CN112647610A - 一种装配式竹节型消能减震装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装配式竹节型消能减震装置及其使用方法，该装置包括布置在两端的带有圆环接口的端部构件和布置在中间的标准构件，结构受外力作用下使锥体进入胀环与胀环发生摩擦耗能，同时胀环发生薄壁扩张消耗能量，在耗能过程中通过利用限位螺栓进行限位，控制整个装置的移动距离以此保证胀环变形发生在弹性范围内，装置在相邻标准构件之间配有自复位装置，使整个装置在完成传力耗能后可自行恢复至初始位置。本装置通过锥体与胀环之间摩擦以及胀环的扩张来实现耗能减震，通过螺栓限位措施保证整个装置在地震作用下的传力；所有构件可提前在工厂加工制造，现场装配；具有结构简单合理、便于拆装、使用寿命长、生产方便、效率高等优点。

Description

一种装配式竹节型消能减震装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种装配式竹节型消能减震装置及其使用方法，属于消能减震装置领域。

背景技术

装配式是以预支构件为主要受力构件经装配、连接而成的结构。装配式符合我国提出的资源节约、环境友好的社会要求，是实现建筑节能减排及住宅产业化的有效途径之一。近年来，国家对装配式结构的政策导向和优惠政策陆续出台，它有利于我国建筑工业化的发展，并且有利于提高和保证建筑工程质量，与现浇施工工法相比，装配式有利于绿色施工，因为装配式施工更能符合绿色施工的节地、节能、节水、节材和环境保护等要求，降低对环境的负面影响，包括降低噪音、防止扬尘、减少环境污染、清洁运输，遵循可持续发展的原则。于此同时，随着科技的进步与人民对美好生活的不断追求，建筑结构也向着更高更大更舒适的方向不断发展，这就要求对建筑结构耗能减震措施提出更加高效、更加便捷的要求，对比各种耗能措施中，胀环式耗能减震利用金属薄壁管扩胀变形进行缓冲吸能，与其它类型的缓冲器相比具有易于加工、调整方便、工作稳定和使用范同广等优点。而现阶段胀环式缓冲装备在机械和建筑领域则少之又少，将胀环与装配式相结合更是从未有过。

发明内容

本发明旨在提供一种装配式竹节型消能减震装置及其使用方法。本发明通过锥体进入胀环使胀环扩张以及锥体与胀环摩擦耗能来消耗能量。

本发明提供了一种装配式竹节型消能减震装置，包括布置在两端的带有圆环接口的端部构件和布置在中间的标准构件，端部构件为一金属套筒并配有圆环接口便于与其他装置相连接，所述标准构件由带有卡位槽和限位杆的锥体以及带有限位螺栓的胀环构成；锥体外由胀环紧贴包裹，由于限位杆、限位螺栓以及胀环的紧贴包裹，使锥体和胀环形成一个整体共同作用所述锥体中部为圆柱结构，端部为圆台形，圆台形外侧的斜面为阶梯型斜面（变截面部分）；

胀环由内、外两部分组成，内、外胀环通过垫片与连接螺栓组成一整体；外侧胀环上设有限位螺栓，与锥体的限位杆构成限位装置，其中当限位螺栓位于初始位置及居中时，限位螺栓和限位杆的距离与锥体阶梯型斜面的水平长度相等，距离为L3；在相邻标准构件之间配有自复位装置，使整个装置在完成传力耗能后可自行恢复至初始位置，减少人工操作，使用更加便捷。

所述装置受外力作用下使锥体进入胀环，与胀环发生摩擦耗能，同时胀环发生薄壁扩张消耗能量，在耗能过程中通过利用限位螺栓与限位杆进行限位，控制整个装置的移动距离以此保证胀环变形发生在弹性范围内。

进一步地，端部构件在与标准构件相连部分设有一螺栓孔，当其与标准构件的锥体相连接时，通过固定螺栓穿过端部构件的螺栓孔与标准构件的卡位槽相嵌，使其成为一个整体，达到传力作用。

阶梯型斜面所在面与水平面的夹角α不超过5°，斜面长度根据需要以及构筑物尺寸进行设计，并进行工厂加工。

在相邻锥体之间安装复位装置，由于限位杆与限位螺栓、卡位槽与固定螺栓的限位固定作用，将复位装置限制在两锥体之间，再通过与锥体的机械连接，保证复位装置与相邻锥体的紧固连接。当装置在地震或外力作用下锥体发生移动，可根据复位装置进行设置，当受压或者受拉达到最大位移时即胀环上的螺栓移动距离达到L3时，可启动复位装置，使结构恢复到初始状态。

锥体与胀环发生摩擦耗能，相对于传统斜截面锥体而言，本结构采用了阶梯型斜面，以逐层扩张的方式代替传统的扩张方式，并且在阶梯处胀环将进一步的受阻，伴随着逐层阻力，耗能也将逐渐增大。

本发明提供了上述装配式竹节型消能减震装置的安装方法，先将端部构件的螺栓孔与标准构件的卡位槽对齐，将固定螺栓插入其中固定，使其相嵌成为一个整体，其次将锥体左右伸长部分表面内附上一层内侧胀环，再分别在左右设置一垫片，此时用外侧胀环套入整个锥体，并在垫块处用连接螺栓固定，此后用自复位装置将当前锥体与下一个标准构件的锥体相连，并调整复位机制，最后将右侧的连接螺栓换成固定螺栓，以此类推，到装置最后部分将端部构件与固定螺栓相连，完成安装。

进一步地，根据装置传力移动的距离以及各个构件构造安装的要求，各构件的尺寸要求如下：L4＞L3，L5＞L3，H4＞H3＞H2＞H1，锥体阶梯型斜面的高度h1的为小变形，当夹角α≈0°时，S≈L1；

其中：L1为端部构件螺栓孔距端部的距离；L2为标准构件锥体端部到卡位槽的距离；L3为限位螺栓居中时到限位杆的距离；L4为锥体嵌入内侧胀环的距离；H1为锥体端部直径；H2为内侧胀环的内径；H3为锥体最大截面处直径；H4为外侧胀环的内径；S为锥体阶梯型斜面的长度；h1为锥体阶梯型截面总高度；α为阶梯型斜面所在面与水平面的夹角；L5为复位装置的最小安装距离。

本发明提供了上述装配式竹节型消能减震装置的使用方法，包括以下步骤：

当地震发生压力作用时，左侧端部构件会由于地震作用向标准构件方向移动，此时由于端部构件与标准构件通过固定螺栓紧固为一体，因此端部构件推动锥体向右侧移动，此时标准构件的锥体与右内侧胀环产生摩擦耗能，同时胀环由于材料的扩张变形而消耗大量能量，当锥体的阶梯型斜面与胀环相遇时，由于变截面的存在，整个结构的阻力将产生跳跃式增加，并伴随着大量能量消耗，随着移动范围的不断增加，当其移动距离达到L3时，由于外侧胀环上的限位螺栓与锥体的限位杆对整个装置移动距离的限制，使左侧端部构件与标准构件形成一个整体继续向右移动，以此类推，装置将发生竹节式的一节节压缩耗能；

当地震发生拉力作用时，左侧端部构件会由于地震作用向背离标准构件方向移动，此时由于端部构件与标准构件通过固定螺栓紧固为一体，因此端部构件拉动锥体向左侧移动，此时标准构件的锥体与左内侧胀环产生摩擦耗能，同时胀环由于材料的扩张变形而消耗大量能量，当锥体的阶梯型变截面与胀环相遇时，由于变截面的存在，整个结构的阻力将产生跳跃式增加，并伴随着大量能量消耗，随着移动范围的不断增加，当其移动距离达到L3时，由于外侧胀环上的限位螺栓与锥体的限位杆对整个装置移动距离的限制，使左侧端部构件与标准构件形成一个整体继续向左移动，以此类推，装置将发生竹节式的一节节拉伸耗能。

本发明提供了上述装配式竹节型消能减震装置的使用方法，在相邻标准构件之间安装复位装置，当装置在地震或外力作用下锥体发生移动，可根据复位装置进行设置，当受压或者受拉达到最大位移时即胀环上的螺栓移动距离达到L3时，可启动复位装置，使结构恢复到初始状态。

本发明的有益效果：

整个装置为装配式结构，且仅有两种构件组成，分别为端部构件和标准构件，且尺寸有统一标准，便于工厂加工成产，便于现场安装与更换构件，提高生产效率，更符合绿色施工的节能、节材要求，是重要的发展趋势。

附图说明

图1为装配式竹节型消能减震装置整体示意图；

图2为装配式竹节型消能减震装置端部构件示意图；

图3为装配式竹节型消能减震装置标准构件示意图；

图4为装配式竹节型消能减震装置阶梯型斜面的放大示意图；

图5为装配式竹节型消能减震装置受力状态示意图（初始状态—受压状态—受拉状态）；

图6为装配式竹节型消能减震装置尺寸对应图。

图中：1为圆环，2为固定螺栓，3为卡位槽，4为连接螺栓，5为限位螺栓，6为限位杆，7为锥体，8为自复位装置，9为垫块，10为左内侧胀环，11为右内侧胀环，12为阶梯型斜面，13为外侧胀环。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1~6所示，一种装配式竹节型消能减震装置，包括布置在两端的带有圆环接口1的端部构件和布置在中间的标准构件，端部构件为一金属套筒（由金属材料制成）并配有圆环接口，便于与其他装置相连接，

所述标准构件由带有卡位槽和限位杆6的锥体以及带有限位螺栓5的胀环构成；锥体外由胀环紧贴包裹，由于限位杆、限位螺栓以及胀环的紧贴包裹，使锥体和胀环形成一个整体共同作用；所述锥体中部为圆柱结构，端部为圆台形，圆台形外侧的斜面为阶梯型斜面12（变截面部分）；

胀环由内、外两部分组成，内、外胀环通过垫片9与连接螺栓4组成一整体；外侧胀环13上设有限位螺栓，与锥体的限位杆构成限位装置，其中当限位螺栓位于初始位置及居中时，限位螺栓和限位杆的距离与锥体阶梯型斜面的水平长度相等，距离为L3；在相邻标准构件之间配有自复位装置8，使整个装置在完成传力耗能后可自行恢复至初始位置，减少人工操作，使用更加便捷。

所述装置受外力作用下使锥体进入胀环，与胀环发生摩擦耗能，同时胀环发生薄壁扩张消耗能量，在耗能过程中通过利用限位螺栓与限位杆进行限位，控制整个装置的移动距离以此保证胀环变形发生在弹性范围内。

进一步地，端部构件在与标准构件相连部分L1处设有一螺栓孔，当其与标准构件的锥体7相连接时，通过固定螺栓2穿过端部构件的螺栓孔与标准构件的卡位槽3相嵌，使其成为一个整体，达到传力作用。

进一步地，阶梯型斜面所在面与水平面的夹角α不超过5°，斜面长度根据需要以及构筑物尺寸进行设计，并进行工厂加工。

在相邻锥体之间安装复位装置8，由于限位杆与限位螺栓、卡位槽与固定螺栓的限位固定作用，将复位装置限制在两锥体之间，再通过与锥体的机械连接，保证复位装置与相邻锥体的紧固连接。当装置在地震或外力作用下锥体发生移动，可根据复位装置进行设置，当受压或者受拉达到最大位移时即胀环上的螺栓移动距离达到L3时，可启动复位装置，使结构恢复到初始状态。

锥体与胀环发生摩擦耗能，相对于传统斜截面锥体而言，本结构采用了阶梯型斜面12，以逐层扩张的方式代替传统的扩张方式，并且在阶梯处胀环将进一步的受阻，伴随着逐层阻力，耗能也将逐渐增大。

本发明提供了上述装配式竹节型消能减震装置的安装方法，先将端部构件的螺栓孔与标准构件的卡位槽对齐，将固定螺栓插入其中固定，使其相嵌成为一个整体，其次将锥体左右伸长部分表面内附上一层内侧胀环，再分别在左右设置一垫片，此时用外侧胀环套入整个锥体，并在垫块处用连接螺栓固定，此后用自复位装置将当前锥体与下一个标准构件的锥体相连，并调整复位机制，最后将右侧的连接螺栓换成固定螺栓，以此类推，到装置最后部分将端部构件与固定螺栓相连，完成安装。

根据装置传力移动的距离以及各个构件构造安装的要求，各构件的尺寸要求如下：L4＞L3，L5＞L3，H4＞H3＞H2＞H1，锥体阶梯型斜面的高度h1的为小变形，当夹角α≈0°时，S≈L1；其中：L1为端部构件螺栓孔距端部的距离；L2为标准构件锥体端部到卡位槽的距离；L3为限位螺栓居中时到限位杆的距离；L4为锥体嵌入内侧胀环的距离；H1为锥体端部直径；H2为内侧胀环的内径；H3为锥体最大截面处直径；H4为外侧胀环的内径；S为锥体阶梯型斜面的长度；h1为锥体阶梯型截面总高度；α为阶梯型斜面所在面与水平面的夹角；L5为复位装置的最小安装距离。

本发明提供了上述装配式竹节型消能减震装置的使用方法，包括以下步骤：

当地震发生压力作用时，左侧端部构件会由于地震作用向标准构件方向移动，此时由于端部构件与标准构件通过固定螺栓紧固为一体，因此端部构件推动锥体7向右侧移动，此时标准构件的锥体7与右内侧胀环11产生摩擦耗能，同时胀环由于材料的扩张变形而消耗大量能量，当锥体的阶梯型斜面12与胀环相遇时，由于变截面的存在，整个结构的阻力将产生跳跃式增加，并伴随着大量能量消耗，随着移动范围的不断增加，当其移动距离达到L3时，由于外侧胀环13上的限位螺栓5与锥体的限位杆6对整个装置移动距离的限制，使左侧端部构件与标准构件形成一个整体继续向右移动，以此类推，装置将发生竹节式的一节节压缩耗能；

当地震发生拉力作用时，左侧端部构件会由于地震作用向背离标准构件方向移动，此时由于端部构件与标准构件通过固定螺栓紧固为一体，因此端部构件拉动锥体7向左侧移动，此时标准构件的锥体7与左内侧胀环10产生摩擦耗能，同时胀环由于材料的扩张变形而消耗大量能量，当锥体的阶梯型变截面12与胀环相遇时，由于变截面的存在，整个结构的阻力将产生跳跃式增加，并伴随着大量能量消耗，随着移动范围的不断增加，当其移动距离达到L3时，由于外侧胀环13上的限位螺栓5与锥体的限位杆6对整个装置移动距离的限制，使左侧端部构件与标准构件形成一个整体继续向左移动，以此类推，装置将发生竹节式的一节节拉伸耗能。

本发明提供了上述装配式竹节型消能减震装置的使用方法，在相邻标准构件之间安装复位装置8，当装置在地震或外力作用下锥体发生移动，可根据复位装置进行设置，当受压或者受拉达到最大位移时即胀环上的螺栓移动距离达到L3时，可启动复位装置，使结构恢复到初始状态。

Claims (8)

1.一种装配式竹节型消能减震装置，其特征在于：包括布置在两端的带有圆环接口的端部构件和布置在中间的标准构件，端部构件为一个配有圆环接口的金属套筒，便于与其他装置相连接；所述标准构件由带有卡位槽和限位杆的锥体以及带有限位螺栓的胀环构成；锥体外由胀环紧贴包裹，由于限位杆、限位螺栓以及胀环的紧贴包裹，使锥体和胀环形成一个整体共同作用；所述锥体中部为圆柱结构，端部为圆台形，圆台形外侧的斜面为阶梯型斜面；

胀环由内、外两部分组成，内、外胀环通过垫片与连接螺栓组成一整体；外侧胀环上设有限位螺栓，与锥体的限位杆构成限位装置，其中当限位螺栓位于初始位置及居中时，限位螺栓和限位杆的距离与锥体阶梯型斜面的水平长度相等；在相邻标准构件之间配有自复位装置，使整个装置在完成传力耗能后自行恢复至初始位置。

2.根据权利要求1所述的装配式竹节型消能减震装置，其特征在于：端部构件在与标准构件相连部分设有一螺栓孔，当其与标准构件的锥体相连接时，通过固定螺栓穿过端部构件的螺栓孔与标准构件的卡位槽相嵌，使其成为一个整体，达到传力作用。

3.根据权利要求1所述的装配式竹节型消能减震装置，其特征在于：阶梯型斜面所在面与水平面的夹角α不超过5°，斜面长度根据需要以及构筑物尺寸进行设计，并进行工厂加工。

4.根据权利要求1所述的装配式竹节型消能减震装置，其特征在于：在相邻锥体之间安装复位装置，由于限位杆与限位螺栓、卡位槽与固定螺栓的限位固定作用，将复位装置限制在两锥体之间，再通过与锥体的机械连接，保证复位装置与相邻锥体的紧固连接。

5.根据权利要求1所述的装配式竹节型消能减震装置，其特征在于：安装时，先将端部构件的螺栓孔与标准构件的卡位槽对齐，将固定螺栓插入其中固定，使其相嵌成为一个整体，其次将锥体左右伸长部分表面内附上一层内侧胀环，再分别在左右设置一垫片，此时用外侧胀环套入整个锥体，并在垫块处用连接螺栓固定，此后用自复位装置将当前锥体与下一个标准构件的锥体相连，并调整复位机制，最后将右侧的连接螺栓换成固定螺栓，以此类推，到装置最后部分将端部构件与固定螺栓相连，完成安装。

6.根据权利要求5所述的装配式竹节型消能减震装置，其特征在于：根据装置传力移动的距离以及各个构件构造安装的要求，各构件的尺寸要求如下：L4＞L3，L5＞L3，H4＞H3＞H2＞H1，锥体阶梯型斜面的高度h1的为小变形，当夹角α≈0°时，S≈L1；

其中：L1为端部构件螺栓孔距端部的距离；L2为标准构件锥体端部到卡位槽的距离；L3为限位螺栓居中时到限位杆的距离；L4为锥体嵌入内侧胀环的距离；H1为锥体端部直径；H2为内侧胀环的内径；H3为锥体最大截面处直径；H4为外侧胀环的内径；S为锥体阶梯型斜面的长度；h1为锥体阶梯型截面总高度；α为阶梯型斜面所在面与水平面的夹角；L5为复位装置的最小安装距离。

7.一种权利要求1~6任一项所述的装配式竹节型消能减震装置的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

当地震发生压力作用时，左侧端部构件会由于地震作用向标准构件方向移动，此时由于端部构件与标准构件通过固定螺栓紧固为一体，因此端部构件推动锥体向右侧移动，此时标准构件的锥体与右内侧胀环产生摩擦耗能，同时胀环由于材料的扩张变形而消耗大量能量，当锥体的阶梯型斜面与胀环相遇时，由于变截面的存在，整个结构的阻力将产生跳跃式增加，并伴随着大量能量消耗，随着移动范围的不断增加，当其移动距离达到L3时，由于外侧胀环上的限位螺栓与锥体的限位杆对整个装置移动距离的限制，使左侧端部构件与标准构件形成一个整体继续向右移动，以此类推，装置将发生竹节式的一节节压缩耗能；

当地震发生拉力作用时，左侧端部构件会由于地震作用向背离标准构件方向移动，此时由于端部构件与标准构件通过固定螺栓紧固为一体，因此端部构件拉动锥体向左侧移动，此时标准构件的锥体与左内侧胀环产生摩擦耗能，同时胀环由于材料的扩张变形而消耗大量能量，当锥体的阶梯型变截面与胀环相遇时，由于变截面的存在，整个结构的阻力将产生跳跃式增加，并伴随着大量能量消耗，随着移动范围的不断增加，当其移动距离达到L3时，由于外侧胀环上的限位螺栓与锥体的限位杆对整个装置移动距离的限制，使左侧端部构件与标准构件形成一个整体继续向左移动，以此类推，装置将发生竹节式的一节节拉伸耗能。

8.根据权利要求7所述的装配式竹节型消能减震装置的使用方法，其特征在于：在相邻标准构件之间安装复位装置，当装置在地震或外力作用下锥体发生移动，根据复位装置进行设置，当受压或者受拉达到最大位移时即胀环上的螺栓移动距离达到L3时，启动复位装置，使结构恢复到初始状态。

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