CN109386068B - 基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑 - Google Patents
基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑，包括核心受力组件和拉压自复位机构，拉压自复位机构包括连接端板、受压限位套箍、受拉限位套箍、传力件、受压工作记忆合金件和受拉工作记忆合金件；连接端板分别固定于核心受力组件的两端；受压限位套箍套设并固定于核心受力组件的外围两侧；受拉限位套箍套设于核心受力组件外围并位于两受压限位套箍之间；受拉工作记忆合金件连接于两受拉限位套箍之间；受压工作记忆合金件连接于受拉限位套箍和受压限位套箍之间；受拉限位套箍与连接端板之间连接有传力件。本发明的一种基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑，在拉压作用下均能实现良好自复位特性和耗能特性，且构造简单、适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及工程结构技术领域，尤其涉及一种基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑。
背景技术
在工程结构领域，消能减震技术已被广泛应用于高层建筑、大跨度桥梁等结构的抗风和抗震设计中，消能减震元件的附加可有效减轻主体结构的风振或地震反应，有效减轻主体结构的损伤。防屈曲支撑是常见的消能减震元件之一，相比传统支撑构件，其在受拉或者受压时均能达到屈服而不发生屈曲，经合理设计可为主体结构提供一定的附加刚度和较大的滞回耗能能力。但是，该类元件的最大缺点是在强震时会进入塑性屈服阶段，将会发生较大的非弹性变形，当外部作用小时候，防屈曲支撑将存在较大的残余变形。形状记忆合金是一种具有形状记忆效应和超弹性的新型智能材料，在较大变形水平下卸载后可恢复到初始位置，近年来常被用于自复位的设计。目前，常见的形状记忆合金形式大多为丝材，出力较小且只能受拉，使其应用范围大大受限。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑，在拉压作用下均能实现良好自复位和耗能特性，可用于提升既有防屈曲支撑的自复位性能，且构造简单、便于独立于防屈曲支撑加工制作，适用范围广。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑，包括一核心受力组件和一拉压自复位机构，所述拉压自复位机构包括两连接端板、两受压限位套箍、两受拉限位套箍、多个传力件、多个受压工作记忆合金件和多个受拉工作记忆合金件；两所述连接端板分别固定于所述核心受力组件的两端；两所述受压限位套箍套设并固定于所述核心受力组件的外围两侧；两所述受拉限位套箍可沿所述核心受力组件轴向往复运动地套设于所述核心受力组件外围并位于两所述受压限位套箍之间；所述受拉工作记忆合金件连接于两所述受拉限位套箍之间；两所述受拉限位套箍分别与相邻的一所述受压限位套箍之间连接有复数个所述受压工作记忆合金件；两所述受拉限位套箍分别与相邻的一所述连接端板之间连接有复数个所述传力件。
优选地，所述传力件的两端分别与对应所述连接端板与所述受拉限位套箍焊接固定；所述传力件的两端分别与对应所述连接端板与所述受拉限位套箍焊接固定；或所述传力件一端与连接端板一体成型，所述传力件另一端与所述受拉限位套箍焊接固定；所述受压工作记忆合金件可拆卸地固定于所述受压限位套箍和所述受拉限位套箍之间；所述受拉工作记忆合金件可拆卸地固定于两所述受拉限位套箍之间。
优选地，所述受压工作记忆合金件的两端分别形成一第一螺纹段，所述受压限位套箍形成与所述第一螺纹段配合的第一螺纹孔，所述受拉限位套箍形成与所述第一螺纹孔位置对应的第一通孔，所述受压工作记忆合金件的第一端与所述第一螺纹孔螺接，所述受压工作记忆合金件穿设于所述第一通孔内，且所述受压工作记忆合金件的第二端在所述第一通孔远离所述受压限位套箍的一侧与一第一限位螺帽螺接，所述第一限位螺帽对所述受拉限位套箍限位；或所述受压限位套箍形成所述第一通孔，所述受拉限位套箍形成所述第一螺纹孔。
优选地，所述受拉工作记忆合金件的两端分别形成一第二螺纹段，一所述受拉限位套箍形成与所述第二螺纹段配合的第二螺纹孔，另一所述受拉限位套箍形成与所述第二螺纹孔位置配合的第二通孔，所述受拉工作记忆合金件的第一端与所述第二螺纹孔螺接，所述受拉工作记忆合金件穿设于所述第二通孔内，且所述受拉工作记忆合金件的第二端在所述第二通孔远离另一所述受拉限位套箍的一侧与一第二限位螺帽螺接，所述第二限位螺帽对相邻所述受拉限位套箍限位。
优选地，所述受压工作记忆合金件和所述受拉工作记忆合金件呈杆状；且所述受压工作记忆合金件的第一螺纹段部分的直径大于所述受压工作记忆合金件中部的直径；所述受拉工作记忆合金件的第二螺纹段部分的直径大于所述受拉工作记忆合金件中部的直径。
优选地，所述受压限位套箍包括一第一套箍部和一第一凸台部，所述第一凸台部形成于所述第一套箍部的中部外围；所述第一螺纹孔或所述第一通孔沿一第一方向对置形成于所述第一凸台部的两侧并与所述核心受力组件的轴向平行，所述第一套箍部套设并焊接固定于所述核心受力组件外围。
优选地，所述受拉限位套箍包括一第二套箍部和一第二凸台部，所述第二凸台部形成于所述第二套箍部的中部外围；所述第二凸台部形成所述第一螺纹孔或所述第一通孔；所述第二螺纹孔或所述第二通孔沿一第二方向对置形成于所述第二凸台部的两侧；所述第二套箍部可沿所述核心受力组件的轴向往复运动地套设于所述核心受力组件的外围。
优选地，所述第一方向与所述第二方向相互垂直。
优选地，所述核心受力组件包括一防屈曲支撑的芯板和一外套筒，所述连接端板焊接或螺接固定于所述防屈曲支撑的芯板的两端，所述外套筒套设并固定于所述防屈曲支撑的芯板外；所述受压限位套箍套设并焊接固定于所述外套筒外围；所述受拉限位套箍可沿所述外套筒轴向往复运动地套设于所述外套筒外。
优选地，所述连接端板和所述传力件的强度安全系数大于2.0；所述受压限位套箍与所述外套筒焊接处的强度安全系数大于2.0。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
核心受力组件和拉压自复位机构的配合使得本发明在拉压作用下均能实现良好自复位和耗能特性，且结构简单，适用范围广。传力件用于连接端板与受拉限位套箍的连接。受压工作记忆合金件的第一螺纹段、第一螺纹孔和第一限位螺帽的配合，以及受拉工作记忆合金件的第二螺纹段、第二螺纹孔和第二限位螺帽的配合，使得能够便捷地对受压工作记忆合金件和受拉工作记忆合金件进行安装和调换，简化了基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑的安装和维护工序，并可降低维护成本。
附图说明
图1为本发明实施例的基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑的结构示意图；
图2为本发明实施例的受压工作记忆合金件的结构示意图；
图3为本发明实施例的受拉工作记忆合金件的结构示意图；
图4为本发明实施例的受压限位套箍的正视图；
图5为本发明实施例的受压限位套箍的侧视图；
图6为本发明实施例的受拉限位套箍的正视图；
图7为本发明实施例的受拉限位套箍的侧视图。
具体实施方式
下面根据附图1～图7，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
请参阅图1，本发明实施例的一种基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑，包括一核心受力组件1和一拉压自复位机构2，拉压自复位机构2包括两连接端板21、两受压限位套箍22、两受拉限位套箍23、多个传力件24、多个受压工作记忆合金件25和多个受拉工作记忆合金件26；两连接端板21分别固定于核心受力组件1的两端；两受压限位套箍22套设并固定于核心受力组件1的外围；两受拉限位套箍23可沿核心受力组件1轴向往复运动地套设于核心受力组件1外围并位于两受压限位套箍22之间；受拉工作记忆合金件26连接于两受拉限位套箍23之间；两受拉限位套箍23分别与相邻的一受压限位套箍22之间连接有复数个受压工作记忆合金件25；两受拉限位套箍23分别与相邻的一连接端板21之间连接有复数个传力件24。
核心受力组件1和拉压自复位机构2的配合使得本发明实施例的一种基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑在拉压作用下均能实现良好自复位和耗能特性。
核心受力组件1包括一防屈曲支撑的芯板11和一外套筒12，连接端板21焊接或螺接固定于防屈曲支撑的芯板11的两端，可采用Q345低合金钢制作；外套筒12套设并固定于防屈曲支撑的芯板11外；受压限位套箍22套设并焊接固定于外套筒12外围；受拉限位套箍23可沿外套筒12轴向往复运动地套设于外套筒12外。
本实施例中，连接端板21的形状不受限制，包括但不限于采用螺栓或焊接的十字板、矩板及方钢管等形式。
防屈曲支撑的芯板11为主要耗能元件，可采用常规的防屈曲支撑，外观既可以是圆形也可以是矩形；包括但不限于各种类型(如：填充型、全钢非填充型等)、芯材形式(一字型、十字型、矩形管等)和外观形状(圆形、方型等)；芯材的类型以低屈服点(如LY225，Q235)为首选。
传力件24用于连接端板21与受拉限位套箍23的连接，连接端板21和传力件24的强度安全系数大于2.0；传力件24可采用Q345低合金钢制作；本实施例中，传力件24呈板型，并具有一定厚度，防止其发生平面外屈曲；如，可采用长:宽:厚为373:190:32的板件。
本实施例中，传力件24的两端分别与对应连接端板21与受拉限位套箍23焊接固定；或传力件24一端与连接端板21一体成型，另一端与受拉限位套箍23焊接固定；受压工作记忆合金件25可拆卸地固定于受压限位套箍22和受拉限位套箍23之间；受拉工作记忆合金件26可拆卸地固定于两受拉限位套箍23之间。传力件24应避开受压工作记忆合金件25和受拉工作记忆合金件26的位置设置。
请参阅图1～图7，受压工作记忆合金件25的两端分别形成一第一螺纹段251，受压限位套箍22形成与第一螺纹段251配合的第一螺纹孔223，受拉限位套箍23形成与第一螺纹孔223位置对应的第一通孔233，受压工作记忆合金件25的第一端与第一螺纹孔223螺接，受压工作记忆合金件25穿设于第一通孔233内，且受压工作记忆合金件25的第二端在第一通孔233远离受压限位套箍22的一侧与一第一限位螺帽27螺接，第一限位螺帽27对受拉限位套箍23限位；或受压限位套箍22形成第一通孔233，受拉限位套箍23形成第一螺纹孔223。
受拉工作记忆合金件26的两端分别形成一第二螺纹段261，一受拉限位套箍23形成与第二螺纹段261配合的第二螺纹孔234，另一受拉限位套箍23形成与第二螺纹孔234位置配合的第二通孔(图中未示)，受拉工作记忆合金件26的第一端与第二螺纹孔234螺接，受拉工作记忆合金件26穿设于第二通孔内，且受拉工作记忆合金件26的第二端在第二通孔远离另一受拉限位套箍23的一侧与一第二限位螺帽28螺接，第二限位螺帽28对相邻受拉限位套箍23限位。
受压工作记忆合金件25的第一螺纹段251、第一螺纹孔223和第一限位螺帽27的配合，以及受拉工作记忆合金件26的第二螺纹段261、第二螺纹孔234和第二限位螺帽28的配合，使得能够便捷地对受压工作记忆合金件25和受拉工作记忆合金件26进行安装和调换，简化了基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑的安装和维护工序，并可降低维护成本。
受压工作记忆合金件25和受拉工作记忆合金件26呈杆状；且受压工作记忆合金件25的第一螺纹段251部分的直径大于受压工作记忆合金件25中部的直径；受拉工作记忆合金件26的第二螺纹段261部分的直径大于受拉工作记忆合金件26中部的直径。
本实施例中，第一螺纹段251部分的直径与受压工作记忆合金件25中部的直径的比值和第二螺纹段261部分的直径与受拉工作记忆合金件26中部的直径的比值为1.2～1.5；第一螺纹段251部分的长度与受压工作记忆合金件25中部的直径的比值和第二螺纹段261部分的长度与受拉工作记忆合金件26中部的直径的比值为1.5～2。受拉工作记忆合金件26中部的长度为受压工作记忆合金件25的中部的长度的2倍。本实施例中，受压工作记忆合金件25和受拉工作记忆合金件26采用相变温度在400度左右的大直径Ni-Ti合金棒材，其最大拉伸应变控制在6％～8％之间为佳，且极限拉应变不应超过10％；为保证良好的自复位效果，受压工作记忆合金件25和受拉工作记忆合金件26提供的恢复力不小于防屈曲支撑的芯板11极限承载力的1.5倍。
第一限位螺帽27和第二限位螺帽28的外径与内径的比值大于2，且第一限位螺帽27和第二限位螺帽28的承压面的强度安全系数应大于2.0。
本实施例中，受压限位套箍22包括一第一套箍部221和一第一凸台部222，第一凸台部222形成于第一套箍部221的中部外围；第一螺纹孔223或第一通孔233沿一第一方向对置形成于第一凸台部222的两侧并与核心受力组件1的轴向平行，第一套箍部221套设并焊接固定于核心受力组件1外围。
受拉限位套箍23包括一第二套箍部231和一第二凸台部232，第二凸台部232形成于第二套箍部231的中部外围；第二凸台部232形成第一螺纹孔223或第一通孔233；第二螺纹孔234或第二通孔沿一第二方向对置形成于第二凸台部232的两侧；第二套箍部231可沿核心受力组件1的轴向往复运动地套设于核心受力组件1的外围。第一方向与第二方向相互垂直。
本实施例中，受压限位套箍22与外套筒12焊接处的强度安全系数大于2.0。受压限位套箍22和受拉限位套箍23可采用Q345低合金钢制作。
本发明实施例的一种基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑，通过附加具有超弹性特性的大直径形状记忆合金棒，形成了一种新型自复位消能减震元件。本发明易于加工制作和规格化生产，在拉压作用下均能实现良好自复位和耗能特性，能有效提升防屈曲耗能支撑的性能和工程应用范围，为安装的主体结构提供耗能能力和自复位能力，减轻主体结构在地震等外部作用下的损伤和残余变形，降低外部作用消除后的结构维修经济成本和时间成本。
例如：根据某主体结构的性能需求已选定一传统防屈曲支撑，其总长度为2400mm，屈服承载力为400kN，极限承载力为600kN，防屈曲支撑的芯板11核心屈服段的长度为1400mm，极限应变水平为3％，极限变形为42mm，外套筒的尺寸为200mm*200mm。
根据该防屈曲支撑的极限承载力为600kN，选取2根核心段直径为24mm、单根可提供的极限承载力为500kN的Ni-Ti记忆合金棒，共计可提供的恢复力为1000kN，大于防屈曲支撑极限承载力的1.5倍，满足设计要求。
根据该防屈曲支撑的极限变形为42mm，按记忆合金棒的应变水平为6％计算，可确定受拉工作记忆合金件26中部核心段的长度为700mm，取总长度为800mm，两端第二螺纹段261的长度和直径分别50mm和28mm；受压工作记忆合金件25的数量为4根，中部核心段长度为受拉工作记忆合金件26中部核心段长度的1/2，即350mm，取总长度为450mm，两端第一螺纹段251的长度和直径同受拉工作记忆合金件26。
根据防屈曲支撑和记忆合金棒的设计，确定受压限位套箍22和受拉限位套箍23中空腔截面尺寸为152mm×152mm，第一凸台部222和第二凸台部232的厚度取为60mm，所开圆孔直径为50mm，一端车螺纹，一端留空；第一套箍部221和第二套箍部231的长度取为300mm，其中受拉限位套箍23的第二凸台部232两侧的第二套箍部231的外伸宽度取为140mm，其中受压限位套箍22的第一凸台部222两侧的第一套箍部221的外伸宽度取为120mm。
根据记忆合金棒的设计，确定第一限位螺帽27和第二限位螺帽28的内径为50mm，外径取为80mm，端面承压(刨平顶紧)的承载力设计值为1225kN。
传力件24和连接端板21的设计，可通过常规方法按照实际需要确定。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑，其特征在于，包括一核心受力组件和一拉压自复位机构，所述拉压自复位机构包括两连接端板、两受压限位套箍、两受拉限位套箍、多个传力件、多个受压工作记忆合金件和多个受拉工作记忆合金件；两所述连接端板分别固定于所述核心受力组件的两端；两所述受压限位套箍套设并固定于所述核心受力组件的外围两侧；两所述受拉限位套箍可沿所述核心受力组件轴向往复运动地套设于所述核心受力组件外围并位于两所述受压限位套箍之间；所述受拉工作记忆合金件连接于两所述受拉限位套箍之间；两所述受拉限位套箍分别与相邻的一所述受压限位套箍之间连接有复数个所述受压工作记忆合金件；两所述受拉限位套箍分别与相邻的一所述连接端板之间连接有复数个所述传力件；
所述传力件为板型。
2.根据权利要求1所述的基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑，其特征在于，所述传力件的两端分别与对应所述连接端板与所述受拉限位套箍焊接固定；或所述传力件一端与连接端板一体成型，所述传力件另一端与所述受拉限位套箍焊接固定；所述受压工作记忆合金件可拆卸地固定于所述受压限位套箍和所述受拉限位套箍之间；所述受拉工作记忆合金件可拆卸地固定于两所述受拉限位套箍之间。
3.根据权利要求2所述的基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑，其特征在于，所述受压工作记忆合金件的两端分别形成一第一螺纹段，所述受压限位套箍形成与所述第一螺纹段配合的第一螺纹孔，所述受拉限位套箍形成与所述第一螺纹孔位置对应的第一通孔，所述受压工作记忆合金件的第一端与所述第一螺纹孔螺接，所述受压工作记忆合金件穿设于所述第一通孔内，且所述受压工作记忆合金件的第二端在所述第一通孔远离所述受压限位套箍的一侧与一第一限位螺帽螺接，所述第一限位螺帽对所述受拉限位套箍限位；或所述受压限位套箍形成所述第一通孔，所述受拉限位套箍形成所述第一螺纹孔。
4.根据权利要求3所述的基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑，其特征在于，所述受拉工作记忆合金件的两端分别形成一第二螺纹段，一所述受拉限位套箍形成与所述第二螺纹段配合的第二螺纹孔，另一所述受拉限位套箍形成与所述第二螺纹孔位置配合的第二通孔，所述受拉工作记忆合金件的第一端与所述第二螺纹孔螺接，所述受拉工作记忆合金件穿设于所述第二通孔内，且所述受拉工作记忆合金件的第二端在所述第二通孔远离另一所述受拉限位套箍的一侧与一第二限位螺帽螺接，所述第二限位螺帽对相邻所述受拉限位套箍限位。
5.根据权利要求4所述的基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑，其特征在于，所述受压工作记忆合金件和所述受拉工作记忆合金件呈杆状；且所述受压工作记忆合金件的第一螺纹段部分的直径大于所述受压工作记忆合金件中部的直径；所述受拉工作记忆合金件的第二螺纹段部分的直径大于所述受拉工作记忆合金件中部的直径。
6.根据权利要求5所述的基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑，其特征在于，所述受压限位套箍包括一第一套箍部和一第一凸台部，所述第一凸台部形成于所述第一套箍部的中部外围；所述第一螺纹孔或所述第一通孔沿一第一方向对置形成于所述第一凸台部的两侧并与所述核心受力组件的轴向平行，所述第一套箍部套设并焊接固定于所述核心受力组件外围。
7.根据权利要求6所述的基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑，其特征在于，所述受拉限位套箍包括一第二套箍部和一第二凸台部，所述第二凸台部形成于所述第二套箍部的中部外围；所述第二凸台部形成所述第一螺纹孔或所述第一通孔；所述第二螺纹孔或所述第二通孔沿一第二方向对置形成于所述第二凸台部的两侧；所述第二套箍部可沿所述核心受力组件的轴向往复运动地套设于所述核心受力组件的外围。
8.根据权利要求7所述的基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向相互垂直。
9.根据权利要求8所述的基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑，其特征在于，所述核心受力组件包括一防屈曲支撑的芯板和一外套筒，所述连接端板焊接或螺接固定于所述防屈曲支撑的芯板的两端，所述外套筒套设并固定于所述防屈曲支撑的芯板外；所述受压限位套箍套设并焊接固定于所述外套筒外围；所述受拉限位套箍可沿所述外套筒轴向往复运动地套设于所述外套筒外。
10.根据权利要求9所述的基于记忆合金的自复位防屈曲耗能支撑，其特征在于，所述连接端板和所述传力件的强度安全系数大于2.0；所述受压限位套箍与所述外套筒焊接处的强度安全系数大于2.0。
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