CN111425038A - 设有变摩擦阻尼器的无预应力自复位耗能支撑装置 - Google Patents

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    • E04B1/98Protection against other undesired influences or dangers against vibrations or shocks; against mechanical destruction, e.g. by air-raids

Abstract

本发明公开了一种设有变摩擦阻尼器的无预应力自复位耗能支撑装置,包括变摩擦阻尼器,内套管,设于该内套管里的若干预拉杆以及设于该内套管外的外套管;其中,所述变摩擦阻尼器包括依次相连的上摩擦板、中摩擦板及下摩擦板,上摩擦板和中摩擦板两者的接触面为嵌合的锯齿状起伏坡面,中摩擦板与内管套连接设置,下摩擦板与外管套连接设置。该耗能装置能够消耗地震作用下的能量,减小建筑结构的层间位移角及加速度,消除或降低钢筋混凝土框架结构在地震作用下的残余变形和损坏,有效避免主体结构构件出现明显塑性变形,同时由于其方便拆卸及安装,起到耗散能量的摩擦耗能器均处于弹性阶段,能够明显降低结构震后的修复费用和难度。

Description

设有变摩擦阻尼器的无预应力自复位耗能支撑装置
技术领域
本发明属于土建耗能装置领域,尤其涉及一种设有变摩擦阻尼器的无预应力自复位耗能支撑装置。
背景技术
地震给人类带来极其严重的灾难,传统的抗震设计采用的是延性设计方法,即在地震作用下,结构部分构件提前屈服和破坏,但整体不至于丧失功能,依靠构件屈服后的塑性变形来耗散大部分的地震能量,从而达到保证主体结构安全的目的。这种传统基于承载力的设计方法虽然能在避免建筑出现损伤乃至倒塌造成人员伤亡的破坏方面有一定的可靠性,但在中等强度地震或强烈地震中,却不能有效地控制地震造成的经济损失,大多数大地震过后,结构虽然未倒塌,但不可修复或继续使用,只能推倒重建。近年来,可恢复功能体系由于其耗能效果好,震后残余位移及位移角较小,得到了广泛的发展和推广。目前,在框架结构中所采用的耗能支撑主要为屈曲约束自复位耗能支撑,虽然该类结构可以减小结构的位移角及残余位移角,但是由于其截面尺寸较大,震后对耗能支撑维修较为复杂,同时由于该类耗能支撑启动力及刚度较小,在大震及巨震下对地震能量的耗散有限,容易导致结构产生高阶模态效应,因此其使用效果受到严重影响。
发明内容
发明目的:本发明的目的是提供一种耗能装置,该装置能够消耗地震作用下的能量,有效避免主体结构构件出现明显塑性变形,且能够在无预应力的状态下就可以达到自复位的效果。
技术方案:本发明设有变摩擦阻尼器的无预应力自复位耗能支撑装置,包括变摩擦阻尼器,内套管,设于该内套管里的若干预拉杆以及设于该内套管外的外套管;其中,所述变摩擦阻尼器包括依次相连的上摩擦板、中摩擦板及下摩擦板,上摩擦板和中摩擦板两者的接触面为嵌合的锯齿状起伏坡面,中摩擦板与内管套连接设置,下摩擦板与外管套连接设置。
本发明将预拉杆与变摩擦阻尼器相结合,形成带变摩擦阻尼器的无预应力自复位耗能支撑装置,进而在地震作用下,预拉杆能够提供自复位力消除耗能支撑的残余变形,同时结合设于该耗能支撑装置上的变摩擦阻尼器能够大量消耗地震动输入能量并实现自复位,且本支撑装置中的变摩擦阻尼器可以完全自复位,因此对预拉杆可以不施加初始预应力,使其无初始变形,在预拉杆最大可恢复变形一定的情况下,耗能支撑在地震作用下的最大变形增大,提高了建筑结构的位移储备和最大可恢复位移,提升了整体建筑结构的抗震性能,同时可以放宽对建筑结构最大位移角的限值。优选的,该装置的中摩擦板和下摩擦板两者的接触面可为嵌合的锯齿状起伏坡面。或者中摩擦板与下摩擦板之间可设有摩擦片。
进一步说,该耗能支撑装置还包括与建筑结构件相连接的第一连接板及第二连接板,其中,第一连接板与外套管相连接,第二连接板与内管套相连接。预拉杆可为2-4根,其通过内套管两端的端板设于内套管内,端板分别设于第一连接板和外管套间,第二连接板和内管套间。优选的,内套管与外套管的长度相等,均小于预拉杆的长度。
再进一步说,该耗能装置的中摩擦板、上摩擦板及下摩擦板间通过螺栓连接固定。螺栓上位于下摩擦板的外侧和上摩擦板的外侧均套设有若干个碟形弹簧。中摩擦板上开设有为中摩擦板与上摩擦板和下摩擦板相对滑动的螺栓预留孔道。该装置由于对碟形弹簧施加预紧力,进而上摩擦板与中摩擦板的起伏接触坡面、中摩擦板与下摩擦板的起伏接触坡面能够产生初始摩擦力,即当中摩擦板与上摩擦板、下摩擦板或摩擦片产生滑动时,通过摩擦力消耗地震产生的能量;当中摩擦板与上摩擦板、下摩擦板或摩擦片产生的滑动(受拉或受压)过大,中摩擦板与上摩擦板或者中摩擦板与下摩擦板中的锯齿形起伏坡面接触并进入上坡段时,中摩擦板与上摩擦板之间产生间隙,碟形弹簧被压缩,对上摩擦板、下摩擦板产生较大的法向压力,使上摩擦板与中摩擦板的起伏接触坡面、中摩擦板与下摩擦板的起伏接触坡面或者中摩擦板与摩擦片可以产生的摩擦力增大,实现变摩擦耗能原理。同时由于在螺栓上设置的碟形弹簧,当产生变形时,上摩擦板与中摩擦板发生相对滑动,使碟形弹簧承受的法向正压力增大,而法向正压力的增大将压缩上摩擦板与中摩擦板之间的间隙,使该变摩擦阻尼器自复位。
更进一步说,该装置变摩擦阻尼器的中摩擦板与内管套焊接固定,下摩擦板与外管套焊接固定;或者所述中摩擦板与内管套通过设于中摩擦板两侧的中摩擦板角钢固定连接,下摩擦板与外管套通过设于下摩擦板外侧的下摩擦板角钢固定连接。
有益效果:与现有技术相比,本发明的显著优点为:该耗能装置能够消耗地震作用下的能量,减小建筑结构的层间位移角及加速度,消除或降低钢筋混凝土框架结构在地震作用下的残余变形和损坏,有效避免主体结构构件出现明显塑性变形,同时由于其方便拆卸及安装,起到耗散能量的摩擦耗能器均处于弹性阶段,能够明显降低结构震后的修复费用和难度,便于技术人员对耗能支撑进行日常的检查及震后的维修、替换;此外,由于耗能支撑的初始启动力仅为变摩擦阻尼器在平面段的摩擦力,其值仅受碟形弹簧预紧力来控制。由于耗能器可以提供自复位恢复力,因此能够减少约30%~50%的预拉杆数量、预拉杆初始预拉力和30%的内套管、外套管截面尺寸,大幅降低钢材的使用量,因此变摩擦耗能支撑的自重得到有效的控制;同时支撑将提供较大的启动后刚度及耗能能力,减小支撑框架高阶模态效应,从而减小建筑结构在地震时所承受的水平荷载,提高了结构的抗震性能。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图;其中,中摩擦板和下摩擦板两者的接触面为嵌合的锯齿状起伏坡面;
图2为图1的纵向剖面图;
图3为图1的A-A剖面;
图4为图1的B-B剖面;
图5为本发明装置的结构示意图;其中,中摩擦板和下摩擦板之间设置摩擦片;
图6为图5的纵向剖面图;
图7为图5的A-A剖面;
图8为图5的B-B剖面;
图9为本发明装置的结构示意图;其中,变摩擦阻尼器通过角钢固定;
图10为图9的纵向剖面图;
图11为图9的A-A剖面;
图12为图9的B-B剖面;
图13为本发明外套管及第一连接板的结构示意图;
图14为本发明内套管及第二连接板的结构示意图;
图15为本发明变摩擦阻尼器的结构示意图;其中,中摩擦板和下摩擦板两者的接触面为嵌合的锯齿状起伏坡面;
图16为本发明变摩擦阻尼器的结构示意图;其中,中摩擦板和下摩擦板之间设置摩擦片;
图17本发明变摩擦阻尼器的结构示意图;其中,变摩擦阻尼器通过角钢固定;
图18为本发明变摩擦阻尼器坡面受拉滑动时的结构示意图;其中,中摩擦板和下摩擦板两者的接触面为嵌合的锯齿状起伏坡面;
图19为本发明变摩擦阻尼器坡面受压滑动时的结构示意图;其中,中摩擦板和下摩擦板两者的接触面为嵌合的锯齿状起伏坡面;
图20为本发明装置上摩擦板及螺栓预留孔示意图;其中,中摩擦板和下摩擦板两者的接触面为嵌合的锯齿状起伏坡面;
图21为本发明装置中摩擦板及螺栓预留孔示意图;其中,中摩擦板和下摩擦板两者的接触面为嵌合的锯齿状起伏坡面;
图22为本发明装置下摩擦板及螺栓预留孔示意图;其中,中摩擦板和下摩擦板两者的接触面为嵌合的锯齿状起伏坡面;
图23为本发明装置位于初始位置时的结构示意图;其中,中摩擦板和下摩擦板两者的接触面为嵌合的锯齿状起伏坡面;
图24为本发明装置受拉滑动时的结构示意图;其中,中摩擦板和下摩擦板两者的接触面为嵌合的锯齿状起伏坡面;
图25为本发明装置受压滑动时的结构示意图;其中,中摩擦板和下摩擦板两者的接触面为嵌合的锯齿状起伏坡面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
如图1至图14所示,本发明的耗能支撑装置,包括分别与建筑结构件相连接的第一连接板8和第二连接板9,与第一连接板8相连接的内管套1及与第二连接板9相连接的外管套3,外管套3套设于内管套1上,且两者的长度相等。内管套1和外管套3的两端设有活动端板10,该端板10位于第一连接板8和外管套3间、第二连接板9和内管套1间,两个端板10之间设有若干预拉杆2,优选为2-3根,且该预拉杆2穿过内管套1,长度大于内管套1的长度。第一连接板8和第二连接板9上设有与建筑结构件相连接的螺栓预留孔16。
变摩擦阻尼器包括依次相连的上摩擦板4、中摩擦板5及下摩擦板6,且三者之间通过螺栓11连接成一体,上摩擦板4设有螺栓预留孔16、下摩擦板6设有螺栓预留孔16,且上摩擦板4和下摩擦板6的螺栓预留孔16位置相互对应,中摩擦板5设有一个圆角矩形螺栓孔17,以便于中摩擦板5与上摩擦板4和下摩擦板6的相对滑动。螺栓11上位于下摩擦板6的外侧和上摩擦板4的外侧均套设有若干个碟形弹簧12,对碟形弹簧12施加预紧,以提供该变摩擦阻尼器的初始摩擦力。上摩擦板4和中摩擦板5两者的接触面为嵌合的凹凸锯齿状起伏坡面,中摩擦板5和下摩擦板6两者的接触面同样可设置为嵌合的凹凸锯齿状起伏坡面,如图15所示,且凹面段处平面的距离等于凸面段处平面的距离,能够使得该变摩擦阻尼器在耗能支撑装置无预应力的状态下就可以达到自复位;或者中摩擦板5与下摩擦板6之间可设置摩擦片7,如图16所示,且摩擦片7上设有螺栓预留孔16,并与下摩擦板6的螺栓预留孔16位置相互对应。
中摩擦板5与内管套1连接设置,下摩擦板6与外管套3连接设置,该变摩擦阻尼器对称设于内管套1和外管套3的上下两侧,其设置方式可为固定式或者可拆卸式。例如,中摩擦板5与内管套1焊接固定,下摩擦板6与外管套3焊接固定,即该变摩擦阻尼器固定设于内管套1和外管套3上;或者中摩擦板5与内管套1通过设于中摩擦板5两侧的中摩擦板角钢14固定连接,下摩擦板6与外管套3通过设于下摩擦板6外侧的下摩擦板角钢15固定连接,如图17所示,即该变摩擦阻尼器以可拆卸的方式设于内管套1和外管套3上,中摩擦板角钢14和下摩擦板角钢15上同样均设有螺栓预留孔16。上摩擦板4仅通过螺栓11与中摩擦板5和下摩擦板6相连,进而能够在内套管1与外套管3发生错动时,中摩擦板5与上摩擦板4、下摩擦槽板6或摩擦片7产生滑动。
工作原理:如图18至25所示,当该耗能支撑装置受拉荷载时,端板和内套管将远离外套管和其对应侧端板并向右移动,并在移动过程中带动内套管侧的端板远离外套管侧的端板并向右移动,同时预拉杆伸长,产生较大的内力。在外荷载卸载阶段,由于预拉杆伸长,预拉杆将带动内套管、第二连接板、内套管侧的端板向左移动并回到未受张拉荷载时的位置,内套管将带动中摩擦板回到初始位置,同时由于变摩擦阻尼器器坡面的作用,能够使支撑装置可以回到初始位置,即实现耗能支撑受拉自复位。当支撑受压荷载时,外套管侧的端板和内套管将远离内套管侧的端板和外套管并向左移动,并在移动过程中带动外套管侧的端板远离内套管侧的端板并向左移动,同时预拉杆伸长,产生较大的内力。在外荷载卸载阶段,由于预拉杆伸长,预拉杆将带动内套管、第一连接板、外套管侧的端板向右移动并回到未受张拉荷载时的位置,内套管将带动中摩擦板回到初始位置,同时由于变摩擦阻尼器器坡面的作用,可以使支撑装置可以回到初始位置,即实现耗能支撑装置受压自复位。

Claims (10)

1.一种设有变摩擦阻尼器的无预应力自复位耗能支撑装置,其特征在于:该耗能支撑装置包括变摩擦阻尼器,内套管(1),设于该内套管(1)里的若干预拉杆(2)以及设于该内套管(1)外的外套管(3);其中,所述变摩擦阻尼器包括依次相连的上摩擦板(4)、中摩擦板(5)及下摩擦板(6),上摩擦板(4)和中摩擦板(5)两者的接触面为嵌合的锯齿状起伏坡面,中摩擦板(5)与内管套(1)连接设置,下摩擦板(6)与外管套(3)连接设置。
2.根据权利要求1所述设有变摩擦阻尼器的无预应力自复位耗能支撑装置,其特征在于:所述中摩擦板(5)和下摩擦板(6)两者的接触面为嵌合的锯齿状起伏坡面。
3.根据权利要求1所述设有变摩擦阻尼器的无预应力自复位耗能支撑装置,其特征在于:所述中摩擦板(5)与下摩擦板(6)之间设有摩擦片(7)。
4.根据权利要求2或3所述设有变摩擦阻尼器的无预应力自复位耗能支撑装置,其特征在于:该耗能支撑装置还包括与建筑结构件相连接的第一连接板(8)及第二连接板(9),其中,第一连接板(8)与外套管(3)相连接,第二连接板(9)与内管套(1)相连接。
5.根据权利要求4所述设有变摩擦阻尼器的无预应力自复位耗能支撑装置,其特征在于:预拉杆(2)为2-4根,其通过内套管(1)两端的端板(10)设于内套管(1)内,端板(10)分别设于所述第一连接板(8)和外管套(3)间,所述第二连接板(9)和内管套(1)间。
6.根据权利要求2或3所述设有变摩擦阻尼器的无预应力自复位耗能支撑装置,其特征在于:所述内套管(1)与外套管(3)的长度相等,均小于预拉杆(2)的长度。
7.根据权利要求2或3所述设有变摩擦阻尼器的无预应力自复位耗能支撑装置,其特征在于:所述中摩擦板(5)、上摩擦板(4)及下摩擦板(6)间通过螺栓(11)连接固定。
8.根据权利要求7所述设有变摩擦阻尼器的无预应力自复位耗能支撑装置,其特征在于:所述螺栓(11)上位于下摩擦板(6)的外侧和上摩擦板(4)的外侧均套设有若干个碟形弹簧(12)。
9.根据权利要求8所述设有变摩擦阻尼器的无预应力自复位耗能支撑装置,其特征在于:中摩擦板(5)上开设有为中摩擦板(5)与所述上摩擦板(4)和下摩擦板(6)相对滑动的螺栓预留孔道(13)。
10.根据权利要求2或3所述设有变摩擦阻尼器的无预应力自复位耗能支撑装置,其特征在于:所述中摩擦板(5)与内管套(1)焊接固定,下摩擦板(6)与外管套(3)焊接固定;或者所述中摩擦板(5)与内管套(1)通过设于中摩擦板(5)两侧的中摩擦板角钢(14)固定连接,下摩擦板(6)与外管套(3)通过设于下摩擦板(6)外侧的下摩擦板角钢(15)固定连接。
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