CN114809766A - 一种位移放大型摩擦消能器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种位移放大型摩擦消能器，包括上内钢板、下内钢板和至少一组摩擦消能单元。位移放大型摩擦消能器为对称体，具有水平对称轴x和竖向对称轴y。上内钢板和下内钢板关于水平对称轴x上下对称布设，且能在外力作用下发生水平错动。每组摩擦消能单元均包括两块摩擦板、转动部件和转动限位部件。两块摩擦板均对称布设在上内钢板和下内钢板的两侧；每块摩擦板的顶部内壁面均直接或间接与上内钢板摩擦配合；每块摩擦板的底部内壁面均直接或间接与下内钢板摩擦配合。本发明提供的一种位移放大型摩擦消能器，通过改变销轴和摩擦片的位置关系可灵活调整消能器的位移放大倍数，通过增减摩擦板数量，即摩擦板并联，可调整消能器承载力大小。

Description

一种位移放大型摩擦消能器
技术领域
本发明涉及土木工程的消能减震领域，特别是一种位移放大型摩擦消能器。
背景技术
我国是地震频发的国家，地震的发生往往造成大量房屋桥梁的严重损伤甚至倒塌。如何降低结构的损伤是各国学者和工程师重点关注的问题。消能减震技术是通过在建筑结构中增设消能装置，达到消散外部能量，减小主体结构动力响应的目的，被广泛运用于新结构和既有结构的加固。
在过去五十年间，基于不同工作原理和应用形式的消能装置被提出。相比其他类型消能器，摩擦消能器的耗能稳定，可为安装结构提供较大的初始刚度和附加阻尼，且在正常服役期间不会产生材料的屈服和疲劳问题，被认为是有效的被动耗能装置之一。传统摩擦消能器的工作行程与连接点的位移相同，在中小地震作用下摩擦位移较小，无法充分发挥摩擦耗能效果。因此，研发一种适用于小变形、构造简单的位移放大型摩擦消能器有着更为广阔的工程应用前景。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种位移放大型摩擦消能器，该位移放大型摩擦消能器能在较小的相对位移条件下提高摩擦消能器的耗能效果，减小建筑结构在中小地震作用下的结构响应，且构造简单。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种位移放大型摩擦消能器，包括上内钢板、下内钢板和至少一组摩擦消能单元。
位移放大型摩擦消能器为对称体，具有水平对称轴x和竖向对称轴y。
上内钢板和下内钢板关于水平对称轴x上下对称布设，且能在外力作用下发生水平错动。
每组摩擦消能单元均包括两块摩擦板、转动部件和转动限位部件。
两块摩擦板均对称布设在上内钢板和下内钢板的两侧；每块摩擦板的顶部内壁面均直接或间接与上内钢板摩擦配合；每块摩擦板的底部内壁面均直接或间接与下内钢板摩擦配合。
转动部件包括两根销轴，其中一根销轴用于将上内钢板将两块摩擦板相铰接，另一份销轴用于将下内钢板将两块摩擦板相铰接；当上内钢板和下内钢板未发生水平错动时，两根销轴均位于竖向对称轴y上，且关于水平对称轴x对称。
转动限位部件包括上弧形槽、下弧形槽和两根压紧杆。
上弧形槽设置在与摩擦板顶部内壁面摩擦配合的上内钢板顶部。
下弧形槽设置在与摩擦板底部内壁面摩擦配合的下内钢板底部。
两根压紧杆分别位于上弧形槽和下弧形槽内，每根压紧杆均能在上弧形槽或下弧形槽内滑动，每根压紧杆的两端分别从两块摩擦板中穿出并压紧在两块摩擦块的外壁面。
设两根销轴所在位置均为点A，两根销轴连线与水平对称轴x的交点为点O，每根压紧杆所在位置均为点B，点O与点A之间的距离为lOA，点O与点B之间的距离为lOB；根据上内钢板和下内钢板的水平错动位移情况，调整lOB的长度值，使得上内钢板或下内钢板相对点O的位移Δs得到放大。
当
Figure BDA0003623575600000021
时，能使得上内钢板或下内钢板相对点O的位移Δs得到放大，每根压紧杆所在位置B点滑过的位移是位移Δs的
Figure BDA0003623575600000022
倍。
每块摩擦板的顶部内壁面均直接与上内钢板摩擦配合，每块摩擦板的底部内壁面均直接与下内钢板摩擦配合；与两根销轴相对应的两块摩擦板内表面均设置有凹槽，使得每块摩擦板的端部厚度均大于中部厚度。
每块摩擦板的顶部内壁面均间接与上内钢板摩擦配合，每块摩擦板的底部内壁面均间接与下内钢板摩擦配合；每块摩擦板均为等厚板；每块摩擦板与上内钢板和下内钢板摩擦配合的部位均设置有摩擦片。
每块摩擦片的材料均为黄铜、不锈钢或非石棉材料。
上内钢板的顶端和下内钢板的底端均设置有端板。
上内钢板的两侧和下内钢板的两侧均设置有垂直加劲肋。
每块摩擦板均设置有与两根销轴相配合的两个销轴孔，其中至少一个销轴孔为竖向布设的腰型孔。
本发明具有如下有益效果：
相比于现有技术，本发明具有如下特点和优势：
(1)本发明提供的一种位移放大型摩擦消能器，上内钢板和下内钢板发生水平错位Δ时，上内钢板和下内钢板分别驱动销轴，带动摩擦板发生转动，而摩擦板的两端在上内钢板和下内钢板表面摩擦消能，实现了摩擦板两端位移y比水平错位位移Δ更大，因此能够通过摩擦消耗更多能量。
(2)本发明提供的一种位移放大型摩擦消能器，通过改变销轴和摩擦片的位置关系可灵活调整消能器的位移放大倍数，即y/Δ，通过增减摩擦板数量，即摩擦板并联，可调整消能器承载力大小。
(3)本发明提供的一种位移放大型摩擦消能器，分别采用销轴和摩擦板传递和放大连接点位移，机械性能稳定，不需配置精密构件，对加工和使用精度要求较低。
附图说明
图1显示了本发明实施例1中位移放大型摩擦消能器的立体图。
图2显示了本发明实施例1位移放大型摩擦消能器的立体分解图；
图3显示了本发明实施例1位移放大型摩擦消能器的正视图；
图4显示了本发明实施例1位移放大型摩擦消能器的A-A剖面图；
图5显示了本发明实施例1位移放大型摩擦消能器的变形演示图；
图6显示了本发明实施例2位移放大型摩擦消能器的立体图；
图7显示了本发明实施例2位移放大型摩擦消能器的立体分解图；
图8显示了本发明实施例3位移放大型摩擦消能器的立体图；
图9显示了本发明实施例4位移放大型摩擦消能器的立体图
图10a显示了本发明位移放大型摩擦消能器的工作原理示意图一。
图10b显示了本发明位移放大型摩擦消能器中摩擦板的转动轨迹示意图。
图10c显示了本发明位移放大型摩擦消能器的工作原理示意图二。
其中有：
1.上内钢板；11.上钢板圆孔；12.上弧形槽；13.上端板；14.上垂直加劲肋；
2.下内钢板；21.下钢板圆孔；22.下弧形槽；23.下端板；24.下垂直加劲肋；
3.摩擦板；31.上腰型孔；32.下腰型孔；33.上螺栓过孔；34.下螺栓过孔；35.凹槽；36.摩擦片；37.销轴圆孔；
4.销轴；
5.螺栓；51.螺栓头部；52.光杆部；53.螺纹部；
6.螺母；
7.水平对称轴x；
8.竖向对称轴y。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的显示了，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，仅显示了为了便于描述本发明和简化描述，而不显示了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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只显示了为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
本发明以如下四种优选实施例为例，进行详细说明。
实施例1
如图1至图5所示，一种位移放大型摩擦消能器，包括上内钢板1、下内钢板2和至少一组摩擦消能单元。
位移放大型摩擦消能器为对称体，具有水平对称轴x7和竖向对称轴y8。
上内钢板和下内钢板关于水平对称轴x上下对称布设，且能在外力作用下发生水平错动。
在本实施例1中，优选包括一组摩擦消能单元。两块摩擦板均对称布设在上内钢板和下内钢板的两侧；每块摩擦板的顶部内壁面均直接或间接与上内钢板摩擦配合；每块摩擦板的底部内壁面均直接或间接与下内钢板摩擦配合。在本实施例1中，每块摩擦板的顶部内壁面均优选直接与上内钢板摩擦配合，每块摩擦板的底部内壁面均优选直接与下内钢板摩擦配合。
转动部件包括两根销轴4，其中一根销轴用于将上内钢板将两块摩擦板相铰接，另一份销轴用于将下内钢板将两块摩擦板相铰接；在本实施例1中，与两根销轴相对应的两块摩擦板内表面均优选设置有凹槽35，使得每块摩擦板的端部厚度均大于中部厚度。
每块摩擦板均设置有与两根销轴相配合的两个销轴孔，其中至少一个销轴孔为竖向布设的腰型孔。在本实施例1中，每块摩擦板均设置有竖向布置的上腰型孔31与下腰型孔32。
当上内钢板将两块摩擦板相铰接时，销轴依次穿过摩擦板中的上腰型孔、上内钢板中的上钢板圆孔11和对应摩擦板的上腰型孔。
当下内钢板将两块摩擦板相铰接时，销轴依次穿过摩擦板中的下腰型孔、下内钢板中的下钢板圆孔21和对应摩擦板的下腰型孔。
当上内钢板和下内钢板未发生水平错动时，两根销轴均位于竖向对称轴y上，且关于水平对称轴x对称。
转动限位部件包括上弧形槽12、下弧形槽22和两根压紧杆。
上弧形槽设置在与摩擦板顶部内壁面摩擦配合的上内钢板顶部。
下弧形槽设置在与摩擦板底部内壁面摩擦配合的下内钢板底部。
两根压紧杆分别位于上弧形槽和下弧形槽内，每根压紧杆均能在上弧形槽或下弧形槽内滑动，每根压紧杆的两端分别从两块摩擦板中穿出并压紧在两块摩擦块的外壁面。
压紧杆优选为螺栓5，螺栓包括螺栓头部51、光杆部52和螺纹部53。
螺栓的光杆部插设在上弧形槽或下弧形槽内，光杆部的两端分别从两块摩擦板的上螺栓过孔33或下螺栓过孔34中穿出，形成两个穿出端。其中，一个穿出端设置螺纹头部，压紧在对应摩擦板外侧，另一个穿出端外周设置螺纹部，并螺纹连接有螺母，通过旋转螺母，实现另一块摩擦板的压紧。
设两根销轴所在位置均为点A，两根销轴连线与水平对称轴x的交点为点O，每根压紧杆所在位置均为点B，点O与点A之间的距离为lOA，点O与点B之间的距离为lOB；根据上内钢板和下内钢板的水平错动位移情况，调整lOB的长度值，使得上内钢板或下内钢板相对点O的位移Δs得到放大。
以本实施例1为例，本发明的工作原理如图10a、图10b和图10c所示。本实施例1中在发生剪切变形时上下反对称，摩擦板围绕中心O点转动。
当上内钢板或下内钢板相对点O的位移为Δs，即lB'D时，也等于销轴A点水平位移lAA'。
对应摩擦板相对于中心O的转动角度θ可表示为：
Figure BDA0003623575600000051
如图10(b)所示几何关系可得：
lAA'＝lOA·tanθ (2)
lCD＝[(lOB-lOA)-(lOB-lOB'·cosθ)]·tanθ (3)
压紧杆的绝对位移为lBB'，压紧杆相对上内钢板位移，即摩擦板顶端滑动位移为lBD。当实施例1具有位移放大效果时，需lBD＞lB'D。又因为lBD＞lCD和lB'D＝lAA'，所以结合式(2)和(3)，只需要满足下式，
[(lOB-lOA)-(lOB-lOB'·cosθ)]·tanθ＞lOA·tanθ (4)
整理得，
lOB·cosθ>2·lOA (5)
因此，令lOB cosθ＞2lOA，即
Figure BDA0003623575600000052
则使得上内钢板或下内钢板相对点O的位移Δs得到放大，使得每根压紧杆所在位置B点滑过的位移与位移Δs的比可表示为：
Figure BDA0003623575600000053
实施例2
如图6和图7所示，本实施例2与实施例1基本相同，不同之处在于每块摩擦板的顶部内壁面均间接与上内钢板摩擦配合，每块摩擦板的底部内壁面均间接与下内钢板摩擦配合；每块摩擦板均为等厚板；每块摩擦板与上内钢板和下内钢板摩擦配合的部位均设置有摩擦片36。
每块摩擦片的材料均优选为黄铜、不锈钢或非石棉材料。也可将摩擦板接触面优选进行喷砂处理。
本实施例2中，上内钢板的顶端焊接设置有上端板13，下内钢板的底端焊接设置有下端板23；上内钢板的两侧焊接设置有上垂直加劲肋14，下内钢板的两侧焊接设置有下垂直加劲肋24。
实施例3
如图8所示，本实施例3与实施例2基本相同，不同之处在于位移放大型摩擦消能器采用多组摩擦消能单元。
实施例4
如图9所示，本实施例4与实施例2基本相同，不同之处在于每块摩擦板均设置有一个竖向布置的腰型孔和一个销轴圆孔37。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种位移放大型摩擦消能器，其特征在于：包括上内钢板、下内钢板和至少一组摩擦消能单元；
位移放大型摩擦消能器为对称体，具有水平对称轴x和竖向对称轴y；
上内钢板和下内钢板关于水平对称轴x上下对称布设，且能在外力作用下发生水平错动；
每组摩擦消能单元均包括两块摩擦板、转动部件和转动限位部件；
两块摩擦板均对称布设在上内钢板和下内钢板的两侧；每块摩擦板的顶部内壁面均直接或间接与上内钢板摩擦配合；每块摩擦板的底部内壁面均直接或间接与下内钢板摩擦配合；
转动部件包括两根销轴，其中一根销轴用于将上内钢板将两块摩擦板相铰接，另一份销轴用于将下内钢板将两块摩擦板相铰接；当上内钢板和下内钢板未发生水平错动时，两根销轴均位于竖向对称轴y上，且关于水平对称轴x对称；
转动限位部件包括上弧形槽、下弧形槽和两根压紧杆；
上弧形槽设置在与摩擦板顶部内壁面摩擦配合的上内钢板顶部；
下弧形槽设置在与摩擦板底部内壁面摩擦配合的下内钢板底部；
两根压紧杆分别位于上弧形槽和下弧形槽内，每根压紧杆均能在上弧形槽或下弧形槽内滑动，每根压紧杆的两端分别从两块摩擦板中穿出并压紧在两块摩擦块的外壁面。
2.根据权利要求1所述的位移放大型摩擦消能器，其特征在于：设两根销轴所在位置均为点A，两根销轴连线与水平对称轴x的交点为点O，每根压紧杆所在位置均为点B，点O与点A之间的距离为lOA，点O与点B之间的距离为lOB；根据上内钢板和下内钢板的水平错动位移情况，调整lOB的长度值，使得上内钢板或下内钢板相对点O的位移Δs得到放大。
3.根据权利要求2所述的位移放大型摩擦消能器，其特征在于：当
Figure FDA0003623575590000011
时，能使得上内钢板或下内钢板相对点O的位移Δs得到放大，每根压紧杆所在位置B点滑过的位移是位移Δs的
Figure FDA0003623575590000012
倍。
4.根据权利要求1所述的位移放大型摩擦消能器，其特征在于：每块摩擦板的顶部内壁面均直接与上内钢板摩擦配合，每块摩擦板的底部内壁面均直接与下内钢板摩擦配合；与两根销轴相对应的两块摩擦板中部内表面均设置有凹槽，使得每块摩擦板的端部厚度均大于中部厚度。
5.根据权利要求1所述的位移放大型摩擦消能器，其特征在于：每块摩擦板的顶部内壁面均间接与上内钢板摩擦配合，每块摩擦板的底部内壁面均间接与下内钢板摩擦配合；每块摩擦板均为等厚板；每块摩擦板与上内钢板和下内钢板摩擦配合的部位均设置有摩擦片。
6.根据权利要求5所述的位移放大型摩擦消能器，其特征在于：每块摩擦片的材料均为黄铜、不锈钢或非石棉材料。
7.根据权利要求1所述的位移放大型摩擦消能器，其特征在于：上内钢板的顶端和下内钢板的底端均设置有端板。
8.根据权利要求1或7所述的位移放大型摩擦消能器，其特征在于：上内钢板的两侧和下内钢板的两侧均设置有垂直加劲肋。
9.根据权利要求1所述的位移放大型摩擦消能器，其特征在于：每块摩擦板均设置有与两根销轴相配合的两个销轴孔，其中至少一个销轴孔为竖向布设的腰型孔。
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