CN111364507B - 一种摩擦耗能装置及自复位式摩擦延性分体柱 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种摩擦耗能装置及自复位式摩擦延性分体柱，包括耗能壳体，以及设在其内部的弹性复位结构和滑动轴；所述弹性复位结构设置在耗能壳体中，弹性复位结构和耗能壳体之间填充橡胶，滑动轴水平设置在弹性复位结构中，并能够在弹性复位结构中滑移。该摩擦耗能装置增大分体延性，提高柱体侧向变形能力，能够及时耗散地震能量，避免柱体受剪破坏，增大地下空间柱体的安全性，且该摩擦耗能装置在震后能自行复位，使用寿命较长。该发明减震效果好，原理明确，设计简单，易于生产和安装，后期养护既可行又方便操作，可在地下结构工程中推广应用。

Description

一种摩擦耗能装置及自复位式摩擦延性分体柱
技术领域
发明涉及结构工程建设领域，尤其涉及一种摩擦耗能装置及自复位式摩擦延性分体柱，属于预制装配式承重柱体抗震技术领域。
背景技术
近年来，随着经济的持续发展和城市化进程的不断深入，地下空间的开发和高层建筑的建设成为了城市规划的重要研究课题。合理的进行城市规划，推进地下空间和高层建筑的发展，对于缓解城市交通压力、提高土地资源利用率、创新城市发展模式都大有裨益。
在这些结构中，不可避免的会出现承受较大轴向荷载的柱体，目前广泛应用的柱体为整体柱，往往柱体较粗，剪跨比较小，地震时容易发生脆性剪切破坏而导致结构整体失稳甚至破坏。传统的分体柱虽能大大提高柱体延性，但其整体性较差，且相对整体柱来说承担轴向压力的能力稍弱，如果直接应用于建筑结构，在地震时不能快速耗散竖向振动带来的冲击，易发生柱体破坏。
发明内容
针对现有结构中的分体柱不能快速耗散地震振动带来的冲击，易发生柱体破坏的问题，本发明提供一种摩擦耗能装置及自复位式摩擦延性分体柱，该耗能装置可大大提高地震时柱体的竖向抗压能力和水平抗剪能力，避免发生短柱脆性破坏，同时可以保证柱子在正常使用条件下的整体性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种摩擦耗能装置，包括耗能壳体，以及设在其内部的弹性复位结构和滑动轴；
所述弹性复位结构设置在耗能壳体中，弹性复位结构和耗能壳体之间填充橡胶，滑动轴水平设置在弹性复位结构中，并能够在弹性复位结构中滑移。
优选的，所述弹性复位结构为空心椭圆轴，其长轴的两端分别与耗能壳体的两侧壁抵接，滑动轴配装在弹性复位结构中。
优选的，所述摩擦耗能装置的水平受力方向与弹性复位结构的轴线垂直。
优选的，所述耗能壳体包括耗能外壳和耗能侧板；
所述耗能外壳为一侧开口的盒体，耗能侧板设置在耗能外壳的开口侧，将耗能外壳封闭，并且耗能侧板和耗能外壳之间能够相对滑动。
优选的，所述耗能外壳与耗能侧板的接触面为斜面。
优选的，所述耗能外壳端部的内壁设置有橡胶围圈。
优选的，所述耗能壳体中还设置有摩擦装置，包括铝板和应力螺栓，耗能壳体的底板和顶板与橡胶之间均设置有铝板，应力螺栓穿过壳体与铝板接触。
优选的，所述铝板的截面为弧形，弧形的轴线与滑动轴的轴线平行。
优选的，所述耗能壳体相互平行的两侧设置有钢板，用于和预制混凝土柱固接。
一种自复位式摩擦延性分体柱，所述分体柱中相邻两个预制混凝土柱之间自上而下间隔设置有至少一个权利要求任一项所述的摩擦耗能装置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种摩擦耗能装置，包括耗能壳体，以及设置其内部的自复位装置和滑动轴，并在耗能壳体的内部填充橡胶，地震来临时，摩擦耗能装置开始发挥作用。地震作用下分体柱的两个单柱发生上下相对位移，引发耗能外壳和耗能侧壁的错动，进一步引发填充橡胶和弹性复位结构的变形，继而引起铝板和摩擦螺栓之间的摩擦力，耗散地震能量，滑动轴随之在限位钢板中发生移动。当震动减弱，弹性复位结构和填充橡胶所提供一定的恢复力，加之滑动轴与弹性复位结构的初形状契合，与恢复力共同作用使耗能装置恢复原状。该摩擦耗能装置增大分体延性，提高柱体侧向变形能力，能够及时耗散地震能量，避免柱体发生剪切破坏，增大结构柱体的安全性。且该发明能使摩擦耗能装置在震后能自行复位，使用寿命较长。
进一步，耗能外壳与耗能侧板发生上下相对位移，消耗地震能量，提高摩擦耗能装置的性能。
进一步，橡胶在变形的过程中，预应力螺栓与铝板之间相互摩擦，消耗地震能量。
附图说明
图1为本发明自复位式摩擦延性分体柱立面图；
图2为本发明摩擦耗能装置竖向剖面图；
图3为本发明摩擦耗能装置俯视图；
图4为本发明工作简图。
图中：1、预制混凝土柱；2、摩擦耗能装置；3、螺栓；4、钢板；5、螺母；6、耗能外壳；7、耗能侧板；8、弹性复位结构；9、滑动轴；10、橡胶；11、铝板；12、预应力螺栓；13、橡胶围圈；14、楔形构件；15、聚四氟乙烯涂层；16、外支钢板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参阅图1-4，一种摩擦耗能装置，包括耗能壳体，以及设在其内部的弹性复位结构和滑动轴9。
所述弹性复位结构8设置在耗能壳体中，弹性复位结构和耗能壳体之间填充橡胶10，滑动轴9水平设置在弹性复位结构8中，并能够在弹性复位结构8中滑移。
所述弹性复位结构8为软钢材质的空心椭球体，弹性复位结构8长轴的两端分别与耗能壳体的两侧壁抵接，滑动轴9的直径与弹性复位结构8短轴相同，滑动轴9配装在弹性复位结构8中。
弹性复位结构8外侧与填充橡胶直接接触，弹性复位结构8的内壁涂覆有聚四氟乙烯涂层15，弹性复位结构8中的滑动轴的轴端与耗能外壳相连接。
聚四氟乙烯涂层作为弹性复位结构8的保护层，同时其摩擦系数较小，以便于滑动轴9在在外力作用下可以在弹性复位结构8中自由活动。
所述耗能壳体包括耗能外壳6和耗能侧板7；耗能外壳6为一侧开口的盒体，耗能侧板7设置在耗能外壳6的开口侧，将耗能外壳6封闭，并且耗能侧板7和耗能外壳6之间能够相对滑动。
所述耗能侧板与分体柱的一个单柱的侧壁连接，与耗能外壳6开口侧平行的侧板与另一单柱连接；弹性复位结构8的轴线，与耗能外壳6和耗能侧板7之间的轴向呈十字型布置，滑动轴与弹性复位结构8同轴。
所述耗能外壳6与耗能侧板7通过楔形结构连接，楔形结构为设置在耗能壳体开口侧端面的斜面，当耗能壳体受力时，耗能外壳和耗能侧板产生相对位移，进而使内部的橡胶和弹性复位结构收到挤压，以此来消耗震动力。
在一个实施例中，该耗能外壳为方形结构，开口侧位于水平侧，相互平行的两个侧壁的顶面的斜面对称设置，即呈八字型设置，耗能侧板的侧壁上设置有矩形定位环，耗能侧板7通过矩形定位环配装在耗能外壳6的开口侧。
在矩形定位环的内部还设置有矩形挡板，挡板伸入至耗能外壳的内部，挡板和耗能外壳之间设置有橡胶围圈13，通过橡胶围圈能够避免填充在耗能壳体内部的橡胶与空气接触造成氧化，提高橡胶的使用寿命。
耗能侧板7和耗能外壳均通过钢片4与柱体的侧壁连接。
耗能壳体的顶部还底部还分别设置有摩擦装置，用于增加橡胶的抗变形力。
所述摩擦装置包括铝板11和预应力螺栓12，耗能壳体的底板和顶板与橡胶之间均设置有铝板11，预应力螺栓穿过壳体与铝板接触，橡胶受力产生变形，橡胶带动铝板水平移动，预应力螺栓与铝板的表面相互摩擦，增大抗变形力。
所述铝板嵌置在橡胶的表面，并采用JL-808胶水将铝板11与橡胶10固定，使填充橡胶与两块铝板紧密相连，铝板11可以避免在耗能过程中橡胶10与耗能外壳6发生直接摩擦导致老化，预应力螺栓伸入耗能外壳中，使铝片和预应力螺栓之间产生一定摩擦力，预应力螺栓穿过螺栓孔与铝板接触，并可在使用中对螺栓进行预应力调节，预应力螺栓12穿过螺栓孔与铝板接触，并可在使用中通过改变预应力大小调节耗能外壳6与铝板11的之间的摩擦力。
在另一实施例中，该耗能外壳为圆形，圆筒水平设置，其两端分别与两个分体柱单柱连接。
本发明还提供了一种自复位式摩擦延性分体柱，包括两个间隔设置的预制混凝土柱1，两个预制混凝土柱之间自上而下间隔设置有多个摩擦耗能装置2。
在预制混凝土柱1中预埋有多个水平的螺栓3，螺栓的端部伸出预制混凝土柱的侧壁，螺栓的端部穿过钢板与耗能侧板7连接，另一预制混凝土柱的螺栓通过钢板与耗能外壳连接。
预埋高强螺栓在预制混凝柱浇筑时预埋其中，并通过钢板和螺母与摩擦耗能装置相连，形成可靠的整体。
所述摩擦耗能装置2的外伸部分预留有螺栓孔，在预制混凝土柱1安装完成后，由螺母5将穿过螺栓孔的螺栓3旋紧，使摩擦耗能装置2通过钢板4与预制混凝土柱紧密连接。
所述预制钢筋混凝土柱1主体为普通钢筋混凝土柱，其可按相应尺寸在钢筋混凝土构件加工厂预制，并运输至现场进行拼装。
所述预埋高强度的螺栓3外露长度应大于耗能壳厚度与螺母锚固长度之和，以将预制混凝土柱1和摩擦耗能装置2连接成可靠的整体。
分体柱由外支钢板包裹，外支钢板16由薄钢板材制成，厚度为1cm～2cm，外贴于预制钢筋混凝土柱外侧，将预制钢筋混凝土柱及其之间的摩擦耗能装置2整体包裹。
本发明提供的一种摩擦耗能装置的工作原理如下：
预制混凝土柱为常规钢筋混凝土预制柱，上下两端分别和过渡段相连。正常使用条件下，分体柱由外支钢板包裹，并在中部通过摩擦耗能装置相连，可以保证分柱体的整体性，两个柱子协同承担上部传递的轴向力，保证正常使用。
地震状态下，两个预制混凝土柱顶和柱底发生水平相对位移，耗能外壳和耗能侧壁发生相对竖向错动，耗能壳体的楔形构件产生破坏，两个预制混凝土柱发生竖向错动时，使耗能外壳与耗能侧板之间发生上下相对位移，橡胶围圈被挤压吸收部分能量，耗能外壳与耗能侧板之间的橡胶发生脆性断裂。
当分体柱发生水平偏移时，引发耗能外壳和耗能侧壁的上下错动，进一步引发填充橡胶和弹性复位结构的变形，继而引起铝板和摩擦螺栓之间的摩擦力，耗散地震能量，滑动轴随之在限位钢板中发生移动。当震动减弱，弹性复位结构和填充橡胶所提供一定的恢复力，加之滑动轴与弹性复位结构的初形状契合，与恢复力共同作用使耗能装置恢复原状，可继续发挥下一次震动耗能作用。
本发明提供的自复位式摩擦延性分体柱，在保证分体柱正常使用的整体性的前提下，采用摩擦耗能装置增大分体延性，提高柱体侧向变形能力，能够及时耗散地震能量，避免柱体受剪破坏，增大地下空间柱体的安全性。且该摩擦耗能装置在震后能自行复位，使用寿命较长。如出现填充橡胶轻微老化或摩擦螺栓磨耗的现象，可将摩擦螺栓旋紧，使填充橡胶继续保持一定压力状态下，养护工作便捷易行。该发明减震效果好，原理明确，设计简单，易于生产和安装，后期养护既可行又方便操作，可在结构工程中推广应用。
本发明基于结构的震害特点以及两种柱体的优缺点比对，提出的一种自复位式摩擦延性分体柱，以替代传统地下结构中的普通现浇钢筋混凝土柱。即由两根相分离的预制混凝土柱共同承担轴力和剪力，为保证分体柱的整体性和地震作用下的耗能并复位特性，在分体柱间设置摩擦型耗能装置。摩擦性耗能装置通过预埋高强螺栓与两边预制混凝土柱分别相连，其间通过有薄弱连接的楔形构件形成整体，在正常使用条件下，可以保证分体柱的整体性。当地震发生，两根预制混凝土柱发生相对位移，无论收到积压或者张拉，楔形构件都会退出工作。此时，滑动轴可在弹性复位结构中摩擦移动耗散能量，同时橡胶围圈可以在两柱发生竖向相对位移时提供缓冲，使摩擦耗能装置不至于在受到较小的竖向剪切力时就发生破坏。通过摩擦耗能装置的整体作用，将传统的整体柱转换为可以在水平和竖向两个方向上耗散地震能量的延性分体柱，结构柱体的抗震性能可以得到大大提高。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种摩擦耗能装置，其特征在于，包括耗能壳体，以及设在其内部的弹性复位结构和滑动轴(9)；
所述弹性复位结构(8)设置在耗能壳体中，弹性复位结构和耗能壳体之间填充橡胶(10)，滑动轴(9)水平设置在弹性复位结构(8)中，并能够在弹性复位结构(8)中滑移，所述弹性复位结构(8)为空心椭圆轴，其长轴的两端分别与耗能壳体的两侧壁抵接，滑动轴的直径与弹性复位结构的短轴相同，滑动轴与弹性复位结构同轴，滑动轴(9)装配在弹性复位结构(8)中，所述摩擦耗能装置的水平受力方向与弹性复位结构(8)的轴线垂直；
所述耗能壳体包括耗能外壳(6)和耗能侧板(7)；
所述耗能外壳(6)为一侧开口的盒体，耗能侧板(7)设置在耗能外壳(6)的开口侧，将耗能外壳(6)封闭，并且耗能侧板(7)和耗能外壳(6)之间能够相对滑动，所述耗能外壳(6)与耗能侧板(7)的接触面为斜面；
所述耗能外壳为方形结构，开口侧位于水平侧，耗能侧板的侧壁上设置有矩形定位环，耗能侧板( 7) 通过矩形定位环装配 在耗能外壳( 6) 的开口侧，在矩形定位环的内部还设置有矩形挡板，挡板伸入至耗能外壳的内部，挡板和耗能外壳之间设置有橡胶围圈( 13)；
所述耗能壳体中还设置有摩擦装置，包括铝板(11)和预应力螺栓(12)，耗能壳体的底板和顶板与橡胶之间均设置有铝板(11)，铝板(11)与橡胶(10)之间采用胶固定，预应力螺栓穿过壳体与铝板接触，所述铝板的截面为弧形，弧形的轴线与滑动轴的轴线平行。
2.根据权利要求1所述的一种摩擦耗能装置，其特征在于，所述耗能壳体相互平行的两侧设置有钢板，用于和预制混凝土柱固接。
3.一种自复位式摩擦延性分体柱，其特征在于，所述分体柱中相邻两个预制混凝土柱之间自上而下间隔设置有多个权利要求1-2任一项所述的摩擦耗能装置(2)。
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