CN113216418B - 一种增强榫卯节点抗震性能的粘弹性阻尼器及其加固结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种增强古建筑木结构榫卯节点抗震性能的粘弹性阻尼器及连接方法，该阻尼器包括约束钢板、粘弹性体、剪切钢板以及连接钢板，其特征在于，所述阻尼器的外形仿照榫卯节点连接构件雀替的外形制作；该连接构件包括柱上扇形钢箍、枋上矩形钢箍以及连接钢箍和粘弹性阻尼器的螺栓，其特征在于，所述粘弹性阻尼器和连接构件共同构成增强榫卯节点抗震性能的耗能减震装置。本发明所述的阻尼器可直接安装在木构架枋与柱下腋，以实现木构架榫卯节点抗震性能的增强。

Description

一种增强榫卯节点抗震性能的粘弹性阻尼器及其加固结构

技术领域

本发明属于古建筑木结构抗震加固技术领域，特别涉及一种增强榫卯节点抗震性能的粘弹性阻尼器及其加固结构。

背景技术

榫卯连结是古建筑木结构重要的特点之一，即枋端一定区域内制成榫头，柱身相应位置凿出卯口，将榫头插入卯口中，从而形成一种凹凸结合的特殊连接。但是，通过震害调查发现，在地震作用下，这种独特的连接方式允许榫卯之间产生反复相对运动，虽然节点的变形与摩擦滑移能够耗散结构受到的地震能量，却也引起了榫卯连接的松动，导致拔榫的产生，甚至造成节点脱落，严重时还有可能造成结构整体或局部构架歪闪、倾斜，因此，榫卯节点的加固在古建筑木结构抗震研究中受到广泛重视。

目前，古建筑木结构榫卯节点最常见的加固方法有马口铁、钢构件、扒钉、自攻螺丝以及碳纤维布等。这些方法一般有如下问题:(1)影响柱枋节点外观，改变了原有建筑形态；(2)对木构件本身有破坏作用，如采用扒或自攻螺丝，易造成木构件固定位置开裂或强度降低等问题；(3)适用性差，如碳纤维布加固采用了对温度较为敏感环氧树脂，适用条件存在一定的限制。因此迫切需要寻求一种新的技术，构建符合古建筑结构形制的加固措施，进而增强古建筑木结构榫卯节点抗震性能。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种增强榫卯节点抗震性能的粘弹性阻尼器及其加固结构，形成加固榫卯节点的耗能减震装置，以减轻不可预期地震对古建筑木结构造成的不利影响。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种增强榫卯节点抗震性能的粘弹性阻尼器，包括：

两块位于外侧的约束钢板4-1；

一块位于中间的剪切钢板4-2，与两块约束钢板4-1之间形成两个夹缝；

两块分别位于所述两个夹缝的粘弹性体4-3；

两块柱连接钢板4-4，分别竖直连接于两块约束钢板4-1的近端，向外侧延伸；

一块枋连接钢板4-5，水平连接于剪切钢板4-2的顶端，向两侧延伸。

所述约束钢板4-1、剪切钢板4-2和粘弹性体4-3均按照雀替的外形制作，三者的形状相同或者近似。

所述约束钢板4-1和剪切钢板4-2均采用Q235钢，所述粘弹性体4-3为高分子阻尼材料组成的橡胶层，厚度与约束钢板4-1以及剪切钢板4-2保持一致。

所述粘弹性体4-3与两侧的约束钢板4-1和剪切钢板4-2通过硫化粘结材料硫化成为一个整体。

所述约束钢板4-1切割掉沿水平方向顺时针转动10°扫略的区域，所述剪切钢板4-2切割掉沿竖直方向逆时针转动10°扫略的区域，所述粘弹性体4-3切割掉沿水平方向顺时针转动10°以及沿竖直方向逆时针转动10°扫略的区域。

本发明还提供了一种增强榫卯节点抗震性能的加固结构，木柱1与木枋通过榫卯连接，包括：

扇形钢箍5，包裹于木柱1的表面；

矩形钢箍6，包裹于木枋的表面；

两个所述的粘弹性阻尼器，对称布置于木柱1的两侧，一个粘弹性阻尼器的两块柱连接钢板4-4连接扇形钢箍5的一端，另一个粘弹性阻尼器的两块柱连接钢板4-4连接扇形钢箍5另一端，每个粘弹性阻尼器的枋连接钢板4-5均与矩形钢箍6的底端连接。

所述木枋由上部的额枋2和下部的普拍枋3组成，额枋2和普拍枋3均被矩形钢箍6包裹。

所述粘弹性阻尼器的约束钢板4-1和剪切钢板4-2的长l为木枋长的0.25倍，高h是长l的一半，厚为木柱1直径的0.05倍，柱连接钢板4-4的宽为木柱1直径的0.3倍，高和厚同约束钢板4-1保持一致，枋连接钢板4-5的宽为额枋2宽度的1.5倍，长和厚同约束钢板4-1保持一致，柱连接钢板4-4与枋连接钢板4-5的外侧面夹角为90°。

所述扇形钢箍5圆心角为145°，其直径与木柱1的直径相同，高为柱连接钢板4-4高度的0.2倍，厚同柱连接钢板4-4的厚度相同，在扇形钢箍5开口两侧反方向平行延伸长度为柱连接钢板4-4厚度的柱翼缘5-1；所述矩形钢箍6的宽与普拍枋3的宽度一致，高为额枋2和普拍枋3的高度之和，厚同枋连接钢板4-5的厚度相同，在矩形钢箍6开口两侧平行于宽度方向，对向延伸长度为0.25倍额枋2宽度的枋翼缘6-1。

所述柱连接钢板4-4的中部设有至少两排柱连接钢板螺栓孔4-6，枋连接钢板4-5沿长边方向两侧边均设有至少两排枋连接钢板螺栓孔4-7，柱翼缘5-1的中部设有柱翼缘螺栓孔5-2，每侧柱翼缘螺栓孔5-2至少为两个，与柱连接钢板螺栓孔4-6保持一致，枋翼缘6-1的中部设有枋翼缘螺栓孔6-2，每侧枋翼缘螺栓孔6-2至少为两个，与枋连接钢板螺栓孔4-7保持一致，最终通过螺栓7实现柱连接钢板4-4与柱翼缘5-1以及枋连接钢板4-5与枋翼缘6-1的连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、材料取材方便，构成阻尼器和连接构件的粘弹性材料以及钢板均为较常见的耗能材料，成本较低。

2、制作工艺和工序相对简单，便于标准化生产，且更换和维修方便。

3、外观构造符合古建形制需求，基本上不改变原建筑物的外观造型以及内部装饰，满足古建筑“修旧如旧”的原则。

4、能够明显提升节点的耗能能力，保障节点在强震作用下依然处于弹性状态而不发生损伤；大震时可使建筑物的震动强度降低40％～60％左右，对中震和小震则更适应。

附图说明

图1～图6是本发明粘弹性阻尼器增强榫卯节点连接结构的一个具体实施例的结构示意图，其中：

图1是粘弹性阻尼器的构造示意图。

图2是约束钢板与连接钢板正视图。

图3是剪切钢板与连接钢板正视图。

图4是粘弹性体正视图。

图5是整体结构示意图。

图6是粘弹性阻尼器与木柱连接图。

图7是扇形钢箍与木柱俯视图。

图8是粘弹性阻尼器与木枋连接图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明首先提供了一种增强榫卯节点抗震性能的粘弹性阻尼器，如图1所示，主要包括：

两块约束钢板4-1，位于外侧，外形按照《工程做法则例》中雀替的外形制作，材料可取Q235钢；

一块剪切钢板4-2，位于两块约束钢板4-1的中间，外形同样按照雀替的外形制作，材料可取Q235钢，与两块约束钢板4-1之间形成了两个夹缝；

两块粘弹性体4-3，分别位于两个夹缝中，为高分子阻尼材料组成的橡胶层，和约束钢板4-1、剪切钢板4-2的形状相同或者近似，厚度保持一致，可通过硫化粘结材料经高温硫化成为一个整体，使得粘弹性阻尼器整体呈雀替形；

两块柱连接钢板4-4，分别竖直连接于两块约束钢板4-1的近端，并向外侧延伸；

一块枋连接钢板4-5，水平连接于剪切钢板4-2的顶端，并向两侧延伸。

上述部分可直接组成粘弹性阻尼器4，也可根据实际情况补入一些增加结构性能的常规部件。

进一步地，为了使粘弹性阻尼器4在地震作用下能够发生转动，产生剪切耗能，约束钢板4-1切割掉沿水平方向顺时针转动10°扫略的区域(参见图2)、剪切钢板4-2切割掉沿竖直方向逆时针转动10°扫略的区域(参见图3)，粘弹性体4-3切割掉沿水平方向顺时针转动10°以及沿竖直方向逆时针转动10°扫略的区域(参见图4)。约束钢板4-1沿高度方向与柱连接钢板4-4焊接固定，剪切钢板4-2沿长度方向与枋连接钢板4-5焊接固定，柱连接钢板4-4与枋连接钢板4-5的外侧面夹角为90°。

参考图5，本发明将上述的粘弹性阻尼器用于古建筑木结构榫卯节点的加固中，木柱1与木枋通过榫卯连接，连接处即为榫卯节点，将粘弹性阻尼器直接安装在木构架枋与柱下腋，即可实现木构架榫卯节点抗震性能的增强。

具体的加固结构包括：

扇形钢箍5，包裹于木柱1的表面；

矩形钢箍6，包裹于木枋的表面，其底端是开放的，整体大约呈近似的门字形，本实施例中，木枋由上部的额枋2和下部的普拍枋3组成，额枋2和普拍枋3均被矩形钢箍6包裹；

两个前述的粘弹性阻尼器4，对称布置于木柱1的两侧，一个粘弹性阻尼器的两块柱连接钢板4-4连接扇形钢箍5的一端，另一个粘弹性阻尼器的两块柱连接钢板4-4连接扇形钢箍5另一端，每个粘弹性阻尼器的枋连接钢板4-5均与矩形钢箍6的底端连接。即，扇形钢箍5连接木柱1与粘弹性阻尼器4，矩形钢箍6连接木枋与粘弹性阻尼器4。

进一步地，约束钢板4-1和剪切钢板4-2的长l是木枋长的0.25倍，高h是长l的一半，参见图2和图3，厚为木柱1直径的0.05倍，图中采用两段式折线简化替代雀替外形。

进一步地，柱连接钢板4-4的宽为木柱1直径的0.3倍，高和厚同约束钢板4-1保持一致，中部设有柱连接钢板螺栓孔4-6，柱连接钢板螺栓孔4-6至少为两排。

进一步地，枋连接钢板4-5的宽是额枋2宽度的1.5倍，长和厚同约束钢板4-1保持一致，沿长边方向两侧边均设有枋连接钢板螺栓孔4-7，枋连接钢板螺栓孔4-7至少为两排。

参考图6，粘弹性阻尼器4与木柱1的连接构件包括扇形钢箍5和螺栓7。

进一步地，扇形钢箍5圆心角为145°，参见图7，扇形钢箍5的直径与木柱1的直径相同，高为柱连接钢板4-4高度的0.2倍，厚同柱连接钢板4-4的厚度相同。为了扇形钢箍5与雀替形粘弹性阻尼器4能够有效连接，在扇形钢箍5开口两侧反方向平行延伸长度为柱连接钢板4-4厚度的柱翼缘5-1；柱翼缘5-1的中部设有柱翼缘螺栓孔5-2，每侧柱翼缘螺栓孔5-2至少为两个，与柱连接钢板螺栓孔4-6保持一致。

参考图8，粘弹性阻尼器4与木枋的连接构件包括矩形钢箍6和螺栓7。

进一步地，矩形钢箍6的宽与普拍枋3的宽度一致，高为额枋2和普拍枋3高度之和，厚同枋连接钢板4-5的厚度相同。为了矩形钢箍6与雀替形粘弹性阻尼器4能够有效连接，在矩形钢箍6开口两侧平行于宽度方向，对向延伸长度0.25倍额枋2宽度的枋翼缘6-1；枋翼缘6-1的中部设有枋翼缘螺栓孔6-2，每侧枋翼缘螺栓孔6-2至少为两个，与枋连接钢板螺栓孔4-7保持一致。

进一步地，为了防止扇形钢箍5与矩形钢箍6对木柱1、额枋2以及普拍枋3造成损伤，在扇形钢箍5与木柱1以及矩形钢箍6与额枋2、普拍枋3的接触的区域安放薄橡胶片。

最终通过螺栓7实现柱连接钢板4-4与柱翼缘5-1以及枋连接钢板4-5与枋翼缘6-1的连接，也即实现了扇形钢箍5与粘弹性阻尼器4以及矩形钢箍6与粘弹性阻尼器4的连接。

在地震作用下，震动使榫卯连接的木柱和枋发生相对转动，安置于节点间的粘弹性阻尼器便随之产生往复运动，从而带动粘弹性材料发生变形，这种变变形要克服很大的阻力做功，从而消耗传入结构中的震动能量。粘弹性阻尼器在结构进入塑性状态前率先进入耗能状态，发挥耗能作用，减小了结构本身地震响应，进而有效的保护了主体结构不受损伤。

该加固结构可对建筑物进行减震加固，满足地震作用下古建筑木结构的结构安全需求。

以上，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种增强榫卯节点抗震性能的粘弹性阻尼器，其特征在于，包括：

两块位于外侧的约束钢板(4-1)；

一块位于中间的剪切钢板(4-2)，与两块约束钢板(4-1)之间形成两个夹缝；

两块分别位于所述两个夹缝的粘弹性体(4-3)；

两块柱连接钢板(4-4)，分别竖直连接于两块约束钢板(4-1)的近端，向外侧延伸；

一块枋连接钢板(4-5)，水平连接于剪切钢板(4-2)的顶端，向两侧延伸；

其中，所述约束钢板(4-1)切割掉沿水平方向顺时针转动10°扫略的区域，所述剪切钢板(4-2)切割掉沿竖直方向逆时针转动10°扫略的区域，所述粘弹性体(4-3)切割掉沿水平方向顺时针转动10°以及沿竖直方向逆时针转动10°扫略的区域。

2.根据权利要求1所述增强榫卯节点抗震性能的粘弹性阻尼器，其特征在于，所述约束钢板(4-1)、剪切钢板(4-2)和粘弹性体(4-3)均按照雀替的外形制作，三者的形状相同或者近似。

3.根据权利要求1所述增强榫卯节点抗震性能的粘弹性阻尼器，其特征在于，所述约束钢板(4-1)和剪切钢板(4-2)均采用Q235钢，所述粘弹性体(4-3)为高分子阻尼材料组成的橡胶层，厚度与约束钢板(4-1)以及剪切钢板(4-2)保持一致。

4.根据权利要求1所述增强榫卯节点抗震性能的粘弹性阻尼器，其特征在于，所述粘弹性体(4-3)与两侧的约束钢板(4-1)和剪切钢板(4-2)通过硫化粘结材料硫化成为一个整体。

5.一种增强榫卯节点抗震性能的加固结构，木柱(1)与木枋通过榫卯连接，其特征在于，包括：

扇形钢箍(5)，包裹于木柱(1)的表面；

矩形钢箍(6)，包裹于木枋的表面；

两个权利要求1所述的粘弹性阻尼器，对称布置于木柱(1)的两侧，一个粘弹性阻尼器的两块柱连接钢板(4-4)连接扇形钢箍(5)的一端，另一个粘弹性阻尼器的两块柱连接钢板(4-4)连接扇形钢箍(5)另一端，每个粘弹性阻尼器的枋连接钢板(4-5)均与矩形钢箍(6)的底端连接。

6.根据权利要求5所述增强榫卯节点抗震性能的加固结构，其特征在于，所述木枋由上部的额枋(2)和下部的普拍枋(3)组成，额枋(2)和普拍枋(3)均被矩形钢箍(6)包裹。

7.根据权利要求6所述增强榫卯节点抗震性能的加固结构，其特征在于，所述粘弹性阻尼器的约束钢板(4-1)和剪切钢板(4-2)的长l为木枋长的0.25倍，高h是长l的一半，厚为木柱(1)直径的0.05倍，柱连接钢板(4-4)的宽为木柱(1)直径的0.3倍，高和厚同约束钢板(4-1)保持一致，枋连接钢板(4-5)的宽为额枋(2)宽度的1.5倍，长和厚同约束钢板(4-1)保持一致，柱连接钢板(4-4)与枋连接钢板(4-5)的外侧面夹角为90°。

8.根据权利要求7所述增强榫卯节点抗震性能的加固结构，其特征在于，所述扇形钢箍(5)圆心角为145°，其直径与木柱(1)的直径相同，高为柱连接钢板(4-4)高度的0.2倍，厚同柱连接钢板(4-4)的厚度相同，在扇形钢箍(5)开口两侧反方向平行延伸长度为柱连接钢板(4-4)厚度的柱翼缘(5-1)；所述矩形钢箍(6)的宽与普拍枋(3)的宽度一致，高为额枋(2)和普拍枋(3)的高度之和，厚同枋连接钢板(4-5)的厚度相同，在矩形钢箍(6)开口两侧平行于宽度方向，对向延伸长度为0.25倍额枋(2)宽度的枋翼缘(6-1)。

9.根据权利要求8所述增强榫卯节点抗震性能的加固结构，其特征在于，所述柱连接钢板(4-4)的中部设有至少两排柱连接钢板螺栓孔(4-6)，枋连接钢板(4-5)沿长边方向两侧边均设有至少两排枋连接钢板螺栓孔(4-7)，柱翼缘(5-1)的中部设有柱翼缘螺栓孔(5-2)，每侧柱翼缘螺栓孔(5-2)至少为两个，与柱连接钢板螺栓孔(4-6)保持一致，枋翼缘(6-1)的中部设有枋翼缘螺栓孔(6-2)，每侧枋翼缘螺栓孔(6-2)至少为两个，与枋连接钢板螺栓孔(4-7)保持一致，最终通过螺栓(7)实现柱连接钢板(4-4)与柱翼缘(5-1)以及枋连接钢板(4-5)与枋翼缘(6-1)的连接。