CN112502307A - 一种自恢复型消能支撑及其消能方法 - Google Patents

Abstract

涉及一种自恢复型消能支撑，包括中部定位板和位于中部定位板左右两侧对称设置的自恢复单元；自恢复单元包括连接节点、支撑核心构件、外套钢管、滑动承重板、耗能钢棒、支撑架、形状记忆合金棒、限位块；外套钢管的内端与中部定位板固定；连接节点、支撑核心构件、滑动承重板、耗能钢棒、支撑架、中部定位板从外向内依次相接，支撑核心构件、滑动承重板、耗能钢棒、支撑架位于外套钢管内，支撑核心构件的中部穿过外套钢管的外端；外套钢管的内壁设有防止滑动承重板向外滑移的限位块；外套钢管的外端和滑动承重板之间设有形状记忆合金棒。还涉及一种自恢复型消能支撑的消能方法。本发明构造简单，施工方便，属于建筑消能减震结构领域。

Description

一种自恢复型消能支撑及其消能方法

技术领域

本发明涉及建筑消能减震结构，具体涉及一种自恢复型消能支撑，还涉及一种自恢复型消能支撑的消能方法。

背景技术

随着我国城镇化的发展，如何抵御自然灾害作用下对工程结构所造成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，当地震力较小时，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工程结构所承担的地震能量，同时通过本身的自恢复能力减小构件的残余变形的自恢复型消能支撑装置，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，从而降低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：提供一种不仅能有效耗散地震能量，同时具有自恢复能力的自恢复型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：

一种自恢复型消能支撑，包括中部定位板和位于中部定位板左右两侧的自恢复单元，两个自恢复单元的结构相同，相对于中部定位板左右对称设置；自恢复单元包括连接节点、支撑核心构件、外套钢管、滑动承重板、耗能钢棒、支撑架、形状记忆合金棒、限位块；外套钢管的内端与中部定位板固定；连接节点、支撑核心构件、滑动承重板、耗能钢棒、支撑架、中部定位板从外向内依次相接，支撑核心构件靠内的一段、滑动承重板、耗能钢棒、支撑架位于外套钢管内，支撑核心构件的中部穿过外套钢管的外端；外套钢管的内壁设有防止滑动承重板向外滑移的限位块；外套钢管的外端和滑动承重板之间设有形状记忆合金棒。

作为一种优选，两个自恢复单元排列成一字形。

作为一种优选，支撑架包括固定承重板和钢架支撑，一侧的固定承重板、钢架支撑、中部定位板从外向内依次相接，另一侧采用对称布置的方式进行。

作为一种优选，钢架支撑的数量为多根，相互平行的设置在固定承重板和中部定位板之间。

作为一种优选，自恢复单元还包括两组限位装置，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；每组限位装置均包括四个限位板，排列成十字形，中间留有供耗能钢棒卡入的空间。

作为一种优选，形状记忆合金棒的外端穿过外套钢管的外端，形状记忆合金棒的外端连接固定螺栓，从而将形状记忆合金棒的外端固定在外套钢管的外端；形状记忆合金棒的内端穿过滑动承重板，形状记忆合金棒的内端连接固定螺栓，从而将形状记忆合金棒的内端固定在滑动承重板上。

作为一种优选，支撑核心构件为横截面为方形或者圆形的杆状结构；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形状记忆合金棒穿过的孔；固定承重板、滑动承重板、中部定位板的横截面均为方形；耗能钢棒的横截面为方形；钢架支撑的数量为四根，横截面为方形；形状记忆合金棒的数量为两根，横截面为圆形，设置在支撑核心构件的上下方或前后方。

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；主体结构上装有节点板，连接节点与节点板通过固定螺栓连接。

一种自恢复型消能支撑的消能方法，采用一种自恢复型消能支撑，通过形状记忆合金棒和耗能钢棒的伸缩变形耗散能量，以提高构件的承载力；通过形状记忆合金棒提供自恢复能力；地震时，两个自恢复单元同步耗能；地震后，两个自恢复单元同步复位。

作为一种优选，通过设计耗能钢棒的大小、长度和横截面积提供相应的承载力，通过设计形状记忆合金棒的数量、位置、长度和横截面积提供相应的承载力和自恢复能力；两个自恢复单元的承载力相同，两个自恢复单元的自恢复能力相同。

总的说来，本发明具有如下优点：

1.在净可能保证原有主体结构的设计下，自恢复型消能支撑在不增加支撑构件的大小基础上可以增加主体结构的承载力，同时利用左右两侧形状记忆合金棒的数量、位置、长度和横截面积为构件提供相应的承载力和自恢复能力，左侧的支撑核心构件的长度与右侧的相同，两侧自恢复单元的承载力相同，所以在遭受地震作用时，左右侧的自恢复单元同时进入屈曲耗能状态。所以在遭受地震作用时，构件中的形状记忆合金棒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。自恢复型消能支撑构造简单，施工方便，具有很高的实用价值。

2.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。在形状记忆合金棒发生变形时，耗能钢棒也同时发生变形，通过构件得压缩变形耗散构件所受到的部分能量，提高构件的承载能力。采用耗能钢棒作为主要的耗能构件，通过耗能钢棒自身得拉压变形将支撑构件受到的能量进行耗散。自恢复型消能支撑不光可以在小震和大震作用下消耗工程结构所承担的地震能量，同时能够通过形状记忆合金棒来提供相应的自恢复能力，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，从而减小灾后修复的难度和成本，有利于进行灾后的恢复和生活秩序的恢复。

3.采用刚性连接，可保证连接部位处于稳固状态。

4.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，且导致震后整体结构残余变形过大的问题。

附图说明

图1是一种自恢复型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是一种自恢复型消能支撑在地震作用下的工作状态图。

图7是一种自恢复型消能支撑在震后复位的工作状态图。

其中，1为形状记忆合金棒、2为滑动承重板、3为支撑核心构件、4为固定螺栓、5为中部定位板、6为钢架支撑、7为限位板、8为限位块、9为连接节点、10为外套钢管、11为自恢复装置、12为耗能钢棒、13为固定承重板。

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。

一种自恢复型消能支撑，包括中部定位板和位于中部定位板左右两侧的自恢复单元，两个自恢复单元的结构相同，相对于中部定位板左右对称设置。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。

自恢复单元包括连接节点、支撑核心构件、外套钢管、滑动承重板、耗能钢棒、支撑架、形状记忆合金棒、限位块；外套钢管的内端与中部定位板固定；连接节点、支撑核心构件、滑动承重板、耗能钢棒、支撑架、中部定位板从外向内依次相接，支撑核心构件靠内的一段、滑动承重板、耗能钢棒、支撑架位于外套钢管内，支撑核心构件的中部穿过外套钢管的外端；外套钢管的内壁设有防止滑动承重板向外滑移的限位块；外套钢管的外端和滑动承重板之间设有形状记忆合金棒。形状记忆合金棒初始状态时处于预拉伸的状态。根据构件承载力的要求设置相应的限位块，防止由于形状记忆合金棒的复位能力太大，将超出原有的设计尺寸。同时限位块的位置可以根据设计的需要进调整。

在耗能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，荷载完全通过核心支撑构件传递给内部的自恢复装置，自恢复装置中的形状记忆合金棒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。耗能钢棒在轴向荷载作用下，通过拉压变形耗散掉一部分的能量，提高构件的承载能力。

两个自恢复单元排列成一字形。

支撑架包括固定承重板和钢架支撑，固定承重板、钢架支撑、中部定位板从外向内依次相接。

钢架支撑的数量为多根，相互平行的设置在固定承重板和中部定位板之间。

自恢复单元还包括两组限位装置，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；每组限位装置均包括四个限位板，排列成十字形，中间留有供耗能钢棒卡入的空间。限位板能防止耗能钢棒出现侧向的滑移，滑移会减少构件的耗能能力。

形状记忆合金棒的外端穿过外套钢管的外端，形状记忆合金棒的外端连接固定螺栓，从而将形状记忆合金棒的外端安装在外套钢管的外端；形状记忆合金棒的内端穿过滑动承重板，形状记忆合金棒的内端连接固定螺栓，从而将形状记忆合金棒的内端安装在滑动承重板上。左右侧的形状记忆合金棒的规格大小直接影响该自恢复型消能支撑的承载力大小，左右侧形状记忆合金棒的规格(截面面积、数量、规格、长度、安装位置)可以根据项目的实际需求进行设计，并且保证左右两侧的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。

支撑核心构件为横截面为方形或者圆形的杆状结构；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形状记忆合金棒穿过的孔；固定承重板、滑动承重板、中部定位板的横截面均为方形；耗能钢棒的横截面为方形；钢架支撑的数量为四根，横截面为方形；形状记忆合金棒的数量为两根，横截面为圆形，设置在支撑核心构件的上下方或前后方。

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固定螺栓连接。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，二者采用固定螺栓直接连接。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。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，实际使用时可根据对整根自恢复型消能支撑的性能要求反过来对中部定位板的大小进行设计，进而保证左右侧自恢复单元和整个消能支撑的力学性能。

形状记忆合金棒优选采用Ni-Ti系合金材料制成；Ni-Ti系形状记忆合金具有良好的力学性能，抗疲劳，耐磨损，抗腐蚀，形状记忆恢复率高，在工程领域得到了广泛的应用。

一种自恢复型消能支撑的消能方法，采用一种自恢复型消能支撑，通过形状记忆合金棒和耗能钢棒的伸缩变形耗散能量，以提高构件的承载力；通过形状记忆合金棒提供自恢复能力；地震时，两个自恢复单元同步耗能；地震后，两个自恢复单元同步复位。

通过设计耗能钢棒的大小、长度和横截面积提供相应的承载力，通过设计形状记忆合金棒的数量、位置、长度和横截面积提供相应的承载力和自恢复能力；两个自恢复单元的承载力相同，两个自恢复单元的自恢复能力相同。所以在遭受地震作用时，两侧的自恢复单元同时进入屈曲耗能状态，形状记忆合金棒提供相应的拉伸应力。

本发明的有益效果是：为了防止构件在轴向受压时发生整体屈曲，在构件外施加一个外钢管，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。左右两侧的支撑核心构件的长度相同，左右两侧自恢复单元完全相同。所以在遭受地震作用时，左右两侧的自恢复单元同时进入耗能状态，而其左右两侧相应的自恢复装置来承受拉压荷载作用，通过形状记忆合金棒与耗能钢棒的变形来耗散地震能量，从而保证内部支撑核心构件在地震作用下不屈曲。当消能支撑的承载力由形状记忆合金棒和耗能钢棒的强度确定，这样能使形状记忆合金棒和耗能钢棒在拉压荷载作用下发生收缩变形，充分发挥形状记忆合金棒与耗能钢棒的耗能作用。当构件受到较小的轴向力作用时，其两侧的支撑核心构件在压力作用下同时向中间靠拢，此时一侧的形状记忆合金棒处于拉伸的状态，但是支撑核心构件不屈曲。当所受到轴向力继续增大时，超出两侧防屈曲构件的设计承载力，两侧的支撑核心构件在压力作用下继续向中间靠拢，拉伸两侧的形状记忆合金棒，保证支撑核心构件不屈服。相应的在形状记忆合金棒拉力作用下耗能支撑两端的核心构件向外伸长，形状记忆合金棒沿着中部定位板向回拉伸。并且设置相应的限位块保证形状记忆合金棒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，形状记忆合金棒反复处于伸缩变形状态，并且耗能钢棒轴向力的作用下不断的发生压缩与拉伸进行变形耗能，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，自恢复型消能支撑可以通过左右两侧相应的形状记忆合金棒所提供的恢复力使构件恢复到初始状态，减小整体结构的残余变形。本发明解决了传统防屈曲消能支撑无法在小震作用下耗散能量，同时在震后支撑变形过大导致整体结构在震后修复成本较高、修复时间过程甚至难以进行修复的问题，有效减轻整体结构在地震作用下所产生损伤及残余变形。该自恢复型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。本发明适用于工程建筑结构当中，特别是工业化的减震建筑中。

除了本实施例提及的方式外，可根据承载力和自恢复能力设计相应的形状记忆合金棒，布置在支撑核心构件的上下前后位置。每个自恢复单元还可包括其他形状与类型的形状记忆合金棒。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 (10)

1.一种自恢复型消能支撑，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自恢复单元，两个自恢复单元的结构相同，相对于中部定位板左右对称设置；自恢复单元包括连接节点、支撑核心构件、外套钢管、滑动承重板、耗能钢棒、支撑架、形状记忆合金棒、限位块；外套钢管的内端与中部定位板固定；连接节点、支撑核心构件、滑动承重板、耗能钢棒、支撑架、中部定位板从外向内依次相接，支撑核心构件靠内的一段、滑动承重板、耗能钢棒、支撑架位于外套钢管内，支撑核心构件的中部穿过外套钢管的外端；外套钢管的内壁设有防止滑动承重板向外滑移的限位块；外套钢管的外端和滑动承重板之间设有形状记忆合金棒。

2.按照权利要求1所述的一种自恢复型消能支撑，其特征在于：两个自恢复单元排列成一字形。

3.按照权利要求1所述的一种自恢复型消能支撑，其特征在于：支撑架包括固定承重板和钢架支撑，一侧的固定承重板、钢架支撑、中部定位板从外向内依次相接，另一侧采用对称布置的方式。

4.按照权利要求3所述的一种自恢复型消能支撑，其特征在于：钢架支撑的数量为多根，相互平行的设置在固定承重板和中部定位板之间。

5.按照权利要求3所述的一种自恢复型消能支撑，其特征在于：自恢复单元还包括两组限位装置，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；每组限位装置均包括四个限位板，排列成十字形，中间留有供耗能钢棒卡入的空间。

6.按照权利要求1所述的一种自恢复型消能支撑，其特征在于：形状记忆合金棒的外端穿过外套钢管的外端，形状记忆合金棒的外端连接固定螺栓，从而将形状记忆合金棒的外端固定在外套钢管的外端；形状记忆合金棒的内端穿过滑动承重板，形状记忆合金棒的内端连接固定螺栓，从而将形状记忆合金棒的内端固定在滑动承重板上。

7.按照权利要求3所述的一种自恢复型消能支撑，其特征在于：支撑核心构件为横截面为方形或者圆形的杆状结构；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形状记忆合金棒穿过的孔；固定承重板、滑动承重板、中部定位板的横截面均为方形；耗能钢棒的横截面为方形；钢架支撑的数量为四根，横截面为方形；形状记忆合金棒的数量为两根，横截面为圆形，设置在支撑核心构件的上下方或前后方。

8.按照权利要求3所述的一种自恢复型消能支撑，其特征在于：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；主体结构上装有节点板，连接节点与节点板通过固定螺栓连接。

9.一种自恢复型消能支撑的消能方法，采用权利要求1至8中任一项所述的一种自恢复型消能支撑，其特征在于：通过形状记忆合金棒和耗能钢棒的伸缩变形耗散能量，以提高构件的承载力；通过形状记忆合金棒提供自恢复能力；地震时，两个自恢复单元同步耗能；地震后，两个自恢复单元同步复位。

10.按照权利要求9所述的一种自恢复型消能支撑的消能方法，其特征在于：通过设计耗能钢棒的大小、长度和横截面积提供相应的承载力，通过设计形状记忆合金棒的数量、位置、长度和横截面积提供相应的承载力和自恢复能力；两个自恢复单元的承载力相同，两个自恢复单元的自恢复能力相同。

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