CN112095826A - 一种结构用高性能耗能支撑及组装方法 - Google Patents

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李海涛
王振
杨栋
谭成
郑晓燕
朱少云
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    • E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/62—Insulation or other protection; Elements or use of specified material therefor
    • E04B1/92—Protection against other undesired influences or dangers
    • E04B1/98—Protection against other undesired influences or dangers against vibrations or shocks; against mechanical destruction, e.g. by air-raids
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04H—BUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
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Abstract

本发明涉及一种结构用高性能耗能支撑及组装方法，包括耗能内芯、齿条、齿轮、S型自复位耗能元件、FRP钢套筒、套筒连接件、端部FRP封板，齿条对称固定于耗能内芯及FRP钢套筒上，齿轮位于上下齿条之间，耗能内芯及FRP钢套筒与端部FRP封板连接，沿齿条两侧对称布置的S型自复位耗能元件两端分别与耗能内芯和FRP钢套筒相连接，两端FRP钢套筒之间由套筒连接件连接，FRP钢套筒为FRP和钢组合构件。本发明的有益效果和优点是将荷载分散到齿轮与齿条、以及S型自复位耗能元件上，并依靠其自身进行复位，可以应用在复杂环境中。

Description

一种结构用高性能耗能支撑及组装方法
技术领域
本发明涉及一种耗能支撑，特别涉及一种结构用高性能耗能支撑及组装方法，属于建筑减震领域。
背景技术
地震引发的灾害一直以来都受到社会各界的广泛关注，而框架结构是现阶段使用较多的一种结构形式。在框架结构中，最初是利用改善建筑物本身的梁柱结构的绝对刚度来抗震。但这种方式不仅成本高，而且在地震后建筑物会产生较大侧移，梁柱也会受到损伤，导致建筑物的修复成本太高。
传统的土木工程结构支撑主要有：偏心支撑、耗能隅撑、耗能框架支撑形式，大多数支撑主要通过变行来消耗地震能量，达到减轻地震作用的目的。由于结构构件具有弹塑性的特性，这些耗能支撑不可避免地会发生一些损伤、变形，不利于能量的耗散，对建筑物的稳定性有影响。
耗能减震技术主要是：通过在原有结构中添加被动耗能装置，消耗本来由结构构件消耗的地震能量，大大减缓了因震动作用给结构带来的变行和损伤。目前已开发的耗能器主要有：粘滞耗能器、粘弹性耗能器、金属耗能器和摩擦耗能器，其中前两类称为速度相关型耗能器，后两类统称为滞变型耗能器，金属耗能器又分为铅阻尼器和软钢阻尼器。
防屈曲支撑克服了传统支撑屈曲的缺点，在地震荷载下具有饱满的滞回曲线，因此在应用中表现出优良的耗能能力和良好抗震性能，在一些发达国家得到了极大的推广。防屈曲支撑构件由内核构件和外围约束构件两部分组成，在地震作用下，内核构件率先进入屈服，起到保护主体框架的作用，并且可以耗散地震能量。兼备支撑和耗能的优良性能，可以作为最好的减震消能装置之一。但传统的自复位支撑通过加复位筋实现自复位功能，其初始状态需要施加预应力；而以前的防屈曲支撑是在端部附加摩擦阻尼器，摩擦阻尼器在大震之后会屈曲导致不易拆卸。
发明内容
为了解决现有支撑主要依靠内芯变形耗能导致内芯在地震中可能过早失去作用，更换及维护成本高，不具有自复位能力等问题，本发明提供了一种将荷载分散到齿轮与齿条、以及S型自复位耗能元件上，并依靠其自身进行复位的自复位防屈曲耗能支撑。
本发明的技术方案如下：
自复位防屈曲耗能支撑，所述自复位防屈曲耗能支撑包括耗能内芯、齿条、齿轮、S型自复位耗能元件、FRP钢套筒、套筒连接件、端部FRP封板，齿条对称固定于耗能内芯及FRP钢套筒上，齿轮位于上下齿条之间，耗能内芯及FRP钢套筒与端部FRP封板连接，沿齿条两侧对称布置的S型自复位耗能元件两端分别与耗能内芯和FRP钢套筒相连接，两端FRP钢套筒之间由套筒连接件连接；FRP钢套筒为FRP和钢套筒组合构件，其中钢套筒在内侧，FRP附着在钢套筒的外表层，厚度不小于5mm；端部FRP封板为三明治夹心结构，FRP在两侧，每侧厚度不小于3mm，钢板在中间，厚度不小于3mm；FRP为高强性能纤维材料(FRP)，可以是玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、碳纤维等中的一种或多种组合。
作为本发明的进一步改进，所述S型自复位耗能元件由形状记忆合金制成，其两端焊接或螺栓连接于耗能内芯和FRP钢套筒。
作为本发明的进一步改进，所述耗能内芯为长方体，材料为软钢或高阻尼合金。
作为本发明的进一步改进，所述套筒连接件由形状记忆合金制成，与FRP钢套筒刚性连接。
作为本发明的进一步改进，所述FRP钢套筒及套筒连接件截面的四角做成圆弧状倒角。
本发明的有益效果如下：
将耗能内芯轴向荷载承担分散到齿轮与齿条、S型自复位耗能元件以及套筒连接件承担，一方面，极大降低耗能内芯耗能负担，有效防止内芯失稳，使得内芯更换频率降低，减少维护成本；另一方面，齿轮与齿条能够将外部传来的能量转化为齿轮的动能并消耗，而且齿轮带动齿条向耗能内芯形变相反方向运动，使得耗能内芯向自然状态时的形状和位置回复；再一方面，利用形状记忆合金的超弹性能力，S型自复位耗能元件以及套筒连接件在地震作用下能够实现耗能和结构自复位的双重效果，当齿轮的回复力已无法将耗能内芯回复时，S型自复位耗能元件以及套筒连接件能够实现将耗能内芯复位。除此之外，FRP钢套筒以及套筒连接件的圆弧状倒角能够分散应力，从而避免应力集中。
附图说明
图1是本发明自复位防屈曲耗能支撑的内部结构示意图；
图2是本发明自复位防屈曲耗能支撑的外部整体示意图；
图3是本发明自复位防屈曲耗能支撑的剖面图；
图4是FRP钢套筒和套筒连接件的横截面示意图；
图中：1为耗能内芯；2为齿条；3为齿轮；4为S型自复位耗能元件；5为FRP钢套筒；6为套筒连接件；7为端部FRP封板。
具体实施方式
实施例：一种结构用高性能耗能支撑及组装方法，包括耗能内芯(1)、齿条(2)、齿轮(3)、S型自复位耗能元件(4)、FRP钢套筒(5)、套筒连接件(6)、端部FRP封板(7)，齿条(2)对称固定于耗能内芯(1)及FRP钢套筒(5)上，齿轮(3)位于上下齿条(2)之间，耗能内芯(1)及FRP钢套筒(5)与端部FRP封板(7)连接，沿齿条(2)两侧对称布置的S型自复位耗能元件(4)两端分别与耗能内芯(1)和FRP钢套筒(5)相连接，两端FRP钢套筒(5)之间由套筒连接件(6)连接；FRP钢套筒(5)及套筒连接件(6)截面的四角做成圆弧状倒角；耗能内芯(1)为长方体，材料为软钢或高阻尼合金；FRP钢套筒(5)为FRP和钢套筒组合构件，其中钢套筒在内侧，FRP附着在钢套筒的外表层，厚度不小于5mm；端部FRP封板(7)为三明治夹心结构，FRP在两侧，每侧厚度不小于3mm，钢板在中间，厚度不小于3mm；S型自复位耗能元件(4)由形状记忆合金制成，其两端焊接或螺栓连接于耗能内芯(1)和FRP钢套筒(5)；套筒连接件(6)由形状记忆合金制成，与FRP钢套筒(5)刚性连接；FRP为高强性能纤维材料(FRP)，可以是玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、碳纤维等中的一种或多种组合。
在该所述实施例中，齿条(2)沿耗能内芯(1)轴线方向在其两端布置，齿轮3数量不限。
在该所述实施例中，S型自复位耗能元件(4)具体数量不限。
形状记忆合金的超弹性特性与其它普通金属材料相比有许多有点：①形状记忆合金的疲劳特性很好，而其它材料循环中不可避免地会出现损伤，影响寿命；②形状记忆合金可恢复应变值很大，普通金属材料难以实现；③由于奥氏体弹性模量大于马氏体弹性模量，形状记忆合金弹性模量随温度升高而增大，这与普通金属相反，使其在较高温度下仍保持高弹性模量。
在地震作用下，耗能内芯(1)受到来自建筑物传递来的荷载，耗能内芯(1)产生变形，在一定的荷载范围内，耗能内芯(1)变形引起其两侧齿条(2)与齿轮(3)啮合，是齿轮(3)带动耗能内芯(1)上的齿条(2)向耗能内芯(1)形变相反方向运动，以使得耗能内芯(1)向自然状态时的形状和位置回复，当齿条(2)与齿轮(3)产生的回复力无法将耗能内芯(1)回复即超过上述荷载范围时，连接FRP钢套筒(5)和耗能内芯(1)的S型自复位耗能元件(4)以及FRP钢套筒(5)之间的套筒连接件(6)变形消耗地震能量，并依靠形状记忆合金特性带动耗能内芯(1)复位。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，仅用来方便说明本发明，并不用以限制本发明。凡未脱离本发明的技术特征内容所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种结构用高性能耗能支撑及组装方法，其特征在于：包括耗能内芯(1)、齿条(2)、齿轮(3)、S型自复位耗能元件(4)、FRP钢套筒(5)、套筒连接件(6)、端部FRP封板(7)，齿条(2)对称固定于耗能内芯(1)及FRP钢套筒(5)上，齿轮(3)位于上下齿条(2)之间，耗能内芯(1)及FRP钢套筒(5)与端部FRP封板(7)连接，沿齿条(2)两侧对称布置的S型自复位耗能元件(4)两端分别与耗能内芯(1)和FRP钢套筒(5)相连接，两端FRP钢套筒(5)之间由套筒连接件(6)连接；FRP钢套筒(5)及套筒连接件(6)截面的四角做成圆弧状倒角；耗能内芯(1)为长方体，材料为软钢或高阻尼合金；FRP钢套筒(5)为FRP和钢套筒组合构件，其中钢套筒在内侧，FRP附着在钢套筒的外表层，厚度不小于5mm；端部FRP封板(7)为三明治夹心结构，FRP在两侧，每侧厚度不小于3mm，钢板在中间，厚度不小于3mm。
2.根据权利要求1所述的一种结构用高性能耗能支撑及组装方法，其特征在于：所述S型自复位耗能元件(4)由形状记忆合金制成，其两端焊接或螺栓连接于耗能内芯(1)和FRP钢套筒(5)。
3.根据权利要求1所述的一种结构用高性能耗能支撑及组装方法，其特征在于：所述套筒连接件(6)由形状记忆合金制成，与FRP钢套筒(5)刚性连接。
4.权利要求1中所述的一种结构用高性能耗能支撑及组装方法，其特征在于：所述的FRP为高强性能纤维材料(FRP)，可以是玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、碳纤维等中的一种或多种组合。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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TWI801994B (zh) * 2021-09-07 2023-05-11 日商三菱動力股份有限公司 遲滯阻尼結構體及其組裝方法

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