CN207484729U - 一种自复位耗能器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自复位耗能器，包括对称设置在构造框架上的自复位耗能机构，每个自复位耗能机构包括一个定滑轮、多根钢索、摩擦耗能构件和自复位构件。两个自复位耗能机构各自承担相反方向的构造框架层间位移，在地震作用下，摩擦耗能构件不但能承担大部分的水平剪力，而且能有效耗散地震能量，达到耗能减震的作用。在自复位构件的反作用力下，摩擦耗能构件实现复位；本实用新型不需要施加预应力，从而简化了操作过程。

Description

一种自复位耗能器

技术领域

本实用新型属于工程结构减震领域，涉及一种自复位耗能器。

背景技术

近年来，我国地震灾害时有发生，传统的结构难以满足抗侧刚度的要求，结构残余变形大、耗能能力有限，难以保护自身的安全，非结构构件损坏严重。鉴于此，结构中附设各种支撑进行抗震。传统的普通支撑能为结构提供较大的的抗侧刚度，但在抗压往复作用下易发生整体或者局部屈曲，致使其脆性断裂最终严重影响整体结构的抗震性能，且耗能段塑性变形较大，震后修复难度大。防屈曲支撑构件是应用于多高层建筑中的抗侧力耗能减震装置。在地震作用下，防屈曲支撑通过软钢核心全截面屈服耗能，而支撑整体构件不发生整体或局部屈曲破坏，从而较好的保护了主体结构。

然而大震作用后，防屈曲支撑的残余变形较大，相应的整体结构的残余变形也较大，支撑替换与结构修复难度大且成本高。因此，学者提出了自复位支撑，该种支撑在平时，作用相当于普通支撑，为结构提供抗侧刚度，在地震作用下，不但能耗散地震能量，而且震后几乎能恢复到原来的位置，有效的减小了结构的残余变形。

现有的自复位支撑多采用形状记忆合金作为复位材料，形状记忆合金复位性能较好，但恢复性能受温度影响，价格较贵，不利经济。而且自复位支撑多构造复杂，多数需要施加预应力，预应力的施加过程过于复杂，制造精度高，不仅施工不便，修复成本也较高。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题或缺陷，本实用新型的目的在于，提供一种自复位耗能器。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种自复位耗能器，包括对称设置在构造框架上的自复位耗能机构，每个自复位耗能机构包括一个定滑轮、多根钢索、摩擦耗能构件和自复位构件，其中，定滑轮安装在构造框架的一个框架柱的底端的地面或者楼板上，每个钢索的一端固设在另一个框架柱与框架梁形成的节点处，每个钢索的另一端绕过定滑轮连接摩擦耗能构件；当构造框架发生层间位移时，构造框架施加力于钢索，在钢索的带动下摩擦耗能构件实现摩擦耗能，并施加力于自复位构件；在自复位构件的反作用力下，摩擦耗能构件能够实现复位。

具体地，所述摩擦耗能构件包括滑动件和摩擦件，所述自复位构件包括弹性件；所述钢索一端连接滑动件；当构造框架发生层间位移时，钢索能够带动滑动件相对于摩擦件滑动，滑动件挤压弹性件使弹性件产生形变。

具体地，所述滑动件包括滑动主板和套管，所述弹性件套装在套管上；所述摩擦件包括两个摩擦固定板，二者分别设置在滑动主板的两侧；所述自复位构件还包括限位件，所述套管的一端穿过限位件，所述弹性件设置在滑动主板和限位件之间。

具体地，所述每个摩擦固定板和滑动主板之间设置有均匀受力板，均匀受力板与所述摩擦固定板固连。

具体地，所述自复位耗能机构还包括多个预紧力螺栓，所述滑动主板上设置有多个条形孔，条形孔的长度方向与滑动主板的长度方向一致；每个预紧力螺栓的端部穿过滑动主板一侧的摩擦固定板和均匀受力板后，穿过条形孔后，再穿过滑动主板另一侧的摩擦固定板和均匀受力板。

具体地，所述滑动主板为H形结构，滑动主板的两端分别设置有一个翼缘板，其中一个翼缘板连接所述的套管，所述弹性件设置在翼缘板和限位件之间。

具体地，所述摩擦固定板包括摩擦板和固定板，二者垂直设置形成L形结构；固定板与地面或者楼板固连，摩擦板与所述的均匀受力板固连。

具体地，所述限位件包括限位板和紧固板，所述套管的端部穿过限位板，紧固板与地面或者楼板固连。

具体地，所述弹性件采用碟形弹簧。

具体地，所述条形孔的长度大于2δ_Max+δ，其中，δ_Max为构造框架的层间位移，δ为多个预紧力螺栓沿摩擦固定板的长度方向的间距之和。

与现有技术相比，本实用新型具有以下技术效果：

1、本实用新型设置摩擦耗能构件，在地震作用下，摩擦耗能构件不但能承担大部分的水平剪力，而且能有效耗散地震能量，达到耗能减震的作用。

2、本实用新型设置自复位构件，在自复位构件的反作用力下，摩擦耗能构件实现复位。

3、本实用新型设置预紧力螺栓，使得摩擦耗能构件复位到初始状态，从而保证下次自复位耗能机构的正常工作。

4、本实用新型设置均匀受力板，用于滑动摩擦力的均匀稳定产生。

5、本实用新型不需要施加预应力，简化了操作过程，施加预应力的过程不但精度要求高，而且施加过程复杂。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是自复位耗能机构的结构示意图；

图3是自复位耗能机构的爆炸图；

图4是滑动主板的结构示意图；

图5是均匀受力板的结构示意图；

图6是摩擦固定板的结构示意图；

图7是碟形弹簧的结构示意图；

图8是套管的结构示意图；

图9是限位件的结构示意图；

图10是定滑轮固定装置的结构示意图；

图11是角板的结构示意图；

图12是各个构件长度关系图；

图中各个标号含义：1—自复位耗能机构，101—第一自复位耗能机构，102—第二自复位耗能机构，2—定滑轮，3—钢索，4—摩擦耗能构件，401—滑动件，40101—滑动主板，40102—套管，40103—翼缘板，402—摩擦件，40201—摩擦固定板，5—自复位构件，501—弹性件，502—限位件，50201—限位板，50202—紧固板，50203—加劲板，6—构造框架，601—框架柱，602—框架梁，7—均匀受力板，8 —碟形弹簧，9—条形孔，10—摩擦板，11—固定板，12—锚固孔， 13—安装孔，14—锁孔，15—定滑轮固定装置，1501—滑轮支座，1502 —滑轮轴，16—角板，1601—L形连接板，1602—肋板，1603—圆孔。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的方案作进一步详细地解释和说明。

具体实施方式

自复位耗能器应用于构造框架中，用于抗侧力耗能减震，保护主体结构不被破坏。参见图1，构造框架6包括框架梁602，框架梁602 的两端各设置有框架柱601，本实用新型的自复位耗能器包括对称设置在构造框架6上的自复位耗能机构1；每个自复位耗能机构1包括一个定滑轮2、多根钢索3、摩擦耗能构件4和自复位构件5，其中，定滑轮2安装在构造框架6的一个框架柱601底端的地面或者楼板上，每个钢索3的一端固设在另一个框架柱601与框架梁602形成的节点处，每个钢索3的另一端绕过定滑轮2连接摩擦耗能构件4。

当构造框架6发生某一方向的层间位移时，构造框架6施加力于钢索3，在钢索3的带动下摩擦耗能构件4实现摩擦耗能，并施加力于自复位构件5；当构造框架6施加于钢索3上的力减小到一定值后，在自复位构件5的反作用力下，摩擦耗能构件4实现复位。参见图1，两个自复位耗能机构1各自承担相反方向的构造框架层间位移，即发生层间位移时，总有一个自复位耗能机构1处于工作状态，通过钢索3将构造框架6的层间位移传递给自复位耗能机构1，在地震作用下，摩擦耗能构件4不但能承担大部分的水平剪力，而且能有效耗散地震能量，达到耗能减震的作用。

具体来说，参见图1，两个自复位耗能机构1分别为第一自复位耗能机构101和第二自复位耗能机构102，当构造框架6整体向左侧移动，即向第一自复位耗能机构101一侧移动时，拉动与第二自复位耗能机构102连接的刚索3，刚索3施加力于第二自复位耗能机构102，则第二自复位耗能机构102开始工作，同理，当构造框架6整体向右侧移动时，第一自复位耗能机构101开始工作，如此循环进行，直至构造框架6停止层间位移。

具体地，参见图2和图3，所述摩擦耗能构件4包括滑动件401 和摩擦件402，所述自复位构件5包括弹性件501；所述钢索3一端连接滑动件401；所述摩擦件402与地面或者楼板固连。当构造框架 1发生层间位移时，钢索3能够带动滑动件401相对于摩擦件402滑动，滑动件401挤压弹性件501使弹性件501产生形变。本实用新型利用滑动件401与摩擦件402之间的相对滑动，实现摩擦耗能；在滑动件401滑动的同时，挤压弹性件501使得弹性件501产生形变，目的在于，当作用于钢索3上的力消失，即滑动件401停止挤压弹性件 501后，在弹性件501的形变力的作用下，滑动件401向初始位置的方向移动。

具体地，参见图4和图8，所述滑动件401包括滑动主板40101 和套管40102，所述弹性件501套装在套管40102上；所述摩擦件402 包括两个摩擦固定板40201，二者分别设置在滑动主板40101的两侧；所述自复位构件5还包括限位件502，限位件502与地面或者楼板固连，所述套管40102的一端穿过限位件502，所述弹性件501设置在滑动主板40101和限位件502之间。

滑动主板40101的两个侧面与两个摩擦固定板40201的接触面之间产生摩擦，实现摩擦耗能；限位件502起到对弹性件501限位的作用，使得弹性件501在滑动主板40101的作用下能够产生形变，对滑动主板40101产生足够的恢复力。

参见图5，所述每个摩擦固定板40201和滑动主板40101之间设置有均匀受力板7，均匀受力板7与所述摩擦固定板40201固连。均匀受力板7采用黄铜板,均匀受力板7的设置用于滑动摩擦力的均匀稳定产生，因黄铜材质相对于钢材弹性模量较小，变形较大，当滑动主板40101滑动时，对均匀受力板7产生挤压变形，使得滑动主板 40101和均匀受力板之间接触的更加充分，有利于滑动摩擦力的均匀稳定传递。另外，均匀受力板7与滑动主板40101接触的一面为粗糙面，目的在于，增大均匀受力板7与滑动主板40101之间的滑动摩擦力。

为了改变滑动主板40101与摩擦固定板40201之间的预紧力，满足不同强度地震下的耗能需求，所述自复位耗能机构1还包括多个预紧力螺栓，所述滑动主板40101上设置有多个条形孔9，条形孔9的长度方向与滑动主板40101的长度方向一致；每个预紧力螺栓的端部穿过滑动主板40101一侧的摩擦固定板40201和均匀受力板7后，穿过条形孔9后，再穿过滑动主板40101另一侧的摩擦固定板40201和均匀受力板7。通过松动或者紧固预紧力螺栓即可改变滑动主板 40101与摩擦固定板40201之间的预紧力，调节方式简单方便；另外，通过松动预紧力螺栓还能够使得滑动主板40101复位，原因在于，当构造框架6发生某一方向的层间位移时，钢索3带动滑动主板40101 挤压弹性件501，当该方向的层间位移达到最大值时，构造框架6开始反向移动，此时作用于钢索3上的力逐渐减小，弹性件501储存的弹性势能开始释放，滑动主板40101开始方向运动，即滑动主板40101 开始复位，当弹性件501作用于滑动主板40101上的弹力等于滑动摩擦力时，滑动主板40101停止复位，此时，滑动主板40101距离初值位置的距离为滑动摩擦力大小下弹性件501的形变量。为了时滑动主板40101完全复位，通过松动预紧力螺栓，使得滑动主板40101复位到初始状态，从而保证下次自复位耗能机构工作运行的正常进行。

可选地，参见图4，所述滑动主板40101为H形结构，滑动主板 40101的两端分别设置有一个翼缘板40103，其中一个翼缘板40103 连接所述的套管40102，所述弹性件501设置在翼缘板40103和限位件502之间。其中，连接套管40102的翼缘板40103用于对弹性件 501施加压力，将力均匀施加于弹性件501上。

可选地，参见图6，所述摩擦固定板40201包括摩擦板10和固定板11，二者垂直设置形成L形结构；固定板11与地面或者楼板固连，摩擦板10与所述的均匀受力板7固连。摩擦板10上设置有6个通孔，通过用于使预紧力螺栓穿过；当滑动主板40101受到钢索3的拉力时，滑动主板40101与均匀受力板7产生相对滑动的同时，预紧力螺栓沿条形孔9内沿与滑动主板40101相反方向滑动。条形孔9具有限制滑动主板40101位移的作用。固定板11上设置有5个锚固孔 12，锚固孔12安装有锚栓将固定板11固设在底面或者楼板上。另外，摩擦固定板40201设置成L形结构还用于限制滑动主板的位移。

设定构造框架6在罕遇地震作用下按弹塑性分析的层间位移为δ_Max，多个预紧力螺栓沿纵轴总距为δ，预紧力螺栓纵轴总距为预紧力螺栓沿摩擦固定板40201长度方向的间距之和，如图12所示。进一步地，所述条形孔9的长度大于2δ_Max+δ。本实用新型的耗能器应满足耗能器最大运动范围大于构造框架6的弹塑性分析的层间位移的2倍，即2δ_Max，才能使耗能器运动范围满足安装框架结构弹塑性变形需求，因此条形孔9的长度大于2δ_Max+δ，才能使滑动主板 40101在条形孔9长度上运动的范围为2δ_Max，也即滑动主板40101 在条形孔9长度上能左右运动δ_Max，δ为穿过长条孔的预紧力螺栓总距，这部分长度为条形孔9的安装需要所设。

考虑到滑动主板40101开设条形孔9后稳定性能降低，同时为了安装方便，因此设置均匀受力板7和摩擦板10的长度均大于 2δ_Max+δ，也即在滑动主板40101开设条形孔区段，使用均匀受力板7和摩擦板10加强条形孔9的稳定性。

为了便于滑动主板40101沿条形孔9方向运动范围为2δ_Max，滑动主板40101长度大于4δ_Max+δ，但是，均匀受力板7、与摩擦板 10和滑动主板40101的长度在满足上述条件要求外，三者的长度尽量取小，以保证整体结构的稳定性。

具体地，参见图9，所述限位件502包括限位板50201和紧固板 50202，限位板50201上设置有安装孔13，所述套管40102的端部穿过限位板50201上的安装孔13，紧固板50202上设置有多个锚固孔 12，锚固孔12内安装有锚栓将紧固板50202与地面或者楼板固连。限位板50201和紧固板50202连接形成L形结构，L形结构上还设置有加劲板50203，用于增强限位件502的刚度和稳定形。

可选地，参见图7，所述弹性件501采用碟形弹簧8，碟形弹簧 8采用多片同等型号的碟形弹簧复合而成。通过选择不同刚度的碟形弹簧，可以调节弹簧的恢复力的大小，通过调节碟形弹簧的组合形式以及个数以满足不同的位移要求或刚度要求。碟形弹簧的组合形式包括碟合组合、对合组合、复位组合等，可根据不同的设计需要选取不同的蝶形弹簧组合形式。

为了满足摩擦耗能构件的复位需求，所述复合组合后的碟形弹簧 8的形变量应大于构造框架6的弹塑性层间位移δ_Max。

选取碟形弹簧8型号时参照《碟形弹簧》GB/T1972-2005规范。碟形弹簧的刚度也不益过大，需满足翼缘板401和套管40102在复合组合碟形弹簧达到最大形变力时的刚度与稳定。

本实用新型采用碟形弹簧8，其价格经济且材质通用，节省成本；碟形弹簧8弹簧刚度大，层间位移结束后滑动主板距初始位移仅有很小的位移0.4mm,可以松动预紧力螺栓，手动使滑动主板40101复位，操作简单方便；碟形弹簧8属于压型弹簧，弹簧为滑动主板提供复位力，同时伸缩变形也可以耗散部分能量。

进一步地，参见图8，所述套管40102的端部对称设置有多个索孔14，可选地，索孔14设置有4个，每个自复位耗能机构1连接两根钢索3，每根钢索3的一端穿过相对称设置的两个索孔14，通过此种对称设置的索孔14，保证套管40102的受力均匀。

进一步地，参见图10，所述定滑轮2通过定滑轮固定装置15固设在地面或者楼板上；每根钢索3的一端通过角板16安装在框架柱 601与框架梁602形成的节点处。定滑轮固定装置15包括滑轮支座 1501和滑轮轴1502，定滑轮2通过滑轮轴1502安装在滑轮支座1501上，滑轮支座1501通过锚栓固设在地面或者楼板上。参见图11，角板16包括L形连接板1601，L形连接板1601上设置有两个肋板1602，肋板1602上开设有圆孔1603，钢索3穿过圆孔1603固定在角板16 上。L形连接板1601固设在框架柱601和框架梁602形成的节点处。

本实用新型的自复位耗能器适合工业化生产，在不改变自复位构件与摩擦耗能构件参数的同时，采用不同的钢索的长度可以使本实用新型的自复位耗能器适应不同开间、进深的结构，有利于耗能器规格化、工业化生产。

本实用新型的自复位耗能器，具体工作过程如下：

(1)构造框架6整体向一侧发生层间位移，钢索3拉动相反一侧的自复位耗能机构1开始工作，即，钢索3拉动滑动主板40101 相对于均匀受力板7滑动，产生摩擦耗能；同时滑动主板40101挤压碟形弹簧8，使得碟形弹簧8产生形变；

(2)当上述方向的层间位移达到最大值时，钢索3对滑动主板 40101的拉力达到最大值，构造框架6向相反方向移动，此过程钢索 3对滑动主板40101的拉力快速减小，当钢索3对滑动主板40101的拉力小于碟形弹簧8对滑动主板40101的弹力和滑动摩擦力之和时，滑动主板40101反向运动，即滑动主板40101向初始位置的方向移动，此过程碟形弹簧8对滑动主板40101的弹力大于滑动摩擦力，且碟形弹簧8对滑动主板40101的弹力逐渐减小；

(3)当构造框架6经过初始位置继续反向运动，位于另一侧的自复位耗能机构1开始工作，工作过程相同；如此循环工作；

(4)当构造框架6停止移动后，当碟形弹簧8对滑动主板40101 的弹力减小到等于滑动摩擦力时，滑动主板40101停止复位，此时，滑动主板40101距离初值位置的距离为滑动摩擦力大小下碟形弹簧8 的形变量；通过松动预紧力螺栓，使滑动主板40101完全复位。

Claims (10)

1.一种自复位耗能器，其特征在于，包括对称设置在构造框架上的自复位耗能机构(1)，每个自复位耗能机构(1)包括一个定滑轮(2)、多根钢索(3)、摩擦耗能构件(4)和自复位构件(5)，其中，定滑轮(2)安装在构造框架(6)的一个框架柱(601)的底端的地面或者楼板上，每个钢索(3)的一端固设在另一个框架柱(601)与框架梁(602)形成的节点处，每个钢索(3)的另一端绕过定滑轮(2)连接摩擦耗能构件(4)；当构造框架(6)发生层间位移时，构造框架(6)施加力于钢索(3)，在钢索(3)的带动下摩擦耗能构件(4)实现摩擦耗能，并施加力于自复位构件(5)；在自复位构件(5)的反作用力下，摩擦耗能构件(4)能够实现复位。

2.如权利要求1所述的自复位耗能器，其特征在于，所述摩擦耗能构件(4)包括滑动件(401)和摩擦件(402)，所述自复位构件(5)包括弹性件(501)；所述钢索(3)一端连接滑动件(401)；当构造框架(6)发生层间位移时，钢索(3)能够带动滑动件(401)相对于摩擦件(402)滑动，滑动件(401)挤压弹性件(501)使弹性件(501)产生形变。

3.如权利要求2所述的自复位耗能器，其特征在于，所述滑动件(401)包括滑动主板(40101)和套管(40102)，所述弹性件(501)套装在套管(40102)上；所述摩擦件(402)包括两个摩擦固定板(40201)，二者分别设置在滑动主板(40101)的两侧；所述自复位构件(5)还包括限位件(502)，所述套管(40102)的一端穿过限位件(502)，所述弹性件(501)设置在滑动主板(40101)和限位件(502)之间。

4.如权利要求3所述的自复位耗能器，其特征在于，所述每个摩擦固定板(40201)和滑动主板(40101)之间设置有均匀受力板(7)，均匀受力板(7)与所述摩擦固定板(40201)固连。

5.如权利要求4所述的自复位耗能器，其特征在于，所述自复位耗能机构(1)还包括多个预紧力螺栓，所述滑动主板(40101)上设置有多个条形孔(9)，条形孔(9)的长度方向与滑动主板(40101)的长度方向一致；每个预紧力螺栓的端部穿过滑动主板(40101)一侧的摩擦固定板(40201)和均匀受力板(7)后，穿过条形孔(9)后，再穿过滑动主板(40101)另一侧的摩擦固定板(40201)和均匀受力板(7)。

6.如权利要求4所述的自复位耗能器，其特征在于，所述滑动主板(40101)为H形结构，滑动主板(40101)的两端分别设置有一个翼缘板(40103)，其中一个翼缘板(40103)连接所述的套管(40102)，所述弹性件(501)设置在翼缘板(40103)和限位件(502)之间。

7.如权利要求4所述的自复位耗能器，其特征在于，所述摩擦固定板(40201)包括摩擦板(10)和固定板(11)，二者垂直设置形成L形结构；固定板(11)与地面或者楼板固连，摩擦板(10)与所述的均匀受力板(7)固连。

8.如权利要求3所述的自复位耗能器，其特征在于，所述限位件(502)包括限位板(50201)和紧固板(50202)，所述套管(40102) 的端部穿过限位板(50201)，紧固板(50202)与地面或者楼板固连。

9.如权利要求2-8中任一权利要求所述的自复位耗能器，其特征在于，所述弹性件(501)采用碟形弹簧(8)。

10.如权利要求5所述的自复位耗能器，其特征在于，所述条形孔(9)的长度大于2δ_Max+δ，其中，δ_Maa为构造框架(6)的层间位移，δ为多个预紧力螺栓沿摩擦固定板(40201)的长度方向的间距之和。