板和芯板之间。

2.根据权利要求1所述的装配式自复位耗能支撑装置，其特征在于，所述内部耗能单元为多个U型耗能阻尼器。

3.根据权利要求2所述的装配式自复位耗能支撑装置，其特征在于，所述底板的外侧连接有第一支撑端板，所述第一支撑端板的末端设置有用于与建筑物一侧的梁/柱连接的第一端板连接板，所述芯板的外端连接有第二支撑端板，所述第二支撑端板的末端设置有用于与建筑物另一侧的梁/柱连接的第二端板连接板。

4.根据权利要求1-3任一所述的装配式自复位耗能支撑装置，其特征在于，所述第一限位挡板为U型，所述第一限位挡板的两个侧壁上开设有沿整个支撑装置纵向方向的长圆形螺栓孔，所述第一限位挡板与所述第一约束板和第二约束板之间通过第一螺栓连接。

5.根据权利要求4所述的装配式自复位耗能支撑装置，其特征在于，当整个支撑装置受拉时，未受力时所述长圆形螺栓孔的长度小于等于所述预应力筋可拉伸的长度，所述第二小挡板与所述第二限位挡板之间的距离小于等于所述长圆形螺栓孔的长度。

6.根据权利要求5所述的装配式自复位耗能支撑装置，其特征在于，当整个支撑装置受压时，所述第三限位挡板可向下移动的距离小于等于所述预应力筋可拉伸的长度。

7.根据权利要求6所述的装配式自复位耗能支撑装置，其特征在于，所述第二限位挡板为“H”形状的钢构件，所述第二限位挡板与所述第一约束板和第二约束板之间通过第二螺栓连接；所述第三限位挡板为矩形挡板，所述第三小挡板为一对由三块直钢板焊接而成的截面形状为三角形的挡板。

8.根据权利要求3所述的装配式自复位耗能支撑装置，其特征在于，所述U型耗能阻尼器由依靠塑性变形或者摩擦进行耗能的元件组成。

9.根据权利要求7所述的装配式自复位耗能支撑装置，其特征在于，所述槽钢约束单元的两端分别与所述第一约束板和第二约束板通过第二螺栓连接，所述U型耗能阻尼器的两个侧壁分别与所述第一约束板或第二约束板及芯板采用第三螺栓连接，所述第三小挡板焊接在所述第一约束板和第二约束板的内侧下部。

10.根据权利要求9所述的装配式自复位耗能支撑装置，其特征在于，所述第一螺栓为高强摩擦型螺栓，所述第二螺栓和第三螺栓均为普通螺栓；各单元均由钢材制作而成。