CN111119549A - 一种装配式软碰撞耗能装置及减震耗能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装配式软碰撞耗能装置及减震耗能系统；装配式软碰撞耗能装置包括由约束材料、中间芯材及缓冲层组成的屈曲约束支撑；屈曲约束支撑通过承托板安装在混凝土基座上，与基础隔震结构共同组成减震耗能系统。本发明的装配式软碰撞耗能装置具有很强的缓冲结构位移的能力，可以防止基础隔震结构在近场速度脉冲型地震动作用下与挡土墙发生刚性碰撞，进而避免了对上部建筑结构的损害。在撞击结束之后，这种耗能装置的屈曲约束支撑以及承压板均可实现可拆卸维修或更换。本发明提升了建筑结构在地震作用下的可恢复性。

Description

一种装配式软碰撞耗能装置及减震耗能系统

技术领域

本发明属于建筑领域，具体涉及一种装配式软碰撞耗能装置及减震耗能系统。

背景技术

根据近年的地震灾害现象，在近断层速度脉冲型地震动作用下，隔震建筑可能产生过大的位移响应而与挡土墙或其它限位结构发生剧烈碰撞，造成上部建筑结构损坏。现有技术中，在隔震建筑与挡土墙或者其它限位结构之间，并无可拆卸的缓震装置。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述存在的问题，提供一种装配式软碰撞耗能装置，在隔震建筑结构与限位结构发生撞击时，起到缓冲耗能和保护作用，并在撞击完成后可以实现拆卸更换，以提升地震灾害作用下建筑结构的可恢复性。

本发明的技术内容如下：

一种装配式软碰撞耗能装置，包括：

屈曲约束支撑，具有第一连接端、第二连接端及第三连接端，所述第一连接端用于与隔震底板接触，所述第二连接端用于固定在混凝土基座上支撑所述屈曲约束支撑，所述第三连接端用于与所述混凝土基座连接作为水平方向的承力端；

承托底板，用于将所述第三连接端与所述混凝土基座连接。

根据本发明的装配式软碰撞耗能装置的一个具体方案，所述屈曲约束支撑包括：

约束材料，包括硬质套筒，所述硬质套筒内填充有混凝土；

中间芯材，用于承担轴力，安装在所述硬质套筒中且两端伸出套筒，一端为所述第一连接端固定有接触板，另一端为所述第三连接端与所述承托底板连接；

缓冲层，设置在所述中间芯材与所述硬质套筒之间。

所述中间芯材与所述约束材料连接成一整体，有且只有中间芯材承受轴力；所述缓冲层对中间芯材形成周向的缓冲；所述约束材料对中间芯材形成刚性的约束及支撑。

根据本发明的装配式软碰撞耗能装置的一个具体方案，所述第一连接端与所述中间芯材主轴间设置横向加劲肋和纵向加劲肋，扩大接触面，且部分纵向加劲肋埋入所述约束材料中，加强所述第一连接端的力传递，提高稳定性。

根据本发明的装配式软碰撞耗能装置的一个具体方案，所述第三连接端与所述中间芯材主轴间设置横向加劲肋和纵向加劲肋，扩大接触面，加强所述第三连接端的力传递，提高稳定性。

本发明还包括一种减震耗能系统，所述减震耗能系统包括：

前述的装配式软碰撞耗能装置；

基础隔震结构，具有隔震底板；

混凝土基座，所述混凝土基座为具有水平安装面的混凝土块，所述水平安装面具有向上拱起的安装平台，所述安装平台具有竖直安装面；

所述屈曲约束支撑的所述第二连接端利用安装连接件固定在所述水平安装面上；

所述承托底板的一板面与所述第三连接端连接，另一板面固定在所述竖直安装面上；

根据本发明的减震耗能系统的一个具体方案，固定后的所述屈曲约束支撑与所述隔震底板具有同一高度且呈一直线，保证正面承力且提升承力的均匀性，充分发挥屈曲约束支撑的缓震效果。

根据本发明的减震耗能系统的一个具体方案，还包括若干通长拉杆，固定在所述混凝土基座中；所述承托底板的下端面由所述水平安装面嵌入所述混凝土基座中，所述通长拉杆贯穿所述承托底板及所述混凝土基座。通过设置通长拉杆，使得屈曲约束支撑-承托底板-混凝土基座之间形成更加紧密的整体，进一步提升了抗压能力及稳定性。

根据本发明的减震耗能系统的一个具体方案，所述安装连接件为等边角钢，所述等边角钢一侧与所述屈曲约束支撑的所述硬质套筒连接固定，另一侧与所述混凝土基座连接固定。

根据本发明的减震耗能系统的一个具体方案，所述等边角钢设置了加劲肋，提高附加抗侧刚度，加强稳固效果。

根据本发明的减震耗能系统的一个具体方案，所述承托底板的部分纵向加劲肋嵌入所述混凝土基座至所述承托底板的底部，嵌入的部分纵向加劲肋的下端面与所述承托底板的底部在同一水平高度。

由于采取了以上技术方案，本发明的优点在于：

1、建筑隔震层和本发明的装配式软碰撞耗能装置发生撞击时，通过屈曲约束支撑的芯材与建筑结构的隔震层接触，依靠芯材自身的抗压设计强度以及所提供的附加抗侧刚度，可以在一定程度上限制建筑结构的隔震层的位移，防止隔震层的产生过大变形而导致隔震支座损坏，避免隔震层与挡土墙发生刚性碰撞而导致上部结构破坏。

2、屈曲约束支撑的芯材具有良好的延性，以及轴向受力‒变形耗能能力，因此，当建筑隔震层和耗能装置发生碰撞时，通过芯材的轴向变形能够在一定程度上消耗建筑结构因为速度脉冲型地震输入的动能，以降低隔震层的位移响应从而达到减震消能的作用。

3、在地震撞击结束之后，装配式碰撞耗能装置可以进行拆卸维修或直接更换，从而提升了建筑结构的可恢复性，一些结构性能相近的建筑所需要的装配式碰撞耗能装置力学设计参数可能较为接近，可以在工厂中实现批量化生产，以节省隔震建筑的建造时间和成本。

附图说明

附图1是装配式软碰撞耗能装置的轴测图；

附图2是装配式软碰撞耗能装置的正视图；

附图3是装配式软碰撞耗能装置的俯视图；

附图4是装配式软碰撞耗能装置的侧视图；

附图5是装配式软碰撞耗能装置的安装示意图；

附图6是实施例2的顶层加速度反应时程曲线；

附图7是实施例2的隔震层位移时程曲线；

附图8是实施例2的碰撞力时程曲线；

附图9是实施例2的上部结构底层层间位移时程曲线；

附图10是实施例2的上部结构最大绝对加速度曲线；

附图11是实施例2的上部结构最大层间位移曲线；

附图说明，100-混凝土基座，101-通长钢拉杆，102-钢拉杆垫板，200-屈曲约束支撑，201-接触端钢板芯材，202-第一横向加劲肋，203-第一纵向加劲肋，204-等边角钢，205-约束材料，206-三角形加劲肋，207-第一螺栓，208-中间芯材，209-第二纵向加劲肋，211-第二连接端，221-第三连接端，300-承托底板，301-第三纵向加劲肋，302-第二横向加劲肋，303-第二螺栓。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1

本实施例提供了一种装配式软碰撞耗能装置，如图1~图4所示，包括：

屈曲约束支撑200，屈曲约束支撑200包括约束材料205与中间芯材208，约束材料205可选为钢套筒或者其它硬质材料套筒，钢套筒的材质包括但不限于碳素钢如Q235或Q345，套筒内填充有混凝土，约束材料205的底面为第二连接端211；中间芯材208的材质可选为LY225、LY160或者其它低屈服强度钢材，中间芯材208安装在约束材料205中且两端伸出套筒，中间芯材208一端为第一连接端201固定有接触板，接触板由钢板芯材制成，中间芯材208另一端为第三连接端221；中间芯材208和约束材料205之间将填充一层缓冲层，缓冲层的材质包括但不限于聚乙烯、橡胶、硅胶等材料，缓冲层填充后使得中间芯材208和约束材料205形成整体，有且只有中间芯材承受轴力；

本装置还包括承托底板300，与屈曲约束支撑连接，用于将屈曲约束支撑200和混凝土基座100连接。

在本实施例的一个优选方案中，中间芯材208位于第一连接端201一侧伸出约束材料205的长度优选为260mm，第一连接端201与中间芯材208之间通过第一横向加劲肋202、第一纵向加劲肋203放大接触面；还包括第二纵向加劲肋209，从第一连接端201延伸埋入约束材料205中一定长度，优选为50mm，提高第一连接端的稳定性，便于隔震底板与屈曲约束支撑200的接触。

在本实施例的一个优选方案中，屈曲约束支撑200的第二连接端211与承托底板300连接时，屈曲约束支撑200的中间芯材208伸出约束材料205的长度优选为150mm，并与承托底板300进行焊接形成固定连接，同时设置第二横向加劲肋302和第三纵向加劲肋301加强力传递，部分第三纵向加劲肋301贯通到承托底板300底部与其在同一水平高度。

实施例2

本实施例提供一种减震耗能装置，如图1~图5所示，包括：

基础隔震结构，作为现有技术中建筑的通常设置，由隔震支座支撑设置在隔震沟中，基础隔震结构主体的下部设置隔震底板；

混凝土基座100，在基础隔震结构的两侧各设置一个，可选地，混凝土基座100采用强度等级为C35的混凝土，具有水平安装面，水平安装面上设置向上拱起的安装平台，安装平台具有竖直安装面；

实施例1中的装配式软碰撞耗能装置，通过安装连接件将屈曲约束支撑的第二连接端211固定在混凝土基座100的水平安装面上。安装连接件将屈曲约束支撑可拆卸的安装在混凝土基座100上，便于后期维修与更换。具体的，在本实施例中，将屈曲约束支撑的约束材料205通过两侧的等边角钢204固定在混凝土基座100的水平安装面上，等边角钢204通过第一螺栓207分别与约束材料205和混凝土基座100连接，可选地，第一螺栓207可采用M20螺栓。在本实施例的一个优选方案中，等边角钢204每侧还设置4块三角形加劲肋206，以提高附加的抗侧刚度。承托底板300采用预制式带孔钢板，承托底板300上部通过第二螺栓303与混凝土基座100的竖直安装面连接。

在本实施例的一个优选方案中，承托底板300下部嵌入混凝土基座100中。通过通长钢拉杆101贯穿承托底板嵌入部分及混凝土基座，通长钢拉杆101两端通过螺栓固定在混凝土基座100的钢拉杆垫板102上。可选地，通长钢拉杆101的数量为8根且规格为Φ25。通过设置通长钢拉杆，使得屈曲约束支撑-承托底板-混凝土基座之间形成更加紧密的整体，进一步提升了抗压能力及稳定性。

在本实施例的一个优选方案中，固定后的屈曲约束支撑与隔震底板具有同一高度且呈一直线。

本实施例的减震耗能系统在实施时，建筑隔震层和耗能装置发生撞击时，通过屈曲约束支撑的芯材与建筑结构的隔震层接触，依靠芯材自身的抗压设计强度以及所提供的附加抗侧刚度，可以在一定程度上限制建筑结构的隔震层的位移，防止隔震层的产生过大变形而导致隔震支座损坏，避免隔震层与挡土墙发生刚性碰撞而导致上部结构破坏。由于屈曲约束支撑的芯材具有良好的延性，以及轴向受力‒变形耗能能力，因此，当建筑隔震层和耗能装置发生碰撞时，通过芯材的轴向变形能够在一定程度上消耗建筑结构因为速度脉冲型地震输入的动能，以降低隔震层的位移响应从而达到减震消能的作用。

将本实施例的减震耗能装置在具体工程示例中进行应用，取5层的基础隔震结构作为工程算例，结构的质量和刚度沿高度均匀分布，具体参数如表1所示。

表1结构属性参数

层数	隔震层	1~5层	装置参数
				质量/t	55	50	/
屈服前刚度/(MN·m<sup>-1</sup>)	1000	192.65	858
				屈服后刚度/(MN·m<sup>-1</sup>)	20	19.265	17.16
屈服位移/m	0.025	0.01	0.002
				阻尼比/%	5	5	/

基础隔震结构的层间恢复力模型与隔震层恢复力模型均采用弹塑性模型（Bouc-wen模型），假定各楼层的质量集中于楼板处且不考虑压缩变形。近场速度脉冲型地震动选用1999年土耳其KOCAELI地震中ARCELIK台站所获得的地震动记录，将其峰值加速度PGA=149.9gal调幅至0.4g（g为重力加速度）后进行加载。

根据隔震结构是否发生碰撞、碰撞发生的类型，考虑以下3种情况：（1）无碰撞：在隔震沟的宽度足够、隔震支座不发生失稳的情况下，隔震结构能够自由运动；（2）硬碰撞（即不安装装配式软碰撞耗能装置），取基础隔震结构边缘到混挡土墙或基坑的距离为0.25m，周围挡土墙或基坑的刚度极大，隔震结构的位移受到限制；（3）软碰撞：在隔震沟接近挡土墙或基坑位置安装一体化施工成型或者分别施工成型的混凝土基座，在混凝土基座上采用实施例2的方法安装装配式软碰撞耗能装置，装配式软碰撞耗能装置与基础隔震结构的距离取为0.15m，装置恢复力模型采用弹塑性模型（Bouc-wen模型），参数如表1所示。

上述3种情况的动力时程响应详见说明书附图6~图11，通过对隔震结构的不同工况进行分析，探究耗能装置工作的形式与特点。

结合图6和图7可以看出，无碰撞或软碰撞的基础隔震结构，其上部结构顶层最大绝对加速度较硬碰撞有较大的降低，但其隔震层最大位移的差距则相对较小。其中无碰撞的隔震层位移峰值约0.58m，超过了隔震沟的预留宽度，结构将会发生碰撞；硬碰撞、软碰撞对应的隔震层最大位移约为0.3m和0.35m，相差不大，一定程度上体现出了耗能装置限制位移、减小动力响应的功能。由图8、图9结合图7可知，与硬碰撞相比，软碰撞的隔震层最大位移提高了16.7%左右，但其隔震层与周围挡土墙或基坑之间的碰撞力却出现了很大的降低，且其上部结构底层层间位移峰值减小的幅度也十分明显，更接近于无碰撞。这进一步说明了耗能装置隔震减震的良好性能，能够约束隔震层的位移并降低结构的动力响应。

图10和图11分别是上述三种工况下，上部结构的最大绝对加速度和最大层间位移沿楼层分布图。硬碰撞情况下，上部结构的最大绝对加速度与最大层间位移均远大于无碰撞或软碰撞；与无碰撞相比，软碰撞的上部结构动力响应有所提高，但其提高幅度有限。

同时由上文可知，无碰撞的隔震结构有可能因过大位移从而发生硬碰撞，耗能装置则将硬碰撞转换为软碰撞，实现了限制隔震层位移的功能，降低了结构隔震减震功能受损的可能性，达到了耗能装置设计之初的预想效果。

以5层的基础隔震结构为例，对结构发生软碰撞时的动力响应进行了相应分析，可知对比无碰撞情况软碰撞能够减小隔震层的最大位移，对比硬碰撞情况软碰撞可以有效降低上部结构的动力时程响应。由此可知，本发明提出的装配式软碰撞耗能装置能限制隔震层位移，减少上部结构的时程动力响应，属于一种效果优异的隔震减震装置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种装配式软碰撞耗能装置，其特征在于，包括：

屈曲约束支撑，具有第一连接端、第二连接端及第三连接端，所述第一连接端用于与隔震底板接触，所述第二连接端用于固定在混凝土基座上支撑所述屈曲约束支撑，所述第三连接端用于与所述混凝土基座连接作为水平方向的承力端；

承托底板，用于将所述第三连接端与所述混凝土基座连接。

2.根据权利要求1所述的装配式软碰撞耗能装置，其特征在于，所述屈曲约束支撑包括：

约束材料，包括硬质套筒，所述硬质套筒内填充有混凝土；

中间芯材，用于承担轴力，安装在所述硬质套筒中且两端伸出套筒，一端为所述第一连接端固定有接触板，另一端为所述第三连接端与所述承托底板连接；

缓冲层，设置在所述中间芯材与所述硬质套筒之间。

3.根据权利要求2所述的装配式软碰撞耗能装置，其特征在于，所述第一连接端与所述中间芯材主轴间设置横向加劲肋和纵向加劲肋，所述纵向加劲肋埋入所述约束材料中。

4.根据权利要求2所述的装配式软碰撞耗能装置，其特征在于，所述第三连接端与所述中间芯材主轴间设置横向加劲肋和纵向加劲肋。

5.一种包括权利要求1-4任一项所述的装配式软碰撞耗能装置的减震耗能系统，其特征在于，包括：

基础隔震结构，具有隔震底板；

混凝土基座，所述混凝土基座为具有水平安装面的混凝土块，所述水平安装面具有向上拱起的安装平台，所述安装平台具有竖直安装面；

所述屈曲约束支撑的所述第二连接端利用安装连接件固定在所述水平安装面上；

所述承托底板的一板面与所述第三连接端连接，另一板面固定在所述竖直安装面上。

6.根据权利要求5所述的减震耗能系统，其特征在于，固定后的所述屈曲约束支撑与所述隔震底板具有同一高度且呈一直线。

7.根据权利要求5所述的减震耗能系统，其特征在于，还包括若干通长拉杆，固定在所述混凝土基座中；

所述承托底板的下端面由所述水平安装面嵌入所述混凝土基座中，所述通长拉杆贯穿所述承托底板及所述混凝土基座。

8.根据权利要求5所述的减震耗能系统，其特征在于，所述安装连接件为等边角钢，所述等边角钢一侧与所述屈曲约束支撑的所述硬质套筒连接固定，另一侧与所述混凝土基座连接固定。

9.根据权利要求8所述的减震耗能系统，其特征在于，所述等边角钢设置了加劲肋。

10.根据权利要求5所述的减震耗能系统，其特征在于，所述承托底板的部分纵向加劲肋嵌入所述混凝土基座至所述承托底板的底部，嵌入的部分纵向加劲肋的下端面与所述承托底板的底部在同一水平高度。

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