CN112431318B - 一种多阶拉索式消能支撑及其消能方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多阶拉索式消能支撑，包括中部定位板和两侧的二级防屈曲单元，一侧二级防屈曲单元的承载力大于另一侧；二级防屈曲单元包括连接节点、支撑核心构件、外套钢管、滑动承重板、固定承重板、稳定钢棒、钢架支撑、摩擦片、预应力钢索、限位板。通过设计支撑核心构件和稳定钢棒的长度、横截面积和形状提供相应的承载力，通过设计摩擦片的数量、位置、长度和接触面积提供相应的承载力。通过设计预应力钢索的数量、位置、长度和横截面积提供相应的承载力和自复位能力。还涉及一种多阶拉索式消能支撑的消能方法。本发明构造简单，施工方便，具有很高的实用价值，属于建筑消能减震结构技术领域。

Description

一种多阶拉索式消能支撑及其消能方法

技术领域

本发明涉及工程消能减震结构，具体涉及一种多阶拉索式消能支撑，还涉及一种多阶拉索式消能支撑的消能方法。

背景技术

随着我国工业化与城镇化的发展，如何降低建筑物在自然灾害下的损伤与破坏已成为广大工程师所需要关注的问题和工程设计过程中的关键任务。

目前，建筑结构抗震一般采用增加结构的阻尼和设置隔离层来耗散地震对结构的能量，传统的防屈曲支撑构件主要由内部芯材、外部约束构件、无粘结可膨胀材料及无粘结滑移界面组成，兼备了普通钢支撑和金属耗能阻尼器的功能。强震发生时防屈曲支撑发生屈曲，具有优良的耗能能力和延性，显著降低主体结构的地震损伤。传统防屈曲支撑有明显的屈服变形，防屈曲支撑构件可以为结构提供良好的抗侧能力。

事实上，由于传统的屈曲约束支撑的屈服承载能力大，当地震力太小时，支撑构件不能及时的进入屈曲状态，无法发挥出构件的耗能能力。随着遭遇地震力较大时，支撑构件进入屈曲状态，且与构件连接的周边节点损伤严重，残余变形较大，灾后修复主体结构的难度大并且成本高，不利于灾后的重建工作和生产秩序的恢复。

因此，开发一种在小震和大震作用下都能消耗建筑物所遭受的地震输入能量，同时通过自身能够提供相应的自复位能力的多阶拉索式消能支撑装置，可以减轻由于支撑构件破坏所引起的主体结构的残余变形，从而减少灾后修复的难度和成本，有利于进行灾后快速重建和生活秩序的迅速恢复，为人民群众的生命和财产安全提供保障。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种能有效耗散地震能量、具有自复位能力、且具有两阶段耗能功能的多阶拉索式消能支撑及其消能方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多阶拉索式消能支撑，包括中部定位板和位于中部定位板左右两侧的二级防屈曲单元，其中一侧二级防屈曲单元的承载力大于另一侧；二级防屈曲单元包括连接节点、支撑核心构件、外套钢管、滑动承重板、固定承重板、稳定钢棒、钢架支撑、摩擦片、预应力钢索、限位板；外套钢管的内端与中部定位板固定；支撑核心构件、滑动承重板、稳定钢棒从外向内依次相接并整体在外套钢管内滑移；支撑核心构件的中部穿过外套钢管的外端面，支撑核心构件的外端与连接节点固定连接；固定承重板、钢架支撑、中部定位板从外向内依次相接，且固定承重板和钢架支撑位于外套钢管内，稳定钢棒的内端穿过固定承重板；固定承重板和中部定位板之间设有与稳定钢棒接触的摩擦片；预应力钢索设置在滑动承重板和外套钢管的外端面之间，预应力钢索与稳定钢棒的滑移方向平行，初始状态时，预应力钢索处于紧绷状态；两个二级防屈曲单元排列成一字形；限位板固定在外套钢管的内侧壁，限制滑动承重板向外滑移。

作为一种优选，预应力钢索的外端穿过外套钢管，预应力钢索端部连接螺母，螺母顶在外套钢管的外端面外侧；预应力钢索的内端穿过滑动承重板，预应力钢索端部连接螺母，螺母顶在滑动承重板的内侧；每个二级防屈曲单元均包括多根预应力钢索，多根预应力钢索环绕支撑核心构件呈圆周均布。

作为一种优选，支撑核心构件采用横截面为方形的杆状结构；外套钢管为方形管，内端贯穿，外端面设有供支撑核心构件穿过的孔以及供预应力钢索穿过的孔；固定承重板、滑动承重板、中部定位板的横截面均为方形；稳定钢棒的横截面为方形；钢架支撑的数量为四根，在上、下、前、后方向环绕稳定钢棒设置；摩擦片的数量为四根，在上、下、前、后方向环绕稳定钢棒设置，且紧贴稳定钢棒，摩擦片的横截面为矩形；预应力钢索的数量为两根，设置在支撑核心构件的上下方或前后方。

作为一种优选，二级防屈曲单元还包括两组限位块，一组固定在滑动承重板的内侧，一组固定在固定承重板的外侧；每组限位块均包括四个限位块，排列成十字形，中间留有供稳定钢棒穿过的空间。

作为一种优选，支撑核心构件和滑动承重板之间、固定承重板和钢架支撑之间、钢架支撑和中部定位板之间均采用刚性连接。

作为一种优选，工程主体结构上装有节点板，连接节点与节点板通过高强螺栓连接。

一种多阶拉索式消能支撑的消能方法，采用一种多阶拉索式消能支撑，通过摩擦片和稳定钢棒之间的摩擦作用耗散能量，通过预应力钢索耗散能量，以提高构件的承载力；通过预应力钢索提供自复位能力；两侧二级防屈曲单元的承载力的不同，承载力小的二级防屈曲单元作为第一阶段的耗能构件，承载力大的二级防屈曲单元作为第二阶段的耗能构件。

作为一种优选，通过设计预应力钢索的数量、位置、长度和横截面积提供相应的承载力和自复位能力；两个二级防屈曲单元的承载力不同，两个二级防屈曲单元的预应力钢索的自复位能力不同。

作为一种优选，通过设计支撑核心构件和稳定钢棒的长度、横截面积和形状提供相应的承载力，通过设计摩擦片的数量、位置、长度和接触面积提供相应的承载力。

本发明的原理是：在尽可能保证原有主体结构的设计下，多阶拉索式消能支撑可以增加主体结构的承载力，通过采用一侧二级防屈曲单元的承载力大于另一侧的方式，小震时，承载力小的二级防屈曲单元作为第一阶段的耗能构件，大震时，承载力大的二级防屈曲单元作为第二阶段的耗能构件，对应两侧不同的承载力，两侧预应力钢索提供不同的自复位能力。通过设计支撑核心构件和稳定钢棒的长度、横截面积和形状提供相应的承载力，通过设计摩擦片的数量、位置、长度和接触面积提供相应的承载力。通过设计预应力钢索的数量、位置、长度和横截面积提供相应的承载力和自复位能力。

本发明具有如下优点：

1.在遭受地震作用时，构件中的预应力钢索处于收紧或者松弛的状态，耗散地震输入的能量，发挥支撑的作用，保护整体结构不受破坏，减少震后的残余变形，降低震后建筑物的修缮费用，节约国家的人力物力和财力，同时减少震后恢复的时间。

2.多阶拉索式消能支撑构造简单，施工方便，具有很高的实用价值。

3.外套钢管和支撑核心构件之间的间隙不采用任何材料进行填充。在预应力钢索发生变形时，稳定钢棒与摩擦片发生接触，通过摩擦耗散构件所受到的部分能量，提高构件的承载能力。采用稳定钢棒与摩擦片作为主要的耗能构件，通过稳定钢棒与摩擦片将支撑构件受到的能量进行耗散。预应力钢索为构件提供了相应的自复位能力，减少构件在震后产生的残余变形。多阶拉索式消能支撑不光可以在小震和大震作用下消耗地震输入到建筑物当中的能量，同时能够通过自身的预应力钢索来提供相应的自复位能力，可以减轻由于支撑构件破坏所引起的主体结构的残余变形，从而降低灾后修复的成本，加快灾后的重建与生活秩序的恢复。

4.采用刚性连接，可保证连接部位处于稳固状态。

5.本发明不仅可广泛应用于框架结构、钢结构、高层结构，还可以用于装配式结构当中；解决了传统防屈曲消能支撑在地震作用下无法通过自身回到原点的问题。

附图说明

图1是一种多阶拉索式消能支撑的结构示意图。

图2是图1中A-A的截面图。

图3是图1中B-B的截面图。

图4是图1中C-C的截面图。

图5是图1中D-D的截面图。

图6是一种多阶拉索式消能支撑在小震作用下的工作状态图。

图7是一种多阶拉索式消能支撑在大震作用下的工作状态图。

图8是一种多阶拉索式消能支撑在震后复位的工作状态图。

其中，1为预应力钢索、2为滑动承重板、3为支撑核心构件、4为摩擦片、5为中部定位板、6为钢架支撑、7为限位块、8为限位板、9为连接节点、10为外套钢管、11为自复位装置、12为稳定钢棒、13为固定承重板。

L为构件的全长，L₁为左侧滑动承重板与固定承重板的距离，L₂为右侧侧滑动承重板与固定承重板的距离。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

一种多阶拉索式消能支撑，包括中部定位板和位于中部定位板左右两侧的二级防屈曲单元。用于减轻梁柱连接处在地震作用下发生破坏，减轻所引起主体结构的损伤及残余变形。

二级防屈曲单元包括连接节点、支撑核心构件、外套钢管、滑动承重板、固定承重板、稳定钢棒、钢架支撑、预应力钢索、摩擦片。外套钢管的内端与中部定位板固定；支撑核心构件、滑动承重板、稳定钢棒从外向内依次相接并整体在外套钢管内滑移；支撑核心构件的中部穿过外套钢管，支撑核心构件的外端与连接节点固定连接；固定承重板、钢架支撑、中部定位板从外向内依次相接，且固定承重板和钢架支撑位于外套钢管内，稳定钢棒的内端穿过固定承重板；固定承重板和中部定位板之间设有与稳定钢棒接触的摩擦片；预应力钢索设置在滑动承重板和外套钢管的外端面之间，预应力钢索与稳定钢棒的滑移方向平行，初始状态时，预应力钢索处于紧绷(预拉伸)状态；两个二级防屈曲单元排列成一字形。

为了保证构件的耗能能力，采用稳定钢棒贯通，并在后部预留了足够宽的滑动区域；并且在稳定钢棒的两端设置限位块，防止稳定钢棒出现侧向的滑移，滑移会减少构件的耗能能力；同时根据构件承载力的要求设置相应的限位板，防止由于预应力钢索的复位能力太大，将超出原有的设计尺寸；中部定位板与外套钢管之间采用焊接进行连接，保证两者之间的连接是可靠的。同时限位板的位置可以根据设计的需要进调整。

本实施例中，设计左侧的支撑核心构件的长度与右侧的不同，从而左侧二级防屈曲单元的承载力大小与右侧不相等，所以在遭受地震作用时，两侧的二级防屈曲单元进入耗能状态的次序是不同的，右侧的二级防屈曲单元先进入屈曲耗能状态，预应力钢索提供相应的拉伸应力，此时为第一阶段消能状态；而后随着地震作用力的增强，左侧的二级防曲单元后进入屈曲耗能状态，此作为第二阶段消能状态。

左右侧的预应力钢索的规格大小直接影响该二级防屈曲单元的承载力大小，左右侧预应力钢索的规格(截面面积、数量、类型、长度、安装位置)可以根据项目的实际需求进行设计，并且保证左右两侧自复位力的大小能够和支撑核心构件相匹配，但应保证其在地震作用下能够保持弹性，在大震作用下通过发生拉压变形耗散能量且不失效。

中部定位板也是受力的关键部分，中部定位板在受力时需要与外套钢管有着可靠的连接，并且应保证在大震作用下中部定位板与外套钢管之间不发生断裂破坏；因此，实际使用时可以先确定所需整个多阶拉索式消能支撑的性能要求，然后再对中部定位板的大小进行设计，进而保证左右侧预应力钢索单元和整个消能支撑的力学性能。

在稳定钢棒与中部定位板之间留有一定的间隙，保证连接节点在受到轴向荷载时，荷载完全通过支撑核心构件传递给内部的自复位装置，自复位装置中的预应力钢索通过不断的压缩和拉伸消耗地震能量，减轻和降低主体结构的损伤和参与变形。

两个二级防屈曲单元左右不对称，以提供不同的承载力。

支撑核心构件为横截面为方形的杆状结构；外套钢管为方形管，内端贯穿，外端面设有供支撑核心构件穿过的孔以及供预应力钢索穿过的孔；固定承重板、滑动承重板、中部定位板的横截面均为方形，稳定钢棒的横截面为方形。

钢架支撑的数量为四根，在上、下、前、后方向环绕稳定钢棒设置；摩擦片的数量为四根，在上、下、前、后方向环绕稳定钢棒设置，且紧贴稳定钢棒，摩擦片的横截面为矩形。预应力钢索的数量为两根，设置在支撑核心构件的上下方。稳定钢棒在轴向压缩变形的作用下，与后部的摩擦片发生接触，通过稳定钢棒与摩擦片的摩擦耗散掉一部分的能量，提高构件的承载能力。

二级防屈曲单元还包括限制滑动承重板向外滑移的限位板，限位板固定在外套钢管的内侧壁

二级防屈曲单元还包括两组限位块，一组固定在滑动承重板的内侧，一组固定在固定承重板的外侧；每组限位块均包括四个限位块，排列成十字形，中间留有供稳定钢棒穿过的空间。

支撑核心构件和滑动承重板之间、固定承重板和钢架支撑之间、钢架支撑和中部定位板之间均采用刚性连接，例如焊接的方式，保证在轴向拉力的作用下不发生破坏。

主体结构上装有节点板，连接节点与节点板通过高强螺栓连接。具体连接方式为：在相关部位(如梁柱节点处)焊接节点板，节点板上开与连接节点相对应的螺栓孔，二者采用高强螺栓直接连接。

一种多阶拉索式消能支撑的消能方法，采用一种多阶拉索式消能支撑，通过摩擦片和稳定钢棒之间的摩擦作用耗散能量，通过预应力钢索耗散能量，以提高构件的承载力；通过预应力钢索提供自复位能力；两侧二级防屈曲单元的承载力的不同，承载力小的二级防屈曲单元作为第一阶段的耗能构件，承载力大的二级防屈曲单元作为第二阶段的耗能构件。通过设计预应力钢索的数量、位置、长度和横截面积提供相应的承载力和自复位能力；两个二级防屈曲单元的承载力不同，两个二级防屈曲单元的预应力钢索的自复位能力不同。通过设计支撑核心构件和稳定钢棒的长度、横截面积和形状提供相应的承载力，通过设计摩擦片的数量、位置、长度和接触面积提供相应的承载力。

本发明的有益效果是：为了防止消能支撑受压时发生整体屈曲，在支撑核心构件外套上一个钢管，这样就增加了支撑的平面内外的整体刚度，从而提高耗能支撑的整体稳定。并且由于左右两侧的支撑核心构件的长度不同，左侧二级防屈曲单元的承载力大小与右侧不相等。所以在遭受地震作用时，右侧的二级防屈曲单元先进入屈曲耗能状态，支撑钢棒与摩擦片之间进行摩擦耗散所遭受的能量，此时为第一阶段消能状态；而当遭受地震作用继续增大时，左侧的二级防屈曲单元进入屈曲耗能状态，此时为第二阶段消能状态。通过预应力钢索与摩擦片来耗散地震能量，保证内部核心支撑在地震作用下不屈曲。当消能支撑的承载力与预应力钢索的强度相关时，这样能使预应力钢索在拉压荷载作用下收缩变形，充分发挥预应力钢索的耗能作用。当构件受到较小的轴向力作用时，由于在耗能支撑核心构件的端部预留了较长的伸缩位置，其右侧的支撑核心构件在压力作用下先向中间靠拢，此时右侧的预应力钢索处于拉伸的状态，但是支撑核心构件不屈曲。当所受到轴向力继续增大时，超出左侧防屈曲构件的设计承载力，左侧的支撑核心构件在压力作用下后向中间靠拢，拉伸左侧的预应力钢索，保证支撑核心构件不屈服。相应的，在预应力钢索自身的拉力作用下，预应力钢索将滑动承重板向回拉伸。并且设置相应的限位板保证预应力钢索收缩不超过其能够承受的范围。这样在反复拉压荷载作用下，预应力钢索反复处于伸缩变形状态，并且稳定钢棒随着预应力钢索的伸缩变形与后部的摩擦片进行接触耗能，从而达到消耗地震能量，起到保护主体结构的目的。并且当地震力消失后，多阶拉索式消能支撑可以通过左右两侧相应的预应力钢索提供的恢复力使其恢复到初始状态，减小整体结构的残余变形。本发明既能够在小震作用下发挥作用，又可以在大震作用下耗散地震能量，同时可以避免在震后支撑变形过大导致整体结构出现较大的残余变形，有效减轻整体结构在地震作用下所产生损伤及残余变形。该多阶拉索式消能支撑可以采用工厂预制的方式生产，现场螺栓安装，施工速度快，节能环保。本发明适用于框架结构、钢结构、高层结构建筑，特别是装配式的减震建筑中。

除了本实施例提及的方式外，二级防屈曲单元可根据承载力和自复位能力设计四根钢索，布置在支撑核心构件的上下前后位置。每个预应力钢索单元还可包括其他数量的预应力钢索，多根预应力钢索环绕支撑核心构件呈圆周均布。这些变换方式均在本发明的保护范围内。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多阶拉索式消能支撑，其特征在于：包括中部定位板和位于中部定位板左右两侧的二级防屈曲单元，其中一侧二级防屈曲单元的承载力大于另一侧；二级防屈曲单元包括连接节点、支撑核心构件、外套钢管、滑动承重板、固定承重板、稳定钢棒、钢架支撑、摩擦片、预应力钢索、限位板；外套钢管的内端与中部定位板固定；支撑核心构件、滑动承重板、稳定钢棒从外向内依次相接并整体在外套钢管内滑移；支撑核心构件的中部穿过外套钢管的外端面，支撑核心构件的外端与连接节点固定连接；固定承重板、钢架支撑、中部定位板从外向内依次相接，且固定承重板和钢架支撑位于外套钢管内，稳定钢棒的内端穿过固定承重板；固定承重板和中部定位板之间设有与稳定钢棒接触的摩擦片；预应力钢索设置在滑动承重板和外套钢管的外端面之间，预应力钢索与稳定钢棒的滑移方向平行，初始状态时，预应力钢索处于紧绷状态；两个二级防屈曲单元排列成一字形；限位板固定在外套钢管的内侧壁，限制滑动承重板向外滑移；

预应力钢索的外端穿过外套钢管，预应力钢索端部连接螺母，螺母顶在外套钢管的外端面外侧；预应力钢索的内端穿过滑动承重板，预应力钢索端部连接螺母，螺母顶在滑动承重板的内侧；每个二级防屈曲单元均包括多根预应力钢索，多根预应力钢索环绕支撑核心构件呈圆周均布；

支撑核心构件采用横截面为方形的杆状结构；外套钢管为方形管，内端贯穿，外端面设有供支撑核心构件穿过的孔以及供预应力钢索穿过的孔；固定承重板、滑动承重板、中部定位板的横截面均为方形；稳定钢棒的横截面为方形；钢架支撑的数量为四根，在上、下、前、后方向环绕稳定钢棒设置；摩擦片的数量为四根，在上、下、前、后方向环绕稳定钢棒设置，且紧贴稳定钢棒，摩擦片的横截面为矩形；预应力钢索的数量为两根，设置在支撑核心构件的上下方或前后方；

二级防屈曲单元还包括两组限位块，一组固定在滑动承重板的内侧，一组固定在固定承重板的外侧；每组限位块均包括四个限位块，排列成十字形，中间留有供稳定钢棒穿过的空间；

支撑核心构件和滑动承重板之间、固定承重板和钢架支撑之间、钢架支撑和中部定位板之间均采用刚性连接。

2.按照权利要求1所述的一种多阶拉索式消能支撑，其特征在于：工程主体结构上装有节点板，连接节点与节点板通过高强螺栓连接。

3.一种多阶拉索式消能支撑的消能方法，采用权利要求1或2所述的一种多阶拉索式消能支撑，其特征在于：通过摩擦片和稳定钢棒之间的摩擦作用耗散能量，通过预应力钢索耗散能量，以提高构件的承载力；通过预应力钢索提供自复位能力；两侧二级防屈曲单元的承载力的不同，承载力小的二级防屈曲单元作为第一阶段的耗能构件，承载力大的二级防屈曲单元作为第二阶段的耗能构件；

通过设计预应力钢索的数量、位置、长度和横截面积提供相应的承载力和自复位能力；两个二级防屈曲单元的承载力不同，两个二级防屈曲单元的预应力钢索的自复位能力不同；

通过设计支撑核心构件和稳定钢棒的长度、横截面积和形状提供相应的承载力，通过设计摩擦片的数量、位置、长度和接触面积提供相应的承载力。