CN112814457A - 一种螺纹套筒式拉压摩擦耗能器及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种螺纹套筒式拉压摩擦耗能器及使用方法，耗能器由圆筒形套筒、圆柱形摩擦螺杆、阻旋螺钉组装而成。套筒内壁两端分别设有一段摩擦内丝和一段筒尾内丝，套筒筒壁还设有若干个阻旋螺孔。摩擦螺杆杆身对称设有两段摩擦外丝。当耗能器两端受到较大拉力或压力时，摩擦螺杆发生相对于套筒的旋转运动并通过阻旋螺钉产生的摩擦阻力保持平衡，期间，摩擦外丝与摩擦内丝之间由于强大的接触正压力而产生很大的滑动摩擦阻力，从而完成能量耗散，同时，摩擦耗能器沿纵轴线方向发生了伸长或缩短变形。本发明构造简单、控制简便、耗能效果好、器件损伤小、应用方便、应用面广，解决了现有摩擦耗能器为施加正压力而消耗大量预紧螺栓以及复杂安装控制等问题。

Description

一种螺纹套筒式拉压摩擦耗能器及使用方法

技术领域

本发明涉及一种摩擦耗能器及其用方法，尤其是一种适用于建筑工程技术领域的螺纹套筒式拉压摩擦耗能器及使用方法。

背景技术

地震灾害是土木工程结构面临的主要灾害之一，当前，减小结构地震损害的一个主要技术路径是采用耗能减震技术。结构的耗能减震技术已经发展了几十年，主要技术思路是在结构的适当部位设置延性耗能钢筋或型钢、摩擦耗能器、黏滞阻尼器、黏弹性阻尼器等。其中，黏滞阻尼器和黏弹性阻尼器造价较高、长期性能控制难度较大，应用范围相对较小。

延性耗能钢筋或型钢主要用于混凝土结构的耗能减震方案，这种方案是利用钢筋或型钢在大震时的塑性屈服耗散地震能量，存在的不足是耗能过程会引起钢筋或型钢发生冷作硬化而使耗能能力逐渐退化，同时会使钢筋或型钢产生不可逆的严重损伤而导致整个结构失效。

摩擦耗能器是利用材料的摩擦将地震输入的机械能转化为热能，这种耗能方案的构造简单、造价低、耗能效果好、对耗能器件的损伤轻微(基本不影响继续使用)，是一种性价比很高的耗能方案。摩擦耗能器的主要形式有板式摩擦耗能器和筒式摩擦耗能器两大类。

现有摩擦耗能器的主要不足是，对于板式摩擦耗能器，为了提供较大的摩擦力，需要额外采用大量的螺栓施加足够的正压力，螺栓消耗大，预紧力施加和控制繁琐；对于筒式摩擦耗能器，外筒与内杆之间的横向挤压力的控制和实现也有难度。

发明内容

技术问题：发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种构造简单，应用方便、耗能低、器件损伤小、使用寿命长、效果好的螺纹套筒式拉压摩擦耗能器及使用方法。

技术方案：本发明采用的一种螺纹套筒式拉压摩擦耗能器，包括摩擦螺杆、对称设在摩擦螺杆上的两个套筒或组合套筒，所述套筒呈圆筒形，套筒内孔壁的一端加工有一段摩擦内丝，另一端加工有一段承接工程组件的筒尾内丝，摩擦内丝与筒尾内丝之间的套筒壁圆周上均匀分布有多个阻旋螺孔，多个阻旋螺孔内分别设有抵靠在摩擦螺杆上的阻旋螺钉；所述的摩擦螺杆整体呈圆柱状，摩擦螺杆的杆体对称设有分别与两个套筒中摩擦内丝相配合的两段摩擦外丝，两段摩擦外丝的螺旋方向相反；所述的摩擦外丝凸出摩擦螺杆的圆柱外表面。

所述的摩擦内丝的横截面呈矩形，与摩擦内丝相配合的摩擦外丝的横截面亦呈矩形。

所述的多个阻旋螺孔为2-4个。

所述的阻旋螺钉与阻旋螺孔的内丝相匹配，阻旋螺钉的螺杆长度略大于套筒的筒壁厚度。

上述螺纹套筒式拉压摩擦耗能器的使用方法，根据工程设计需要，确定在浇注梁应力集中部位设置摩擦耗能器的套筒、摩擦螺杆、摩擦内丝及摩擦外丝相互啮合的截面尺寸以及螺旋角的参数，以及阻旋螺孔和阻旋螺钉的位置和大小型号；

组装摩擦耗能器：将摩擦螺杆的两端分别从两个套筒各自的摩擦内丝所在端伸入，并将摩擦外丝旋进摩擦内丝；旋进后，两个套筒对称于摩擦螺杆的中横截面；然后将阻旋螺钉旋进阻旋螺孔内，并以设定的压力抵靠住摩擦螺杆的外表面；

安装使用：将摩擦耗能器的两头连接到工程结构的所需部位，针对这些部位不同的构造特征，采用单个、串连、并联、串并联多种连接形式，通过现浇或预浇固定；

工作状态：两个套筒的外端会同时受到一对拉力或压力的作用，两个套筒或组合套筒所承受的拉力或压力会使摩擦螺杆的摩擦外丝产生顺着两个套筒的摩擦内丝旋转的趋势，但这个趋势会受到阻旋螺钉对摩擦螺杆产生的静摩擦力的阻碍；

当用于工程结构处于正常工作状态时，摩擦耗能器所受到的拉力或压力比较小，摩擦螺杆的旋转趋势也较小，阻旋螺钉产生的静摩擦力能阻止旋转趋势发展为旋转运动，整个摩擦耗能器基本不会被拉长或压短，所服务的工程结构处于弹性工作状态；

当用于工程结构处于大震工作状态时，摩擦耗能器所受到的拉力或压力比较大，摩擦螺杆的旋转趋势也较大，当阻旋螺钉产生的静摩擦力无法阻止旋转趋势发展为旋转运动时，摩擦螺杆开始发生旋转运动，使阻旋螺钉对摩擦螺杆产生滑动摩擦阻力，同时，对称设在摩擦螺杆上的两个套筒向相反方向直线运动，使整个摩擦耗能器在新的平衡状态下沿纵轴线方向伸长或缩短，所服务的工程结构处于塑性工作状态；

当摩擦耗能器反向受力时，即由拉变成压或由压变成拉，摩擦螺杆也发生反向旋转运动，摩擦耗能器也发生反向的轴向变形，但摩擦耗能机制与效果并无不同，因此，在多次往复拉压力作用下，摩擦耗能器也能实现多次往复耗能的效果，摩擦耗能器的耗能滞回环接近于矩形。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明利用螺纹啮合形成的多螺旋接触面和纵向拉(压)力形成的正压力提供旋转摩擦力以实现耗能，解决了现有板式摩擦耗能器为施加正压力而消耗大量预紧螺栓的问题、以及筒式摩擦耗能器外筒与内杆之间横向挤压力难以控制和实现的问题。提与现有技术相比，具有如下优点：

1)利用螺纹套筒的基本形式构造耗能器件，其构造简单，应用方便(比如可直接替换混凝土结构中的钢筋实现结构的耗能功能)，应用面广(详见实施例)；

2)利用螺纹啮合形成的多螺旋接触面和纵向拉(压)力形成的正压力提供旋转摩擦力以实现耗能，不仅耗能效果好、器件损伤小(几乎可以永远使用下去)，而且省去了大量为施加正压力而消耗的预紧螺栓以及由此带来的耗材与安装控制问题；

3)器件的弹性工作(不旋转)与塑性工作(旋转)临界点可人为控制，而且对控制的实施非常简便(只需要通过控制阻旋螺钉的旋进扭矩即可)。

附图说明

图1为本发明的套筒剖分结构示意图；

图2为本发明的摩擦螺杆结构示意图；

图3为本发明的套筒和摩擦螺杆部分组装结构示意图；

图4为本发明的组合套筒剖分结构示意图；

图5为本发明用于现浇钢筋混凝土框架结构的实施例一中节点结构示意图；

图6为本发明用于现浇钢筋混凝土框架结构的实施例一边节点结构示意图；

图7为本发明用于装配整体式钢筋混凝土框架结构的实施例二中节点结构示意图；

图8为本发明用于装配整体式钢筋混凝土框架结构的实施例二边节点结构示意图；

图9为本发明用于预压装配全预制钢筋混凝土框架结构的实施例三中节点结构示意图；

图10为本发明用于预压装配全预制钢筋混凝土框架结构的实施例三边节点结构示意图；

图11为本发明用于大变形锚杆的实施例四结构示意图；

图12为本发明用于耗能支撑的实施例五结构示意图。

图中：1-套筒；2-组合套筒；3-摩擦螺杆；4-摩擦内丝；5-筒尾内丝；6-摩擦外丝；7-阻旋螺孔；8-阻旋螺钉；11-现浇上柱；12-现浇下柱；13-现浇左梁；14-现浇右梁；15-现浇节点；131-现浇左梁上部纵筋；132-现浇左梁下部纵筋；141-浇右梁上部纵筋；142-现浇右梁下部纵筋；151-现浇右梁上部锚筋；152-现浇右梁下部锚筋；21-预制上柱；22-预制下柱；23-预制左梁；24-预制右梁；25-后浇节点；26-左梁叠合层；27-右梁叠合层；251-右梁叠合层锚筋；261-左梁叠合层纵筋；271-右梁叠合层纵筋；31-全预制柱上段；32-全预制柱下段；33-全预制左梁；34-全预制右梁；35-全预制柱节点区；331-左梁梁肩；332-左梁上部孔道；333-左梁下部孔道；334-左梁上部锚筋；335-左梁下部锚筋；336-左梁上筋锚头；337-左梁下筋锚头；341-右梁梁肩；342-右梁上部孔道；343-右梁下部孔道；344-右梁上部锚筋；345-右梁下部锚筋；346-右梁上筋锚头；347-右梁下筋锚头；351-节点上部孔道；352-节点下部孔道；353-节点上部锚筋；354-节点下部锚筋；355-节点上部锚头；356-节点下部锚头；41-岩土体；42-锚孔；421-锚固注浆体；422-防锈注浆体；43-锚杆接头；44-锚杆锚头；51-耗能单元框架；52-上角连接板；53-下角连接板；54-上角耳形接头；55-下角耳形接头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图3所示，本发明的一种螺纹套筒式拉压摩擦耗能器，主要由摩擦螺杆3、对称设在摩擦螺杆3上的两个套筒1或组合套筒2构成，所述套筒1呈圆筒形，套筒1内孔壁的一端加工有一段摩擦内丝4，另一端加工有一段承接工程组件的筒尾内丝5，摩擦内丝4与筒尾内丝5之间的套筒壁圆周上均匀分布有多个阻旋螺孔7，多个阻旋螺孔7内分别设有抵靠在摩擦螺杆3上的阻旋螺钉8；所述的摩擦螺杆3整体呈圆柱状，摩擦螺杆3的杆体对称设有分别与两个套筒中摩擦内丝4相配合的两段摩擦外丝6，两段摩擦外丝6的螺旋方向相反；所述的摩擦外丝6凸出摩擦螺杆3的圆柱外表面。所述的摩擦内丝4的横截面呈矩形，与摩擦内丝4相配合的摩擦外丝6的横截面亦呈矩形。所述的多个阻旋螺孔7为2-4个。所述的阻旋螺钉8与阻旋螺孔7的内丝相匹配，阻旋螺钉8的螺杆长度略大于套筒1的筒壁厚度。

本发明的螺纹套筒式拉压摩擦耗能器的使用方法，根据工程设计需要，确定在浇注梁应力集中部位设置摩擦耗能器的套筒1、摩擦螺杆3、摩擦内丝4及摩擦外丝6相互啮合的截面尺寸以及螺旋角的参数，以及阻旋螺孔7和阻旋螺钉8的位置和大小型号；

组装摩擦耗能器：将摩擦螺杆3的两端分别从两个套筒1各自的摩擦内丝4所在端伸入，并将摩擦外丝6旋进摩擦内丝4；旋进后，两个套筒1对称于摩擦螺杆3的中横截面；然后将阻旋螺钉8旋进阻旋螺孔7内，并以设定的压力抵靠住摩擦螺杆3的外表面；

安装使用：将摩擦耗能器的两头连接到工程结构的所需部位，针对这些部位不同的构造特征，采用单个、串连、并联、串并联多种连接形式，通过现浇或预浇固定；

工作状态：两个套筒1的外端会同时受到一对拉力或压力的作用，两个套筒1或组合套筒2所承受的拉力或压力会使摩擦螺杆3的摩擦外丝6产生顺着两个套筒1的摩擦内丝4旋转的趋势，但这个趋势会受到阻旋螺钉8对摩擦螺杆3产生的静摩擦力的阻碍；

当用于工程结构处于正常工作状态时，摩擦耗能器所受到的拉力或压力比较小，摩擦螺杆3的旋转趋势也较小，阻旋螺钉8产生的静摩擦力能阻止旋转趋势发展为旋转运动，整个摩擦耗能器基本不会被拉长或压短，所服务的工程结构处于弹性工作状态；

当用于工程结构处于大震工作状态时，摩擦耗能器所受到的拉力或压力比较大，摩擦螺杆3的旋转趋势也较大，当阻旋螺钉8产生的静摩擦力无法阻止旋转趋势发展为旋转运动时，摩擦螺杆3开始发生旋转运动，使阻旋螺钉8对摩擦螺杆3产生滑动摩擦阻力，同时，对称设在摩擦螺杆3上的两个套筒1向相反方向直线运动，使整个摩擦耗能器在新的平衡状态下沿纵轴线方向伸长或缩短，所服务的工程结构处于塑性工作状态，此时，由于摩擦外丝6与摩擦内丝4之间压力接触正，因而摩擦外丝6与摩擦内丝4的相对旋转运动会产生很大的摩擦阻力，该摩擦阻力会耗散大量能量；

当摩擦耗能器反向受力时，即由拉变成压或由压变成拉，摩擦螺杆3也发生反向旋转运动，摩擦耗能器也发生反向的轴向变形，但摩擦耗能机制与效果并无不同，在较大的多次往复拉压力作用下，摩擦耗能器也能实现多次往复耗能的效果，摩擦耗能器的耗能滞回环接近于矩形。

下面结合附图中实施例对本发明作出进一步的说明：

实施例一

图5、图6所示为本发明耗能器在现浇钢筋混凝土框架结构梁柱节点中的应用实施例。

如图5所示为中节点，基本构成包括现浇上柱11、现浇下柱12、现浇左梁13、现浇右梁14和现浇节点15。应用时，采用并联上下两对耗能器通过筒尾内丝5串连连接现浇左梁上部纵筋131与现浇右梁上部纵筋141、以及现浇左梁下部纵筋132与现浇右梁下部纵筋142；每一组耗能器由两个套筒1、一个组合套筒2、两个摩擦螺杆3及四组阻旋螺钉8组装而成；所述组合套筒2有两段摩擦内丝4对称分布于其两端，每一端的摩擦内丝4与该端相邻的套筒1的摩擦内丝4的螺旋方向相反。

类似的，如图6所示为边节点，基本构成包括现浇上柱11、现浇下柱12、现浇右梁14和现浇节点15。应用时，分别用并联两个耗能器通过筒尾内丝5连接现浇右梁上部锚筋151与现浇右梁上部纵筋141、以及现浇右梁下部锚筋152与现浇右梁下部纵筋142。

实施例二

如图7、图8所示，为本发明耗能器在装配整体式钢筋混凝土框架结构梁柱节点中的应用实施例。

如图7所示为中节点，基本构成包括预制上柱21、预制下柱22、预制左梁23、预制右梁24、后浇节点25、左梁叠合层26和右梁叠合层27。应用时，采用串连的两个耗能器通过筒尾内丝5连接左梁叠合层纵筋261与右梁叠合层纵筋271；一组耗能器的构成与实施例一中的相同。

类似的，如图8所示为边节点，基本构成包括预制上柱21、预制下柱22、预制右梁24、后浇节点25和右梁叠合层27。应用时，用一个耗能器通过筒尾内丝5连接右梁叠合层锚筋251与右梁叠合层纵筋271。

实施例三

如图9、图10所示，为本发明耗能器在预压装配全预制钢筋混凝土框架结构梁柱节点中的应用实施例。

如图9所示为中节点，基本构成包括全预制柱上段31、全预制柱下段32、全预制左梁33、全预制右梁34和全预制柱节点区35。应用时，采用并联的上下两个耗能器通过筒尾内丝5串连连接左梁上部锚筋334与右梁上部锚筋344、以及左梁下部锚筋335与右梁下部锚筋345；一组耗能器的构成与实施例一中的相同。

类似的，如图10所示为边节点，基本构成包括全预制柱上段31、全预制柱下段32、全预制右梁34和全预制柱节点区35。应用时，采用上下并联的两个耗能器通过筒尾内丝5连接节点上部锚筋353与右梁上部锚筋344、以及节点下部锚筋354与右梁下部锚筋345。

实施例四

如图11所示，为本发明耗能器在岩土锚固结构中用作大变形锚杆的实施例。该实施例中，将一个耗能器伸进岩土体41的锚孔42中，并用锚固注浆体421对锚杆内锚段进行锚固；然后利用锚杆接头43与耗能器外端的筒尾内丝5连接，然后张拉锚杆接头43并用锚杆锚头44进行锚固，以此实现对整个锚杆的张拉锚固。

实施例五

如图12所示，为本发明耗能器在结构耗能单元中用作耗能支撑的实施例。该实施例中，将一个耗能器的两端通过筒尾内丝5、上角连接板52、下角连接板53、上角耳形接头54、下角耳形接头55连接到耗能单元框架51的一对对角处，以此形成该耗能单元的耗能支撑。

Claims (5)

1.一种螺纹套筒式拉压摩擦耗能器，其特征在于：它包括摩擦螺杆、对称设在摩擦螺杆上的两个套筒或组合套筒，所述套筒呈圆筒形，套筒内孔壁的一端加工有一段摩擦内丝，另一端加工有一段承接工程组件的筒尾内丝，摩擦内丝与筒尾内丝之间的套筒壁圆周上均匀分布有多个阻旋螺孔，多个阻旋螺孔内分别设有抵靠在摩擦螺杆上的阻旋螺钉；所述的摩擦螺杆整体呈圆柱状，摩擦螺杆的杆体对称设有分别与两个套筒中摩擦内丝相配合的两段摩擦外丝，两段摩擦外丝的螺旋方向相反；所述的摩擦外丝凸出摩擦螺杆的圆柱外表面。

2.根据权利要求1所述的一种螺纹套筒式拉压摩擦耗能器，其特征在于：所述的摩擦内丝的横截面呈矩形，与摩擦内丝相配合的摩擦外丝的横截面亦呈矩形。

3.根据权利要求1所述的一种螺纹套筒式拉压摩擦耗能器，其特征在于：所述的多个阻旋螺孔为2-4个。

4.根据权利要求1所述的一种螺纹套筒式拉压摩擦耗能器，其特征在于：所述的阻旋螺钉与阻旋螺孔的内丝相匹配，阻旋螺钉的螺杆长度略大于套筒的筒壁厚度。

5.根据权利要求1-4任一项所述螺纹套筒式拉压摩擦耗能器的使用方法，其特征在于：根据工程设计需要，确定在浇注梁应力集中部位设置摩擦耗能器的套筒、摩擦螺杆、摩擦内丝及摩擦外丝相互啮合的截面尺寸以及螺旋角的参数，以及阻旋螺孔和阻旋螺钉的位置和大小型号；

组装摩擦耗能器：将摩擦螺杆的两端分别从两个套筒各自的摩擦内丝所在端伸入，并将摩擦外丝旋进摩擦内丝；旋进后，两个套筒对称于摩擦螺杆的中横截面；然后将阻旋螺钉旋进阻旋螺孔内，并以设定的压力抵靠住摩擦螺杆的外表面；

安装使用：将摩擦耗能器的两头连接到工程结构的所需部位，针对这些部位不同的构造特征，采用单个、串连、并联、串并联多种连接形式，通过现浇或预浇固定；

工作状态：两个套筒的外端会同时受到一对拉力或压力的作用，两个套筒或组合套筒所承受的拉力或压力会使摩擦螺杆的摩擦外丝产生顺着两个套筒的摩擦内丝旋转的趋势，但这个趋势会受到阻旋螺钉对摩擦螺杆产生的静摩擦力的阻碍；

当用于工程结构处于正常工作状态时，摩擦耗能器所受到的拉力或压力比较小，摩擦螺杆的旋转趋势也较小，阻旋螺钉产生的静摩擦力能阻止旋转趋势发展为旋转运动，整个摩擦耗能器基本不会被拉长或压短，所服务的工程结构处于弹性工作状态；

当用于工程结构处于大震工作状态时，摩擦耗能器所受到的拉力或压力比较大，摩擦螺杆的旋转趋势也较大，当阻旋螺钉产生的静摩擦力无法阻止旋转趋势发展为旋转运动时，摩擦螺杆开始发生旋转运动，使阻旋螺钉对摩擦螺杆产生滑动摩擦阻力，同时，对称设在摩擦螺杆上的两个套筒向相反方向直线运动，使整个摩擦耗能器在新的平衡状态下沿纵轴线方向伸长或缩短，所服务的工程结构处于塑性工作状态；

当摩擦耗能器反向受力时，即由拉变成压或由压变成拉，摩擦螺杆也发生反向旋转运动，摩擦耗能器也发生反向的轴向变形，但摩擦耗能机制与效果并无不同，因此，在多次往复拉压力作用下，摩擦耗能器也能实现多次往复耗能的效果，摩擦耗能器的耗能滞回环接近于矩形。

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