CN112343395B - 采用滑轮调索力及阈值触发控制自复位的多级耗能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了采用滑轮调索力及阈值触发控制自复位的多级耗能装置，包括高强金属板、异形平动杆、转动杆、金属链杆、金属杆、定位支架、滑轮、高强钢丝拉索、粘弹性阻尼器、耗能支撑、铰支座等。在地震作用较小时，通过粘弹性阻尼器中粘弹性材料的剪切变形耗散地震能量。当地震作用较大(中、大震)时，首先由粘弹性阻尼器发挥耗能减震作用。当异形平动杆的平动量达到一定限值时，异形平动杆带动转动杆绕旋转支点发生转动，实现位移放大。本发明装置不仅能够在地震作用下耗散地震能量，降低结构地震响应，同时能够在中、大震下通过高强钢丝拉索帮助建筑结构实现自复位，减小结构震后残余位移。

Description

采用滑轮调索力及阈值触发控制自复位的多级耗能装置

技术领域

本发明涉及一种采用滑轮调索力及阈值触发控制自复位的多级耗能装置，在小震或强风作用下通过粘弹性阻尼器进行耗能减震，在中、大震作用下通过滑轮调整高强钢丝拉索的索力实现自复位并通过粘弹性阻尼器和耗能支撑共同进行耗能减震，属于土木工程领域抗震和减振技术领域。

背景技术

在地震作用下，建筑结构的损伤或倒塌是造成人员伤害和财产损失的最主要原因。为提高建筑结构的抗震性能，控制建筑结构在地震下的响应，通常需要在建筑结构中设置各种耗能减震装置。通过附加的耗能减震装置来消耗地震能量或其它振动输入能量，能够保证建筑结构的安全。

目前，耗能减震装置根据是否有外部能量的输入分为被动式和主动式耗能减震装置，主动式耗能装置是利用外部能源，在建筑结构受地震作用过程中，对建筑结构施加控制力，从而迅速进行耗能减震。与被动式耗能减震装置相比，主动式耗能减震装置的运营及维护成本相对较高，且在外界能源突然断供时主动式耗能减震装置无法发挥耗能减震作用。因此，常用的耗能减震装置均以被动式为主。

被动式耗能减震装置可分为两类，第一类被动式耗能减震装置是以次级质量进行辅助耗能减震，如调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器以及颗粒阻尼器等；第二类被动式耗能减震装置是通过在装置内部安装特定材料来耗散地震能量，如粘弹性阻尼器、粘滞性阻尼器、金属阻尼器、摩擦阻尼器等。而各种耗能减震装置根据其耗能原理的不同，在实际应用中具有各自不同的局限性，如金属阻尼器通过屈服变形耗散地震能量，存在无法重复使用等不足。因此将多种耗能减震装置进行组合，取长补短，往往能够在地震作用下表现出更加优异的耗能减震能力。

此外，震后残余位移的存在会影响建筑结构的正常使用，同时会使居住者产生严重的不安感。这要求耗能减震装置在能够耗散地震能量的同时具备自复位功能，能够控制或减少建筑结构的震后残余位移。而目前自复位功能的实现方式单一，一般都是通过预应力筋、形状记忆合金或金属弹簧施加全程的预应力来实现。当地震作用较小时，建筑结构抗震能力较强，本身就具有较好的自复位能力。而在中、大震作用下，传统的自复位方式将造成耗能装置无法充分发挥滞回耗能能力而直接回复到初始位移，使自复位功能成为限制耗能的负面因素，需要改进。如何通过耗能减震装置的形式创新使建筑结构整体既能够充分耗能又可以在必要的大变形情况实现自复位控制残余变形，是亟需进行深入探究的问题。

有鉴于此，为耗散地震能量，减小建筑结构在地震作用下的响应，同时实现在中、大震下能够自复位的目的。本发明提出一种采用滑轮调索力及阈值触发控制自复位的多级耗能装置，在小震作用下通过粘弹性阻尼器耗散地震能量，在中、大震作用下异形平动杆的平动量达到某一阈值后滑轮开始施加给高强钢丝拉索较强索力使其能够实现自复位功能，同时由粘弹性阻尼器和耗能支撑共同发挥耗能减震作用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种采用滑轮调索力及阈值触发控制自复位的多级耗能装置。该发明具有形式新颖，制作简单，造价低廉，安装方便，能够分级耗能减震并在中、大震下实现自复位的优点。在小震作用下，异形平动杆的平动量未达到阈值，仅通过粘弹性阻尼器耗散地震能量。在中、大震作用下，异形平动杆的平动量达到阈值，带动转动杆以及滑轮发生转动，使高强钢丝拉索被拉紧并被施加较强索力，从而具有自复位功能。随着异形平动杆的平动量进一步增加，使得异形平动杆一端的限位头与限位挡板接触，使耗能支撑也开始发挥耗能减震作用。

为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

采用滑轮调索力及阈值触发控制自复位的多级耗能装置，该多级耗能装置主要包括高强金属板1、异形平动杆2、转动杆3、金属链杆4、金属杆5、定位支架6、限位挡板7、滑轮8、固定架9、粘弹性阻尼器10、连接头11、连接件12、耗能支撑13、高强钢丝拉索14、铰支座15、螺栓16。

定位支架6的一端与一块开有长方形洞口的高强金属板1的上表面焊接，另一端与转动杆3中部的螺栓孔对齐后通过螺栓16进行铰接；异形平动杆2与一块完好的高强金属板1的下表面焊接，其一端穿过转动杆3上部的长方形洞口，使异形平动杆2能够带动转动杆3发生转动；滑轮8的一个侧面与金属杆5一端的侧面焊接，滑轮8的另一个侧面的圆心与固定架9一端的螺栓孔对齐后用螺栓16进行连接，固定架9的另一端与开有长方形洞口的高强金属板1的上表面焊接；金属链杆4两端的螺栓孔分别与转动杆3下部的螺栓孔以及金属杆5下部的螺栓孔对齐后用螺栓16进行铰接；粘弹性阻尼器10的上下两端分别通过螺栓16与高强度金属板1以及开有长方形洞口的高强度金属板1进行连接；开有长方形洞口的高强度金属板1的上表面左右两侧分别焊有一块限位挡板7，下表面焊有连接头11和固定架9；耗能支撑13两端焊有连接件12并分别通过螺栓16与铰支座15和连接头11进行连接；焊接在开有长方形洞口的高强度金属板1下表面的固定架9与滑轮8之间通过螺栓16进行铰接；高强钢丝拉索14一端通过螺栓16固定在铰支座15上，另一端穿过高强金属板1的下部的滑轮8以及高强金属板1上的长方形洞口并与开有长方形洞口的高强金属板的上部的滑轮进行焊接。

异形平动杆2的材质为高强度钢材或合金，其一端具有限位凹槽，另一端具有限位头，转动杆3被约束在限位凹槽之间。当异形平动杆2的平动量较小时，转动杆3和限位凹槽不接触。当异形平动杆2的平动量增大时，限位凹槽与转动杆3接触并带动转动杆3发生转动，随着平动量进一步增大，限位头与限位挡板接触，异形平动杆2的平动受到限制。

转动杆3上开有两个螺栓孔且其上端开有便于异形平动杆通过的长方形洞口。通过调节转动杆3上长方形洞口到中部螺栓孔以及端部螺栓孔到中部螺栓孔的距离之比可以实现位移放大的功能。通常情况下，可将距离之比控制在1:1.5~1:4之间。

由异形平动杆2、转动杆3、金属链杆4、金属杆5、滑轮8和高强钢丝拉索14共同构成调整索力和阈值触发自复位的机构。由异形平动杆2带动转动杆3绕其中部螺栓孔发生转动，实现位移放大。由金属链杆4、金属杆5共同将平动转化为滑轮8的转动，并通过滑轮8的转动对焊接在滑轮上的高强钢丝拉索14进行拉紧并通过滑轮8的转动量调控索力大小，使高强钢丝拉索14开始具有自复位功能。高强钢丝拉索14由高强钢丝编织而成，拉索半径控制在5mm~40mm之间。

通过调整焊接在开有长方形洞口的高强金属板1下表面的固定架9和滑轮8的位置可以任意变换高强钢丝拉索14的角度以防止高强钢丝拉索14与耗能支撑13发生碰撞。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、采用滑轮调索力及阈值触发控制自复位的多级耗能装置通过螺栓与主体结构相连，占用空间较少，不影响建筑结构的正常功能和正常使用。

2、采用滑轮调索力及阈值触发控制自复位的多级耗能装置通过异形平动杆带动转动杆及滑轮转动，从而使高强钢丝拉索拉紧并施加给高强钢丝拉索较强索力使其在中、大震下具有自复位功能，能够减小建筑结构在震后的残余位移。

3、采用滑轮调索力及阈值触发控制自复位的多级耗能装置能够实现分级减震的目的，在小震下通过粘弹性阻尼器耗散地震能量，在中、大震下通过粘弹性阻尼器及耗能支撑耗散地震能量。

4、采用滑轮调索力及阈值触发控制自复位的多级耗能装置可以通过调整带长方形洞口的金属板下表面焊接的固定架和滑轮的位置来任意调整高强钢丝拉索的布置角度，从而避免耗能支撑与高强钢丝拉索之间发生碰撞，影响本发明装置的正常使用。

5、采用滑轮调索力及阈值触发控制自复位的多级耗能装置构造简单，施工方便，与其他类型的耗能减震装置相比制造成本较低。

附图说明

图1是采用滑轮调索力及阈值触发控制自复位的多级耗能装置的平面布置图。

图2是异形平动杆详图。

图3是定位支架详图。

图4是转动杆详图。

图5是滑轮与金属杆焊接详图。

图6是开有长方形洞口的高强度金属板与固定架及连接头焊接详图。

图7是粘弹性阻尼器三维图。

图8是高强钢丝拉索详图。

图9是中、大震下异形平动杆带动转动杆及滑轮转动详图。

图10是本发明装置在不同状态下发挥耗能减震作用的滞回曲线图。

图中：1—高强金属板、2—异形平动杆、3—转动杆、4—金属链杆、5—金属杆、6—定位支架、7—限位挡板、8—滑轮、9—固定架、10—粘弹性阻尼器、11—连接头、12—连接件、13—耗能支撑、14—高强钢丝拉索、15—铰支座、16—螺栓。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-10所示，是本发明采用滑轮调索力及阈值触发控制自复位的多级耗能装置的实施例，其主要包括：高强金属板1、异形平动杆2、转动杆3、金属链杆4、金属杆5、定位支架6、限位挡板7、滑轮8、固定架9、粘弹性阻尼器10、连接头11、连接件12、耗能支撑13、高强钢丝拉索14、铰支座15、螺栓16。

具体实施步骤如下：

1）为提高某一栋钢筋混凝土框架结构的抗震性能，降低该结构在地震下的损伤程度，减小结构在震后的残余位移，使框架结构具有自复位功能。因此，在该框架结构的梁柱平面间布置本发明的采用滑轮调索力及阈值触发控制自复位的多级耗能装置。

2）一块长宽分别为800mm、300mm的高强金属板通过螺栓与梁进行固定。异形平动杆与高强金属板的下底面进行焊接，异形平动杆的具体构造如图2所示，其中异形平动杆的一端具有限位凹槽，另一端具有限位头。

3）定位支架与一块开有长方形洞口的高强金属板的上表面焊接，定位支架的具体构造如图3所示。如图4所示，转动杆上开有两个螺栓孔且其上端开有方便异形平动杆通过的长方形洞口。其中，中部螺栓孔至长方形洞口和下部螺栓孔的距离之比为1:2。转动杆中部的螺栓孔与定位支架上的螺栓孔对齐后用螺栓进行连接，使转动杆可以绕该螺栓轴进行转动。异形平动杆一端穿过转动杆上的长方形洞口并将转动杆约束在异形平动杆的限位凹槽之间。当异形平动杆的平动量较小时，转动杆和限位凹槽不接触。当异形平动杆的平动量增大时，限位凹槽与转动杆接触并带动转动杆发生转动。

4）半径为35mm的滑轮的一个侧面与金属杆进行焊接，如图5所示。在滑轮的另一个侧面将滑轮的圆心与固定架的螺栓孔对齐后用通过螺栓连接，使焊接好的滑轮及金属杆可以绕螺栓轴转动。

5）金属链杆两端的螺栓孔分别与金属杆以及转动杆下部的螺栓孔对齐后，用螺栓实现铰接。

6）固定架的下端以及限位挡板与开有长方形洞口的高强金属板的上表面进行焊接，开有长方形洞口的高强度金属板的下表面与固定架以及连接头进行焊接，并将滑轮的圆心和固定架上的螺栓孔对齐后用螺栓进行连接，使该滑轮可以绕螺栓轴转动。

7）粘弹性阻尼器的上端通过螺栓与高强金属板进行固定，粘弹性阻尼器的下端通过螺栓与开有长方形洞口的高强度金属板进行固定。

8）耗能支撑的两端焊有连接件，并通过螺栓与铰支座以及焊接在长方形洞口下表面的连接头进行连接。

9）高强钢丝拉索的一端与铰支座上的螺栓进行固结，另一端绕过位于开有长方形洞口的高强金属板下部的滑轮并穿过金属板上的长方形洞口，与位于开有长方形洞口的高强金属板上方的滑轮进行焊接。

10）通过螺栓将铰支座固定在梁柱构件上。至此，本发明的采用滑轮调索力及阈值触发控制自复位的多级耗能装置布置完成。

在本实例中，本发明的采用滑轮调索力及阈值触发控制自复位的多级耗能装置在遭遇小震时，仅由粘弹性阻尼器发挥耗能减震作用。同时，由于在小震作用下建筑结构的残余变形相对较小，因此不需要使用辅助措施帮助建筑结构实现自复位。当遭遇中、大震作用时，异形平动杆的平动量达到阈值从而带动转动杆发生转动，实现位移放大，并通过金属链杆和金属杆带动滑轮转动使焊接在滑轮上的高强钢丝拉索被拉紧并受到较强索力，使高强钢丝拉索具有自复位功能。从而达到在中、大震下通过高强钢丝拉索控制结构震后残余位移，实现建筑结构自复位的目的。在此过程中先由粘弹性阻尼器发挥耗能减震作用，当异形平动杆的限位头与限位挡板接触后耗能支撑也开始发挥耗能减震作用。

以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。

Claims (4)

1.采用滑轮调索力及阈值触发控制自复位的多级耗能装置，其特征在于：该多级耗能装置包括定位支架（6）；定位支架（6）的一端与一块开有长方形洞口的高强金属板（1）的上表面焊接，另一端与转动杆（3）中部的螺栓孔对齐后通过螺栓（16）进行铰接；异形平动杆（2）与高强金属板（1）的下表面焊接，异形平动杆（2）一端穿过转动杆（3）上部的长方形洞口，使异形平动杆（2）能够带动转动杆（3）发生转动；滑轮（8）的一侧与金属杆（5）一端焊接，滑轮（8）的另一个侧的圆心与固定架（9）一端的螺栓孔对齐后用螺栓（16）进行连接；高强金属板（1）通过螺栓与梁进行固定，通过螺栓将铰支座固定在梁柱构件上；异形平动杆（2）一端具有限位凹槽，另一端具有限位头；

固定架（9）的另一端与开有长方形洞口的高强金属板（1）的上表面焊接；金属链杆（4）两端的螺栓孔分别与转动杆（3）下部的螺栓孔以及金属杆（5）下部的螺栓孔对齐后用螺栓（16）进行铰接；粘弹性阻尼器（10）的上下两端分别通过螺栓（16）与高强度金属板（1）以及开有长方形洞口的高强度金属板（1）进行连接；开有长方形洞口的高强度金属板（1）的上表面左右两侧分别焊有一块限位挡板（7），下表面焊有连接头（11）和固定架（9）；耗能支撑（13）两端焊有连接件（12）并分别通过螺栓（16）与铰支座（15）和连接头（11）进行连接；

焊接在开有长方形洞口的高强度金属板（1）下表面的固定架（9）与滑轮（8）之间通过螺栓（16）进行铰接；高强钢丝拉索（14）一端通过螺栓（16）固定在铰支座（15）上，另一端穿过高强金属板（1）的下部的滑轮（8）以及高强金属板（1）上的长方形洞口并与开有长方形洞口的高强金属板的上部的滑轮进行焊接；通过调整焊接在开有长方形洞口的高强金属板（1）下表面的固定架（9）和滑轮（8）的位置任意变换高强钢丝拉索（14）的角度，防止高强钢丝拉索（14）与耗能支撑（13）发生碰撞；在小震作用下，由粘弹性阻尼器（10）发挥耗能减震作用；在中、大震作用下由高强钢丝拉索（14）实现自复位的同时由粘弹性阻尼器（10）和耗能支撑（13）共同发挥耗能减震作用；由异形平动杆（2）、转动杆（3）、金属链杆（4）、金属杆（5）、滑轮（8）和高强钢丝拉索（14）共同构成调整索力和阈值触发自复位的机构；由异形平动杆（2）带动转动杆（3）绕其中部螺栓孔发生转动，实现位移放大；由金属链杆（4）、金属杆（5）共同将平动转化为滑轮（8）的转动，并通过滑轮（8）的转动对焊接在滑轮上的高强钢丝拉索（14）进行拉紧并通过滑轮（8）的转动量调控索力大小，使高强钢丝拉索（14）具有自复位功能；高强钢丝拉索（14）由高强钢丝编织而成。

2.根据权利要求1所述的采用滑轮调索力及阈值触发控制自复位的多级耗能装置，其特征在于：异形平动杆（2）的材质为高强度钢材或合金头，转动杆（3）被约束在限位凹槽之间；当异形平动杆（2）的平动量小时，转动杆（3）和限位凹槽不接触；当异形平动杆（2）的平动量增大时，限位凹槽与转动杆（3）接触并带动转动杆（3）发生转动，随着平动量进一步增大，限位头与限位挡板接触，异形平动杆（2）的平动受到限制。

3.根据权利要求1所述的采用滑轮调索力及阈值触发控制自复位的多级耗能装置，其特征在于：转动杆（3）上开有两个螺栓孔且其上端开有便于异形平动杆通过的长方形洞口；通过调节转动杆（3）上长方形洞口到中部螺栓孔以及端部螺栓孔到中部螺栓孔的距离之比实现位移放大的功能。

4.根据权利要求1所述的采用滑轮调索力及阈值触发控制自复位的多级耗能装置，其特征在于：耗能支撑（13）的形式为屈曲约束支撑或摩擦耗能支撑。

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