CN109653395B - 两阶段性能目标自复位摩擦型耗能支撑 - Google Patents

两阶段性能目标自复位摩擦型耗能支撑 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种两阶段性能目标自复位摩擦型耗能支撑,包括连接传力机构、自复位机构和耗能机构三部分。与现有技术相比,本发明利用具有两阶段工作状态的形状记忆合金拉索和高强钢棒材作为核心拉力构件为结构提供自复位驱动力和一定耗能能力,利用摩擦型耗能装置提供主要耗能能力,并进一步通过合理的构造设计以最大程度地保证支撑在极震下的恢复能力,并防止由于支撑失效引起的结构倒塌等。

Description

两阶段性能目标自复位摩擦型耗能支撑
技术领域
本发明属于高性能的抗侧支撑技术领域,涉及一种两阶段性能目标自复位摩擦型耗能支撑。
背景技术
支撑作为一种建筑结构抗侧构件被广泛应用于土木工程领域,但传统支撑在强震后会因残余变形过大和核心部件屈曲丧失其功能。为此,出现了能够提供一定自回复能力以减小残余变形的PT型支撑和防止支撑屈曲的BRB支撑,但PT型支撑存在着延性不足,大变形下易于断裂的风险;而BRB支撑在强震后仍然有较大的残余变形。
为了降低结构的震后损伤与变形,一种最新的技术是利用基于超弹性形状记忆合金作为预紧核心构件(拉索、棒材等)所提供的回复力,来促进整体结构复位的自复位支撑。在中小震设计水平下能较好地实现上述目标。然而,目前该自复位技术的自复位能力仅依赖于处于单一工作阶段(即所有核心构件的受力状态基本一致)的预紧核心构件提供。一旦地震水平超过设计水平,上述处于同一工作状态的构件极有可能因为变形过大而同时出现断裂,导致支撑失效,不再能够为结构提供侧向力;无法防止结构可能出现的危及生命安全的整体倒塌。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种两阶段性能目标自复位摩擦型耗能支撑。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
两阶段性能目标自复位摩擦型耗能支撑,包括:
连接传力机构:包括外套筒、内套筒、限位件、两个端部连接板和两个端板,其中,所述内套筒置于外套筒内部空间,在内套筒与外套筒之间还设有使得两者之间径向位置相对定位的限位件,所述两个端部连接板位于相对的两端,并分别固定连接内套筒和外套筒的端部,所述两个端板位于外套筒/内套筒的轴向两侧;
自复位机构:包括处于不同受力状态的两组自复位拉索组件,其中一组自复位拉索组件的两端呈张紧状态分别固定连接所述两个端板,并使得两个端板分别紧密接触外套筒和/或内套筒的两端,另外一组自复位拉索组件的两端呈放松状态分别固定连接所述两个端板;
耗能机构:包括分别固定在内套筒与外套筒上的摩擦板和摩擦片,所述摩擦板和摩擦片的两个相邻表面呈受压状态贴合接触。
进一步的,所述端板与端部连接板呈轴向滑动配合,使得端板与端部连接板之间可沿轴向相对滑动,并保证径向位置的相对固定。
进一步的,所述端部连接板上还加工有与外部结构节点区域连接的长圆孔,然后可以通过与长圆孔匹配的螺栓结构将端部连接板连接至外部的结构点区域。长圆孔的走向优选与内外套筒的轴向一致。
进一步的,所述限位件通过焊接或螺栓紧固在内套筒的外侧面上,限位件沿径向的外侧表面还紧密贴合所述外套筒的内壁。
进一步的,所述自复位拉索组件包括端部相互连接的形状记忆合金拉索和连接杆,所述形状记忆合金拉索和连接杆的两个自由端分别固定连接所述两个端板。
更进一步的,所述形状记忆合金拉索和连接杆的一个端部分别通过锚固螺栓紧固在所述两个端板上。
进一步的,所述外套筒上固定安装有角钢,在角钢上固定设有接触所述摩擦板轴向侧面的摩擦片。
更进一步的,所述摩擦板上设有贯通的轴向滑槽,穿过所述轴向滑槽还设有可沿其滑动并连接所述摩擦片的连接螺栓,通过连接螺栓施加的正压力使得所述摩擦板与摩擦片相互接触,工作过程,角钢与摩擦片的位置固定,连接螺栓与角钢的相对位置可发生改变。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)本发明通过将部分形状记忆合金拉索施加预应力张紧,部分放松的方式,实现支撑在不同地震作用水平下均具有可靠的自复位能力;
(2)本发明的自复位拉索在外力作用过程中均受拉,充分发挥拉索的利用效率;
(3)本发明的耗能能力由摩擦板和角钢摩擦片之间的相对运动产生的摩擦力提供,耗能机制明确,耗能能力稳定。同时由于摩擦力产生的结构残余变形可在震后通过放松螺栓来恢复。
附图说明
图1为本发明的主视结构示意图;
图2为图1中A-A截面的示意图;
图3为图1中B-B截面的示意图;
图4为两阶段性能目标自复位耗能支撑在受拉第一工作阶段状态示意图;
图5为两阶段性能目标自复位耗能支撑在受拉第二工作阶段状态示意图;
图6为两阶段性能目标自复位耗能支撑在受压第一工作阶段状态示意图;
图7为两阶段性能目标自复位耗能支撑在受压第二工作阶段状态示意图;
图中标记说明:
100-自复位机构,101-形状记忆合金拉索一,102-形状记忆合金拉索二,103-连接杆一,104-连接杆二,200-耗能机构,201-摩擦板,202-角钢,203-摩擦片,300-连接传力机构,301-外套筒,302-内套筒,303-锚固螺栓,304-端部连接板一,305-端部连接板二,306-限位件,307-端板,308-连接锚具。
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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提出了一种两阶段性能目标自复位摩擦型耗能支撑,参见图1-图3所示,包括:
连接传力机构300:包括外套筒301、内套筒302、限位件306、两个端部连接板和两个端板307,其中,所述内套筒302置于外套筒301内部空间,在内套筒302与外套筒301之间还设有使得两者之间径向位置相对定位的限位件306,所述两个端部连接板位于相对的两端,并分别固定连接内套筒302和外套筒301的端部(定义连接外套筒301的端部连接板为端部连接板一304,连接内套筒302的端部连接板为端部连接板二305),所述两个端板307位于外套筒301/内套筒302的轴向两侧;
自复位机构100:包括处于不同受力状态的两组自复位拉索组件,其中一组自复位拉索组件的两端呈张紧状态分别固定连接所述两个端板307,并使得两个端板307分别紧密接触外套筒301和/或内套筒302的两端,另外一组自复位拉索组件的两端呈放松状态分别固定连接所述两个端板307;
耗能机构200:包括分别固定在内套筒302与外套筒301上的摩擦板201和摩擦片203,所述摩擦板201和摩擦片203的两个相邻表面呈受压状态贴合接触。
在本发明的一种具体的实施方式中,所述端板307与端部连接板呈轴向滑动配合。
在本发明的一种具体的实施方式中,所述端部连接板上还加工有与外部结构节点区域连接的长圆孔,然后可以通过与长圆孔匹配的螺栓结构将端部连接板连接至外部的结构点区域。
在本发明的一种具体的实施方式中,所述限位件306通过焊接或螺栓紧固在内套筒302的外侧面上,限位件306沿径向的外侧表面还紧密贴合所述外套筒301的内壁。
在本发明的一种具体的实施方式中,所述自复位拉索组件包括端部相互连接的形状记忆合金拉索(根据受力状态的不同,可分为形状记忆合金拉索一101和形状记忆合金拉索二102)和连接杆(根据所连接的形状记忆合金拉索的不同,可分为连接杆一103和连接杆二104),所述形状记忆合金拉索和连接杆的两个自由端分别固定连接所述两个端板307。更进一步具体的实施方式中,所述形状记忆合金拉索和连接杆的一个端部分别通过锚固螺栓303紧固在所述两个端板307上。
在本发明的一种具体的实施方式中,所述外套筒301上固定安装有角钢202,在角钢202上固定设有接触所述摩擦板201轴向侧面的摩擦片203。更进一步具体的实施方式中,所述摩擦板201上设有贯通的轴向滑槽,穿过所述轴向滑槽还设有可沿其滑动并连接所述摩擦片203的连接螺栓,通过连接螺栓施加的正压力使得所述摩擦板201与摩擦片203相互接触,工作过程,角钢202与摩擦片203的位置固定,连接螺栓与角钢202的相对位置可发生改变。
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步的说明。
实施例1
如图1所示,一种两阶段性能目标自复位耗能支撑,包括自复位机构100、耗能机构200、连接传力机构300。安装实施过程中,先将内套筒302放置于外套筒301中,再将端板307放置于内套筒302、外套筒301两端,与内、外套筒301端部接触,最后将自复位拉索组件一张紧锚固于端板307,自复位拉索组件二放松状态锚固于端板307。
随后,如图2所示,限位件306设有四个,其通过焊接等方式连接于内套管,用于控制内外套管的相对位置关系,其中,形状记忆合金拉索一101和连接杆一103(可以采用高强钢棒材)、形状记忆合金拉索二102和连接杆二104分别通过连接锚具308固定连接并组成自复位拉索组件一与自复位拉索组件二,形状记忆合金拉索一101和形状记忆合金拉索二102分别为处于不同受力状态的拉索,拉索的具体数量及不同受力状态拉索的摆放位置可根据实际设计需要确定。
然后,如图3所示,将摩擦板201与内套管连接,将角钢202与外套管连接,在角钢202与摩擦板201相邻面安装摩擦片203,并用连接螺栓施加正压力。在内套筒302与外套筒301发生相对滑动时,耗能机构200通过摩擦板201与摩擦片203的相互摩擦进行耗能。
在具有上述结构特征后,结合图4至图7,本发明可按以下过程实施:
如图4、图5所示,进一步阐释了两阶段性能目标自复位耗能支撑在受到拉力作用下的机理。具体地,一端的外拉力通过端部连接板一304传递至外套筒301,并继续传递至同侧的端板307;另一端的外力通过端部连接板二305传递至内套筒302,并继续传递至同侧的端板307。两个端板307间距离相较初始位置增大,进而使拉索的水平长度伸长。在第一阶段性能目标荷载和位移水平作用下,形状记忆合金拉索一101受拉并提供回复能力,形状记忆合金拉索二102处于放松状态,内部不受力。在第二阶段性能目标荷载和位移水平作用下,形状记忆合金拉索一101和形状记忆合金拉索二102均受拉并提供回复能力。在出现超过设计水平的荷载或地震作用下,连接端部连接板和节点区域的螺栓会沿端部连接板的长圆孔滑动(长圆孔的方向与内外套筒相对移动的方向相同),从而避免支撑受力过大或出现破坏。在两阶段性能目标下,摩擦板201和摩擦片203均相对滑动进行耗能。
如图6、图7所示,进一步阐释了两阶段性能目标自复位耗能支撑在受到压力作用下的机理。具体地,一侧的外压力通过端部连接板一304传递至外套筒301,并继续传递至对侧面的端板307;另一侧的外压力同样通过端部连接板二305传递至内套筒302,并继续传递至对侧面的端板307。两个端板307间距离相较初始位置增大,进而使拉索的水平长度伸长。在第一阶段性能目标荷载和位移水平作用下,形状记忆合金拉索一101受拉并提供回复能力,形状记忆合金拉索二102处于放松状态,内部不受力。在第二阶段性能目标荷载和位移水平作用下,形状记忆合金拉索一101和形状记忆合金拉索二102均受拉并提供回复能力。在出现超过设计水平的荷载或地震作用下,连接端部连接板和节点区域的螺栓会沿端部连接板的长圆孔滑动(长圆孔的方向与内外套筒相对移动的方向相同),从而避免支撑受力过大或出现破坏。在两阶段性能目标下,摩擦板201和摩擦片203均相对滑动进行耗能。
通过本发明的设计,无论自复位耗能支撑处于受拉还是受压状态,自复位拉索组件都处于受拉状态,这样有助于自复位功能的实现。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种两阶段性能目标自复位摩擦型耗能支撑,其特征在于,包括:
连接传力机构:包括外套筒、内套筒、限位件、两个端部连接板和两个端板,其中,所述内套筒置于外套筒内部空间,在内套筒与外套筒之间还设有使得两者之间径向位置相对定位的限位件,所述两个端部连接板位于相对的两端,并分别固定连接内套筒和外套筒的端部,所述两个端板位于外套筒和内套筒的轴向两侧;
自复位机构:包括处于不同受力状态的两组自复位拉索组件,其中一组自复位拉索组件的两端呈张紧状态分别固定连接所述两个端板,并使得两个端板分别紧密接触外套筒和/或内套筒的两端,另外一组自复位拉索组件的两端呈放松状态分别固定连接所述两个端板;
耗能机构:包括分别固定在内套筒与外套筒上的摩擦板和摩擦片,所述摩擦板和摩擦片的两个相邻表面呈受压状态贴合接触;
所述自复位拉索组件包括端部相互连接的形状记忆合金拉索和连接杆,所述形状记忆合金拉索和连接杆的两个自由端分别固定连接所述两个端板;
所述端板与端部连接板呈轴向滑动配合;
所述形状记忆合金拉索和连接杆的一个端部分别通过锚固螺栓紧固在所述两个端板上。
2.根据权利要求1所述的一种两阶段性能目标自复位摩擦型耗能支撑,其特征在于,所述端部连接板上还加工有与外部结构节点区域连接的长圆孔。
3.根据权利要求1所述的一种两阶段性能目标自复位摩擦型耗能支撑,其特征在于,所述限位件通过焊接或螺栓紧固在内套筒的外侧面上,限位件沿径向的外侧表面还紧密贴合所述外套筒的内壁。
4.根据权利要求1所述的一种两阶段性能目标自复位摩擦型耗能支撑,其特征在于,所述外套筒上固定安装有角钢,在角钢上固定设有接触所述摩擦板轴向侧面的摩擦片。
5.根据权利要求4所述的一种两阶段性能目标自复位摩擦型耗能支撑,其特征在于,所述摩擦板上设有贯通的轴向滑槽,穿过所述轴向滑槽还设有可沿其滑动并连接所述摩擦片的连接螺栓,通过连接螺栓施加的正压力使得所述摩擦板与摩擦片相互接触。
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