CN112681548A - 一种位移放大型多级软钢耗能自复位支撑 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种位移放大型多级软钢耗能自复位支撑，包括左右对称设置的两个约束端板，两个所述约束端板之间设有导向杆和与导向杆滑动配合的两个滑板，耗能钢板的左右两端分别与两个所述滑板的外沿铰接，所述耗能钢板呈向远离所述滑板轴线方向弯曲的拱形；两个所述滑板之间设有弹性复位系统，且其中一个所述滑板的外侧连接有加载端，所述加载端穿过此滑板所靠近的所述约束端板。本发明加工方便，易于安装即可作为附加耗能装置设置于结构之中，也可对现有结构进行后期加固；具有自复位和耗能双重系统，并且耗能装置具有位移放大功能，能够在低位移水平下产生阻尼耗能，提升该装置的减震耗能能力。

Description

一种位移放大型多级软钢耗能自复位支撑

技术领域

本发明涉及土木建筑结构技术领域，具体而言是一种位移放大型多级软钢耗能自复位支撑。

背景技术

地震以其突发性、不可预测性、强烈破坏性成为众多自然灾害中对人类威胁最大的灾害之一。强烈的破坏性地震使人类生命财产及自然资源受到了巨大的损失，很大程度上阻碍了社会经济的发展。

近年的研究表明，自复位耗能装置作为一种新型承载耗能构件，集复位和耗能双重功能于一身，不仅克服了传统支撑受压易屈曲的缺陷，也很好的解决了防屈曲耗能支撑屈服后残余变形较大的问题，可用于已有建筑的加固修复与新建建筑的防御加强。目前已有自复位装置，其耗能系统与复位系统连接复杂，耗能系统由于受到加载位移的限制无法更好的发挥其耗能能力。因此，开发一种具有自复位功能及位移放大耗能能力增强的减震装置，形成一种兼具较强耗能能力与复位能力于一体的新型支撑，通过在各种支撑结构中应用该支撑形式进行减震加固，使该结构体系具有更强的耗能能力，对降低结构残余变形快速恢复正常使用状态具有重要的意义。

发明内容

根据上述技术问题，而提供一种位移放大型多级软钢耗能自复位支撑。

本发明采用的技术手段如下：

一种位移放大型多级软钢耗能自复位支撑，包括左右对称设置的两个约束端板，两个所述约束端板之间设有两个滑板，所述约束端板和所述滑板的轴线重合；

围绕所述约束端板的轴线设有多个左右延伸的导向杆，且所述导向杆的左右两端分别与两个所述约束端板的外沿固定连接，且所述导向杆穿过所述滑板，所述滑板与所述导向杆滑动配合，所述滑板与所述滑板相靠近的所述约束端板之间设有固定在所述导向杆上的约束螺母；

围绕所述滑板的轴线设有多个左右延伸的耗能钢板，且所述耗能钢板的左右两端分别与两个所述滑板的外沿铰接，所述耗能钢板呈向远离所述滑板轴线方向弯曲的拱形；

两个所述滑板之间设有弹性复位系统，且其中一个所述滑板的外侧连接有加载端，所述加载端穿过此滑板所靠近的所述约束端板。

所述加载端为加载轴，所述加载轴的轴线与所述滑板的轴线重合，且所述加载轴靠近所述滑板的一端穿过两个所述滑板，且在两个所述滑板的外侧安装有限位螺母，所述弹性复位系统为弹簧，所述弹簧套设在所述加载轴位于两个所述滑板之间的部分上。

所述弹簧为组合碟簧、螺旋压缩弹簧或环簧。

所述约束端板和所述滑板均呈矩形，共具有四个所述导向杆，且四个所述导向杆分别布置在所述约束端板的四个角处，共具有四个耗能钢板，且四个所述耗能钢板分别位于所述弹性复位系统的前方、后方、上方和下方。

两个所述约束端板之间设有控制外筒，所述控制外筒的两端分别与两个所述约束端板固定连接，所述控制外筒的截面呈矩形，且所述控制外筒的侧壁与其所靠近的所述耗能钢板之间具有间距。

弹性复位系统上方和下方的所述耗能钢板与其所靠近的所述控制外筒的侧壁之间的所述间距相同；

弹性复位系统前方和后方的所述耗能钢板与其所靠近的所述控制外筒的侧壁之间的所述间距相同；

所述弹性复位系统上方和前方的所述耗能钢板与所靠近的所述控制外筒的侧壁之间的距离不同。

工作机理：该耗能装置首先对弹簧施加初始预压力，并确保弹簧初始预压力高于各耗能钢板横向弯曲变形屈服承载力之和，以便完成加载后支撑能够自行复位或仅具有较低残余变形；耗能钢板加载前处于微弯状态确保其变形过程中主要以横向外凸弯曲变形为主，通过调整耗能钢板和滑板的尺寸可设置横向变形放大倍数，此放大倍数随着加载位移的增大逐渐降低，但依据设计原则该放大倍数始终大于1，加载初期横向变形放大倍数获得最大值，该过程有效提升了钢板横向变形幅度，进而提升支撑的耗能能力。

加载过程中，加载控件带动滑板推动弹性复位系统发生弹性可恢复变形，耗能钢板两端铰接于滑板，由于受到导向杆上约束螺母作用，弹性复位系统仅能发生轴向压缩变形，耗能钢板在此过程中则受到两端的水平推力作用主要发生横向的弯曲变形，以此提高耗能钢板的横向变形并进行屈服耗能；低位移水平下耗能钢板主要发生弯曲变形，此时耗能钢板与控制外筒无接触，随着位移的增加其中一个方向耗能钢板与控制外筒接触，促使该方向耗能钢板弯压组合变形增强，屈服区域扩大，第一级耗能及承载力得到提高，随着位移的进一步加大，促使另一方向耗能钢板与控制外筒接触，并受到控制外筒约束作用发生弯压组合变形，支撑耗能和承载能力进一步增强，第二级耗能及承载力增强。

本发明的耗能包括三个阶段：

第一阶段，加载初期，低位移水平下耗能钢板并未进入塑性阶段，其仅发生线弹性变形，由于其拱形特点具有一定的弹簧可恢复作用；随着位移的继续施加，耗能钢板发生弯曲变形进行屈服耗能，并且中部位置具有显著的位移放大效果，确保钢板在低位移水平下发生屈服耗能，此时耗能钢板与控制外筒无接触；

第二阶段，随着外荷载的进一步增加，由于存在位移放大效果，所述间距较小一侧的耗能钢板，横向位移快速增大并与控制外筒发生接触，促使耗能钢板由以弯曲变形为主转变为弯曲-压缩组合变形进行屈服耗能，承载能力和耗能能力均显著增强，产生第一级承载力和耗能强化；

第三阶段，随着外荷载进一步增加，所述间距较大一侧的耗能钢板，横向位移迅速扩大与控制外筒发生接触，并发生弯曲-压缩组合变形进行屈服耗能，承载力和耗能能力出现二次强化，耗能能力和承载能力进一步增强。

由于加载过程中存在耗能钢板中部横向变形放大作用，且整个加载过程中位移放大系数均大于1，此过程将促使耗能钢板在控制外筒的约束下屈服截面逐渐增多，显著提高耗能钢板的耗能能力和承载能力。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明加工方便，易于安装即可作为附加耗能装置设置于结构之中，也可对现有结构进行后期加固，可用于各种形式的支撑结构，以及已有桥梁、框架结构节点位置的加固；

本发明具有复位和耗能双重系统，并且耗能装置具有位移放大功能，能够在低位移水平下快速屈服产生阻尼耗能，提升该装置的减震耗能能力，降低结构残余变形；

本发明通过控制外筒的约束作用，能够确保耗能钢板变形由低位移水平下主要发生的弯曲变形向高位移水平下的弯曲-压缩组合变形转换，此过程能够增大耗能钢板的屈服区域增强支撑的耗能能力和承载能力；

本发明通过设计控制外筒与耗能钢板的间距，形成多级耗能的减震效果，并可通过间距设置和支撑相关部件尺寸确保加载全过程位移放大倍数均大于1；

本发明弥补了金属阻尼器小变形条件下仅发生弹性变形不能快速进行耗能的缺陷，通过位移放大功能确保低位移水平下进入屈服耗能状态。

基于上述理由本发明可在土木建筑耗能等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施方式中一种位移放大型多级软钢耗能自复位支撑结构示意图。

图2为本发明具体实施方式中一种位移放大型多级软钢耗能自复位支撑去除控制外筒后结构示意图。

图3为本发明具体实施方式中一种位移放大型多级软钢耗能自复位支撑去除控制外筒后主视图。

图4为本发明具体实施方式中滑板结构示意图。

图5为本发明具体实施方式中耗能钢板结构示意图。

图6为本发明具体实施方式中耗能钢板主视图。

图7为本发明具体实施方式中导向杆结构示意图。

图8为本发明具体实施方式中受载轴结构示意图。

图9为本发明具体实施方式中耗能钢板耗能原理图。

图10为本发明具体实施方式中间距相同示意图。

图11为本发明具体实施方式中间距不同示意图。

图中：1、约束端板；2、滑板；3、导向杆；4、约束螺母；5、耗能钢板；6、转动槽；7、转动轴；8、加载轴；9、限位螺母；10、弹簧；11、控制外筒。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1～11所示，一种位移放大型多级软钢耗能自复位支撑，包括左右对称设置的两个约束端板1，两个所述约束端板1之间设有两个滑板2，所述约束端板1和所述滑板2的轴线重合；

围绕所述约束端板1的轴线设有多个左右延伸的导向杆3，且所述导向杆3的左右两端分别与两个所述约束端板1的外沿固定连接，且所述导向杆3穿过所述滑板2，所述滑板2与所述导向杆3滑动配合，所述滑板2与所述滑板2相靠近的所述约束端板1之间设有固定在所述导向杆3上约束螺母4；约束螺母4约束滑板2只能在两个约束螺母4之间滑动。

围绕所述滑板2的轴线设有多个左右延伸的耗能钢板5，且所述耗能钢板5的左右两端分别与两个所述滑板2的外沿铰接，所述耗能钢板5呈向远离所述滑板2轴线方向弯曲的拱形；所述滑板2上设有转动槽6，耗能钢板5的端部加工有设置在所述转动槽6内，并与所述转动槽6转动连接的转动轴7；

两个所述滑板2之间设有弹性复位系统，且其中一个所述滑板2的外侧连接有加载端，所述加载端穿过此滑板2所靠近的所述约束端板1。

所述加载端为加载轴8，所述加载轴8的轴线与所述滑板2的轴线重合，且所述加载轴8靠近所述滑板2的一端穿过两个所述滑板2，且在两个所述滑板2的外侧安装有限位螺母9，所述弹性复位系统的为弹簧10，所述弹簧为组合碟簧；所述弹簧10套设在所述加载轴8位于两个所述滑板2之间的部分上。

所述约束端板1和所述滑板2均呈矩形，共具有四个所述导向杆3，且四个所述导向杆3分别布置在所述约束端板1的四个角处，共具有四个耗能钢板5，且四个所述耗能钢板5分别位于所述弹簧10的前方、后方、上方和下方。

两个所述约束端板1之间设有控制外筒11，所述控制外筒11的两端分别与两个所述约束端板1固定连接，所述控制外筒11的截面呈矩形，且所述控制外筒11的侧壁与其所靠近的所述耗能钢板5之间具有间距。

弹性复位系统上方和下方的所述耗能钢板与其所靠近的所述控制外筒的侧壁之间的所述间距相同；

弹性复位系统前方和后方的所述耗能钢板与其所靠近的所述控制外筒的侧壁之间的所述间距相同；

所述弹性复位系统上方和前方的所述耗能钢板与所靠近的所述控制外筒的侧壁之间的距离不同。

即如图10和11所示，y、z轴两方向的间距b、a不同，同一方向(y向或z向)的间距设置相同。

加载过程中，加载轴8带动滑板2推动弹簧10发生弹性可恢复变形，耗能钢板5两端铰接于滑板2，由于受到导向杆3上约束螺母4作用，弹簧10仅能发生轴向压缩变形，耗能钢板5在此过程中则受到两端的水平推力作用主要发生横向的弯曲变形，依据∠α的大小可确保横向位移处于放大状态，放大值为：

其中∠α为耗能钢板5的中心与所述滑板2的中心连线与所述滑板2的轴线之间的夹角，如图9所示，其为图中两个虚线的夹角，加载过程中∠α会不断增大，为确保整个加载过程中横向位移放大倍数A值始终大于1，支撑设计时要选择合适的a、b值及支撑各部件尺寸以便确保∠α始终小于45°；X为耗能钢板5水平位移，Y为耗能钢板5竖直位移。

以此提高耗能钢板5屈服变形产生的耗能；低位移水平下耗能钢板5主要发生弯曲变形，此时耗能钢板5与控制外筒11无接触，随着位移的增加其中一个方向耗能钢板5与控制外筒11接触，促使该方向耗能钢板5弯压组合变形，屈服区域扩大，第一级耗能及承载力得到提高，位移进一步加大促使另一方向耗能钢板5与控制外筒11接触，并受到控制外筒11约束作用发生弯压组合变形，耗能和承载能力进一步增强。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种位移放大型多级软钢耗能自复位支撑，其特征在于，包括左右对称设置的两个约束端板，两个所述约束端板之间设有两个滑板，所述约束端板和所述滑板的轴线重合；

围绕所述约束端板的轴线设有多个左右延伸的导向杆，且所述导向杆的左右两端分别与两个所述约束端板的外沿固定连接，且所述导向杆穿过所述滑板，所述滑板与所述导向杆滑动配合，所述滑板与所述滑板相靠近的所述约束端板之间设有固定在所述导向杆上约束螺母；

围绕所述滑板的轴线设有多个左右延伸的耗能钢板，且所述耗能钢板的左右两端分别与两个所述滑板的外沿铰接，所述耗能钢板呈向远离所述滑板轴线方向弯曲的拱形；

两个所述滑板之间设有弹性复位系统，且其中一个所述滑板的外侧连接有加载端，所述加载端穿过此滑板所靠近的所述约束端板。

2.根据权利要求1所述的一种位移放大型多级软钢耗能自复位支撑，其特征在于，所述加载端为加载轴，所述加载轴的轴线与所述滑板的轴线重合，且所述加载轴靠近所述滑板的一端穿过两个所述滑板，且在两个所述滑板的外侧安装有限位螺母，所述弹性复位系统为弹簧，所述弹簧套设在所述加载轴位于两个所述滑板之间的部分上。

3.根据权利要求2所述的一种位移放大型多级软钢耗能自复位支撑，其特征在于，所述弹簧为组合碟簧或螺旋压缩弹簧或环簧。

4.根据权利要求1所述的一种位移放大型多级软钢耗能自复位支撑，其特征在于，所述约束端板和所述滑板均呈矩形，共具有四个所述导向杆，且四个所述导向杆分别布置在所述约束端板的四个角处，共具有四个耗能钢板，且四个所述耗能钢板分别位于所述弹性复位系统的前方、后方、上方和下方。

5.根据权利要求1所述的一种位移放大型多级软钢耗能自复位支撑，其特征在于，两个所述约束端板之间设有控制外筒，所述控制外筒的两端分别与两个所述约束端板固定连接，且所述控制外筒的侧壁与其所靠近的所述耗能钢板之间具有间距。

6.根据权利要求5所述的一种位移放大型多级软钢耗能自复位支撑，其特征在于，弹性复位系统上方和下方的所述耗能钢板与其所靠近的所述控制外筒的侧壁之间的所述间距相同；

所述弹性复位系统前方和后方的所述耗能钢板与其所靠近的所述控制外筒的侧壁之间的所述间距相同；

所述弹性复位系统上方和前方的所述耗能钢板与其所靠近的所述控制外筒的侧壁之间的所述间距不同。

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