CN112982708A - 一种缓解薄膜效应的装配式自复位哑铃状双向金属耗能器 - Google Patents

一种缓解薄膜效应的装配式自复位哑铃状双向金属耗能器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种缓解薄膜效应的装配式自复位哑铃状双向金属耗能器，包括：哑铃状耗能单元、预应力系统和连接板；哑铃状耗能单元和预应力系统位于两块平行且相对的连接板之间；两块平行且相对的连接板内表面上具有多组相对应的非贯通凹槽，多个哑铃状耗能单元的两端分别抵接在非贯通凹槽的槽底；两块平行且相对的连接板上还具有多个螺栓孔，耗能器通过螺栓穿入螺栓孔实现与外部构件连接。本发明的哑铃状耗能单元嵌入连接板的非贯通凹槽中，预应力系统提供必要的预紧力，通过释放耗能单元轴向变形的约束构造缓解了薄膜效应对耗能能力的影响，通过对耗能单元形状设计实现全截面屈服以及双向耗能机制，在地震大变形后可实现自复位。

Description

一种缓解薄膜效应的装配式自复位哑铃状双向金属耗能器
技术领域
本发明涉及建筑的减隔震技术领域，尤其涉及一种缓解薄膜效应的装配式自复位哑铃状双向金属耗能器。
背景技术
我国是一个地震多发的国家，许多重要的城市都分布在地震带上，在这些城市中建设了大量的功能复杂且人口密集的建筑。为提高这些建筑的抗震性能与震后可恢复能力，往往针对地震中发生较大塑性变形的结构构件位置设置耗能器，耗散地震能量保护主体结构不受损伤。
金属剪切型耗能器以低廉的价格和稳定的性能被广泛应用于建筑结构的减隔震领域。然而，传统的该类耗能器存在以下缺陷：一是金属耗能单元两端与连接件固定，在工作时产生“薄膜效应”使其性能不稳定，滞回曲线内凹，而且震损后不易更换；二是地震中产生大变形后，难以恢复初始状态，残余位移过大导致结构不易恢复使用功能；三是耗能单元形状简单，不能充分利用全部截面参与耗能；四是“刀片状”的耗能单元往往只能沿一个方向工作，其余方向不能提供有效的承载能力，并且易发生屈曲，影响稳定性。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种缓解薄膜效应的装配式自复位哑铃状双向金属耗能器，旨在克服上述缺陷。
本发明实施例提供一种缓解薄膜效应的装配式自复位哑铃状双向金属耗能器，包括：哑铃状耗能单元、预应力系统和连接板；
其中，所述哑铃状耗能单元和预应力系统位于两块平行且相对的连接板之间；
两块平行且相对的连接板内表面上具有多组相对应的非贯通凹槽，多个所述哑铃状耗能单元的两端分别抵接在所述非贯通凹槽的槽底；
两块平行且相对的连接板上还具有多个螺栓孔，所述耗能器通过螺栓穿入所述螺栓孔实现与外部构件连接。
进一步地，所述哑铃状耗能单元为实心体，形状由至少三个截面确定，分别为定形大截面、定形中截面和定形小截面；三个定形截面的半径依次缩小，且三个定形截面之间的轮廓圆滑过渡。
进一步地，所述哑铃状耗能单元的两端为圆柱体；两个圆柱体之间相互靠近的两个底面均为定形大截面；两个定形大截面之间依次等距设有定形中截面、定形小截面和定形中截面。
进一步地，两个圆柱体的底面半径小于所述非贯通凹槽槽底的半径；两个圆柱体的高度大于所述非贯通凹槽的槽深。
进一步地，所述哑铃状耗能单元由形状记忆合金制成。
进一步地，所述非贯通凹槽的槽深与所述连接板的厚度正相关。
进一步地，所述预应力系统包括：预应力金属丝、锚具、卡具和加力通道；其中，多组相对应的加力通道设置在两块平行且相对的连接板上；
所述预应力金属丝两端分别穿过两块平行且相对的连接板上的加力通道，通过卡具固定在两块平行且相对的连接板的外表面上，并通过锚具固定在两块平行且相对的连接板的内表面上。
本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
本发明实施例提供的一种缓解薄膜效应的装配式自复位哑铃状双向金属耗能器，包括：哑铃状耗能单元、预应力系统和连接板；其中，所述哑铃状耗能单元和预应力系统位于两块平行且相对的连接板之间；两块平行且相对的连接板内表面上具有多组相对应的非贯通凹槽，多个所述哑铃状耗能单元的两端分别抵接在所述非贯通凹槽的槽底；两块平行且相对的连接板上还具有多个螺栓孔，所述耗能器通过螺栓穿入所述螺栓孔实现与外部构件连接。耗能单元嵌入大刚度连接板的非贯通凹槽中，预应力系统提供必要的预紧力。本发明通过释放耗能单元轴向变形的约束构造缓解了薄膜效应对耗能能力的影响，通过对耗能单元形状设计实现全截面屈服以及双向耗能机制，在地震大变形后可实现自复位，震损后可快速更换以恢复建筑使用功能。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例提供的缓解薄膜效应的装配式自复位哑铃状双向金属耗能器的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的缓解薄膜效应的装配式自复位哑铃状双向金属耗能器的立体装配图。
图3为本发明实施例提供的大刚度连接板的结构示意图。
图4为本发明实施例提供的大刚度连接板的正面透视图。
图5为本发明实施例提供的哑铃状耗能单元结构示意图。
图6为本发明实施例提供的预应力系统的结构示意图。
图7为本发明实施例2的结构示意图。
图8为本发明实施例3的结构示意图。
附图中，1-哑铃状耗能单元；11-圆柱体；12-定形中截面；13-定形小截面；14-定形大截面；2-预应力系统；21-预应力金属丝；22-锚具；23-卡具；24-加力通道；3-连接板；4-螺栓；5-非贯通凹槽；6-螺栓孔；7-框架梁；8-斜撑；9-混凝土墩；10-连梁混凝土段。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参见图1-图2，本发明实施例公开了缓解薄膜效应的装配式自复位哑铃状双向金属耗能器，包括：哑铃状耗能单元1、预应力系统2和连接板3；连接板3选择刚度较大受力难以变形的钢板，在受力时具有较大抵抗弹性变形的能力。其中，哑铃状耗能单元1和预应力系统2位于两块平行且相对的连接板3之间；
如图2所示，两块平行且相对的连接板3内表面上具有多组相对应的非贯通凹槽5，多个哑铃状耗能单元1的两端分别抵接在非贯通凹槽5的槽底；如图3-4所示，两块平行且相对的连接板3上还具有多个螺栓孔6，该耗能器通过螺栓4穿入螺栓孔6实现与外部构件连接。
本实施例中，哑铃状耗能单元放置于非贯通凹槽，夹于两块大刚度连接板之间，仅接触不固定，工作时该部位可轴向伸缩，避免了由于固定产生的“薄膜效应”；预应力系统提供必要的预紧力，耗能器通过高强度螺栓与外部构件连接，该耗能器全装配式连接易于拆装和维护。
进一步地，参照图5所示，上述哑铃状耗能单元1为实心体，两端为光滑圆柱体11，中间形状由至少由三个截面确定，分别为定形大截面14、定形中截面12和定形小截面13。各截面的半径由所在位置的弯矩、材料屈服点和惯性矩根据材料力学计算而定，使其工作时各截面同时屈服耗能，三个定形截面的半径依次缩小，可利用铣床工艺将三个定形截面之间的轮廓进行圆滑过渡。
该哑铃状耗能单元1可根据设计需求调整高度、截面、个数；如图5所示，一共5个定形截面；两个圆柱体11之间相互靠近的两个底面均为定形大截面14；两个定形大截面14之间依次等距设有定形中截面12、定形小截面13和定形中截面12，并通过铣床工艺将5个定形截面之间的轮廓进行圆滑过渡。
在本实施例中，哑铃状耗能单元1端部为光滑圆柱体11，其底面半径小于非贯通凹槽5槽底半径，比如圆柱体11底面半径可以为非贯通凹槽5槽底的95％；另外，两个圆柱体11的高度大于非贯通凹槽5的槽深，比如圆柱体11的高度为非贯通凹槽槽深的110％。哑铃状耗能单元端部与大刚度连接板上的非贯通凹槽仅接触不固定，工作时该部位可轴向伸缩，避免了由于固定产生的“薄膜效应”，增加了滞回耗能的稳定性；且震损后也比较容易更换。
进一步地，该哑铃状耗能单元1采用形状记忆合金制成，屈服耗能后可恢复形状；大变形后仍可以恢复初始形状，避免了震后残余位移对结构的影响。比如优选为TiNi形状记忆合金、铜基形状记忆合金和铁基形状记忆合金；本公开实施例对此不作限定。
本实施例中，哑铃状耗能单元沿着与连接板平行的平面内可任意方向参与工作，可根据设计需求任意角度安装该耗能器，同时该耗能器也可以提供多方向的耗能能力与承载力，提高了工作效率与安全性。
大刚度连接板3上面开有非贯通凹槽5、螺栓孔6和加力通道24，其相互之间的距离应按照相应规范进行设计，以提供足够的承载能力。非贯通凹槽5的槽深与连接板3的厚度正相关，比如非贯通凹槽5的槽深为连接板3厚度的80％；大刚度连接板需由高强度钢制成且具有足够厚度，使得耗能器工作时连接板不屈服不产生塑性变形。
进一步地，参照图2和图6所示，预应力系统2包括：预应力金属丝21、可更换的锚具22、可更换的卡具23和加力通道24；其中，多组相对应的加力通道24设置在两块平行且相对的连接板3上；
预应力金属丝21两端分别穿过两块平行且相对的连接板3上的加力通道24，通过卡具23固定在两块平行且相对的连接板3的外表面上，并通过锚具22固定在两块平行且相对的连接板3的内表面上。该预应力系统2可以将两个大刚度连接板既夹住哑铃状耗能单元1，又不会固定耗能单元端部，提高了整体性与滞回稳定性。而且，可更换的构造便于拆装和维护。
另外，该预应力系统可根据耗能器在结构中的设计承载能力提供适当的预应力，使耗能器工作时，既具有一定的整体性，又避免了耗能单元因轴向约束带来的“薄膜效应”。
实施例2
参见图7，将上述实施例1中的缓解薄膜效应的装配式自复位哑铃状双向金属耗能器安装于上下框架梁7之间，耗能器一端埋入上部框架梁内，另一端通过混凝土墩9和斜撑8连接与下部框架梁，可根据设计需求，将多个耗能器进行并联和串联设计，其周围仍可设置填充墙以满足建筑功能的需要。
实施例3
参见图8，将上述实施例1中的缓解薄膜效应的装配式自复位哑铃状双向金属耗能器安装于连肢剪力墙的连梁混凝土段10之间，并设置适当的锚固构造，使得剪力墙在地震中的大部分变形集中于耗能器，震后可将损伤的耗能器更换以恢复结构的使用功能。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种缓解薄膜效应的装配式自复位哑铃状双向金属耗能器，其特征在于，包括：哑铃状耗能单元(1)、预应力系统(2)和连接板(3)；
其中，所述哑铃状耗能单元(1)和预应力系统(2)位于两块平行且相对的连接板(3)之间；
两块平行且相对的连接板(3)内表面上具有多组相对应的非贯通凹槽(5)，多个所述哑铃状耗能单元(1)的两端分别抵接在所述非贯通凹槽(5)的槽底；
两块平行且相对的连接板(3)上还具有多个螺栓孔(6)，所述耗能器通过螺栓(4)穿入所述螺栓孔(6)实现与外部构件连接。
2.如权利要求1所述的一种缓解薄膜效应的装配式自复位哑铃状双向金属耗能器，其特征在于，所述哑铃状耗能单元(1)为实心体，形状由至少三个截面确定，分别为定形大截面(14)、定形中截面(12)和定形小截面(13)；三个定形截面的半径依次缩小，且三个定形截面之间的轮廓圆滑过渡。
3.如权利要求2所述的一种缓解薄膜效应的装配式自复位哑铃状双向金属耗能器，其特征在于，所述哑铃状耗能单元(1)的两端为圆柱体(11)；两个圆柱体(11)之间相互靠近的两个底面均为定形大截面(14)；两个定形大截面(14)之间依次等距设有定形中截面(12)、定形小截面(13)和定形中截面(12)。
4.如权利要求3所述的一种缓解薄膜效应的装配式自复位哑铃状双向金属耗能器，其特征在于，两个圆柱体(11)的底面半径小于所述非贯通凹槽(5)槽底的半径；两个圆柱体(11)的高度大于所述非贯通凹槽(5)的槽深。
5.如权利要求4所述的一种缓解薄膜效应的装配式自复位哑铃状双向金属耗能器，其特征在于，所述哑铃状耗能单元(1)由形状记忆合金制成。
6.如权利要求1所述的一种缓解薄膜效应的装配式自复位哑铃状双向金属耗能器，其特征在于，所述非贯通凹槽(5)的槽深与所述连接板(3)的厚度正相关。
7.如权利要求1所述的一种缓解薄膜效应的装配式自复位哑铃状双向金属耗能器，其特征在于，所述预应力系统(2)包括：预应力金属丝(21)、锚具(22)、卡具(23)和加力通道(24)；其中，多组相对应的加力通道(24)设置在两块平行且相对的连接板(3)上；
所述预应力金属丝(21)两端分别穿过两块平行且相对的连接板(3)上的加力通道(24)，通过卡具(23)固定在两块平行且相对的连接板(3)的外表面上，并通过锚具(22)固定在两块平行且相对的连接板(3)的内表面上。
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