CN108468392A - 转动型自复位耗能装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种转动型自复位耗能装置，属于减震技术领域。所述转动型自复位耗能装置包括自复位部件、耗能部件和连接部件。其中，自复位部件包括带刻齿的剪切钢板，环形弹簧和高强螺栓；耗能部件采用剪切型阻尼器；连接部件包括连接板和高强螺栓；通过自复位部件实现震后自复位，消除残余变形；通过耗能部件耗散地震能量；通过连接部件使本发明与结构构件连接，并约束节点区混凝土，提升节点抗震能力。本发明可以安装在梁柱节点或柱脚节点，不影响建筑使用功能，既能提供自复位能力，又能提供耗能能力，地震作用后无残余位移；具有耗散地震能量、消除残余位移和不影响建筑使用功能的突出优势，可广泛用于新建建筑抗震设计和既有建筑抗震加固。

Description

转动型自复位耗能装置

技术领域

本发明属于减震技术领域，尤其涉及一种转动型自复位耗能装置，可用于新建建筑抗震设计和既有建筑抗震加固。与自复位钢筋混凝土框架节点联合使用，可以使结构在震后无损伤和残余变形，极大减少结构损伤，修复成本和修复时间。

背景技术

我国新建建筑结构在进行抗震设计时，采用“三水准”的设防目标，即在多遇地震下结构保持弹性；在设防地震下建筑可能损坏，但经一般修理后可继续使用；在罕遇地震下建筑不倒塌。

近年的地震震害结果表明，传统抗震结构建筑满足罕遇地震下不倒塌的设计要求，但是由于结构的损伤导致的间接损失非常巨大。随着社会经济的发展，城市化进程加快，资源在有限的区域内高度集中，人们迫切地需要结构在强震后迅速恢复使用功能，即可恢复功能性。研究表明，地震后结构残余位移是评价结构损伤、结构修复成本和修复时间的重要指标。为了提升结构的抗震能力，目前使用较多的是结构减震技术和结构隔震技术。

结构减震技术是通过在结构中增加阻尼构件来耗散地震能量，然而其不具有自复位能力，在强震作用下仍会产生较大的残余位移。

结构隔震技术是通过在基础、柱间等处设计隔震单元以减少上部结构地震作用，但需预设隔震沟等措施，增加工程量。

对于既有建筑的抗震加固，以钢筋混凝土结构为例，现阶段比较成熟并被广泛应用的传统加固方法有：(1)增设支撑加固法；(2)框架梁柱加固法；(3)增设抗震墙加固法。随着消能减震技术的发展，减震阻尼构件被越来越多地用于结构加固，例如屈曲约束支撑、黏弹性阻尼器等。这些减震阻尼构件往往设于结构跨间，影响建筑使用功能。基于此，近年来出现了安装在梁柱节点的阻尼构件，但其无法提供消除残余位移的自复位能力。

为减少结构震后残余位移，近年来研究者提出了自复位框架节点。自复位框架节点允许节点的开合，将材料非线性转化为几何非线性，设置后张拉预应力筋以提供自复位能力，设置软钢等耗能元件消耗地震能量。但在框架梁柱中大量使用后张拉预应力筋，将使其配筋更为复杂，且结构生命周期中预应力质量难以保证，结构在长期荷载和环境作用下可靠度差。

发明内容

本发明的目的是，为了解决消能减震技术震后残余变形大、布置影响建筑使用功能的问题，而提出一种转动型自复位耗能装置，布置在梁柱节点或柱脚节点，在不影响建筑使用功能的前提下对既有建筑进行抗震加固，且消除加固后建筑的震后残余位移。

为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：

原理设计：

其包括自复位部件、耗能部件和连接部件。其原理是：自复位部件通过相互叠加的带刻齿剪切钢板将平面内转动相对运动转化为平面外轴向运动，在平面外轴向方向设置高强螺栓和环形弹簧，通过高强螺栓预应力和环形弹簧轴向变形刚度提供装置自复位能力。带刻齿剪切钢板间的摩擦耗散一部分能量。耗能部件设计为剪切型阻尼器，例如黏弹性阻尼器，提供装置耗能能力。自复位部件与耗能部件分离的设计可以使装置设计具有很好的灵活性。连接部件将本发明装置与框架节点可靠连接，并约束节点混凝土，提升节点抗震能力。

具体的结构设计：

本发明提出的转动型自复位耗能装置包括自复位部件，耗能部件，连接部件。

所述自复位部件，包括两个与柱节点连接的第一带刻齿剪切钢板，一个与梁/基础节点连接的第二带刻齿剪切钢板，环形弹簧，第一高强螺栓。第一带刻齿剪切钢板的端部和第二带刻齿剪切钢板的端部分别预设钢板，以便于与连接板和柱(梁)连接，第二带刻齿剪切钢板位于两个第一带刻齿剪切钢板之间，且两个第一带刻齿剪切钢板内侧的刻齿分别和第二带刻齿剪切钢板的刻齿在初始状态完全契合。

在两个第一带刻齿剪切钢板、第二带刻齿剪切钢板中穿设第一高强螺栓，在两个第一带刻齿剪切钢板外侧分别设置环形弹簧，使装置具有平面外轴向刚度及自复位能力。两个第一带刻齿剪切钢板均开设有孔道(即正常的螺栓孔)，第二带刻齿剪切钢板上开设有螺栓滑动槽孔，第一高强螺栓依次穿过一个第一带刻齿剪切钢板上的孔道、第二带刻齿剪切钢板上的螺栓滑动槽孔、另一个第一带刻齿剪切钢板上的孔道，并在第一高强螺栓的两端各套设一个环形弹簧，同时对应于环形弹簧的外侧，第一高强螺栓的两端分别用螺帽固定，并预设一定预紧力。第二带刻齿剪切钢板上开设的螺栓滑动槽孔，使得第一带刻齿剪切钢板与第二带刻齿剪切钢板之间可以产生相对运动。

进一步，在第一带刻齿剪切钢板与环形弹簧之间设置有垫圈，设置垫圈可以使环形弹簧和第一高强螺栓作用于带刻齿剪切钢板的压力均匀，避免应力集中。

自复位部件通过设计第一带刻齿剪切钢板和第二带刻齿剪切钢板上的刻齿，将节点转动变形转化为垂直于第一带刻齿剪切钢板和第二带刻齿剪切钢板的轴向变形，同时在该方向上设置环形弹簧和第一高强螺栓，并施加预紧力，使装置具有自复位性能。

所述耗能部件，可以采用黏弹性阻尼器或摩擦型阻尼器等多种阻尼构件。

以黏弹性阻尼器为例，耗能部件可以包括两个与柱节点连接的第一剪切钢板，一个与梁/基础连接的第二剪切钢板，黏弹性阻尼材料。第二剪切钢板位于两个第一剪切钢板之间，同时第一剪切钢板与第二剪切钢板之间设置有黏弹性阻尼材料。第一剪切钢板和第二剪切钢板分别在端部设钢板，用于连接框架节点。节点转动时，第一剪切钢板和第二剪切钢板之间产生相对运动，黏弹性阻尼材料剪切耗能。为增强耗能能力，也可以增加铅芯(在剪切型黏弹性阻尼器中增加柱状铅芯(横穿剪切钢板和黏弹性材料)，形成铅黏弹性阻尼器)。耗能部件可设在自复位部件的外围，在相同的节点转角下，第一剪切钢板和第二剪切钢板相对于第一带刻齿剪切钢板和第二带刻齿剪切钢板产生更大的相对运动，有利于扩大阻尼材料耗能效率。

所述连接部件，包括柱连接板，梁连接板，第二高强螺栓。柱连接板通过第二高强螺栓分别将自复位部件和耗能部件与柱节点连接，并施加一定的预紧力；梁连接板通过第二高强螺栓分别将自复位部件和耗能部件与梁/基础节点连接，并施加一定的预紧力。

安装时，首先在柱和梁/基础中打好孔道，放置柱连接板和梁连接板；接着连接自复位部件；第二高强螺栓依次穿过柱的孔道、柱连接板、第一带刻齿剪切钢板的端头，用螺帽锚固，并施加一定的预紧力；同样的，第二高强螺栓依次穿过梁/基础的孔道、梁连接板、第二带刻齿剪切钢板的端头，用螺帽锚固，并施加一定的预紧力；使用类似的方式连接耗能部件。预紧力在保证本发明与梁柱节点可靠连接的同时，约束节点区混凝土，增强其抗震能力。在柱连接板和第一带刻齿剪切钢板端部钢板上预设螺栓滑动槽孔，并设润滑剂减小摩擦，允许两个第一带刻齿剪切钢板之间距离变化。

本发明可用于普通框架节点，也可用于自复位框架节点。

当本发明与自复位框架节点联合使用时，可以避免后张拉预应力筋的设置，提高结构可靠度。由于节点混凝土几乎不进入非线性，系统又具有自复位能力，整个结构体系可以在震后无损伤和残余变形，极大提升结构抗震能力；在地震作用下既能提供阻尼耗散地震能量，又能提供自复位能力，消除残余位移，极大地减少结构修复成本和修复时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)由于设置自复位部件，使装置具有自复位能力，减少甚至消除结构震后残余位移大的问题。

(2)由于分别设置自复位部件和耗能部件，使装置自复位能力与耗能能力分离，可以随意组合，设计灵活。

(3)布置在梁柱节点或柱脚节点角部，不影响建筑使用功能。

(4)由于设置连接板并施加预紧力，本发明可约束节点混凝土，增强结构抗震性能。

(5)现场安装为螺栓连接，无焊接工艺，方便快捷。

(6)所用材料成本低廉，构造简单，加工方便。

附图说明

图1是本发明实施例提供的转动型自复位耗能装置正视图；

图2是本发明实施例提供的装置与柱连接部件正视图；

图3是本发明实施例提供的装置与梁/基础连接部件正视图；

图4是图1中1-1剖面图(产生相对运动之前)；

图5是图1中1-1剖面图(产生相对运动之后)；

图6是图1中2-2剖面图；

图7是图2中3-3剖面图；

图8是图3中4-4剖面图；

图9是实施例提供的自复位部件转动弯矩-转角滞回关系；

图10是实施例提供的耗能部件转动弯矩-转角滞回关系；

图11是实施例提供的转动型自复位耗能装置转角弯矩-转角滞回关系；

图12是本发明实施例提供的转动型自复位耗能装置的一种具体应用(安装于梁柱节点)；

图13是本发明实施例提供的转动型自复位耗能装置的另一种具体应用(安装于柱脚节点)；

图中标号：

1为自复位部件、2为耗能部件、3为连接部件、4为第一带刻齿剪切钢板、5为第二带刻齿剪切钢板、6为环形弹簧、7为垫圈、8为第一高强螺栓、9为第一剪切钢板、10为第二剪切钢板、11为黏弹性阻尼材料、12为螺栓滑动槽孔、13为柱连接板、14为梁连接板、15为第二高强螺栓、16为框架柱、17为框架梁、18为基础梁。

具体实施方式

下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的转动型自复位耗能装置的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚。

需要说明的是，本发明的实施例有较佳的实施性，并非是对本发明任何形式的限定。本发明实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本发明优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本发明实施例所属技术领域的技术人员所理解。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

本发明的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，并非是限定本发明可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本发明附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

如图1至图13所示，本发明提供一种转动型自复位耗能装置。

应用本发明时，首先在工厂预制好本发明装置各单元，包括柱连接板13、梁连接板14、与柱连接板13连接的第一带刻齿剪切钢板4、与梁/基础连接板连接的第二带刻齿剪切钢板5、与柱连接板13连接的第一剪切钢板9、为与梁连接板14连接的第二剪切钢板10、环形弹簧6、第一高强螺栓8、第二高强螺栓15、垫圈7等。当耗能部件2使用黏弹性阻尼器时，第一剪切钢板9、第二剪切钢板10和黏弹性阻尼材料11应在工厂预制时粘结，形成整体。

安装时，在柱和梁/基础中打好孔道，放置柱连接板13和梁连接板14，第一带刻齿剪切钢板4、第二带刻齿剪切钢板5。微调第一带刻齿剪切钢板4、第二带刻齿剪切钢板5的位置，使第一带刻齿剪切钢板4的刻齿与第二带刻齿剪切钢板5的刻齿完全契合。固定自复位部件1，将第二高强螺栓15穿过柱、柱连接板13、第一带刻齿剪切钢板4的端头，用螺帽锚固，并施加一定预紧力；将第二高强螺栓15穿过梁/基础、梁连接板14、第二带刻齿剪切钢板5的端头，用螺帽锚固，并施加一定预紧力。第一带刻齿剪切钢板4的端头与第二高强螺栓15之间涂抹润滑剂，使其可沿预留槽孔滑动。固定耗能部件2，放置第一剪切钢板9、第二剪切钢板10及黏弹性阻尼材料11，将第二高强螺栓15穿过柱、柱连接板13、第一剪切钢板9的端头，用螺帽锚固，并施加一定预紧力，将第二高强螺栓15穿过梁/基础、梁连接板4、第二剪切钢板10的端头，用螺帽锚固，并施加一定预紧力。连接具体构造参见图2-3，图7-8。

参见图1，图4-6。将第一高强螺栓8依次穿过一个第一带刻齿剪切钢板4上的孔道、垫圈7、第二带刻齿剪切钢板5上的螺栓滑动槽孔12、另一个垫圈7、另一个第一带刻齿剪切钢板4上的孔道，并在第一高强螺栓8的两端各套设一个环形弹簧6，同时对应于环形弹簧6的外侧，第一高强螺栓8的两端分别用螺帽固定，并预设一定预紧力。至此，本发明实施例提供的转动型自复位耗能装置安装完成。无焊接工艺，安装快捷。

本发明的自复位和耗能机理。

本发明中，自复位部件1的转动弯矩-位移滞回关系参见图9，其工作原理如下：

参见图4-5。节点转动弯矩引起带刻齿剪切钢板4和带刻齿剪切钢板5在沿圆弧方向上的轴向力。以节点转角张开为例。第一阶段：在节点转动弯矩为零时，第一带刻齿剪切钢板4的刻齿和第二带刻齿剪切钢板5的刻齿之间受到由第一高强螺栓8预紧力产生的压力作用。第二阶段：在节点转动弯矩较小时，第一带刻齿剪切钢板4和第二带刻齿剪切钢板5沿圆弧方向的轴向力使刻齿之间产生相对运动的趋势，但由于刻齿间的预压力及其产生的摩擦力的存在，第一带刻齿剪切钢板4和第二带刻齿剪切钢板5之间不能产生相对运动。此时，自复位部件1的刚度为第一带刻齿剪切钢板4和第二带刻齿剪切钢板5的刚度，为一个较大的值。第三阶段：当节点转动弯矩继续增大时，预压力及其产生的摩擦力无法克服第一带刻齿剪切钢板4和第二带刻齿剪切钢板5之间的相对运动趋势，第一带刻齿剪切钢板4和第二带刻齿剪切钢板5之间产生相对运动，两个第一带刻齿剪切钢板4之间距离扩大，压缩环形弹簧6。此时，自复位部件1的刚度与环形弹簧6轴向刚度和刻齿倾斜角度有关，通过合理的设计可以使其具有合适的刚度。第四阶段：当节点转动弯矩开始卸载时，第一带刻齿剪切钢板4和第二带刻齿剪切钢板5之间的相对运动趋势由张开转化为靠近，在刻齿界面处摩擦力渐渐变为反向，由于摩擦力未达到滑动摩擦力，此时自复位部件1无相对运动，刚度与第二阶段相同，为一个较大的值。第五阶段：节点转动弯矩继续卸载，刻齿界面处摩擦力达到滑动摩擦力，在刻齿形状和环形弹簧6、第一高强螺栓8压力作用下，刻齿渐渐复位，此时自复位部件1的刚度与环形弹簧6轴向刚度和刻齿倾斜角度有关，通过合理的设计可以使其具有合适的刚度。第六阶段：由于第一高强螺栓8预紧力的存在，刻齿复位时节点转动弯矩尚未卸载到零。继续卸载，第一带刻齿剪切钢板4和第二带刻齿剪切钢板5之间无相对运动，此时刚度与与第二阶段相同，为一个较大的值。节点转动弯矩卸载至零时，装置转角无残余位移。节点转角减小的情况与节点转角张开的弯矩-转角关系相同。自复位部件1在实现完全自复位的同时，通过摩擦耗散一定的地震能量。

本发明中，耗能部件的转动弯矩-位移滞回关系参见图10，其工作原理为黏弹性阻尼材料11剪切耗能。为增强耗能能力，也可以增加铅芯。耗能部件1设在自复位部件的外围，在相同的节点转角下，第一剪切钢板9和第二剪切钢板10相对于第一带刻齿剪切钢板4和第二带刻齿剪切钢板5产生更大的相对运动，有利于扩大阻尼材料耗能效率。

本发明所述的转动型自复位耗能装置转角弯矩-转角滞回关系为自复位部件滞回关系与耗能部件滞回关系的累加，参见图11。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (7)

1.一种转动型自复位耗能装置，其特征在于：包括自复位部件(1)、耗能部件(2)和连接部件(3)；

自复位部件(1)和耗能部件(2)均通过连接部件(3)与框架节点连接；自复位部件(1)提供自复位能力，减小残余变形，并耗散一定地震能量；耗能部件(2)增加结构阻尼，耗散地震能量，减小地震作用；自复位部件(1)和耗能部件(2)之间分离设计，且耗能部件(2)设置在自复位部件(1)的外围。

2.根据权利要求1所述的转动型自复位耗能装置，其特征在于：所述自复位部件(1)包括与柱节点连接的第一带刻齿剪切钢板(4)，与梁/基础节点连接的第二带刻齿剪切钢板(5)，环形弹簧(6)，第一高强螺栓(8)；

第一带刻齿剪切钢板(4)设置有两个，第二带刻齿剪切钢板(5)位于两个第一带刻齿剪切钢板(4)之间，且两个第一带刻齿剪切钢板(4)的刻齿分别和第二带刻齿剪切钢板(5)的刻齿在初始状态完全契合；

两个第一带刻齿剪切钢板(4)均开设有孔道，第二带刻齿剪切钢板(5)上开设有螺栓滑动槽孔(12)；第一高强螺栓(8)依次穿过一个第一带刻齿剪切钢板(4)上的孔道、第二带刻齿剪切钢板(5)上的螺栓滑动槽孔(12)、另一个第一带刻齿剪切钢板(4)上的孔道，并在其两端各套设一个环形弹簧(6)，同时对应于环形弹簧(6)的外侧，第一高强螺栓(8)的两端分别用螺帽固定，并预设一定预紧力。

3.根据权利要求2所述的转动型自复位耗能装置，其特征在于：所述自复位部件(1)还包括垫圈(7)；

垫圈(7)设置在第一带刻齿剪切钢板(4)与环形弹簧(6)之间。

4.根据权利要求1所述的转动型自复位耗能装置，其特征在于：所述耗能部件(2)采用黏弹性阻尼器或摩擦型阻尼器。

5.根据权利要求4所述的转动型自复位耗能装置，其特征在于：所述耗能部件(2)采用黏弹性阻尼器时，其包括与柱节点连接的第一剪切钢板(9)，与梁/基础节点连接的第二剪切钢板(10)，黏弹性阻尼材料(11)；

第一剪切钢板(9)设置有两个，第二剪切钢板(10)位于两个第一剪切钢板(9)之间，同时第一剪切钢板(9)与第二剪切钢板(10)之间设置有黏弹性阻尼材料(11)；节点转动时，第一剪切钢板(9)、第二剪切钢板(10)相对运动并引起黏弹性阻尼材料(11)剪切耗能。

6.根据权利要求1所述的转动型自复位耗能装置，其特征在于：所述连接部件(3)包括柱连接板(13)，梁连接板(14)，第二高强螺栓(15)；

柱连接板(13)通过第二高强螺栓(15)分别将自复位部件(1)和耗能部件(2)与柱节点连接，并施加一定的预紧力；

梁连接板(14)通过第二高强螺栓(15)分别将自复位部件(1)和耗能部件(2)与梁/基础节点连接，并施加一定的预紧力。

7.根据权利要求6所述的转动型自复位耗能装置，其特征在于：在柱连接板(13)和自复位部件(1)上预设第二高强螺栓(15)的滑动槽孔。