CN113737949A - 一种用于木结构榫卯节点加固的耗能装置 - Google Patents

一种用于木结构榫卯节点加固的耗能装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种木结构榫卯节点加固的耗能装置，应用在由横梁和立柱构成的榫卯节点，包括第一阻尼器、连接板和2组菱形连接件，立柱上设有立柱套接件，横梁上设有横梁套接件，立柱套接件的一端和横梁套接件的一端连接形成辅助节点；其中一组菱形连接件的一端与立柱套接件的另一端连接，另一端与连接板连接；另一组菱形连接件的一端与横梁套接件的另一端连接，另一端与连接板连接；第一阻尼器的一端与连接板连接，另一端连接于辅助节点，2组菱形连接件相对于第一阻尼器的轴线对称设置。装置可为榫卯节点提供抗脱榫、拔榫能力，而且在提供刚度、承载能力和变形能力同时，增强了耗能、抗震能力，且具有轻质、部件更换便捷的优点。

Description

一种用于木结构榫卯节点加固的耗能装置
技术领域
本发明属于木结构榫卯节点加固技术领域，具体为一种用于木结构榫卯节点加固的耗能装置。
背景技术
木结构在我国有着悠久的历史，曾被广泛应用于寺庙、宫殿、民居等建筑，至今我国仍有采用木结构的新建建筑存在，且我国存有的许多木结构古建筑更是我国建筑艺术中的宝贵遗产。作为一种建筑材料，木材具有取材方便、施工简单等特点，但由于气候、战争、震害、微生物腐蚀等多方面的因素，木结构古建筑往往存在不同程度的损伤，影响了结构的承载力能力和正常使用，如何对这些建筑进行合理可靠的修复和加固具有重大的保护意义。
榫卯节点连接是木结构常用的梁柱节点连接形式，此类节点连接为半刚性连接，降低了结构的整体刚度、增大了结构延性，有利于结构抗震。许多专家的调查研究表明，木结构建筑的破坏往往始于连接节点，构件材料绝大部分基本完好。我国现存木结构古建筑已有几百甚至上千年的历史，其榫卯节点均存在不同程度的老化和损伤，有待加固。
现有的木结构榫卯节点加固方法可分为两种，有损型(如CFRP、扒钉、角钢、扁钢、插板、弧形钢板直接加固)和无损型(如用圆箍、套筒固定的弧形钢板、钢套架加固)。前者可能引起原结构内力重分布，导致其他构件的破坏，且安装过程会对原构件造成破坏，同时难以在地震或受到其他外力时为结构提供足够的耗能能力；而后者往往尺寸较大，影响建筑外观，替换零部件不便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于木结构榫卯节点加固的耗能装置，以解决上述背景技术中提出的现有榫卯节点加固装置存在的引起原结构内力重分布导致其他构件破坏、安装过程破坏榫卯构件、难以提供耗能能力、尺寸较大、更换不便的问题。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种用于木结构榫卯节点加固的耗能装置，应用在由横梁和立柱构成的榫卯节点，包括第一阻尼器、连接板和2组菱形连接件，所述立柱上设有立柱套接件，所述横梁上设有横梁套接件，所述立柱套接件的一端和所述横梁套接件的一端连接形成辅助节点；其中一组所述菱形连接件的一端与所述立柱套接件的另一端连接，另一端与所述连接板连接；另一组所述菱形连接件的一端与所述横梁套接件的另一端连接，另一端与所述连接板连接；所述第一阻尼器的一端与所述连接板连接，另一端连接于所述辅助节点，2组菱形连接件相对于第一阻尼器的轴线对称设置。
进一步的技术方案是，所述第一阻尼器为自复位阻尼器，所述自复位阻尼器的上端与所述辅助节点通过螺栓连接，所述自复位阻尼器的下端与所述连接板通过螺栓连接。
进一步的技术方案是，所述第一阻尼器的两端分别设有带有螺栓孔的第一叉形接头和第二叉形接头，所述第一叉形接头与所述辅助节点通过螺栓连接，所述第二叉形接头与所述连接板通过螺栓连接；
或所述第一阻尼器的两端分别设有带有螺栓孔的第一连接耳板和第二连接耳板，所述第一连接耳板与所述辅助节点通过螺栓连接，所述第二连接耳板与所述连接板通过螺栓连接；
或所述第一阻尼器的两端分别设有带螺栓孔的第三叉形接头和带螺栓孔的第三连接耳板，所述第三叉形接头与所述辅助节点通过螺栓连接，所述第三连接耳板与所述连接板通过螺栓连接。
进一步的技术方案是，所述横梁套接件包括第一横梁套接箍和第二横梁套接箍，所述第一横梁套接箍和第二横梁套接箍均套接于横梁；所述立柱套接件包括第一立柱套接箍和第二立柱套接箍，所述第一立柱套接箍和第二立柱套接箍均套接于立柱；所述第一横梁套接箍和第一立柱套接箍连接形成辅助节点，所述第二立柱套接箍与其中一组所述菱形连接件连接，所述第二横梁套接箍与另一组所述菱形连接件连接。
进一步的技术方案是，所述横梁套接件为横梁钢套筒，所述立柱套接件为立柱钢套筒，所述横梁钢套筒和所述立柱钢套筒分别套接于横梁和立柱，且所述横梁钢套筒的一端和所述立柱钢套筒的一端连接形成辅助节点，其中一组所述菱形连接件的一端与立柱钢套筒的另一端连接，另一组所述菱形连接件的另一端与横梁套筒连接。
进一步的技术方案是，所述菱形连接件包括4根连接钢条和1根短钢条，所述4根连接钢条首尾相连成菱形框，所述短钢条的两端分别连接于菱形框的短对角线两端；其中一组菱形框的长对角线两端分别连接于立柱连接件的另一端和连接板，另一组菱形框的长对角线两端分别连接于横梁连接件的另一端和连接板。
进一步的技术方案是，所述菱形连接件包括4根连接钢条和1个第二阻尼器，所述4根连接钢条首尾相连成菱形框，所述第二阻尼器的两端分别连接于菱形框的短对角线两端；其中一组菱形框的长对角线两端分别连接于立柱连接件的另一端和连接板，另一组菱形框的长对角线两端分别连接于横梁连接件的另一端和连接板。
进一步的技术方案是，所述连接钢条的首尾两端分别设有带螺栓孔的第四叉形接头和带螺栓孔的第四连接耳板；所述连接钢条通过所述第四叉形接头和所述第四连接耳板首尾相连形成所述菱形框。
进一步的技术方案是，所述连接板的形状为等腰三角形、半圆形或倒T形，2组所述菱形连接件分别与所述连接板的两个底脚连接，所述第一阻尼器与所述连接板的顶端连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
1.在地震或外力作用下，榫卯结构产生反复的侧向变形，木横梁和木立柱的夹角也相应发生变动，该情况下，本发明的用于木结构榫卯节点加固的耗能装置中的第一阻尼器会被反复被拉长或者压缩，消耗部分能量，在地震或外力作用过程中为结构提供一定的抗震性能和耗能作用。
2.本发明的用于木结构榫卯节点加固的耗能装置采用2组菱形连接件对第一阻尼器支撑，这起到良好的支撑作用，稳定性高。
3.本发明的用于木结构榫卯节点加固的耗能装置中的第一阻尼器采用自复位阻尼器，为木结构榫卯节点提供一定的自复位功能。
4.本发明的用于木结构榫卯节点加固的耗能装置采用无损加固的方法，采用第一阻尼器、连接板、2组菱形连接件及套接件(即横梁套接件和立柱套接件)对木结构榫卯节点进行外部加固，既提高了榫卯节点的稳定性，还避免对原结构发生破损。
5.本发明的用于木结构榫卯节点加固的耗能装置的结构简单，部件轻质化，安装、更换部件便捷，维护成本低。
附图说明
图1为本发明一种木结构榫卯节点加固的耗能装置实施例1的结构示意图；
图2为本发明一种木结构榫卯节点加固的耗能装置的菱形连接件、第一阻尼器及连接板连接示意图；
图3为本发明一种木结构榫卯节点加固的耗能装置的第一阻尼器结构示意图；
图4为本发明一种木结构榫卯节点加固的耗能装置的连接钢条结构示意图；
图5为本发明一种木结构榫卯节点加固的耗能装置的短钢条结构示意图；
图6为本发明一种木结构榫卯节点加固的耗能装置的连接板结构示意图；
图7为本发明一种木结构榫卯节点加固的耗能装置的半方箍的结构示意图；
图8为本发明一种木结构榫卯节点加固的耗能装置的半圆箍的结构示意图；
图9为本发明一种木结构榫卯节点加固的耗能装置实施例2的结构示意图；
图10为本发明一种木结构榫卯节点加固的耗能装置的第二阻尼器结构示意图。
附图标号：1-横梁；2-立柱；3-第一阻尼器；31-第一叉形接头；32-第二叉形接头；33-第一连接耳板；34-第二连接耳板；35-第三叉形接头；36-第三连接耳板；4-连接板；5-菱形连接件；51-连接钢条；511-第四叉形接头；512-第四连接耳板；52-短钢条；53-第二阻尼器；6-第一横梁套接箍；7-第二横梁套接箍；8-第一立柱套接箍；9-第二立柱套接箍；10-横梁钢套筒；11-立柱钢套筒；12-辅助节点；13-菱形框。
具体实施方式
为便于更好地理解本发明的目的、结构、特征以及功效等，现结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。应注意的是，图中示出的特征不是必须按照比例绘制。此外，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例1
如图1-8所示，一种用于木结构榫卯节点加固的耗能装置，应用在由梁和柱构成的榫卯节点，包括第一阻尼器、连接板和2组菱形连接件，立柱上设有立柱套接件，横梁上设有横梁套接件，立柱套接件的一端和横梁套接件的一端连接形成辅助节点；其中一组菱形连接件的一端与立柱套接件的另一端连接，另一端与连接板连接；另一组菱形连接件的一端与横梁套接件的另一端连接，另一端与连接板连接；第一阻尼器的一端与连接板连接，另一端连接于辅助节点，2组菱形连接件相对于第一阻尼器的轴线对称设置。本发明的榫卯节点加固的耗能装置在提高榫卯节点刚度、承载能力和变形能力的同时，还可以为卯榫节点提供一定的耗能能力。在地震或其他外力作用下，结构会发生侧向变形，横梁和立柱之间的夹角也会相应发生变化，该情况下，阻尼器会被拉长或者压缩，消耗一部分的能量，为结构在受到外力时提供耗能作用；当横梁和立柱之间因为外力产生相对错动、有脱卯的趋势时，本发明的构件会产生相应的抗力，抵抗结构变形，提高榫卯的抗脱榫能力。
本实施例考虑到压杆稳定问题，菱形连接件相比普通杆件有质量、稳定性上的优势。假定钢条杆件横截面均为实心圆形，菱形连接件内所有构件均为相同大小的横截面，直径为d1，菱形连接件中构件最大长细比为λ1，总体积为V1，单一杆件横截面直径为d2，杆件最大长细比为λ2，总体积为V2，取两结构连接的节点间距均为500mm，菱形结构较小的夹角为60°：
(1)杆件长细比相同的情况下，采用菱形连接件的总质量会低于单一杆件。
当钢条杆件长细比相近时，有：
Figure BDA0003209946790000071
可见菱形连接件对节省钢材、降低结构自重有比较明显的作用。
(2)钢条杆件总质量相同的情况下，采用菱形连接件的稳定性要优于单一杆件。
当钢条杆件体积相近时，有：
Figure BDA0003209946790000081
可见当结构质量相相近时，菱形连接件的稳定性较好，具有更高的承载能力。菱形连接件相对于单独的钢条杆件来说结构更加稳固，具有更高的刚度和稳定性；同时，此菱形连接件结构可一定程度上为榫卯节点提供额外的耗能能力。其中连接钢条的横截面可以为圆环、方环、圆形或方形中的任一种类，可增强结构的整体强度。
本实施例中的第一阻尼器为自复位阻尼器，其中：
第一阻尼器的两端分别设有带有螺栓孔的第一叉形接头和第二叉形接头，第一叉形接头与辅助节点通过螺栓连接，第二叉形接头与连接板通过螺栓连接；
或第一阻尼器的两端分别设有带有螺栓孔的第一连接耳板和第二连接耳板，第一连接耳板与辅助节点通过螺栓连接，第二连接耳板与连接板通过螺栓连接；
或第一阻尼器的两端分别设有带螺栓孔的第三叉形接头和带螺栓孔的第三连接耳板，第三叉形接头与辅助节点通过螺栓连接，第三连接耳板与连接板通过螺栓连接。
当横梁和立柱之间的角度因外力而产生变动时，该自复位阻尼器被拉长或者压缩，自复位阻尼器在受到外力后为结构提供一定的自复位功能，避免木结构整体受损。
本实施例中，横梁套接件包括第一横梁套接箍和第二横梁套接箍，立柱套接件包括第一立柱套接箍和第二立柱套接箍；第一横梁套接箍和第二横梁套接箍均套接于横梁，第一立柱套接箍和第二立柱套接箍均套接于立柱。上述第一横梁套接箍和第二横梁套接箍均由两个半方箍通过螺栓连接组成，第一立柱套接箍和第二立柱套接箍均由两个半圆箍通过螺栓连接组成。可视实际情况在第一横梁套接箍和第二横梁套接箍之间增设额外的横梁套接箍，在第一立柱套接箍和第二立柱套接箍之间增设额外的立柱套接箍，以实现加固作用。第一横梁套接箍和第一立柱套接箍连接形成辅助节点；一组菱形连接件的一端与第二立柱套接箍连接，另一端与连接板连接；另一组菱形连接件的一端与第二横梁套接箍连接，另一端与连接板连接，保证了套接箍与梁柱之间的稳固连接；第一横梁套接箍和第一立柱套接箍连接形成的辅助节点进一步为结构提供强度，加固了榫卯节点。
本实施例中的2组菱形连接件均包括4根连接钢条和1根短钢条。其中，连接钢条的首尾两端分别设有带螺栓孔的第四叉形接头和带螺栓孔的第四连接耳板，4根连接钢条首尾相连成菱形框，短钢条的两端分别连接于菱形框的短对角线两端；其中一组菱形框的长对角线两端分别连接于第二立柱套接箍和连接板，另一组菱形框的长对角线两端分别连接于第二横梁套接箍和连接板。
本实施例中的连接板的形状为等腰三角形、倒T形或半圆形，其顶端和底脚均设有带有螺栓孔的连接耳板，2组菱形连接件分别与连接板的两个底脚连接，第一阻尼器与连接板的顶端连接。
实施例2
实施例2与实施例1基本相同，不同在：见图9，横梁套接件为横梁钢套筒，立柱套接件为立柱钢套筒，横梁钢套筒和立柱钢套筒连接形成梁柱节点，立柱钢套筒与一组菱形连接件连接，横梁钢套筒与另一组菱形连接件连接。钢套筒可以在为结构提供刚度的同时，一定程度上起到保护结构内部构件的作用，延长装置寿命。
实施例3
实施例3与实施例1基本相同，不同在：见图10，将实施例1中的两个菱形连接件中的短钢条替换为图10中的第二阻尼器，第二阻尼器的两端分别设有带螺栓孔的叉形接头，第二阻尼器的两端分别通过螺栓连接与菱形框的短对角线两端连接，第二阻尼器为自复位阻尼器。菱形连接件中的第二钢条替换为第二阻尼器可以结合第一阻尼器为本发明的用于木结构榫卯节点加固的耗能装置提供额外的耗能能力，在受到外力时能更好地起到缓冲作用。
以上详细说明仅为本发明之较佳实施例的说明，非因此局限本发明之专利范围，所以，凡运用本创作说明书及图示内容所为之等效技术变化，均包含于本创作之专利范围内。

Claims (9)

1.一种用于木结构榫卯节点加固的耗能装置，应用在由横梁和立柱构成的榫卯节点，其特征在于：包括第一阻尼器、连接板和2组菱形连接件，所述立柱上设有立柱套接件，所述横梁上设有横梁套接件，所述立柱套接件的一端和所述横梁套接件的一端连接形成辅助节点；其中一组所述菱形连接件的一端与所述立柱套接件的另一端连接，另一端与所述连接板连接；另一组所述菱形连接件的一端与所述横梁套接件的另一端连接，另一端与所述连接板连接；所述第一阻尼器的一端与所述连接板连接，另一端连接于所述辅助节点，2组菱形连接件相对于第一阻尼器的轴线对称设置。
2.根据权利要求1所述的一种用于木结构榫卯节点加固的耗能装置，其特征在于：所述第一阻尼器为自复位阻尼器，所述自复位阻尼器的上端与所述辅助节点通过螺栓连接，所述自复位阻尼器的下端与所述连接板通过螺栓连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于木结构榫卯节点加固的耗能装置，其特征在于：所述第一阻尼器的两端分别设有带有螺栓孔的第一叉形接头和第二叉形接头，所述第一叉形接头与所述辅助节点通过螺栓连接，所述第二叉形接头与所述连接板通过螺栓连接；
或所述第一阻尼器的两端分别设有带有螺栓孔的第一连接耳板和第二连接耳板，所述第一连接耳板与所述辅助节点通过螺栓连接，所述第二连接耳板与所述连接板通过螺栓连接；
或所述第一阻尼器的两端分别设有带螺栓孔的第三叉形接头和带螺栓孔的第三连接耳板，所述第三叉形接头与所述辅助节点通过螺栓连接，所述第三连接耳板与所述连接板通过螺栓连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于木结构榫卯节点加固的耗能装置，其特征在于：所述横梁套接件包括第一横梁套接箍和第二横梁套接箍，所述第一横梁套接箍和第二横梁套接箍均套接于横梁；所述立柱套接件包括第一立柱套接箍和第二立柱套接箍，所述第一立柱套接箍和第二立柱套接箍均套接于立柱；所述第一横梁套接箍和第一立柱套接箍连接形成辅助节点，所述第二立柱套接箍与其中一组所述菱形连接件连接，所述第二横梁套接箍与另一组所述菱形连接件连接。
5.根据权利要求1所述的一种用于木结构榫卯节点加固的耗能装置，其特征在于：所述横梁套接件为横梁钢套筒，所述立柱套接件为立柱钢套筒，所述横梁钢套筒和所述立柱钢套筒分别套接于横梁和立柱，且所述横梁钢套筒的一端和所述立柱钢套筒的一端连接形成辅助节点，其中一组所述菱形连接件的一端与立柱钢套筒的另一端连接，另一组所述菱形连接件的另一端与横梁套筒连接。
6.根据权利要求1所述的一种用于木结构榫卯节点加固的耗能装置，其特征在于：所述菱形连接件包括4根连接钢条和1根短钢条，所述4根连接钢条首尾相连成菱形框，所述短钢条的两端分别连接于菱形框的短对角线两端；其中一组菱形框的长对角线两端分别连接于立柱连接件的另一端和连接板，另一组菱形框的长对角线两端分别连接于横梁连接件的另一端和连接板。
7.根据权利要求1所述的一种用于木结构榫卯节点加固的耗能装置，其特征在于：所述菱形连接件包括4根连接钢条和1个第二阻尼器，所述4根连接钢条首尾相连成菱形框，所述第二阻尼器的两端分别连接于菱形框的短对角线两端；其中一组菱形框的长对角线两端分别连接于立柱连接件的另一端和连接板，另一组菱形框的长对角线两端分别连接于横梁连接件的另一端和连接板。
8.根据权利要求6或7所述的一种用于木结构榫卯节点加固的耗能装置，其特征在于：所述连接钢条的首尾两端分别设有带螺栓孔的第四叉形接头和带螺栓孔的第四连接耳板；所述连接钢条通过所述第四叉形接头和所述第四连接耳板首尾相连形成所述菱形框。
9.根据权利要求1所述的一种用于木结构榫卯节点加固的耗能装置，其特征在于：所述连接板的形状为等腰三角形、半圆形或倒T形，2组所述菱形连接件分别与所述连接板的两个底脚连接，所述第一阻尼器与所述连接板的顶端连接。
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