CN115853123A - 一种木质梁柱结点转角位移弹簧阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种木质梁柱结点转角位移弹簧阻尼器,涉及结构位移阻尼器技术领域。包括:木圆柱、木矩形梁、柱套箍、梁套箍、转角支架、弹簧阻尼器,木圆柱与木矩形梁之间采用相互嵌合的榫卯连接。转角支架与梁柱节点转角位移协调同步,弹簧阻尼器在梁产生向下挠度时,吸收梁柱节点弯矩在转角位移发生后产生的能量。本装置通过设置梁柱套箍连接的转角支架及弹簧阻尼器,将梁柱节点弯矩在转角位移方向上所做的功转化为阻尼器中的弹性势能,提高了梁在大荷载作用下节点材料进入屈服后的塑性变形能力,具备大转角、大变形不破坏的能力,且荷载撤除后节点转角也重新归零,具备一定的自复位能力,面对低周往复荷载时构件具有较强的稳定性。

Description

一种木质梁柱结点转角位移弹簧阻尼器
技术领域
本发明具体涉及一种木质梁柱节点转角位移弹簧阻尼器,属于建筑设备技术领域,特别涉及一种通过大刚度弹簧将梁柱节点转角位移转化为弹性势能,且具有自复位能力的节点加固装置。
背景技术
木结构建筑在梁柱连接节点位置通常采用榫卯连接,对于梁柱节点在发生转角位移时所需的节点刚度,现有技术存在以下问题:
梁柱节点通常为榫卯结构,即梁端直方形凸榫插入柱中卯口嵌固,节点承受较大弯矩时,会出现木材纤维受挤压,部分纤维层材料进入塑性,挤压导致较大压缩变形,卯口出现松动现象,如果直接将等截面木梁替换为加腋梁一定程度上可以提高节点抗弯强度,节点转角刚度也大大提高,但是却削弱了梁柱节点转角方向的延性。对于含水量较低或者干硬性木材,梁柱节点易发生脆性破坏。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足,本发明提供了一种木质梁柱节点转角位移弹簧阻尼器,解决了传统技术连接简单、节点转角方向延性低等问题,具有节点连接强度高、大荷载下节点材料进入屈服状态后仍可以保持较强的变形能力且维持正常使用功能的特点,且荷载撤除后节点转角也重新归零,具备一定的自复位能力。
(二)技术方案
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
木圆柱、木矩形梁、柱套箍、梁套箍、转角支架、弹簧阻尼器。其特征在于:所述木圆柱作为支撑构件,柱身直方形开槽,形成卯口,卯口进深为圆柱截面半径。所述木矩形梁作为受弯构件,端部直方榫嵌入木圆柱。所述柱套箍由半圆环箍与带有凸燕尾榫的板箍组成,两者依靠螺栓连接紧固;所述梁套箍由直角环箍与带有凸燕尾榫的板箍组成,两者依靠螺栓连接紧固;所述转角支架由柱支架、梁支架、三角钢板、弧形齿条、同轴双齿轮、U形固定耳构成,所述柱套箍设有两组且将柱支架固定在竖直方向,柱支架内侧焊接端部带圆孔的三角钢板,梁套箍设有一组且梁支架内槽与带有凸燕尾榫的板箍可发生相对滑动,柱支架侧边焊接三角钢板、U形固定耳,梁支架底部焊接弧形齿条,所述同轴双齿轮包括棘轮与柱齿轮,且安装于三角钢板的端部圆孔,所述弧形齿条与同轴双齿轮的柱齿轮啮合;所述弹簧阻尼器由主轮盘、主弹簧、次弹簧、棘爪组成,所述主轮盘中间带圆孔且圆孔轴线与同轴双齿轮轴线重合,所述主轮盘同轴安装于所述同轴双齿轮的棘轮与柱齿轮之间,所述主轮盘的盘面上安装棘爪,所述棘爪与同轴双齿轮的棘轮相配合,所述主弹簧两端分别连接主轮盘和U形固定耳,且工作状态均为拉力弹簧,主轮盘与主弹簧相切的外弧面设有凹矩形槽,槽宽大于主弹簧直径;所述次弹簧两端分别连接主轮盘和棘爪,且工作状态均为拉力弹簧。
进一步地,所述柱支架端部为圆管套筒,梁支架端部为核心圆轴,端部嵌套形成铰链,所述弧形齿条是以梁柱支架铰链轴为中心的一段圆弧所确定的齿条延申路径。
进一步地,所述同轴双齿轮的柱齿轮与棘轮连接轴处设置十字形直榫嵌合连接,所述柱齿轮上与棘轮的相对面连接四角开齿轴,所述棘轮上与柱齿轮的相对面连接十字榫轴,所述柱齿轮上与棘轮的相背面连接一圆轴段切所述圆轴段安装在三角钢板端部圆孔内,确保柱齿轮与弧形齿条啮合,所述主轮盘的中心圆孔与柱齿轮上的四角开齿轴对齐安装,棘轮盘上的十字榫轴心嵌入主轮盘的中心圆孔与四角开齿轴嵌合连接。
进一步地,所述弹簧阻尼器的主轮盘设有圆盘槽,槽内设有两根与盘面固定相连的圆轴,棘爪的转轴部分带有圆孔并配合盘面上的其中一个圆轴固定在主轮盘的盘面上;所述次弹簧一端固连于主轮盘盘面上的另一根圆轴,另一端固连棘爪。
进一步地,所述主轮盘的外侧壁上固定连接有挂钩,所述主弹簧连接于主轮盘的挂钩与U形固定耳之间,且主弹簧直径小于凹矩形槽的槽宽。
进一步地,所述次弹簧恒处于受拉状态,棘爪与棘轮接触点为恒压力。
进一步地,所述梁套箍、柱套箍各自与梁、柱之间不发生相对滑动。
进一步地,所述梁支架与带有凸燕尾榫的板箍之间可发生沿着梁轴线方向的相对滑动。
(三)有益效果
本发明提供了一种木质梁柱节点转角位移弹簧阻尼器,具备以下有益效果:
本发明通过套箍、支架、弹簧阻尼器等组合机械构件将梁柱节点弯矩在转角位移方向上所做的功转化为阻尼器中的弹性势能。
本发明整个装置使得梁柱节点在恒载作用下,节点材料处于弹性阶段时转动刚度可以得到提升,处于屈服阶段可以提高弯矩作用方向的结构延性,提高了梁在大荷载作用下节点材料进入屈服后的塑性变形能力,具备大转角、大变形不破坏的能力。
本发明整个装置使得梁柱节点在活荷载作用下具备自复位能力,弹簧阻尼器储能后具有较大恢复力,节点转角位移可以重新置零。在面对诸如地震、风力等低周往复荷载时构件具有较强的稳定性,提高了节点的受力性能。
附图说明
图1为本发明的结构整体示意图。
图2为本发明的木圆柱、木矩形梁、柱套箍、梁套箍示意图。
图3为本发明的柱套箍等轴测视图。
图4为本发明的柱套箍局部放大螺栓示意图。
图5为本发明的梁套箍等轴测视图。
图6为本发明的转角支架等轴测视图。
图7为本发明的同轴双齿轮等轴测视图、侧视图、正视图。
图8为本发明的同轴双齿轮绕竖向轴转180°后等轴测视图。
图9为本发明的弹簧阻尼器的主轮盘等轴测视图、侧视图、正视图。
图10为本发明的弹簧阻尼器等轴测视图。
图11为本发明的弹簧阻尼器绕竖向轴转180°后等轴测视图。
图12为本发明的弹簧阻尼器棘轮、棘爪局部放大示意图。
附图中:木圆柱(1)、木矩形梁(2)、柱套箍(3)、梁套箍(4)、转角支架(5)、弹簧阻尼器(6)、半圆环箍(3-1)、带有凸燕尾榫的板箍(3-2)、螺栓(3-3)、直角环箍(4-1)、带有凸燕尾榫的板箍(4-2)、螺栓(4-3)、柱支架(5-1)、梁支架(5-2)、三角钢板(5-3)、弧形齿条(5-4)、同轴双齿轮(5-5)、U形固定耳(5-6)、主轮盘(6-1)、主弹簧(6-2)、次弹簧(6-3)、棘爪(6-4)。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明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发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,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,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-11,本发明提供以下技术方案:
一种木质梁柱结点转角位移弹簧阻尼器,包括木圆柱1、木矩形梁2、柱套箍3、梁套箍4、转角支架5、弹簧阻尼器6,木圆柱1作为支撑构件,柱身直方形开槽,形成卯口,卯口进深为圆柱截面半径,木矩形梁2作为受弯构件,端部直方榫嵌入木圆柱1,柱套箍3由半圆环箍3-1与带有凸燕尾榫的板箍3-2组成,半圆环箍3-1与带有凸燕尾榫的板箍3-2依靠四根螺栓3-3连接紧固,梁套箍4的直角环箍4-1与带有凸燕尾榫的板箍4-2依靠四根螺栓4-3连接紧固。
转角支架5由柱支架5-1、梁支架5-2、三角钢板5-3、弧形齿条5-4、同轴双齿轮5-5、U形固定耳5-6构成,柱套箍3设有两组且将柱支架5-1固定在竖直方向,柱支架5-1内侧焊接端部带圆孔的三角钢板5-3,梁套箍4设有一组且梁支架内槽与带有凸燕尾榫的板箍4-2可发生相对滑动,柱支架5-1侧边焊接三角钢板5-3、U形固定耳5-6,梁支架5-2底部焊接弧形齿条5-4,同轴双齿轮5-5包括棘轮与柱齿轮,且安装于三角钢板5-3的端部圆孔,弧形齿条5-4与同轴双齿轮5-5的柱齿轮啮合;柱支架5-1端部为圆管套筒,梁支架5-2端部为核心圆轴,端部嵌套形成铰链,弧形齿条(5-4)是以梁柱支架铰链轴为中心的一段圆弧所确定的齿条延申路径。
弹簧阻尼器6由主轮盘6-1、主弹簧6-2、次弹簧6-3、棘爪6-4组成,主轮盘6-1中间带圆孔且圆孔轴线与同轴双齿轮5-5轴线重合,主轮盘6-1同轴安装于同轴双齿轮5-5的棘轮与柱齿轮之间,主轮盘6-1的盘面上安装棘爪6-4,棘爪6-4与同轴双齿轮5-5的棘轮相配合,主弹簧6-2两端分别连接主轮盘6-1和U形固定耳5-6,且工作状态均为拉力弹簧,主轮盘6-1与主弹簧6-2相切的外弧面设有凹矩形槽,槽宽大于主弹簧6-2直径;次弹簧6-3两端分别连接主轮盘6-1和棘爪6-4,且工作状态均为拉力弹簧。
同轴双齿轮5-5的柱齿轮与棘轮连接轴处设置十字形直榫嵌合连接,柱齿轮上与棘轮的相对面连接四角开齿轴,棘轮上与柱齿轮的相对面连接十字榫轴,柱齿轮上与棘轮的相背面连接一圆轴段切圆轴段安装在三角钢板5-3端部圆孔内,确保柱齿轮与弧形齿条5-4啮合,主轮盘6-1的中心圆孔与柱齿轮上的四角开齿轴对齐安装,棘轮盘上的十字榫轴心嵌入主轮盘6-1的中心圆孔与四角开齿轴嵌合连接。
弹簧阻尼器6的主轮盘6-1设有圆盘槽,槽内设有两根与盘面固定相连的圆轴,棘爪6-4的转轴部分带有圆孔并配合盘面上的其中一个圆轴固定在主轮盘6-1的盘面上;次弹簧6-3一端固连于主轮盘6-1盘面上的另一根圆轴,另一端固连棘爪6-4。
主轮盘6-1的外侧壁上固定连接有挂钩,主弹簧6-2连接于主轮盘6-1的挂钩与U形固定耳5-6之间,且主弹簧6-2直径小于凹矩形槽的槽宽。
一种木质梁柱节点转角位移弹簧阻尼器的使用步骤如下:
首先需要将两组柱套箍(3)、一组梁套箍(4)安装紧固在柱身和梁上,保证凸燕尾榫的板箍(3-2)位于梁柱节点内侧,然后将柱支架(5-1)、梁支架(5-2)通过支架自身的凹燕尾榫槽安装在凸燕尾榫的板箍(3-2)、(4-2)上,保证柱支架(5-1)固定在竖直方向,梁支架(5-2)可沿着梁轴线方向滑动,三角钢板(5-3)、U形固定耳(5-6)焊接在柱支架(5-1)上,弧形齿条(5-4)焊接在梁支架(5-2)上,同轴双齿轮(5-5)由柱齿轮与棘轮两个零件组成,连接轴处设置十字形直榫嵌合连接,先将柱齿轮安装在三角钢板(5-3)端部圆孔内,确保柱齿轮与弧形齿条(5-4)啮合,再将主轮盘(6-1)孔口与柱齿轮四角开齿轴对齐安装,棘轮盘十字榫轴心嵌入主轮盘(6-1)孔口,在主轮盘(6-1)盘面上安装棘爪(6-4)、次弹簧(6-3),主弹簧(6-2)连接主轮盘(6-1)与U形固定耳(5-6)。
正常使用阶段,当木矩形梁(2)受到竖向荷载时,木矩形梁(2)会产生竖直向下的挠度,与梁支架(5-2)焊接固连的弧形齿条(5-4)产生以转角支架(5)转轴为中心,以转轴中心到弧形线距离为半径的转动位移,弧形齿条(5-4)与同轴双齿轮(5-5)柱齿轮之间的啮合关系,柱齿轮会发生顺时针方向转动,柱齿轮与棘轮盘之间十字榫轴嵌合连接,棘轮盘也会发生顺时针转动,棘轮盘顺时针的转动会通过棘爪(6-4)带动主轮盘(6-1)产生顺时针方向转动,进而主弹簧(6-2)会被拉伸,储存弹性势能,拉长的主弹簧(6-2)会进入主轮盘(6-1)外弧面设有凹矩形槽内,保证主弹簧(6-2)具有足够的工作行程,外荷载为恒载时,整个装置处于静止状态,木矩形梁(2)的竖向挠度、主轮盘(6-1)的转角、主弹簧(6-2)的伸长量都是恒定值,外荷载为活载且处于减小阶段时,先前主弹簧(6-2)伸长所产生的拉力对主轮盘(6-1)孔口中心轴的力矩较大,而弧形齿条(5-4)与同轴双齿轮(5-5)的柱齿轮啮合处接触力对齿轮轴线产生的力矩较小,这两个力矩的作用轴共线,进而主弹簧(6-2)的拉力会使得主轮盘(6-1)反转,通过棘爪(6-4)带动棘轮逆时针旋转,柱齿轮同样发生逆时针旋转,弧形齿条(5-4)则会沿着圆弧形轨迹向上运动,通过梁支架(5-2)、梁套箍(4)将梁顶起,使梁恢复到水平位置。
整个装置使得梁柱节点在恒载作用下,节点材料处于弹性阶段时转动刚度可以得到提升,处于屈服阶段可以提高弯矩作用方向的结构延性,具备大转角、大变形不破坏的能力。
整个装置使得梁柱节点在活荷载作用下具备自复位能力,在面对诸如地震、风力等低周往复荷载时构件具有较强的稳定性,提高了节点的结构性能。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种木质梁柱结点转角位移弹簧阻尼器,包括木圆柱(1)、木矩形梁(2)、柱套箍(3)、梁套箍(4)、转角支架(5)、弹簧阻尼器(6),其特征在于:所述木圆柱(1)作为支撑构件,柱身直方形开槽,形成卯口,卯口进深为圆柱截面半径,所述木矩形梁(2)作为受弯构件,端部直方榫嵌入木圆柱(1);
所述柱套箍(3)由半圆环箍(3-1)与带有凸燕尾榫的板箍(3-2)组成,两者依靠螺栓(3-3)连接紧固;所述梁套箍(4)由直角环箍(4-1)与带有凸燕尾榫的板箍(4-2)组成,两者依靠螺栓(4-3)连接紧固;
所述转角支架(5)由柱支架(5-1)、梁支架(5-2)、三角钢板(5-3)、弧形齿条(5-4)、同轴双齿轮(5-5)、U形固定耳(5-6)构成,所述柱套箍(3)设有两组且将柱支架(5-1)固定在竖直方向,柱支架内侧焊接端部带圆孔的三角钢板(5-3),梁套箍(4)设有一组且梁支架内槽与带有凸燕尾榫的板箍(4-2)可发生相对滑动,柱支架(5-1)侧边焊接三角钢板(5-3)、U形固定耳(5-6),梁支架(5-2)底部焊接弧形齿条(5-4),所述同轴双齿轮(5-5)包括棘轮与柱齿轮,且安装于三角钢板(5-3)的端部圆孔,所述弧形齿条(5-4)与同轴双齿轮(5-5)的柱齿轮啮合;
所述弹簧阻尼器(6)由主轮盘(6-1)、主弹簧(6-2)、次弹簧(6-3)、棘爪(6-4)组成,所述主轮盘(6-1)中间带圆孔且圆孔轴线与同轴双齿轮(5-5)轴线重合,所述主轮盘(6-1)同轴安装于所述同轴双齿轮(5-5)的棘轮与柱齿轮之间,所述主轮盘(6-1)的盘面上安装棘爪(6-4),所述棘爪(6-4)与同轴双齿轮(5-5)的棘轮相配合,所述主弹簧(6-2)两端分别连接主轮盘(6-1)和U形固定耳(5-6),且工作状态均为拉力弹簧,主轮盘(6-1)与主弹簧(6-2)相切的外弧面设有凹矩形槽,槽宽大于主弹簧(6-2)直径;所述次弹簧(6-3)两端分别连接主轮盘(6-1)和棘爪(6-4),且工作状态均为拉力弹簧。
2.根据权利要求1所述的一种木质梁柱节点转角位移弹簧阻尼器,其特征在于:所述柱支架(5-1)端部为圆管套筒,梁支架(5-2)端部为核心圆轴,端部嵌套形成铰链,所述弧形齿条(5-4)是以梁柱支架铰链轴为中心的一段圆弧所确定的齿条延申路径。
3.根据权利要求1或2所述的一种木质梁柱节点转角位移弹簧阻尼器,其特征在于:所述同轴双齿轮(5-5)的柱齿轮与棘轮连接轴处设置十字形直榫嵌合连接,所述柱齿轮上与棘轮的相对面连接四角开齿轴,所述棘轮上与柱齿轮的相对面连接十字榫轴,所述柱齿轮上与棘轮的相背面连接一圆轴段切所述圆轴段安装在三角钢板(5-3)端部圆孔内,确保柱齿轮与弧形齿条(5-4)啮合,所述主轮盘(6-1)的中心圆孔与柱齿轮上的四角开齿轴对齐安装,棘轮盘上的十字榫轴心嵌入主轮盘(6-1)的中心圆孔与四角开齿轴嵌合连接。
4.根据权利要求3所述的一种木质梁柱节点转角位移弹簧阻尼器,其特征在于:所述弹簧阻尼器(6)的主轮盘(6-1)设有圆盘槽,槽内设有两根与盘面固定相连的圆轴,棘爪(6-4)的转轴部分带有圆孔并配合盘面上的其中一个圆轴固定在主轮盘(6-1)的盘面上;所述次弹簧(6-3)一端固连于主轮盘(6-1)盘面上的另一根圆轴,另一端固连棘爪(6-4)。
5.根据权利要求4所述的一种木质梁柱节点转角位移弹簧阻尼器,其特征在于:所述主轮盘(6-1)的外侧壁上固定连接有挂钩,所述主弹簧(6-2)连接于主轮盘(6-1)的挂钩与U形固定耳(5-6)之间,且主弹簧(6-2)直径小于凹矩形槽的槽宽。
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