CN112502309A - 一种摩擦阻尼胶合木支撑结构及其施工方法 - Google Patents

一种摩擦阻尼胶合木支撑结构及其施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种摩擦阻尼胶合木支撑结构及其施工方法，其中摩擦阻尼胶合木支撑结构包括钢耳板、钢底板、外包连接钢板、摩擦板和至少2条加固带；所述加固带缠绕于木支撑，木支撑的预留孔位于相邻2条加固带之间；所述钢耳板和外包连接钢板分别固定于钢底板的两侧，所述外包连接钢板设有用于安装螺栓组件的长条连接孔；所述摩擦板被外包连接钢板夹紧于木支撑的侧面，且所述外包连接钢板、摩擦板和木支撑之间通过螺栓组件锁紧连接，且所述木支撑的端面与钢底板的内侧面之间具有预留间距。本发明实现木支撑承载能力的充分利用，减少木支撑因局压而劈裂的风险,具有良好的承载力、延性和耗能能力。

Description

一种摩擦阻尼胶合木支撑结构及其施工方法
技术领域
本发明涉及支撑结构技术，具体涉及一种摩擦阻尼胶合木支撑结构及其施工方法。
背景技术
现代胶合木结构因其低碳、环保、最优强重比等优点成为绿色环保建筑发展的重要结构形式，而胶合木框架结构体系因灵活的空间格局布置成为最常用的结构体系。但是纯胶合木梁柱框架结构体系抗侧刚度与承载力较低，故需要在框架间增设人字支撑或交叉支撑可以显著提高框架结构的抗侧刚度与承载力。在胶合木梁支撑框架结构中胶合木支撑很好地起到了抗震设防第一道防线的作用，有效保证了主体框架的安全。
目前，一项中国发明专利申请(公告号为：CN106149871A)公开了一种木框架或竹框架-耗能支撑抗侧力结构体系，其支撑的两端分别增加了摩擦型阻尼器，形成了耗能支撑，在小震(又称多遇地震)下，摩擦阻尼器不滑动，支撑能有效提高框架的抗侧刚度，在中震(又称设防地震)或大震(又称罕遇地震)下，摩擦阻尼器的摩擦面开始滑移耗能，支撑相对框架梁和框架柱在阻尼器处发生转动，可在一定程度上保护了支撑，也减少了结构的损伤。
但上述的发明专利申请还会存在缺陷：1、此发明专利胶合木支撑的木支撑与梁柱式木框架之间的连接采用目前最常用的钢填板连接。即在木支撑的端部开槽、开螺栓孔，将钢填板插入支撑槽中，然后采用螺栓连接实现木支撑和木柱、木梁的铰接。在木支撑开槽会在一定程度上削弱其承载能力，而且木支撑连接螺栓直径较小，支撑在受拉压过程中，螺栓对木材造成较大的局部压力，木材横纹方向强度低，支撑木材容易发生劈裂破坏，螺栓也容易发生剪切破坏，致使木框架-支撑结构刚度下降，强地震(即大震)下可导致结构因抗侧刚度不足发生倒塌；2、此发明专利的摩擦阻尼器作为单独的连接件设置于木支撑和框架节点之间，使得连接部分略显赘余和复杂，而且一旦框架节点和支撑端部处的钢板发生平面外的变形和屈曲，就会导致摩擦阻尼器错开原平面而失去作用，摩擦耗能能力下降，支撑也会因此发生平面外的转动，不能为框架结构提供足够的抗侧刚度。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种摩擦阻尼胶合木支撑结构。此摩擦阻尼胶合木支撑结构保证了结构的抗侧刚度，还提高结构的延性和耗能性等性能。
同时，本发明还提供了一种摩擦阻尼胶合木支撑结构的施工方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：本摩擦阻尼胶合木支撑结构，包括钢耳板、钢底板、外包连接钢板、摩擦板和至少2条加固带；所述加固带缠绕于木支撑，木支撑的预留孔位于相邻2条加固带之间；所述钢耳板和外包连接钢板分别固定于钢底板的两侧，所述钢耳板设有螺纹孔，所述外包连接钢板设有用于安装螺栓组件的长条连接孔；所述摩擦板被外包连接钢板夹紧于木支撑的侧面，且所述外包连接钢板、摩擦板和木支撑之间通过螺栓组件锁紧连接，且所述木支撑的端面与钢底板的内侧面之间具有预留间距。
优选的，所述钢耳板的数量为2块，此2块钢耳板的一端均通过焊接固定于钢底板的一侧，且2块钢耳板平行设置。
优选的，所述外包连接钢板的数量为2块，且此2块外包连接钢板均通过焊接固定于钢底板的另一侧，且2块外包连接钢板的内侧分别与2块摩擦板的摩擦面相贴。
优选的，所述加固带的缠绕方向与木支撑的轴线方向垂直。
优选的，所述加固带采用碳纤维布制成。
优选的，所述螺栓组件包括高强螺栓和锁紧螺母，所述木支撑的预留孔内设有套筒，所述高强螺栓的杆身的一端穿过长条连接孔、摩擦板的螺栓孔和套筒，所述锁紧螺母套接于高强螺栓的杆身的一端，且所述锁紧螺母的端面与外包连接钢板的外侧面相贴。
优选的，所述套筒的外径为高强螺栓杆身的直径至少1.5倍。
优选的，所述预留间距的长度大于长条连接孔的长度的一半。
优选的，所述钢底板的宽度与木支撑的厚度相等。
一种基于上述的摩擦阻尼胶合木支撑结构的施工方法，包括以下步骤：
S1、根据木支撑的尺寸制作钢耳板、钢底板、外包连接钢板、摩擦板和套筒；
S2、将钢耳板和外包连接钢板分别固定于钢底板的两侧，其中2块外包连接钢板和钢底板形成容纳槽；
S3、将套筒插入木支撑的预留孔，再将加固带缠绕于木支撑，且令预留孔位于相邻2条加固带之间；
S4、将摩擦板和木支撑的端部嵌入容纳槽，令摩擦板的螺栓孔轴线、套筒的螺栓孔轴线和长条连接孔的中心线位于同一直线上，同时木支撑的端面与钢底板的内侧面之间具有预留间距；
S5、先采用普通螺栓插入一半的长条连接孔及这些相长条连接孔相对应的摩擦板的螺栓孔和套筒，以将外包连接钢板、摩擦板和木支撑进行临时固定；再采用高强螺栓插入剩下一半的长条连接孔及这些相长条连接孔相对应的摩擦板的螺栓孔和套筒，令高强螺栓依次穿过包连接钢板、摩擦板、木支撑、摩擦板和包连接钢板，并在这些高强螺栓上拧上锁紧螺母，以施加预拉力；再卸下用于临时固定的普通螺栓，并再高强螺栓插入之前被普通螺栓穿过的长条连接孔、摩擦板的螺栓孔及套筒并拧紧固定；
S6、对拧在高强螺栓的锁紧螺母进行检查。
本发明相对于现有技术具有如下的优点：
1、本摩擦阻尼胶合木支撑结构要由钢耳板、钢底板和外包连接钢板构成，这采用外包连接钢板包裹木支撑的外侧，以代替现有的木支撑开槽连接结构，从而实现木支撑承载能力的充分利用，减少木支撑因局压而劈裂的风险。
2、本摩擦阻尼胶合木支撑结构中外包连接钢板、摩擦板和预留间距等结构形成摩擦阻尼器，令摩擦成为支撑节点的一部分，简化了连接，摩擦阻尼器始终在工作，避免了摩擦阻尼器由于外包连接钢板的面外变形而失去作用的情况，既提供一定刚度和承载力，又可以稳定实现阻尼器的摩擦耗能，使胶合木梁柱框架-支撑结构具有良好的承载力、延性和耗能能力，有效地保护了结构的抗侧力结构。
3、本摩擦阻尼胶合木支撑结构利用加固带缠绕木支撑，以对木支撑的性能进行强化，约束木支撑横向变化，从而进一步降低木支撑发生劈裂的风险。
4、本摩擦阻尼胶合木支撑结构采用套筒嵌入木支撑的预留孔，令高强螺栓的杆身与预留孔之间具有套筒，增大木支撑的预留孔的受力面积，从而可削减应力集中的问题，进一步降低了木支撑发生劈裂的风险。
5、本发明的施工方法采用本摩擦阻尼胶合木支撑结构，不需要再对木支撑的端部进行开槽工作，提高了现场施工的便利性和施工效率。
6、本发发明的施工方法先采用普通螺栓进行临时固定，最后再采用高强螺栓进行预紧固定，这进一步提高了整体结构的稳定性。
附图说明
图1是本发明的摩擦阻尼胶合木支撑结构的正视图。
图2是本发明的摩擦阻尼胶合木支撑结构的侧视图。
图3是本发明的摩擦阻尼胶合木支撑结构的俯视图。
图4是本发明的摩擦阻尼胶合木支撑结构的结构示意图。
图5是本发明的摩擦阻尼胶合木支撑结构的爆炸图。
图6是采用本摩擦阻尼胶合木支撑结构进行的荷载-位移试验的试验曲线。
其中，1为钢耳机，2为钢底板，3为外包连接钢板，4为摩擦板，5为加固带，6为木支撑，7为螺栓组件，8为长条连接孔，9为预留间距，10为高强螺栓，11为锁紧螺母，12为套筒。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图5所示的摩擦阻尼胶合木支撑结构，包括钢耳板1、钢底板2、外包连接钢板3、摩擦板4和至少2条加固带5；所述加固带5缠绕于木支撑6，木支撑6的预留孔位于相邻2条加固带5之间；所述钢耳板1和外包连接钢板3分别固定于钢底板2的两侧，所述钢耳板1设有螺纹孔，所述外包连接钢3板设有用于安装螺栓组件7的长条连接孔8；所述摩擦板4被外包连接钢板3夹紧于木支撑6的侧面，且所述外包连接钢板3、摩擦板4和木支撑6之间通过螺栓组件锁紧7连接，且所述木支撑6的端面与钢底板2的内侧面之间具有预留间距9。本实施例中，位于木支撑6一端的加固带5的数量具有3条，此3条加固带5等距缠绕于木支撑6；木支撑6的预留孔具有两组，每组具有2个，且此2个预留孔位于相邻2条加固带5之间，即与预留孔相对应的螺栓组件位7于相邻2条加固带5之间。故可利用加固带5可强化木支撑7的性能，如强度和延性，从而约束木支撑7的横向变形，以减少木支撑劈裂的风险，提高支撑节点为的延性。如图6的试验曲线所示，碳纤维布加固后，木支撑节点的承载力有一定程度的提高，加载过程中出现了类似于钢材的屈服平台，体现了良好的延性和耗能能力。在摩擦型阻尼器锁定后，木支撑的受力继续增加，在碳纤维布的约束作用下，木支撑的塑性变形也可以作为耗能来源之一。
具体的，为保证强度，外包连接钢板3的厚度为10mm，而外包连接钢板3和摩擦板4均采用2块。其中2块外包连接钢板通过焊接固定于钢底板，此2块外包连接钢板与钢底板形成容纳槽，此容纳槽的宽度等于2块摩擦板的厚度、木支撑的宽度及缠绕后的加固带的厚度之和。2块摩擦板4分别贴紧于木支撑6的两侧，而外包连接钢板3贴紧摩擦板4的摩擦面，即2块外包连接钢板3分别贴紧于2块摩擦板4的外侧(即摩擦板的摩擦面)，以将2块摩擦板4夹紧于木支撑6的两侧，螺栓组件7中的高强螺栓10依次穿过外包连接钢板3、摩擦板4、预留孔内的套筒12、摩擦板4和外包连接钢板3后，螺栓组件7中的锁紧螺母11拧紧于高强螺栓10，从而将外包连接钢板3、摩擦板4和木支撑6锁紧连接一起。安装于木支撑6外侧的外包连接钢板3以代替钢填板，避免了木支撑6因开槽而导致的削弱，可以实现木支撑6承载能力的充分利用，减少木支撑6被劈裂的风险。同时外包连接钢3、摩擦板4和木支撑6与钢底板2形成的预留间距9等形成摩擦阻尼器，此摩擦阻尼器成为支撑节点的一部分。则当结构侧向力较小，摩擦阻尼器不激发，外包连接钢板3和摩擦板4无相对滑动，木支撑6和整体框架共同变形，提供结构的初始抗侧刚度；随着结构侧向力增加，结构发生大变形，摩擦阻尼器激发，钢底板和木支撑6端部之间具有预留间距9，同时外包连接钢板3中设有长条连接孔，此长条连接孔8的延伸方向与木支撑6的轴线方向相同，则允许外包连接钢板3和摩擦板4产生相对滑动，此时摩擦型阻尼器实现了摩擦耗能，木支撑6受力不再增加，避免了损伤；当结构变形进一步增大，支撑位移达到最大预留位移，高强螺栓10抵住外包连接钢板3的长圆孔端部，摩擦阻尼器锁定，木支撑6和摩擦阻尼器的结构共同工作，承载能力得到充分发挥。同时还可以通过调整高强螺栓10的预紧力、摩擦板4的材质、外包连接钢板3的长条连接孔8的长度等参数实现不同的承载力与延性耗能能力。即使在大震情况下也能设计避免摩擦阻尼器和木支撑5的损坏(保证不出现地震损伤)，同时也便于工程人员根据实际结构的设计需求，实现结构的不同性能水准要求。
所述钢耳板1的数量为2块，此2块钢耳板1的一端均通过焊接固定于钢底板2的一侧，且2块钢耳板1平行设置。2块钢耳板1避免木支撑6偏心受力，进一步提高支撑的稳定性。为进保证钢耳板1的强度，钢耳板的厚度为10mm。在安装使用中，木支撑6与柱梁框架中的木柱和木梁通过钢耳板1连接一起。
本实施例中，所述加固带5采用碳纤维布制成。所述加固带5的缠绕方向(即碳纤维布的纤维粘贴方向)与木支撑6的轴线方向垂直。加固带5缠绕的圈数至少为3圈，以确保强度。采用此结构可以有效减少木支撑节点处木材的劈裂风险，提高节点的延性。同时，加固带的材料不仅限于碳纤维带，还可采用具有相同或相近性能的材料。
所述螺栓组件7包括高强螺栓10和锁紧螺母11，所述木支撑6的预留孔内设有套筒12，所述高强螺栓10的杆身的一端穿过长条连接孔8、摩擦板4的螺栓孔和套筒12，所述锁紧螺母11套接于高强螺栓10的杆身的一端，且所述锁紧螺母11的端面与外包连接钢板3的外侧面相贴。此结构的螺栓组件7结构简单，方便安装。同时在高强螺栓10和预留孔的内壁之间设置套筒12，此套筒12采用铸铁制成，即为铸铁套筒，这可增大了预留孔的受力面积，有助于避免预留孔处由于局压产生的木材劈裂，故套入铸铁套筒后木支撑节点的承载力得到显著的提高。
所述套筒12的外径为高强螺栓10杆身的直径至少1.5倍。本实施例中，套筒的外径为高强螺栓10杆身的直径的2倍，选用适应的比率，保证套筒12的强度，进一步提高了木支撑节点的承载力。
所述预留间距9的长度大于长条连接孔8的长度的一半。此设置保证高强螺栓滑到长条连接孔的端部时，木支撑6的端面也不会撞击钢底板，以保证摩擦阻尼器的效果。
所述钢底板2的宽度与木支撑6的厚度相等。为保证钢底板2的强度，钢底板2的厚度为10mm，而钢底板2的宽度与木支撑6的宽度相等可令整体结构紧凑。
一种基于上述的摩擦阻尼胶合木支撑结构的施工方法，包括以下步骤：
S1、根据木支撑的尺寸制作钢耳板、钢底板、外包连接钢板、摩擦板和套筒；
S2、将钢耳板和外包连接钢板分别固定于钢底板的两侧，其中2块外包连接钢板和钢底板形成容纳槽；其中容纳槽的宽度为加固带缠绕后的厚度、2块摩擦板的厚度与木支撑的厚度之和，而为更好的安装，容纳槽的宽度可大于加固带缠绕后的厚度、2块摩擦板的厚度与木支撑的宽度之和1～2mm。
S3、将套筒插入木支撑的预留孔，再将加固带缠绕于木支撑，且令预留孔位于相邻2条加固带之间；加固带缠绕于木支撑时，加固带的纤维粘贴方向与木支撑的木材顺纹方向垂直，且加固带缠绕至少3圈，从而保证强度，从而有效约束高强螺栓相对于木支撑发生移动。
S4、将摩擦板和木支撑的端部嵌入容纳槽，令摩擦板的螺栓孔轴线、套筒的螺栓孔轴线和长条连接孔的中心线位于同一直线上，同时木支撑的端面与钢底板的内侧面之间具有预留间距；将摩擦板和木支撑的端部安装于外包连接钢板和钢底板构成的容纳槽，从而可形成摩擦阻尼器。其中摩擦板采用钢材制成，在将摩擦板和木支撑嵌入容纳槽前，对钢材的表面进行喷砂处理，以形成摩擦面。
S5、先采用普通螺栓插入一半的长条连接孔及这些相长条连接孔相对应的摩擦板的螺栓孔和套筒，以将外包连接钢板、摩擦板和木支撑进行临时固定；再采用高强螺栓插入剩下一半的长条连接孔及这些相长条连接孔相对应的摩擦板的螺栓孔和套筒，令高强螺栓依次穿过包连接钢板、摩擦板、木支撑、摩擦板和包连接钢板，并在这些高强螺栓上拧上锁紧螺母，以施加预拉力；再卸下用于临时固定的普通螺栓，并再高强螺栓插入之前被普通螺栓穿过的长条连接孔、摩擦板的螺栓孔及套筒并拧紧固定；本实施例中采用的普通螺栓和高强螺栓的参数如下表：
Figure BDA0002797358670000091
上述表为螺栓连接的强度设计值(N/mm2)表。
S6、对拧在高强螺栓的锁紧螺母进行检查，以防止漏拧，保证连接的稳定性。
采用上述施工方法，制作加工方便，所需材料易获取，造价低廉而性能，有利于工程推广，为梁柱框架-支撑结构的支撑构造形式提供了一个性价比较高的设计改进方案。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种摩擦阻尼胶合木支撑结构，其特征在于：包括钢耳板、钢底板、外包连接钢板、摩擦板和至少2条加固带；所述加固带缠绕于木支撑，木支撑的预留孔位于相邻2条加固带之间；所述钢耳板和外包连接钢板分别固定于钢底板的两侧，所述钢耳板设有螺纹孔，所述外包连接钢板设有用于安装螺栓组件的长条连接孔；所述摩擦板被外包连接钢板夹紧于木支撑的侧面，且所述外包连接钢板、摩擦板和木支撑之间通过螺栓组件锁紧连接，且所述木支撑的端面与钢底板的内侧面之间具有预留间距。
2.根据权利要求1所述的摩擦阻尼胶合木支撑结构，其特征在于：所述钢耳板的数量为2块，此2块钢耳板的一端均通过焊接固定于钢底板的一侧，且2块钢耳板平行设置。
3.根据权利要求1所述的摩擦阻尼胶合木支撑结构，其特征在于：所述外包连接钢板的数量为2块，且此2块外包连接钢板均通过焊接固定于钢底板的另一侧，且2块外包连接钢板的内侧分别与2块摩擦板的摩擦面相贴。
4.根据权利要求1所述的摩擦阻尼胶合木支撑结构，其特征在于：所述加固带的缠绕方向与木支撑的轴线方向垂直。
5.根据权利要求1所述的摩擦阻尼胶合木支撑结构，其特征在于：所述加固带采用碳纤维布制成。
6.根据权利要求1所述的摩擦阻尼胶合木支撑结构，其特征在于：所述螺栓组件包括高强螺栓和锁紧螺母，所述木支撑的预留孔内设有套筒，所述高强螺栓的杆身的一端穿过长条连接孔、摩擦板的螺栓孔和套筒，所述锁紧螺母套接于高强螺栓的杆身的一端，且所述锁紧螺母的端面与外包连接钢板的外侧面相贴。
7.根据权利要求6所述的摩擦阻尼胶合木支撑结构，其特征在于：所述套筒的外径为高强螺栓杆身的直径至少1.5倍。
8.根据权利要求1所述的摩擦阻尼胶合木支撑结构，其特征在于：所述预留间距的长度大于长条连接孔的长度的一半。
9.根据权利要求1所述的摩擦阻尼胶合木支撑结构，其特征在于：所述钢底板的宽度与木支撑的厚度相等。
10.一种基于根据权利要求1～9任意一项所述的摩擦阻尼胶合木支撑结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据木支撑的尺寸制作钢耳板、钢底板、外包连接钢板、摩擦板和套筒；
S2、将钢耳板和外包连接钢板分别固定于钢底板的两侧，其中2块外包连接钢板和钢底板形成容纳槽；
S3、将套筒插入木支撑的预留孔，再将加固带缠绕于木支撑，且令预留孔位于相邻2条加固带之间；
S4、将摩擦板和木支撑的端部嵌入容纳槽，令摩擦板的螺栓孔轴线、套筒的螺栓孔轴线和长条连接孔的中心线位于同一直线上，同时木支撑的端面与钢底板的内侧面之间具有预留间距；
S5、先采用普通螺栓插入一半的长条连接孔及这些相长条连接孔相对应的摩擦板的螺栓孔和套筒，以将外包连接钢板、摩擦板和木支撑进行临时固定；再采用高强螺栓插入剩下一半的长条连接孔及这些相长条连接孔相对应的摩擦板的螺栓孔和套筒，令高强螺栓依次穿过包连接钢板、摩擦板、木支撑、摩擦板和包连接钢板，并在这些高强螺栓上拧上锁紧螺母，以施加预拉力；再卸下用于临时固定的普通螺栓，并再高强螺栓插入之前被普通螺栓穿过的长条连接孔、摩擦板的螺栓孔及套筒并拧紧固定；
S6、对拧在高强螺栓的锁紧螺母进行检查。
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