CN110777959A - 具有加强-变摩擦耗能功能的节点半主动减震控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有加强‑变摩擦耗能功能的节点半主动减震控制装置：包括相铰接的第一预埋体和第二预埋体，以及与第一预埋体相连的两块外扇形钢板、与第二预埋体相连的一块内扇形钢板，内外扇形钢板相互接触并以梁柱节点核心区为共同转动中心，外扇形钢板上设置有用于调整内外扇形钢板间的摩擦力的压电陶瓷。随节点变形动作，内外扇形钢板提供初始静摩擦力，在压电陶瓷驱动器体积变化后形成加强的静摩擦力，通过对压电陶瓷体积变化的控制，提供与地震烈度相适应的节点摩擦耗能及变形耗能机制，具有可控、智能的特点，有利于减少结构震中破坏，降低震后修复工作量。

Description

具有加强-变摩擦耗能功能的节点半主动减震控制装置

技术领域

本发明涉及全装配式梁柱节点消能减耗技术领域，具体涉及一种以压电堆为主体、具有加强-变摩擦耗能功能的节点半主动减震控制装置。

背景技术

随着现代建筑技术的发展，建筑的高度和施工速度不断提高。装配式混凝土建筑是建筑工业化最重要的方式，它具有提高质量、缩短工期、节约能源、减少消耗、清洁生产等许多优点。目前，随着经济快速发展，预制装配式混凝土建筑正在不断应用和普及。

实际的工程项目中，大部分装配式建筑采取等同现浇的施工原则，可以满足结构的强度和稳定性。但是在建筑遭遇灾害性地震时，结构本身消耗地震能量的能力较差，梁柱节点破坏严重。因而有必要在节点处设置减震耗能装置来保护节点。

对于被动式梁柱节点摩擦耗能装置，例如，中国专利CN110306662A(一种自复位低损伤腹板摩擦耗能梁柱节点)，其结构设计复杂，虽然具有一定摩擦耗能能力，但由于限制了节点变形耗能能力，往往在震中发生超过预期的破坏，不仅自身无法自动复位，而且还累及节点，震后往往需要进行大量地修复工作。压电堆等智能材料的出现为解决此类问题提供了一定途径，例如，中国专利CN107939137A(一种形状记忆合金压电摩擦阻尼器装置)。但是，这类阻尼器主要利用预应力记忆合金完成可控变形和自动恢复，变形范围窄、造价相对较高，且并非针对梁柱节点而设计，无法满足梁柱节点通过可控变形实现耗能的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有加强-变摩擦耗能功能的节点半主动减震控制装置，可提高建筑减震耗能及保护梁柱节点的可控性、智能化水平，从而减少震中破坏及减轻震后修复工作。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

该节点半主动减震控制装置包括摩擦组件、第一预埋体以及第二预埋体，所述第一预埋体及第二预埋体中的任意一个预埋体与构成梁柱节点的梁连接为整体，其余一个预埋体与构成该梁柱节点的柱连接为整体，摩擦组件包括与第一预埋体相连的第一摩擦转板及与第二预埋体相连的第二摩擦转板，第一摩擦转板和第二摩擦转板以部分或全部重合方式相互接触，第一摩擦转板或第二摩擦转板上设置有用于调整相邻摩擦转板之间的摩擦力的压电陶瓷。

优选的，所述摩擦组件还包括第三摩擦转板，第三摩擦转板与第一预埋体或第二预埋体相连，并与位于同一预埋体上的相应摩擦转板(第一或第二摩擦转板)同步转动，该摩擦转板(第一或第二摩擦转板)与第三摩擦转板相对的一侧表面分别与另一摩擦转板(第二或第一摩擦转板)的两侧表面对应接触。

优选的，所述摩擦组件还包括压电陶瓷连接机构，压电陶瓷连接机构包括导向杆(例如，高强螺杆、高强螺栓)，导向杆设置在摩擦组件的所有摩擦转板中与其他摩擦转板具有最多接触面(一般为2个或1个接触面)的一个或任意一个摩擦转板上，其他摩擦转板上设置有弧形通槽(作为弧形轨道)，导向杆经弧形通槽自位于内侧的摩擦转板间接触面向外伸出，压电陶瓷(一般为管状)固定(例如，通过高强螺母)在导向杆的伸出端上并与相邻的摩擦转板直接或间接(例如，通过垫片)接触。

优选的，所述第一预埋体与第一预埋体相铰接(例如，采用合页轴承连接)。

优选的，所述摩擦组件为2个以上，并分别沿梁柱节点核心区间隔布置(全部共同耦联同一个第一预埋体和第二预埋体，或者以一定数量分别耦联各自对应的第一预埋体和第二预埋体)，可实现模块化装配，对梁柱节点固有连接机构(例如铰支座、带有栓钉的连接板、焊接端面)无影响，降低了布置成本和布置难度，满足不同梁柱节点的需要。

优选的，各摩擦转板的共同转动中心位于梁柱节点核心区。

优选的，各摩擦转板均为扇形，可以适应较大的梁柱节点变形。

优选的，所述节点半主动减震控制装置还包括结构传感器及单片机(例如，51系列)，单片机可以根据计算机软件的指令，通过控制电压大小(≥0，取0时，一般是无地震情况下，仅利用相接触的摩擦转板提高梁柱节点的稳定性)以改变压电陶瓷的体积，从而对摩擦组件中相邻摩擦转板间接触面的摩擦力进行控制，使得摩擦组件可以针对不同的地震烈度提供可控的节点变形，从而充分发挥装置摩擦耗能(利用该装置可增强、改变节点摩擦耗能)和节点变形耗能的作用，以降低震中破坏。

优选的，所述节点半主动减震控制装置设置在相邻梁柱节点(例如，每根梁的两侧的节点)，保证在地震影响下多个梁柱节点所构成的框架结构的稳定性。

优选的，不同梁柱节点处设置的节点半主动减震控制装置中，第一预埋体和第二预埋体之间由摩擦组件形成的一个或多个静摩擦力相同。

本发明的有益效果体现在：

本发明所述的减震控制装置，利用第一预埋体和第二预埋体，使得摩擦组件与梁柱节点的梁、柱连接为整体，并可以随节点变形动作(具体指两个预埋体上的摩擦转板相对转动一定角度)，摩擦组件中相接触的摩擦转板除了提供初始静摩擦力，还可以在压电陶瓷体积变化后形成加强的静摩擦力，通过对压电陶瓷体积变化的控制，可以改变静摩擦力的大小，从而可以通过半主动控制根据不同的地震烈度提供相适应(基于外部检测信号及预先的标定或检测数据的积累，检测数据例如为结构地震响应)的节点摩擦耗能及变形耗能机制(节点保持稳定不变形，或者控制变形程度)，不仅具有可控、智能的特点，而且有利于减少结构震中破坏程度，降低震后修复工作量。

进一步的，通过设置第三摩擦转板(例如，两个预埋体之间的三块扇形钢板)，提供更大的初始静摩擦力，并且易于保持平衡，当无地震作用时使得装置能够更有效满足荷载要求。

附图说明

图1是本发明实施例中节点半主动减震控制装置的结构示意图(主视图)；

图2是图1所示装置的后视图；

图3是图1所示装置的右视图；

图4是图1所示装置的安装位置示意图；

图中：1.第一预埋体；2.第二预埋体；3.预制梁；4.现浇柱；5.外扇形钢板；6.内扇形钢板；7.高强螺杆；8.铰支座；9.压电陶瓷驱动器；10.高强螺母；11.垫片；12.合页轴承；101.弧形轨道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

参见图1、图2、图3及图4，本发明提供一种具有加强-变摩擦耗能功能的节点半主动减震控制装置，该装置包括第一预埋体1和第二预埋体2，第一预埋体1和第二预埋体2规格相同，均为矩形高强度钢板，第一预埋体1作为水平底座与梁柱节点中的预制梁3梁底固定为一体，第二预埋体2作为竖直底座与上述梁柱节点中的现浇柱4固定为一体，第一预埋体1与第二预埋体2通过合页轴承12链接，合页轴承12沿预制梁3与现浇柱4的结合位置(具体为节点核心区)布置，同一预制梁3与位于其两侧的两个现浇柱4分别通过铰支座8相连，即每根梁的两侧分别具有一个安装有节点半主动减震控制装置的节点。

所述第一预埋体1与第二预埋体2所形成的部分敞开式空间(即仅有部分边界)的内部具有三块(三块为一组，图1、图2中显示了两组)沿合页轴承12转动中心方向并排布置的扇形钢板，其中，两块外侧的扇形钢板(简称外扇形钢板5)各自的一个侧边固定在第一预埋体1上，内部的一块扇形钢板(简称内扇形钢板6，与第二预埋体2制造材料相同)的一个侧边固定在第二预埋体2上。

对于所述第一预埋体1上的两块外扇形钢板5，其上分别开设有贯通(开设位置相同，尺寸规格相同)的槽式弧形轨道101。两块外扇形钢板5之间留有一定间距，间距大约与另一块扇形钢板(即内扇形钢板6)的厚度相同，确保内、外扇形钢板可相互接触并可相对滑动。对于第二预埋体2上的一块内扇形钢板6，其上连接有一根高强螺杆7(高强螺杆固定在内扇形钢板6上)，高强螺杆7的径向尺寸与弧形轨道101的宽度大致相同(高强螺杆7长度则小于预埋体的宽度)，使得高强螺杆7能够穿出两个外扇形钢板5上的弧形轨道101并可沿弧形轨道101滑动，也不至于因高强螺杆7无法与弧形轨道101紧密贴合而使得滑动配合过于松散。根据不同的情况(例如，受地震作用，节点发生不同程度变形，导致梁柱结合位置的夹角发生变化)。通过以上的滑动配合关系，第一、第二两个预埋体可围绕合页轴承12微幅(最大不超过弧形轨道101的弧度)转动，从而调节装置对节点的支撑作用(节点变形或不变形)。

所述高强螺杆7两端伸出对应侧外扇形钢板5的部分上分别连接有压电陶瓷驱动器9，两个压电陶瓷驱动器9通过连接在各自外侧的高强螺母10(与高强螺杆7为螺纹配合关系)固定。所述压电陶瓷驱动器9内侧可配有垫片11，每个垫片11外侧紧邻一个压电陶瓷驱动器9，也通过上述高强螺母10固定。垫片11的直径大于弧形轨道101的宽度，在高强螺杆7移动至弧形轨道101任何位置时，垫片11始终能够与外扇形钢板5相接触，防止压电陶瓷驱动器9与钢板直接接触而磨损(以上对于垫片11、压电陶瓷驱动器9的固定是指沿轴向定位，确保其与外扇形钢板5的对应的直接、间接接触，但不会导致高强螺杆7与弧形导轨101无法相对滑动)。

本发明中通过基于结构传感器、单片机的可变输出电压系统，在节点不同受力情况下调整压电陶瓷驱动器9的所通电压，从而调节两个预埋体上的每组三块扇形钢板的静摩擦力，并兼顾了节点本身的变形耗能，达到整体结构对地震响应、消耗地震能量的目的。

所述结构传感器可以采用PCB压电式加速度传感器，用于检测结构地震响应数据并将响应传递至单片机，单片机最终将相应的电压信号输入给压电陶瓷驱动器9，使压电陶瓷驱动器9产生相应的体积变化，当外扇形钢板5采用强度相对较低(与高强螺杆7、高强螺母10、内扇形钢板6的强度相比)的钢材制造时，压电陶瓷驱动器9的体积变化主要导致外扇形钢板5产生应变，进而增加其与内扇形钢板6接触面的静摩擦力。同时，在两侧垫片11、压电陶瓷驱动器9、螺母均相同，而且压电陶瓷驱动器9的通电电压也相同的情况下，可以使两侧外扇形钢板5与中间的内扇形钢板6的两个接触面的静摩擦力也相同，即便两个预埋体间仅设置一组扇形钢板(三个扇形钢板)，也可以提供均匀的支撑。

本发明的工作原理为：

第一预埋体1和第二预埋体2与节点对应梁、柱连接为整体，两个预埋体可以围绕合页轴承12进行转动，此时高强螺杆7在弧形轨道101内产生相应的位移。压电陶瓷的体积可以随着通过其上的电压大小而变化，从而改变扇形钢板之间的摩擦力，以限制高强螺杆7的位移，从而给予节点相应的支撑。

结构遭遇中等烈度或小烈度地震时，此时地震效应不至于对结构产生破坏，结构传感器检测到较小或中等水平的结构地震响应，将信号传递给可变输出电压系统的单片机，通过单片机输出相应强度的电压，并施加于压电陶瓷驱动器9，从而增加内、外扇形钢板间的压力，相应的使得静摩擦力随之增加。此时，装置给予节点足够的支撑，有效防止节点变形和破坏。

结构遭遇罕遇地震时，结构传感器检测到较大的结构地震响应。此时，得到信号的可变输出电压系统的单片机将给压电陶瓷驱动器9通以相应强度的电压(一般是增大电压强度)，结构在节点处能够产生适当的变形位移，此时该装置可以最大限度的辅助节点消耗地震能量，从而保护主体结构。

Claims (10)

1.一种节点半主动减震控制装置，其特征在于：该减震控制装置包括摩擦组件、第一预埋体(1)以及第二预埋体(2)，所述第一预埋体(1)及第二预埋体(2)中的任意一个预埋体与梁柱节点的梁相连，其余一个预埋体与该梁柱节点的柱相连，摩擦组件包括与第一预埋体(1)相连的第一摩擦转板及与第二预埋体(2)相连的第二摩擦转板，第一摩擦转板和第二摩擦转板以部分或全部重合方式相接触，第一摩擦转板或第二摩擦转板上设置有用于调整相邻摩擦转板之间的摩擦力的压电陶瓷。

2.根据权利要求1所述一种节点半主动减震控制装置，其特征在于：所述摩擦组件还包括第三摩擦转板，第三摩擦转板与第一预埋体(1)或第二预埋体(2)相连，第三摩擦转板与位于同一预埋体上的相应摩擦转板同步转动，该摩擦转板与第三摩擦转板相对的一侧表面分别与另一摩擦转板的两侧表面对应接触。

3.根据权利要求1或2所述一种节点半主动减震控制装置，其特征在于：所述摩擦组件还包括压电陶瓷连接机构，压电陶瓷连接机构包括导向杆，导向杆设置在摩擦组件的所有摩擦转板中与其他摩擦转板具有最多接触面的一个或任意一个摩擦转板上，其他摩擦转板上设置有弧形通槽，导向杆经弧形通槽自位于内侧的摩擦转板间接触面向外伸出，压电陶瓷固定在导向杆的伸出端上并与相邻的摩擦转板直接或间接接触。

4.根据权利要求1或2所述一种节点半主动减震控制装置，其特征在于：所述第一预埋体(1)与第二预埋体(2)相铰接。

5.根据权利要求1或2所述一种节点半主动减震控制装置，其特征在于：所述摩擦组件为2个以上，多个摩擦组件沿同一个第一预埋体(1)及对应的第二预埋体(2)间隔布置或沿不同的第一预埋体(1)及对应的第二预埋体(2)间隔布置。

6.根据权利要求1或2所述一种节点半主动减震控制装置，其特征在于：所述摩擦转板的转动中心均位于梁柱节点核心区。

7.根据权利要求1或2所述一种节点半主动减震控制装置，其特征在于：所述摩擦转板均为扇形。

8.根据权利要求1或2所述一种节点半主动减震控制装置，其特征在于：所述减震控制装置还包括用于检测结构地震响应的传感器及用于根据结构地震响应控制压电陶瓷驱动电压的单片机。

9.根据权利要求1或2所述一种节点半主动减震控制装置，其特征在于：所述减震控制装置设置在相邻梁柱节点。

10.根据权利要求9所述一种节点半主动减震控制装置，其特征在于：不同梁柱节点处设置的节点半主动减震控制装置中，第一预埋体和第二预埋体之间由摩擦组件形成的一个或多个静摩擦力相同。

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