CN116657787A - 一种可调式自复位变截面摩擦耗能装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可调式自复位变截面摩擦耗能装置，属于结构工程技术领域，该一种可调式自复位变截面摩擦耗能装置包括套管组件和两个前后相互对称插设在套管组件内的变截面钢棒；两个变截面钢棒从相对一端到相远离一端依次设置有第一锥形面、第一等径段和第二锥形面和牵引杆；两个第一锥形面的直径从相对一端到相远离的一端逐渐减小；荷载通过钢结构传给变截面钢棒，变截面钢棒受到往复拉压力产生两端沿轴向方向的往复运动，由于变截面钢棒与扇形盖板内侧贴合，将轴向方向的力转变为竖向方向的作用下，在SMA丝的作用下，将扇形盖板进行重新箍紧，与变截面钢棒贴合，使变截面钢棒不容易发生变形，能够继续工作。

Description

一种可调式自复位变截面摩擦耗能装置

技术领域

本发明属于结构工程技术领域，具体涉及一种可调式自复位变截面摩擦耗能装置。

背景技术

我国是地震多发区，因为地震带来的经济和人民安全损失不计其数。进行结构抗震设计十分必要。在建筑工程抗震领域中，减震技术能有效减轻地震灾害，已经进行了广泛工程应用。阻尼器是其中最主要的减震装置，其中金属摩擦型阻尼器是应用最为成熟的产品之一。

金属摩擦阻尼器是利用金属元件屈服时产生的弹塑性滞回变形来耗散能量。金属材料往往具有良好的滞回特性和低周疲劳性能，且受外界环境和温度变化的影响较小。在地震、风等外荷载的激励作用下,振动使结构的两点之间或结构之间产生相对位移，阻尼器产生往复运动，阻尼器中的金属材料反复受压或受拉产生滞回变形而耗能，是一种简单高效的被动耗能装置，在土木工程领域中得到了广泛应用。

目前摩擦阻尼器有以下主要弊端：

（1）金属材料在遭遇强震后会产生残余变形，减弱其耗能能力，影响后续的减震效果。仅依赖金属的滞回变形耗能，在经历几次地震作用后残余变形过大，甚至自身发生断裂，不适宜继续工作，需要在震后进行及时更换。

（2）小尺寸的阻尼器的耗能能力和适用场景有限，如果要进一步提高阻尼器的耗能能力，就需要增加阻尼器的尺寸。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可调式自复位变截面摩擦耗能装置，旨在解决现有技术中阻尼器自身容易发生断裂；阻尼器的耗能能力和适用场景有限的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种可调式自复位变截面摩擦耗能装置，包括：套管组件和两个前后相互对称插设在套管组件内的变截面钢棒；两个变截面钢棒从相对一端到相远离一端依次设置有第一锥形面、第一等径段和第二锥形面和牵引杆；两个第一锥形面的直径从相对一端到相远离的一端逐渐减小，且第一锥形面的最小直径与第一等径段的直径相等；两个第二锥形面从相对一端到相远离一端位置直径逐渐增大，且第二锥形面的最小直径与第一等径段的直径相等；两个牵引杆的相对一端插设在套管组件内，且两个牵引杆的相对一端与第二锥形面固定连接，两个牵引杆的相向一端穿出套管组件；套管组件，套管组件为前后通透的筒状结构，套管组件内部设有两个前后镜像对称设置的变截面孔，变截面孔包括依次连接的第一锥形孔、第一等径孔和第二锥形孔；第一锥形孔朝远离第一等径孔的方向孔径逐渐减小，且第一锥形孔与第一锥形面相互贴合；第二锥形孔朝远离第一等径孔的方向孔径逐渐增大，且第二锥形孔与第二锥形面相互贴合；第一等径孔的内径与第一等径段直径相同，且第一等径孔与第一等径段相互贴合；套管组件包括沿其环向分割而成的至少两个扇形盖板；套管组件的外周面上环向缠绕有SMA丝线。

作为本发明优选的，所述第二锥形面远离第一等径段的一侧设置有第二等径段，所述第二等径段的另一侧与牵引杆固定连接；

所述第二等径段的直径大于牵引杆的直径，所述牵引杆的直径与套管组件前端开口处的内径相同；

所述第二锥形孔远离第一等径孔的一端固定设有第二等径孔，所述第二等径孔的内径与第二等径段的直径相同，所述第二等径孔与第二等径段相互贴合；

所述第二等径孔远离第二锥形孔的一端固定设有第四等径孔，所述第四等径孔的内径与牵引杆的直径相同，所述第四等径孔与牵引杆相互贴合。

作为本发明优选的，所述第一锥形面远离第一等径段的一端设置有第三等径段，所述第一锥形孔远离第一等径孔的一端设置有第三等径孔；

所述第三等径孔与第三等径段相互贴合。

作为本发明优选的，所述套管组件的周侧面上开设有环形槽，所述SMA丝线缠绕在环形槽内。

作为本发明优选的，所述套管组件的周侧面上开设有多个前后间隔设置的环形槽。

作为本发明优选的，每个变截面孔至少与其中一个环形槽内外对应。

作为本发明优选的，所述第一锥形面和所述第二锥形面与变截面钢棒的轴线形成有小于度的夹角。

作为本发明优选的，所述变截面钢棒与套管组件的轴线重合。

作为本发明优选的，所述SMA丝线由多根SMA丝缠绕而成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、该可调式自复位变截面摩擦耗能装置，荷载通过钢结构传给变截面钢棒，变截面钢棒受到往复拉压力产生两端沿轴向方向的往复运动，由于变截面钢棒与套管组件内侧贴合，通过第一锥形面、第一等径段和第二锥形面与第一锥形孔、第二锥形孔和第一等径孔的相互作用下，能够将轴向方向的作用力转变为竖向方向的作用力；

在SMA丝线的作用下，将套管组件进行重新箍紧，与变截面钢棒贴合，使变截面钢棒不容易发生变形，能够继续工作。

2、该可调式自复位变截面摩擦耗能装置，通过调节SMA丝的直径和缠绕圈数及股数，从而来调节阻尼器的松紧度，提高承载能力和耗能能力，不需要通过增加阻尼器的尺寸来提高耗能能力，增加了装置的实用性。

3、该可调式自复位变截面摩擦耗能装置，可预先对SMA丝材施加预拉应力，使其产生塑性变形，在套管组件在竖向方向被撑开时提供更大的抵抗力，进一步的提高了阻尼器整体的耗能能力，可根据阻尼器的使用场景来调节预拉应力，从而调节阻尼器整体的耗能能力；也可不对其施加预拉应力，SMA丝材依然能够提高阻尼器整体的耗能能力，可由操作人员自由选择，使装置的应用场景更加广泛。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明中的第一具体实施例的爆炸结构示意图；

图2为本发明中的第一具体实施例中变截面钢棒的结构示意图；

图3为本发明中的第一具体实施例的剖面结构示意图；

图4为本发明中的第一具体实施例的剖面结构示意图。

图中：11、变截面钢棒；12、SMA丝线；13、牵引杆；14、第二等径段；15、第二锥形面；16、第一等径段；17、第一锥形面；18、第三等径段；20、套管组件；21、扇形盖板；22、第二等径孔；23、第二锥形孔；24、第一等径孔；25、第一锥形孔；26、第三等径孔；27、环形槽；28、第四等径孔。

具体实施方式

我国是地震多发区，因为地震带来的经济和人民安全损失不计其数。进行结构抗震设计十分必要。在建筑工程抗震领域中，减震技术能有效减轻地震灾害，已经进行了广泛工程应用。阻尼器是其中最主要的减震装置，其中金属摩擦型阻尼器是应用最为成熟的产品之一。

实施例一：请参阅图1-4，本发明提供以下技术方案：缠绕预应力SMA丝线材的滑动摩擦阻尼器，包括：包括套管组件20和两个前后相互对称插设在套管组件20内的变截面钢棒11，变截面钢棒11与钢结构通过轴铰接。

请参阅图1-3，两个变截面钢棒11从相对一端到相远离一端依次设置有第一锥形面17、第一等径段16和第二锥形面15和牵引杆13。

第一锥形面17、第一等径段16和第二锥形面15用来与套管组件20的变截面配合，将轴向力和变形传递为套管组件20及SMA丝线12的竖向力和变形。

第二锥形面15从相对一端到相远离一端位置直径逐渐增大，且第二锥形面15的最小直径与第一等径段16的直径相等，可以更好地将轴向方向的作用力转变味竖向方向的作用力。

两个第一锥形面17的直径从相对一端到相远离的一端直径逐渐减小，且第一锥形面17的最小直径与第一等径段16的直径相等，可以更好地将轴向方向的作用力转变为竖向方向的作用力。

两个牵引杆13的相对一端插设在套管组件20内，且两个牵引杆13的相对一端与第二锥形面15固定连接，两个牵引杆13的相向一端穿出套管组件20；牵引杆13穿出套管组件20的部分通过轴与钢结构铰接。

当受到地震作用时，通过牵引杆13能够将载荷传递给第一锥形面17、第一等径段16和第二锥形面15。

套管组件20为前后通透的筒状结构，套管组件20内部设有两个前后镜像对称设置的变截面孔。

变截面孔与第一锥形面17、第一等径段16和第二锥形面15相互贴合，变截面孔的目的是使套管组件20能够与变截面钢棒11很好的贴合，使变截面钢棒11与套管组件20之间产生滑动。

变截面孔包括第一锥形孔25、第一等径孔24和第二锥形孔23，第一锥形孔25朝远离第一等径孔24的方向孔径逐渐减小，且第一锥形孔25与第一锥形面17相互贴合，通过第一锥形孔25与第一锥形面17的相互配合，能够更好地将轴向方向的作用力转变为竖向方向的作用力。

第二锥形孔23朝远离第一等径孔24的方向孔径逐渐增大，且第二锥形孔23与第二锥形面15相互贴合，通过第二锥形孔23与第二锥形面15的相互配合，能够更好地将轴向方向的作用力转变为竖向方向的作用力。

第一等径孔24的内径与第一等径段16直径相同，且第一等径孔24与第一等径段16相互贴合，第一等径段16与第一等径孔24能够使变截面钢棒11直径变化更加平滑，防止在较小截面处发生应力集中，使变截面钢棒11发生脆性破坏，从而使阻尼器失效。

同时，防止变截面钢棒11被拉出，形成如图4中A处所示的“锁扣”。

请参阅图1-4，第二锥形面15远离第一等径段16的一侧设置有第二等径段14，第二等径段14的另一侧与牵引杆13固定连接；第二等径段14的直径大于牵引杆13的直径，使其能与套管组件20之间配合形成“锁扣”如图4中A处所示，第二等径段14的长度小于牵引杆13的长度，以此来进行轴向力的传递以及连接。

牵引杆13的直径与套管组件20前端开口处的内径相同，使其能在套管组件20内部发生位移；第二锥形孔23远离第一等径孔24的一端固定设有第二等径孔22，第二等径孔22的内径与第二等径段14的直径相同，第二等径孔22与第二等径段14相互贴合，从而能够与变截面钢棒11贴合从而发生相对滑动。

第二等径孔22远离第二锥形孔23的一端固定设有第四等径孔28，第四等径孔28的内径与牵引杆13的直径相同，第二等径孔22与牵引杆13相互贴合；牵引杆13能够在第四等径孔28中滑动。

第一锥形面17远离第一等径段16的一端设置有第三等径段18，第一锥形孔25远离第一等径孔24的一端设置有第三等径孔26；第三等径孔26与第三等径段18相互贴合，使得变截面钢棒11在套管组件20内部发生位移，产生滑动。

第一锥形面17和第二锥形面15与变截面钢棒11的轴线形成有小于45度的夹角，设变截面钢棒11的位移为Δ，扇形盖板21竖向位移为δ，两者之间的关系可以表示为：，θ角度小于45°，根据上述公式，阻尼器的水平变形大于扇形盖板21的竖向变形。而由于缠绕了两股数圈的预应力SMA丝线12，扇形盖板21的位移带动的SMA丝线12的拉伸变形更加小。因此，该阻尼器的一个重要优势是，SMA丝线12发生少量的变形便可产生可观的阻尼器变形。

套管组件20的外周面上环向缠绕有SMA丝线12，套管组件20上缠绕的SMA丝线12受到套管组件20的拉扯被撑开产生塑性变形，为阻尼器提供额外的刚度、耗能能力；SMA材料具有独特的形状记忆效应和超弹特性，具有经历较大应变后自动恢复初始形状及应变的能力，SMA丝线12的塑性变形部分由于自身形状记忆效应进行自复位，恢复原有形态，带动套管组件20重新箍紧，与变截面钢棒11贴合。

SMA丝材可预先施加预拉应力，在套管组件20在竖向方向被撑开时可以提供更大的抵抗力，充分发生塑性变形，提高了阻尼器整体的耗能能力，操作人员可通过调节预拉应力来控制阻尼器的变形耗能；也可不施加预拉应力，SMA依然能够提高阻尼器整体的耗能能力，可由操作人员自由选择。

套管组件20包括沿其环向分割而成的至少两个扇形盖板21；套管组件20的周侧面上开设有多个（如图1所示）前后间隔设置的环形槽27；SMA丝线12缠绕在环形槽27内，每个变截面孔至少与其中一个环形槽27内外对应，方便径向的力直接被环形槽27内的SMA丝线12约束；SMA丝线12由多根SMA丝缠绕而成，可通过SMA丝的直径和圈数，从而来调节阻尼器的松紧度，提高承载能力和耗能能力。

请参阅图1-4，工作原理：当受到地震作用时，荷载通过钢结构传给变截面钢棒11，变截面钢棒11受到往复拉压力产生两端沿轴向方向的往复运动。

由于，第二等径段14的直径大于牵引杆13的直径，牵引杆13的直径与扇形盖板21前端开口处直径相同，因此变截面钢棒11与套管组件20之间形成有“锁扣”如图4中A处所示，第二等径孔22与第二等径段14的直径相同，从而使得变截面钢棒11在扇形盖板21内部发生相对位移。

第二锥形孔23与第一锥形面17尺寸变化规律一致，第二锥形孔23与第一锥形面17相互贴合，第一锥形孔25与第二锥形面15尺寸变化规律一致，第一锥形孔25与第二锥形面15相互贴合，使套管组件20和变截面钢棒11能够很好的贴合，很好地将轴向方向上的作用力转变为竖向方向上的作用力。

套管组件20被变截面钢棒11顶开，随着变截面钢棒11的往复运动在变截面处发生竖向方向的运动；在SMA丝线12的作用下，扇形盖板21重新箍紧，与变截面钢棒11贴合，从而减小了阻尼器震后的残余变形，抗震性能更加优越。

实施例二：一种可调式自复位变截面摩擦耗能装置，本实施例与实施例一的不同之处在于，套管组件20包括沿其环向分割而成的三个扇形盖板21。其它结构与实施例一相同。

实施例三：一种可调式自复位变截面摩擦耗能装置，本实施例与实施例一的不同之处在于，套管组件20的周侧面上开设有三个前后间隔设置的环形槽27，其它结构与实施例一相同。

实施例四：一种可调式自复位变截面摩擦耗能装置，本实施例与实施例一的不同之处在于，环形槽27内嵌套为SWA管材，利用SWA管材的变形耗能从而达到与SWA丝线同等效果。

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受上述说明限定，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。

Claims (9)

1.一种可调式自复位变截面摩擦耗能装置，其特征在于：包括套管组件（20）和两个前后相互对称插设在套管组件（20）内的变截面钢棒（11）；

两个变截面钢棒（11）从相对一端到相远离一端依次设置有第一锥形面（17）、第一等径段（16）和第二锥形面（15）和牵引杆（13）；

两个第一锥形面（17）的直径从相对一端到相远离的一端逐渐减小，且第一锥形面（17）的最小直径与第一等径段（16）的直径相等；

两个第二锥形面（15）从相对一端到相远离一端位置直径逐渐增大，且第二锥形面（15）的最小直径与第一等径段（16）的直径相等；

两个牵引杆（13）的相对一端插设在套管组件（20）内，且两个牵引杆（13）的相对一端与第二锥形面（15）固定连接，两个牵引杆（13）的相向一端穿出套管组件（20）；

套管组件（20）为前后通透的筒状结构，套管组件（20）内部设有两个前后镜像对称设置的变截面孔，两个变截面孔包括从其相对一端到相向一端依次连接的第一锥形孔（25）、第一等径孔（24）和第二锥形孔（23）；

第一锥形孔（25）朝远离第一等径孔（24）的方向孔径逐渐减小，且第一锥形孔（25）与第一锥形面（17）相互贴合；

第二锥形孔（23）朝远离第一等径孔（24）的方向孔径逐渐增大，且第二锥形孔（23）与第二锥形面（15）相互贴合；

第一等径孔（24）的内径与第一等径段（16）直径相同，且第一等径孔（24）与第一等径段（16）相互贴合；

套管组件（20）包括沿其环向分割而成的至少两个扇形盖板（21）；

套管组件（20）的外周面上环向缠绕有SMA丝线（12）。

2.根据权利要求1所述的一种可调式自复位变截面摩擦耗能装置，其特征在于：所述第二锥形面（15）远离第一等径段（16）的一侧设置有第二等径段（14），所述第二等径段（14）的另一侧与牵引杆（13）固定连接；

所述第二等径段（14）的直径大于牵引杆（13）的直径，所述牵引杆（13）的直径与套管组件（20）前端开口处的内径相同；

所述第二锥形孔（23）远离第一等径孔（24）的一端固定设有第二等径孔（22），所述第二等径孔（22）的内径与第二等径段（14）的直径相同，所述第二等径孔（22）与第二等径段（14）相互贴合；

所述第二等径孔（22）远离第二锥形孔（23）的一端固定设有第四等径孔（28），所述第四等径孔（28）的内径与牵引杆（13）的直径相同，所述第四等径孔（28）与牵引杆（13）相互贴合。

3.根据权利要求2所述的一种可调式自复位变截面摩擦耗能装置，其特征在于：所述第一锥形面（17）远离第一等径段（16）的一端设置有第三等径段（18），所述第一锥形孔（25）远离第一等径孔（24）的一端设置有第三等径孔（26）；

所述第三等径孔（26）与第三等径段（18）相互贴合。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种可调式自复位变截面摩擦耗能装置，其特征在于：所述套管组件（20）的周侧面上开设有环形槽（27），所述SMA丝线（12）缠绕在环形槽（27）内。

5.根据权利要求4所述的一种可调式自复位变截面摩擦耗能装置，其特征在于：所述套管组件（20）的周侧面上开设有多个前后间隔设置的环形槽（27）。

6.根据权利要求5所述的一种可调式自复位变截面摩擦耗能装置，其特征在于：每个变截面孔至少与其中一个环形槽（27）内外对应。

7.根据权利要求1-3任一项所述的一种可调式自复位变截面摩擦耗能装置，其特征在于：所述第一锥形面（17）和所述第二锥形面（15）与变截面钢棒（11）的轴线形成有小于45度的夹角。

8.根据权利要求1所述的一种可调式自复位变截面摩擦耗能装置，其特征在于：所述变截面钢棒（11）与套管组件（20）的轴线重合。

9.根据权利要求1所述的一种可调式自复位变截面摩擦耗能装置，其特征在于：所述SMA丝线（12）由多根SMA丝缠绕而成。