CN112359999A - 一种摩擦-金属屈服复合消能钢支撑 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摩擦‑金属屈服复合消能钢支撑，包括：摩擦阻尼器和防屈曲支撑；摩擦阻尼器中的钢板、碟形摩擦片、钢垫圈、碟形弹簧垫圈、防松弛垫片、连接钢板、螺栓及配套螺母整体共同组成一组摩擦铰，并且在连接钢板的两端各连接有一组摩擦铰；每组摩擦铰中的钢板在其远离连接钢板的一端均通过支座与一端板相固定；在两个端板上共对称布置有四组摩擦铰，四组摩擦铰的中间还设置有三个挡块，以防止摩擦铰在转动过程中发生侧向移动；端板通过连接板与防屈曲支撑的端部相固定。本发明解决了传统防屈曲支撑在小震或中震下无法消耗地震能量的问题，利用摩擦阻尼器与防屈曲支撑阻尼器协同耗能，实现从小震、中震到大震皆可耗能的目的。

Description

一种摩擦-金属屈服复合消能钢支撑

技术领域

本发明涉及消能减振技术领域，更具体的说，涉及一种摩擦-金属屈服复合消能钢支撑。

背景技术

消能减振结构，是指在结构中加入消能减振装置组成消能减振结构。消能减振装置有很好的耗能能力和延性，可以有效耗散地震输入的能量，降低主体结构损伤。消能减振装置可以分为位移相关型阻尼器、速度相关型阻尼器以及位移-速度相关性阻尼器。摩擦阻尼器和防屈曲支撑都属于位移相关型阻尼器，其特点分别为：

摩擦阻尼器可分为两种原型机构：螺栓通槽型和摩擦铰机构。典型的摩擦铰机构由碟形摩擦片、碟形弹簧、连接板及高强螺栓等组成，连接板设有螺栓孔，绕螺栓孔圆心的相邻组连接板能够发生相对转动，各组连接板之间的碟形摩擦片可以在转动过程中产生阻碍转动的摩擦阻尼力矩。在正常荷载作用下，摩擦铰阻尼器可为结构提供附加刚度，且各零件之间不发生相对转动；在地震作用下，摩擦铰阻尼器各零件之间发生相对转动，碟形摩擦片通过转动摩擦耗能，进而为结构提供附加阻尼。同时，摩擦阻尼器一旦开始摩擦耗能，其提供的抗侧刚度变为零，使结构“软化”并延长结构自震周期，避免产生共振现象，起到减振作用。

防屈曲支撑是一种利用金属屈服来耗能的阻尼器，主要由耗能内芯和约束内芯屈曲的约束构件组成。防屈曲支撑在小震下为结构提供附加刚度，减少结构变形；在中震及大震作用下，其耗能内芯可以全截面屈服，进而耗散地震能量，控制及减少主体结构损伤，实现保护主体结构的目的。在震后，可对防屈曲支撑替换，有利于震后修复。同时，在进行结构的抗震设计时，如果考虑防屈曲支撑的耗能减振特性，可以进一步减小梁柱截面，降低工程造价。

发明内容

为此，本发明的目的在于提出一种摩擦-金属屈服复合消能钢支撑，其具体技术方案如下：

一种摩擦-金属屈服复合消能钢支撑，包括：摩擦阻尼器和防屈曲支撑，所述摩擦阻尼器设置在所述防屈曲支撑的端部；

所述摩擦阻尼器包括数层两端设有螺栓孔的钢板并且数层所述钢板在其端部交叉连接，每相邻两层所述钢板之间在其重叠部分均布置有一碟形摩擦片；在最上层的所述钢板上方以及最下层的所述钢板下方依次由内至外按顺序布置有钢垫圈、碟形弹簧垫圈和防松弛垫片；在最上层的所述钢板与所述钢垫圈之间还布置有一两端均设有螺栓孔的连接钢板，并且所述连接钢板与所述钢板之间为垂直连接；以上零件全部由螺栓及配套螺母依次穿过固定；

所述钢板、所述碟形摩擦片、所述钢垫圈、所述碟形弹簧垫圈、所述防松弛垫片、所述连接钢板、螺栓及配套螺母整体共同组成一组摩擦铰，并且在所述连接钢板的两端各连接有一组所述摩擦铰；每组所述摩擦铰中的所述钢板在其远离所述连接钢板的一端均通过支座与一端板相固定；在两个所述端板上共对称布置有四组所述摩擦铰，四组所述摩擦铰的中间还设置有三个挡块，在其中一侧的所述端板的中间位置焊接有一个第一挡块，在另外一侧的所述端板的中间位置焊接有两个上下对称的第二挡块，所述第一挡块的自由端须伸入两个所述第二挡块之间，防止所述摩擦铰在转动过程中发生侧向移动；所述端板远离所述支座的一面与一连接板相固定，其中一个所述连接板又与所述防屈曲支撑的端部相固定。

通过采用上述技术方案，本发明解决了传统防屈曲支撑在小震或中震下无法消耗地震能量的问题，利用摩擦阻尼器与防屈曲支撑阻尼器协同耗能，实现从小震、中震到大震皆可耗能的目的。即小震作用下，由复合钢支撑中的防屈曲支撑阻尼器提供抗侧刚度，而支撑中的摩擦铰通过摩擦耗能提供附加阻尼；在中震及大震作用下，钢支撑中的摩擦铰与防屈曲支撑阻尼器协同耗能。

在上述技术方案的基础上，本发明还可做出如下改进：

优选的，所述防屈曲支撑包括内芯和约束构件，所述内芯包括一块两端扩大截面的一字芯板、四块变截面肋板以及无粘结材料，四块所述变截面肋板分别垂直焊接于所述一字芯板两端的顶面和底面上且上下、左右对称布置，所述一字芯板和所述变截面肋板的表面包覆有所述无粘结材料；所述约束构件包括外套管、混凝土以及封口侧板，所述内芯对称置于所述外套管中且二者的轴线重合，所述混凝土填充在所述外套管的内部，所述封口侧板设有两个且分别焊接固定在所述外套管的两端端部；所述摩擦阻尼器上的所述连接板与所述一字芯板的其中一端端部相固定。

防屈曲支撑中的一字芯板是主要的受力构件，在弹性变形范围内为结构提供抗侧刚度。当拉压荷载达到一定程度之后，一字芯板发生屈服，通过滞回变形消耗地震能量；根据连接及局部稳定需要，一字芯板两端的顶面和底面还垂直焊接有变截面肋板。约束构件为一字芯板提供侧向约束，防止一字芯板发生受压屈曲。无粘结材料用于消除内芯与外围约束构件之间的摩擦力，使内芯能够几乎不受约束地自由伸缩，通常选用橡胶、聚乙烯、硅胶、乳胶等。

优选的，所述外套管为方钢管。

优选的，所述钢板为五层，其中的三层所述钢板与另外的两层所述钢板在端部交叉连接。

本发明中的摩擦阻尼器为多层叠合的摩擦阻尼器，多层结构能够提供更大的阻尼，通过摩擦消耗更多的能量，减小建筑结构的地震响应，提高防震效果，使其在面对较大震动强度的地震时，防震效果依然良好。

经实际试验验证，将摩擦阻尼器中的钢板设置为五层，既能使其具有良好的防震消能效果，同时又避免耗费较大成本。当然，不同情况下，也可根据实际需要对钢板的层数进行相应增加或者减少。

优选的，所述支座包括带有螺栓孔的支座顶板和支座底板，所述支座顶板的上方以及所述支座底板的下方各设置有一垫圈；所述钢板的端部伸入所述支座顶板和所述支座底板之间后，以上零件再全部由支座螺栓及配套螺母依次穿过固定；所述支座顶板和所述支座底板共用固定在一个支座竖板上且所述支座竖板与所述端板相固定。

优选的，所述第一挡块和所述第二挡块的长度应不小于两侧所述端板之间距离的一半，但不大于两侧所述端板之间的距离。

挡块的作用是防止摩擦铰在转动过程中发生侧向移动，导致防屈曲支撑偏心受力，所以，挡块的长度不应小于两端板之间距离的一半，不应大于两端板之间的距离。

优选的，所述连接板的两侧分别与所述端板、所述防屈曲支撑的端部通过焊接固定，以确保连接牢固。

本发明一种摩擦-金属屈服复合消能钢支撑结合了摩擦阻尼器和防屈曲支撑的性能特点，对摩擦阻尼器和防屈曲支撑的结构进行创新性的改进和结合，利用摩擦阻尼器与防屈曲支撑阻尼器协同耗能，最终实现了从小震到大震皆可耗能的作用效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一种摩擦-金属屈服复合消能钢支撑的整体结构示意图。

图2为图1中A-A向剖视结构示意图。

图3为图1中B-B向剖视结构示意图。

图4为图1中C-C向剖视结构示意图。

图5为防屈曲支撑的内芯的结构示意图。

图6为防屈曲支撑的约束构件的结构示意图。

图7为防屈曲支撑的整体结构示意图。

图8为摩擦铰的结构示意图。

图9为摩擦阻尼器的装配结构示意流程图。

图10为摩擦阻尼器的结构示意图。

图11为本发明一种摩擦-金属屈服复合消能钢支撑在框架中的结构示意图。

其中，图中，

1、内芯，11、一字芯板，12、变截面肋板，13、无粘结材料；2、约束构件，21、外套管，22、混凝土，23、封口侧板；3、摩擦铰，31、螺栓及配套螺母，32、防松弛垫片，33、碟形弹簧垫圈，34、钢垫圈，35、钢板，36、碟形摩擦片，37、连接钢板；4、挡块，41、第一挡块，42、第二挡块；5、支座，51、支座顶板，52、支座底板，53、垫圈，54、支座螺栓及配套螺母，55、支座竖板；6、端板，7、连接板。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面根据图1-11详细描述本发明具体实施例中的一种摩擦-金属屈服复合消能钢支撑。

实施例：

如图1、11所示，本发明实施例一种摩擦-金属屈服复合消能钢支撑，包括：摩擦阻尼器和防屈曲支撑，摩擦阻尼器设置在防屈曲支撑的端部。

其中，

如图2-7所示，防屈曲支撑包括内芯1和约束构件2，内芯1包括一块两端扩大截面的一字芯板11、四块变截面肋板12以及无粘结材料13，四块变截面肋板12分别垂直焊接于一字芯板11两端的顶面和底面上且上下、左右对称布置，一字芯板11和变截面肋板12的表面包覆有无粘结材料13；约束构件2包括外套管21、混凝土22以及封口侧板23，内芯1对称置于外套管21中且二者的轴线重合，混凝土22填充在外套管21的内部，封口侧板23设有两个且分别焊接固定在外套管21的两端端部。

在本发明一个具体实施例中，上述中的外套管21优选使用方钢管。

如图8所示，摩擦阻尼器包括五层两端设有螺栓孔的钢板35，不同情况下，也可根据实际需要对钢板35的层数进行相应增加或者减少；其中的三层钢板35与另外的两层钢板35在端部交叉连接，每相邻两层钢板35之间在其重叠部分均布置有一碟形摩擦片36；在最上层的钢板35上方以及最下层的钢板35下方依次由内至外按顺序布置有钢垫圈34、碟形弹簧垫圈33和防松弛垫片32；在最上层的钢板35与钢垫圈34之间还布置有一两端均设有螺栓孔的连接钢板37，并且连接钢板37与钢板35之间为垂直连接；以上零件全部由螺栓及配套螺母31依次穿过固定。

如图9-11所示，钢板35、碟形摩擦片36、钢垫圈34、碟形弹簧垫圈33、防松弛垫片32、连接钢板37、螺栓及配套螺母31整体共同组成一组摩擦铰3，并且在连接钢板37的两端各连接有一组摩擦铰3；每组摩擦铰3中的钢板35在其远离连接钢板37的一端均通过支座5与一端板6相固定；在两个端板6上共对称布置有四组摩擦铰3，四组摩擦铰3的中间还设置有三个挡块4，在其中一侧的端板6的中间位置焊接有一个第一挡块41，在另外一侧的端板6的中间位置焊接有两个上下对称的第二挡块42，第一挡块41的自由端须伸入两个第二挡块42之间，防止摩擦铰3在转动过程中发生侧向移动；端板6远离支座5的一面与一连接板7相固定，其中一个连接板7又与防屈曲支撑中一字芯板11的其中一端端部相固定。

需要说明的是，为了防止摩擦铰3在转动过程中发生侧向移动，导致防屈曲支撑偏心受力，第一挡块41和第二挡块42的长度应不小于两侧端板6之间距离的一半，但不大于两侧端板6之间的距离。

进一步的，如图10所示，支座5包括带有螺栓孔的支座顶板51和支座底板52，支座顶板51的上方以及支座底板52的下方各设置有一垫圈53；钢板35的端部伸入支座顶板51和支座底板52之间后，以上零件再全部由支座螺栓及配套螺母54依次穿过固定；支座顶板51和支座底板52共用固定在一个支座竖板55上且该支座竖板55与端板6相固定。

进一步的，连接板7的两侧分别与端板6、防屈曲支撑的端部通过焊接固定。

本发明一种摩擦-金属屈服复合消能钢支撑中，防屈曲支撑中的一字芯板11在弹性变形范围内为结构提供抗侧刚度，当拉压荷载达到一定程度之后，一字芯板11发生屈服，通过滞回变形消耗地震能量；根据连接及局部稳定需要，一字芯板11两端的顶面和底面还垂直焊接有变截面肋板12；约束构件2为一字芯板11提供侧向约束，防止一字芯板11发生受压屈曲；无粘结材料13用于消除内芯1与外围约束构件2之间的摩擦力，使内芯1能够几乎不受约束地自由伸缩。

摩擦阻尼器上的每层钢板35上都设有螺栓孔，绕螺栓孔圆心的相邻层钢板35能够发生相对转动，各层钢板35之间的碟形摩擦片36可以在转动过程中产生阻碍转动的摩擦阻尼力矩。在正常荷载作用下，摩擦阻尼器可为结构提供附加刚度，且各零件之间不发生相对转动；在地震作用下，摩擦阻尼器各零件之间发生相对转动，碟形摩擦片36通过转动摩擦耗能，进而为结构提供附加阻尼。同时，摩擦阻尼器一旦开始摩擦耗能，其提供的抗侧刚度变为零，使结构“软化”并延长结构自震周期，避免产生共振现象，起到减振作用。

因此，本发明解决了传统防屈曲支撑在小震或中震下无法消耗地震能量的问题，利用摩擦阻尼器与防屈曲支撑阻尼器协同耗能，实现从小震、中震到大震皆可耗能的目的。小震作用下，由复合钢支撑中的防屈曲支撑阻尼器提供抗侧刚度，而支撑中的摩擦铰3通过摩擦耗能提供附加阻尼做功耗能；在中震及大震作用下，钢支撑中的摩擦铰3与防屈曲支撑阻尼器协同耗能。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种摩擦-金属屈服复合消能钢支撑，包括：摩擦阻尼器和防屈曲支撑，所述摩擦阻尼器设置在所述防屈曲支撑的端部；其特征在于，

所述摩擦阻尼器包括数层两端设有螺栓孔的钢板(35)并且数层所述钢板(35)在其端部交叉连接，每相邻两层所述钢板(35)之间在其重叠部分均布置有一碟形摩擦片(36)；在最上层的所述钢板(35)上方以及最下层的所述钢板(35)下方依次由内至外按顺序布置有钢垫圈(34)、碟形弹簧垫圈(33)和防松弛垫片(32)；在最上层的所述钢板(35)与所述钢垫圈(34)之间还布置有一两端均设有螺栓孔的连接钢板(37)，并且所述连接钢板(37)与所述钢板(35)之间为垂直连接；以上零件全部由螺栓及配套螺母(31)依次穿过固定；

所述钢板(35)、所述碟形摩擦片(36)、所述钢垫圈(34)、所述碟形弹簧垫圈(33)、所述防松弛垫片(32)、所述连接钢板(37)、螺栓及配套螺母(31)整体共同组成一组摩擦铰(3)，并且在所述连接钢板(37)的两端各连接有一组所述摩擦铰(3)；每组所述摩擦铰(3)中的所述钢板(35)在其远离所述连接钢板(37)的一端均通过支座(5)与一端板(6)相固定；在两个所述端板(6)上共对称布置有四组所述摩擦铰(3)，四组所述摩擦铰(3)的中间还设置有三个挡块(4)，在其中一侧的所述端板(6)的中间位置焊接有一个第一挡块(41)，在另外一侧的所述端板(6)的中间位置焊接有两个上下对称的第二挡块(42)，所述第一挡块(41)的自由端须伸入两个所述第二挡块(42)之间，防止所述摩擦铰(3)在转动过程中发生侧向移动；所述端板(6)远离所述支座(5)的一面与一连接板(7)相固定，其中一个所述连接板(7)又与所述防屈曲支撑的端部相固定。

2.根据权利要求1的一种摩擦-金属屈服复合消能钢支撑，其特征在于，所述防屈曲支撑包括内芯(1)和约束构件(2)，所述内芯(1)包括一块两端扩大截面的一字芯板(11)、四块变截面肋板(12)以及无粘结材料(13)，四块所述变截面肋板(12)分别垂直焊接于所述一字芯板(11)两端的顶面和底面上且上下、左右对称布置，所述一字芯板(11)和所述变截面肋板(12)的表面包覆有所述无粘结材料(13)；所述约束构件(2)包括外套管(21)、混凝土(22)以及封口侧板(23)，所述内芯(1)对称置于所述外套管(21)中且二者的轴线重合，所述混凝土(22)填充在所述外套管(21)的内部，所述封口侧板(23)设有两个且分别焊接固定在所述外套管(21)的两端端部；所述摩擦阻尼器上的所述连接板(7)与所述一字芯板(11)的其中一端端部相固定。

3.根据权利要求2的一种摩擦-金属屈服复合消能钢支撑，其特征在于，所述外套管(21)为方钢管。

4.根据权利要求1的一种摩擦-金属屈服复合消能钢支撑，其特征在于，所述钢板(35)为五层，其中的三层所述钢板(35)与另外的两层所述钢板(35)在端部交叉连接。

5.根据权利要求1的一种摩擦-金属屈服复合消能钢支撑，其特征在于，所述支座(5)包括带有螺栓孔的支座顶板(51)和支座底板(52)，所述支座顶板(51)的上方以及所述支座底板(52)的下方各设置有一垫圈(53)；所述钢板(35)的端部伸入所述支座顶板(51)和所述支座底板(52)之间后，以上零件再全部由支座螺栓及配套螺母(54)依次穿过固定；所述支座顶板(51)和所述支座底板(52)共用固定在一个支座竖板(55)上且所述支座竖板(55)与所述端板(6)相固定。

6.根据权利要求1的一种摩擦-金属屈服复合消能钢支撑，其特征在于，所述第一挡块(41)和所述第二挡块(42)的长度应不小于两侧所述端板(6)之间距离的一半，但不大于两侧所述端板(6)之间的距离。

7.根据权利要求1的一种摩擦-金属屈服复合消能钢支撑，其特征在于，所述连接板(7)的两侧分别与所述端板(6)、所述防屈曲支撑的端部通过焊接固定。

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