CN111535469A - 一种具有耗能时序特点的自复位支撑及其组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有耗能时序特点的自复位支撑及其组装方法，通过两部分装置协同工作以使支撑耗能行为的发生有先后性，首先由配备预应力索的摩擦耗能自复位装置平衡地震输入能量，具体由预应力索、外围约束方钢管、传力轴、端板组合使得总有一组预应力索受拉，以提供恢复力，内、外摩擦界面板与外围约束方钢管通过相对滑动以耗散能量；当发展至更大变形时，配备SMA组件的自复位装置启动，由矩形钢管、SMA组件、L形板、U形板、螺栓协同提供耗能及自复位，矩形钢管一侧开设长圆孔以实现SMA组件具有变形能力，通过调节螺栓的预紧力使得SMA组件变形可控。实现了不同强度地震作用下支撑具有耗能时序的特点，且具有良好的自复位能力。

Description

一种具有耗能时序特点的自复位支撑及其组装方法

技术领域

本发明属于结构工程领域，本发明涉及一种具有耗能时序特点的自复位支撑及其组装方法。

背景技术

钢结构具有质量轻、强度高、韧性好、工业化程度高等优点，广泛应用于居民建筑、工业厂房中。

传统支撑因其刚度大、承载力高，强震作用下受拉时进入非线性阶段并耗散能量，地震作用后将产生显著的残余变形；受压时传统支撑则易发生屈曲。在反复地震作用下，支撑耗能效果不佳，进而容易导致主结构受损。

屈曲约束支撑在拉、压时均有稳定的耗能能力，具有高效的减震效果，但屈曲约束支撑屈服后刚度大幅下降，地震作用下将使得支撑有较大的残余变形，主结构难以满足继续使用的要求。

近十年来，国内外学者对自复位支撑进行了研究，但当前自复位支撑均采用多层钢管，制造安装要求高，自复位支撑的稳定性、低周疲劳性难以得到保障；由于耗能与自复位之间的矛盾，自复位支撑的耗能能力与自复位能力难以同时兼顾；当前自复位支撑变形能力较小，难以满足强震作用下使用要求。

应用于自复位节点中的后张预应力索（Post-tensioned Steel Strand）使得节点具有良好的复位效果。形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）具有良好的形状记忆效应和超弹性性能，前者是指材料在受到荷载作用发生变形后卸掉荷载通过加热材料会恢复原有的形状，后者是指材料在受到荷载作用发生变形后卸掉荷载可以自主恢复原有的形状。将预应力索与摩擦装置进行合理组合可以实现自复位与耗能的目标，同时SMA材料自身兼顾自复位与耗能的能力，因此将以上两种材料应用于支撑中以使其具有自复位效果好、耗能及变形能力优良等特点，目前相关研究工作尚未开展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有上述缺点，提出一种具有耗能时序特点的自复位支撑及其组装方法。该支撑通过配备预应力索的摩擦耗能自复位装置和配备SMA组件的自复位装置分阶段耗能，以期实现耗能能力与可恢复能力的平衡。位于外围约束方钢管内的两组预应力索实现了无论支撑受拉、受压均有一组预应力索受拉，以此来提供恢复力，具体的：传力轴受拉或受压带动第一内端板、第二内端板发生刚体运动，此时，第一外端板、第二外端板保持静止，故总有一组预应力索受拉；通过内、外摩擦界面板相对于外围约束方钢管的运动来提供耗能。控制螺栓的预紧力，使得在小震、中震下配备SMA组件的自复位装置仅有传递荷载的能力，在大震下U形板运动使得SMA组件变形，由于SMA组件自身具有自复位能力和耗能能力，故在此状态下配备SMA组件的自复位装置同配备预应力索的摩擦耗能自复位装置共同承载并提供恢复力和耗能。因此支撑在承受不同强度的地震作用时，将具有不同的滞回规则，呈现耗能时序的特点。同时自复位支撑安装方便，装配化程度高，各元素可调，易于实现主体钢结构与支撑快速安装，保证了主体结构的免损伤。

为实现上述目的，本发明提供技术方案如下：

一种具有耗能时序特点的自复位支撑，包括传力轴，所述传力轴自左向右依次连接有第一外端板、第一内端板和第二内端板；其中第一外端板与传力轴滑动连接；第一内端板和第二内端板与传力轴固定连接；第一外端板和第一内端板之间固定连接有第一组预应力索；所述第二内端板通过第二组预应力索连接有第二外端板；第一外端板和第二外端板之间安装有阻隔件；所述第二外端板固定连接有安装件，安装件上固定连接有固定件，固定件通过SMA组件连接有摩擦滑动件。

进一步的改进，所述阻隔件为外围约束方钢管，外围约束方钢管由第一钢板、第二钢板、第三钢板、第四钢板共四块钢板焊接形成；上下相对设置的第二钢板、第四钢板上成形有第一长圆孔。

进一步的改进，所述第一内端板和第二内端板上下端之间固定有内摩擦界面板；内摩擦界面板外安装有外摩擦界面板；第一部分高强螺栓依次穿过外摩擦界面板、第一长圆孔、内摩擦界面板；将外摩擦界面板、外围约束方钢管和内摩擦界面板紧固连接。

进一步的改进，所述安装件为工字钢或矩形钢管，矩形钢管由U型钢和外封板焊接形成；U型钢上表面和下表面一侧成形有圆形螺孔，另一侧成形有第二长圆孔；所述固定件为L形板，摩擦滑动件为U形板；第二部分高强螺栓依次穿过L形板、U型钢上的圆形螺孔，将L形板和U型钢紧固连接；第三部分高强螺栓依次穿过U形板、U型钢上的第二长圆孔，将U形板和U型钢固定；第三部分高强螺栓旋紧并使得配备预应力索的摩擦耗能自复位装置优先参与耗能；所述U形板的腹板与矩形钢管之间预留有预设的间距；SMA组件两端分别固定在L形板和U形板上。

进一步的改进，所述L形板和U形板上均焊接加强板；L形板、U形板端部成形有与SMA组件相连的竖板；SMA组件为若干SMA杆。

进一步的改进，所述传力轴外端固定连接第一自由端；U形板固定连接第二自由端。

一种具有耗能时序特点的自复位支撑的组装方法，包括如下步骤：

步骤一：在工厂标准化生产第一钢板、第二钢板、第三钢板、第四钢板、第一自由端、第二自由端、传力轴、第一外端板、第一内端板、第二内端板、第二外端板、内摩擦界面板、外摩擦界面板、U型钢、外封板、L形板、U形板、SMA组件；在第二钢板、第四钢板、U型钢相应部位开设长圆孔；在第一外端板、第一内端板、第二内端板、第二外端板、内摩擦界面板、外摩擦界面板、U型钢、L形板和U形板相应部位开设螺栓孔；在第一外端板、第一内端板上开设矩形孔洞；

步骤二：传力轴首先穿过第一外端板，再穿过第一内端板并焊接，最后端部与第二内端板焊接，传力轴另一端与第一自由端焊接；内摩擦界面板与第一内端板、第二内端板顶部焊接；将第一组预应力索穿过并连接第一外端板和第一内端板；第二组预应力索穿过并连接第二内端板和第二外端板；

步骤三：将第二钢板放在内摩擦界面板上；外摩擦界面板放在第二钢板上；内摩擦界面板、外摩擦界面板的螺孔及第一长圆孔对齐后拧紧第一部分高强螺栓；同理，将第四钢板上的外摩擦界面板拧紧；将第一钢板、第三钢板与第二钢板、第四钢板焊接形成外围约束方钢管；第一外端板、第二外端板位于外围约束方钢管外侧，第一外端板、第二外端板分别与外围约束方钢管两端焊接；在第一外端板、第二外端板端部分别张拉第一组预应力索、第二组预应力索；形成配备预应力索的摩擦耗能自复位装置；

步骤四：分别在L形板、U形板上焊接加强板；

步骤五：第二外端板端部焊接U型钢；第二部分高强螺栓穿过U型钢的螺孔、L形板并拧紧；第三部分高强螺栓穿过U型钢的第二长圆孔、U形板并拧紧；将U型钢与外封板焊接形成矩形钢管；将U形板与第二自由端焊接；

步骤六：在L形板、U形板之间安装SMA组件，拧紧螺母。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明将耗能集中于自复位支撑上，使得主结构免损伤。同时由于支撑具有自复位特征，将显著减小支撑的残余变形，震后支撑不需修复仍可以继续使用。

2、通过控制螺栓预紧力，使配备预应力索的摩擦耗能自复位装置先行耗能，以控制不同强度地震作用下支撑具有不同的滞回特征，从而使支撑耗能具有时序性，以期实现耗能能力与可恢复能力的平衡。

3、两组预应力索使得无论支撑受压或受拉均有一组预应力索受拉，通过调节预应力索初始预紧力，可以使得支撑拉、压滞回曲线呈现对称性。

4、本发明利用预应力索良好的自复位能力、SMA材料的超弹性性能、摩擦板的耗能能力，通过将配备预应力索的摩擦耗能自复位装置和配备SMA组件的自复位装置串联，提高了强震作用下自复位支撑的变形能力，解决了既有研究中自复位支撑轴向变形能力的不足。

5、本发明安装简单方便，装配化程度高，避免了传统自复位支撑采用多层套管时由于制造安装误差导致的支撑初始刚度低、钢绞线预紧力损失等问题。

附图说明：

图1为本发明在结构中的位置示意图；

图2-1为本发明立体结构示意图；

图2-2为图2-1的A-A剖面图；

图2-3为图2-1的B-B剖面图；

图3为本发明正视图；

图4为本发明正视剖面图；

图5为本发明俯视图；

图6为本发明内部立体结构示意图；

图7为本发明拆解示意图；

图8为配备预应力索的摩擦耗能自复位装置中的外围约束方钢管；

图9为配备预应力索的摩擦耗能自复位装置中的具有自复位能力的构件图；

图10为配备预应力索的摩擦耗能自复位装置中的端板示意图；

图11为预应力索；

图12为配备预应力索的摩擦耗能自复位装置中的具有摩擦耗能能力的构件图；

图13为配备预应力索的摩擦耗能自复位装置中的外摩擦界面板；

图14为配备SMA组件自复位装置中的矩形钢管；

图15为焊接加强板的L形板；

图16为焊接加强板的U形板；

图17为SMA组件及用于施加预紧力的两端螺栓。

其中，各个部件的编号为：1-1、第一钢板；1-2、第二钢板；1-3、第三钢板；1-4、第四钢板；2、第一长圆孔；3-1、第一自由端；3-2、第二自由端；4、传力轴；5-1、第一外端板；5-2、第一内端板；5-3、第二内端板；5-4、第二外端板；6-1、第一组预应力索；6-2、第二组预应力索；7-1、第一部分高强螺栓；7-2、第二部分高强螺栓；7-3、第三部分高强螺栓；8-1、内摩擦界面板；8-2、外摩擦界面板；9-1、U型钢；9-2、外封板；10、第二长圆孔；11、L形板；12、U形板；13、加强板；14、SMA组件；14-1、螺母。

具体实施方式：

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施案例进行详细描述。

本发明提供一种具有耗能时序特点的自复位支撑，如图6-图17所示，主要包括：第一钢板1-1、第二钢板1-2、第三钢板1-3、第四钢板1-4焊接组成的外围约束方钢管（如图8所示）；传力轴4（如图9所示）；端板（如图10所示）；预应力索（如图11所示）；外摩擦界面板8-2（如图13所示）；U型钢9-1、外封板9-2焊接组成的矩形钢管（如图14所示）、L形板11（如图15所示）、U形板12（如图16所示）、SMA组件14（如图17所示）。

其中，第一钢板1-1、第二钢板1-2、第三钢板1-3、第四钢板1-4各一块；第一组预应力索6-1与第二组预应力索6-2分别有四根；端板共计四块，第一外端板5-1、第一内端板5-2中间均预留孔洞，传力轴4穿过第一外端板5-1、第一内端板5-2，焊接在第二内端板5-3上。第一外端板5-1、第二外端板5-4通过焊接紧固在外围约束方钢管两端，第一内端板5-2与第二内端板5-3之间保持固定距离。两组预应力索分别锚固在两个节段上，无论支撑受拉或受压，通过传力轴4传递荷载后，总有一组预应力索受拉，一组预应力索松弛。

内摩擦界面板8-1有两块，焊接在第一内端板5-2、第二内端板5-3上；外摩擦界面板8-2有两块，通过第一部分高强螺栓7-1紧固在外围约束方钢管上；L形板11为两个，U形板12为一个，分别通过第二部分高强螺栓、第三部分高强螺栓与U型钢相连；SMA组件14为四个，分别锚固在L形板和U形板上。

一种具有耗能时序特点的自复位支撑的组装方法如下：

1、上述构件在工厂标准化生产后，进行预定位；焊接形成自由端、带有加强板的L形板、U形板；对端板、L形板、U形板相应位置进行开孔；第一外端板、第一内端板在中部开孔供传力轴穿过；第二钢板、第四钢板、U型钢上开设长圆孔。

2、传力轴穿过端板并与自由端焊接；将预应力索锚固于端板处；外摩擦界面板安装于第二钢板、第四钢板上，拧紧螺栓；将第一钢板、第二钢板、第三钢板、第四钢板焊接形成外围约束方钢管；张拉预应力索至预定值。

3、将U型钢与第二外端板焊接；U形板与第二自由端焊接。

4、L形板、U形板分别用高强螺栓固定在U型钢上，螺栓预紧力依据计算确定，以实现配备预应力索的摩擦耗能自复位装置优先运动耗能的目标；U型钢与外封板焊接形成矩形钢管；SMA组件穿过L形板和U形板的螺栓孔并拧紧SMA组件两端螺栓至预定值。

与传统结构相比，本结构有如下创新：（1）通过预先设定的螺栓预紧力使得支撑在不同强度地震作用下呈现不同的耗能特征，支撑具有耗能时序的特点。（2）两组预应力索使得支撑无论在受拉、受压状态下均有一组预应力索受拉，解决了预应力索受压时无法提供恢复力的不足。（3）满足多水平设防目标，自复位支撑残余变形小，避免主体结构损伤，推动可恢复结构的发展。（4）在自复位支撑中同时使用预应力索和SMA组件，串联使用两种具有自复位特征的材料增强了支撑的变形能力。（5）装配化程度高，可方便应用于装配式结构中。

本发明的自复位支撑有良好的耗能能力和自复位能力，且耗能能力和自复位能力可调，震后修复工作量低，综合经济效益高。

上述仅仅为本发明的一个具体实施例，对其进行的简单改进和替换均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种具有耗能时序特点的自复位支撑，其特征在于，包括传力轴（4），所述传力轴（4）自左向右依次连接有第一外端板（5-1）、第一内端板（5-2）和第二内端板（5-3）；其中第一外端板（5-1）与传力轴（4）滑动连接；第一内端板（5-2）和第二内端板（5-3）与传力轴（4）固定连接；第一外端板（5-1）和第一内端板（5-2）之间固定连接有第一组预应力索（6-1）；所述第二内端板（5-3）通过第二组预应力索（6-2）连接有第二外端板（5-4）；第一外端板（5-1）和第二外端板（5-4）之间安装有阻隔件；所述第二外端板（5-4）固定连接有安装件，安装件上固定连接有固定件，固定件通过SMA组件（14）连接有摩擦滑动件。

2.如权利要求1所述的一种具有耗能时序特点的自复位支撑，其特征在于，所述阻隔件为外围约束方钢管，外围约束方钢管由第一钢板（1-1）、第二钢板（1-2）、第三钢板（1-3）、第四钢板（1-4）共四块钢板焊接形成；上下相对设置的第二钢板（1-2）、第四钢板（1-4）上成形有第一长圆孔（2）；第一组预应力索（6-1）和第二组预应力索（6-2）均为预应力索。

3.如权利要求2所述的一种具有耗能时序特点的自复位支撑，其特征在于，所述第一内端板（5-2）和第二内端板（5-3）上下端之间固定有内摩擦界面板（8-1）；内摩擦界面板（8-1）外安装有外摩擦界面板（8-2）；第一部分高强螺栓（7-1）依次穿过外摩擦界面板（8-2）、第一长圆孔（2）、内摩擦界面板（8-1）；将外摩擦界面板（8-2）、外围约束方钢管和内摩擦界面板（8-1）紧固连接。

4.如权利要求1所述的一种具有耗能时序特点的自复位支撑，其特征在于，所述安装件为矩形钢管，矩形钢管由U型钢（9-1）和外封板（9-2）焊接形成；U型钢（9-1）上表面和下表面一侧成形有圆形螺孔，另一侧成形有第二长圆孔（10）；所述固定件为L形板（11），摩擦滑动件为U形板（12）；第二部分高强螺栓（7-2）依次穿过L形板（11）、U型钢（9-1）上的圆形螺孔，将L形板（11）和U型钢（9-1）紧固连接；第三部分高强螺栓（7-3）依次穿过U形板（12）、U型钢（9-1）上的第二长圆孔（10），将U形板（12）和U型钢（9-1）固定；第三部分高强螺栓（7-3）旋紧并使得配备预应力索的摩擦耗能自复位装置优先参与耗能；所述U形板（12）的腹板与矩形钢管之间预留有预设的间距；SMA组件（14）两端分别固定在L形板（11）和U形板（12）上。

5.如权利要求4所述的一种具有耗能时序特点的自复位支撑，其特征在于，所述L形板（11）和U形板（12）上均焊接加强板（13）；L形板（11）、U形板（12）端部成形有与SMA组件（14）相连的竖板；SMA组件（14）为若干SMA杆。

6.如权利要求1所述的一种具有耗能时序特点的自复位支撑，其特征在于，所述传力轴（4）外端固定连接第一自由端（3-1）；U形板（12）固定连接第二自由端（3-2）。

7.一种具有耗能时序特点的自复位支撑的组装方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：在工厂标准化生产第一钢板（1-1）、第二钢板（1-2）、第三钢板（1-3）、第四钢板（1-4）、第一自由端（3-1）、第二自由端（3-2）、传力轴（4）、第一外端板（5-1）、第一内端板（5-2）、第二内端板（5-3）、第二外端板（5-4）、内摩擦界面板（8-1）、外摩擦界面板（8-2）、U型钢（9-1）、外封板（9-2）、L形板（11）、U形板（12）、SMA组件（14）；在第二钢板（1-2）、第四钢板（1-4）、U型钢（9-1）相应部位开设长圆孔；在第一外端板（5-1）、第一内端板（5-2）、第二内端板（5-3）、第二外端板（5-4）、内摩擦界面板（8-1）、外摩擦界面板（8-2）、U型钢（9-1）、L形板（11）和U形板（12）相应部位开设螺栓孔；在第一外端板（5-1）、第一内端板（5-2）上开设矩形孔洞；

步骤二：传力轴（4）首先穿过第一外端板（5-1），再穿过第一内端板（5-2）并焊接，最后端部与第二内端板（5-3）焊接，传力轴（4）另一端与第一自由端（3-1）焊接；内摩擦界面板（8-1）与第一内端板（5-2）、第二内端板（5-3）顶部焊接；将第一组预应力索（6-1）穿过并连接第一外端板（5-1）和第一内端板（5-2）；第二组预应力索（6-2）穿过并连接第二内端板（5-3）和第二外端板（5-4）；

步骤三：将第二钢板（1-2）放在内摩擦界面板（8-1）上；外摩擦界面板（8-2）放在第二钢板（1-2）上；内摩擦界面板（8-1）、外摩擦界面板（8-2）的螺孔及第一长圆孔（2）对齐后拧紧第一部分高强螺栓（7-1）；同理，将第四钢板（1-4）上的外摩擦界面板拧紧；将第一钢板（1-1）、第三钢板（1-3）与第二钢板（1-2）、第四钢板（1-4）焊接形成外围约束方钢管；第一外端板（5-1）、第二外端板（5-4）位于外围约束方钢管外侧，第一外端板（5-1）、第二外端板（5-4）分别与外围约束方钢管两端焊接；在第一外端板（5-1）、第二外端板（5-4）端部分别张拉第一组预应力索（6-1）、第二组预应力索（6-2）；形成配备预应力索的摩擦耗能自复位装置；

步骤四：分别在L形板（11）、U形板（12）上焊接加强板（13）；

步骤五：第二外端板（5-4）端部焊接U型钢（9-1）；第二部分高强螺栓（7-2）穿过U型钢（9-1）的螺孔、L形板（11）并拧紧；第三部分高强螺栓（7-3）穿过U型钢（9-1）的第二长圆孔（10）、U形板（12）并拧紧；将U型钢（9-1）与外封板（9-2）焊接形成矩形钢管；将U形板（12）与第二自由端（3-2）焊接；

步骤六：在L形板（11）、U形板（12）之间安装SMA组件（14），拧紧螺母（14-1）。

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