CN112502321B - 任意角度转动的隔墙与框架耗能减震连接构件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建筑工程的非结构构件耗能减震领域，提供一种任意角度转动的隔墙与框架耗能减震连接构件，其中从动轴，钢带箍，外罩，球笼，钢球，星形套，球形壳和卡环，形成球笼式碗形万向节；导杆，端部橡胶隔板，缸筒，粘滞流体，带阻尼孔活塞，橡胶缓冲垫，T形钢隔板和连接板，形成粘滞耗能器。球笼式碗形万向节和粘滞耗能器由钢连杆焊接连接，形成新型耗能连接构件。本发明易于安装，不占用额外建筑空间，大震作用后易于更换。扭转力阈值的设计可实现两阶段耗能减震，经济可靠：小震作用下，保证隔墙的建筑功能；中震、大震作用下，实现非结构构件耗能减震。隔墙预制化加工及安装，有效保障隔墙的质量统一，提高施工速度和构件标准化程度。
Description
技术领域
本发明涉及建筑工程技术的非结构构件耗能减震领域，特别是涉及一种任意角度转动的隔墙与框架耗能减震连接构件。
背景技术
随着装配式技术的发展，建筑结构的构件都被提出了具有易于安装，易于更换，易于施工的装配式需求，尤其对于建筑结构的非结构构件和连接件也有便于装配的需求。
此外，随着建筑体系的不断发展，建筑高度的不断突破，建筑结构形式的不断更新，其对结构的抗震性能提出了新的要求。相对于结构构件，隔墙、填充墙等非结构构件由于刚度较低，整体性和变形能力较差，在地震作用下容易发生垮塌，从而造成严重的人员伤亡和巨大的经济损失，利用此类非结构构件减小震后损失成为新的趋势。消能减震技术则是近年来迅速发展起来的一种安全、有效的工程抗震方法，这种方法通过把某些非结构构件设计成耗能元件，以减小结构在地震作用下的重力荷载代表值，减轻主体结构的破坏。如何将消能减震思想引入非结构构件，使之成为一个可控的耗能单元，在小震作用下保持其建筑功能，在中震和大震作用下实现其结构功能，即自身有序破坏的同时，提高主体结构的抗震性能是一个新的趋势。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种加工简单，成本较低，易于安装更换，且可以内置于建筑隔墙中不占用多余建筑空间，并可以实现非结构构件的两阶段耗能减震设计，经济可靠，隔墙预制化加工及安装，可以任意转动的隔墙与框架耗能减震连接构件。
为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：
一种任意角度转动的隔墙与框架耗能减震连接构件，其特征在于：包括左端从动部分粘滞耗能器、中间连接用的球笼式碗形万向节、另一侧粘滞耗能器，其中：
所述球笼式碗形万向节该传力机构的结构本身为现有技术，非本发明首创，包括从动轴(1)、第一钢带箍(2)、外罩(3)、球笼(4)、第二钢带箍(5)、钢球(6)、星形套(7)、球形壳(8)、卡环(9)，从动轴(1)右端与外罩(3)左端相连接，并由第一钢带箍(2)约束固定该处连接，球笼(4)、钢球(6)和星形套(7)由球形壳(8)左侧放入球形壳(8)碗形凹口中构成球笼式碗形万向节转动部分，外罩(3)右端与上述转动部分的球形壳(8)左端连接，在外罩(3)与星形套(7)之间设有卡环(9)，并由第二钢带箍(5)约束固定该处连接；
两个粘滞耗能器，包括导杆(10)、端部橡胶隔板(11)、缸筒(12)、粘滞流体(13)、带阻尼孔活塞(14)、橡胶缓冲垫(15)、T形钢隔板(16)、连接板(17)；带阻尼孔活塞(14)固定在导杆(10)右端，橡胶缓冲垫(15)左侧部分固定在带阻尼孔活塞(14)右端侧面中心，构成活塞推进部分；缸筒(12)右端与T形钢隔板(16)焊接，橡胶缓冲垫(15)右侧部分固定于T形钢隔板(16)中心，实现油缸右端密封；粘滞流体(13)由缸筒(12)的左侧端口注入，将上述活塞推进部分的导杆(10)的左端由端部橡胶隔板(11)预留孔穿出，并将上述活塞推进部分推入缸筒(12)，端部橡胶隔板(11)沿导杆(10)向右滑动，嵌入缸筒(12)左端紧密接触并固定，实现油缸左端密封；缸筒(12)右端焊接在右侧的带孔连接板(17)上；
左侧粘滞耗能器的导杆(10)和球笼式碗形万向节的从动轴(1)焊接连接，右侧粘滞耗能器的导杆(10)和球笼式碗形万向节的球形壳(8)焊接连接，保证三个部分的轴线在同一直线上。以上形成任意角度转动的隔墙与框架耗能减震连接构件，通过高强螺栓与梁、柱框架连接(为保证视图简洁，说明书中的示意图没有显示螺栓，高强螺栓为普通建筑用高强螺栓即可)。
进一步，带阻尼孔活塞固定在导杆右端，橡胶缓冲垫左侧部分固定在带阻尼孔活塞右端侧面中心，构成活塞推进部分。缸筒右端与T形钢隔板焊接，橡胶缓冲垫右侧部分固定于T形钢隔板中心，实现油缸右端密封。粘滞流体由缸筒的左侧端口注入，将上述活塞推进部分的导杆的左端由端部橡胶隔板预留孔穿出，并将上述活塞推进部分推入缸筒，端部橡胶隔板沿导杆向右滑动，嵌入缸筒左端紧密接触并固定，实现油缸左端密封。缸筒右端焊接在右侧的带孔连接板上。以上形成了粘滞耗能器。
进一步，球笼式碗形万向节球形内扣设计，区别于现有铰接构造形式，同时设有转动控制阈值，钢球(6)、星形套(7)和球形壳(8)之间为粗糙接触，接触面摩擦系数由抗震需求确定，仅当地震作用下引起相对转动的扭转力大于其接触面的最大静摩擦力时，才可实现任意角度和方位的转动。
进一步，该新型连接件可以实现两阶段减震设计，经济可靠，即在小震作用下，由于钢球(6)、星形套(7)和球形壳(8)之间的最大静摩擦力大于发生相对转动所需扭转力的阈值，连接件不工作，保证隔墙的建筑功能；中震、大震下，钢球(6)、星形套(7)和球形壳(8)之间的最大静摩擦力小于发生相对转动扭转力的阈值，连接件实现相对转动，隔墙形成分散的局部TMD，实现非结构构件耗能减震。
进一步，从动轴为圆钢杆，钢杆右端预留卡槽。所述外罩左侧为圆钢管，其内径与从动轴外径一致，圆钢管内壁预开卡槽，与从动轴实现啮合。
进一步，星形套为带齿套件，齿与齿之间为曲面过渡，所述的球形壳内壁上预留曲面凹槽，其弧度和位置与星形套预留曲面的弧度和位置一致。
进一步，球笼为一个圆形钢圈，钢圈均匀分布方孔，方孔内径满足钢球的正常转动需要，其位置星形套预留曲面的位置一致。
进一步，带阻尼孔活塞其中心预留导杆的安装孔位，中心对称分布若干个阻尼孔。
进一步，所述的端部橡胶隔板的中心预留导杆的活动孔位，中心对称分布若干个凹槽，位置及数量与带阻尼孔活塞阻尼孔的位置一致。
进一步，连接板为正方形钢板，钢板上预开与梁、柱连接用的螺栓孔。
进一步，左侧粘滞耗能器的导杆和球笼式碗形万向节的从动轴焊接连接，右侧粘滞耗能器的导杆和球笼式碗形万向节的球形壳焊接连接，保证三个部分的轴线在同一直线上。以上形成任意角度转动的隔墙与框架耗能减震连接构件，通过高强螺栓与梁、柱框架连接(为保证视图简洁，说明书中的示意图没有显示螺栓，高强螺栓为普通建筑用高强螺栓即可)。
与现有技术相比，本发明有以下特点：
(1)可以实现两阶段耗能减震设计，经济可靠，即在小震作用下，连接件不工作，保证隔墙的建筑功能；中震、大震下，预制隔墙与建筑的梁、柱之间发生相对运动，减小结构重力荷载代表值，同时形成分散的局部TMD，实现非结构构件耗能减震。
(2)球笼式碗形万向节球形内扣设计，区别于现有简单的铰接构造形式，同时设有转动控制阈值，钢球、星形套和球形壳之间为粗糙接触，仅当地震作用下引起相对转动的扭转力大于其接触面的最大静摩擦力时，才可实现任意角度和方位的转动。
(3)可以安装在隔墙和梁、柱子之间，隐藏于结构隔墙之中不占用额外的建筑空间。
(4)可以实现非结构构件消能减震，同时安装不占用额外的建筑空间，隔墙的预制化加工及安装，有效地保障隔墙质量的统一，提高施工速度和构件的标准化程度。
(5)本发明构造简单，成本较低，利于该种测试装置的推广利用，利于耗能减震元件和装配式预预制化隔墙的推广。
附图说明
图1显示为本发明实施例提供的任意角度转动的隔墙与框架耗能减震连接构件的整体正视图。
图2显示为本发明实施例提供的任意角度转动的隔墙与框架耗能减震连接构件的球笼式碗形万向节。(为现有技术结构)
图3显示为本发明实施例提供的任意角度转动的隔墙与框架耗能减震连接构件的球笼式碗形万向节效果图。(为现有技术结构)
图4显示为本发明实施例提供的右侧粘滞耗能器的正视图。
图5显示为图4的1-1剖面。
图6显示为本发明实施例提供的带阻尼孔活塞的正视图和2-2剖面。
图7显示为本发明实施例提供的端部橡胶隔板的正视图和3-3剖面。
图8显示为本发明实施例提供的连接板的正视图和4-4剖面。
图9显示为本发明实施例提供的任意角度转动的隔墙与框架耗能减震连接构件的安装示意图。
图10显示为本发明实施例提供的任意角度转动的隔墙与框架耗能减震连接构件的安装效果示意图。
图11为图10力传递途径及工作机制示意。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“顶部”、“底部”、“上”、“下”、“一”、“两”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
鉴于目前没有一种成本较低，加工简单，易于安装更换，且可以内置于建筑墙体中不占用多余建筑空间的可多角度转动的隔墙与框架耗能减震连接构件。本发明提出了一种任意角度转动的隔墙与框架耗能减震连接构件。该装置安装在建筑梁、柱框架与预制隔墙之间，不占用额外的建筑空间。将球笼式碗形万向节与粘滞耗能器结合，可以实现非结构构件消能减震。扭转力阈值的设计可以实现两阶段耗能减震，经济可靠：在小震作用下，连接件不工作，保证隔墙的建筑功能；中震、大震作用下，构件扭转力超过阈值，连接件工作，使得预制隔墙与建筑的梁、柱之间可以相对运动，减轻结构重力荷载代表值，同时形成分散的局部TMD，实现非结构构件耗能减震。预制隔墙相对梁、柱框架发生相对运动时，粘滞耗能器的活塞与缸筒之间产生相对位移，形成的压力差挤压迫使粘滞流体材料从阻尼孔中通过，产生阻尼力并耗散能量。本发明设计易于安装，在大震作用后易于维修，更换。隔墙的预制化加工及安装，有效地保障隔墙质量的统一，提高施工速度和构件的标准化程度。
隔墙在小震作用下，保持原有建筑功能；隔墙在中震、大震下参与减振。左右耗能器在小震下保持原有状态，在中震、大震作用下参与耗能减振。
实施例
以下将通过具体实施例来对本发明提供的新型任意角度转动的隔墙与框架耗能减震连接构件进行详细说明。
一种任意角度转动的隔墙与框架耗能减震连接构件，其特征在于：包括从动轴1，第一钢带箍2，外罩3，球笼4，第二钢带箍5，钢球6，星形套7，球形壳8，卡环9，导杆10，端部橡胶隔板11，缸筒12，粘滞流体13，带阻尼孔活塞14，橡胶缓冲垫15，T形钢隔板16，连接板17；
如图2、图3所示，从动轴1右端与外罩3左端相连接，并由第一钢带箍2约束固定该处连接。球笼4，钢球6和星形套7由球形壳8左侧放入球形壳8碗形凹口中构成转动部分，外罩3右端与上述转动部分的球形壳8左端连接，在外罩3与星形套7之间设有卡环9，并由第二钢带箍5约束固定该处连接。以上形成了球笼式碗形万向节。
进一步，如图4、图5所示，带阻尼孔活塞14固定在导杆10右端，橡胶缓冲垫15左侧部分固定在带阻尼孔活塞14右端侧面中心，构成活塞推进部分。缸筒12右端与T形钢隔板16焊接，橡胶缓冲垫15右侧部分固定于T形钢隔板16中心，实现油缸右端密封。粘滞流体13由缸筒12的左侧端口注入，将上述活塞推进部分的导杆10的左端由端部橡胶隔板11预留孔穿出，并将上述活塞推进部分推入缸筒12，端部橡胶隔板11沿导杆10向右滑动，嵌入缸筒12左端紧密接触并固定，实现油缸左端密封。缸筒12右端焊接在右侧的带孔连接板17上。以上形成了粘滞耗能器。
进一步，球笼式碗形万向节球形内扣设计，区别于现有铰接构造形式，同时设有转动控制阈值，钢球(6)、星形套(7)和球形壳(8)之间为粗糙接触，接触面摩擦系数由抗震需求确定，仅当地震作用下引起相对转动的扭转力大于其接触面的最大静摩擦力时，才可实现任意角度和方位的转动。
进一步，整体耗能原理：该新型连接件可以实现两阶段减震设计，经济可靠，即在小震作用下，由于钢球(6)、星形套(7)和球形壳(8)之间的最大静摩擦力大于发生相对转动所需扭转力的阈值，连接件不工作，保证隔墙的建筑功能；中震、大震下，钢球(6)、星形套(7)和球形壳(8)之间的最大静摩擦力小于发生相对转动扭转力的阈值，连接件实现相对转动，隔墙形成分散的局部TMD，实现非结构构件耗能减震。
万向节扭转阈值的实现方式，摩擦系数的实现：所述的球笼式碗形万向节区别于现有铰接构造形式，设有转动控制阈值，钢球(6)、星形套(7)和球形壳(8)材料采用钢材，他们之间为粗糙接触，接触面摩擦系数由抗震需求确定，通过改变接触面的粗糙程度实现所需摩擦系数，仅当地震作用下引起相对转动的扭转力大于其接触面的最大静摩擦力时，才可实现任意角度和方位的转动。
进一步，从动轴1为圆钢杆，钢杆右端预留卡槽。所述外罩3左侧为圆钢管，其内径与从动轴1外径一致，圆钢管内壁预开卡槽，与从动轴1实现啮合。
进一步，星形套7为带齿套件，齿与齿之间为曲面过渡，所述的球形壳8内壁上预留曲面凹槽，其弧度和位置与星形套7预留曲面的弧度和位置一致。
进一步，球笼4为一个圆形钢圈，钢圈均匀分布方孔，方孔内径满足钢球6的正常转动需要，其位置星形套7预留曲面的位置一致。为现有技术构造。
进一步，如图6所示，带阻尼孔活塞14其中心预留导杆10的安装孔位，中心对称分布若干个阻尼孔。
进一步，如图7所示，端部橡胶隔板11的中心预留导杆10的活动孔位，中心对称分布若干个凹槽，位置及数量与带阻尼孔活塞14阻尼孔的位置一致。
进一步，如图8所示，连接板17为正方形钢板，钢板上预开与梁、柱连接用的螺栓孔，通过螺栓可实现连接件与结构(如：梁、柱)连接。
进一步，如图1所示，左侧粘滞耗能器的导杆10和球笼式碗形万向节的从动轴1焊接连接，右侧粘滞耗能器的导杆10和球笼式碗形万向节的球形壳8焊接连接。左右耗能器可根据需求选择合适的阻尼耗能器(如速度型阻尼器、位移型阻尼器)，为了保证左右侧工作同步性，左右侧应采取同样的耗能器。且在安装时，应该保证三个部分的轴线在同一直线上。以上形成任意角度转动的隔墙与框架耗能减震连接构件，通过高强螺栓与隔墙及结构梁、柱框架连接(为保证视图简洁，说明书中的示意图没有显示螺栓，高强螺栓为普通建筑用高强螺栓即可)。
图1是全新的设计，工作机制如下：该装置安装在建筑梁、柱框架与预制隔墙之间，不占用额外的建筑空间。将球笼式碗形万向节与粘滞耗能器结合，可以实现非结构构件消能减震。在万向节的转动具有扭转力阈值(即需扭转力达到一定设计值后，万向节才可发生相对转动)。该扭转力阈值的设计可以实现两阶段耗能减震，经济可靠：在小震作用下，扭转力小于扭转力阈值，万向节无法转动，从而连接件保持原有状态，保证建筑隔墙的稳定性，发挥其建筑功能；中震、大震作用下，构件扭转力超过阈值，连接件工作，万向节发生相对转动，使得预制隔墙与建筑的梁、柱之间可以相对运动，减轻结构重力荷载代表值，同时形成分散的局部TMD，实现非结构构件耗能减震。同时在预制隔墙相对梁、柱框架发生相对运动时，粘滞耗能器的活塞与缸筒之间会产生相对位移，形成的压力差挤压迫使粘滞流体材料从阻尼孔中通过，产生阻尼力并耗散能量，进一步达到耗能建筑的效果。
进一步，如图9、图10所示，新型任意角度转动的隔墙与框架耗能减震连接构件两端的连接板17通过高强螺栓分别与框架的梁、柱连接，隔墙与梁、柱之间的空隙采用轻质泡沫材料填充。
图11所示的力的传递途径及工作机制示意：
地震作用下：地震能量通过基础传递到建筑结构，导致结构的梁、柱产生变形。梁、柱之间的相对位移反应到耗能连接件上，体现为作用在耗能连接件上的扭转力。当该扭转力小于等于预设扭转力阈值时，无法触动万向节的转动机制，隔墙与梁柱之间保持刚性连接，维持隔墙的建筑功能；当该扭转力大于预设扭转力阈值时，触动万向节转动机制，隔墙与梁柱之间变为铰接，隔墙可以相对梁、柱发生位移，从而实现前述耗能减振的功能。
在本发明中，装置安装在建筑梁、柱框架与预制隔墙之间，不占用额外的建筑空间。将球笼式碗形万向节与粘滞耗能器结合，可以实现非结构构件消能减震。扭转力阈值的设计可以实现两阶段耗能减震，经济可靠：在小震作用下，连接件受力小于阈值，连接件不发生扭转变形，保证隔墙的建筑功能；中震、大震作用下，连接件受力大于阈值，连接件发生扭转变形，使得预制隔墙与建筑的梁、柱之间可以相对运动，减轻结构重力荷载代表值。此外预制隔墙相对梁、柱框架发生相对运动时，粘滞耗能器的活塞与缸筒之间产生相对位移，形成的压力差挤压迫使粘滞流体材料从阻尼孔中通过，产生阻尼力并耗散能量。因此中震、大震下预制墙板可以成为质量块并与黏滞耗能器形成分散的局部TMD，实现非结构构件耗能减震。本发明设计易于安装，在大震作用后易于更换。隔墙的预制化加工及安装，有效地保障隔墙质量的统一，提高施工速度和构件的标准化程度。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (1)
1.一种任意角度转动的隔墙与框架耗能减震连接构件，其特征在于：包括左端从动部分粘滞耗能器、中间连接用的球笼式碗形万向节、另一侧粘滞耗能器，其中：
所述球笼式碗形万向节包括从动轴(1)、第一钢带箍(2)、外罩(3)、球笼(4)、第二钢带箍(5)、钢球(6)、星形套(7)、球形壳(8)、卡环(9)，从动轴(1)右端与外罩(3)左端相连接，并由第一钢带箍(2)约束固定该处连接，球笼(4)、钢球(6)和星形套(7)由球形壳(8)左侧放入球形壳(8)碗形凹口中构成球笼式碗形万向节转动部分，外罩(3)右端与上述转动部分的球形壳(8)左端连接，在外罩(3)与星形套(7)之间设有卡环(9)，并由第二钢带箍(5)约束固定该处连接；
两个粘滞耗能器，包括导杆(10)、端部橡胶隔板(11)、缸筒(12)、粘滞流体(13)、带阻尼孔活塞(14)、橡胶缓冲垫(15)、T形钢隔板(16)、连接板(17)；带阻尼孔活塞(14)固定在导杆(10)右端，橡胶缓冲垫(15)左侧部分固定在带阻尼孔活塞(14)右端侧面中心，构成活塞推进部分； 缸筒(12)右端与T形钢隔板(16)焊接，橡胶缓冲垫(15)右侧部分固定于T形钢隔板(16)中心，实现油缸右端密封；粘滞流体(13)由缸筒(12)的左侧端口注入，将上述活塞推进部分的导杆(10)的左端由端部橡胶隔板(11)预留孔穿出，并将上述活塞推进部分推入缸筒(12)，端部橡胶隔板(11)沿导杆(10)向右滑动，嵌入缸筒(12)左端紧密接触并固定，实现油缸左端密封；缸筒(12)右端焊接在右侧的带孔连接板(17)上；
左侧粘滞耗能器的导杆(10)和球笼式碗形万向节的从动轴(1)焊接连接，右侧粘滞耗能器的导杆(10)和球笼式碗形万向节的球形壳(8)焊接连接，保证三个部分的轴线在同一直线上；以上形成任意角度转动的隔墙与框架耗能减震连接构件，通过高强螺栓与梁、柱框架连接；
进一步，所述球笼式碗形万向节可实现两阶段减震设计，在小震作用下，钢球(6)、星形套(7)和球形壳(8)之间的最大静摩擦力大于发生相对转动所需扭转力的阈值，连接件不工作，保证隔墙的建筑功能；中震、大震下，钢球(6)、星形套(7)和球形壳(8)之间的最大静摩擦力小于发生相对转动扭转力的阈值，连接件实现相对转动，实现非结构构件耗能减震；
进一步，所述球笼式碗形万向节采用球形内扣设计并设有转动控制阈值，钢球(6)、星形套(7)和球形壳(8)之间为粗糙接触，接触面摩擦系数由抗震需求确定，仅当地震作用下引起相对转动的扭转力大于其接触面的最大静摩擦力时，才可实现任意角度和方位的转动。
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