CN110700433B - 控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器 - Google Patents

控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器，由拉压杆、连接头、锯齿形半圆筒、金属橡胶圆筒、金属橡胶圆条、金属橡胶圆垫块、金属圆筒、金属圆杆组成。当地震发生时，拉压杆开始沿轴向发生往复运动，使原来完全咬合的不同深度的锯齿形凹槽之间发生错动，锯齿形半圆筒开始挤压其外部的金属橡胶圆筒，金属橡胶圆筒施加力作用在锯齿形半圆筒上，使锯齿形凹槽错动时发挥较大的摩擦耗能作用，凹槽的不同深度可以实现分级耗能的目的。通过预埋件能够将力传递给建筑结构本身，减小结构在地震下产生的往复位移，使震后结构的残余位移随之减少，达到控制结构节点残余位移的目的。

Description

控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器
技术领域
本发明涉及一种控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器，在地震作用下通过多级配摩擦装置以及金属橡胶进行耗能减震，同时利用金属橡胶的超弹性能力显著减少震后框架结构节点的残余位移。本发明属于土木工程抗震、减震技术领域。
背景技术
建筑结构在地震作用下不可避免的会发生不同程度的破坏和损伤，造成了大量的经济损失和人员伤亡。为了降低结构在地震作用下的响应，减少人员伤亡和财产损失，国内外大量的专家学者研发出不同类型的耗能减震装置。
耗能减震装置通过摩擦、弯曲、塑性滞回变形来耗散或吸收地震输入结构中的能量，以减少主体结构地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到耗能减震的目的。目前，常见的耗能减震装置有摩擦耗能器、金属耗能器、粘弹性耗能器、粘滞性耗能器、智能材料耗能器等。其中，摩擦耗能减震装置以其减震效率高、构造简单、力学机理明确、适用范围广、维护方便、造价低廉成为目前使用相当广泛的被动耗能减震装置。
在地震之后需要对重要建筑如医院等进行修复，迅速恢复重要建筑的使用功能。目前，可以用结构的残余位移作为评估震损结构损伤程度以及可修复性的重要指标。在地震过程中，当结构发生的往复位移越大，震后结构的残余位移也越大；当结构发生的往复位移越小，震后结构的残余位移也越小，甚至没有残余位移。当建筑结构的残余位移过大时，结构难以通过维修加固等措施恢复建筑结构的使用功能。即使是恢复建筑结构的正常使用功能之后，较大的残余位移角也会使住户明显感知建筑倾斜，产生恐慌不适的心理症状，严重影响住户的日常生活。
目前，用于减小结构地震反应的阻尼器并不能充分实现控制结构震后残余变形的目的，尤其是以金属阻尼器为代表的位移相关型阻尼器。这类阻尼器在地震作用下通过产生变形耗散地震能量，但变形之后就进入失效状态，无法在长持时的地震下减小建筑结构发生往复位移，减少结构震后的残余位移。
因此，为了减少建筑结构震后的残余位移，并克服传统阻尼器在限制残余变形方面的不足，本发明提出一种控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器。该发明在地震作用下能够通过锯齿形的多级配摩擦耗能装置以及金属橡胶圆条、金属橡胶圆垫块进行快速摩擦耗能，从而减少建筑结构在地震下的响应。同时，利用金属橡胶的超弹性属性减小建筑结构在地震中发生的往复位移，使建筑结构节点震后的残余位移较小。在地震之后能够快速进行结构修复，恢复建筑结构的使用功能，不影响住户的正常生活。
发明内容
为解决上述问题，本发明基于摩擦耗能减震原理以及残余位移产生机理提出了一种控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器及其制作方法。它具有构造简单、造价低廉、分级摩擦耗能、残余位移可控等优点。在地震作用下，可通过锯齿形分级摩擦耗能装置和金属橡胶圆条、金属橡胶圆垫块进行减震耗能，同时，金属橡胶的超弹性性质能够赋予本发明的耗能装置较大的恢复力，使耗能装置能够迅速回复到初始状态，并且该力通过预埋件传递到结构上，使结构在地震过程中的往复位移减小，震后的残余位移也相应减少，从而达到控制结构节点残余位移的目的。
为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器，该耗能器由拉压杆1、连接头2、锯齿形半圆筒3、金属橡胶圆筒4、金属橡胶圆条5、金属橡胶圆垫块6、金属圆筒7和金属圆杆8组成。拉压杆1由两段不等直径的高强度金属圆杆构成，直径较粗的一段金属圆杆表面加工有不同深度的锯齿形凹槽，不同深度的锯齿形凹槽与两块锯齿形半圆筒3上的同样深度不等的凹槽相互咬合，拼成一个整体。金属橡胶圆筒4套在两个锯齿形半圆筒3拼合之后的表面上，金属橡胶圆筒4的长度与锯齿形半圆筒3的长度相同。直径较细的金属圆杆穿过金属圆筒7顶部的圆孔与连接头2焊接，且与金属圆筒7底部放置的金属橡胶圆垫块6相接触，并同时将金属橡胶圆筒4以及内部的锯齿形半圆筒3卡在金属圆筒7中间的卡槽内，以限制其沿轴线方向运动。金属橡胶圆条5一端与金属圆筒7上顶面相连，另一端与直径较粗的一段金属圆杆顶面连接。金属圆筒7的底部通过金属圆杆8与连接头2连接。
耗能器两端的连接头2通过螺栓与预埋在结构梁、结构柱内的预埋件进行连接，完成整个减震耗能装置的布置。
在正常状态下，耗能器不进行摩擦耗能，仅提供基本的构件刚度。当地震发生时，布置在结构梁柱节点附近的超弹性多级配摩擦限位耗能器开始发挥耗能减震作用。首先，拉压杆1的运动使相互咬合的锯齿形凹槽之间发生错动，锯齿形半圆筒3开始挤压金属橡胶圆筒4，金属橡胶圆筒4施加力作用于锯齿形半圆筒3上，使锯齿形凹槽发生错动时，开始产生摩擦耗能作用。不同深度的锯齿形凹槽在不同级别的地震下进行摩擦耗能的数量不一样，从而能够实现分级摩擦耗能的目的。同时，拉压杆1的运动带动金属橡胶圆条5与金属橡胶圆垫块6产生耗能作用。在地震过程中，由于金属橡胶的超弹性属性，能够赋予耗能器较强的恢复力，使耗能器能够回复到初始状态，锯齿凹槽之间重新咬合，并且该恢复力通过预埋件9传递到结构上，使建筑结构在地震过程中发生的往复位移减少，震后结构节点的残余位移也随之减小。
为实现分级摩擦耗能的目的，锯齿形凹槽的深度分为不小于三个等级，位于中间部分的凹槽深度最浅，两侧凹槽逐渐变深，锯齿形凹槽的角度为60°-120°。同时，为了使耗能器便于发挥摩擦耗能作用，将凹槽端部的尖角磨成圆角。同一等级锯齿形凹槽的数量大于等于3，凹槽深度的增加量为相邻等级凹槽的0.2-0.4倍。
金属橡胶圆筒4的内径等于锯齿形半圆筒3的外径，金属橡胶圆筒4的外径等于金属圆筒7的内径。金属橡胶圆垫块6的直径等于金属圆筒7的内径。金属圆筒7顶部圆孔的直径为拉压杆1较细金属圆杆一端直径的1.0-1.1倍。
由于金属橡胶的厚度对其刚度有很大的影响，为了保证金属橡胶圆筒4在地震作用下能发挥耗能减震效果，将金属橡胶长径比控制在5-8之间。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1)控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器通过与预埋件的连接，完成耗能器的布置，且所占空间很小，不影响建筑结构的正常工作和使用。
2)控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器，通过锯齿形凹槽的不同深度以及套在锯齿形半圆筒外部的金属橡胶圆筒实现分级摩擦耗能的目的。
3)控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器，通过摩擦耗能减震的同时还能通过金属橡胶圆条以及金属橡胶圆垫块进行耗能减震。
4)在地震作用中，控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器利用金属橡胶的超弹性性质，能够施加给耗能器一个较大的恢复力，使耗能器能够迅速回复到初始状态，并且该恢复力通过预埋件传递到结构上，使结构在地震中发生的往复位移变小，震后结构的残余位移也相应减小，达到控制结构残余位移的目的。
5)控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器，构造简单，施工方便，与其它各种类型的减震装置相比成本较低。
附图说明
图1是控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器的布置效果图。
图2是控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器中耗能器的具体内部构造图。
图3是金属圆筒剖面图。
图4是锯齿形半圆筒详图。
图5是拉压杆详图。
图6是耗能器的A-A剖面图。
图7是耗能器的B-B剖面图。
图8是中预埋件详图。
图9是耗能器发挥摩擦耗能作用的状态图。
图10是耗能器的滞回曲线。
图中：1—拉压杆、2—连接头、3—锯齿形半圆筒、4—金属橡胶圆筒、5—金属橡胶圆条、6—金属橡胶圆垫块、7—金属圆筒、8—金属圆杆、9—预埋件、10—框架梁、11—框架柱。
具体实施方式
实施例1：
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，是本发明一种控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器的实施例，其主要包括：拉压杆1、连接头2、锯齿形半圆筒3、金属橡胶圆筒4、金属橡胶圆条5、金属橡胶圆垫块6、金属圆筒7、金属圆杆8、预埋件9、框架梁10、框架柱11。
具体实施步骤如下：
1)对某一栋6层钢筋混凝土框架结构进行耗能减震设计，同时控制其震后的残余位移。梁柱的截面尺寸分别为：400mm×400mm、300mm×500mm，层高3600mm。通过提供的结构设计图纸，建立6层框架结构的有限元模型，输入地震波进行时程分析，在中震作用(0.1g)下，结构底层的残余位移最大，其值为18.36mm。而在每层结构节点附近布置完本发明的耗能器之后，结构底层的残余位移降为7.21mm。因此，宜为该框架结构布置本发明的耗能装置。
2)将预埋件布置在框架梁、框架柱的钢筋中，随后完成支模板，浇筑混凝土等现场施工任务。预埋件的材质可为钢材或者其它高强度金属，预埋件的详细构造如图8所示。
3)如图5所示，拉压杆由两段直径不同的高强度金属圆杆组成，较细一段高强度金属圆杆的直径为60mm，较粗一段高强度圆杆的直径为100mm。较粗一段金属圆杆表面上有不同深度的锯齿形凹槽，中间部分凹槽深度最浅，两侧凹槽深度逐渐增大，凹槽的深度从浅到深分别为9mm、12mm、16mm，凹槽的角度为90°，端部尖角磨成圆角。
4)两块锯齿形半圆筒贴在拉压杆表面，使锯齿形凹槽之间相互咬合。锯齿形半圆筒的内径为100mm，外径为125mm，长度为500mm。随后，将内径为125mm、外径为150mm、长度为500mm的金属橡胶圆筒套在两块锯齿形半圆筒表面。金属橡胶是由金属丝卷成螺旋形，经过加压成型的金属材料，具有超弹性、高阻尼的特性。
5)拉压杆较细的一端，穿过金属圆筒上顶面的圆孔与连接头进行连接，金属圆筒上顶面圆孔的直径为63mm；拉压杆较粗的一端与布置在金属圆筒底部的金属橡胶圆垫块相接触，金属橡胶圆垫块的直径为150mm，厚度为100mm；同时，将两块锯齿形半圆筒以及金属橡胶圆筒卡在金属圆筒中间的位置。
6)4根长度为100mm、直径为15mm的金属橡胶圆条一端与金属圆筒上顶面相连接，另一端与拉压杆变截面处相连接，其剖面图如图6所示。
7)直径为60mm的金属圆杆，一端与连接头连接，另一端与金属圆筒底面相连接。
8)最后，利用螺栓完成连接头和预埋件的连接，完成控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器在结构梁柱节点位置附近的布置。
在本实例中，控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器不仅能够降低结构在地震下的反应，发挥耗能减震的作用，同时还能够有效解决地震后结构残余位移过大，不利于结构维修加固，影响居民正常生活的缺点。在正常状态下，布置在结构节点附近的控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器不发挥作用。当地震发生时，整体结构的震动带动拉压杆开始发生往复运动，布置在结构节点附近的耗能器开始发挥耗能减震作用。拉压杆的运动使得原来完全咬合的锯齿形凹槽之间发生错动，锯齿形半圆筒开始挤压金属橡胶套筒，金属橡胶圆筒开始施加力作用在锯齿形套筒上，使锯齿形凹槽错动时发挥较大的摩擦耗能作用，锯齿形凹槽的不同深度能够实现分级摩擦耗能的目的。同时，与拉压杆相连接的4根金属橡胶圆条以及与拉压杆相接触的金属橡胶圆垫块也能发挥耗能减震的作用。在地震作用中，由于金属橡胶的超弹性能力，使得金属橡胶圆条、金属橡胶圆垫块、金属橡胶圆筒能够施加给耗能器较大的恢复力，使耗能器能够迅速恢复到初始状态，同时通过预埋件能够将力传递给结构梁、结构柱，减少建筑结构在震动过程中发生的往复位移，使地震之后建筑结构的残余位移也随之减少，达到控制结构节点残余位移的目的。
以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。

Claims (8)

1.控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器，其特征在于：该耗能器由拉压杆(1)、连接头(2)、锯齿形半圆筒(3)、金属橡胶圆筒(4)、金属橡胶圆条(5)、金属橡胶圆垫块(6)、金属圆筒(7)和金属圆杆(8)组成；拉压杆(1)由两段不等直径的高强度金属圆杆构成，直径较粗的一段金属圆杆表面加工有不同深度的锯齿形凹槽，不同深度的锯齿形凹槽与两块锯齿形半圆筒(3)上的同样深度不等的凹槽相互咬合，拼成一个整体；金属橡胶圆筒(4)套在两个锯齿形半圆筒(3)拼合之后的表面上，金属橡胶圆筒(4)的长度与锯齿形半圆筒(3)的长度相同；直径较细的金属圆杆穿过金属圆筒(7)顶部的圆孔与连接头(2)焊接，且与金属圆筒(7)底部放置的金属橡胶圆垫块(6)相接触，并同时将金属橡胶圆筒(4)以及内部的锯齿形半圆筒(3)卡在金属圆筒(7)中间的卡槽内；金属橡胶圆条(5)一端与金属圆筒(7)上顶面相连，另一端与直径较粗的一段金属圆杆顶面连接；金属圆筒(7)的底部通过金属圆杆(8)与连接头(2)连接。
2.根据权利要求1所述的控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器，其特征在于：耗能器两端的连接头(2)通过螺栓与预埋在结构梁、结构柱内的预埋件进行连接，完成整个减震耗能装置的布置。
3.根据权利要求1所述的控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器，其特征在于：锯齿形凹槽的深度分为不小于三个等级，位于中间部分的凹槽深度最浅，两侧凹槽逐渐变深，锯齿形凹槽的角度为60°-120°；同时，为了使耗能器便于发挥摩擦耗能作用，将凹槽端部的尖角磨成圆角；同一等级锯齿形凹槽的数量大于等于3，凹槽深度的增加量为相邻等级凹槽的0.2-0.4倍。
4.根据权利要求1所述的控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器，其特征在于：金属橡胶圆筒(4)的内径等于锯齿形半圆筒(3)的外径，金属橡胶圆筒(4)的外径等于金属圆筒(7)的内径；金属橡胶圆垫块(6)的直径等于金属圆筒(7)的内径；金属圆筒(7)顶部圆孔的直径为拉压杆(1)较细金属圆杆一端直径的1.0-1.1倍。
5.根据权利要求1所述的控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器，其特征在于：金属橡胶圆筒(4)的金属橡胶的长径比在5-8之间。
6.根据权利要求1所述的控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器，其特征在于：在正常状态下，耗能器不进行摩擦耗能，仅提供基本的构件刚度。
7.根据权利要求1所述的控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器，其特征在于：当地震发生时，布置在结构梁柱节点附近的超弹性多级配摩擦限位耗能器开始发挥耗能减震作用；首先，拉压杆(1)的运动使相互咬合的锯齿形凹槽之间发生错动，锯齿形半圆筒(3)开始挤压金属橡胶圆筒(4)，金属橡胶圆筒(4)施加力作用于锯齿形半圆筒(3)上，使锯齿形凹槽发生错动时，开始产生摩擦耗能作用；不同深度的锯齿形凹槽在不同级别的地震下进行摩擦耗能的数量不一样，从而能够实现分级摩擦耗能的目的；同时，拉压杆(1)的运动带动金属橡胶圆条(5)与金属橡胶圆垫块(6)产生耗能作用。
8.根据权利要求1所述的控制结构节点残余位移的超弹性多级配摩擦限位耗能器，其特征在于：在地震过程中，由于金属橡胶的超弹性属性，能够赋予耗能器较强的恢复力，使耗能器能够回复到初始状态，锯齿凹槽之间重新咬合，并且该恢复力通过预埋件(9)传递到结构上，使建筑结构在地震过程中发生的往复位移减少，震后结构节点的残余位移也随之减小。
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