CN111379344A - 一种多级刚度自调整的自复位装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多级刚度自调整的自复位装置，导杆自上而下穿过外筒内部的上活动板、上外凹筒、上内凹筒、下内凸筒、下外凸筒、下活动板；导杆分别具有与上活动板上表面，及下活动板下表面的抵接面；外筒下端与下连接件固定，下连接件设有向上延伸的加强肋筒，加强肋筒的上端对下活动板的向下移动进行限位；上内弹簧套设于导杆之外并安装于外展翼缘Ⅰ与上活动板之间；下内弹簧套设于导杆之外并安装于下活动板与外展翼缘Ⅳ之间；外弹簧套设于导杆之外并安装于上外凹筒与下外凸筒之间。本装置可以根据结构当前所受外部激励作用和结构动力响应特性，对自身性能进行自动调整，解决目前自复位装置适用场景单一的工程问题。

Description

一种多级刚度自调整的自复位装置

技术领域

本发明涉及一种用于抗震的自复位装置，尤其涉及一种多级刚度自调整的自复位装置，属于结构减震抗震技术领域。

背景技术

结构被动控制技术是在结构中布置耗能减震装置来降低结构动力响应，具有构造简单、维护方便和造价低廉的特点，并且无需外部能源保证了其在地震等情况下的有效性，因此得到了广泛的推广应用。

建筑结构在其全寿命周期过程中，可能会遭受地铁振动、机器运行振动、台风和地震等各种外部激励作用。建筑结构在遭受不同外部激励作用时，结构会呈现出不同动力响应特性，对结构安全性影响也不同。当结构遭受较大外力作用时，例如地震等，结构会产生残余变形，尤其是经历罕遇地震以后，结构会产生较大的残余变形，大侧向变形和大残余变形是结构倒塌的直接原因，大大降低了结构在后续余震作用下的安全性。因此，具有多级刚度可变功能的自复位装置的研发尤为重要。

现有自复位装置存在构造复杂或造价昂贵的问题，较难在实际工程中大范围推广应用。并且现有自复位装置产品的力学性能固定，只是针对某一固定使用场景或激励条件，不能根据结构所遭受的外部激励的改变而自动进行调整。

发明内容

本发明提供了一种多级刚度可变自复位装置，不论装置是处于受压状态还是受拉状态，装置均可以为结构提供稳定可靠的自复位力，并且可以根据结构当前所受外部激励作用和结构动力响应特性，对自身性能进行自动调整，解决目前自复位装置适用场景单一的工程问题。

本发明针对现有技术中存在的若干技术问题，采取以下技术方案：

一种多级刚度自调整的自复位装置，包括外筒12；外筒12内部自上而下依次设有上活动板4、上外凹筒5、上内凹筒6、下内凸筒7、下外凸筒8、下活动板9；导杆2自上而下穿过所述上活动板4、上外凹筒5、上内凹筒6、下内凸筒7、下外凸筒8、下活动板9；上内凹筒6通过其外展翼缘Ⅰ20与上外凹筒5受拉时抵接；下内凸筒7通过其外展翼24与下外凸筒8受拉时抵接；导杆2分别具有与上活动板4上表面，及下活动板9下表面的抵接面；该一对抵接面之间的距离不变；外筒12下端与下连接件10固定，所述下连接件设有向上延伸的加强肋筒11，加强肋筒11的上端对下活动板9的向下移动进行限位；上内弹簧15套设于导杆2之外并安装于外展翼缘20与上活动板4之间；下内弹簧13套设于导杆2之外并安装于下活动板9与外展翼24之间；外弹簧14套设于导杆2之外并安装于上外凹筒5与下外凸筒8之间。

优选的，外筒顶面是开放的，顶面安装上固定端筒3，上固定端筒3开设供导杆2穿入的孔；导杆2下部与固定端板21通过螺纹安装固定，固定端板21的上表面是与下活动板9下表面抵接的抵接面。

进一步的，采用固定螺母21通过螺纹与导杆2端部固定连接，对固定端板21辅助固定。

优选的，上内弹簧15、下内弹簧13、外弹簧14各自为螺旋弹簧、波形弹簧、碟形弹簧中的一种。

优选的，所述导杆2由上至下依次穿设上固定端筒3、上活动板4、上外凹筒5、上内凹筒6、下内凸筒7、下外凸筒8、下活动板9和固定端板21，其中上内凹筒6外展翼缘20底面抵接于上外凹筒5底面，下内凸筒7外展翼缘24底面抵接于下外凸筒8底面，上活动板4抵接于上固定端筒3，下活动板9抵接于下连接件10加强肋筒11，固定端板21抵接于下活动板9。

进一步的，所述导杆2上部具有一突出部16，所述突出部16形成抵接面；导杆2上端与上连接件1连接。

优选的，所述上活动板45、上外凹筒和上内凹筒6之间导杆穿设有上内弹簧15，上内弹簧15上端抵接于上活动板4，上内弹簧15下端抵接于上内凹筒6外展翼缘20，上内弹簧15外径小于上外凹筒5筒体内径；下活动板9、下外凸筒8和下内凸筒7之间导杆穿设有下内弹簧13，下内弹簧13上端抵接于下内凸筒7外展翼缘24，下内弹簧13下端抵接于下活动板9，下内弹簧13外径小于下外凸筒8筒体内径；所述上外凹筒5和下外凸筒6外部布置外弹簧14，外弹簧14上端抵接于上外凹筒5外展翼缘19，外弹簧14下端抵接于下外凸筒8外展翼缘23，外弹簧14内径大于上外凹筒5和下外凸筒8的筒体外径。

优选的，所述外筒12为封闭筒体式，或者为分体钢板式。

优选的，所述上固定端筒3、下连接件10各自与筒体12之间通过高强螺栓进行固定连接，上连接件1与导杆2通过螺纹或焊接进行固定。

本发明的有益效果在于：

1)导杆及其穿设的上下活动板、内外上凹筒、内外下凸筒、内外弹簧、固定端板及固定螺母共同构成自复位装置的多级刚度可变核心。

当自复位装置受拉时，外力拉动导杆向装置外部运动，通过多级刚度可变核心中弹簧构件的受压作用提供恢复力，驱动装置进行自复位；当自复位装置受压时，外力推动导杆向装置内部运动，通过多级刚度可变核心中弹簧构件的受压作用提供恢复力，驱动装置进行自复位。通过多级刚度可变核心构造设计，可以保证自复位装置无论是受压还是受拉，装置内部弹簧均会受压为装置提供稳定可靠的自复位力，并且可以根据结构动力响应特性及自复位装置变形特性，对装置的力学性能自动进行调整。

2)自复位装置受拉工作状态：当结构遭受较小外部激励作用(如地铁振动、机器运行振动、风振)，结构变形较小，自复位装置为结构提供较小恢复力即可，导杆受拉向装置外部运动，下活动板、固定端板和固定螺母跟随导杆共同向上运动，下活动板与下连接件的加强肋筒顶面脱离，上活动板、上外凹筒、下外凸筒和下活动板对上内弹簧、外弹簧和下内弹簧发生挤压，此时三个弹簧处于串联关系，可以为结构提供一个较小的刚度和自复位能力；当结构遭受外部激励作用增大时(如小震、中震)，结构变形增大，自复位装置需对结构提供较大自复位力，导杆受拉进一步向装置外部运动，上外凹筒外展翼缘与上活动板底面抵接，上内弹簧变形被锁定，下外凸筒外展翼缘与下活动板顶面抵接，下内弹簧变形被锁定，此时装置主要由上外凹筒外展翼缘和下外凸筒外展翼缘对外弹簧进行挤压，为结构提供较大的刚度和自复位能力；当结构遭受外部激励作用进一步增大时(如罕遇地震)，结构变形增大甚至发生破坏，自复位装置对结构附加的自复位力需进一步增大，导杆受拉进一步向装置外部运动，此时上内凹筒和下内凸筒底面抵接，上内凹筒外展翼缘与上外凹筒底面脱离，下内凸筒外展翼缘和下外凸筒脱离，上内凹筒和上活动板对上内弹簧有挤压作用，下内凸筒和下活动板对下内弹簧有挤压作用，上外凹筒和下外凸筒对外弹簧有挤压作用，此时三个弹簧处于并联关系，可以为结构进一步提供更大的附加刚度和自复位能力。

自复位装置受压工作状态：当结构遭受较小外部激励作用(如地铁振动、机器运行振动、风振)，结构变形较小，自复位装置为结构提供较小恢复力即可，导杆受压向装置内部运动，固定端板和固定螺母跟随导杆共同向下运动，固定端板与下活动板脱离，上活动板与上固定端筒脱离，上活动板、上外凹筒、下外凸筒和下活动板对上内弹簧、外弹簧和下内弹簧发生挤压作用，此时三个弹簧处于串联关系，可以为结构提供一个较小的刚度和自复位能力；当结构遭受外部激励作用增大时(如小震、中震)，结构变形增大，自复位装置需对结构提供较大自复位力，导杆受压进一步向装置内部运动，上外凹筒外展翼缘与上活动板底面抵接，上内弹簧变形被锁定，下外凸筒外展翼缘与下活动板顶面抵接，下内弹簧变形被锁定，此时装置主要由上外凹筒外展翼缘和下外凸筒外展翼缘对外弹簧进行挤压，为结构提供较大的刚度和自复位能力；当结构遭受外部激励作用进一步增大时(如罕遇地震)，结构变形增大甚至发生破坏，自复位装置对结构附加的自复位力需进一步增大，导杆受压进一步向装置内部运动，此时上内凹筒和下内凸筒底面抵接，上内凹筒外展翼缘与上外凹筒底面脱离，下内凸筒外展翼缘和下外凸筒脱离，上内凹筒和上活动板对上内弹簧有挤压作用，下内凸筒和下活动板对下内弹簧有挤压作用，上外凹筒和下外凸筒对外弹簧有挤压作用，此时三个弹簧处于并联关系，可以为结构进一步提供更大的附加刚度和自复位能力。

3)上外凹筒、下外凸筒筒体具有对外弹簧、上内弹簧和下内弹簧的限位作用。

4)上活动板、上外凹筒外展翼缘、下外凸筒外展翼缘和下活动板与外筒之间留有缝隙。

5)下连接件的加强肋筒可以为装置受压变形提供变形空间，而且可以提高下活动板的平面外稳定性。

6)自复位装置变形时内部各部件之间的摩擦作用可为装置提供一定耗能能力。

7)多级刚度可变自复位装置中的连接件、上固定端筒及多级刚度可变核心结构各部件均可拆卸，所有部件均可在工厂中进行规格化批量加工，构件主要采用螺纹或高强螺栓进行拼装固定。

8)本发明利用多级刚度可变自复位装置，使自复位装置性能固定、应用场景单一受限的问题得以解决，新型多级刚度可变自复位装置课题根据外部激励、结构动力响应和装置变形情况对自身力学性能自动调节，使其符合结构在当前外部激励作用下对装置性能的需求，进一步加强了结构在全寿命周期过程中可能遭受到风振、地铁振动、机器振动和地震作用等多种不同外部激励下的安全性。多级刚度可变自复位装置不仅可以作为防屈曲支撑构件安装在上部结构中，也可以配合滑板支座安装在隔震结构的隔震层当中，提供自复位恢复力。

附图说明

图1是实施例中多级刚度可变自复位装置的整体结构示意图；

图2是实施例中多级刚度可变自复位装置的受压一级小刚度工作变形示意图；

图3是实施例中多级刚度可变自复位装置的受压二级中刚度工作变形示意图；

图4是实施例中多级刚度可变自复位装置的受压三级大刚度工作变形示意图；

图5是实施例中多级刚度可变自复位装置的受拉一级小刚度工作变形示意图；

图6是实施例中多级刚度可变自复位装置的受拉二级中刚度工作变形示意图；

图7是实施例中多级刚度可变自复位装置的受拉三级大刚度工作变形示意图。

图中数字所表示的相应部件名称：1、上连接件；2、导杆；3、上固定端筒；4、上活动板；5、上外凹筒；6、上内凹筒；7、下内凸筒；8、下外凸筒；9、下活动板；10、下连接件；11、加强肋筒；12、外筒；13、下内弹簧；14、外弹簧；15、上内弹簧；16、突出部；17、高强螺栓；18、高强螺栓；19、外展翼缘Ⅰ；20、外展翼缘Ⅱ；21、固定端板；22、固定螺母，23.外展翼缘Ⅲ，24.外展翼缘Ⅳ。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

参考图1并结合图2-图7，图1揭示了第一实施例中的多级刚度可变自复位装置整体结构示意图。一种多级刚度可变复位装置，包括外筒12，外筒12顶面是开放的，顶面安装上固定端筒3，上固定端筒3开设供导杆2穿入的孔；导杆2依次穿设有上活动板4、上内弹簧15、上外凹筒5、上内凹筒6、外弹簧14、下内凸筒7、下外凸筒8、下内弹簧13、下活动板9、固定端板21和固定螺母22，导杆2及其各穿设部件构成自复位装置的多级刚度可变核心。

继续结合附图，固定端板21通过螺纹与导杆2端部固定连接，固定螺母22通过螺纹与导杆2端部固定连接，固定螺母22对固定端板21具有进一步固定作用。

在此实施例中，上内弹簧15、下内弹簧13和外弹簧14可以为螺旋弹簧或波形弹簧或碟形弹簧，可用同种类型弹簧采取拼合、叠合或对合等不同组合形式，也可采用不同类型弹簧进行组合使用。

下连接件10设有向上延伸的加强肋筒11，以提供自复位装置受压变形所需空间，同时可提高下活动板9受压时的平面外稳定性。

上内凹筒6外展翼缘底面抵接于上外凹筒5底面，下内凸筒7外展翼缘底面抵接于下外凸筒8底面，上活动板4抵接于上固定端筒3，下活动板9抵接于下连接件10的加强肋筒11，固定端板21抵接于下活动板9。

优选地，上内弹簧15穿设于上活动板4、上外凹筒5和上内凹筒6之间导杆2上，上内弹簧15上端抵接于上活动板4，上内弹簧15下端抵接于上内凹筒6外展翼缘20，上内弹簧15外径小于上外凹筒5筒体内径；下内弹簧13穿设于下活动板9、下外凸筒8和下内凸筒7之间导杆2上，下内弹簧13上端抵接于下内凸筒7外展翼缘24，下内弹簧13下端抵接于下活动板9，下内弹簧13外径小于下外凸筒8筒体内径。

上外凹筒5和下外凸筒8外部布置外弹簧14，外弹簧14上端抵接于上外凹筒5外展翼缘19，外弹簧14下端抵接于下外凸筒8的外展翼缘23，外弹簧14内径大于上外凹筒5和下外凸筒8的筒体外径。

导杆2端部设置突出部16，突出部16底面抵接于上活动板4。

优选地，外筒12可以为封闭筒体式，也可以为分体钢板式。

上固定端筒3与外筒12之间通过高强螺栓17进行固定连接，下连接件10与外筒12之间通过高强螺栓18进行固定连接，上连接件1与导杆2之间采用螺纹或焊接方式进行固定连接。

上活动板4、上外凹筒5的外展翼缘19、下外凸筒8的外展翼缘23和下活动板9与外筒12之间留有缝隙。

在此实施例中，导杆2及其穿设的各部件组成自复位装置的多级刚度可变核心，多级刚度可变核心构造设计可保证自复位装置无论是受压还是受拉，装置内部弹簧均会受压为装置提供稳定可靠的自复位力，并且可以根据结构动力响应特性及自复位装置变形特性，对装置的力学性能自动进行调整。

自复位装置受拉三级工作状态：

首先参见图5，当结构遭受较小外部激励作用(如地铁振动、机器运行振动、风振)，结构变形较小，自复位装置为结构提供较小恢复力即可，导杆2受拉向装置外部运动，下活动板9、固定端板21和固定螺母22跟随导杆2共同向上运动，下活动板9与下连接件10的加强肋筒11顶面脱离，上活动板4、上外凹筒5、下外凸筒8和下活动板9对上内弹簧15、外弹簧14和下内弹簧13发生挤压，此时三个弹簧处于串联关系，可以为结构提供一个较小的刚度和自复位能力；

参见图6，当结构遭受外部激励作用增大时(如小震、中震)，结构变形增大，自复位装置需对结构提供较大自复位力，导杆2受拉进一步向装置外部运动，上外凹筒5的外展翼缘19与上活动板4底面抵接，上内弹簧15变形被锁定，下外凸筒8的外展翼缘23与下活动板9顶面抵接，下内弹簧13变形被锁定，此时装置主要由上外凹筒5的外展翼缘19和下外凸筒8的外展翼缘23对外弹簧14进行挤压，为结构提供较大的刚度和自复位能力；

参见图7，当结构遭受外部激励作用进一步增大时(如罕遇地震)，结构变形增大甚至发生破坏，自复位装置对结构附加的自复位力需进一步增大，导杆2受拉进一步向装置外部运动，此时上内凹筒6和下内凸筒7底面抵接，上内凹筒6的外展翼缘20与上外凹筒5底面脱离，下内凸筒7的外展翼缘24和下外凸筒8脱离，上内凹筒6和上活动板4对上内弹簧15有挤压作用，下内凸筒7和下活动板9对下内弹簧13有挤压作用，上外凹筒5和下外凸筒8对外弹簧14有挤压作用，此时三个弹簧处于并联关系，可以为结构进一步提供更大的附加刚度和自复位能力。

自复位装置受压三级工作状态：

首先参见图2，当结构遭受较小外部激励作用(如地铁振动、机器运行振动、风振)(图2)，结构变形较小，自复位装置为结构提供较小恢复力即可，导杆2受压向装置内部运动，固定端板21和固定螺母22跟随导杆2共同向下运动，固定端板21与下活动板9脱离，上活动板4与上固定端筒3脱离，上活动板4、上外凹筒5、下外凸筒8和下活动板9对上内弹簧15、外弹簧14和下内弹簧13发生挤压作用，此时三个弹簧处于串联关系，可以为结构提供一个较小的刚度和自复位能力；

参见图3，当结构遭受外部激励作用增大时(如小震、中震)，结构变形增大，自复位装置需对结构提供较大自复位力，导杆2受压进一步向装置内部运动，上外凹筒5的外展翼缘19与上活动板4底面抵接，上内弹簧15变形被锁定，下外凸筒8的外展翼缘23与下活动板9顶面抵接，下内弹簧13变形被锁定，此时装置主要由上外凹筒5的外展翼缘19和下外凸筒8的外展翼缘23对外弹簧14进行挤压，为结构提供较大的刚度和自复位能力；如图3所示。

参见图4，当结构遭受外部激励作用进一步增大时(如罕遇地震),，结构变形增大甚至发生破坏，自复位装置对结构附加的自复位力需进一步增大，导杆2受压进一步向装置内部运动，此时上内凹筒6和下内凸筒7底面抵接，上内凹筒6的外展翼缘20与上外凹筒5底面脱离，下内凸筒7的外展翼缘24和下外凸筒8脱离，上内凹筒6和上活动板4对上内弹簧15有挤压作用，下内凸筒7和下活动板9对下内弹簧13有挤压作用，上外凹筒5和下外凸筒8对外弹簧14有挤压作用，此时三个弹簧处于并联关系，可以为结构进一步提供更大的附加刚度和自复位能力。如图4所示。

多级刚度可变自复位装置的上外凹筒5、下外凸筒8筒体具有对外弹簧14、上内弹簧15和下内弹簧13的限位作用。自复位装置变形过程中各部件之间的摩擦作用可以为装置提供一定的耗能能力。

以上是发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上做出各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种多级刚度自调整的自复位装置，其特征在于：

包括外筒(12)；外筒(12)内部自上而下依次设有上活动板(4)、上外凹筒(5)、上内凹筒(6)、下内凸筒(7)、下外凸筒(8)、下活动板(9)；

导杆(2)自上而下穿过所述上活动板(4)、上外凹筒(5)、上内凹筒(6)、下内凸筒(7)、下外凸筒(8)、下活动板(9)；

上内凹筒(6)通过其外展翼缘Ⅰ(20)与上外凹筒(5)受拉时抵接；下内凸筒(7)通过其外展翼缘Ⅳ(24)与下外凸筒(8)受拉时抵接；

导杆(2)分别具有与上活动板(4)上表面，及下活动板(9)下表面的抵接面；该一对抵接面之间的距离不变；

外筒(12)下端与下连接件(10)固定，所述下连接件设有向上延伸的加强肋筒(11)，加强肋筒(11)的上端对下活动板(9)的向下移动进行限位；

上内弹簧(15)套设于导杆(2)之外并安装于外展翼缘Ⅰ(20)与上活动板(4)之间；

下内弹簧(13)套设于导杆(2)之外并安装于下活动板(9)与外展翼缘Ⅳ(24)之间；

外弹簧(14)套设于导杆(2)之外并安装于上外凹筒(5)与下外凸筒(8)之间。

2.如权利要求1所述的多级刚度自调整的自复位装置，其特征在于：外筒顶面是开放的，顶面安装上固定端筒(3)，上固定端筒(3)开设供导杆(2)穿入的孔；导杆(2)下部与固定端板(21)通过螺纹安装固定，固定端板(21)的上表面是与下活动板(9)下表面抵接的抵接面。

3.如权利要求2所述的多级刚度自调整的自复位装置，其特征在于：采用固定螺母(21)通过螺纹与导杆端部固定连接，对固定端板(21)辅助固定。

4.如权利要求1所述的多级刚度自调整的自复位装置，其特征在于：上内弹簧(15)、下内弹簧(13)、外弹簧(14)各自为螺旋弹簧、波形弹簧、碟形弹簧中的一种。

5.如权利要求1所述的多级刚度自调整的自复位装置，其特征在于：所述导杆(2)由上至下依次穿设上固定端筒(3)、上活动板(4)、上外凹筒(5)、上内凹筒(6)、下内凸筒(7)、下外凸筒(8)、下活动板(9)和固定端板(21)，其中上内凹筒(6)外展翼缘(20)底面抵接于上外凹筒(5)底面，下内凸筒(7)外展翼缘(24)底面抵接于下外凸筒(8)底面，上活动板(4)抵接于上固定端筒(3)，下活动板(9)抵接于下连接件(10)加强肋筒(11)，固定端板(21)抵接于下活动板(9)。

6.如权利要求5所述的多级刚度自调整的自复位装置，其特征在于：所述导杆(2)上部具有一突出部(16)，所述突出部(16)形成抵接面；导杆(2)上端与上连接件(1)连接。

7.如权利要求1所述的多级刚度自调整的自复位装置，其特征在于：

所述上活动板(4)、上外凹筒(5)和上内凹筒(6)之间导杆穿设有上内弹簧(15)，上内弹簧(15)上端抵接于上活动板(4)，上内弹簧(15)下端抵接于上内凹筒(6)外展翼缘(20)，上内弹簧(15)外径小于上外凹筒(5)筒体内径；下活动板(9)、下外凸筒(8)和下内凸筒(7)之间导杆穿设有下内弹簧(13)，下内弹簧(13)上端抵接于下内凸筒(7)外展翼缘(24)，下内弹簧(13)下端抵接于下活动板(9)，下内弹簧(13)外径小于下外凸筒(8)筒体内径；

所述上外凹筒(5)和下外凸筒(8)外部布置外弹簧(14)，外弹簧(14)上端抵接于上外凹筒(5)外展翼缘(19)，外弹簧(14)下端抵接于下外凸筒(8)外展翼缘(23)，外弹簧(14)内径大于上外凹筒(5)和下外凸筒(8)的筒体外径。

8.如权利要求1所述的多级刚度自调整的自复位装置，其特征在于：所述外筒(12)为封闭筒体式，或者为分体钢板式。

9.如权利要求1所述的多级刚度自调整的自复位装置，其特征在于：所述上固定端筒(3)、下连接件(10)各自与筒体(12)之间通过高强螺栓(17、18)进行固定连接，上连接件(1)与导杆(2)通过螺纹或焊接进行固定。

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