CN112523376B - 利用齿轮放大位移及滑轮开启拉索的自复位复合耗能支撑 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用齿轮放大位移及滑轮开启拉索的自复位复合耗能支撑，由齿轮、锯齿形金属条、滑轮、高强钢丝拉索、粘弹性阻尼器、屈曲约束支撑以及金属橡胶耗能装置共同组成。在小震作用下，小齿轮与锯齿形金属条未接触，由粘弹性阻尼器发挥耗能作用。在中震或大震作用下，小齿轮与锯齿形金属条咬合，带动齿轮和滑轮发生转动，使高强钢丝拉索被拉紧并对其施加拉力，使高强钢丝拉索发挥与预应力筋相同的作用，从而实现自复位的目的。采用不同直径的齿轮进行组合，能够对位移进行放大，使高强钢丝拉索受到更大的拉力，使其具有较强的自复位能力。本发明装置能在不同强度的地震下耗能减震并能够在中、大震条件下自复位，保护主体结构安全。

Description

利用齿轮放大位移及滑轮开启拉索的自复位复合耗能支撑

技术领域

本发明涉及一种利用齿轮放大位移及滑轮开启拉索的自复位复合耗能支撑，本发明属于土木工程领域抗震、减震技术领域。

背景技术

建筑结构在地震作用下不可避免的会产生不同程度的损伤。为降低建筑结构在地震作用下的损伤，减少因结构损伤造成的人员伤亡和经济损失，目前主要用两种方法提高建筑结构的抗震能力。一是在建筑设计时提供给建筑结构更多的安全储备，使结构具有更大的刚度和抗震能力。二是在建筑结构主体上设置耗能减震装置，通过耗能减震装置耗散地震能量，降低结构在地震下的反应，减小结构的损伤。对于既有建筑结构而言，在主体结构上设置耗能减震装置是降低结构损伤的最有效途径。

常见的耗能减震装置有摩擦耗能器、金属耗能器、粘弹性耗能器、粘滞性耗能器、智能材料耗能器等。由于不同的耗能机理，各类耗能减震装置具有各自的缺陷和不足，因此在地震作用下表现出不同的耗能能力。如摩擦耗能器难以在地震作用下实现自复位，金属阻尼器通过金属屈服耗散地震能量无法重复使用，粘滞性耗能器牵引吨位过大在小震下无法发挥耗能减震作用，智能材料耗能器的制造成本较大无法广泛使用等。相比于单一使用某种耗能减震装置，将多种耗能减震装置进行组合进行复合耗能减震能够取长补短，在地震作用下表现出更加优异的耗能减震能力。

此外，具有自复位功能的耗能减震装置能够在地震作用下将建筑结构恢复至原始位置，避免建筑结构出现明显的残余位移。而目前能够实现自复位功能的材料和装置类型较少且形式单一，常见的包括记忆合金SMA、金属弹簧和预应力筋等。其中，设置预应力筋是最常采用的自复位方式。而预应力筋的自复位能力主要取决于施加在钢筋上的预应力大小，一旦地震作用超过预应力筋的阈值时，预应力筋就难以发挥自复位功能。在小震作用下，建筑结构的损伤轻微，其自身也具备一定自复位能力；而在中大震下始终让耗能减震装置与自复位装置共同作用，将显著削弱前者的充分耗能能力，导致结构虽然能够自复位但减震性能被迫降低。因此探讨在中、大震作用下如何实现确保减震性能的自复位具有更加重大的意义。

有鉴于此，为了控制建筑结构在震后的残余位移，实现建筑结构在中、大震下的自复位，本发明提出一种利用齿轮放大位移及滑轮开启拉索的自复位复合耗能支撑。该发明在小震作用下由粘弹性阻尼器发挥耗能减震作用，并通过建筑结构自身的恢复能力恢复至原始位置。在中、大震作用下通过齿轮和锯齿形金属条之间的咬合来带动齿轮转动实现位移放大并根据放大之后的位移量给高强钢丝拉索施加拉力，使高强钢丝拉索具有自复位功能，并由粘弹性阻尼器、屈曲约束支撑和金属橡胶耗能装置三者共同发挥复合耗能减震作用。

发明内容

为解决上述问题，本发明基于位移放大原理和自复位原理提出一种利用齿轮放大位移及滑轮开启拉索的自复位复合耗能支撑。该发明具有形式新颖，制作简单，造价低廉，安装方便，分级耗能减震以及中、大震下能够自复位的优点。在小震作用下，仅通过粘弹性阻尼器进行耗能减震。在中、大震作用下由小齿轮和锯齿形金属条之间的咬合带动齿轮转动进行位移放大并给高强钢丝拉索施加拉力使高强钢丝拉索具有自复位功能，并由粘弹性阻尼器、屈曲约束支撑和金属橡胶耗能装置共同发挥复合耗能减震作用。

为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

利用齿轮放大位移及滑轮开启拉索的自复位复合耗能支撑，该复合耗能支撑主要包括锯齿形金属条1、小齿轮2、大齿轮3、超大齿轮4、滑轮5、高强度金属板6、长方形金属板7、粘弹性材料8、屈曲约束支撑9、高强金属圆板10、高强金属短柱11、金属橡胶圆垫块12、高强金属圆筒13、铰支座14、高强钢丝拉索15、螺栓16、螺帽17、金属橡胶圆环18、连接件19、连接头20、限位挡板21。

由齿轮和滑轮5共同组成的位移放大及开启拉索装置位于粘弹性阻尼器内部中心，粘弹性阻尼器由两块上下设置的高强度金属板6、长方形金属板7和粘弹性材料8共同组成，粘弹性阻尼器由两块上下设置的高强度金属板6、长方形金属板7和粘弹性材料8共同组成，地震发生时分别与两块上下设置的高强度金属板6焊接的各个长方形金属板7之间发生错动，使附着在长方形金属板7侧面上的粘弹性材料8产生剪切变形，发挥耗能作用；梁通过螺栓16与粘弹性阻尼器最上侧的高强度金属板6连接，铰支座与梁柱之间由螺栓进行连接，使齿轮及滑轮5能够绕螺栓轴转动；高强钢丝拉索15一端穿过屈曲约束支撑9内部的预制管道以及粘弹性阻尼器下部的高强度金属板6上的长方形预留洞口与滑轮5相连，高强钢丝拉索15另一端通过螺帽17与屈曲约束支撑9连接；预留长方形洞口的高强度金属板6上表面左右两侧分别焊有一块限位挡板21，高强度金属板6下底面两侧分别与连接头20焊接；屈曲约束支撑9一端与连接件19焊接，屈曲约束支撑9另一端与一块开有螺栓孔的高强度金属圆板10焊接；连接件19通过螺栓16与连接头20进行连接；金属橡胶耗能装置的一端也焊有一块开有螺栓孔的高强度金属圆板10并通过螺栓16与屈曲约束支撑一端焊接的高强度金属圆板10进行连接，金属橡胶耗能装置的另一端与连接件19焊接并通过螺栓与铰支座14连接。

位移放大及开启拉索装置由小齿轮2、大齿轮3、超大齿轮4和滑轮5共同组成，齿轮和滑轮5的材质为高强度钢材或其它高强度合金，小齿轮2、大齿轮3和超大齿轮的半径之比在1:1.5:2~1:6:9之间。其中两个完全相同的大齿轮3分别置于小齿轮2的两侧面并以焊接的方式固定为一个整体，两个完全相同的超大齿轮4分别置于滑轮5的两侧面并以焊接的方式固定为一个整体。

锯齿形金属条1的材质为高强度钢材，其焊接于粘弹性阻尼器上部高强度金属板6的下底面的中间位置，锯齿形金属条1与小齿轮2相隔一定间距，两者水平相切，当锯齿形金属条1和小齿轮2相互咬合时，随锯齿形金属条1的移动带动小齿轮2转动，从而使焊在小齿轮侧面上的大齿轮3也随之转动。

超大齿轮4左右两边分别与大齿轮3相切，确保超大齿轮4在地震作用下能够发生转动并带动滑轮5转动，从而开启置于屈曲约束支撑9内部预制管道中的高强钢丝拉索15，使其具有和预应力筋相同的自复位功能。高强钢丝拉索15由高强钢丝编制而成，拉索半径在5mm~40mm之间。

粘弹性阻尼器由两块高强度金属板6、长方形金属板7和粘弹性材料8共同组成，在地震发生时分别与两块高强度金属板6焊接的长方形金属板7之间发生错动，从而使附着在长方形金属板7侧面上的粘弹性材料8产生变形，发挥耗能作用。

金属橡胶耗能装置由高强度金属圆板10、高强度金属短柱11、高强度金属圆筒13、金属橡胶圆垫块12、金属橡胶圆环18共同组成，金属橡胶圆垫块12置于高强度金属圆筒13内部，高强度金属短柱11一端的侧面上套有金属橡胶圆环18并与一块未开螺栓孔的高强度金属圆板10焊接，另一端穿过高强度金属圆筒13上顶面的圆孔与一块开有螺栓孔的高强度金属圆板10焊接，金属橡胶圆环18的外径和未开螺栓孔的高强度金属圆板10的直径均为高强度金属圆筒13上顶面圆孔的直径的1.1~1.5倍，从而具有限位作用。

焊接在开有长方形洞口的高强度金属板6上表面左右两侧的限位挡板21能够对粘弹性阻尼器的最大变形量进行限制，当建筑结构的地震响应较大时，限位挡板21对粘弹性阻尼器的最大错动量进行限制并使屈曲约束支撑和金属橡胶耗能装置进入工作状态。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、利用齿轮放大位移及滑轮开启拉索的自复位复合耗能支撑通过螺栓与主体结构相连，占用空间较少，不影响建筑结构的正常功能和正常使用。

2、利用齿轮放大位移及滑轮开启拉索的自复位复合耗能支撑的位移放大和开启拉索装置形式新颖，构造简单，通过不同直径的齿轮实现位移放大，并通过滑轮开启拉索，使高强钢丝拉索具有自复位能力。

3、利用齿轮放大位移及滑轮开启拉索的自复位复合耗能支撑通过限位挡板实现分级耗能减震的目的，在小震作用下仅由粘弹性阻尼器发挥耗能减震作用，在中、大震作用下由限位挡板带动屈曲约束支撑和金属橡胶耗能装置与粘弹性阻尼器共同发挥耗能减震作用。

4、利用齿轮放大位移及滑轮开启拉索的自复位复合耗能支撑通过高强钢丝拉索能够实现在中、大震条件下帮助建筑结构自动复位的目的，减小建筑结构在中、大震作用下的残余位移。

5、利用齿轮放大位移及滑轮开启拉索的自复位复合耗能支撑构造简单，施工方便，与其他类型的耗能减震装置相比制造成本较低。

附图说明

图1是利用齿轮放大位移及滑轮开启拉索的自复位复合耗能支撑的内部构造详图。

图2是利用齿轮放大位移及滑轮开启拉索的自复位复合耗能支撑的布置效果图。

图3是小齿轮与大齿轮的焊接效果图。

图4是滑轮与大齿轮的焊接效果图。

图5是位移放大和开启拉索装置的布置详图。

图6是粘弹性阻尼器三维效果图。

图7是粘弹性阻尼器的侧视图。

图8是金属橡胶耗能装置的三维效果图。

图9是高强钢丝拉索的截面图。

图10是中、大震作用下位移放大和开启拉索装置的状态图。

图11是本发明装置在不同状态下发挥耗能减震作用的滞回曲线图。

图中：1—锯齿形金属条、2—小齿轮、3—大齿轮、4—超大齿轮、5—滑轮、6—高强度金属板、7—长方形金属板、8—粘弹性材料、9—屈曲约束支撑、10—高强度金属圆板、11—高强度金属短柱、12—金属橡胶圆垫块、13—高强度金属圆筒、14—铰支座、15—拉索、16—螺栓、17—螺帽、18—金属橡胶圆环、19—连接件、20—连接头、21—限位挡板。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，是利用齿轮放大位移及滑轮开启拉索的自复位复合耗能支撑的实施例，其主要包括：锯齿形金属条1、小齿轮2、大齿轮3、超大齿轮4、滑轮5、高强度金属板6、长方形金属板7、粘弹性材料8、屈曲约束支撑9、高强金属圆板10、高强金属短柱11、金属橡胶圆垫块12、高强金属圆筒13、铰支座14、高强钢丝拉索15、螺栓16、螺帽17、金属橡胶圆环18、连接件19、连接头20、限位挡板21。

具体实施步骤如下：

1）为提高某一栋6层钢筋混凝土框架结构的抗震性能，降低该框架结构在地震作用下的响应并希望能够有效降低建筑结构在震后的残余位移，因此在此框架结构的梁、柱构件间布置本发明的一种利用齿轮放大位移及滑轮开启拉索的自复位复合耗能支撑。

2）如图3、4所示，在半径为15mm的小齿轮的两个侧面分别焊有半径为35mm的大齿轮，同时确保三个齿轮的圆心处于同一转动轴上；在半径为30mm的滑轮的两侧面分别焊有半径为40mm的超大齿轮，并确保焊接时两个超大齿轮的圆心和滑轮的圆心处于同一转动轴上。

3）在长宽分别为400mm、80mm的高强度金属板的中间位置沿长边方向焊接3条锯齿形金属条，其中居中的锯齿形金属条长度为160mm，靠边的锯齿形金属条长度为40mm；如图5所示，将焊接好的大齿轮和超大齿轮放置在相邻锯齿形金属条之间，并保证小齿轮与锯齿形金属条相切，以确保小齿轮和锯齿形金属条之间能够咬合。同时，高强度金属板通过螺栓与梁进行连接。

4）将半径为10mm的高强钢丝拉索的一端与滑轮焊接后，在齿轮的两个侧面上分别覆上一块长方形金属板，并用螺栓穿过长方形金属板以及齿轮、滑轮的轴心以固定齿轮和滑轮的轴心，确保齿轮和滑轮能够绕螺栓轴转动。将这两块长方形金属板的底面与另一块中心沿长边方向开有两个长方形洞口的高强度金属板焊接，并在两块长方形金属板的侧面放置粘弹性材料后分别贴上一块长方形金属板，并将长方形金属板的上顶面与焊有锯齿形金属条的长方形金属板进行焊接，随后在长方形金属板的侧面由继续设置粘弹性材料和新的长方形金属板，并将长方形金属板与开有空口的高强度金属板进行焊接。由此，粘弹性阻尼器完成组装，组装好的粘弹性阻尼器如图6、7所示。最后，在开有长方形洞口的长方形金属板的上表面平行于短边方向的两侧分别焊接一块限位挡板，对粘弹性阻尼器的最大错动量进行限制。

5）将屈曲约束支撑的一端与连接件焊接，将屈曲支撑的另一端与开有螺栓孔的高强度金属板进行焊接。高强钢丝拉索穿过高强度金属板上的长方形洞口以及屈曲约束支撑内部的预制孔道后用螺帽进行固定。

6）在开有长方形洞口的高强度金属板的下底面的两侧分别焊上连接头，并用螺栓将连接头以及与屈曲约束支撑焊接的连接件进行连接。

7）半径为40mm高强金属短柱的一端与一块半径为58mm的高强金属圆板焊接，并在高强金属短柱的侧面套上内半径为40mm、外半径为58mm的金属橡胶圆环。将高强金属短柱套有金属橡胶圆环和焊有高强金属圆板的一端放置于上顶面开有半径为41mm、内径为60mm的高强金属圆筒内，并在高强金属圆筒内部放置一块半径为58mm的金属橡胶圆垫块，使高强金属圆板和金属橡胶圆垫块相接触。高强金属短柱的另一端与另一块开有螺栓孔的高强金属圆板焊接，高强金属圆板的中心开有直径比螺帽略大的洞口，使螺帽能够放置于洞口内。

8）分别与屈曲约束支撑以及高强金属短柱焊接的高强金属圆板之间通过螺栓进行连接。

9）将高强金属圆筒的下底面与连接件进行焊接，同时连接件和铰支座之间通过螺栓进行连接，铰支座与梁柱之间也由螺栓进行连接。至此，本发明的利用齿轮放大位移及滑轮开启拉索的自复位复合耗能支撑布置完成。

在本实例中，布置利用齿轮放大位移及滑轮开启拉索的自复位复合耗能支撑的框架结构在遭遇小震时，通过螺栓与梁锚固的高强度金属板及长方形金属板和锯齿形金属条随梁一起发生位移，但锯齿形金属条与小齿轮之间尚未接触，仅是长方形金属板与粘弹性材料之间发生错动，从而由粘弹性阻尼器发挥耗能减震作用。在中、大震作用下，锯齿形金属条和小齿轮接触并相互咬合，随着锯齿形金属条的移动带动小齿轮以及焊接在小齿轮侧面上的大齿轮发生转动，并使超大齿轮和滑轮也随之转动，从而实现位移放大并开启拉索，施加给高强钢丝拉索较大的拉力，使其具有自复位功能。在此过程中，先由粘弹性阻尼器发挥耗能减震作用，当长方形金属板与限位挡板接触后，由粘弹性阻尼器、屈曲约束支撑以及金属橡胶耗能装置共同发挥耗能减震作用，并通过受到较强拉力的高强钢丝拉索帮助框架结构实现自复位，减小结构的震后残余位移。

以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。

Claims (2)

1.利用齿轮放大位移及滑轮开启拉索的自复位复合耗能支撑，其特征在于：由齿轮和滑轮（5）共同组成的位移放大及开启拉索装置位于粘弹性阻尼器内部中心，粘弹性阻尼器由两块上下设置的高强度金属板（6）、长方形金属板（7）和粘弹性材料（8）共同组成，地震发生时分别与两块上下设置的高强度金属板（6）焊接的各个长方形金属板（7）之间发生错动，使附着在长方形金属板（7）侧面上的粘弹性材料（8）产生剪切变形，发挥耗能作用；粘弹性阻尼器下部的高强度金属板（6）上预留长方形洞口；梁通过螺栓（16）与粘弹性阻尼器上侧的高强度金属板（6）连接，铰支座与梁柱之间由螺栓进行连接；长方形金属板（7）设置在齿轮的两个侧面上，螺栓穿过长方形金属板（7）以及齿轮、滑轮的轴心并固定，使齿轮及滑轮（5）能够绕螺栓轴转动；高强钢丝拉索（15）一端穿过屈曲约束支撑（9）内部的预制管道以及粘弹性阻尼器下部的高强度金属板（6）上的长方形洞口与滑轮（5）相连，高强钢丝拉索（15）另一端通过螺帽（17）与屈曲约束支撑（9）连接；预留长方形洞口的高强度金属板（6）上表面左右两侧分别焊有一块限位挡板（21），高强度金属板（6）下底面两侧分别与连接头（20）焊接；屈曲约束支撑（9）一端与连接件（19）焊接，屈曲约束支撑（9）另一端与一块开有螺栓孔的高强度金属圆板（10）焊接；连接件（19）通过螺栓（16）与连接头（20）进行连接；金属橡胶耗能装置的一端也焊有一块开有螺栓孔的高强度金属圆板（10）并通过螺栓（16）与屈曲约束支撑一端焊接的高强度金属圆板（10）进行连接，金属橡胶耗能装置的另一端与连接件（19）焊接并通过螺栓与铰支座（14）连接；锯齿形金属条（1）焊接于粘弹性阻尼器上部的高强度金属板（6）的下底面的中间位置；锯齿形金属条（1）与小齿轮（2）相隔一定间距，锯齿形金属条（1）与小齿轮（2）水平相切，当锯齿形金属条（1）和小齿轮（2）相互咬合时，随锯齿形金属条（1）的移动带动小齿轮（2）转动，从而使焊在小齿轮侧面上的大齿轮（3）也随小齿轮（2）转动；

超大齿轮（4）左右两边分别与大齿轮（3）相切，确保超大齿轮（4）在地震作用下能够发生转动并带动滑轮（5）转动，从而开启置于屈曲约束支撑（9）内部预制管道中的高强钢丝拉索（15），高强钢丝拉索（15）由高强钢丝编制而成；

位移放大及开启拉索装置由小齿轮（2）、大齿轮（3）、超大齿轮（4）和滑轮（5）共同组成，齿轮和滑轮（5）的材质为高强度钢材，小齿轮（2）、大齿轮（3）和超大齿轮的半径之比在1:1.5:2~1:6:9之间；两个大齿轮（3）分别置于小齿轮（2）的两侧面并以焊接的方式固定为一个整体，两个超大齿轮（4）分别置于滑轮（5）的两侧面并以焊接的方式固定为一个整体；

金属橡胶耗能装置由高强度金属圆板（10）、高强度金属短柱（11）、高强度金属圆筒（13）、金属橡胶圆垫块（12）、金属橡胶圆环（18）共同组成，金属橡胶圆垫块（12）置于高强度金属圆筒（13）内部，高强度金属短柱（11）一端的侧面上套有金属橡胶圆环（18）并与一块未开螺栓孔的高强度金属圆板（10）焊接，高强度金属短柱（11）另一端穿过高强度金属圆筒（13）上顶面的圆孔与一块开有螺栓孔的高强度金属圆板（10）焊接，金属橡胶圆环（18）的外径和未开螺栓孔的高强度金属圆板（10）的直径均为高强度金属圆筒（13）上顶面圆孔的直径的1.1~1.5倍；

焊接在开有长方形洞口的高强度金属板（6）上表面左右两侧的限位挡板（21）能够对粘弹性阻尼器的最大变形量进行限制，当建筑结构的地震响应较大时，限位挡板（21）对粘弹性阻尼器的最大错动量进行限制并使屈曲约束支撑和金属橡胶耗能装置进入工作状态。

2.根据权利要求1所述的利用齿轮放大位移及滑轮开启拉索的自复位复合耗能支撑，其特征在于：在小震作用下，锯齿形金属条（1）与小齿轮（2）未接触，仅由粘弹性阻尼器发挥耗能减震效果；在中、大震作用下锯齿形金属条（1）与小齿轮（2）相互咬合带动齿轮发生转动，从而使高强钢丝拉索（15）具有自复位功能，由粘弹性阻尼器、屈曲约束支撑和金属橡胶耗能装置也能同时发挥耗能减震作用。

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