CN114482668A - 一种自复位转动摩擦阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自复位转动摩擦阻尼器，包括转动装置，所述转动装置的中间部分设置有摩擦耗能装置和碟簧自复位装置；所述摩擦耗能装置在旋转时可形成四个摩擦面和四个非摩擦面；所述碟簧自复位装置将摩擦耗能装置和转动装置串联在一起。本发明能够保证该阻尼器自复位装置预压力的稳定和耗能装置摩擦力随转角的增大而发生变化，使装配式混凝土框架结构的恢复能力和耗能能力得到提高，便于在震后迅速、低成本的进行修复，维持原有的正常使用功能，以期为可恢复功能防震结构设计提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及消能减震结构和全装配式框架结构技术领域，特别涉及一种自复位转动摩擦阻尼器。
背景技术
地震时，传统的结构是依靠抗侧力构件的塑性变形来耗散地震能量，仅在一定程度上满足了抗倒塌设计，震后修复成本较高，甚至超过拆后重建。而消能减震结构是通过设置耗能部件，诱导结构损伤集中于耗能部件，确保主体结构处于无损伤或者低损伤状态，实现结构的损伤控制，提升结构抗震性能。现阶段，最常用的耗能部件为阻尼器，而其中由于摩擦阻尼器价格便宜、性能稳定、受外界环境温度影响小，因此在实际工程中应用较多。然而，在地震过后，摩擦阻尼器的残余变形较大且不可恢复，其抗震安全性仍然存在一定的问题，因此需要搭配自复位装置一起使用。
目前，大多数自复位摩擦阻尼器的摩擦力不能随位移的改变而发生变化，功能相对比较单一，同时，国内外学者对于自复位装置的研究大多采用后张无黏结预应力筋作为复位装置，但是研究证明，预应力设备的一些缺陷，可能会限制其在实际工程中的应用：1.对于预应力筋的张拉力控制困难；2.在施工和后期的维护中，预应力会出现不可恢复的损失；3.一根预应力筋的失效，就可能导致结构的恢复能力失效。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种自复位转动摩擦阻尼器，保证该阻尼器自复位装置预压力的稳定和耗能装置摩擦力随转角的增大而发生变化，使装配式混凝土框架结构的恢复能力和耗能能力得到提高，便于在震后迅速、低成本地进行修复，维持原有的正常使用功能，以期为可恢复功能防震结构设计提供参考。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种自复位转动摩擦阻尼器，包括转动装置1，所述转动装置1 的中间部分设置有摩擦耗能装置2和碟簧自复位装置3；
所述摩擦耗能装置2在旋转时可形成四个摩擦面和四个非摩擦面；
所述碟簧自复位装置3将摩擦耗能装置2和转动装置1串联在一起。
所述转动装置1包括U形接头一4和U形接头二5；所述U形接头一4包括竖直设置的连接板9，连接板9的表面左右对称垂直设置两个耳板一10，所述连接板9表面上、下端开设连接孔13，两个耳板一10上开设销轴孔11；
所述U形接头二5包括竖直设置的连接板9，连接板9的表面左右对称垂直设置两个耳板二12，所述连接板9表面上、下端开设连接孔13，两个耳板二12上开有销轴孔11；
所述耳板一10与耳板二12交叉设置，耳板一10位于耳板二12 内侧，且销轴孔11对齐。
所述碟簧自复位装置3包括多个串在销轴7上的碟簧6，销轴7 通过耳板一10、耳板二12、高强螺母14和垫片15安装在转动装置 1中间，耳板一10充当碟簧挡板。
所述碟簧6采用以下三种组合方式进行组合：叠合形式、对合形式以及叠对混合形式；叠合是指一个碟簧片的下表面接触另一个碟簧片的上表面；对合是指一个碟簧片的下表面接触另一个碟簧片的下表面或者一个碟簧片的上表面接触另一个碟簧片的上表面；混合是指几个碟簧片通过叠合方式组合在一起，然后组合之间通过下表面接触下表面或者上表面接触上表面的方式对合在一起。
所述摩擦耗能装置2由黄铜摩擦片8叠合而成，表面开有和销轴孔11大小和形状相同的孔，利用两孔对齐的方式将黄铜摩擦片8分别焊接在耳板一10和耳板二12的半圆形端部处，使两块黄铜摩擦片 8对叠时不产生缝隙，黄铜摩擦片8底面为圆形平面，与半圆形端部的直径相等，顶面呈特殊的凹槽形状，由八个大小相同的滑动面构成，滑动面呈变槽角(θ)，随着转动位移的增大而不断增大(θin＞θout)，通过相同高度增量L的螺旋曲线AB和A'B'定义。
所述碟簧6中心开有碟簧孔16，碟簧孔16、销轴孔11和黄铜摩擦片8表面的孔对齐设置。
所述销轴孔11为圆形孔，便于和碟簧自复位装置3安装。
所述耳板二12作为限位板，耳板一10作为滑动板，高强螺母14 提供预压力，垫片15便于控制预压力。
本发明新型自复位转动摩擦阻尼器可在全装配式混凝土框架结构体系中应用。
本发明的有益效果：
1)新型自复位转动摩擦阻尼器能够避免梁柱节点核心区发生破坏，同时使主体结构处于无损伤或低损伤状态，而主要损伤部位发生在可更换构件中，既保证了结构的承载能力又能实现快速恢复。
2)新型自复位转动摩擦阻尼器采用碟簧自复位装置，避免了由于使用预应力筋或者预应力钢绞线而带来的诸多问题，使结构安全性得到提高，也使修复成本得到降低。
3)新型自复位转动摩擦阻尼器采用摩擦耗能装置，传力路径简单可靠：将黄铜摩擦板切割成特殊的凹槽形状，使得当耳板转动时，摩擦片会挤压碟簧装置，便于控制转动装置转动的起滑力和滑动摩擦力。同时，起滑后能够提供第二刚度，克服了零刚度和变形过大的不利影响，使结构的耗能能力得到提高。
4)新型自复位转动摩擦阻尼器将碟簧自复位装置和摩擦耗能装置安装在同一根销轴上。销轴承受剪力和复位力，且通过各部件间的接触传递，传力更加可靠明确，同时节约了空间，便于后续安装与替换。
5)新型自复位转动摩擦阻尼器与预制构件通过高强螺栓连接，构造简单，传力明确，便于后续进行更换。
附图说明
图1为本发明新型自复位转动摩擦阻尼器结构示意图。
图2为本发明U形接头一示意图。
图3为本发明黄铜摩擦片构造示意图。
图4为本发明碟簧组合方式示意图。
图5为本发明摩擦耗能装置工作原理示意图。
图6为本发明在装配式混凝土框架结构梁柱边节点安装示意图。
图7为本发明应用在装配式混凝土框架结构体系示意图。
图8为本发明U形接头二示意图。
图9为本发明碟簧示意图。
图10为销轴连接示意图。
图11为黄铜摩擦片示意图。
具体实施方式
下面结合实施对本发明作进一步详细说明。
如图1-图11所示，本发明新型自复位转动摩擦阻尼器，转动装置1，是由两块耳板一10(钢板)和一块连接板9(钢板)焊接形成 U形接头一4，由两块耳板二12(钢板)和一块连接板9(钢板)焊接形成U形接头二5，将U形接头一4和U形接头二5用销轴7连接。在U形接头一4和U形接头二5的连接板9上分别开设连接孔 13，以便于和预制构件连接。在耳板一10和耳板二12中心开设圆形孔，作为销轴7连接的销轴孔11，同时以便于和碟簧自复位装置3安装。
如图1所示，摩擦耗能装置2由两块黄铜摩擦片8叠合而成。在耳板一10和耳板二12上均焊接黄铜摩擦片8，利用耳板二12作为限位板，利用耳板一10作为滑动板，使用高强螺母14提供预压力，为保证预压力稳定可靠，同时防止局部受压破坏，设置垫片15，以便于控制预压力。如图5所示，摩擦耗能装置2在旋转时可形成四个摩擦面和四个非摩擦面。
如图1、图2、图9和图10所示，碟簧自复位装置3利用销轴7 穿过碟簧孔16固定在耳板一10之间，耳板一10充当碟簧挡板。碟簧6中心开有碟簧孔16。
如图4所示，碟簧6可采用以下三种组合方式进行组合：叠合形式、对合形式以及叠对混合形式。
本发明复位转动摩擦阻尼器安装过程如下：
1)将符合要求的钢板进行切割，做成连接板9、耳板一10和耳板二12，焊接形成U形接头一4和U形接头二5，在相应的位置开设销轴孔11。
2)将黄铜板切割成与耳板一10、耳板二12半圆形部分直径相同的圆板，并继续切割成特殊的凹槽形状，中间的圆孔与销轴孔11 大小一致，然后利用两孔进行对齐并将黄铜摩擦片8焊接在耳板一10 和耳板二12上，使两块黄铜摩擦片8对叠时不产生缝隙，如图1所示。
3)用销轴7将碟簧6、U形接头一4和U形接头二5串联起来，然后通过高强螺母14和垫片15对销轴两端进行固定，并施加预压力。
如图6所示，本发明的安装，在预制梁、柱连接端预埋连接钢板，钢板上预留有与连接孔13大小和位置一样的连接孔。预埋连接钢板在梁截面上、下端伸出一定长度，便于螺栓连接，使用高强螺栓穿过连接孔13与新型自复位转动摩擦阻尼器实现安装，本发明新型自复位转动摩擦阻尼器受力对称，正反问题不用担心，简化了安装工艺。不在梁柱相贯处连接，而是在偏离半个梁截面高度处与柱连接，其目的是防止在连接过程中对柱进行损坏，确保预制构件的整体性。
如图7所示，安装有本发明新型自复位转动摩擦阻尼器的装配式混凝土框架结构示意图。底层柱与基础通过高强螺栓连接，其余各层在柱的反弯点安装预埋钢板，实现柱-柱螺栓连接。
本发明新型自复位转动摩擦阻尼器可在装配式混凝土框架结构体系中应用。
在装配式混凝土框架结构梁柱节点区域布置新型自复位转动摩擦阻尼器，能够有效减小震后装配式混凝土框架结构的残余变形，不需修复或稍许修复即可使用。显然，新型自复位转动摩擦阻尼器的应用能为可恢复功能防震结构设计提供参考。
本发明的工作原理：
在小震作用下，装配式混凝土框架结构产生较小振动，两块黄铜摩擦片8之间的相互作用力小于起滑力，因此不会产生转动，碟簧自复位装置3中的碟簧间隙也无明显变化，结构处在弹性范围内。本发明新型自复位转动摩擦阻尼器仅仅传递弯矩和剪力，地震能量通过动能和弹性势能相互转化。地震过后，结构不会产生相对位移。此时装配式混凝土框架结构的地震效应与现浇混凝土框架结构极为相似。
在中震作用下，装配式混凝土框架结构产生振动。如图5所示，耳板一10绕销轴7发生逆时针转动，使得两块黄铜摩擦片8之间也发生相对转动，由于黄铜摩擦片8呈现特殊的凹槽形状，使得焊有黄铜摩擦片8的耳板一10相对焊有黄铜摩擦片8的耳板二12向中间受压移动，而耳板12由于受到高强螺母14和垫片15的作用，几乎不移动，可忽略不计，碟簧自复位装置3中的碟簧间隙因受压而减小。随着转动角度的增大，焊有黄铜摩擦片8的耳板一10移动距离增加，碟簧的恢复力增大，摩擦力也随之增加，结构的抗震能力得到提高。这时预制混凝土构件处在弹性范围内，地震能量一部分被摩擦耗能装置2耗散，另一部分通过动能和弹性势能相互转化。地震过后，碟簧自复位装置3提供足够的复位力，使得耳板一10与黄铜摩擦片8这一整体的转角复位，结构不存在残余变形。
在大震作用下，装配式混凝土框架结构产生较大振动，耳板一 10绕销轴7发生较大的相对转动，使得两块黄铜摩擦片8之间也发生较大的相对转动，碟簧自复位装置3中的碟簧间隙近似闭合，预制构件由弹性状态变成塑性状态。地震能量一部分被摩擦耗能装置2耗散，另一部分被预制构件耗散。震后，碟簧自复位装置3提供一定的复位力，使得耳板一10与黄铜摩擦片8这一整体的转角基本复位，存在残余变形，但小于规定限值，可在短期内修复或者更换。
本发明和已有摩擦阻尼器相比，1、起滑后能够提供第二刚度，克服了零刚度和变形过大的不利影响；2、摩擦片预紧力和复位力均由销轴提供，构造简单；3、由于碟簧的变刚度特性，相比传统附加阻尼装置能够克服刚度不匹配的问题；4、碟簧能够用较小的材料承受重负荷的压力以节省安装空间。
Claims (8)
1.一种自复位转动摩擦阻尼器，其特征在于，包括转动装置(1)，所述转动装置(1)的中间部分设置有摩擦耗能装置(2)和碟簧自复位装置(3)；
所述摩擦耗能装置(2)在旋转时可形成四个摩擦面和四个非摩擦面；
所述碟簧自复位装置(3)将摩擦耗能装置(2)和转动装置(1)串联在一起。
2.根据权利要求1所述的一种自复位转动摩擦阻尼器，其特征在于，所述转动装置(1)包括U形接头一(4)和U形接头二(5)；所述U形接头一(4)包括竖直设置的连接板(9)，连接板(9)的表面左右对称垂直设置两个耳板一(10)，所述连接板(9)表面上、下端开设连接孔(13)，两个耳板一(10)上开设销轴孔(11)；
所述U形接头二(5)包括竖直设置的连接板(9)，连接板9的表面左右对称垂直设置两个耳板二(12)，所述连接板(9)表面上、下端开设连接孔(13)，两个耳板二(12)上开有销轴孔(11)；
所述耳板一(10)与耳板二(12)交叉设置，耳板一(10)位于耳板二(12)内侧，且销轴孔(11)对齐。
3.根据权利要求2所述的一种自复位转动摩擦阻尼器，其特征在于，所述碟簧自复位装置(3)包括多个串在销轴(7)上的碟簧(6)，销轴(7)通过耳板一(10)、耳板二(12)、高强螺母(14)和垫片(15)安装在转动装置(1)中间，耳板一(10)充当碟簧挡板。
4.根据权利要求3所述的一种自复位转动摩擦阻尼器，其特征在于，所述碟簧(6)采用以下三种组合方式进行组合：叠合形式、对合形式以及叠对混合形式；叠合是指一个碟簧片的下表面接触另一个碟簧片的上表面；对合是指一个碟簧片的下表面接触另一个碟簧片的下表面或者一个碟簧片的上表面接触另一个碟簧片的上表面；混合是指几个碟簧片通过叠合方式组合在一起，然后组合之间通过下表面接触下表面或者上表面接触上表面的方式对合在一起。
5.根据权利要求4所述的一种自复位转动摩擦阻尼器，其特征在于，所述碟簧(6)中心开有碟簧孔(16)，碟簧孔(16)、销轴孔(11)和黄铜摩擦片(8)表面的孔对其设置。
6.根据权利要求2所述的一种自复位转动摩擦阻尼器，其特征在于，所述摩擦耗能装置(2)由黄铜摩擦片(8)叠合而成，表面开有和销轴孔(11)大小和形状相同的孔，利用两孔对齐的方式将黄铜摩擦片(8)分别焊接在耳板一(10)和耳板二(12)的半圆形端部处，使两块黄铜摩擦片(8)对叠时不产生缝隙，黄铜摩擦片(8)底面为圆形平面，与半圆形端部的直径相等，顶面呈特殊的凹槽形状，由八个大小相同的滑动面构成，滑动面呈变槽角(θ)，随着转动位移的增大而不断增大(θin＞θout)，通过相同高度增量L的螺旋曲线AB和A'B'定义。
7.根据权利要求2所述的一种自复位转动摩擦阻尼器，其特征在于，所述销轴孔(11)为圆形孔，便于和碟簧自复位装置(3)安装。
8.根据权利要求2所述的一种自复位转动摩擦阻尼器，其特征在于，所述耳板二(12)作为限位板，耳板一(10)作为滑动板，高强螺母(14)提供预压力，垫片(15)便于控制预压力。
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