CN114482314A - 一种装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑，涉及土木工程抗震结构技术领域。具有变形量大、耗能能力稳定、加工精度要求较低、结构简单且组装便捷的优点。该支撑包括第一连接件、第二连接件、摩擦耗能结构和预压弹簧自复位结构；第一连接件包括第一工字钢梁和第一竖向封板；第二连接件包括第二工字钢梁、第二竖向封板和第三竖向封板；摩擦耗能结构能够在第一连接件或第二连接件受到外力时耗散外部能量；预压弹簧自复位结构包括限位钢栓和两组连接杆组件，连接杆组件包括两端分别连接限位挡板和限位端头的连接杆，连接杆上套设预压弹簧和活动挡板，限位挡板与限位钢栓相抵接，活动挡板与第一竖向封板相抵接；限位端头与第三竖向封板相抵接。

Description

一种装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑

技术领域

本申请涉及土木工程抗震结构技术领域，尤其涉及一种装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑。

背景技术

装配式钢结构是一种符合全寿命周期绿色建筑的新型结构形式，能够最大限度地节约资源、降低能耗、保护环境和减少污染。但目前装配式钢结构仍以防倒塌为主，通过钢框架梁端形成塑性铰、发生较大的屈曲变形耗散地震能量。这种以破坏结构主体来耗能的抗震方式会使结构震后产生不可逆的较大残余变形，结构在后续余震中的抗震性能很难保证、震后的修复工作也非常困难。

为了解决上述技术问题，具有复位、耗能功能的新型结构应运而生，该结构通过主体外的附属部分(复位材料、附加耗能构件)提供结构刚度、回复力及耗能能力，可实现震中结构主体无损伤、震后结构无残余变形，快速恢复其使用功能的设计目标。装配式自复位耗能钢支撑就是其中一种新型的构造形式。其基于可修复设计思想，通过引入复位材料及耗能装置对传统钢支撑进行构造创新。

目前，复位材料使用最多的是预应力钢索、形状记忆合金等。其中，预应力钢索的缺点是：施加预应力的过程非常复杂、索体的变性能力有限，施加预应力后其变形能力进一步受损，并且预应力损失无法避免，若后续对索体补充施加预应力，其施工过程也极为困难。形状记忆合金的缺点是：造价较高，并且其力学性能受温度影响较大。至于支撑构造，目前多采用内外双管、甚至三管相互错动变形的构造形式。这种构造使得支撑过于复杂、内外管间的长度误差将严重影响支撑的刚度，同时支撑的加工精度要求过高，工厂难以批量生产。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请的实施例提供一种装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑，具有变形量大、耗能能力稳定、加工精度要求较低、结构简单且组装便捷的优点。

为了达到上述目的，本申请的实施例提供了一种装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑，包括第一连接件、第二连接件、摩擦耗能结构和预压弹簧自复位结构；所述第一连接件包括第一工字钢梁，所述第一工字钢梁的第一端设有第一竖向封板，所述第一竖向封板上设有第一竖向封板连接孔；所述第二连接件包括第二工字钢梁，所述第二工字钢梁内设有第二竖向封板和第三竖向封板；所述第二竖向封板上设有第二竖向封板连接孔；所述摩擦耗能结构能够连接所述第一连接件和所述第二连接件，并在所述第一连接件或所述第二连接件受到外力时耗散外部能量；所述预压弹簧自复位结构包括设置在所述第一工字钢梁上的限位钢栓和两组连接杆组件，两组所述连接杆组件位于所述第一工字钢梁的腹板和所述第二工字钢梁的腹板的两侧；所述连接杆组件包括连接杆，所述连接杆的两端分别架设在所述第一竖向封板连接孔和所述第二竖向封板连接孔的孔壁上，所述连接杆的第一端可拆卸连接限位挡板，第二端可拆卸连接限位端头；所述连接杆上套设预压弹簧和活动挡板，所述连接杆的第一端、所述限位挡板、所述预压弹簧和所述活动挡板均位于所述第一工字钢梁内，且所述限位挡板与所述限位钢栓相抵接，所述活动挡板与所述第一竖向封板相抵接；所述限位端头与所述第三竖向封板相抵接。

进一步地，所述摩擦耗能结构包括两个剪切板、两个摩擦板和环槽铆钉；两个所述剪切板相互平形且均垂直连接在所述第一竖向封板上，两个所述摩擦板分别位于对应的所述剪切板与所述第二工字钢梁的腹板之间，且通过所述环槽铆钉与所述剪切板与所述第二工字钢梁的腹板连接；所述剪切板可相对所述第二工字钢梁的腹板移动。

进一步地，所述第二工字钢梁的腹板的第一端设有长条形孔，所述剪切板上设有剪切板连接孔；所述摩擦板上设有摩擦板连接孔；所述环槽铆钉依次穿过其中一个剪切板连接孔、其中一个摩擦板连接孔、长条形孔、另一个摩擦板连接孔和另一个剪切板连接孔后，将摩擦板压紧在剪切板与第二工字钢梁的腹板之间。

进一步地，所述连接杆为两个，两个所述连接杆上下平行设置，且两个所述连接杆共用一个限位挡板。

进一步地，所述连接杆上设有限位环箍，所述活动挡板抵接在所述限位环箍上。

进一步地，所述连接杆的第一端连接限位螺母，所述限位挡板的两端分别抵接所述预压弹簧和所述限位螺母。

进一步地，所述限位挡板能够在所述第一工字钢梁内滑动。

进一步地，所述长条形孔为三个，三个所述长条形孔沿所述第二工字钢梁的腹板的高度方向均布；所述剪切板连接孔和所述摩擦板连接孔的数量与所述长条形孔的数量相同，且三个所述剪切板连接孔的位置与三个所述长条形孔的位置一一对应，三个所述摩擦板连接孔的位置也与三个所述长条形孔的位置一一对应。

进一步地，还包括连接在所述第一工字钢梁的翼缘上的环箍套管，所述环箍套管位于所述预压弹簧自复位结构的外侧。

进一步地，所述第一工字钢梁的端部设有第一连接部，所述第一连接部包括第一端部封板和垂直设置在所述第一端部封板上的第一连接耳板；所述第二工字钢梁的端部设有第二连接部，所述第二连接部包括第二端部封板和垂直设置在所述第二端部封板上的第二连接耳板。

本申请相比现有技术具有以下有益效果：

本申请实施例装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑采用预压弹簧式的复位结构，通过限位螺母调整弹簧的预压力，并采用长槽孔式的摩擦耗能结构提供稳定的耗能能力，具有变形量大、耗能能力稳定、加工精度要求较低、结构简单且组装便捷的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑的立体结构示意图(隐去环箍套管一侧柱壁)；

图2为本申请实施例装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑的外形图；

图3为本申请实施例装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑中第一连接件的立体结构示意图；

图4为本申请实施例装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑中第二连接件的立体结构示意图；

图5为本申请实施例装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑中摩擦耗能结构的立体结构示意图(去掉外侧剪切板和摩擦板)；

图6为本申请实施例装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑中预压弹簧自复位结构的立体结构示意图；

图7为本申请实施例装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑中第一连接件和第二连接件连接之前的示意图；

图8为本申请实施例装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑中第一连接件和第二连接件连接后的示意图；

图9为本申请实施例装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑中插入连接杆时的示意图；

图10为本申请实施例装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑中连接杆的安装后的示意图；

图11为本申请实施例装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑中限位端头安装后的示意图；

图12为本申请实施例装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑中预压弹簧自复位结构全部安装后的示意图；

图13为本申请实施例装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑中环箍套管安装前的示意图；

图14为本申请实施例装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑中环箍套管安装后的示意图；

图15为本申请实施例装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑受拉变形示意图；

图16为本申请实施例装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑受压变形示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

目前，我国每年城乡新建房屋面积的80％以上仍属高能耗建筑，单位建筑面积能耗约为发达国家的2倍左右。建筑业每年产生建筑垃圾近15亿吨，主要有渣土、碎砖瓦、碎砂石、碎混凝土等，其中可以进行资源化利用的尚不到5％，建筑施工和建筑垃圾运送已成为城市主要污染源之一，将近20％的空气污染由其所致。另外，近年来我国钢材产量连续突破11亿吨，钢材产能过剩的问题亟待解决。

装配式钢结构是一种符合全寿命周期绿色建筑的新型结构形式，其从建筑材料选用、建筑构件制作、现场施工安装、运行与维护一直到建筑拆除后回收利用的建筑全寿命周期内，最大限度地节约资源、降低能耗、保护环境、减少污染。因此，选择具有高强度、大变形的复位材料、研发出构造简单、加工组装便捷的构造形式，将快提升装配式自复位耗能钢支撑的应用推广，更能丰富装配式钢结构的构件类型，更好的发挥装配式钢结构全寿命周期绿色建筑的优势，解决目前我国建筑、能源行业诸多难题。

参照图1和图2，为了解决上述技术问题，本申请的实施例提供了一种装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑，包括第一连接件1、第二连接件2、摩擦耗能结构3和预压弹簧自复位结构4。第一连接件1和第二连接件2相互连接，且第二连接件2位于第一连接件1的右侧。第一连接件1和第二连接件2的外侧设有环箍套管5，环箍套管5套装在第一工字钢梁11的右端和第二工字钢梁21的左端上，且位于预压弹簧自复位结构4的外侧，起到保护预压弹簧自复位结构4的作用。

参照图3，第一连接件1包括第一工字钢梁11，第一工字钢梁11的右端设有第一竖向封板12，第一竖向封板12上设有第一竖向封板连接孔13。第一竖向封板12上还垂直连接两个剪切板17，剪切板17上设有三个剪切板连接孔171。第一工字钢梁的腹板15上设有用于安装限位钢栓16的腹板预留限位孔151。第一工字钢梁11的左端设有第一连接部14，第一连接部14包括第一端部封板141和垂直设置在第一端部封板141上的第一连接耳板142。第一工字钢梁的翼缘18上设有连接孔181，环箍套管5通过高强度螺栓6连接在第一工字钢梁的翼缘18上。第一工字钢梁11、第一竖向封板12、两个剪切板17和第一连接部14在工厂焊接完成。

参照图4，第二连接件2包括第二工字钢梁21，第二工字钢梁21内设有第二竖向封板22和第三竖向封板23。第二工字钢梁的腹板24的左端由上至下设有三个长条形孔25。三个长条形孔25的位置与三个剪切板连接孔171的位置一一对应。第二竖向封板22上由上至下设有两个第二竖向封板连接孔221，第三竖向封板23上由上至下设有两个第三竖向封板连接孔231，两个第三竖向封板连接孔231的位置与两个第二竖向封板连接孔221的位置一一对应，且第二竖向封板22靠近长条形孔25设置。具体的，第二竖向封板连接孔221可以是长条形孔，且第二竖向封板22和第三竖向封板23之间设有加强筋26。第二工字钢梁21的右端设有第二连接部27，第二连接部27包括第二端部封板271和垂直设置在第二端部封板271上的第二连接耳板272。第一连接耳板142和第二连接耳板272均为带圆孔的圆弧形端板，该结构使第一连接耳板142和第二连接耳板272便于与框架铰接连接，进而避免连接端承受较大弯矩作用，发生变形甚至断裂破坏。第二连接件2中的各部件也在工厂焊接完成。

参照图5，摩擦耗能结构3包括两个剪切板17、两个摩擦板31、第二工字钢梁的腹板24和环槽铆钉32。两个剪切板17相互平行且均垂直连接在第一竖向封板12上，两个摩擦板31分别位于对应的剪切板17与第二工字钢梁的腹板24之间，且通过环槽铆钉32与剪切板17与第二工字钢梁的腹板24连接。具体的，摩擦板31采用黄铜摩擦板，其上设有三个摩擦板连接孔(图中未示)，三个摩擦板连接孔的位置与三个长条形孔25的位置一一对应。环槽铆钉32采用高强度环槽铆钉，环槽铆钉32依次穿过其中一个剪切板17的剪切板连接孔171、其中一个摩擦板31的摩擦板连接孔、第二工字钢梁的腹板24的长条形孔25、另一个摩擦板31的摩擦板连接孔和另一个剪切板连接孔171后，将摩擦板31压紧在剪切板17与第二工字钢梁的腹板24之间。由此，摩擦耗能结构3能够连接第一连接件1和第二连接件2，并在第一连接件1或第二连接件2受到外力时耗散外部能量，且由于本申请实施例采用高强度环槽铆钉代替现有技术中的高强螺栓，解决了传统高强螺栓预紧力易损失的问题。

参照图1和图6，预压弹簧自复位结构4包括两组连接杆组件41，两组连接杆组件41分别位于第一工字钢梁11的腹板和第二工字钢梁的腹板24的两侧。每组连接杆组件41均包括连接杆411，连接杆411的两端分别架设在第一竖向封板连接孔13和第二竖向封板连接孔221的孔壁上，连接杆411的左端可拆卸连接限位挡板412，右端可拆卸连接限位端头413。连接杆411上套设预压弹簧414和活动挡板415，连接杆411的左端、限位挡板412、预压弹簧414和活动挡板415均位于第一工字钢梁11内，且限位挡板412与限位钢栓16相抵接，活动挡板415与第一竖向封板12相抵接，限位端头413与第三竖向封板23相抵接。

具体的，连接杆411为两个，两个连接杆411上下平行设置，且两个连接杆411共用一个限位挡板412。连接杆411的左端连接限位螺母417，限位挡板412的两端分别抵接预压弹簧414的左端和限位螺母417。连接杆411上焊接限位环箍416，活动挡板415的左端低接预压弹簧414的右端，右端抵接在限位环箍416上。连接杆411的右端通过螺纹连接限位端头413，限位端头413可以为球体也可以为圆柱体，由此，可保证支撑轴向拉伸或压缩时，限位端头413始终与第二竖向封板22和第三竖向封板23稳定接触，连接杆411与第二竖向封板22和第三竖向封板23也同步轴向运动。

连接杆411为钢棒，其直径小于第二竖向封板22上的第二竖向封板连接孔221和第三竖向封板23上的第三竖向封板连接孔231的孔径，且与限位挡板412和活动挡板415的孔径相适配。具体的，限位环箍416的外径与第二竖向封板22上的第二竖向封板连接孔221和第三竖向封板23上的第三竖向封板连接孔231的孔径相适配。

为了防止第一连接件1和第二连接件2相对运动时发生倾斜，限位挡板412能够在第一工字钢梁11内滑动，具体的，限位挡板412的高度与第一工字钢梁11的上下翼缘之间的高度相适配。

由此，限位环箍416能够带动活动挡板415向左侧滑动，调节限位螺母417可使预压弹簧414、活动挡板415、限位挡板412沿连接杆411的轴向与第二竖向封板22发生挤压。

本申请实施例装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑的制作和装配过程如下：

1、参照图7和图8，将第一连接件1上的剪切板连接孔171、摩擦板31上的摩擦板连接孔与第二连接件2上的长条形孔25的中心对齐，并用环槽铆钉32将其连接在一起，形滑动式摩擦耗能结构3。需要注意的是：安装后第二连接件2的翼缘端部与第一连接件1的第一竖向封板12之间预留距离L，距离L须满足结构在超大震下支撑的轴向变形要求。

2、参照图9至图12，将连接杆411依次穿过第二连接件2上的第三竖向封板连接孔231、第二竖向封板连接孔221和第一连接件1上的第一竖向封板连接孔13后，将限位端头413连接在连接杆411的右端，再将活动挡板415、预压弹簧414、限位螺母417套到连接杆411上，并调节限位螺母417至预设位置，使预压弹簧414压缩，为本申请实施例支撑施加预紧力。

3、参照图13和图14，将限位钢栓16插入第一连接件1的腹板预留限位孔151中，再将环箍套管5从第一连接件1的左端套入，使得环箍套管5上的螺栓孔与第一连接件1上的连接孔181对齐，再采用高强度螺栓6将二者连接在一起。

本申请实施例装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑的工作原理如下：

参照图15和图16，该支撑预先调节限位螺母417给预压弹簧414施加预压力F，预压力F的大小要大于等于摩擦耗能结构3提供的摩擦阻力f。以下以支撑的第一连接部14(左连接端)固定、第二连接部27(右连接端)受力受拉、受压时为例进行说明。

参照图15，本申请实施例支撑受拉时，第一连接部14固定、第二连接部27受拉，第二连接件2带动连接杆411、限位螺母417和限位挡板412一起向右运动距离△₁。此时，限位挡板412将预压弹簧414向活动挡板415、第一竖向封板12挤压距离△₁，预压弹簧414提供反方向的回复力F₁；第二工字钢梁的腹板24和剪切板17也发生错动距离△₁来摩擦耗能。

参照图16，本申请实施例支撑受压时，第一连接部14固定、二连接部27受压，第二连接件2带动连接杆411、限位螺母417、限位挡板412和限位环箍416一起向右运动距离△₂。此时，活动挡板415和限位环箍416将预压弹簧414向限位挡板412、限位钢栓16挤压距离△₂，预压弹簧414提供反方向的回复力F₂，第二工字钢梁的腹板24和剪切板17也发生错动距离△₂来摩擦耗能。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑，其特征在于，包括第一连接件、第二连接件、摩擦耗能结构和预压弹簧自复位结构；

所述第一连接件包括第一工字钢梁，所述第一工字钢梁的第一端设有第一竖向封板，所述第一竖向封板上设有第一竖向封板连接孔；

所述第二连接件包括第二工字钢梁，所述第二工字钢梁内设有第二竖向封板和第三竖向封板；所述第二竖向封板上设有第二竖向封板连接孔；

所述摩擦耗能结构能够连接所述第一连接件和所述第二连接件，并在所述第一连接件或所述第二连接件受到外力时耗散外部能量；

所述预压弹簧自复位结构包括设置在所述第一工字钢梁上的限位钢栓和两组连接杆组件，两组所述连接杆组件位于所述第一工字钢梁的腹板和所述第二工字钢梁的腹板的两侧；所述连接杆组件包括连接杆，所述连接杆的两端分别架设在所述第一竖向封板连接孔和所述第二竖向封板连接孔的孔壁上，所述连接杆的第一端可拆卸连接限位挡板，第二端可拆卸连接限位端头；所述连接杆上套设预压弹簧和活动挡板，所述连接杆的第一端、所述限位挡板、所述预压弹簧和所述活动挡板均位于所述第一工字钢梁内，且所述限位挡板与所述限位钢栓相抵接，所述活动挡板与所述第一竖向封板相抵接；所述限位端头与所述第三竖向封板相抵接。

2.根据权利要求1所述的装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑，其特征在于，所述摩擦耗能结构包括两个剪切板、两个摩擦板和环槽铆钉；两个所述剪切板相互平形且均垂直连接在所述第一竖向封板上，两个所述摩擦板分别位于对应的所述剪切板与所述第二工字钢梁的腹板之间，且通过所述环槽铆钉与所述剪切板与所述第二工字钢梁的腹板连接；所述剪切板可相对所述第二工字钢梁的腹板移动。

3.根据权利要求2所述的装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑，其特征在于，所述第二工字钢梁的腹板的第一端设有长条形孔，所述剪切板上设有剪切板连接孔；所述摩擦板上设有摩擦板连接孔；所述环槽铆钉依次穿过其中一个剪切板连接孔、其中一个摩擦板连接孔、长条形孔、另一个摩擦板连接孔和另一个剪切板连接孔后，将摩擦板压紧在剪切板与第二工字钢梁的腹板之间。

4.根据权利要求1所述的装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑，其特征在于，所述连接杆为两个，两个所述连接杆上下平行设置，且两个所述连接杆共用一个限位挡板。

5.根据权利要求4所述的装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑，其特征在于，所述连接杆上设有限位环箍，所述活动挡板抵接在所述限位环箍上。

6.根据权利要求5所述的装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑，其特征在于，所述连接杆的第一端连接限位螺母，所述限位挡板的两端分别抵接所述预压弹簧和所述限位螺母。

7.根据权利要求1所述的装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑，其特征在于，所述限位挡板能够在所述第一工字钢梁内滑动。

8.根据权利要求3所述的装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑，其特征在于，所述长条形孔为三个，三个所述长条形孔沿所述第二工字钢梁的腹板的高度方向均布；所述剪切板连接孔和所述摩擦板连接孔的数量与所述长条形孔的数量相同，且三个所述剪切板连接孔的位置与三个所述长条形孔的位置一一对应，三个所述摩擦板连接孔的位置也与三个所述长条形孔的位置一一对应。

9.根据权利要求8所述的装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑，其特征在于，还包括连接在所述第一工字钢梁的翼缘上的环箍套管，所述环箍套管位于所述预压弹簧自复位结构的外侧。

10.根据权利要求1～9任一所述的装配式预压弹簧自复位耗能钢支撑，其特征在于，所述第一工字钢梁的端部设有第一连接部，所述第一连接部包括第一端部封板和垂直设置在所述第一端部封板上的第一连接耳板；所述第二工字钢梁的端部设有第二连接部，所述第二连接部包括第二端部封板和垂直设置在所述第二端部封板上的第二连接耳板。

Images