CN108824915A - 一种具有非线性刚度的混合耗能塑性铰 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有非线性刚度的混合耗能塑性铰，包括第一转动单元和第二转动单元，第一转动单元和第二转动单元之间通过旋转轴转动连接，还包括粘滞耗能单元和弹簧耗能组件，粘滞耗能单元包括圆柱形箱体、设于圆柱形箱体外壁的限位组件以及粘滞液体隔板组件，圆柱形箱体外部与第二转动单元固定连接，其内部装入粘滞液体，圆柱形箱体与旋转轴同轴布置。正常使用和发生小震时，限位单元提供转动刚度，塑性铰为刚性节点；发生中震和大震时，限位销被剪断，塑性铰发生相对转动，通过粘滞耗能单元和弹簧耗能组件耗散地震输入到结构中的能量。

Description

一种具有非线性刚度的混合耗能塑性铰

技术领域

本发明属于建筑结构消能减震领域，具体涉及一种具有非线性刚度的混合耗能塑性铰。

背景技术

塑性铰是指在荷载作用下，结构中的若干截面处弯矩达到塑性极限弯矩时，该截面发生一定转动，类似铰的效果，致使结构产生内力重分布。为避免钢结构梁柱节点在地震作用下发生脆性破坏，常用的处理方法是通过一定的构造措施将塑性铰外移，其方法有三种：一是将节点局部加强，统称加强型节点，如扩大翼缘型和翼缘加腋型；二是将梁端翼缘或腹板局部削弱，统称削弱型节点，如“狗骨”型、腹板开洞型以及焊接孔扩大型；三是将加强型节点和削弱型节点联合运用。国内关于钢结构塑性铰的构造做法虽可有效实现塑性铰外移并达到保护梁柱节点的目的，但仍存在以下缺陷：1)塑性铰极有可能发生完全破坏，结构的耗能以震后不可修复为代价；2)难以实现结构耗能的精准控制，只能粗略地控制塑性铰的出现位置。

为了解决现有的构造做法中存在的问题，采用粘滞耗能、摩擦耗能等耗能原理设计的人工塑性铰被提出，如：粘滞塑性铰、摩擦塑性铰等。现有的人工塑性铰虽能实现震后可修复和结构耗能的精准控制，但耗能方式单一、耗能效果不够理想，且不能提供帮助塑性铰复位的恢复力。

发明内容

为了克服现有技术中人工塑性铰耗能方式单一、耗能效率不够理想，且不能提供帮助塑性铰复位的恢复力等缺陷，本发明提出一种广泛适用于桁架结构及框架结构的具有非线性刚度的混合耗能塑性铰。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种具有非线性刚度的混合耗能塑性铰，包括第一转动单元和第二转动单元，所述第一转动单元和第二转动单元之间通过旋转轴转动连接，还包括粘滞耗能单元和弹簧耗能组件，所述粘滞耗能单元包括圆柱形箱体、设于圆柱形箱体外壁并与第一转动单元连接的限位组件以及设于圆柱形箱体内部的粘滞液体隔板组件，所述圆柱形箱体外部与第二转动单元固定连接，其内部装入粘滞液体，所述圆柱形箱体与所述旋转轴同轴布置，所述限位组件在发生中震或大震时被剪断后，所述第一转动单元和第二转动单元发生相对转动，所述粘滞耗能单元内部的粘滞液体在所述粘滞液体隔板组件的作用下进行耗能，弹簧耗能组件也拉压变形进行耗能。

进一步地，所述第一转动单元包括左连接板以及设于左连接板中部的左耳板，所述第二转动单元包括右连接板以及设于右连接板中部的右耳板，所述圆柱形箱体固定于右耳板，所述旋转轴穿过左耳板与圆柱形箱体。

进一步地，所述限位组件包括设于圆柱形箱体外壁的限位板，所述限位板通过限位销与所述第一转动单元的左耳板限位固定。

进一步地，所述粘滞液体隔板组件包括一对分隔板和一对旋转板，分隔板的一端焊接于圆柱形箱体的内壁上，另一端与所述旋转轴之间设有间隙；旋转板的一端焊接于所述旋转轴上并随旋转轴转动，另一端与圆柱形箱体的内壁之间设有间隙。

进一步地，两块分隔板位于同一直线上，两块旋转板位于同一直线上，且分隔板与旋转板垂直设置。

进一步地，所述旋转板上设有多个流通孔。

进一步地，所述弹簧耗能组件包括多根弹簧，所述弹簧是由形状记忆合金材质制成的非线性SMA弹簧。

本发明的原理为，当正常使用或发生小震时，限位组件提供转动刚度，塑性铰为刚性节点；当发生中震和大震时，限位组件的限位销被剪断，塑性铰发生相对转动，通过粘滞耗能单元和/或弹簧耗能组件耗散地震输入到结构中的能量。

本发明实现了耗能方式多样化，即合理地采用粘滞耗能和弹簧耗能两种耗能方式，在建筑结构变形速度较小时，SMA弹簧可有效地消耗一定的能量，解决单一地采用粘滞耗能方式的人工塑性铰在该情况下耗能效率不佳的问题，并通过非线性SMA弹簧的使用有效地提供了有助于塑性铰复位的恢复力和非线性的转动刚度，当转角过大时，可起到一定的控制作用。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)地震作用下，本发明可通过粘滞耗能和非线性SMA弹簧耗能两种方式进行耗能，提高了人工塑性铰的耗能效率，尤其是在建筑结构变形速度较小时的耗能效率，以减小地震作用对其它构件的影响。

2)本发明中的非线性SMA弹簧既可消耗结构中的能量，又可为塑性铰提供随转角的增大而增大的非线性转动刚度和有助于塑性铰复位的恢复力。

附图说明

图1为本发明具有非线性刚度的混合耗能塑性铰的正立面图；

图2为本发明具有非线性刚度的混合耗能塑性铰的俯视图；

图3为本发明具有非线性刚度的混合耗能塑性铰的A-A剖面图。

图中标号：1为圆柱形箱体，2为分隔板，3为右连接板，4为右耳板，5为限位板，6为旋转轴，7为旋转板，8为左连接板，9为左耳板，10为粘滞液体，11为流通孔，12为螺栓孔，13为限位销，14为非线性SMA弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1-3所示，为本发明一种具有非线性刚度的混合耗能塑性铰，主要包括圆柱形箱体1、分隔板2、右连接板3、右耳板4、限位板5、旋转轴6、旋转板7、左连接板8、左耳板9和非线性SMA弹簧14，其中，旋转轴6、旋转板7、左耳板9和左连接板8焊接成整体组成塑性铰的左侧部分，圆柱形箱体1、分隔板2、限位板5、右耳板4和右连接板3焊接成整体组成右侧部分，限位销13被剪断后，左侧和右侧部分可发生相对转动。正常使用和发生小震时，限位销13未被剪断，限位组件提供转动刚度，塑性铰为刚性节点；中震和大震时，限位销13被剪断，该塑性铰发生相对转动进行耗能。

圆柱形箱体1为5～10mm厚的钢板焊接制成的圆柱形空腔，内部装有粘滞液体10，旋转轴6与圆柱形箱体1同轴布置，两块分隔板2位于同一直线上，两块分隔板2的一端分别焊接于圆柱形箱体1内壁上，另一端与旋转轴6之间留有间隙；两块开有若干流通孔11的旋转板7均匀焊接于旋转轴6上，可随旋转轴6共同转动；限位组件由限位销13和限位板5组成，限位板5焊接于圆柱形箱体1外壁，限位销13固定在左耳板9上。

本发明中，若干根由形状记忆合金(SMA)制成的非线性SMA弹簧14的两端分别固定于右连接板3内侧和左连接板8内侧，在塑性铰发生相对转动时，非线性SMA弹簧14既可为塑性铰提供非线性转动刚度和有助于塑性铰复位的恢复力，又可消耗地震输入到结构中的能量。根据不同建筑结构的特性和使用需求，可灵活调整非线性SMA弹簧14的数量及刚度，使其具有不同的刚度和耗能能力，从而使该塑性铰可广泛应用于各类建筑结构。

本发明中，旋转板7上开有若干流通孔11，旋转板7发生转动时，圆柱形箱体1内部填充的粘滞液体10被迫在短时间内通过流通孔11、分隔板2与旋转轴6之间的间隙及旋转板7与圆柱形箱体1之间的间隙产生一定流速进行耗能；流通孔11的尺寸及数量可根据需求灵活调整。

本发明中，限位板5和左耳板9应具有足够的厚度，限位孔与钢板边缘之间也应有足够的间距，保证限位销13被剪断之前，限位板5与左耳板9不发生破坏。左连接板和右连接板上分别开有多个用于与钢结构梁连接的螺栓孔12。

Claims (7)

1.一种具有非线性刚度的混合耗能塑性铰，包括第一转动单元和第二转动单元，所述第一转动单元和第二转动单元之间通过旋转轴(6)转动连接，其特征在于，还包括粘滞耗能单元和弹簧耗能组件，所述粘滞耗能单元包括圆柱形箱体(1)、设于圆柱形箱体(1)外壁并与第一转动单元连接的限位组件以及设于圆柱形箱体(1)内部的粘滞液体隔板组件，所述圆柱形箱体(1)外部与第二转动单元固定连接，其内部装入粘滞液体(10)，所述圆柱形箱体(1)与所述旋转轴(6)同轴布置，所述限位组件在发生中震或大震时被剪断后，所述第一转动单元和第二转动单元发生相对转动，所述粘滞耗能单元内部的粘滞液体(10)在所述粘滞液体隔板组件的作用下进行耗能，同时，弹簧耗能组件发生拉压变形进行耗能。

2.根据权利要求1所述的一种具有非线性刚度的混合耗能塑性铰，其特征在于，所述第一转动单元包括左连接板(8)以及设于左连接板(8)中部的左耳板(9)，所述第二转动单元包括右连接板(3)以及设于右连接板(3)中部的右耳板(4)，所述圆柱形箱体(1)固定于右耳板(4)，所述旋转轴(6)穿过左耳板(9)与圆柱形箱体(1)。

3.根据权利要求2所述的一种具有非线性刚度的混合耗能塑性铰，其特征在于，所述限位组件包括设于圆柱形箱体(1)外壁的限位板(5)，所述限位板(5)通过限位销(13)与所述第一转动单元的左耳板(9)限位固定。

4.根据权利要求1所述的一种具有非线性刚度的混合耗能塑性铰，其特征在于，所述粘滞液体隔板组件包括一对分隔板(2)和一对旋转板(7)，分隔板(2)的一端焊接于圆柱形箱体(1)的内壁上，另一端与所述旋转轴(6)之间设有间隙；旋转板(7)的一端焊接于所述旋转轴(6)上并随旋转轴(6)转动，另一端与圆柱形箱体(1)的内壁之间设有间隙。

5.根据权利要求4所述的一种具有非线性刚度的混合耗能塑性铰，其特征在于，两块分隔板(2)位于同一直线上，两块旋转板(7)位于同一直线上，且分隔板(2)与旋转板(7)垂直设置。

6.根据权利要求5所述的一种具有非线性刚度的混合耗能塑性铰，其特征在于，所述旋转板(7)上设有多个流通孔(11)。

7.根据权利要求1所述的一种具有非线性刚度的混合耗能塑性铰，其特征在于，所述弹簧耗能组件包括多根弹簧，所述弹簧是由形状记忆合金材质制成的非线性SMA弹簧(14)。