CN108729721A - 一种高耗能和强恢复式减震brb装置 - Google Patents

一种高耗能和强恢复式减震brb装置 Download PDF

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Abstract

一种高耗能和强恢复式减震BRB装置，钢管（1）包括钢管（1‑1）和钢管（1‑2）；耗能单元由摩擦材料（2）和高强弹簧（7）组成；复位单元由高强弹簧（7）组成；固定单元由外套管（5）、锁紧固定环（4）及高强螺栓（3）三部分组成，传动单元的钢管（1‑1）和钢管（1‑2）分别与高强弹簧（7）的两端焊接连接，耗能单元的摩擦材料（2）与固定单元的外套管（5）卡槽式内镶嵌连接，固定单元的锁紧固定环（4）定位于外套管（5）的固定环位置凹槽（8）内通过高强螺栓（3）进行螺栓，耗能单元的摩擦材料（2）在固定单元的外套管（5）、锁紧固定环（4）和高强螺栓（3）的紧箍作用下与外套管（5）的外表面承压式接触连接。

Description

一种高耗能和强恢复式减震BRB装置
技术领域
本发明涉及减震耗能技术，尤其涉及强耗能和强恢复式的减震BRB装置。
背景技术
地震是一种分布较广自然灾害，强烈地震会引起地震区地面剧烈摇晃和颠簸，常造成建筑物的破坏且危及人民生命财产。我国处于地球的两大地震带之间，是一个多地震国家。据统计，我国大陆地震约占世界大陆地震的三分之一。我国一半以上的城市位于地震基本烈度7度或7度以上地区。我国地震活动频度高、强度大、震源浅、分布广，是一个震灾严重的国家。1900年以来，中国死于地震的人数达70万之多，占全球地震死亡人数的53％；1949年以来，100多次破坏性地震袭击了22个省(自治区、直辖市)，其中涉及东部地区14个省份，造成27万余人丧生，占全国各类灾害死亡人数的54％，地震成灾面积达30多万平方公里，房屋倒塌达700万间。20世纪全球两次死亡20万人以上的大地震均发生于我国。1920年宁夏海原地震(8.5级)死亡23.4万人。1976年河北唐山地震(7.8级)死亡24.2万人。地震灾害给人们带来巨大的损害中建筑破坏占主要地位，灾后发现究其主要原因是建筑物缺乏足够的耗能能力与延性。因此基于结构耗能抗震设计设想也开始被结构工程领域学者提起，其中BRB(屈曲约束支撑)是近年来学者提出应用在实际建筑结构中较好的减震耗能构件。
屈曲约束支撑又称防屈曲约束支撑或BRB(Bucklingrestrainedbrace), 产品技术最早发展于1973年的日本，日本学者成功研发了最早的墙板式防屈曲支撑，并对其进行了加入不同无粘结材料的拉压试验；1994年北岭地震后，美国也开始了对防屈曲支撑体系进行相应的设计研究和大比例试验，同时结合理论计算分析了该支撑体系较其他支撑体系的优点。BRB是一种兼具抗侧承载力和耗能性能的耗能减震构件，同时作为一种支撑构件，将其应用于实际建筑结构中可以很好地抵抗外部荷载和消耗由于地震等其它因素产生的能量，以达到支撑和耗能作用。防屈曲支撑体系是一种经济效益非常好的结构体系，其既能够替代支撑构件提供支撑刚度，又能够保证在大震作用下进行耗能，解决了传统支撑构件通过加大截面来解决结构在地震作用时的屈曲问题，其在地震作用下具有良好的耗能效果。在小、中地震作用下，防屈曲耗能支撑可以如普通支撑构件一样提供抗侧刚度，而在大震作用下构件通过外包构件阻止内核的屈曲来达到消耗地震能量的目的。研究表明，在结构体系中防屈曲支撑构件在拉压反复荷载作用下，表现出基本相同的滞回性能，且滞回曲线饱满，是耗能良好的构件。BRB耗能构件由套管、芯板和位于套管与芯板之间其润滑作用的材料，现广泛使用的BRB耗能构件套管为高强度钢材构成的矩形框体，质量较大且笨重，需在外部涂漆；芯板主要有一字型和十字型两类，一字型只有一个维度的钢度，易发生屈曲，十字型有两个角钢焊接而成，在焊接处易发生应力集中而破坏。润滑材料为混凝土砂浆加无粘结材料，需浇灌混凝土，施工复杂且自重大，同时很难满足构件中内核构件与混凝土之间的所需间隙的精度要求，同时它还是没有脱离原始的主要靠杆件的屈曲耗能，在较大地震作用下仅靠杆件自身的恢复力很难将整个结构恢复到初始设计稳定状态来继续抵抗外荷载和消能的作用，并且在使用过程中还是容易造成破坏，则更换会变得较为频繁。
发明内容
本发明的目的是提供一种高耗能和强恢复式减震BRB装置。
本发明是一种高耗能和强恢复式减震BRB装置，由传动单元、耗能单元，复位单元及固定单元组成，传动单元由钢管1组成，其中钢管1包括第一钢管 1-1和第二钢管1-2；耗能单元由摩擦材料2和高强弹簧7组成；复位单元由高强弹簧7组成；固定单元由外套管5、锁紧固定环4及高强螺栓3三部分组成，其中锁紧固定环4包括第一锁紧固定环4-1和第二锁紧固定环4-2，高强螺栓3 包括第一高强螺栓3-1、第二高强螺栓3-2、第三高强螺栓3-3和第四高强螺栓 3-4；所述的各部分中，传动单元的第一钢管1-1和第二钢管1-2分别与高强弹簧7的两端焊接连接，耗能单元的摩擦材料2与固定单元的外套管5卡槽式内镶嵌连接，固定单元的锁紧固定环4定位于外套管5的固定环位置凹槽8内通过高强螺栓3进行螺栓，耗能单元的摩擦材料2在固定单元的外套管5、锁紧固定环 4和高强螺栓3的紧箍作用下与外套管5的外表面承压式接触连接。
本发明相对于背景技术而言比较突出的优点有：本发明减震BRB装置根据实际建筑结构需要组装好之后，可通过需求安装在网架或网壳的特定受力位置。与传统BRB相比，有以下有点区别:(1)摩擦材料2的选择，可以通过计算钢管 1与其之间所需要的摩擦系数来确定，这对整体摩擦耗能提供了较高的精确性。摩擦滑移面间作用压力大小可由高强螺栓3和锁紧固定环4构件通过螺栓拧紧与放松实现需要值(每一圈螺纹加力多少可以预先计算螺栓加载力实现)，比以往浇筑混凝土结构实施灵活且精确。(2)耗能主要由强耗能的摩擦材料2和高强弹簧7承担，改变了传统由杆件单一耗能技术，大大地提高了耗能能力及减震效果并降低了杆件的受损率。(3)高强弹簧7的设置为构件在地震作用等荷载消失后提供了高效的恢复力及减震效果。(4)本发明结构简单、各构件之间协调性高，造价低廉，一般大震后无需修复或只需替换部分构件且容易更换，且不会对其它相邻构件产生影响。
本发明可根据实际建筑结构的受力特点和耗能需求，通过改变摩擦材料的性能和厚度，可调整其结构形状为圆形或方形，调节高强螺栓施加所需压力，选择弹簧刚度和尺寸等参数，灵活调节各参数之间的需要关系，可普遍应用在大跨度网架或网壳结构型式中。
附图说明
图1是整体构造示意图，图2是整体构造正视图，图3是整体构造左视图，图4是整体构件纵向剖面图，图5是套管与摩擦材料内部示意图，图6是外套管表面示意图，图7是锁紧可变加载器示意图，图8是传动构件的纵向剖面图，图9是外套管半部分内部构造图，图10是该新型BRB装置在网壳中的应用示意图。
附图标记及对应名称为：钢管1包括第一钢管1-1和第二钢管1-2，摩擦材料2，高强螺栓3包括第一高强螺栓3-1、第二高强螺栓3-2、第三高强螺栓3-3和第四高强螺栓3-4，锁紧固定环4包括第一锁紧固定环4-1和第二锁紧固定环4-2，外套管5，弹簧布置轨道6，高强弹簧7，固定环位置凹槽8，摩擦材料位置凹槽9，新型BRB装置构造10，钢管实心端11。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种广泛适用于大跨度网架和网壳结构中的新型耗能减震BRB装置，该装置旨在强震作用下实现高耗能和强恢复，减少结构的损伤。该装置可用于新建结构工程，也可替换已建结构中损坏的构件。
如图1～图8所示，本发明是一种高耗能和强恢复式减震BRB装置，由传动单元、耗能单元，复位单元及固定单元组成，传动单元由钢管1组成，其中钢管1包括第一钢管1-1和第二钢管1-2；耗能单元由摩擦材料2和高强弹簧7组成；复位单元由高强弹簧7组成；固定单元由外套管5、锁紧固定环4及高强螺栓3三部分组成，其中锁紧固定环4包括第一锁紧固定环4-1和第二锁紧固定环 4-2，高强螺栓3包括第一高强螺栓3-1、第二高强螺栓3-2、第三高强螺栓3-3 和第四高强螺栓3-4；所述的各部分中，传动单元的第一钢管1-1和第二钢管1-2分别与高强弹簧7的两端焊接连接，耗能单元的摩擦材料2与固定单元的外套管 5卡槽式内镶嵌连接，固定单元的锁紧固定环4定位于外套管5的固定环位置凹槽8内通过高强螺栓3进行螺栓，耗能单元的摩擦材料2在固定单元的外套管5、锁紧固定环4和高强螺栓3的紧箍作用下与外套管5的外表面承压式接触连接。
如图1、图4、图7、图8、图9所示，所述的传力单元的钢管1端部设置的钢管实心端11与高强弹簧7的两端焊接连接；耗能单元的高强弹簧7分别与钢管实心端11焊接连接，摩擦片与外套管5卡槽式连接且设置在摩擦材料位置凹槽9中；复位单元的兼耗能作用的高强弹簧7与传力单元焊接连接；固定单元的外套管5在锁紧固定环4的作用下通过高强螺栓3与钢管1进行螺栓连接。
如图1、图6所示，所述的钢管1和外套管5是完全相同结构的两部分组成，摩擦片是完全相同的四片且镶嵌在外套管里面的，锁紧固定环4是固定于外套管外表面设置的固定环位置凹槽8之中。
如图1、图8所示，所述的传动单元的钢管1与耗能单元焊接的位置是一段钢管实心端11，摩擦片的外边面面积大于外套管内表面面积。
如图1、图4所示，所述的构造在结构受外荷载作用时分别由高强弹簧 7的伸缩变形和摩擦材料2与钢管1的外边面发生相对摩擦滑移提供结构的减震耗能。
如图1、图4、图5、图6、图9所示，耗能单元的高强弹簧7同时也是复位单元，高强弹簧7的长度方向的中点对应于弹簧轨道6的中点设置，其中弹簧布置轨道6的内直径大于高强弹簧7的外直径；高强螺栓3穿过锁紧固定环4 中的螺栓孔使安装在外套管5外边面的固定环位置凹槽8处的锁紧固定环4通过拧紧高强螺栓3施加所需力将部件承压式组装成一个整体。
如图1～图9所示，是一种高耗能和强恢复式的减震BRB装置的构造，该装置主要由传动单元、耗能单元、复位单元和固定单元组成。摩擦材料2与外套管5通过镶嵌的方式连接，以限制两者之间发生相对滑动影响整体构件工作。高强弹簧7与钢管1实心端部11通过焊接连接，保证焊接充分且钢管端部能承受比弹簧更大的荷载而不发生塑性变形，以实现高强弹簧伸缩耗能和强复位功能。两个分别镶嵌摩擦材料2的完全相同的外套管5两端由锁紧固定环4分别固定在钢管1外表面的两端，锁紧固定环4设置在固定环位置凹槽8中，通过调节高强螺栓3施加所需压应力，使结构要发生的相对摩擦滑移面处于受压状态，当装置受荷载作用随着高强弹簧7的伸缩发生摩擦面间的相对摩擦滑动耗能。该构造在结构中的布置位置可根据结构模型的计算定位，替换在外荷载作用下受力较大的杆件。因此，该发明可应用于网架或网壳受力较大的杆件部位，在地震作用下通过该装置的高强弹簧7伸缩和摩擦材料2接触面的相对摩擦滑移达到减震耗能的效果。
在地震作用等荷载作用于整体建筑结构时，传动单元的钢管1会把作用力以各杆件轴力的形式传递到耗能单元，为实现充分利用耗能单元耗能和保护传动单元，保证传动单元构件的强度和刚度大于该装置在高强弹簧7和摩擦材料2 作用下的强度和刚度，以使该装置优先于传动单元构件作用，同时保证弹簧性能良好及其压缩和伸长量满足根据实际建筑结构受力和耗能特性确定的需要。
本发明的具体工作过程如下：
本发明根据摩擦耗能和高强弹簧伸缩耗能原理设计，当建筑结构处于无大震等的荷载作用时传动单元与摩擦片之间不发生相对滑动且高强弹簧处于一定量压缩量的稳定状态，即传动单元本身可以抵抗荷载和消耗能量，总体建筑结构处于安全状态。当地震等荷载作用时，本装置根据以下耗能和承载原理工作：
当传动单元左右两端作用轴向力为N时，
传动单元的极限承载力设为f,
传动单元与摩擦片之间的摩擦系数为u，二者法向作用压力为FN,即摩擦力：Ff＝uFN。
在保证高强弹簧发生受力耗能时，需使f＞Ff，即在传动单元承受极限荷载范围以内，其与摩擦片之间发生相对滑动，实现动摩擦。
设此时N＝N1＜f是发生动摩擦的临界值，即N1＝Ff，Ff数值可由 u和FN确定，一般情况根据需要选定摩擦材料确定u，调节高强螺栓(3)确定相应接触面法向压力FN，其中N1为钢管1轴向作用力。
当钢管(1)轴向作用荷载为N2＜N1时，传动单元不滑动，为静摩擦，摩擦力可抵抗荷载，弹簧不受力，传动单元自身可以抵抗荷载和消耗能量，结构整体安全，
当作用荷载N1＜N2＜f时，发生相对滑动，设弹簧刚度为K,可变长度L满足要求，此时受力特点为:
N2＝Ff+Kl,l在此为弹簧伸长量
此时摩擦耗能和弹簧伸长耗能为主要耗能，传动单元消耗为次要耗能，整体结构不会破坏，处于安全之中。
当N2＞f时,因为L满足需求，所以在传动单元失效之前，摩擦力和弹簧也是主要耗能构件，再加上弹簧的弹性，可以有效的延长破坏时间。
是否存在一对Ff和K满足上述分析？
①假设Ff＞＞f，即在结构破坏前，弹簧不受力和消耗能量。
②假设Ff＝0，即在结构破坏前没有摩擦力，只有弹簧受力和消耗主要能量。
所以存在Ff和K的对应关系满足上述分析。
是否能达到强恢复？
比起传统BRB，本发明有弹簧的弹性力提供恢复力，只要在实际设计中，确定好ff和K的相应关系，就可达到。
是否能达到高耗能？
由动力学方程可得其构造间的耗能形式。
其中m为传动单元的质量，c由摩擦力提供，k由弹簧提供，p(t)是作用于体系的等效荷载，和v(t)分别表示加速度、速度和位移。
由于和p(t)都是外部荷载决定的，通过上式可知，只需调整m 值，使其降低，就可实现利用摩擦力和高强弹簧多耗能，减少杆件耗能。
根据本发明工作原理，当发生小震及中震时，杆件和其它构件不会被破坏，该装置可进行结构微调节，结构在地震消失后，在复位单元的作用下可自行恢复，无需修复。在发生大地震时，调节受力杆件的作用力，该新型BRB装置发生弹簧伸缩和构件相对滑动摩擦耗能，在震后无需修复或只需更换部分受损的构件。

Claims (6)

1.一种高耗能和强恢复式减震BRB装置，由传动单元、耗能单元，复位单元及固定单元组成，其特征在于传动单元由钢管（1）组成，其中钢管（1）包括第一钢管（1-1）和第二钢管（1-2）；耗能单元由摩擦材料（2）和高强弹簧（7）组成；复位单元由高强弹簧（7）组成；固定单元由外套管（5）、锁紧固定环（4）及高强螺栓（3）三部分组成，其中锁紧固定环（4）包括第一锁紧固定环（4-1）和第二锁紧固定环（4-2），高强螺栓（3）包括第一高强螺栓（3-1）、第二高强螺栓（3-2）、第三高强螺栓（3-3）和第四高强螺栓（3-4）；所述的各部分中，传动单元的第一钢管（1-1）和第二钢管（1-2）分别与高强弹簧（7）的两端焊接连接，耗能单元的摩擦材料（2）与固定单元的外套管（5）卡槽式内镶嵌连接，固定单元的锁紧固定环（4）定位于外套管（5）的固定环位置凹槽（8）内通过高强螺栓（3）进行螺栓，耗能单元的摩擦材料（2）在固定单元的外套管（5）、锁紧固定环（4）和高强螺栓（3）的紧箍作用下与外套管（5）的外表面承压式接触连接。
2.根据权利要求1所述的高耗能和强恢复式减震BRB装置，其特征在于，所述的传力单元的钢管（1）端部设置的钢管实心端（11）与高强弹簧（7）的两端焊接连接；耗能单元的高强弹簧（7）分别与钢管实心端（11）焊接连接，摩擦片与外套管（5）卡槽式连接且设置在摩擦材料位置凹槽（9）中；复位单元的兼耗能作用的高强弹簧（7）与传力单元焊接连接；固定单元的外套管（5）在锁紧固定环（4）的作用下通过高强螺栓（3）与钢管（1）进行螺栓连接。
3.根据权利要求1所述的高耗能和强恢复式减震BRB装置，其特征在于，所述的钢管（1）和外套管（5）是完全相同结构的两部分组成，摩擦片是完全相同的四片且镶嵌在外套管里面的，锁紧固定环（4）是固定于外套管外表面设置的固定环位置凹槽（8）之中。
4.根据权利要求1所述的高耗能和强恢复式减震BRB装置，其特征在于，所述的传动单元的钢管（1）与耗能单元焊接的位置是一段钢管实心端（11），摩擦片的外边面面积大于外套管内表面面积。
5.根据权利要求1所述的高耗能和强恢复式减震BRB装置，其特征在于，所述的构造在结构受外荷载作用时分别由高强弹簧（7）的伸缩变形和摩擦材料（2）与钢管（1）的外边面发生相对摩擦滑移提供结构的减震耗能。
6.根据权利要求1所述的高耗能和强恢复式减震BRB装置，其特征在于，耗能单元的高强弹簧（7）同时也是复位单元，高强弹簧（7）的长度方向的中点对应于弹簧轨道（6）的中点设置，其中弹簧布置轨道（6）的内直径大于高强弹簧（7）的外直径；高强螺栓（3）穿过锁紧固定环（4）中的螺栓孔使安装在外套管（5）外边面的固定环位置凹槽（8）处的锁紧固定环（4）通过拧紧高强螺栓（3）施加所需力将部件承压式组装成一个整体。
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