CN109025451B - 双扭转防失稳方法 - Google Patents

Abstract

本分案申请公开了一种双扭转防失稳方法，属于建筑减震领域，用于解决为了解决现有支撑主要依靠内芯变形耗能的问题，技术要点是：扭转弹簧的扭力带动耗能内芯产生与变形方向相反的运动，使耗能内芯向自然状态时的形状及位置回复；涡旋弹簧产生的回复力使齿轮带动齿条向耗能内芯形变相反方向运动，以使得与齿轮连接的耗能内芯向自然状态时的形状和位置回复，效果是：将耗能内芯轴向荷载承担分散于扭转平面承担。

Description

双扭转防失稳方法

本申请是申请号201710348998.8，申请日2017-05-17，发明名称“具有双扭转防失稳装置的防屈曲支撑”的分案申请。

技术领域

本发明属于建筑减震领域，涉及一种具有双扭转防失稳装置的防屈曲支撑。

背景技术

传统的土木工程结构支撑主要有：中心支撑、偏心支撑、耗能隅撑、耗能框架支撑等支撑形式，大多数支撑主要通过变形来消耗地震能量，达到减轻地震灾害的目的。由于结构构件具有弹塑性的特性，这些耗能支撑不可避免地会发生一些损伤、变形，不利于能量的耗散，对建筑物的安全性有影响。

消能减震技术近年来受到了国内外学者的青睐，原理是通过采用附加装置或一定的方法，有效的消耗地震输入结构的能量。从能量耗散的角度看，地震输入结构的总能量是固定的，通过耗能构件消耗掉的能量越多，结构本身需消耗的能量就越小，结构本身的地震响应就越小，从而能够有效的保护主体结构在地震下不受破坏。从动力学的角度看，耗能装置安装到结构中，增加了结构的阻尼，增加了结构耗散的能量。因此，消能减震技术的广泛研究和应用能够显著的提高结构的抗震性能。

防屈曲支撑(Buckling-Restrained Brace)作为一种兼具抗侧承载力与耗能能力的消能减震构件，近年来引起了越来越多学者的关注，并在日本、美国和中国得到广泛应用。防屈曲支撑主要由三部分构成，即核心单元(芯材)、约束单元和滑动机制单元。防屈曲支撑的主要特点是芯材在压力和拉力下都可以达到屈服，从而有效地耗散地震能量。同时约束单元可以提供侧撑与约束、防止芯材在受压时发生整体或局部失稳。此外，滑动机制单元是在核心单元与约束单元间提供滑动界面，用无粘结材料或空隙相隔离，以确保内芯独自承担轴向力。因此，防屈曲支撑不仅可以给结构提供侧向刚度，同时还消除了传统支撑框架体系中支撑屈曲问题，确保在强震时具有更强更稳定的能量耗散能力。此外，防屈曲支撑还具有设计灵活、安装方便、便于更换等优点，既可用于新建建筑也可用于结构抗震加固和改造，既可以用于钢结构体系也可以用于混凝土结构体系。

尽管防屈曲支撑有诸多优点，但是防屈曲支撑构件是通过内芯的弹塑性变形耗散地震输入能量，导致结构在经历大震作用后产生较大的残余变形而难以修复，因此，设计出地震中不发生破坏或仅发生可以迅速修复破坏的结构，将成为可持续发展工程抗震的重要研究方向之一。前人在防屈曲支撑端部附加摩擦阻尼器，但是摩擦阻尼器在大震过后，摩擦阻尼器由于支撑屈曲而不易拆卸；此外，传统自复位支撑通过加复位筋实现自复位功能，但是初始状态需要施加预应力，预应力能否准确施加和预应力的损失都会严重影响支撑的耗能能力；内芯更换频率与维护成本高。

发明内容

为了解决现有支撑主要依靠内芯变形耗能，导致内芯在地震中可能过早失去作用，并且内芯由于外约束的原因，失稳问题可能出现，更换及维护成本高，不具有自复位能力的问题，本发明提出如下技术方案：

一种具有双扭转防失稳装置的防屈曲支撑，包括耗能内芯、挡板、连接板及约束外套筒，约束外套筒罩接于耗能内芯的外周，且沿耗能内芯轴线方向的两端部向外延伸出约束外套筒，并由挡板连接在连接板上，约束外套筒具有一组相对且平行的平行内壁，耗能内芯与其平行，耗能内芯沿其轴线方向被罩接在约束外套筒内部的一端部与该端部对应的约束外套筒的内壁之间的空间中安装第一扭转防失稳装置；且所述耗能内芯的另一端部与该端部对应的约束外套筒的内壁之间的空间中安装第二扭转防失稳装置。

进一步的，所述第一扭转防失稳装置包括扭转弹簧、限位卡及导向铁棒，所述导向铁棒在垂直于耗能内芯的轴线方向上贯穿耗能内芯，并被固定于耗能内芯上，铁芯裸露在所述空间中的两侧由扭转弹簧覆接其上，连接扭转弹簧本体的弹簧力臂分别被限位卡限位在扭转弹簧扭转时形成的扭转平面的上、下两侧。

进一步的，所述耗能内芯是长条的矩形体，其插接在形状为长筒矩形的约束外套筒内部的两平行内壁之间的中央位置，所述铁棒贯穿耗能内芯并呈两侧对称，所述扭转弹簧安装位置及其弹簧力臂的限位位置以被贯穿的耗能内芯为中心而对称。

进一步的，所述的扭转弹簧为由记忆合金制成，扭转弹簧为由螺旋弹簧及连接在螺旋弹簧两端部的力臂组成。

进一步的，所述第二扭转防失稳装置包括钢板、带有齿条的钢板、齿轮、涡旋弹簧及支撑架，钢板连接耗能内芯的所述另一端部，两个带有齿条的钢板被分别对称固定于所述钢板的两个侧面，各带有齿条的钢板与其相对且平行的约束外套筒的内壁之间安装有与齿条啮合的齿轮，且所述齿轮的上、下两侧直接固定有两个被限位于所述平行内壁上的涡旋弹簧，该齿轮及涡旋弹簧被由该平行内壁上伸出的支撑架固定在该带有齿条的钢板与其相对的且平行的约束外套筒的内壁之间。

进一步的，所述的支撑架，包括两个固定于所述平行内壁的横架，其分别位于两个涡旋弹簧的上方，及一贯穿横架、涡旋弹簧及齿轮的竖轴。

进一步的，所述涡旋弹簧由限位卡槽限位于所述平行内壁上。

进一步的，所述的钢板及带有齿条的钢板带有螺栓孔，由螺栓将钢板及带有齿条的钢板紧固连接。

进一步的，所述涡旋弹簧为由记忆合金制成，其由涡旋弹簧本体及连接在涡旋弹簧两端部的力臂组成。

有益效果：安装扭转防失稳装置，将耗能内芯轴向荷载承担分散于扭转平面承担，并且本发明中的扭转防失稳装置包括两个，并分别位于耗能内芯的两个端部，耗能内芯两个终端的附近空间，形成扭转平面，需要对耗能内芯的校正需求更强，并且，把握住该两个位置，可以在源头开始校正，尽量不使得变形传递，从而能够进一步降低变形的区间，抑制变形的能力更强。

该两个扭转防失稳装置在结构上不同，一个使用扭转弹簧的扭转力，另一个使用涡旋弹簧的扭转力，一方面，极大降低耗能内芯耗能负担，降低内芯失稳，使得内芯更换频率降低，减小维护成本；另一方面，使得弹簧成为耗能主体，充分利用扭转弹簧扭转力，对荷载承担能力更强且弹簧不易失稳；又一方面，可以在弹簧耗能的同时，使用扭转力对内芯的变形进行校正，更进一步增加耗能内芯的使用寿命，使支撑具有了自复位能力。

特别是，第二扭转防失稳装置中，在支撑的端部安装齿轮，在内芯的两个侧面安装于齿轮啮合的齿条，并在所述齿轮的上、下两侧直接固定(接触性固定)有两个被限位于所述平行内壁上的涡旋弹簧，且该齿轮及涡旋弹簧被由该平行内壁上伸出的支撑架固定在该带有齿条的钢板与其相对的且平行的约束外套筒的内壁之间。将耗能内芯轴向荷载承担分散于弹簧涡旋平面承担，一方面，极大降低耗能内芯耗能负担，降低内芯失稳，使得内芯更换频率降低，减小维护成本；另一方面，使得弹簧成为耗能主体，充分利用涡旋弹簧扭转力，对荷载承担能力更强且弹簧不易失稳；又一方面，可以在涡旋转弹簧耗能的同时，使用扭转力对内芯的变形进行校正，更进一步增加耗能内芯的使用时间，具有了支撑的自复位能力。更为重要的是，为了获得更大的扭转力，本发明使用了涡旋弹簧，然而涡旋弹簧会造成其对震动敏感性降低，而为了弥补这一缺陷，使用了两侧对称齿轮和齿条的啮合来在初始震动时耗能，在震动强度达到涡旋弹簧工作强度时，涡旋弹簧提供大的扭转力以抵抗变形，增强防失稳能力，通过该举措，在不牺牲震动敏感性的前提下，仍然可以利用涡旋弹簧的强大扭转力得到更具有敏感性的复合防失稳装置。

附图说明

图1为结构外观示意图。

图2为耗能内芯组成示意图。

图3为截面位置图。

图4约束外套筒分解结构示意图。

图5为图3的1-1处截面图。

图6为图3的2-2处截面图。

图7为图3的3-3截面图。

图8为图3的4-4截面图。

图9为齿轮与涡旋弹簧组成图。

其中：1.耗能内芯，2.扭转弹簧，3.导向铁棒，4.限位卡，5.挡板，6.连接板，7.约束外套筒，8.钢板，9.带有齿条的钢板，10.平行内壁，11.齿条，12.齿轮，13.涡旋弹簧，14.横架，15.竖轴，16.限位卡槽。

具体实施方式

实施例：一种具有双扭转防失稳装置的具有双扭转防失稳装置的防屈曲支撑，包括耗能内芯1、挡板5、连接板6及约束外套筒，约束外套筒7罩接于耗能内芯1的外周，且沿耗能内芯1轴线方向的两端部向外延伸出约束外套筒7，并由挡板5连接在连接板6上，约束外套筒7具有一组相对且平行的平行内壁10，耗能内芯1与其平行，耗能内芯1沿其轴线方向被罩接在约束外套筒7内部的一端部与该端部对应的约束外套筒7的内壁之间的空间中安装第一扭转防失稳装置；且所述耗能内芯1的另一端部与该端部对应的约束外套筒7的内壁之间的空间中安装第二扭转防失稳装置。该部分的耗能内芯，具有两个侧面，每个侧面对应的约束外套筒的内壁，即平行内壁，两个平行内壁与耗能内芯的两个侧面之间安装扭转防失稳装置(第一扭转防失稳装置、第二扭转防失稳装置)。该端部是指在耗能内芯末端起的3cm-10cm处，当然还可以更小或更大。在实践中，我们发现，越是靠近荷载传输的起始位置，并对应于其实位置的结束位置，即耗能内芯两个终端的附近空间，使用扭转弹簧形成扭转平面，需要对耗能内芯的校正需求更强，并且，把握住该两个位置，可以在源头开始校正，尽量不使得变形传递，从而能够进一步降低变形的区间，抑制变形的能力更强，因而本实施例选择两个扭转防失稳装置，分别安装在耗能内芯的两个端部。

在该实施例中，所述第一扭转防失稳装置包括扭转弹簧2、限位卡4及导向铁棒3，所述导向铁棒3在垂直于耗能内芯1的轴线方向上贯穿耗能内芯1(由上，该贯穿孔位于耗能内芯所述的一端部)，并被固定于耗能内芯1上，铁芯裸露在所述空间中的两侧由扭转弹簧2覆接其上，连接扭转弹簧2本体的弹簧力臂分别被限位卡4限位在扭转弹簧2扭转时形成的扭转平面的上、下两侧。在这个实施例中，第一扭转防失稳装置侧的耗能内芯的端部直接连接于挡板，并由挡板连接连接板。

在该实施例中，所述耗能内芯1是长条的矩形体，其插接在形状为长筒矩形的约束外套筒7内部的基本为中央的位置，所述铁棒贯穿耗能内芯1并呈两侧对称，所述扭转弹簧2安装位置及其弹簧力臂的限位位置以被贯穿的耗能内芯1为中心而对称。中央对称设置，使得两个扭转平面的反作用力更为一致，对于变形校正，以及扭转平面耗能均效果更佳。更进一步的，一般来说，耗能内芯会有一部分处于约束外套筒外部，该部分由于直接裸露不受约束和支撑，相较处于约束外套筒内部的耗能内芯更为薄弱，易发生破坏。使用钢板、齿轮、齿条、与涡旋弹簧的限位组合，裸露在约束外套筒的部分，使用钢板替代耗能内芯，并且通过螺栓固定连接的方式将带有齿条的钢板与钢板固定，从而将齿条固定，虽然该部分没有被耗能内芯覆盖，却也在一定程度上增强了该裸露部分的强度；涡旋弹簧使得耗能内芯的线位移转变为角位移，并且，其处于端部附近(贴近于裸露的钢板部分)，从而使得限位的涡旋弹簧、啮合的齿轮与齿条及支撑架之于该裸露的钢板可以形成框架，具有一定支撑作用，并且受到涡旋弹簧的扭转力，在支撑的基础上，极大减少该裸露部分于载荷作用下的运动(摇晃和摆动)，从而可以缩短连接区域的范围，该方案实现了防止失稳的目的。

在该实施例中，第二扭转防失稳装置包括钢板、带有齿条的钢板9、齿轮12、涡旋弹簧13及支撑架，在该所述实施例中，第二扭转防失稳装置侧的耗能内芯1与挡板5并不直接连接，耗能内芯1连接钢板8，钢板8连接挡板5，挡板5连接连接板6。即钢板8连接耗能内芯1的所述另一端部，两个带有齿条的钢板8被分别对称固定于所述钢板8的两个侧面(该侧面即与平行内壁平行的平行面，作为优选方案，所述的钢板及带有齿条的钢板带有螺栓孔，由螺栓将钢板及带有齿条的钢板紧固连接)，各带有齿条的钢板9与其相对且平行的约束外套筒7的内壁之间安装有与齿条11啮合的齿轮12，且所述齿轮12的上、下两侧直接固定有两个被限位于所述平行内壁上的涡旋弹簧13，该齿轮及涡旋弹簧被由该平行内壁上伸出的支撑架固定在该带有齿条的钢板与其相对的且平行的约束外套筒的内壁之间，所述的支撑架，包括两个固定于所述平行内壁的横架14，其分别位于两个涡旋弹簧13的上方，及一贯穿横架14、涡旋弹簧13及齿轮12的竖轴15，所述涡旋弹簧13由限位卡槽16限位于所述平行内壁上。由此，上述方案以耗能内芯为中心线，两侧的齿轮、涡旋弹簧、齿条分别为对称式安装，中央对称设置，使得两个涡旋平面的反作用力更为一致，对于变形校正，以及涡旋平面耗能均效果更佳。在这个实施例中，整个耗能内芯附近空间均具有安装齿轮弹簧的可能，然而，在实践中，我们发现，越是靠近荷载传输的起始位置，并对应于起始位置的结束位置，即耗能内芯两个终端的附近空间，使用涡旋弹簧形成扭转平面，需要对耗能内芯的校正需求更强，并且，把握住该两个位置，可以在源头开始校正，尽量不使得变形传递，从而能够进一步降低变形的区间，抑制变形的能力更强，因而我们选择使用连接钢板至于内芯两端，并在连接钢板上安装齿条的方式形成上述方案。更进一步的，一般来说，耗能内芯会有一部分处于约束外套筒外部，该部分由于直接裸露，相较处于约束外套筒内部的耗能内芯，由于不受约束和支撑，更为薄弱，易发生破坏。使用扭转失稳装置，其中的导向铁棒与扭转弹簧的限位组合，使得耗能内芯的线位移转变为角位移，并且，扭转失稳装置处于端部附近(贴近于裸露的耗能内芯部分)，从而使得导向铁棒之于该裸露的耗能内芯部分可以形成框架，具有一定支撑作用，并且受到扭转弹簧的扭转力，在支撑的基础上，极大减少该裸露部分于载荷作用下的运动(摇晃和摆动)，从而可以缩短连接区域的范围，该方案实现了防止失稳的目的。

在一种实施例中，所述的扭转弹簧和/或涡旋弹簧为由形状记忆合金制成。所述的扭转弹簧为由螺旋弹簧及连接在螺旋弹簧两端部的力臂组成，涡旋弹簧为由涡旋弹簧本体及连接在涡旋弹簧两端部的力臂组成，形状记忆合金的超弹性特性与其它普通金属材料相比有许多优点：首先形状记忆合金超弹性的疲劳特性很好，而其它材料循环中不可避免地出现损伤，影响寿命；其次形状记忆合金可恢复应变值很大，这是普通金属材料难以实现的；最后，由于奥氏体相弹性模量大于马氏体相弹性模量，形状记忆合金弹性模量随温度升高而增大(同普通金属相反)，这使其在较高温度下仍可保持较高的弹性模量。因此，利用形状记忆合金可以制作成该装置的弹簧部分。

上述各例中所述的具有双扭转防失稳装置的防屈曲支撑，在地震作用下，耗能内芯受到来自建筑物传递来的荷载，耗能内芯产生变形：

在一个实施例中，在第一扭转防失稳装置侧：

耗能内芯由固定于其上的导向铁棒带动扭转弹簧变形，扭转弹簧在平面内产生扭矩，扭转弹簧被限位于扭转弹簧扭转时形成的扭转平面的上、下两侧，扭转弹簧的扭力带动耗能内芯产生与变形方向相反的运动，使耗能内芯向自然状态时的形状及位置回复。由此，各例中具有双扭转防失稳装置的防屈曲支撑，为了减轻震动对结构的作用，针对传统具有双扭转防失稳装置的防屈曲支撑，对端部进行失稳加强设计，减缓内芯的受损。在地震情况下，提高支撑的工作能力。利用形状记忆合金将其制成扭转弹簧，装置为具有双扭转防失稳装置的防屈曲支撑耗能内芯、扭转弹簧、外套筒上限位卡共同工作，使其具有一定自复位功能，减缓内芯的受损。扭转弹簧属于螺旋弹簧，扭转弹簧的端部被固定到其他组件，当其他组件绕着弹簧中心旋转时，该弹簧将它们拉回初始位置，产生扭矩或旋转力。扭转弹簧可以存储和释放角能量或者通过绕簧体中轴旋转力臂以静态固定某一装置。限位卡可以限制扭转弹簧位置，可以起到固定弹簧作用，同时也可以起到限制粘结材料、内芯的作用。该装置简单易操作可以通过组装的方式连接起来，拆卸方便并且方便震后的修复以及日常的维护。在地震作用下，耗能内芯会受到来自建筑物传递来的荷载，内芯会产生变形，内芯带动扭转弹簧变形，在平面内产生扭矩，具有较高的扭力。由于内芯限位卡槽的存在，产生的扭力会带动内芯运动，使其回复到原来的位置，因此装置具有自复位功能。结构受到地震作用的时候，端部无论处于受压或者受拉状态，都可以通过扭转弹簧的回复力实现自复位，减小内芯的受压变形，提高耗能能力并且在内芯屈服后还能保证整体稳定，不影响支撑正常工作。

在一个实施例中，在第二扭转防失稳装置侧：

在地震作用下，耗能内芯产生变形，在一定载荷范围内，耗能内芯变形引起其两侧齿轮与钢板上的齿条啮合，变形使齿轮带动齿条向耗能内芯形变相反方向运动，以使得与齿轮连接的耗能内芯向自然状态时的形状和位置回复；在超过该载荷范围时(齿轮的回复力已无法将耗能内芯回复)，固定于齿轮上、下两侧的涡旋弹簧由耗能内芯的变形引起变形并在平面内产生扭矩，涡旋弹簧被限位于平行内壁上，涡旋弹簧产生的回复力使齿轮带动齿条向耗能内芯形变相反方向运动，以使得与齿轮连接的耗能内芯向自然状态时的形状和位置回复。由此，本公开主要目的是为了减轻震动对结构作用，针对传统防屈曲支撑的设计，提供一种自复位的装置，减缓内芯的受损。在地震作用下，提高支撑能力。将其制成涡旋弹簧，将其添加在齿轮上，使具有双扭转防失稳装置的防屈曲支撑耗能内芯、齿轮、涡旋弹簧、外套筒上限位卡共同工作，将整体产生的线位移转换成角位移，并且其具有一定自复位功能，减缓内芯的受损。齿轮解决弹簧转角过小不能满足内芯行程问题。

涡旋弹簧变形后材料受弯曲力矩，产生弯曲弹性变形，因而弹簧在自身平面产生扭转。其变形角的大小和扭矩成正比，具有高扭力，将多角度之扭转力矩运用于长时间作功的机构，具有不易疲劳的特性。本公开简单易操作可以通过组装的方式连接起来，拆卸方便并且方便震后的修复以及日常的维护。

本实施例中，弹簧与齿轮通过铆接方式连接，保证弹簧可以与齿轮一起转动。

实现方法：在地震作用下，内芯会承受荷载、产生变形，内芯会带动涡旋弹簧变形，在平面内产生扭矩，具有较高的扭力。由于内芯限位卡槽的存在，产生的扭力会带动内芯运动，使其回复到原来的位置，因此装置具有自复位功能。

结构受到地震作用时候，端部无论在受压或者受拉使都可以通过涡旋弹簧的回复力实现自复位，减小内芯的受压变形，提高耗能能力并且在内芯屈服后还能保证整体稳定，提高结构的抗震性能及生存能力。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种双扭转防失稳方法，其特征在于：耗能内芯沿其轴线方向被罩接在约束外套筒内部的一端部与该端部对应的约束外套筒的内壁之间的空间中安装第一扭转防失稳装置；且所述耗能内芯的另一端部与该端部对应的约束外套筒的内壁之间的空间中安装第二扭转防失稳装置；

在地震作用下，耗能内芯受到来自建筑物传递来的荷载，耗能内芯产生变形，耗能内芯由固定于其上的导向铁棒带动扭转弹簧变形，扭转弹簧在平面内产生扭矩，扭转弹簧被限位于扭转弹簧扭转时形成的扭转平面的上、下两侧，扭转弹簧的扭力带动耗能内芯产生与变形方向相反的运动，使耗能内芯向自然状态时的形状及位置回复；

在地震作用下，耗能内芯受到来自建筑物传递来的荷载，耗能内芯产生变形，在一定载荷范围内，耗能内芯变形引起其两侧齿轮与钢板上的齿条啮合，变形使齿轮带动齿条向耗能内芯形变相反方向运动，以使得与齿轮连接的耗能内芯向自然状态时的形状和位置回复；在超过该载荷范围时，固定于齿轮上、下两侧的涡旋弹簧由耗能内芯的变形引起变形并在平面内产生扭矩，涡旋弹簧被限位于平行内壁上，涡旋弹簧产生的回复力使齿轮带动齿条向耗能内芯形变相反方向运动，以使得与齿轮连接的耗能内芯向自然状态时的形状和位置回复。

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