CN114046077A - 一种装配式带sma索双套管自复位耗能钢支撑 - Google Patents

Abstract

本发明公开是一种装配式SMA自复位耗能钢支撑，该支撑充分利用了SMA材料的超弹性特性，支撑在拉压往复运动过程中，套管产生相对运动，使SMA索始终保持受拉，从而SMA索持续为支撑提供抵抗刚度，使支撑卸载后不产生残余变形；同时对高强螺栓施加预紧力，从而增大摩擦面产生的摩擦力，进一步增加支撑摩擦耗能系统的耗能能力；该支撑结构装配程序简洁，可实现全装配化安装，提高了支撑安装及更换效率，具有稳定的抗侧刚度、良好的耗能能力，适合作为抗震结构的主要抗侧力及耗能构件，在地震多发地区具有广泛的工程应用前景；同时本支撑可以快捷地安装及更换，具有生产、装配及安装工业一体化潜力，在绿色建筑装配化领域也具有广阔前景。

Description

一种装配式带SMA索双套管自复位耗能钢支撑

技术领域

本发明设计工程结构领域，特别是自复位耗能支撑。

背景技术

现今，地震仍是造成人类伤亡的最频发自然灾害之一，同时人类对于抗震理念的研究也日趋成熟。延性抗震设计即采用合理的结构设计使建筑物非核心区域产生较大的塑性变形来耗散主要的地震能量，例如“强节点、若构件”、“强柱弱梁”均属于延性抗震设计理念范畴。延性抗震通过特定部位的塑性耗能，使房屋结构的主要受力部位更少参与耗散地震能量而得到保护，从而保证了建筑物“大震不倒”。但随着抗震研究的不断深入，延性抗震理念在实际工程应用中的缺陷逐渐暴露。实现延性抗震的前提便是地震时特定部位需产生塑性变形，建筑物不仅因过大的残余变形立即丧失使用功能，而且震后残余变形的矫正及塑性部件的修复或更换严重耗费时间及财力，不利于灾后群众生命安全及城市经济财产安全。因此开发震后残余变形小、自复位性能稳定、安装拆卸方便及耗能性能优良的自复位耗能支撑具有重要意义。

目前，国内外学者已提出了较多自复位耗能支撑，为了实现较好的耗能性能，这些结构往往需要在原有支撑上附加复杂的耗能系统，这样反而使得整个结构安装程序更加复杂困难，使得以上提出的很多新型结构不能得到更广泛的推广应用；同时，部分研究者采用形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)棒材或丝材作为耗能构件时，由于材料利用效率较低，导致实际成本更高且自复位性能并不稳定。基于此，本发明提出了一种装配式带SMA索双套管自复位耗能钢支撑，不仅易于装配安装，且通过高强螺栓的预紧力施加及双套管的合理运动机制，使整体结构具有稳定的耗能性能及自复位性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种装配式带SMA索双套管自复位耗能钢支撑，其特征在于:包括外套管、内套管、外套管端板、内套管端板、端板I、端板II，以及若干SMA索。

所述外套管是两端开口的中空套管。

所述内套管和外套管端板分别从外套管的两端穿入外套管的中空内腔中。其中，在内套管穿入的一侧，设置有端板II，在外套管端板穿入的一侧，设置有端板I。

所述端板I具有贯穿两个板面的条形孔I。外套管端板的一端从条形孔I穿入外套管，并与外套管连接。外套管端板的另一端位于外套管外部，用于连接外部构件I。

所述端板I具有贯穿两个板面的条形孔II。内套管端板的一端从条形孔II穿入外套管，并与内套管连接。内套管端板的另一端位于外套管外部，用于连接外部构件II。

端板I和端板II通过若干SMA索连接。每一条SMA索的两端分别锚固在端板I和端板II上。

进一步，所述外套管和内套管均为矩形套管。

进一步，所述外套管的两个相对的内侧壁具有用于导向和限位的滑槽。所述外套管端板穿入外套管的部分的两侧分别位于这两个滑槽中，使得外套管端板仅可沿着外套管的中心线滑动长度方向。

进一步，所述外套管的管壁具有贯穿的通孔I。所述外套管端板具有螺栓孔。采用高强螺栓I穿过通孔I和螺栓孔，使得外套管和外套管端板连接。

进一步，所述内套管穿入外套管的端头部分为开孔端。所述开孔端具有企口，即开孔端存在一个U形槽，U形槽的上下为实体板面部分。两实体板面部分均开有条形槽。

所述外套管端板的一个端头位于U形槽中，高强螺栓I穿过两个条形槽。

进一步，所述内套管具有通孔II。所述内套管端板具有销孔。销轴穿过通孔II和销孔使得内套管端板和内套管连接。

进一步，所述内套管端板的两个板面安装有黄铜板。所述黄铜板与条形孔I接触。

进一步，所述外套管端板和内套管端板位于同一个水平面。

进一步，若干SMA索分为数量相等的两组，每组至少两条。这两组SMA索对称分布在外套管的两侧。

进一步，所述SMA索的两端均通过锚具固定于端板I和端板II。固定时，SMA索被施加预应力。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，通过双套管的结构设计简洁支撑运动机制，支撑在承受轴向荷载时，双套管始终反向运动，使两端板带动SMA索伸长，使SMA索充分受拉，提高支撑自复位性能。对支撑双套管运动机制进行合理利用，采用内外套管在局部的摩擦进行耗能，避免了对于整体支撑结构附加复杂耗能系统，极大简化支撑整体构造的同时满足支撑的耗能需求。通过高强螺栓预紧力的调整，可实现对支撑耗能性能的合理调整，显著增加了支撑结构的耗能性能，黄铜板耗能材料的使用，提高了支撑耗能材料的稳定性及耐用性，同时黄铜板采用螺栓连接，安装更为简洁方便，利于支撑后期耗能材料的更换。通过巧妙的构件设计，利用螺栓及销轴连接，使得本支撑安装实现全装配化。本支撑具有良好及稳定的自复位性能、耗能性能，同时安装快速简便，具有广阔的工程应用前景。

附图说明

图1是本发明整体装配图

图2是本发明分解图

图3是本发明外套管及其端头分解图

图4是本发明外套管及其端头装配图

图5是本发明内套管及其端头分解图

图6是本发明内套管及其端头装配图

图7是本发明自复位系统分解图

图8是本发明自复位系统装配图。

图中：外套管(1)、滑槽(101)、通孔I(102)、内套管(2)、开孔端(201)、条形槽(202)、U形槽(203)、通孔II(204)、外套管端板(3)、凹槽(301)、螺栓孔(302)、安装孔I(303)、内套管端板(4)、销孔(401)、安装孔II(402)、高强螺栓I(5)、销轴(6)、黄铜板(7)、螺栓II(8)、SMA索(9)、端板I(10)、条形孔I(1001)、锚具(11)、端板II(12)、条形孔II(1201)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

一种装配式带SMA索双套管自复位耗能钢支撑，其特征在于:包括外套管1、内套管2、外套管端板3、内套管端板4、端板I10、端板II12，以及若干SMA索9。

所述外套管1是两端开口的中空套管。

所述内套管2和外套管端板3分别从外套管1的两端穿入外套管1的中空内腔中。其中，在内套管2穿入的一侧，设置有端板II12，在，在外套管端板3穿入的一侧，设置有端板I10。

所述端板I10具有贯穿两个板面的条形孔I1001。外套管端板3的一端从条形孔I1001穿入外套管1，并与外套管1连接。外套管端板3的另一端位于外套管1外部，用于连接外部构件I。

所述端板I12具有贯穿两个板面的条形孔II1201。内套管端板4的一端从条形孔II1201穿入外套管1，并与内套管2连接。内套管端板4的另一端位于外套管1外部，用于连接外部构件II。

端板I10和端板II12通过若干SMA索9连接。每一条SMA索9的两端分别锚固在端板I10和端板II12上。

施工时，整个装置与外部建筑构件形成连接(连接在外部构件I和外部构件II之间)。本实例所有部件安装均可实现装配化，具有广阔的工程应用前景。

实施例2：

本实施例主要结构同实施例1，进一步，所述外套管1和内套管2均为矩形套管。

实施例3：

本实施例主要结构同实施例1或2，进一步，所述外套管1端部内侧进行局部开槽，形成滑槽101，供外套管端板3伸入，并对外套管端板3形成初步约束。即所述外套管1的两个相对的内侧壁具有用于导向和限位的滑槽101。所述外套管端板3穿入外套管1的部分的两侧分别位于这两个滑槽101中，使得外套管端板3仅可沿着外套管1的中心线滑动长度方向。通过高强螺栓I5限制外套管端板3轴向运动，使外套管端板3与外套管1成为整体，此过程实现装配化；内套管2中空孔可供内套管端板4匹配安装，内套管2使内套管端板4仅能产生轴向位移，通过销轴6限制内套管端板4轴向运动，使内套管端板4与内套管2成为整体，此过程实现装配化。

实施例4：

本实施例主要结构同实施例1或2，进一步，所述外套管1的管壁具有贯穿的通孔I102。所述外套管端板3具有螺栓孔302。采用高强螺栓I5穿过通孔I102和螺栓孔302，使得外套管1和外套管端板3连接。高强螺栓I5安装后对外套管端板3形成完全约束，外套管端板3与外套管1形成受力整体。在支撑受轴向荷载时，可使两套管始终保持反向运动，此反向运动也使得外套管端板3与内套管开孔端201产生摩擦。高强螺栓I5螺杆依次穿过外套管1顶侧、内套管顶侧条形槽202、外套管端板3、内套管底侧条形槽202及外套管1底侧，通过高强螺栓I5的预紧力施加，使高强螺栓I5附近的接触面均产生可观的法向压力，从而将外套管端板3与内套管开孔端201的摩擦由被动摩擦转化为主动摩擦，即支撑在拉压受力时均可产生可观的摩擦力，通过此摩擦耗能对地震能量进行耗散。

实施例5：

本实施例主要结构同实施例1或2，进一步，所述内套管2穿入外套管1的端头部分为开孔端201。所述开孔端201具有企口，即开孔端201存在一个U形槽203，U形槽203的上下为实体板面部分。两实体板面部分个均开有条形槽202。

所述外套管端板3的一个端头位于U形槽203中，高强螺栓I5穿过两个条形槽202。U形槽203使外套管端板3跟随外套管1的运动不受内套管2阻碍，并可根据位移要求调整U形槽203长度。

实施例6：

本实施例主要结构同实施例1，进一步，所述内套管2具有通孔II204。所述内套管端板4具有销孔401。销轴6穿过通孔II204和销孔401使得内套管端板4和内套管2连接。内套管端板4伸入内套管2后可使开孔位置与内套管2开孔位置保持同心。销轴6端头直径大于销轴6轴杆直径，且销轴6端头厚度等于内套管6厚度，内套管2顶部孔洞可容纳销轴6端头，内套管2底部孔洞及内套管端板4孔洞供销轴6轴杆通过，此构造可防止销轴6滑落。销轴6直接安装在内套管2及内套管端板4孔洞中，无任何其余焊接。销轴6采用上部端头直径略大于下部轴杆直径的构造，保证安装销轴6时，销轴6不会从内套管2及内套管端板4孔洞中滑出。内外套管产生轴向位移时，通过合理设计可使销轴6始终保持处于外套管1中空孔内部，销轴6即被完全约束于内套管2及内套管端板4孔洞之中。销轴6对内套管端板4形成完全约束，使内套管端板4与内套管2形成受力整体。

因此，所述外套管端板3及内套管端板4在承受轴向拉压荷载时，会分别带动外套管1及内套管2产生轴向位移，两套管运动方向始终保持反向。

实施例7：

本实施例主要结构同实施例1，进一步，为增加摩擦面摩擦系数，更换摩擦面材料，即在所述内套管端板4的两个板面安装有黄铜板7。所述黄铜板7与条形孔I1001接触。本实施例中，对外套管端板3中部截面顶底侧进行削弱形成凹槽301，凹槽301深度等于黄铜板7厚度，黄铜板7安装后外套管端板3表面可保持平齐，不阻碍两套管运动。采用螺栓II8安装黄铜板7，黄铜板7及外套管端头凹槽301表面均进行开孔，螺栓端头及螺帽直径均大于螺杆，黄铜板7开孔直径大于外套管端头凹槽301开孔直径，使安装后的螺栓II8螺帽及螺栓II8端头与外套管端板3表面保持平齐，不阻碍两套管的运动。

实施例8：

本实施例主要结构同实施例1，进一步，所述外套管端板3和内套管端板4位于同一个水平面。端板I10、II12中部进行开孔，恰好容许外套管端板3及内套管端板4通过。端板I10、II12四个角部进行开孔，容许SMA索9通过并采用锚具11将SMA索锚固在端板上。

实施例9：

本实施例主要结构同实施例1，进一步，若干SMA索9分为数量相等的两组，每组至少两条。这两组SMA索9对称分布在外套管1的两侧。

本实施例采用的SMA索的材料弹性模量大约40GPa，伸长率为6～8％。

实施例10：.

本实施例主要结构同实施例1，进一步，所述SMA索9的两端均通过锚具11固定于端板I10和端板II12。固定时，SMA索9被施加预应力。在支撑受轴向荷载时，两套管产生反向运动，套管的反向运动会带动两端板10产生背离运动，使SMA索9受拉，当两套管运动方向反向时，SMA索10先卸载后继续保持受拉。本实施例中，初始对SMA索10锚固时施加预应力，此预应力使两端板9夹紧内外套管，使整个支撑结构具有可观的初始刚度。

Claims (10)

1.一种装配式带SMA索双套管自复位耗能钢支撑，其特征在于:包括所述外套管(1)、内套管(2)、外套管端板(3)、内套管端板(4)、端板I(10)、端板II(12)，以及若干SMA索(9)；

所述外套管(1)是两端开口的中空套管；

所述内套管(2)和外套管端板(3)分别从外套管(1)的两端穿入外套管(1)的中空内腔中；其中，在内套管(2)穿入的一侧，设置有端板II(12)，在外套管端板(3)穿入的一侧，设置有端板I(10)；

所述端板I(10)具有贯穿两个板面的条形孔I(1001)；外套管端板(3)的一端从条形孔I(1001)穿入外套管(1)，并与外套管(1)连接；外套管端板(3)的另一端位于外套管(1)外部，用于连接外部构件I；

所述端板I(12)具有贯穿两个板面的条形孔II(1201)；内套管端板(4)的一端从条形孔II(1201)穿入外套管(1)，并与内套管(2)连接；内套管端板(4)的另一端位于外套管(1)外部，用于连接外部构件II；

端板I(10)和端板II(12)通过若干SMA索(9)连接；每一条SMA索(9)的两端分别锚固在端板I(10)和端板II(12)上。

2.根据权利要求1所述的一种装配式带SMA索双套管自复位耗能钢支撑，其特征在于：所述外套管(1)和内套管(2)均为矩形套管。

3.根据权利要求2所述的一种装配式带SMA索双套管自复位耗能钢支撑，其特征在于：所述外套管(1)的两个相对的内侧壁具有用于导向和限位的滑槽(101)；所述外套管端板(3)穿入外套管(1)的部分的两侧分别位于这两个滑槽(101)中。

4.根据权利要求1或2所述的一种装配式带SMA索双套管自复位耗能钢支撑，其特征在于：所述外套管(1)的管壁具有贯穿的通孔I(102)；所述外套管端板(3)具有螺栓孔(302)；采用高强螺栓I(5)穿过通孔I(102)和螺栓孔(302)，使得外套管(1)和外套管端板(3)连接。

5.根据权利要求4所述的一种装配式带SMA索双套管自复位耗能钢支撑，其特征在于：所述内套管(2)穿入外套管(1)与外套管端板(3)所组成空腔的部分为开孔端(201)；所述开孔端(201)具有企口，即开孔端(201)存在一个U形槽(203)，U形槽(203)的上下为实体板面部分；两实体板面部分均开有条形槽(202)；

所述外套管端板(3)的一个端头位于U形槽(203)中，高强螺栓I(5)穿过两个条形槽(202)。

6.根据权利要求2或4所述的一种装配式带SMA索双套管自复位耗能钢支撑，其特征在于：所述内套管(2)具有通孔II(204)；所述内套管端板(4)具有销孔(401)；销轴(6)穿过通孔II(204)和销孔(401)使得内套管端板(4)和内套管(2)连接。

7.根据权利要求1或4所述的一种装配式带SMA索双套管自复位耗能钢支撑，其特征在于：所述内套管端板(4)的两个板面安装有黄铜板(7)；所述黄铜板(7)与条形孔I(1001)接触。

8.根据权利要求1或4所述的一种装配式带SMA索双套管自复位耗能钢支撑，其特征在于：所述外套管端板(3)和内套管端板(4)位于同一个水平面。

9.根据权利要求1或4所述的一种装配式带SMA索双套管自复位耗能钢支撑，其特征在于：若干SMA索(9)分为数量相等的两组，每组至少两条；这两组SMA索(9)对称分布在外套管(1)的两侧。

10.根据权利要求1或4所述的一种装配式带SMA索双套管自复位耗能钢支撑，其特征在于：所述SMA索(9)的两端均通过锚具(11)固定于端板I(10)和端板II(12)；固定时，SMA索(9)被施加预应力。

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