CN113389397B - 一种适用于木结构节点的变形放大型摩擦耗能雀替 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于木结构节点的变形放大型摩擦耗能雀替,包括摩擦外筒,摩擦内杆,两根连系木杆等构件,其主要依靠两根连系木杆把结构位移放大传递到摩擦外筒与摩擦内杆中间的锯齿状耗能部分进行抗震减震。两根连系木杆通过一个铰支座连接,其两杆另一端分别连接在木结构柱与木结构梁上,摩擦外筒与摩擦内杆以及中间的增强摩擦橡胶层部分通过左上端的铰接支座固定在梁柱节点上,右下端与连系木杆的铰支座相连。本发明的耗能型雀替兼具耗能减震、绿色环保和古建装饰作用,有利于古建木结构的安全防护和文物保护。

Description

一种适用于木结构节点的变形放大型摩擦耗能雀替
技术领域
本发明属于古建筑木结构加固维护的减震装置,具体涉及一种适用于木结构节点的变形放大型摩擦耗能雀替,用于有效放大木结构节点变形并进行摩擦耗能,同时不会对古建筑风格和功能有所影响。本发明属于古建木结构抗振减振领域。
背景技术
木结构建筑是古代应用极其广泛的一种建筑形式,是单纯由木材或主要由木材承受荷载的结构,通过各种金属连接件或榫卯进行连接和固定。内部结构以四边立柱、上加横梁及竖枋等构成。中国传统木结构所承受的来自屋面和楼面荷载、风荷载及地震作用是由柱、梁、檩、枋及斗拱等大木构件形成的整体框架结构承担。木结构的抗振设计除了保证框架梁、柱具有足够的强度和延性外,还必须保证框架节点的强度,受限于工程需求和成本,抗振需求有时较难满足,此时可以考虑采用耗能减振的方式提高整体性能。
现在世界各国木结构的抗震减震方式主要有以下方式:一种是通过在木结构房屋建筑的底部安装橡胶弹性垫或摩擦承重座等器械来隔断地震作用对结构造成的冲击;另外一种是通过使结构木柱与基础连接的方式来减振、隔振;另外也可以在木结构上设置斗拱可以加强节点核心区的强度,提高抗震性能。在木结构上安装阻尼器也是一种良好的抗振减振方式,但传统的阻尼器可能会对原有木结构造成一定破坏,造成原有建筑造型的些许改变,甚至可能会对原来结构造成污染、损毁。此外,传统阻尼器在结构受到微小振动情况下可能没有及时进入耗能状态而不能发挥应有的作用。
雀替是木结构中的一种构件,一般安置于梁或阑额与柱交接处,作用是缩短梁枋的净跨度从而增强梁枋的荷载力,减少梁与柱相接处的向下剪力,防止横竖构材间的变形,也可以在柱间的挂落下,或为纯装饰性构件。木结构在地震下的变形一般也集中在梁与柱连接处,即雀替的位置,因此传统木结构的雀替在地震下很容易发生损伤和破坏。有鉴于此,本专利的思路是将传统的雀替处增加暗藏的摩擦阻尼器,或者在梁柱之间增加具有雀替装饰效果的摩擦阻尼器,通过放大梁柱之间的变形并采用多级摩擦的方式消耗地震能量,保护木结构的构件和主体。相关的耗能型雀替兼具耗能减震、绿色环保和古建装饰作用,有利于古建木结构的安全防护和文物保护。
发明内容
为了减轻地震作用对传统木结构造成的危害并克服目前应用于木结构的阻尼器对结构造成的不利影响,本发明提出了一种用于提升木结构节点性能的耗能型雀替,采用木材制作成具有变形放大和分段摩擦耗能功能的阻尼器。在结构处于正常状态下时阻尼器仅起到普通梁柱间支撑的作用,雀替整体以装饰功能为主,且不会对古建结构外观造成影响。在地震或者风荷载下,结构开始振动,梁柱节点之间的变形被铰接结构传递和放大,相连的阻尼器通过其组成中的摩擦内杆与摩擦外筒之间的摩擦来消耗梁柱之间的变性能,且摩擦外筒与摩擦内杆之间的选用的中间摩擦材料以及表面凹凸密集程度随着中间向两端的延伸逐级增加,分成多层耗能的效果。因此该阻尼器可使结构主体的振动降低。如后期需要对结构进行调整、修缮,也可直接将该阻尼器拆卸,满足古建筑“修旧如旧”的要求。
该阻尼器将安装在木结构的梁柱节点处,位于木结构的雀替之间,
包括:柱连接木杆,梁连接木杆,柱端基座,梁端基座、木杆铰结点、多段式摩擦外筒、多段式摩擦内杆、梁柱节点连接基座以及增强摩擦橡胶层。柱连接木杆和梁连接木杆分别与木结构的木柱与木梁通过柱端基座和梁端基座以固接的方式相互连接,另一端均连接在木杆铰结点上。多段式摩擦外筒上端与梁柱节点连接基座相连,内部嵌套多段式摩擦内杆。多段式摩擦内杆与木杆铰结点相连。该装置的位移放大机理为柱端基座和梁端支座发生相对位移时带动柱连接木杆,梁连接木杆发生运动,经由连杆传动将柱端基座和梁端支座相对位移加以放大并加载至多段式摩擦外筒和多段式摩擦内杆,进而通过多段式摩擦内杆和多段式摩擦外筒的相对运动和摩擦耗散外部动能,从而达到耗能减振、保护木结构本体的作用。
多段式摩擦外筒、多段式摩擦内杆均为木质,多段式摩擦外筒的内表面和多段式摩擦内杆的外表面喷有黄铜,以增大摩擦系数和摩擦耗能能力。
柱端基座由长方体连接板与扇形截面柱体组成,连接板与扇形截面柱体一体成型,通过左侧等大的距离长方形截面中心点相同的四个螺栓连接在结构木柱上,右侧扇形截面柱体中间打一圆孔使柱连接木杆连接在木结构柱上;梁端基座的连接方式与柱端基座相同。
木质阻尼器的摩擦外筒由左上端用于套入销钉中的圆孔以及右下侧三种不同大小的齿形凹槽组成,该摩擦外筒筒部分从左上端至右下端共分为均匀等长的五段,由左上端起第一段与第五段的锯齿凸起最大且相同,第二段段与第四段的锯齿凸起适中且相同,第三段的锯齿凸起最小,这五段齿形凹槽在长度上的分布是均匀的,但由于粗糙程度的不同在摩擦力的提供上将起到不同的效果。
木质阻尼器的摩擦内杆由不均匀杆部分,均匀杆部分,木质圆环共同构成。其中不均匀杆部分与摩擦外筒类似,同样由三种不同程度的齿形凸起组成,该摩擦内杆从左上端到右下端也分为均匀等长的五段,长度上,摩擦内杆五段长度小于摩擦外筒的长度,在五段不同凸起段的右下侧是连接在木杆铰节点上的均匀直杆。
摩擦外筒与摩擦内杆通过嵌套方式相互连接,并在其中的空隙里填充增强摩擦橡胶层。
梁柱节点连接基座由两段等长的L型板,销钉与销钉扣共同组成,该基座L型板的两端矩形截面薄板分别打四个等大孔洞并通过四个螺栓使L型板的两端固定在梁和柱上最终使连接基座固定在梁柱节点上,销钉与销钉扣用于连接摩擦外筒。
柱连系木杆与梁连系木杆在无外力作用下其角度约为160度,在小外力作用下其角度基本保持在150度至210度。
附图说明
图1是该发明的全部整体图。
图2是阻尼器外部截面的图。
图3是内部截面的图。
图4是阻尼器详图。
图中的标号:1柱连接木杆,2梁连接木杆,3柱端基座,4梁端基座,5木杆铰结点,6多段式摩擦外筒,7多段式摩擦内杆,8梁柱节点连接基座 ,9增强摩擦橡胶层。
具体实施方式
下面结合附图来说明该阻尼器的具体实施方式
现选取一典型木结构进行减震设计并结合专利要求介绍实施方式。该木结构本身的木柱为直径为50cm的等截面圆,木梁的截面尺寸为,高40cm,宽30cm。梁柱之间布置有前后大小相同的木质雀替,其上下间距为40cm,左右间距为50cm,形状大致如三角形。该整体造型如图1所示,阻尼器由外侧的两片原木结构上的雀替覆盖前后,在外观上将不会影响原本木结构的整体造型与观感。
外观造型如图2所示,阻尼器部分被遮挡在其内部,阻尼器部分由(1)(2)两根柱连接木杆,(3)(4)(5)(8)四个铰支座以及核心阻尼器部分(6)(7)(9)共同组成,两根连系木杆以及阻尼器核心部分位于竖向同一平面内。
柱端基座(3)左部分与柱子接触的连接板的长宽分别为10cm,8cm,厚度为2cm,该板距离中心点同等位置处的四个点打四个直径为1cm的孔并用四个等大螺栓穿过其中并深入木柱内使固定铰支座固定在木柱上,柱端基座(3)扇形部分处打一个直径为1cm的圆孔,柱连接木杆(1)的左下端尽头亦打一个直径为1cm的圆孔,在上述两个圆孔处穿过一个销钉使之固定在一起;(4)处的梁基座亦如此组装。两根连系木杆以及阻尼器杆部分均可采用榆木,柱连接木杆(1)的长度为33cm,直径7cm,梁连接木杆(2)的长度为42cm,直径同为7cm;两根连系木杆交于木杆铰结点(5)处,该铰支座直径9cm,在两根连系木杆交汇处各打一个5cm的圆孔,在该铰支座处插入圆形销钉使之成为连系转动木杆铰支座。
梁柱节点连接基座由三部分构成,两边等长的L型板、销钉与销钉扣。L型板与销钉结合在一起,L型板厚度为2cm竖直方向长度与水平方向相同均为15cm。L型板在竖向与水平向的两块板上各有分布在四角距离边缘2cm距离的直径为2cm的4个螺栓孔,L型板上共通过八个螺栓固定在原本木结构的梁柱节点上。在L型板右下侧上固定着的销钉直径为13cm,厚度3cm,摩擦外筒左上端有一个直径13.5cm的圆孔,将圆孔放入销钉中,中间填充适量润滑液使其转动顺畅,并将销钉扣扣住。
阻尼器的摩擦外筒部分左上端套入梁柱节点连接支座的销钉后,右下侧长筒部分便可以绕支座发生转动,摩擦外筒除去左上侧套入销钉的部分全长30cm,根据摩擦粗糙大小程度不同分为5段6cm的不同摩擦部分,中间段六厘米部分,最凹处与最凸处纵向距离1cm,向两端各延伸六厘米部分,粗糙程度加强,最凹处与最凸处纵向距离1.5cm,再向两端各延伸6cm,粗糙程度更强最凹处与最凸处纵向距离2cm。
阻尼器的摩擦内杆由左上侧长为25cm直径约为5cm的凹凸不均匀长杆与其右下侧直径5cm,长度10cm的均匀杆部分与最右下侧直径为6cm厚度为3cm的木质圆形材料共同组成,在木质圆形材料处打一个直径5cm的圆孔,并将其插入木杆铰结点(5)中,使摩擦内杆左上部分可以绕连系铰支座发生自由转动。阻尼器的摩擦内杆的不均匀圆杆部分也同摩擦外筒一样分为五段共三种不同的摩擦程度,中间5cm段是摩擦程度最小的低摩擦段,向两侧各延伸5cm是两段中摩擦段,再向两侧各延伸5cm是两段高摩擦段。

Claims (1)

1.一种适用于木结构节点的变形放大型摩擦耗能雀替,其特征在于:柱连接木杆(1)与木结构的木柱通过柱端基座(3)固接,和梁连接木杆(2)与木结构的木梁通过梁端基座(4)固接,柱端基座(3)和梁端基座(4)的端部均连接在木杆铰结点(5)上;多段式摩擦外筒(6)上端与梁柱节点连接基座(8)相连,内部嵌套多段式摩擦内杆(7);多段式摩擦内杆(7)与木杆铰结点(5)相连;
该变形放大型摩擦耗能雀替的位移放大机理为,柱端基座(3)和梁端基座(4)发生相对位移时带动柱连接木杆(1),梁连接木杆(2)发生运动,经由连杆传动将柱端基座(3)和梁端基座(4)相对位移加以放大并加载至多段式摩擦外筒(6)和多段式摩擦内杆(7),通过多段式摩擦内杆(7)和多段式摩擦外筒(6)的相对运动和摩擦耗散外部动能,从而耗能减振、保护木结构本体;
所述的多段式摩擦外筒(6)、多段式摩擦内杆(7)均为木质,多段式摩擦外筒(6)的内表面和多段式摩擦内杆(7)的外表面喷有黄铜;
所述的柱端基座(3)由长方体连接板与扇形截面柱体组成,长方体连接板与扇形截面柱体一体成型,通过左侧长方形截面中心点相同的四个螺栓连接在结构木柱上,右侧扇形截面柱体中间打一圆孔使柱连接木杆(1)连接在木结构柱上;梁端基座(4)的连接方式与柱端基座(3)的连接方式相同;
木质阻尼器的多段式摩擦外筒(6)由左上端用于套入销钉中的圆孔以及右下侧三种不同大小的齿形凹槽组成,摩擦外筒的筒部分从左上端至右下端共分为均匀等长的五段, 由左上端起第一段与第五段的锯齿凸起最大且相同,第二段与第四段的锯齿凸起适中且相同,第三段的锯齿凸起最小,五段齿形凹槽在长度上的分布均匀;
所述的木质阻尼器的多段式摩擦内杆(7)由不均匀杆部分、均匀杆部分和木质圆环共同构成;不均匀杆部分与摩擦外筒由三种不同程度的齿形凸起组成,摩擦内杆从左上端到右下端也分为均匀等长的五段,摩擦内杆五段长度小于摩擦外筒的长度,在五段不同凸起段的右下侧是连接在木杆铰结点(5)上的均匀直杆;
所述的多段式摩擦外筒(6)与多段式摩擦内杆(7)通过嵌套方式相互连接,并在其中的空隙里填充增强摩擦橡胶层(9);
所述的梁柱节点连接基座(8)由两段等长的L型板、销钉与销钉扣共同组成,L型板的两端矩形截面薄板分别打四个等大孔洞并通过四个螺栓使L型板的两端固定在梁和柱上最终使连接基座固定在梁柱节点上,销钉与销钉扣用于连接摩擦外筒;
柱连接木杆(1)与梁连接木杆(2)在无外力作用下角度为160度,在小外力作用下角度保持在150度至210度。
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