CN115874728A - 一种防屈曲支撑 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防屈曲支撑，包括安装机构和变形放大机构，变形放大机构内置于安装机构，变形放大机构包括主齿件、齿轮组和安装板，在所述主齿件的两侧均设有齿条，2组所述齿轮组分别安装在所述主齿件两侧并与齿条一一对应配合使用，在2个平行设置安装板之间设置主齿件和齿轮组，主齿件与齿轮组配合使用。有益效果：本发明的防屈曲支撑无需支撑杆与建筑主体连接；直接省去了支撑杆，无需占用较大的建筑空间；而且通过本发明的防屈曲支撑耗能减震效率更高。

Description

一种防屈曲支撑

技术领域

本发明涉及减震耗能技术领域，具体涉及一种防屈曲支撑。

背景技术

我国是全球地震灾害最为严重的国家之一，地震作用下建筑结构的损毁和倒塌会造成惨重的人员伤亡以及巨大的财产损失。耗能减震技术可以显著提高建筑结构的抗震性能，在耗能减震装置中，防屈曲支撑由于力学性能稳定且耗能效果显著，而被广泛应用。

防屈曲支撑减震的本质是通过耗能内芯的弹塑性滞回变形消耗地震输入能量，从而减小作用在主体结构上的地震作用。耗能内芯两端的相对变形越大，防屈曲支撑的耗能减震效果越显著。耗能内芯的变形一般与主体结构的层间变形正相关，但矛盾的是，结构设计中主体结构基本不允许发生较大的层间变形，所以防屈曲支撑在实际应用过程中，由于变形受限，普遍存在耗能能力得不到充分利用以及耗能效果不突出等问题。

在此背景下，变形放大这一技术理念被提出。现阶段，针对防屈曲支撑的变形放大技术主要是借助几何可变体系(由防屈曲支撑本体和多根支撑杆共同组成，且多根支撑杆之间需要固定的角度安装，不同的建筑主体需要匹配不同的支撑杆长度)，使防屈曲支撑两端的相对变形远大于主体结构的层间变形，如图12所示，在图示上的黑色部分为防屈曲支撑本体。相关技术虽然可以实现变形放大的作用效果，但存在体系内构件多、施工精度要求高以及占用建筑空间大等问题，实际工程应用比较受限。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种防屈曲支撑，包括安装机构和变形放大机构，安装机构为变形放大机构提供完整的有效的变形空间、变形条件，并实现耗能减震，而变形放大机构实现接收能量-变形能量-传递能量的作用。变形放大机构中的主齿件直接与建筑主体连接，当主齿件接收到地震的输入能量时，由齿轮组与芯板内齿条的啮合传动，实现芯板在H型钢、垫条和盖板三者围合形成的空腔中弹塑性滞回变形来耗能，从而减小作用在建筑主体上的地震作用。本发明的防屈曲支撑无需支撑杆与建筑主体连接；直接省去了支撑杆，无需占用较大的建筑空间；而且通过本发明的防屈曲支撑耗能减震效率更高。

本发明的目的是通过以下技术措施达到的：一种防屈曲支撑，包括安装机构和变形放大机构，所述变形放大机构内置于安装机构，所述变形放大机构包括主齿件、齿轮组和安装板，在所述主齿件的两侧均设有齿条，2组所述齿轮组分别安装在所述主齿件两侧并与齿条一一对应配合使用，2个安装板平行设置，在2个安装板之间设置主齿件和齿轮组，主齿件的长度方向平行于安装板，齿轮组的长度方向垂直于安装板并与安装板连接，所述齿轮组包括轮轴、大齿轮和小齿轮，所述大齿轮和小齿轮套设于轮轴上，所述大齿轮有2个，在2个大齿轮之间设置小齿轮，所述小齿轮与主齿件上的齿条啮合，所述大齿轮和小齿轮之间、大齿轮与安装板之间均设置有利于大齿轮或小齿轮自由转动的间距，所述大齿轮直径大于小齿轮直径。

进一步地，所述安装板上设有安装孔，通过安装孔安装轮轴，所述安装板的一侧延伸出一安装台，当变形放大机构安装在安装机构上时，所述安装台的高度小于安装板的高度，所述安装台的高度中心线与安装板的高度中心线重合。

进一步地，所述安装机构包括主体架，主体架采用H型钢，在所述主体架长度方向的两端分别对应设置1个变形放大机构。

进一步地，所述变形放大机构的安装台全部插入H型钢中并与H型钢固定连接，所述安装板的一侧对插入H型钢的深度做限位。

进一步地，所述主齿件在长度方向的一端延伸出一个限位柱，所述限位柱上不延续主齿件的齿条，当变形放大机构与主体架安装连接时，所述限位柱设置在主齿件远离主体架的一端上，所述限位柱用于限位小齿轮的行程，所述防屈曲支撑通过限位柱与外部连接。

进一步地，所述安装机构包括芯板，在所述芯板的其中一个侧面上设置有内齿条，单个芯板上设置4个内齿条，内齿条两两平行的设置在芯板的两端，内齿条的长度方向与芯板的长度方向一致，在H型钢的两个侧面上分别设置一个芯板，当变形放大机构与主体架安装连接时，所述芯板上的内齿条与齿轮组中的大齿轮一一对应啮合，所述芯板在长度方向的端尾设于2个安装板之间。

进一步地，所述芯板在宽度方向的两侧上分别开设有槽口。

进一步地，所述安装机构包括盖板和垫条，在单个盖板的其中一个侧面上对称设置2根垫条，垫条与盖板连接，垫条的长度方向与盖板的长度方向保持一致，所述垫条在长度方向的其中一侧上向外延伸出一个凸边，当所述盖板盖住芯板时，所述凸边与槽口配合使用。

进一步地，所述凸边的长度小于槽口的长度，所述槽口的长度两端分别设有弧形边，所述凸边的长度两端分别设有弧形过渡边，弧形边与弧形过渡边配合使用，所述垫条的厚度大于芯板的厚度。

进一步地，所述盖板上开设有限位缺口，所述盖板、垫条和H型钢三者之间通过螺栓固定，当盖板盖合芯板与H型钢连接时，所述限位缺口与安装板一一对应配合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种防屈曲支撑，安装机构为变形放大机构提供完整的有效的变形空间、变形条件，并实现耗能减震，而变形放大机构实现接收能量-变形能量-传递能量的作用。变形放大机构中的主齿件直接与建筑主体连接，当主齿件接收到地震的输入能量时，由齿轮组与芯板内齿条的啮合传动，实现芯板在H型钢、垫条和盖板三者围合形成的空腔中弹塑性滞回变形来耗能，从而减小作用在建筑主体上的地震作用。本发明的防屈曲支撑无需支撑杆与建筑主体连接；直接省去了支撑杆，无需占用较大的建筑空间；而且通过本发明的防屈曲支撑耗能减震效率更高。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是防屈曲支撑的结构爆炸图。

图2是变形放大机构的结构爆炸图。

图3是防屈曲支撑的结构图。

图4是变形放大机构与H型钢的安装结构爆炸图。

图5是齿轮组的结构示意图。

图6是主齿件的结构示意图。

图7是H型钢的结构示意图。

图8是芯板的结构示意图。

图9是内齿条的结构示意图。

图10是垫条的结构示意图。

图11是盖板的结构示意图。

图12是现有技术的3种常见防屈曲支撑的结构示意图。

其中，1.主齿件，2.齿轮组，3.安装板，4.轮轴，5.大齿轮，6.小齿轮，7.安装台，8.H型钢，9.限位柱，10.芯板，11.内齿条，12.盖板，13.垫条，14.槽口，15.凸边，16.限位缺口，17.螺栓，18.齿条，19.安装孔。

具体实施方式

如图1至11所示，一种防屈曲支撑，包括安装机构和变形放大机构，所述变形放大机构内置于安装机构，所述变形放大机构包括主齿件1、齿轮组2和安装板3，在所述主齿件1的两侧均设有齿条18，2组所述齿轮组2分别安装在所述主齿件1两侧并与齿条18一一对应配合使用，2个安装板3平行设置，在2个安装板3之间设置主齿件1和齿轮组2，主齿件1的长度方向平行于安装板3，齿轮组2的长度方向垂直于安装板3并与安装板3连接，所述齿轮组2包括轮轴4、大齿轮5和小齿轮6，所述大齿轮5和小齿轮6套设于轮轴4上，所述大齿轮5有2个，在2个大齿轮5之间设置小齿轮6，所述小齿轮6与主齿件1上的齿条18啮合，所述大齿轮5和小齿轮6之间、大齿轮5与安装板3之间均设置有利于大齿轮5或小齿轮6自由转动的间距，所述大齿轮5直径大于小齿轮6直径。变形放大机构通过齿轮-齿条18的配合直接传动给芯板10，使得本发明的变形放大机构相对于现有技术的变形放大功能更灵敏，同时结构比较紧凑。安装机构为变形放大机构提供完整的有效的变形空间、变形条件，并实现耗能减震，而变形放大机构实现接收能量-变形能量-传递能量的作用。变形放大机构中的主齿件1直接与建筑主体连接，当主齿件1接收到地震的输入能量时，主齿件1将能量传递给齿轮组2的小齿轮6，小齿轮6的转动通过轮轴4带动大齿轮5转动，因为大齿轮5与小齿轮6的直径设计，将输入的地震能量转变之后传递给芯板10。地震能量直接传动到耗能的芯板10，从而使芯板10在建筑主体变形较小的情况下也能进入到弹塑性大变形状态，进而高效的进行耗能减震，本发明相对于现有技术的耗能减震效率更好。本发明的防屈曲支撑通过主齿件1直接与建筑主体连接，无需支撑杆与建筑主体连接，无需支撑杆之间的安装角度要求，安装更简单，占用的建筑空间更小。

所述安装板3上设有安装孔19，通过安装孔19安装轮轴4，轮轴4可以在安装孔19中自由转动，通过轮轴4的转动带动大齿轮5转动。所述安装板3的一侧延伸出一安装台7，当变形放大机构安装在安装机构上时，所述安装台7的高度小于安装板3的高度，所述安装台7的高度中心线与安装板3的高度中心线重合。安装台7与安装板3的高度设计，可以将变形放大机构居中的定位在主体架上。一个主体架的长度两端分别定位安装一个变形放大机构，可以更好的将地震输入能量传递到芯板10的两端。一个芯板10的变形耗能可以消耗来自建筑主体相对方向的输入能量。

所述安装机构包括主体架，主体架采用H型钢8，在所述主体架长度方向的两端分别对应设置1个变形放大机构。此发明中的H型钢8具有两个作用，既是芯板10的屈曲约束构件，同时还承担变形放大机构传递而来的轴向荷载。此主体架可以提升防屈曲支撑的安全性和可靠性。

所述变形放大机构的安装台7全部插入H型钢8中并与H型钢8固定连接，所述安装板3的一侧对插入H型钢8的深度做限位。

所述主齿件1在长度方向的一端延伸出一个限位柱9，所述限位柱9上不延续主齿件1的齿条18，当变形放大机构与主体架安装连接时，所述限位柱9设置在主齿件1远离主体架的一端上，所述限位柱9用于限位小齿轮6的行程，所述防屈曲支撑通过限位柱9与外部(建筑主体)连接。

所述安装机构包括芯板10，在所述芯板10的其中一个侧面上设置有内齿条1811，单个芯板10上设置4个内齿条1811，内齿条1811两两平行的设置在芯板10的两端，内齿条1811的长度方向与芯板10的长度方向一致，在H型钢8的两个侧面上分别设置一个芯板10，当变形放大机构与主体架安装连接时，所述芯板10上的内齿条1811与齿轮组2中的大齿轮5一一对应啮合，所述芯板10在长度方向的端尾设于2个安装板3之间。H型钢8上相对设置的2个芯板10，能够有效提升其极限承载能力和耗能能力，同时两个芯板10分别与H型钢8长度方向两端变形放大机构中的大齿轮5相连，所述对称式布局能够避免变形放大机构中出现偏心受力的情况，进而使所述防屈曲支撑的整体受力更合理。芯板10采用钢制材料。

所述防屈曲支撑能够在不改变芯板10尺寸的情况下，仅通过调整大齿轮5与小齿轮6的直径比便可改变自身的弹性刚度及耗能效果，有利于实现标准化设计、生产和施工。

所述芯板10在宽度方向的两侧上分别开设有槽口14。所述安装机构包括盖板12和垫条13，在单个盖板12的其中一个侧面上对称设置2根垫条13，垫条13的长度与H型钢8的长度相同。垫条13与盖板12固定连接，垫条13的长度方向与盖板12的长度方向保持一致，所述垫条13在长度方向的其中一侧上向外延伸出一个凸边15，当所述盖板12盖住芯板10时，所述凸边15与槽口14配合使用。所述凸边15的长度小于槽口14的长度，所述槽口14的长度两端分别设有弧形边，所述凸边15的长度两端分别设有弧形过渡边，弧形边与弧形过渡边配合使用，所述垫条13的厚度大于芯板10的厚度，具体的，垫条13厚度大于芯板10厚度1-2mm。垫条13与芯板10厚度的设置，为芯板10提供了可变形的空间条件。在盖板12、垫条13、H型钢8上均开设有螺栓孔，三者通过螺栓17连接固定在一起。盖板12、2根垫条13、H型钢8三者围合形成一个空腔，所述芯板10贯穿该空腔的长度方向，并且在该空腔中弹塑性变形。围合形成空腔具体布置：盖板12与H型钢8的钢翼缘平行设置，盖板12与H型钢8两者的长度方向保持一致，在盖板12与H型钢8的钢翼缘之间设置垫条13，2根垫条13分别设置在盖板12宽度方向的两侧。

所述盖板12上开设有限位缺口16，所述盖板12、垫条13和H型钢8三者之间通过螺栓17固定，当盖板12盖合芯板10与H型钢8连接时，所述限位缺口16与安装板3一一对应配合。限位缺口16的长度与安装板3的宽度一致。

为了保证结构之间能够相互正常运转，并且发挥出较好的减震耗能作用，各部件长度以及安装位置介绍：

芯板10：(1)内齿条1811的长度l₁需要根据建筑主体结构设计极限位移δ_max以及变形放大倍数α加以确定，具体计算公式为l₁＝2αδ_max，其中系数2是考虑地震等灾害作用具有往复特性，需保证内齿条1811在正反两个方向都具有足够的行程，内齿条1811其余尺寸需根据支撑设计极限承载力通过强度计算加以确定。

(2)芯板10宽度和厚度，芯板10中间段(槽口14的整个覆盖长度)宽度b2和厚度t2根据该防屈曲支撑的设计屈服力确定，并宜使4≤b2/t2≤10，芯板10端部扩大段(芯板10上去除槽口14覆盖长度后的一端)宽度b3应不小于2b2，以确保在整个工作过程中，芯板10端部扩大段始终处于弹性工作阶段，进而能够与变形放大机构紧密结合，可靠传力。芯板10端部扩大段的总长度l2为2倍内齿条1811长度l1，以防止内齿条1811在工作过程中与H型钢8翼缘直接接触，芯板10总长度l3需要根据支撑的设计刚度通过计算加以确定。芯板10在长度方向两侧对称开设的槽口14，使得芯板10成为了变截面形状。

H型钢8：H型钢8的总长度l4为芯板10总长度l3减去3倍内齿条1811长度l1，即l4＝l3-3l1，H型钢8翼缘和腹板的具体尺寸需要根据支撑构件的设计刚度要求以及芯板10尺寸通过计算加以确定，同时需保证H型钢8两翼缘内部净高hw与安装板3上安装台7的高度h1相等，以便于后续组装，H型钢8翼缘需提前钻孔，开孔间距以及开孔尺寸由防屈曲支撑设计极限承载力、芯板10尺寸以及拟采用的高强螺栓17力学性能通过计算加以确定。

垫条13：根据芯板10变截面形状及尺寸设计加工垫条13，垫条13与H型钢8等长(均为l4)，垫条13端部(是指垫条13去除凸边15覆盖之后的一端)切削长度与内齿条1811长度相等(均为l1)，垫条13端部宽度b5＝0.5*[b4-b3-(2～4mm)]，垫条13中间段(凸边15覆盖的长度)宽度b6＝0.5*[b4-b2-(2～4mm)]，此外，垫条13厚度t5还应比芯板10厚度t2大1-2mm，以保证芯板10受压过程中的横向膨胀变形(泊松效应)能够得到充分释放。

齿轮组2：根据变形放大倍数要求及设计承载力确定齿轮组2的细部尺寸，其中大齿轮5、小齿轮6的分度圆直径之比d2/d1即为该防屈曲支撑的设计变形放大倍数α，其余细部尺寸应根据设计极限荷载通过强度验算加以确定。

安装板3与安装台7：安装台7的高度需要与拟采用的H型钢8翼缘净高一致(均为h1)，安装板3高度h2为拟采用H型钢8总高度h1+2t4、垫条13总厚度2t5以及拟采用盖板12总厚度2t6之和(即h2＝hw+2t4+2t5+2t6)，安装板3宽度为1.5l1，开孔位置与安装板3宽度一侧边缘的距离为l1/2，开孔位置与安装板3高度一侧边缘的距离h3＝t1+t5+t6+d2/2，安装板3或安装台7厚度t3应满足齿轮组2中轮轴4处局部承压强度要求。

盖板12：将矩形钢板通过四个角切削限位缺口16而形成盖板12，盖板12与芯板10等长(均为l3)，盖板12未切削的宽度与H型钢8翼缘等宽(均为b4)，盖板12的切削长度(限位缺口16的长度)与安装板3长度一致(均为1.5l1)，盖板12的切削宽度(限位缺口16的宽度)与安装板3厚度一致(均为t3)。

主齿件1：主齿件1的有效长度(含限位柱9长度)l5不小于建筑主体结构设计极限位移δ_max的2倍，齿条18高h4＝h2-2h3-d1。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“中”、“外”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件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发明的限制。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种防屈曲支撑，包括安装机构和变形放大机构，所述变形放大机构内置于安装机构，其特征在于：所述变形放大机构包括主齿件、齿轮组和安装板，在所述主齿件的两侧均设有齿条，2组所述齿轮组分别安装在所述主齿件两侧并与齿条一一对应配合使用，2个安装板平行设置，在2个安装板之间设置主齿件和齿轮组，主齿件的长度方向平行于安装板，齿轮组的长度方向垂直于安装板并与安装板连接，所述齿轮组包括轮轴、大齿轮和小齿轮，所述大齿轮和小齿轮套设于轮轴上，所述大齿轮有2个，在2个大齿轮之间设置小齿轮，所述小齿轮与主齿件上的齿条啮合，所述大齿轮和小齿轮之间、大齿轮与安装板之间均设置有利于大齿轮或小齿轮自由转动的间距，所述大齿轮直径大于小齿轮直径。

2.根据权利要求1所述的防屈曲支撑，其特征在于：所述安装板上设有安装孔，通过安装孔安装轮轴，所述安装板的一侧延伸出一安装台，当变形放大机构安装在安装机构上时，所述安装台的高度小于安装板的高度，所述安装台的高度中心线与安装板的高度中心线重合。

3.根据权利要求2所述的防屈曲支撑，其特征在于：所述安装机构包括主体架，主体架采用H型钢，在所述主体架长度方向的两端分别对应设置1个变形放大机构。

4.根据权利要求3所述的防屈曲支撑，其特征在于：所述变形放大机构的安装台全部插入H型钢中并与H型钢固定连接，所述安装板的一侧对插入H型钢的深度做限位。

5.根据权利要求3所述的防屈曲支撑，其特征在于：所述主齿件在长度方向的一端延伸出一个限位柱，所述限位柱上不延续主齿件的齿条，当变形放大机构与主体架安装连接时，所述限位柱设置在主齿件远离主体架的一端上，所述限位柱用于限位小齿轮的行程，所述防屈曲支撑通过限位柱与外部连接。

6.根据权利要求5所述的防屈曲支撑，其特征在于：所述安装机构包括芯板，在所述芯板的其中一个侧面上设置有内齿条，单个芯板上设置4个内齿条，内齿条两两平行的设置在芯板的两端，内齿条的长度方向与芯板的长度方向一致，在H型钢的两个侧面上分别设置一个芯板，当变形放大机构与主体架安装连接时，所述芯板上的内齿条与齿轮组中的大齿轮一一对应啮合，所述芯板在长度方向的端尾设于2个安装板之间。

7.根据权利要求6所述的防屈曲支撑，其特征在于：所述芯板在宽度方向的两侧上分别开设有槽口。

8.根据权利要求7所述的防屈曲支撑，其特征在于：所述安装机构包括盖板和垫条，在单个盖板的其中一个侧面上对称设置2根垫条，垫条与盖板连接，垫条的长度方向与盖板的长度方向保持一致，所述垫条在长度方向的其中一侧上向外延伸出一个凸边，当所述盖板盖住芯板时，所述凸边与槽口配合使用。

9.根据权利要求8所述的防屈曲支撑，其特征在于：所述凸边的长度小于槽口的长度，所述槽口的长度两端分别设有弧形边，所述凸边的长度两端分别设有弧形过渡边，弧形边与弧形过渡边配合使用，所述垫条的厚度大于芯板的厚度。

10.根据权利要求8所述的防屈曲支撑，其特征在于：所述盖板上开设有限位缺口，所述盖板、垫条和H型钢三者之间通过螺栓固定，当盖板盖合芯板与H型钢连接时，所述限位缺口与安装板一一对应配合。

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